溶接部の強度設計長寿命化へ活かすための疲労寿命予測技術とその応用例

はじめに ― 溶接部の疲労寿命が抱える現場課題

溶接は製造業において不可欠な工法のひとつです。
特に自動車や建設機械、橋梁、さらには造船など、あらゆる場面でその技術が駆使されています。
しかし、目立たないながらも現場技術者や品質管理の担当者を悩ませる大きな課題があります。
それが「溶接部の疲労破壊」です。
どれだけ品質の良い溶融接合ができても、経年劣化や繰返し荷重による微細なクラック（割れ）は避けられません。

「どこまで溶接部の強度設計を担保できるのか？」
「寿命をどれだけ延ばせるのか？」
これは製造現場、特に設計・現場管理・生産技術・品質保証・調達部門すべてが長年向き合ってきた大命題です。

この記事では、昭和から続く職人芸と最新のデータ駆動型アプローチの両方の視点を持ちながら、現場で実際に使える「溶接部の疲労寿命予測技術」と、その応用例を詳しく解説していきます。

溶接部の疲労寿命とは何か？現場目線の基礎知識

疲労破壊のメカニズムと溶接特有のリスク

一般的に金属構造物は一定の強度がありますが、繰り返しの荷重、振動、衝撃を受け続けると、徐々に内部に微細な傷やクラックが発生し、それが成長して最終的に破壊に至ります。
この現象を「疲労破壊」と呼びます。

特に溶接部位は母材よりも構造的不連続・応力集中部となりやすく、疲労破壊の起点になりやすい傾向があります。
しかも、外観から健全と思えた部位が、予期せず短寿命で破断するケースも少なくありません。

S-N曲線（疲労曲線）と現場設計のリアル

設計段階では、S-N曲線（ストレス-ナンバー曲線）や疲労限度の考え方を用いて評価するのがセオリーです。
これは特定の応力（S）を与えた時、何回（N）の繰返しで破断するかを示した関係線図です。

理論上は「この応力レベルなら〇万回は持つ」と読み取れますが、実際の現場では

・溶接ビードの形状や大きさ
・母材との境界の滑らかさ
・熱影響部（HAZ：Heat Affected Zone）の硬化・脆化
・溶接残留応力

など、個体ごとにばらつきが大きく、単純なS-N曲線では現場のリアルを捉えきれないのが現状です。

昭和アナログ業界の課題と、現場での暗黙知

「ベテランの勘」に依存した溶接部の寿命見積もり

特に昭和から続く町工場や中小規模のファブリケーターでは、疲労寿命の見積もりはいまだにベテラン溶接工や現場監督職の「勘と経験」に依存しがちです。

「このビーズ幅なら問題ない」
「ここは定期点検多めで様子を見る」

など、知見の蓄積は確かに現場で価値を発揮しますが、客観的、かつ定量的な裏付けがありません。
これでは設計変更や取引先（バイヤー）から要求された場合、「なぜここまでしか持たないのか」「本当にこの寿命で安全なのか」を説明する際に説得力が足りません。

バイヤー・調達側から求められる変化とは？

最近では、海外調達先との競争やサスティナビリティへの配慮、品質トレーサビリティの向上要求も厳しくなっています。
バイヤーや設計部門からは「溶接部位の寿命を科学的に見積もって説明できること」「以前より安全・長寿命化を証明するエビデンス」が求められています。

これに対応できなければ、サプライヤーとして選ばれ続けること、既存ビジネスの維持は困難な時代になっています。

疲労寿命予測技術の応用例と現場の課題解決策

1. 溶接条件の最適化・自動化による高信頼設計

予測技術を活用すれば、同じ材料・同じ製品でも

・ビード幅や高さ
・溶接順序
・冷却速度

など製造条件を変えた際の「寿命シミュレーション」が可能となります。
これにより、現場での勘と経験に頼るのではなく、シミュレーションと実データを組み合わせて、疲労破壊しにくい最適な条件を科学的に決定できます。
さらにロボット溶接プロセスと組み合わせて、「誰が作っても一定品質」「ばらつき低減」「品質トレーサビリティ確保」といったメリットも生まれます。