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溶接工学

溶接残留応力・変形量計算機

簡易固有ひずみ法による残留応力・角変形・横収縮の計算。継手断面の応力分布をリアルタイム可視化し、PWHT(溶接後熱処理)の効果も評価できます。

継手・材料
継手形式
材料
溶接パラメータ
板厚 t (mm)
mm
溶接パス数
熱入力 Q (kJ/mm)
kJ/mm
溶接速度 v (mm/s)
mm/s
予熱温度 T₀ (°C)
°C
PWHT(溶接後熱処理)

一時停止中はスライダーを動かすと結果が即座に更新されます。

計算結果
ライブ計測値
最大引張応力 (MPa)
最大圧縮応力 (MPa)
引張域幅 2b (mm)
熱入力 Q (kJ/mm)
溶接熱サイクル → 残留応力分布 σ(y)
引張(溶接線・HAZ, ピーク≈σy) 圧縮(母材) 自己平衡 ∫σ dy ≈ 0 N/mm
理論・主要公式

残留応力分布(Masubuchi–Martin):

$$\sigma(y)=\sigma_m\left(1-\left(\tfrac{y}{b}\right)^2\right)\exp\!\left(-\tfrac12\left(\tfrac{y}{b}\right)^2\right),\quad \sigma_m\approx\sigma_y$$

引張ピークは溶接線($y=0$)で $\sigma_m\approx\sigma_y$、引張域の半幅は $b$($\sigma=0$ の位置)、圧縮ピークは $y=\pm\sqrt{3}\,b$ で約 $-0.45\,\sigma_m$。

自己平衡条件:$\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\sigma(y)\,dy=0$(引張と圧縮がつり合う)。

既知解の照合:$\sigma_y=250$ MPa → ピーク引張 ≈ 250 MPa、数値積分の正味力 ≈ 0 N/mm。

溶接残留応力・変形量計算機とは

🙋
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ということですか?
🎓
その通り!大まかに言うと、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。
🙋
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?
🎓
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。
🙋
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?
🎓
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。計算式は概略として $\theta \approx 0.02 \cdot Q / t^2$ 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動かして確かめてみよう。

よくある質問

おおよその値で構いません。本ツールは簡易固有ひずみ法に基づき、降伏応力や経験式から残留応力・変形を推定します。設計初期の傾向把握や、条件比較に適しています。精密な実測値が必要な場合は、別途FEM解析をご検討ください。
溶接による収縮力が板厚方向の曲げモーメントとして作用するためです。板厚が厚いほど断面二次モーメントが大きくなり、同じ収縮力でも曲がりにくくなります。この関係を簡易式θ∝Q/t²で表現しています。
PWHTを適用すると、残留応力が降伏応力の30~50%程度に低減される効果を簡易的に反映します。具体的には、応力分布グラフ上で応力値が一律に減少し、変形量も緩和された値が再計算されます。
現在は突合せ継手とT継手(すみ肉溶接)に対応しています。断面形状を選択し、板厚や脚長を入力することで、それぞれの角変形・横収縮・残留応力分布をリアルタイムで可視化できます。

実世界での応用

造船・海洋構造物:大型ブロックの溶接組み立てでは、角変形が累積してブロック端部で大きな誤差(段差)を生じます。シミュレーターで板厚と熱入力の関係を確認し、施工順序やパス数を計画して変形を抑制します。

圧力容器・プラント配管:内部に高圧流体が通るため、溶接残留応力は応力腐食割れ(SCC)の主要因です。材料を「ステンレス鋼」に設定し、予熱温度やPWHT(応力除去焼鈍)の有無を変えることで、残留応力低減効果を簡易評価できます。

自動車車体(ボディ)のスポット溶接:薄板の連続溶接では横収縮が問題となり、組付け精度が低下します。のど厚(溶接サイズ)を小さく設定すると、計算される横収縮量がどう変わるかを確認し、最適な溶接条件を検討します。

橋梁・建築鋼構造:高張力鋼を用いた箱桁などの溶接では、残留応力が疲労強度に影響します。ツールで「材料」を「高張力鋼」に設定し、高い降伏応力に比例して大きな残留応力が生じることを確認し、疲労評価の重要性を理解します。

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てしまうよ。

最後に、この計算は単一溶接ビード(単パス)が基本だということ。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。