JP2017156110A - 鋼管のねじり疲労試験方法及びそれに用いる試験体 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度な焼き入れ鋼管であっても接合用フランジ部材と適正に接合し、鋼管母材自体のねじり評価試験方法とそれに用いる試験体を提供する。
【解決手段】ねじり試験体の両端部を、評価する鋼管母材部より内径を拡管することなく外形を大きくした外径拡大部ＥＤＰとし、接合用フランジ部材と全周接合した後にフランジねじり疲労試験機に組み込むことによって、母材部のねじり疲労評価を実現する。この方法によれば、従来実現できなかった母材自体のねじり疲労試験を実施できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電縫鋼管、シームレス鋼管などの焼き入れ鋼管母材のねじり疲労試験方法及びそれに用いる試験体に関するものである。

鋼管を機械構造用に使用する場合、特に回転方向のトルクによって繰り返し荷重がかけられる部材に用いられることがあり、鋼管のねじり疲労特性を把握することは重要である。一般的にねじり疲労特性は、管端にフランジ部材を溶接し、フランジ部材を試験装置にボルト締結して管端を繰り返し強制的に回転方向の力を加える試験が行われる。このとき母材を適正に評価するためには、母材より強度の低い部位をなくさねばならない。これは負荷応力が低強度部に集中し、母材が破壊するより以前に低強度部が破壊するためである。

ねじり疲労試験時は、管端とフランジ治具は表面に凹凸がないように滑らかに接合する必要があるが、鋼管を溶接以外の方法で接合、例えばチャック締結であればチャック端に、ボルト締結であればボルト穴端に応力が集中し、そこから疲労破壊する。そのため、ねじり疲労試験では管端とフランジ治具とを溶接することが不可欠になるが、溶接には必ず熱影響（HAZ）による軟化を伴うため、母材より低強度部が発生する問題があった。この溶接過程は母材にとって焼鈍と等価な熱履歴となり、特に近年開発中の高強度焼入れ鋼管の場合は軟化部の強度が母材に比べて著しく低下することから、評価を実現する接合法がなかった。

従来、特許文献１にあるように、捻り疲労試験時に鋼管を試験装置ブラケットへ接続する際、鋼管の外径より最大0.6mm小さい内径のブラケット孔へ挿入した後に溶接することで、外圧による圧縮残留応力を発生に伴う摩擦力を増加させ、ねじり疲労特性を評価する手法が提案されている。しかし、本手法でも溶接が不可欠であり、溶接によって著しく軟化した部位が発生する高強度焼き入れ鋼管では、溶接部がほぼ同径であり、軟化部から破壊するため、適用は困難であった。また、管端部を拡管してフランジと接合する方法も検討されているが、溶接による軟化部が生じても径の大きさでカバーできる可能性がある。しかし、高強度材を所定の径まで拡管することは技術的に容易ではなく、拡管時に座屈や割れが発生する懸念が大きいため、やはり適用が難しい。特に5mm以上の厚手材を均質に拡管することは困難であり、比較的薄手材に有効な方法であった。尚、ここで述べている従来の拡管とは、外径及び内径を素管より大きく広げる加工のことで、拡管に伴う薄肉化以外には肉厚を制御しない、即ち厚肉するための措置を行わない加工プロセスを意味する。

こうした問題から従来は、鋼管単体でのねじり疲労試験は実施できず、鋼管を機械構造に組み込んだ状態で試験するしかなかった。しかし、試験体の準備に時間やコストがかかり、様々な形状に依存する特殊な締結治具が必要になる問題がある上、鋼管自体の疲労特性が評価できないまま部品設計をするため、形状の検討が不十分となり易く、ねじり疲労試験後に設計への手戻りが生じるといった開発の遅延にも繋がっていた。こうした背景から、鋼管の母材自体のねじり疲労特性を評価する手法が強く望まれていた。

特開平７−１１２２７３号公報

以上の問題を踏まえた本発明の目的は、高強度な焼き入れ鋼管であってもフランジ部材と適正に接合し、鋼管母材自体のねじり評価試験方法とそれに用いる試験体を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明のねじり疲労試験方法は、ねじり試験体の両端部を、評価する鋼管母材部より内径を拡管することなく外径を大きくした外径拡大部とし、接合用フランジ部材と全周接合した後にフランジねじり疲労試験機に組み込んでねじり疲労試験を行うことを特徴とするものである。

前記外径拡大部を、ねじり試験に処する範囲に対し、外形拡大率η≧5.5％、外径拡大部の長さL_E≧15ｍｍで作製とすることが好ましい。

前記外径拡大部を据え込み加工にて作製することが好ましい。

またねじり試験体を、両端部の外径拡大部を含む全長を同厚、かつ試験予定寸法より大きい外径、厚い肉厚で作製した後、ねじり試験に処する範囲を切削加工および／または研削加工により所定の試験予定の外径、肉厚とすることで、両端部の外径拡大部を作製してもよい。

上記の課題を解決するためになされた本発明のねじり試験体は、その両端に、評価する鋼管母材部より両端部の外径を拡管することなく大きくした外径拡大部が形成され、接合用フランジ部材と全周接合されることを特徴とするものである。

前記外径拡大部は、ねじる試験に処する範囲に対し、外形拡大率η≧5.5％、端部の外径拡大部の長さL_E≧15ｍｍであることが好ましい。

前記外径拡大部は据え込み加工にて作製されていることが好ましい。

ねじり試験体は、両端部の外径拡大部を含む全長が同厚、かつ試験予定寸法より大きい外径、厚い肉厚で作製された後、ねじり試験に処する範囲を切削加工および／または研削加工により所定の試験予定の外径、肉厚とされることで、両端部の外径拡大部が作製されていてもよい。

本発明のねじり疲労試験方法及びそれに用いる試験体によれば、従来実現できなかった母材自体のねじり疲労試験を実施でき、部品の設計前に特性を把握できるため、大幅な開発リソースの削減が可能となる。

試験体、接合用フランジ部材及び試験機の構造例を示す図である。 外径拡大率と管外表面に生じるミーゼス相当応力の関係の一例を示すグラフである。 試験体を接合用フランジ部材と溶接した後の溶接部からの硬さ分布の一例を示すグラフである。 据え込み加工の例を示す図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。
溶接部の特性は母材部の焼き入れ後強度に依存しており、高強度材では必然的に溶接部位の軟化を伴う。これに対し、ねじり剛性は素管径の４乗に比例することから、軟化が想定される母材両端部の一定長以上の外径及び肉厚を大きくした形状に加工し、接合用フランジ部材と接合する。これにより、実効的に軟化部の外径を拡大してねじり剛性を高め、疲労破壊を防止することで、母材部のねじり疲労評価を実現できる。

図１にねじり疲労試験体の構造を示す。捩じり試験機１０は、回動モータ１１と、試験体１の端部に接合する接合用フランジ部材１２、１３とを備える。図１には、一方（左側）の接合用フランジ部材１２に回動モータ１１を連結させ、他方（右側）の接合用フランジ部材１３を固定した状態で、接合用フランジ部材１２に繰り返し負荷トルク（捩じりトルク）を付加する例を記載している。ここで、静止状態から一定角度に捩じり、元の静止状態に戻す場合を片振り試験といい、静止状態から一定角度に捩じり、静止状態を通過して反対方向へ同様な一定角度捩じって静止状態に戻す場合を両振り試験という。本発明はこれらのいずれにも適用可能である。また、加速試験等の目的で、両方の接合用フランジ部材１２、１３にそれぞれ回動モータを接続し、試験体１の両端部に互いに逆方向に負荷トルク（捩じりトルク）を付加する場合にも、本発明を適用することができる。尚、ねじり試験の対象部分の外径ＯＤ_１と、外径拡大部ＥＤＰの外径ＯＤ_２とを滑らかに結ぶべく、図１中のＥＲのように曲率部を設け、外形が滑らかに変化するようにすることが好ましい。

試験体１を試験すべく、疲労試験装置に組み込むための接合用フランジ部材１２，１３と試験体１を溶接などにより接合する際、前述の様に熱影響部で鋼管が軟化するが、このとき軟化部が全体の最弱部位にならないために（１）外径拡大率η及び、熱影響部以上の長さの（２）外径拡大部長さL_Eを設定することが好ましい。以下、150ksiクラス、φ31.8×t1.6の焼き入れ高強度鋼管の場合を例にして説明する。
（１）外径拡大率η
熱影響部の軟化した材料でも、上記負荷トルクでも塑性変形が生じないねじり剛性を確保できる管端外径であることが要求される。ねじり試験の対象部分の外径をＯＤ_１、外径拡大部ＥＤＰの外径をＯＤ_２とした場合、外径拡大率ηを
η＝（ＯＤ_２−ＯＤ_１）／ＯＤ_１
と定義する。ねじり疲労試験では管外表面の発生応力が最も高いことから、上記負荷トルクによって生じる管外表面のミーゼス相当応力σmを、例えば本例の場合、熱影響部の降伏強さ500MPa以下とするためには、素管径φ31.8mmに対して5.5％外径を拡大させることが好ましい(図２)。この場合、φ34.0mm以上の管端外径が適切である。尚、接合用フランジ部材の外径は外径拡大部ＥＤＰの外径ＯＤ_２以上であることが好ましく、同じであることがより好ましい。
（２）外径拡大部長さL_E
接合用フランジ部材との接合時、例えば溶接などの場合、熱影響で軟化する部分が外径拡大部にカバーされることが求められる。本例では熱影響による軟化部の長さが約10mmであるが(図３)、自動車用構造部品に用いられる場合、10mmを超えることもあり得るため、外径拡大部長さをL_E と定義し、L_E ≧15mmとすることが好ましい。尚、熱影響による軟化部の長さを短くするため、接合用フランジ部材を評価鋼管と同じ材質とする或いは接合方式に摩擦圧接を用いることがさらに好ましい。

これらの指標に基づき、η＞０かつ表面のミーゼス相当応力が評価母材よりも大きくなる直径ＯＤ_２とすること及び、L_E＞接合による管端からの熱影響部の長さとなるように設計することで、好ましいねじり疲労試験が実現できる。

このような試験体を製作するのに、管端部を据え込み加工する方法がある。これは試験体の外径や肉厚及び試験条件などを考慮し、試験体に求められるη及びL_Eを計算し、予め篏合する金型を製作しておく。試験体の両端部或いは片端ずつ加熱して金型に嵌め込み、金型に沿った形状に成形する。但し、試験体が焼き入れ型の高強度鋼管である場合、端部を試験体成分のA3点以上に加熱し、成形後に急冷することが望ましい。図４に据え込み加工の例を示す。

また、予め外径がη以上の鋼管を製作しておき、L_Eを考慮して所望の形状に削り出す或いは研削する方法もある。この場合、加工時に試験体が高温に加熱されることはないので、熱影響を考慮する必要はない。

本発明においては、内径は拡大されないが、上記のような加工方法により多少は内径が拡大することも想定される。その場合、２０％程度の内径拡大率（｛（加工後内径−加工後内径）／加工前内径｝×１００（％））程度は許容される。

このようにして製作した試験体をフランジ部材と接合し、フランジねじり疲労試験機に組み込む。接合方法には、例えば摩擦圧接、アーク溶接があるがこれに限定されない。摩擦圧接は固相拡散であるため、接合面の温度が鋼材の溶融温度いかになることから、熱影響部が短く、比較的小さいL_Eにすることができる上、肉厚に依らず接合できるという特徴がある。アーク溶接でも試験体とフランジ部材との接合は可能であるが、比較的L_Eを大きく取らねばならず、肉厚によっては均質な接合が難しくなる場合がある。またアーク溶接などの溶接の場合、全周を連続的に溶接することが好ましいが、断続的でも試験条件のトルクに耐え得る状態であれば構わず、例えば全周の５０％以上が溶接されていれば好ましい。
以下に本発明の実施例を示す。

本実施例では、試験体と接合用フランジ部材との接合に、溶接を用いた場合を例にして説明する。ここでは150ksiクラス、φ31.8×t1.6の焼き入れ高強度鋼管のねじり疲労試験を例に挙げる。本鋼管は焼き入れ部の降伏強さ1000MPa、引張強さ1200MPa、未焼き入れ部は降伏強さ500MPa、引張強さ650MPaで、熱影響部の軟化代が非常に大きい材料である。疲労試験条件は自動車用部材のねじり疲労試験を想定した負荷トルク：800N・mとする。

削り出しで試験体を作成する例として、ラボ溶解で製作したインゴットから外径φ3×t2.7×400mmL、φ34×t9.0×400mmLの２種類の単径、単一肉厚の鋼管を削り出しにて、評価母材部がそれぞれφ33.8×t2.7、φ33.8×t9.0に加工した。その後、接合用フランジ部材との溶接部を上記拡管率と外径拡大部長さの条件を満足するよう両管端15mmずつを残して外径φ31.8になるよう削り出し加工した。尚、ねじり試験の対象部分の外径ＯＤ_１と、外径拡大部ＥＤＰの外径ＯＤ_２とを滑らかに結ぶべく、2mmR程度の曲率を設け、外形が滑らかに変化するようにした。これは極端な形状変化に起因するねじり疲労試験時の応力集中を抑制するためである。

据え込み加工の例として、電縫溶接にて作製した外径φ31.8×t1.6×420mmLと、φ31.8×t8.0×400mmLの２種類の単管を据え込み加工し、両端側15mmずつがそれぞれφ33.8×t2.7、φ33.8×t9.0に加工した。据え込み加工には金型が必要になるが、管端部より小径になる領域は竹割方式の金型をボルト或いは高荷重をかけて密着させる方式の金型とした。管端部を1000℃程度で予熱しておき、篏合する金型と密着させることで成形する。このとき、両端部を加熱して同時成形してもよいし、片端ずつ成形してもよい。本例では、焼き入れ型の高強度鋼管を対象としているため、成形直後に試験体を水中に投入して急冷した。これにより、据え込み加工における試験体強度はほぼ均一となった。

一方、接合用フランジ部材はSCM435の材料を用い、反対側の端部には試験装置とボルト１２本で接続するための接合用フランジ部材が形成されている一体型の加工品とした。これら接合用フランジ部材を、摩擦圧接（余熱圧力：２kg/mm²、余熱時間：５秒、摩擦圧力：５．０kg/mm²、摩擦より代：３mm、アプセット圧力：１０kg/mm²、アプセット時間：５秒、回転数：１０００rpm及び、より代：５mm）するか、全周アーク溶接を施すか、して試験体と接合し、試験機に組み込んで試験体のねじり疲労試験を行った。

表１に示す比較試験では、φ31.8×t1.6の鋼管について拡管しないケース１、上記と同様の加工によって外径拡大率を計算上必要な５．５％以下である３％としたケース２及び３、外径拡大部長さを接合時の熱影響部を含む7.5mmとしたケース４及び５を実施した。その結果、拡管しないケース１はねじり疲労試験時に評価母材部が破損するより早期にフランジとの接合時に生じたHAZ軟化部で破損した。またケース２〜５は、HAZ軟化部の表面に微小割れの発生が認められたものの、試験自体は正常なねじり疲労試験ができた。一方、φ31.8×t1.6の鋼管については、所定の外径拡大率と外径拡大部長さを満足するケースでは、加工法、接合法によらず、評価母材部が先行して破損し、正常なねじり疲労試験ができた。

より厚肉のφ31.8×t8.0の鋼管については、比較例としてプラグを用いて外形φ31.8→φ33.8、内径φ19.8→φ21.0まで拡管を試みたが、加工途中に外面に微小割れが発生し、疲労試験の実施に至らなかった。これは外面割れの部位にねじり応力が集中して評価母材部より早期に破損したためである。これに対し、削り出し及び据え込み加工して作製したサンプルは加工上の問題もなく、正常にねじり疲労試験ができた。

表１に試験結果を示す。試験体のねじり疲労試験に処する領域以外で塑性変形や割れが発生するかどうかに基づいて、目視により結果の良否を判断している。

１：試験体
１０：試験機
１１：回動モータ
１２、１３：接合用フランジ部材
ＥＲ：曲率部
ＥＤＰ：外径拡大部
ＯＤ_１：ねじり試験の対象部分の外径
ＯＤ_２：ＥＤＰの外径
L_E：外径拡大部の長さ

Claims (8)

1. ねじり試験体の両端部を、評価する鋼管母材部より内径を拡管することなく外径を大きくした外径拡大部とし、接合用フランジ部材と全周接合した後にフランジねじり疲労試験機に組み込んでねじり疲労試験を行うことを特徴とする、鋼管のねじり疲労試験方法。
2. 前記外径拡大部を、ねじり試験に処する範囲に対し、外形拡大率η≧5.5％、外径拡大部の長さL_E≧15mmで作製することを特徴とする、請求項1に記載の鋼管のねじり疲労試験方法。
3. 前記外径拡大部を据え込み加工にて作製することを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼管のねじり疲労試験方法。
4. ねじり試験体を、両端部の外径拡大部を含む全長を同厚、かつ試験予定寸法より大きい外径、厚い肉厚で作製した後、ねじり試験に処する範囲を切削加工および／または研削加工により所定の試験予定の外径、肉厚とすることで、両端部の外径拡大部を作製することを特徴とする、請求項１または２に記載の鋼管のねじり疲労試験方法。
5. 両端に、評価する鋼管母材部より両端部の外径を拡管することなく大きくした外径拡大部が形成され、接合用フランジ部材と全周接合されていることを特徴とする、鋼管のねじり疲労試験用の試験体。
6. 前記外径拡大部は、ねじり試験に処する範囲に対し、外形拡大率η≧5.5％、端部の外径拡大部の長さL_E≧15mmであることを特徴とする、請求項５に記載の鋼管のねじり疲労試験用の試験体。
7. 前記外径拡大部は据え込み加工にて作製されていることを特徴とする、請求項５または６に記載の鋼管のねじり疲労試験用の試験体。
8. ねじり試験体は、両端部の外径拡大部を含む全長が同厚、かつ試験予定寸法より大きい外径、厚い肉厚で作製された後、ねじり試験に処する範囲を切削加工および／または研削加工により所定の試験予定の外径、肉厚とされることで、両端部の外径拡大部が作製されていることを特徴とする、請求項５または６に記載の鋼管のねじり疲労試験用の試験体。