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溶接残留応力と炭素当量 金属材料基礎講座（その33）
溶接の際、問題点として残留応力が挙げられます。元々金属は温度が上がると体積が膨張して、温度が下がると体積が収縮する性質があります。
溶接では溶接部が溶解するまで温度が上がります。この時、溶接部は熱膨張を起こします。しかし、溶接部の周囲はあまり温度の上がっていない元材に拘束されて、あまり熱膨張できません。そして溶接が終わると冷えます。
冷却では溶接部の収縮が起こります。この時はきちんと収縮します。膨張が拘束されて、収縮はきちんと行われるので、材料は歪みや変形を起こします。これが溶接による歪みや変形の原因です。その様子を下図に示します。その結果、溶接部が変形したり、そったりします。変形が起きない時、溶接部には引張残留応力が発生します。
図 溶接残留応力の模式図
鉄鋼材料を溶接する時は硬い材料や炭素などの合金元素が多い材料ほど溶接が困難になります。鉄鋼材料の溶接のしやすさ、または難しさを判断するのに材料の炭素当量(Ceq)式があります。これは鋼の溶接性に対する合金元素の影響を炭素量の効果に換算する式です。
Ceq=C+1/6Mn+1/24Si+1/40Ni+1/5Cr+1/4Mo+1/14V
各元素の含有量wt%を示しています。これは実験式であり、他にもいくつかのタイプがあります。炭素当量が低いほど溶接性は良いとされています。各元素の鋼に与える影響は異なりますが、それを炭素当量として計算します。これにより、種類の違う鋼材でも溶接性について比較することができます。
次回に続きます。
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