JPH09218144A - かど継手用曲げ疲労試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 建設機械等のボックス構造で使用されるかど
継手に関して、その残留ルートの先端から疲労き裂が発
生し、これが溶接熱影響部に沿って伝播する疲労破壊現
象を簡便に、かつ精度よく再現できるかど継手用曲げ疲
労試験装置を提供する。 【解決手段】 汎用の疲労試験装置に加えて、下部に摺
動機構を有する少なくとも２つの両端部支持治具、これ
らを載せる水平台、および少なくとも１つのかど部支持
治具を有することを特徴とするかど継手用曲げ疲労試験
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、建設機械等のボッ
クス構造で使用されるかど継手に関して、その残留ルー
トの先端から疲労き裂が発生し、これが溶接熱影響部に
沿って伝播する疲労破壊現象を簡便に、かつ精度よく再
現するためのかど継手用曲げ疲労試験装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】建設機械等では使用期間中に繰り返し荷
重を受けるために、溶接部で疲労損傷を受けることがあ
り、このような構造物においては疲労破壊を防止するた
めの配慮が必要である。この疲労破壊の形態は、溶接継
手形式やその部位、荷重負荷方向等により全く異なるた
め、各々の破壊形態を再現するための疲労試験装置やそ
の方法について、多くの検討が行われている。

【０００３】図１は、ボックス構造のかど溶接部を示す
図である。４枚の鋼板を組み合わせて接合したボックス
構造の各端部の接合に用いられるかど継手では、残留ル
ートの先端から疲労き裂が発生し、これが溶接熱影響部
に沿って伝播する疲労破壊が問題であり、これを再現す
る疲労試験装置が必要であった。疲労試験は曲げ疲労試
験、軸力疲労試験、ねじり疲労試験に分類できる。これ
らのうち、曲げ疲労試験は試験片を保持する２点と、こ
の２点の中間を中心とした試験片の反対側の１点以上の
点から、ローラーや半円形等のある曲率を有する形状を
持った治具を介して、繰り返し荷重を負荷する方法が用
いられる。

【０００４】かど継手の試験方法としては、ラメラテア
のようなかど継手の溶接割れに関して種々の曲げ拘束度
のもとで割れ発生状況の調査ができる、かど継手溶接割
れ試験（ＣＪＣ試験）が上田幸雄らによって提案されて
いる（「かど継手部のラメラテアおよびルート割れ発生
におよぼす曲げ拘束度の影響」、溶接学会誌、４６−
７、１９７７）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】通常用いられる疲労試
験装置のうち、「軸力疲労」試験や「ねじり疲労」試験
装置では、試験装置内の上下に備えられた試験片把持治
具により１本の角柱状試験片の両端部を把持して試験片
に試験荷重を伝達するものであるが、２つの角柱状鋼材
あるいは平面で構成される鋼板の一端どうしをその間の
内角が直角になるようにＬ字型に溶接した、いわゆる
「かど継手」の場合は、その直角かど部を最上部に、そ
の両端を最下部にして置くため、従来の試験装置の試験
片把持治具では把持することが不可能であり、かど継手
の疲労破壊を再現することは難しい。

【０００６】一方、試験片台上面に特定間隔を保って、
複数のローラーや半円形等の特定曲率を有する治具を置
き、これらを介して水平方向で一様である鋼板を搭載し
て鋼板両端を支持すると共に、さらに上方から同様な治
具を用いて鋼板中央部を下方に押し付けて荷重を負荷す
る「曲げ疲労」試験装置の場合でも、前記の∧形状に置
く「かど継手」状試験片を支持することは不安定であ
り、「かど継手」の疲労破壊現象を再現することは出来
ない。

【０００７】ＣＪＣ試験は、かど継手に静的な拘束荷重
を負荷することはできるが、繰り返し荷重を連続して負
荷する機構はなく、疲労試験機としては使用出来ない。
また、その装置も大きなものであり簡便なものではな
い。本発明は、上記の疲労破壊現象を簡便に、かつ精度
よく再現できるかど継手用曲げ疲労試験装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前述課題
を解決する手段を鋭意検討した結果、図１に示すような
ボックス構造の４つの溶接かど部を有するかど継手部
を、各辺中央部で４分割して得られる４つの「くの字」
形の「かど継手」の１つについて、従来の「曲げ疲労」
試験装置で用いるローラーの代わりに、かど継手専用の
特殊な治具を用いることによって、目的を達成できるこ
とを知見し、本発明をなすに至った。

【０００９】本発明のかど継手用曲げ疲労試験装置は、
汎用の疲労試験装置の上下に備えられた試験片把持治具
に代えて、特殊な治具を配設した疲労試験装置であっ
て、その要旨とするところは下記のとおりである。 （１）汎用の疲労試験装置の試験片支持用の下側台座上
に水平台を設置し、該水平台上にＬ字型かど継手の両端
部を載せ、かつかど継手のかど部に上側台座を接触させ
ながら繰り返し荷重を負荷する疲労試験装置に関し、前
記かど継手各端部最下辺と前記水平台上面との間に設置
して各端部を別々に支持するための治具であって、その
下面に水平面内摺動機構を、その上面にＬ字状切欠き部
を有する継手端部支持治具を少なくとも２つ有し、さら
に試験片支持用の上側台座下面とかど継手かど部最上辺
との間に設置してかど部を支持するための治具であっ
て、その上面にＬ字状切欠き部を有する継手かど部支持
治具を少なくとも１つ有することを特徴とする、かど継
手用曲げ疲労試験装置。 （２）前項１記載の継手かど部支持治具であって、その
上面のＬ字状切欠き部を構成する２つの平面の傾斜角度
について、Ｌ字状切欠き部にかど継手端部を載せた場合
に継手かど部側にある平面の傾斜角度が反かど部側の平
面の傾斜角度より大きい継手かど部支持治具を有する前
項１記載のかど継手用曲げ疲労試験装置。

【００１０】このような治具を有する曲げ疲労試験機を
用いることにより、かど継手のような試験片に対して
も、疲労試験を実施することが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面に基づいて説明する。図２は、かど継手用曲げ
疲労試験装置の全体構成を示す図である。目標値と実績
値との差から制御信号を演算する演算装置３と、その演
算結果を受けて試験装置本体１に制御指令信号を送る制
御装置２と、これにより動作する試験装置本体１および
必要な荷重を供給する油圧源４から構成される。

【００１２】図３は図２のうち試験装置本体１のさらに
試験片把持治具（６ａおよび８ａ）周辺のみを拡大した
図であり、かど継手５を本発明の特殊治具により支持し
た状態の概略を示す。構成の概略としては、汎用の試験
装置本体１の試験片上部把持治具８ａの下端にかど部支
持治具８を水平に配設してある。また、汎用の試験装置
本体１の試験片下部把持治具６ａの上端に板状の水平台
６を水平に配設し、さらに水平台６上面には、その下面
に円柱状のローラーなどの摺動機構７ｂを有する両端部
支持治具７を２つ置いてある。

【００１３】かど継手５の両端部の角にそれぞれ一つず
つ両端部支持治具７を置いて、各々の両端部支持治具７
の上面に設けた切欠き谷部に填めるように置く。かど継
手５のかど部を、かど部支持治具８の下面に設けた切欠
き谷部に一致させて置く。こうして試験装置本体１の試
験片上部把持治具を上下に動作させて、かど継手５に繰
り返し荷重を負荷した場合、かど継手５のかど部は安定
的にかど部支持治具８の下面に設けた切欠き谷部に支持
される。一方、かど継手５の両端部の角もそれぞれの両
端部支持治具７上面に設けた切欠き谷部に支持される
が、繰り返し荷重を負荷した場合、特に下方の荷重によ
りかど継手５の両端が押し広げられるように弾性変形
（元の形状に戻る一時的な変形）するが、両端部支持治
具７はその下面の摺動機構７ｂにより水平方向に移動で
きるので、両端部の弾性変形に追従できるため、安定的
に両端部支持治具７上面の切欠き谷部に支持されるよう
になる。これらにより、かど継手５に繰り返し荷重を負
荷することが出来る。なお、両端部支持治具７およびか
ど部支持治具８の幅は、通常は試験片の幅と同じかこれ
よりも広くして、幅方向の荷重分布を均等にするのが好
ましいが、試験片の幅が多種多様な場合にも対応できる
ように、最大試験片幅よりも狭い幅の治具を複数互いに
隣接して並べる方式でもよい。

【００１４】さらに、本発明の特殊治具の構造を図４〜
６を用いて詳細に説明する。まず図４は、水平台の構造
を示す。水平台６は、両端部支持治具７よりも広い幅
と、繰り返し荷重負荷に伴い両端部支持治具７が水平方
向に移動しても、はみ出さない程度の長さを有し、つか
み部６ａで試験機本体に設置し、両端部支持治具７を通
じて、かど継手５に垂直方向の荷重を伝達する。繰り返
しによる両端部支持治具７の水平面上の旋回・回転を防
止するために、回転防止溝６ｂを設けるのが好ましい。
さらに、かど継手５が破断した際に、両端部支持治具７
が落下しないように、落下防止装置６ｃを装着するとな
お良い。

【００１５】図５は、両端部支持治具７の構造を示す図
である。両端部支持治具７は、かど継手両端用切欠き部
７ａと摺動機構７ｂを有することにより、荷重負荷方向
以外の荷重成分を抑制して、かど継手５の両端部から垂
直方向の荷重のみを水平台６に伝達する。かど継手両端
用切欠き部７ａの角度（両端部支持治具７の上面との間
の角度）は、かど継手５の端部の角と線で接するため、
水平面に対して各４５°未満（従って、かど継手両端用
切欠き部７ａ自体の内角は９０°以上になる）である
が、これらのうち、かど継手両端用切欠き部７ａの内側
の角度は繰り返し荷重によるかど継手の角度の変化を考
慮して４０°以下にする方が好ましい。また、かど継手
の端部の加工精度による疲労試験誤差を減らすため数ｍ
ｍ程度の切欠き底研削部７ｃを有することができる。一
方、摺動機構７ｂとしては、２本以上の円柱状ローラー
あるいは球状のベアリングおよび潤滑油を併用して、出
来るだけ摺動面の摩擦抵抗を減らすことが好ましいが、
目的を達成できれば、潤滑油、ベアリングのみでもよ
い。

【００１６】図６は、かど部支持治具８を示す図であ
る。かど部支持治具８は、試験片把持冶具であるつかみ
部８ａで試験機本体１の上方に設置し、かど継手５の中
央部を受けるかど継手かど用切欠き部８ｂをその下面に
有することにより、かど継手５に垂直方向の荷重のみを
伝達する。かど継手かど用切欠き部８ｂの角度は、かど
継手５のかど部と線で接するため、水平面に対して各４
５°未満（従って、かど継手かど用切欠き部８ｂ自体の
内角は９０°以上になる）である。また、かど継手５の
かど部の加工精度による疲労試験誤差を減らすため、数
ｍｍ程度の切欠き底研削部８ｃを有することができる。
一方、つかみ部８ａはかど部支持冶具本体８ｄと分離し
た構造、すなわち、つかみ部８ａの先端を半球状に加工
した凸部を、かど部支持冶具本体８ｄの上部に半球状に
加工した凹部にはめ込む構造をとることにより、かど継
手５とかど部支持冶具８の片当たりを防ぎ、試験精度を
さらに向上させることができる。

【００１７】なお、図３においてかど継手５、かど部支
持冶具８、両端支持冶具７および水平台６を逆さまに配
設しても良い。この場合、水平台６から両端支持冶具が
落下しないように摺動機構７ｂに水平台６と常時接触す
るレール機構が必要である。

【００１８】

【実施例】板厚１６ｍｍの溶接構造用高張力鋼に、ルー
トフェイス４ｍｍ、開先角度４０°のレ型開先を加工
し、溶接入熱１．８ｋＪ／ｍｍで３パスのＣＯ₂ ガス雰
囲気で溶接を行い、幅５０ｍｍ、長さ各１００ｍｍのか
ど継手を作成した。これを本発明のかど継手用曲げ疲労
試験機にセットし、室温、大気中、応力比（＝最小荷重
／最大荷重）０．１、荷重範囲一定の条件で、曲げ疲労
試験を実施した。建設機械等のボックス構造で使用され
るかど継手では、残留ルートの先端から疲労き裂が発生
し、これが溶接熱影響部に沿って伝播するが、本試験機
を用いることにより、この疲労破壊現象を簡便に再現す
ることができた。また、繰り返し試験を実施しても、同
様の結果を精度よく再現することができた。

【００１９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のかど継
手用曲げ疲労試験機を用いることにより、従来の疲労試
験方法では不可能であった、かど継手の残留ルートの先
端から疲労き裂が発生し、これが溶接熱影響部に沿って
伝播する疲労破壊現象を簡便に、かつ精度よく再現する
ことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】ボックス構造のかど溶接部を示す図である。

【図２】かど継手用曲げ疲労試験機の構成図である。

【図３】かど継手を冶具に設置した状態を示す図であ
る。

【図４】水平台を示す図である。

【図５】両端部支持冶具を示す図である。

【図６】かど部支持冶具を示す図である。

【符号の説明】

１ 試験装置本体 ２ 制御装置 ３ 演算装置 ４ 油圧源 ５ かど継手 ６ 水平台 ６ａ つかみ部 ６ｂ 回転防止溝 ６ｃ 落下防止装置 ７ 両端部支持冶具 ７ａ かど継手両端用切欠き部 ７ｂ 摺動機構 ７ｃ 切欠き底研削部 ８ かど部支持冶具 ８ａ つかみ部 ８ｂ かど継手かど用切欠き部 ８ｃ 切欠き底研削部 ８ｄ かど部支持冶具本体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 館山 光弘 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 汎用の疲労試験装置の試験片支持用の下
   側台座上に水平台を設置し、該水平台上にＬ字型かど継
   手の両端部を載せ、かつかど継手のかど部に上側台座を
   接触させながら繰り返し荷重を負荷する疲労試験装置に
   関し、前記かど継手各端部最下辺と前記水平台上面との
   間に設置して各端部を別々に支持するための治具であっ
   て、その下面に水平面内摺動機構を、その上面にＬ字状
   切欠き部を有する継手端部支持治具を少なくとも２つ有
   し、さらに試験片支持用の上側台座下面とかど継手かど
   部最上辺との間に設置してかど部を支持するための治具
   であって、その上面にＬ字状切欠き部を有する継手かど
   部支持治具を少なくとも１つ有することを特徴とするか
   ど継手用曲げ疲労試験装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の継手かど部支持治具であ
   って、その上面のＬ字状切欠き部を構成する２つの平面
   の傾斜角度について、Ｌ字状切欠き部にかど継手端部を
   載せた場合に継手かど部側にある平面の傾斜角度が反か
   ど部側の平面の傾斜角度より大きい継手かど部支持治具
   を有する請求項１記載のかど継手用曲げ疲労試験装置。