溶 接 学 会 誌 第34巻(1965)第4号417

前面隅肉溶接の破壊機構と強度について*

仲威 雄**加 藤 勉**

Deformation and Strength of End Fillet Welds*

By Takeo Naka** Ben Kato**

Abstract

The strength and deformation of end fillet welded joints wre investigated experimentaly and

theoretically.

Large size end fillet test specimens were used to observe local deformation of fillets closely .Theoretical evaluations on the strength and on the fracture mechanism based on various kinds

of yield conditions of the material were presented and compared with test results .It was cleared that the shear stress has the overwhelming effect on the strength of end fillet

welded joints and standing on this point of view rather simple and practical calculation formula

was proposed.

概 要

静荷重を うける前面す み肉溶接 の破壊機構を知 るため

に大型試験体をつ くり,溶 接部の歪,破 壊の発生,破 壊

面の位置を観察 した.こ の種の研究は過去において しば

しば行われ たものであるが溶接棒 その他の材 料が新 しく

な り性質が変 って来 ていること,前 面すみ肉溶接 の許容

応力の妥 当な値を定 めることが益 々要望 されていること

等 か ら再び とりあげた問題 であ る.

この研究 では溶着金属 の機械的な性質を求 めるため に

直接にすみ 肉溶接部か ら削成 した小型 試験体 によること

ができた.そ れ らの値は全溶着金属引張試験片 によるも

の とい くらか違 った値を示 してい る。伸 び率 では前者が

大,断 面収縮率,抗 張力,降 伏点は後者 が大 とな る傾向

がみ られ る.溶 着金属が溶着金属 試験片 か ら判断す るも

のよ り延性に富む もののよ うである.但 しすみ肉のサ イ

ズが小 さい場合 には異 った性質 を示すか も知れない.

溶接部の歪 は表面に描 いた碁盤 目の乱れ工合か らも判

るよ うに破壊面の附近だけが 目立 つ.破 壊面はルー トか

ら出発す る一平面 と見做 す ことが できる.こ れは本論 の

解析の根拠 になっている.そ して,こ の考えは既に古 く

か ら利用されていた ことである.解 析の方法には種 々の

破壊説がと りあげ られるが前回すみ肉溶接に対 して存在

せん断応力が最 も大 きな影響を もつ もの とす る最 も簡単

な扱いで十分役に立 つと考え る.こ の点余 り複雑 な破壊

説を用 いて も手数 のかか るわ りに成果が少 いのではない

か.

1.実 験

1-1.試 験体および材料 の機械的性質

試験体はFig.1に み る如 く大型の 前面 すみ肉溶接 で

ある.す み肉の変形 および破壊線を詳細に調 べるために

Fig.1

*原 稿 受 付 昭 和39年10月29日

**正 員 東 京 大 学 工 学 部 建 築 学科Member, Dep, of Archit

-ecture, Faculty of Engng. Univ. of Tokyo

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418論 文 仲,加 藤:前 面隅肉溶接 の破壊 機構 と強度について

この寸 法 の もの を選 ん だ.A.は 等 脚 す み 肉,B.Cは 不

等 脚 で 加 力 方 向 に 対 して それ ぞれ60°,30° の 角 度 を な

して い る.

製 作 は 補 助 板 に よ ってFig.2に 示 す 如 き組立 を 行 い,

4mmφ 溶 接 棒 に よ って 手 溶接 を行 った 後,補 助 板 を 切

断 して 各 種 類 に つ き3個 の 試験 休 と し,試 験 部を 所 定 の

寸 法 に 削 り上 げ た.

使 用 溶 接 棒 はD4316(低 水 素 系)とD5011(ハ イセ ル

ロー ス系)の2種 で,そ の 機 械 的性 質 は 全溶 着試 験 片 お

よび 試 験 体 の す み 肉 か ら切 り出 した 小型 試 験 片(Fig.3

参 照)に よ って 調 べ た.結 果 をFig.4に 示 す.Table.1

は その 平 均 値 で あ る.

母 材 はSS41で そ の 機 械 的 性 質 はσy=2.81t/cm2,

σB =4 .68t/cm2,ε=29%で あ った.

試 験 体 の 個 数 は す み 肉 の 形 状3種,溶 接 棒 の種 類2種

一 つ の 組合 せ につ い て3個 で 計3×2×3=18個 で あ る.

Fig.2Assemblage of test pieces

Fig.3Test pieces

W=All-weld-metal tension test,

O=Mean value of small test pieces

Fig.4Mechanical properties of weld me. tal

Table1 Mechanical properties of weld metal

Table2 Symbols of test specimens

これをTable2に 示す ような記号で表わす.

1-2.実 験 結 果

実験 は試験体 製作後約1ケ 年放 置 した の ち行 った.

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溶 接 学 会 誌 第34巻(1965)第4号419

100tonア ム ス ラー 型 試験 材 に よ

る引 張 試験 で あ る.

Fig.5は 引張 荷重2Tと 伸 び

の 関 係 を 示す 曲線 で あ る.明 瞭 な

降 伏 点 を示 さ な い場 合に は い わ ゆ

るGeneral Yield load1)に 、kっ

て これ を 決 め た.

Fig.6は 試 験 体の 破 壊 の 様 子を

示 して い る が,す み 肉 部分 に 予め

画 い て お い た グ リッ ドか ら変 形の

様 了を 見 る こ とが で き る.破 断 線

はほぼ 直 線 で,そ の線 に沿 って 大

きなせ ん 断 変 形 を 起 して い る のを

見 る こ と が で き る.Table3は

Fig.5よ り求 め た 降 伏荷 重,最 大 Fig.5

Fig.6Deformation and fracture

of specimens A. type

Fig.8Deformation and fracture

of specimens B. type

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420論 文 仲,加 藤:前面隅 肉溶接の破壊機構 と強度について

Fig.6Deformation and frae ture of specimens C. type

Table3Yield load and maximum load (in tons)

荷重 の一覧であ る.

2.解 析

2-1.略 算

すみ肉 溶接内に 生ず る曲げ応 力を 無視 して ルー ト

Oら任意の角度 θをなす 直線℃ 上には加 力方向に外力

かTに 対応す る直応力 σのみが存在す るもの と仮定す

る(Fig.7).

試験片の巾をbと す ると,

Fig.7

〓これをOC面 上 に働 く直応力 σ⊥ とせん断応 力 τ⊥と

に分解す る.

〓…

……………(1)組 合せ応力を うけ る場合の材料の降伏条件と して(1)

主応 力が材料の引張降伏点 に達 するとき降伏す る.主

応力 説,(2)主 歪が材料の降伏歪 に等 しくな るとき降

伏す る― 主歪説,(3)最 大せん断応力度が材料のせ

ん断降伏点 に達す るとき降伏す る― 最 大 せ ん 断 応 力

説,(4)von Mises-Henckyの 降伏条件に従 う― せ

ん断弾性歪 エネルギ説,(5)そ の面 内に作用す るせん

断応 力度が最大 とな るよ うな面 において作用せん断応 力

度が せん断降伏点に達す るとき降 伏すべ りを起す.

の5種 類 につ いて検討す る,

(1)主応力説

〓(1)式 の σ⊥,τ⊥ を 代入 して

〓…

……………(2)

破壊 角度 は ∂σg/∂θ=0の 条 件 か ら

sin(2θ+a)√1+3cos2θ+3cos(2θ+a)cosθ

+cos(θ+α)=0…………………………(3)

耐 力 は(2)式 を 変 形 して

〓(3)式より得たθを(4)式 に代入 して耐力Tを 求

めることがで きる.

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溶 接 学 会 誌 第34巻(1965)第4号421

(2)主 歪 説

本実際の場合は試験体形状か らみて平面応力状態 と仮

定す ることができる.

〓(1)式 の σ⊥,τ⊥ を代入 して

〓sinθ

〓…………………………(5)

(1)主 応 力説で行 った と同 じ処理 によ り

破壊角度は

〓… …(6)

耐力 は〓

…………………………………………(7)

(3)最 大 せ ん 断応 力 説

σg=2τmax=√ σ⊥2十4τ ⊥2

(1)式 の σ⊥,τ⊥ を 代 入 して

σg=T/2

bS sin α・sin(α+θ)√10+6 cos2 θ…… …(8)

破 壊 角 度 は,

3cos(3θ+α)+5cos(θ+α)=0…………………(9)

耐 力 は,

〓(4)せ ん断弾性歪 エネルギ説

〓(1)式 の σ⊥,τ⊥ 代 入 して

〓……………(11)破 壊 角 度 は,

2cosθ ・cos(2θ+α)+cos(α+θ)=0……………(12)

耐 力 は,

〓………………………(13)(5)τ ⊥ 最大説

〓破壊角度は ∂τ⊥/∂θ=0よ り

cos(2θ+α)=0ま たば2θ+α=π/2………………(14)

この考え方は(4)の せん断弾性歪 エネル ギ説を簡略化

した もの とみなすことが でき るか ら τ⊥maxとσg・max

との間には次の関係が あるもの と仮定す る.

〓よって,

〓………………………(15

)(3)～(15)式 より各仮説による破壊 角度,お よび耐

力 を計算す るとTable4の ようにな る.

2-2.実 験結果との比較

2-2.1破 壊 角度

Fig.8はFig.6か ら再録 した各試験体 の破壊角度 と

2-1で 得 た計算値 との比較 した ものである.各 試験体

の破断線は(3),(4),(5)の 計算値の間に入 って居

り,破 断線 はルー トか らほぼ直線的に走 っている.こ の

結果 はす み肉の降伏乃至破壊にはせん断応 力が支配的な

影響を及ぼす ことを示 している.

2-2.2強 度

実験 によ って得た継手 の 降 伏 荷 重 お よ び 最 大 強 度

(Table3)と2-1の 計算結果(Table.4)と を 比 較す

る,Table4の 値 は1つ のすみ肉の強 さTを 表わすか

ら継手 の強 さの比較はzrに 対 して行 う.ま た2-1で

得 た諸式 は降伏荷重 に対 して も最大荷重 に対 して も適用

で きる ものと仮定す る.即 ち,Table4のσgに すみ肉

溶 着金属 の降伏点を代入すれば降伏荷重が,引 張強度を

代入すれ ば最大 荷重 が得 られ るものとする.降 伏 点,

引張強度 としては小型 試験片 の結果 の 平均 値(Table

1 Small Test Piece from Fillet weld, mean)を 用 いた.

比 較結果 を一括 してTable5に 示す.表 中⊿ は

Table4 Fracture line and strength of fillet

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422論 文 仲,加 藤:前 面隅 肉溶接 の破壊 機構と強度について

Fig.8Fracture line,

A.type

Fig.8Fracture line,

B.type

Fig.8Fracfure line,

C.type

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溶 接 学 会 誌 第34巻(1965)第4号423

Table5Comporison of test results and calculated Ioads

⊿=実 験値― 計算値/実験値

で各 仮説 による計算値の実験値に対す る一種の誤差であ

る.

Fig.9は この誤差を図示 した ものである.絶 対値 とし

ては主応力説,主 歪説 によるものに実験値 とよ く一致 し

ているものがあるが,す み肉形状 の変化 に対 して大 きな

Fig.9

バ ラツキを示 してい る.こ れは仮説の普遍性を損 うもの

であ る.こ れ に対 してせん断応力 に注 目した(3),(4),

(5)の 三つの仮説はすみ肉形状 に対す るバラツキが比較

的少 ない.誤 差の絶対値 は一様にやゝ 高目であるが,こ

れは溶着金属の溶 け込みを考慮す るとか,す み肉内の応

力分 布を より詳細に吟味す ることによ って修正で きる.

この意味において,次 節 ではすみ肉内の応力分布を再

検討 した上で(4)せ ん断弾性歪 エネルギ説,(5)τ ⊥

最大 説によ る結果 を調べてみ る。

2-3精 算

応 力函数 を用いてすみ肉 内の応 力分布を求める.

Fig.10

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424論 文 仲,加 藤:前 面隅 肉溶接 の破壊機構 と強度について

Fig.10の 如 き極座標を用いた場合,適 合条件式

〓をみたす応力函数は

〓で表わ される2).

す み肉溶接 にFig.11の 如 く均等分布応力qが 作用

す るものと仮定 し,(16)式 によ ってすみ 肉内の応力を

求 めると,

Fig.11

〓を得る.

(17)式 を 次 の よ うに書 き変 え る.

〓βと先 に用いたすみ肉の角度α との関係はα=π/2－βて

ある.(18)式 によって 再び(4)せ ん 断弾性歪 エネル

ギ説,(5)τ ⊥(τ,θ)最大説 の それぞれによ る破 壊 角

度,耐 力を求め る.

(4)'せ ん断弾性歪エネルギ説

降伏条件

〓に(18)式 の値を代入 して,

〓 Fig.11で 座標 θが破断角度 と同 じ値を もつ ことを考

慮す れば,破 断角度は ∂σg/∂θ=0よ り,

sin2(θ-β)+sin2θ+sin(2θ－ β)cosβ+2

(θ-β)cos2β+1/2sin2β=0

……(20)によ って与 えられ る.

(20)式 の θを(19)式 に代入 し,σg=σyま たはσg=σ

Bとおいて降伏荷重Tyま たは確壊 荷重TBを 得 る.

(5)'τ ⊥(τrθ)最大説

破断角度は ∂τrθ/∂θ=0より,

sin(2θ－β)=0,θ=β/2ま たは2θ+α=π/2

とな り先に行 った略算の場合 と変 らない.

強度は上に得 た θを(18)式 のτ,θ に代入 して求あ

る.こ .の場合,(τ,θ)y=σy/√3.ま たは(τrθ)B=σB/√3

とす る.

上の計算式に試験体すみ肉の実寸法を 入 れて 破 断 角

度,耐 力を計算 した ものがTable4に それぞれ(4)',

(5)'と して記入 されている.ま た実験 結果 との比較に

おいてTable.5,Fig.8,Fig.9に これ らの計算結果が

記入 されてい る.

Fig.8に 見 る如 く破断角度 は(4.)',(5)'の 結果 は

各種計算法の うち 一番 小さい値を与 えてい る.降 伏 荷

重,最 大荷重についてはFig.9に 示 され る如 く,そ の

絶対値 に関 しては最 も実験値に近 い値を与えているが,

すみ肉形状 変化に対す るバ ラツキが(4),(5)の 場合

よ り多少大 き くな っている.

3.結 論

す み肉の破壊写真(Fig.6)は 破壊 にはせん 断応力度

が支配 的な影響を与えた ことを示 し,破 壊角度に関する

実験 と計算 との比較(Fig.8)に おいて もせん断応力に

注 目 した破壊仮説による計算(3),(4),(5),(4)'

,(5)'が 妥当であることが示 された.

強度 に関 しては,略 算値(3),(4),(5)は すみ肉形

状の変 化に対する実験値と計算値 の差のバ ラツキが少 な

く普遍性のあ るものと考え られ るが,こ れ らの計算値は

実験値 より低 目の値を与え る.特 に計算値(3)は 過少

評価 にすぎるようで ある.こ れに対 しては溶着金属の溶

け込 みによる効果,す み肉内応力分布の検討不足等があ

げ られ る.前 者については本実験程度の個数か らは言及

す るこ とはできない.後 者に関 して本論 では応力函数を

用いてすみ 肉内応力分布を求 めることを試みたが,結 果

は[(4)',(5)']強 度の絶対値 は本論 で試みた各種 計算

結果の うち最 も実験値に近 い値 とな ったが,す み肉形状

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溶 接 学 会 誌第34巻(1965)第4号425

変化に対 するバ ラツキが 多少大 き く表わ された.

以上か ら判断 して,前 回すみ 肉溶接継手の降伏,破 壊

にはせん断応力度が支配 的な作用をす る と みて よ く,

4),(5),(4)',(5)'に よって耐力を予想するのが妥 当

であると考える.実 用設計では表現 の簡単な ことが一つ

の要件 とな るか ら(4),(5)の 方法が適当であるとも

言えよう.

(4),(5),(4)',(5)'で 得 た計算式を 従来 用い られ

て きた設計公式,

〓}(21)

Fig.12

の形に書 き変え ると,係 数 αは各説によ って次のような

値とな る.

〓本研究 に関して鈴木敏郎(名 古屋工業大 学 助教授),

秋山宏(東 大大学院学生)の 両氏 の協力を得 た.深 甚な

謝意 を表す る..

参 考 文 献1) Beedle. L.S., Connections for welded Continous Portal

Frames Port III. The welding Journal, Research supplement, Nov. 1952, p. 543 S.

2) Timoshenko, S., Theory of elasticity, Mc Graw-Hill , Book Co., p. 125.

吹 号 予告

展 望

日本における溶接の展望(1964～1-12)

論文および報告

☆直列点溶接における分流電流とその強度

………………………………………………安藤弘平　西川淳　奥田滝夫☆ 備 造用鋼板噺 の衝撃値の異方性と脆性破壊との関連………………………………………大谷　碧　出口義治　中本栄次

I.I.W. および J.I.W.

☆I.I.W. 第XII委員会中間会議の模様………………………………………………………森本泉

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