溶接と金属疲労についてご指導ください｡

質問

現在ＳＴＫＭの鋼管同士をＣＯ2溶接しているのですが、繰り返し荷重がかかり、数年で鋼管に割れが入ります｡金属疲労の状態で割れるのですが、そのスタートはどうも溶接ビードの周囲からのようです。一般的な溶接条件（120Ａ-20Ｖ）ですが、溶接ワイヤーが適当かどうかも含めて経験された方のご意見をお願いします｡溶接ワイヤーはＪＩＳ　Ｚ　3312やフラックス入りのＺ-3313などを利用しています｡最近はコストダウンの為に外国のワイヤーを利用しています｡焼き鈍しをするほどの製品付加価値はなく、肉厚管に変更するなどの設計変更も視野に入れていますが､まずは溶接条件などを調べて、ということです。ちなみにクラック側の鋼管はＳＴＫＭ11Ａ、２２.２φ1.6ｍｍ厚さです。

皆さん色々とアドバイスありがとう御座います｡
量産製品にて試験場に構造解析をお願いしています｡今の段階では構造的に片持ち梁と同様に溶接部分に応力集中がありますが、その手前の溶接との間が短く、溶接間隔を広げたら繰り返し衝撃試験では数倍持ちました｡鋼管のたわみ等の逃げを多くとるだけでこんなに違うのかと驚いています｡3Ｄのソリッドワークスを利用しているのでプラスして構造解析を設計段階で出来るようにしたいと考えています｡
焼き鈍しも工程間に抵抗溶接機で再加熱をいれてみようかと考えています｡
ワイヤーメーカーからはＳＴＫＭに合っているとしかコメントが頂けません｡
もう少し突っ込んだ適材溶材の選定をしたいのですが、意味がないでしょうか。

回答No.1

noname#230359 · ベストアンサー

繰返し応力がかかる溶接熱影響部が割れる事例は多々あります。これは、基本的には溶接入熱により、熱影響部の硬度が上がり繰返し応力に対して弱くなっているからです。　溶接後熱処理が不可能と言うことですが、対策としては後熱処理が最も良いのですが、溶接条件を変えて極力硬度が上がらない方法を使用すれば、効果は有り得ます。　硬度上昇を抑える方法としては、予熱を行い、溶接による温度勾配のつきかたを少なくする方法、多層盛りに変更し、2層目以降の溶接により焼きならし効果を得ようとする方法、低入熱条件の溶接条件を採用する方法等が考えられます。　ただし、本件の場合には、管径も小さく、肉厚も薄いので、難しいものが有ります。　形状の変更により、応力のかかり方を変化させた方が効果は高いと思います。　肉厚を変えても、溶接熱影響部が起点であればあまり効果はありません。　とにかく、破断部の疲労破壊断面を良く観察し、破壊の起点を特定し、その方向の繰返し応力が軽減できる形状に設計変更することが最も効果が高いのではないかと考えます。

事故発生が、納入後数年ということであれば、低サイクル疲労と思われますので、形状変更による解決が必要でしょう。　応力の分散と、溶接部の熱硬化の低減のどちらも対策をとる必要が有ると思われます。　当然、その部分だけではなく全体の強度も見直す必要が有ると思われます。

お礼

早速の解答ありがとう御座います｡現在溶接の部所を変更したりして繰り返し荷重試験を始めています｡溶材メーカーや鋼管メーカーとも相談しています｡
フラックス入りのワイヤーで、ロボット溶接という安定した条件になってきていますが､原因を特定したいと考えています｡ご提案の２層溶接ではないのですが、片面溶接してから対象面の溶接を行うとどうかなども検討したいと思います｡量産製品で、数年後に起きた金属疲労での問題で頭を痛めています｡

回答No.3

noname#230359

金属疲労の起点が溶接ビートの周辺からとのことなので、溶接の２番部と呼ばれる溶接熱影響部での問題と判断されます。
前述の諸氏が回答されているように再焼入、脆化、軟化（強度低下）等も起きているので、金属疲労が起きやすいのだと思います。質問の件は鋼管同士直接接合する様に読み取れますが、継ぎ手が使えるのであれば、継ぎ手をかませて、応力を継ぎ手に負担させて、溶接部に応力がかからないようにするのが望ましいのだと思います。またコスト面で焼きなましするほどじゃないということですが、後熱までしなくても溶接後の冷却速度を抑える様に溶接部をすぐにグラスウールで覆ったり、軽くヒーター加熱したりしてするだけでも効果があるかもしれません。
　溶接に特に詳しいわけでないので的外れかもしれませんが、普通に考えられそうなことを付け加えさせて頂きました。

回答No.2

noname#230359

溶接近傍の疲労強度は、母材の疲労強度に比べて低下します。低下の要因は、（１）ビードの凸凹によって局部応力が生じやすいこと（２）溶接後の熱収縮によって残留応力があること（３）熱処理の観点からみて不適切であり脆化してしまうこと、と考えられます。これらは租材の成分要因でもばらつきますので、ｎ数の少ない製品ベースの疲労試験では要因判別がつきにくいものです。

さらに鋼管の継手部の強度ですので、たとえ総削り出しをしても（４）設計的に応力集中していると予想されます。

溶接工程での改善を低コストで進めようとされているようですが、量産性はないとはいえ、焼き鈍しして（２）（３）を改善した部品や、さらにはビードを手作業で研磨除去して（１）をも多少改善した部品の疲労試験を行い、目処を確認された方がよいと思います。

溶接方法のアドバイスでなくてすみません。