異材重ね継手の動的破壊プロセスの解明による強度評価手法の開発

• Project/Area Number: 19K05030
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 高嶋 康人 大阪大学, 接合科学研究所, 助教 (50397692)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2019: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: 異材継手 / 重ね継手 / 引張せん断強度 / レーザ溶接 / 異材接合 / 継手強度

Outline of Research at the Start

近年，輸送機器分野において軽量化や特性をバランスよく組合せた合理的設計のためにマルチマテリアル化が注目されており，異材接合継手の需要が高まっている。本研究では，輸送機器の接合に用いられる重ね継手の強度に焦点をあて，引張試験結果の試験片寸法・形状の依存性を評価できる手法の構築を目的とした研究に取り組む。異材重ね継手の変形・破壊過程を高速カメラやサーモグラフィによる撮影など「その場観察技術」を駆使して把握することに加えて，独自の数値解析手法を組み合わせて，様々な負荷速度での継手強度や破壊までの過渡現象の把握に挑む。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，異材重ね接合継手の接合部性状や試験片寸法と継手強度の関係について，破壊に至るまでの変形挙動と関連づけて理解を深め，引張強度の試験片依存性を評価できる手法の構築を目指すものである。R1年度の取り組みでは，軟鋼から780 MPa級鋼までの強度の異なる薄鋼板を用いてレーザ溶接により重ね貫通継手を作製し，引張せん断試験を実施した。重ねた鋼板の強度の組合せや，重ね板の厚さの組合せを変化させた試験片を加工し，これらが引張せん断強度に及ぼす影響を調べた。実験中に重ね継手試験片の破壊までの変形挙動をビデオ撮影し，それをデジタル画像相関法で解析することで，試験中のせん断変形や回転の様子を分析して強度との関係を検討した。また，同試験のFEM解析を3次元弾塑性モデルを用いて実施し，実験と整合する結果であることを確認した上で，継手強度への変形挙動の影響を考察した。その結果，継手強度は一般に低強度な板で破壊するためその強度に依存するはずであるが，それよりも高強度な板を重ねると継手強度向上をもたらすことがわかった。これは，高強度なものを重ねたことで回転が小さくできたことに起因しており，接合部の回転角の計測結果やFEM解析の結果もそれを示唆していた。
このほか、レーザ溶接部の破壊挙動を対象に、強度ミスマッチを考慮して亀裂開口量を評価できるモデルを構築し、FEM解析で有効性を示して定式化した。また、高速に亀裂伝播する挙動を動的FEM解析で検討し、亀裂伝播速度と亀裂付近の温度上昇の関係を求めたが動的応力拡大係数とは対応しなかった。
これまで得られた成果について，R2年5月に開催予定であった国際会議での発表論文を投稿し，掲載可となった。ただし，COVID-19感染拡大の影響で国際会議はR3年に延期されたため，論文はその会議後に掲載される。このほか、R2年に査読付き学術論文1報が掲載された。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 上海交通大学(中国)
• [Journal Article] Evaluation of Tensile Shear Strength for Lap Joint of Dissimilar Steels (2021)
  • Author(s): Yasuhito TAKASHIMA, Tomo WASHIO, Fumiyoshi MINAMI
  • Journal Title: Materials Science Forum Volume: in press
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical investigation of CTOD estimation methods for laser welds (2020)
  • Author(s): Takashima Yasuhito、Shao Chendong、Lu Fenggui、Minami Fumiyoshi
  • Journal Title: Welding in the World Volume: 64 Issue: 7 Pages: 1185-1193
  • DOI: 10.1007/s40194-020-00904-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of Tensile Shear Strength for Lap Joint of Dissimilar Steels (2021)
  • Author(s): Yasuhito TAKASHIMA, Tomo WASHIO, Fumiyoshi MINAMI
  • Organizer: THERMEC 2020/2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Numerical Investigation of Temperature Rise Near Crack-Tip in Steel Plate During Brittle Crack Propagation (2019)
  • Author(s): Yasuhito TAKASHIMA, Tomoya KAWABATA, Fumiyoshi MINAMI
  • Organizer: International Symposium on Impact Engineering 2019
  • Int'l Joint Research