溶接金属の熱影響と強度設計の注意点【材料加工の基礎解説】
機械構造物や設備において、溶接構造は一般的です。
しかし溶接は「材料を繋げている」だけの単純な構造ではありません。
強度上の弱点となってしまうこともあります。
今回は溶接金属の熱影響と強度設計の注意点について解説していきたいと思います。
溶接の弱点部分
溶接部は次の3つに分けることができます。
- 溶接部：溶接部材が融けて、最凝固した部分
- 熱影響部(HAZ)：溶接熱によって組織が変形した母材
- 母材：溶接熱の影響をほとんど受けていない部分
この中で、最も注意が必要な部分が熱影響部(HAZ)になります。
熱影響部（HAZ）とは
熱影響部（Heat Affected Zone)とは、溶接によって母材の金属組織が変化を受けた部分を指します。
溶接時に母材の金属は、高温にさらされ、その後に急速冷却されます。
この過程で結晶粒の粗大化、焼き入れ・焼き戻し状態の変化、硬さ・靭性の変化を受けます。
材料や溶接条件によっては、硬くて脆い組織になってしまい、これが破損や割れの起点となってしまいます。
母材と同じ強度とは限らない
溶接している部分は、母材と同じ強度とは限りません。
実際には、溶接部の強度、HAZの強度、母材の強度、の3つは全て異なります。
HAZの靭性低下は、特に問題となりやすいポイントです。
溶接による残留応力
溶接では、周囲は拘束された状態で局所的に高温加熱されます。
その後冷却が進むと、溶接部周辺には引張の残留応力が発生します。
この残留応力は、外力がなくても存在し、使用中も消えないことが多い、という特徴を有しています。
残留応力があることにより、想定応力よりも応力が大きくなる、亀裂が発生しやすくなる、という影響があります。
そのため、溶接部だけ損傷するということもあります。
強度設計で注意するポイント
強度設計では、以下のようなポイントに注意しましょう。
応力集中部
溶接部では、余盛やビード端部が応力集中部になります。
可能な限り、急激な断面変化を避けることや、応力の流れがなめらかになる形状にする、という設計が必要です。
材料選定
材料によっては、溶接すると割れやすいものやHAZの靭性が大きく低下するものが存在します。
鉄鋼系材料であれば、あらかじめ溶接構造用鋼や低炭素鋼を選定することが重要です。
使用環境
溶接部の破損は、以下のような状態に弱いです。
- 低温環境
- 繰り返し応力
- 振動や衝撃
使用環境が厳しい場合は、応力がかからないような形状に変更する、安全率を大きめに設定するという工夫が必要です。
施工条件の影響
強度は設計だけでなく、溶接条件や熱処理の有無によって影響が出ます。
特に応力除去焼きなましの有無によって、残留応力が変わってきます。
熱処理条件を確認した上で、適用することが必要です。
まとめ
いかがだったでしょうか。
今回は溶接金属について解説してきました。
まとめると以下のようになります。
- 溶接部は溶接金属・HAZ・母材に分けて考える
- HAZ部分は強度・靭性が低下しやすい
- 形状・材料・使用環境・施工条件を考慮して設計する
