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溶接の残留応力って何ですか？溶接が終わって冷めた後も応力が残るってことですか？
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その通り！ざっくり言うと、溶接で局所的に加熱・冷却されることで、材料の収縮が不均一になって内部に「ロックされた応力」が生じるんだ。このシミュレーターで、右のCanvasを見てみ？赤い部分が引張の残留応力で、青が圧縮応力だ。板厚や熱入力のスライダーを動かすと、この分布がどう変わるかすぐにわかるよ。
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え、そうなんですか！じゃあこの引張応力が残っていると、何が問題になるんですか？
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実務では、この応力が疲労や腐食の起点になることが多いんだ。例えば、橋梁や圧力容器の溶接部に引張残留応力があると、そこから疲労き裂が進展しやすくなる。シミュレーターで「材料」を「高張力鋼」から「ステンレス鋼」に変えてみて。同じ熱入力でも、材料が変わると降伏応力が変わるから、残留応力の最大値も変わるのがわかるよね。
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角変形や横収縮って、見た目の歪みですよね？これもパラメータで変わるんですか？
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もちろん！角変形は、上の「熱入力Q」を大きくすると顕著に増加する。計算式はざっくり $\theta \approx 0.02 \cdot Q / t^2$ だ。板厚tが分母にあるから、薄い板ほど熱入力の影響を大きく受けて変形しやすいんだ。船体ブロックの組み立てでは、この角変形を抑えるために「パス数」を増やして1パスあたりの熱入力を下げる工夫をするよ。実際にスライダーをいじって確かめてみよう。
このツールの基礎となる「簡易固有ひずみ法」では、溶接部の局所的な熱ひずみ（固有ひずみ）が残留応力と変形の原因と仮定します。最も単純化された縦残留応力の推定式は以下の通りです。
$$ \sigma_r \approx \sigma_y $$
ここで、$\sigma_r$ は溶接部及び熱影響部（HAZ）に生じる引張残留応力、$\sigma_y$ は材料の降伏応力です。加熱で膨張し、冷却時に降伏応力まで引張られることで応力が「残留」すると考えます。
見た目の変形量を表す角変形と横収縮の簡易推定式は、経験則に基づいています。
$$ \theta \approx 0.02 \cdot \frac{Q}{t^2}, \quad \Delta t \approx 0.2 \cdot t_w $$
$\theta$: 角変形量（rad）、$Q$: 溶接入熱（kJ/mm）、$t$: 板厚（mm）。熱入力が大きく板厚が薄いほど角変形が大きくなります。
$\Delta t$: 横収縮量（mm）、$t_w$: 溶接ののど厚（mm）。溶接金属の体積収縮に比例します。
よくある誤解と注意点
まず、このツールは「簡易固有ひずみ法」を使っていることを忘れないで。これは、複雑な熱弾塑性解析を経験則で置き換えた、いわば「早見表」のようなものだ。だから、絶対値そのものよりも、パラメータを変えた時の「傾向」や「比較」を見ることに意味があるんだ。例えば、熱入力Qを100 kJ/mmから150 kJ/mmに上げたら角変形がどれだけ増えるか、という相対評価に使おう。
次に、入力パラメータの「熱入力Q」の単位に注意。現場では「電流×電圧÷溶接速度」で計算するけど、このツールでは「kJ/mm」だ。例えば、電流250A、電圧30V、速度5mm/sで溶接したら、熱入力は (250×30) / 5 = 1500 J/mm = 1.5 kJ/mm になる。この換算を間違えると、現実とかけ離れた結果が出ちゃうよ。
最後に、この計算は単一溶接ビード（単パス）が基本だってこと。実際の構造物は何パスも重ねたり、複雑な拘束がかかっていたりする。ツールで「板厚25mm」と入力しても、それは1パスで溶接するわけじゃないよね。多層溶接の場合は、1パスあたりの熱入力を小さく設定して、その影響を積算的に考える必要がある。ツールの結果をそのまま施工に反映させるのではなく、「こういう条件だと変形が大きそうだから、パス数を増やそう」という判断材料の一つとして使ってほしい。
関連する工学分野
このツールで扱っている現象は、実はいろんな分野の根っこでつながっている。まず挙げるのは材料力学と弾性力学だ。残留応力は「外部力がなくても内部にバランスしている自己平衡応力」だから、釣り合いの式を理解するのにぴったり。ツールが示す応力分布の、引張域と圧縮域の面積が概ね等しくなっているのは、この自己平衡のためなんだ。
次に金属材料学、特に相変態との関連。ツールの材料設定に「炭素鋼」と「ステンレス鋼」があるけど、この違いは単に降伏応力だけじゃない。炭素鋼は冷却時にマルテンサイト変態が起きて体積が膨張するから、単純な熱収縮以上の複雑な残留応力が生じる。簡易法ではこの詳細は扱えないが、「材料を変えると結果が変わる」という感覚を養えるのは大事な第一歩だ。
もう一つは構造信頼性工学や保全工学とのつながり。計算された残留応力は、疲労強度評価の際の平均応力として、修正グッドマン線図などに組み込まれる。また、腐食との組み合わせでは「応力腐食割れ（SCC）の感受性」を評価する起点データになる。シミュレーション結果を、単なる「歪みの予測」から「寿命や信頼性の予測」につなげる視点が次のステップだね。
発展的な学習のために
このツールに慣れて「もっと詳しく知りたい」と思ったら、次の3ステップがおすすめだ。まずステップ1：基礎理論の深堀り。簡易固有ひずみ法の元になった「熱弾塑性理論」を学ぼう。キーワードは「熱ひずみ」「降伏条件」「硬化則」だ。教科書だと、溶接工学の本の第5章あたりに詳しく載っている。この理論の肝は、温度依存する材料物性（ヤング率、降伏応力、熱膨張率）を全部考慮して、加熱冷却の経路を追跡することだ。
ステップ2：数値シミュレーション手法の体験。簡易法の限界を感じたら、実際のCAEソフト（例えば、AbaqusやANSYSに搭載されている熱伝導・構造連成解析）で同じ現象を解いてみよう。メッシュの切り方や時間ステップの設定で結果がどう変わるか、簡易法との違いを体感するのが一番の勉強になる。計算コストは桁違いに上がるけどね。
最後のステップ3：実現象とのすり合わせ。学んだことを現場で検証だ。例えば、ツールで予測した横収縮量 $$ \Delta t $$ と、実際に溶接した試験片の測定値を比べてみる。必ず差が出るはずで、その差が「ツールが考慮していない要素」（例えば、治具による拘束や、周辺部からの放熱）を教えてくれる。理論→シミュレーション→実測のループを回すことが、本当の意味で「使えるエンジニア」への近道だよ。