溶接継手の疲労評価
溶接継手の疲労評価の理論基礎
溶接継手の疲労
先生、溶接継手は疲労に弱いんですか？
溶接疲労の評価手法
| 手法 | 応力の定義 | 特徴 |
|---|---|---|
| 公称応力法 | 断面の平均応力 | 最もシンプル。設計コード（EN 1993-1-9, IIW） |
| ホットスポット応力法 | 溶接止端部の構造応力 | FEM結果を外挿。メッシュ非感受性 |
| ノッチ応力法 | 溶接止端部のノッチ応力（$R_{ref} = 1$ mm） | 最も詳細。FEM依存 |
| 亀裂伝播法 | 応力拡大係数 | 既存亀裂の寿命。溶接欠陥の影響 |
ホットスポット応力法が中間的なアプローチですね。
FEMの結果を溶接止端から0.4t, 1.0t（$t$: 板厚）の位置で外挿し、止端の構造応力を推定。メッシュサイズに依存しない（一定の外挿ルール）。IIWの推奨。
まとめ
リバティ船の溶接割れと疲労
第二次大戦中、アメリカのリバティ船2710隻のうち約400隻で深刻な亀裂が発生し、数十隻が海上で真っ二つに折れた。原因の一つは溶接部の疲労と低温脆性の組合せだった。溶接ビードの止端部（Toe）に応力集中係数Kt=2〜3が生じることが後の研究で明らかになり、IIW溶接疲労設計規格の原点となった。
溶接継手の疲労評価の数値計算手法
溶接疲労のFEM
ホットスポット応力法のFEM手順：
1. シェル要素で溶接構造をモデル化（板厚の中立面）
2. 溶接止端から0.4t, 1.0tの位置で応力を読み取り
3. 線形外挿で止端の構造応力を推定
4. IIW FAT分類のS-N曲線で寿命評価
ノッチ応力法
IIWの有効ノッチ応力法：溶接止端と溶接ルートに$R_{ref} = 1$ mm（鋼）の仮想ノッチ半径を与え、FEMでノッチ応力を計算。FAT225のS-N曲線で統一評価。
まとめ
ホットスポット応力法の使い方
溶接疲労評価で広く使われるホットスポット応力法は、溶接止端から0.4tと1.0t（tは板厚）の2点の表面応力を線形外挿してホットスポット応力を求める。この応力をIIW規定のFATクラス（FAT90など）のS-N曲線と照合する。外挿区間の設定が結果に大きく影響するため、メッシュサイズはt/4以下が推奨される。
溶接継手の疲労評価の実務適用
溶接疲労の実務
鋼構造の橋梁、船舶、クレーン、圧力容器、オフショア構造で必須。
IIW FAT分類の例
| 継手タイプ | FAT（N/mm²） |
|---|---|
| 母材（研磨面） | FAT 160 |
| 突き合わせ溶接（余盛り除去） | FAT 112 |
| 突き合わせ溶接（余盛りあり） | FAT 90 |
| 隅肉溶接（十字継手） | FAT 71 |
| 非耐荷隅肉溶接 | FAT 80 |
FAT = 応力範囲 $\Delta\sigma$ が2×10⁶サイクルで破壊する値。
実務チェックリスト
船体溶接疲労の20年寿命検証
DNVGL（ノルウェー船級協会）の設計規則では、船体溶接部の疲労寿命を20年として評価することを求めている。北海のウェーブスペクトル（Hs=3m）下での荷重サイクルは20年で約108に達し、FAT71クラスの溶接ならΔσ=71MPaが疲労限界となる。2000年代から普及したFEM直接ホットスポット評価法により、評価精度が大幅に向上した。
溶接継手の疲労評価のソフトウェア比較
溶接疲労のツール
選定ガイド
ANSYS Mechanical溶接疲労評価ツール
ANSYS Mechanical 2021以降は溶接疲労評価用のWeld Fatigue Toolが標準搭載され、ホットスポット応力の自動抽出とIIWのFATクラス選択をGUI上で実行できる。VW社は車体溶接部の認証解析にこのツールを使い、解析準備時間を従来の手作業に比べ70%削減した。FEMモデルの溶接線を選択するだけで自動メッシュ細分化と評価が実行される。
溶接継手の疲労評価の先端研究
溶接疲労の先端
超音波ピーニングによる溶接疲労改善
超音波ピーニング（UIT）は溶接止端部に超音波振動する工具を押し当て、表面を塑性変形させて圧縮残留応力を導入する技術だ。処理後の疲労寿命はIIW FAT71からFAT125相当（1.75倍の疲労強度）に向上することが多く、海洋構造物の修繕や既存構造の強化に使われる。工具重量5kg・処理速度300mm/分と作業性も高い。
溶接継手の疲労評価のトラブル対応
溶接疲労のトラブル
溶接残留応力の見落とし
溶接疲労解析で実験より長い寿命を予測した場合、引張残留応力の無視が最大の原因の一つだ。炭素鋼の突き合わせ溶接部の残留応力は材料降伏強度（300〜500MPa）に近い引張値が生じることがある。IIWではこの影響を考慮してR比を0.5と仮定することを推奨している。X線回折による残留応力測定を行って補正することが精度向上の近道だ。
関連トピック
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