CN102112268A - 改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法及改善其疲劳特性的冲击处理装置以及耐疲劳特性优良的焊接结构件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法，其在焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面，一边按压冲击销一边使之沿焊接线方向相对移动操作，从而实施锤击处理或超声波冲击处理，所述冲击处理方法的特征在于：作为所述冲击销，使用顶端曲率半径在金属材料厚度的1/2以下且为2～10mm的冲击销；从所述焊缝的焊趾至冲击处理位置中心的距离为所述冲击销的顶端曲率半径的2.5倍以内；且在直至所述冲击销于冲击处理中不与焊接金属接触这一范围的母材金属材料表面，实施所述锤击或超声波冲击处理，从而利用所述冲击销产生残余塑性变形，使得冲击痕的槽深度为0.1～2mm、并在该冲击销的顶端曲率半径以下、且为所述金属材料的厚度的1/10以下，冲击痕的宽度为1.5～15mm、且在所述槽深度的5倍以上。

Description

改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法及改善其疲劳特性的冲击处理装置以及耐疲劳特性优良的焊接结构件
技术领域
本发明涉及改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法及改善其疲劳特性的冲击处理装置以及耐疲劳特性优良的焊接结构件。特别涉及为用于建筑、造船、桥梁、施工机械、工业机械、海洋结构件、汽车等的承受重复载荷的结构件用金属制构件，以疲劳裂纹的产生成为问题的焊接接头为对象，且可以高效地改善其疲劳特性的改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法及改善其疲劳特性的冲击处理装置以及耐疲劳特性优良的焊接结构件。
背景技术
例如，船舶及桥梁、施工机械、工业机械、海洋结构件、汽车等金属结构件通过焊接多个金属制构件而构成，在这些焊接部分形成有使用各种焊接方法的焊接接头。
然而，在这样的焊接接头中，在形成焊缝的焊接金属表面与金属制构件(母材)的表面相交的边界部(称为焊缝的焊趾：weld toe)及其附近(以下称为焊缝的焊趾部)，起因于焊接时高温状态的焊接金属在受到周边母材的限制的状态下被冷却而容易存在拉伸残余应力。再者，在作为结构件使用时，在施加于构件上的外力的作用下，成为应力易集中的部位。
因此，金属制结构件所使用的焊接接头由于重复载荷的作用，从焊缝的焊趾部产生疲劳裂纹，有可能向致命的裂纹或开裂方向发展。另外，焊缝的焊趾部中的残余应力及应力集中妨碍金属制结构件的疲劳特性的提高。
因此，在这种焊接接头上产生的疲劳裂纹对整个结构件的可靠性产生重大的影响，所以一直以来尝试了使焊接接头的疲劳特性得以提高的各种方法(例如，参照非专利文献1及2)。
具体地说，在下述非专利文献1、2中，提出了如下的方法：通过采用(a)利用机械的方法(grinding：磨削)使焊接部平滑的方法，以及(b)利用TIG焊接在焊接部实施削平补强悍(dressing：修整)的方法等来降低焊接部的应力集中。
另外，也提出了在焊接部实施表面强化(peening：冲击)处理，在产生疲劳裂纹的部位导入压缩应力，同时降低应力集中的方法，作为具体的冲击处理，可以列举出除(c)喷丸、(d)锤击等外，还有近年的(e)超声波冲击处理(例如，参照文献1～3)等。
另外，在专利文献4中，公开了在焊接焊趾部附近进行表面强化(冲击)处理，对熔合线附近的焊接热影响区的金属组织进行改性，从而改善热影响区的韧性的方法，但这是基于脆性破坏一般由残留于焊接部熔合线上的缺陷所产生，从而用于改善脆性破坏的起点部的材质的方法，它并不会改善疲劳特性。
另外，作为提高通过焊接而安装的肋板的端部的焊接焊趾部的疲劳特性的方法，还公开了使用压缩冲头等赋予焊接焊趾部以压缩残余应力的方法(专利文献5、6)，但这些方法都是用于使进行过端部周边焊等的肋板端部的疲劳特性提高的方法，不能适用于本发明中主要作为对象的在焊接方向持久连续的焊接焊趾部。
专利文献1：日本特开2006-167724号公报
专利文献2：日本特开2006-175512号公报
专利文献3：美国专利第6,171,415号说明书
专利文献4：日本特开2004-149843号公报
专利文献5：日本特开2006-320960号公报
专利文献6：日本特开2006-312201号公报
非专利文献1：社团法人日本道路协会、《钢桥的疲劳》、丸善株式会社、1997年5月
非专利文献2：P.J.Haagensen and SJ.Maddox、IIW Recommendations on Post Weld Improvement of Steel and Aluminum Structures、XIII-1815-00、Revised 16 February 2004
根据上述(a)～(e)等的疲劳特性改善处理，可知在焊缝的焊趾部可以使耐疲劳裂纹产生特性得以提高。特别是上述(e)的超声波冲击处理因通过比较短时间的处理而得到较大的改善效果，所以工业界的期望很大。
然而，该超声波冲击处理由于是以人手处理为前提而开发的，所以在钢桥和起重机等需要连续处理长距离的结构件及装配作业的自动化得到发展的工厂等，其采用往往很困难。
另外，在机器人装入超声波冲击处理装置而进行自动处理的情况下，焊缝的焊趾线通常不规则地变形，所以为了正确地在焊缝的焊趾部进行处理，需要焊趾的检测功能及与变形一致的行驶机构等高度的自动控制，在费用方面往往也难以实用化。
另外，在焊缝的焊趾部实施直接冲击处理的情况下，需要使用与焊缝的焊趾形状相匹配的冲击销，根据焊缝的焊趾形状的不同，冲击销往往挂在焊趾部的焊接金属上而使处理停止，或者在焊趾部残留折痕及锋利的切口状缺陷。
发明内容
于是，本发明是鉴于这种现有的情况而提出的，其目的在于，提供一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法及改善其疲劳特性的冲击处理装置以及耐疲劳特性优良的焊接结构件，其可以不太受到焊缝复杂的焊趾形状的影响而稳定地实施锤击处理或超声波冲击处理，可以在焊缝焊趾附近的更大的部分附加压缩残余应力。
目的在于解决上述课题的本发明的宗旨如以下所述。
(1)一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法，其在焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面，一边按压冲击销一边使之沿焊接线方向相对移动操作，从而实施锤击处理或超声波冲击处理，所述冲击处理方法的特征在于：
作为所述冲击销，使用顶端曲率半径在金属材料厚度的1/2以下且为2～10mm的冲击销；
从所述焊缝的焊趾至冲击处理位置中心的距离为所述冲击销的顶端曲率半径的2.5倍以内；且在直至所述冲击销于冲击处理中不与焊接金属接触这一范围的母材金属材料表面，实施所述锤击或超声波冲击处理，
从而利用所述冲击销产生残余塑性变形，使得冲击痕的槽深度为0.1～2mm、并在该冲击销的顶端曲率半径以下、且为所述金属材料的厚度的1/10以下，冲击痕的宽度为1.5～15mm、且在所述槽深度的5倍以上。
(2)一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理装置，其用于在焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面，一边按压冲击销一边使之沿焊接线方向相对移动操作，从而实施锤击处理或超声波冲击处理，该冲击处理装置的特征在于，配设有：
焊趾位置检测部，其检测具有所述焊接接头的被处理材料的焊缝的焊趾位置；
处理机构部，其实施通过所述冲击销进行的锤击处理或超声波冲击处理；
支承按压机构部，其支承所述处理机构部，并且将所述冲击销按压在距所述被处理材料的焊缝的焊趾规定距离的母材金属材料表面；
装置基部，其载置所述支承按压机构部或被处理材料中的一方；以及
移动机构部，其搭载着所述支承按压机构部或被处理材料中的另一方，且自身载置于所述装置基部，并根据由所述焊接焊趾位置检测部检测得到的焊缝的焊趾位置，使所述处理机构部相对于所述被处理材料沿焊接线方向相对移动。
(3)一种耐疲劳特性优良的焊接结构件，其根据焊接结构件的构造及负荷状况，可以特定疲劳裂纹发生危险部的焊接部或者焊缝，其特征在于，
至少在所述特定焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面形成有所述特定焊缝的长度的90％以上的长度、且由锤击处理或超声波冲击处理的冲击销产生的连续冲击痕，
关于所述冲击痕，其宽度方向中央位置和所述特定焊缝的焊趾的距离为其槽底的曲率半径的2.5倍以内，且形成于直至不与所述特定焊缝相接触这一范围的母材金属材料表面，并且其槽深度为0.1～2mm、并在所述槽底的曲率半径以下、且为所述金属材料的厚度的1/10以下，其宽度为1.5～15mm、且在所述槽深度的5倍以上。
附图说明
图1是表示适用本发明的焊接接头的一个例子的立体图。
图2是表示适用本发明的焊接接头的另外一个例子的立体图。
图3是表示在母材金属材料表面由冲击销形成冲击痕的状态的剖视图。
图4是表示适用本发明的改善焊接接头疲劳特性的冲击处理装置的一个例子的立体图。
图5是表示适用本发明的改善焊接接头疲劳特性的冲击处理装置的另外一个例子的立体图。
图6是表示焊缝焊趾的起伏小时的冲击痕的一个例子的平面图。
图7是表示焊缝焊趾的起伏大时的冲击痕的一个例子的平面图。
具体实施方式
下面参照附图，就本发明的实施方式进行详细的说明。
此外，为了易于理解特征，下面的说明中所使用的附图为方便起见，往往示意地表示特征部分，各构成要素的尺寸比率等不一定与实施相同。
本发明提供改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法及改善其疲劳特性的冲击处理装置以及耐疲劳特性优良的焊接结构件，其通过在焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面，一边按压冲击销一边使之沿焊接线方向进行相对的移动操作，实施锤击处理或超声波冲击处理，从而改善焊接接头的疲劳特性。
(焊接接头)
首先，对适用本发明的焊接接头进行说明。
作为适用本发明的焊接接头，可以列举出例如图1所示的焊接接头10。该焊接接头10是在同一面内使一钢板11的端面和另一钢板12的端面对置而彼此焊接的所谓对焊接头10。在该焊接时，在被焊接材料即一钢板11和另一钢板12的焊接端面大多事先加工出坡口，使这些钢板11、12的坡口部对接而进行焊接施工，从而在这些钢板的表面靠外侧形成有隆起的焊缝20。
而且在本发明中，在这种焊缝20的焊接金属20a的表面和母材金属材料(钢板11、12)的表面相交的边界(称为焊缝20的焊趾20b)的附近，按压后述的冲击销50而使之沿焊接线方向相对移动，同时实施锤击处理或超声波冲击处理。由此，在焊缝20的焊趾20b附近的母材金属材料(钢板11、12)表面形成有后述的冲击痕80。
另外，作为适用本发明的焊接接头，可以列举出例如图2所示的焊接接头30。该焊接接头30是在一钢板31的两主面的相对置的位置上分别使另一钢板32的端面相对置而进行角焊所形成的所谓十字焊接接头。另外，在另一钢板32的两主面相对于一钢板31的两主面相交成直角的部分(称为角)，形成有由具有三角形的截面的焊接金属40a构成的焊缝40。
而且在本发明中，在这种焊缝40的焊接金属40a的表面和母材金属材料(钢板31、32)的表面相交的边界(称为焊缝40的焊趾40b)的母材金属材料(钢板31、32)侧附近，按压后述的冲击销50而使之沿焊接线方向相对移动，同时实施锤击处理或超声波冲击处理。由此，在焊缝40的焊趾40b附近的母材金属材料(钢板31、32)表面形成有后述的冲击痕90。
此外，作为适用本发明的焊接接头，并不限定于上述图1所示的对焊接头10、及上述图2所示的十字焊接接头30，也包含焊缝弯曲的情况，对于在一构件上焊接另一构件的焊接接头，可以广泛适用本发明。另外，作为这种焊接接头10、30的焊接方法，可以使用各种焊接法，进而能够适用于从一道焊接到多层堆焊。
(改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法)
下面，对适用本发明的改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法进行说明。
此外，在本实施方式中，以在与上述焊接接头10的钢板11(母材金属材料)的主面相接的焊缝20的焊趾20b附近的母材金属材料表面实施处理的情况为例进行说明。
适用本发明的改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法正如在图3中放大表示的那样，其特征在于，作为冲击销，使用顶端曲率半径R在钢板11的厚度的1/2以下且为2～10mm的冲击销50，从焊缝20的焊趾20b至冲击处理位置的中心O的距离x为冲击销50的顶端曲率半径R的2.5倍以内，且在直至冲击销50在冲击处理中不与焊接金属20a接触这一范围的母材金属材料(钢板11)的表面实施锤击或超声波处理，从而利用冲击销50产生残余塑性变形，使得冲击痕80的槽深度y为0.1～2mm、并在冲击销50的顶端曲率半径R以下、且为钢板11的厚度t的1/10以下，冲击痕80的宽度z为1.5～15mm，且在槽深度y的5倍以上。
具体地说，之所以在本发明中“使用顶端曲率半径R在钢板11的厚度的1/2以下且为2～10mm的冲击销50”，是因为在处理后残余的压缩应力的作用下，在疲劳特性的提高方面有效，而且压缩残余应力区域的大小与冲击销50产生的压痕的大小有关系。
即，在冲击销50的顶端曲率半径R比钢板11的厚度的1/2大的情况下，需要施加塑性变形波及钢板11的大致整个厚度的变形的冲击痕80，在此情况下，冲击痕产生的塑性区域在钢板11的相反面消失，因此，在焊缝20的焊趾部产生的压缩残余应力减小。
另外，在冲击销50的顶端曲率半径R比2mm小的情况下，由于压缩残余应力区域变窄，所以为了防止疲劳裂纹的产生，需要冲击焊缝20的焊趾20b的最近点。然而，因焊缝20的起伏等，难以正确地控制处理位置。再者，冲击销50的顶端部的摩损变得剧烈，从而冲击销50的更换频率增大，所以处理效率降低。
另一方面，在冲击销50的顶端曲率半径R超过10mm的情况下，为了形成能够产生有效的压缩残余应力这种程度的槽，需要极大的冲击力，从而处理装置大规模化。再者，还有可能因冲击处理而使焊接结构件10的形状发生变形。
另外，冲击销50是通过锤击处理或超声波冲击处理、使处理对象物受到局部的冲击而产生塑性变形的，所以冲击销50通常使用强度及硬度比作为处理对象物的金属材料(例如，焊接构造用钢)高的金属材料。
在本发明中，之所以设定“从焊缝20的焊趾20b至冲击处理位置的中心O的距离x为冲击销50的顶端曲率半径R的2.5倍以内”，是因为上述的压缩残余应力区域的大小与冲击销50产生的冲击痕80的大小有关。即，通过FEM解析和实验已经确认：冲击销50的顶端曲率半径R越大，压缩残余应力产生的区域越大，而且离冲击痕80越近，就产生越大的压缩残余应力，还已经确认在疲劳特性提高上可以得到充足的压缩残余应力。因此，冲击痕即使在指定范围内，也优选尽可能趋近焊接焊趾部。
在本发明中，之所以设定“在直至冲击销50于冲击处理中与焊接金属20a不接触这一范围的母材金属材料(钢板11)的表面，实施锤击或超声波冲击处理，从而利用冲击销50产生残余塑性变形”，是因为在冲击销50与焊接金属20a接触的情况下，往往阻碍冲击销50的连续冲击处理。此外，在本发明中，只要不显著地阻碍连续的冲击处理，冲击销50与焊接金属20a即使稍微接触也没关系。
在本发明中，之所以设定“冲击痕80的槽深度y为0.1～2mm、并在冲击销50的顶端曲率半径R以下、且为金属材料(钢板11)的厚度t的1/10以下，冲击痕80的宽度z为1.5～15mm、且在槽深度y的5倍以上”，是因为对太深的冲击痕80来说，其自身就成为应力集中源以及在焊接接头10上产生较大的角变形，从而其形状发生变形。另外，关于冲击痕80的宽度z，在过宽的情况下往往处理效率降低，在冲击痕80浅而窄的情况下，虽然产生对疲劳特性有效的压缩残余应力，但并不充分。另外，冲击痕80的宽度z虽然取决于冲击销50的顶端曲率半径R和处理深度，但在此的宽度z的规定是考虑到处理时的装置及目标位置的振摆而设定的。即，冲击痕80的宽度z只要给予充分的深度的冲击就可控制在上述范围内，但如果是顶端曲率半径R大的冲击销50，则即使超过上述范围，对疲劳特性也没有大的损害，但处理效率降低。另外，在冲击销顶端的曲率半径较大的情况下，图3的P易与焊接金属接触，所以在充分地得到冲击痕宽度的范围内减小销径也是有效的。另外，在顶端曲率被中断的图3的P部进行倒角，从而使形状变得光滑也是有效的。
(改善焊接接头疲劳特性的冲击处理装置)
下面就适用本发明的改善焊接接头疲劳特性的冲击处理装置进行说明。
作为适用本发明的改善焊接接头疲劳特性的冲击处理装置，大致地分有两种类型：一种正如图4所示的改善疲劳特性的冲击处理装置60(第一实施方式)那样，是固定处理机构部侧而使被处理材料侧移动的类型，另一种正如图5所示的改善疲劳特性的冲击处理装置70(第二实施方式)那样，是固定被处理材料侧而使处理机构部侧移动的类型。选择哪种类型优选根据处理对象及处理环境(室外结构件的处理、工厂内的处理等)而进行适当的选择。
此外，在下面所示的第一及第二实施方式中，作为被处理材料，以改善上述焊接接头10的疲劳特性的情况为例进行说明，但作为该处理对象，可以是上述焊接接头30，而且可大范围地对具有在一种构件上焊接安装另一种构件的焊接接头的焊接结构件进行处理。
(第一实施方式)
作为第一实施方式，在图4所示的改善疲劳特性的冲击处理装置60中，处理机构部侧固定于装置基部65上，并且在装置基部65上具备载置被处理材料(焊接接头)而进行滑动驱动的移动机构部(未图示)，该移动机构部可以在使其滑动方向和焊缝20的长度方向一致的状态下移动焊接接头10。
另外，改善疲劳特性的冲击处理装置60具备位于该移动机构部的上方并安装有上述冲击销50的处理机构部61、以及安装有该处理机构部61的支承按压机构部62。该支承按压机构部62由支承臂63和按压装置64构成，固定于装置基部65上。
处理机构部61用于在距焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢板11、12)的表面，一边按压冲击销50一边实施锤击处理或超声波冲击处理，例如，可以采用上述专利文献1～3等中公开的处理机构部等。此外，一直以来公知的处理方式是锤击处理及超声波冲击处理，所以，在此省略其详细的说明。此外，在本发明中可以采用锤击处理或超声波冲击处理的任何冲击处理，但因处理时的反作用较少及处理的输出高等，超声波冲击处理比锤击处理更有利。另外，也可以使用风动工具(air tool)等振动工具进行冲击处理，但输出小，与超声波冲击处理相比，一般处理效率较低。
支承按压机构部62支承着处理机构部61，以便将冲击销50的顶端部以适当的载荷推到母材金属材料(钢板11、12)的表面，同时不会因冲击振动而使冲击销50从目标处理位置偏移。另外，支承按压机构部62根据由处理机构部61进行的锤击处理或超声波冲击处理的一般的处理条件，可以产生处理机构部61的自重程度(几百克至几十公斤左右)的按压负荷。此外，在支承按压机构部62上也可以附加从装置保护等方面考虑吸收来自冲击销50的反作用的机构。
然而，为了使冲击销50位于距焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢板11、12)的表面，需要确认处理行进方向的未处理部的焊趾20b的位置。因此，在改善疲劳特性的冲击处理装置60上设置有检测焊缝20的焊趾位置的焊趾位置检测部66。
该焊趾位置检测部66优选使用能够识别母材金属材料(钢板11、12)和焊接金属20a的边界的传感器，如由激光采集精确信息的形状传感器以及根据图像识别母材金属材料(钢板11、12)和焊接金属20a的通过边缘传感器进行的焊趾传感器等。另外，在焊趾20b的形状及位置事先已知的情况下，省略焊趾传感器，与已知的焊缝20的焊趾20b相对应而使冲击销50移动也是有效的。
而且在该改善疲劳特性的冲击处理装置60上设置有根据由焊接焊趾位置检测部66检测得到的焊缝20的焊趾位置而沿与焊接线方向交叉的方向对冲击销50进行移动控制的冲击销位置控制部67。该冲击销位置控制部67位于处理机构部61和支承按压机构部62之间，沿与焊接方向交叉的方向对以能够滑动的方式安装在支承按压机构部62上的处理机构部61进行移动控制。
在具有以上的构造的改善疲劳特性的冲击处理装置60中，根据由焊接焊趾位置检测部66检测得到的焊缝20的焊趾位置，将冲击销50按压在距焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢板11、12)的表面，同时移动机构部滑动驱动焊接接头10，藉此便可以相对于焊接接头10沿焊接线方向使冲击销50相对移动。由此，可以实施通过冲击销50进行的连续的锤击处理或超声冲击处理。
即，在该改善疲劳特性的冲击处理装置60中，在距成为疲劳裂纹发生部位的焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢材11、12)的表面，连续地进行通过冲击销50进行的冲击处理，由此便可以附加在疲劳特性的提高方面充分的压缩残余应力，由此，可以改善焊接接头10的疲劳特性，从而可以得到阻止疲劳裂纹发生性能较高的焊接结构件。
(第二实施方式)
作为第二实施方式，图5所示的改善疲劳特性的冲击处理装置70具备省略图示的装置基部，在该装置基部上可以载置焊接接头10。
另外，在改善疲劳特性的冲击处理装置70中，具备位于该装置基部的上方并安装有上述冲击销50的处理机构部71、安装有该处理机构部71的支承按压机构部72、以及向一个方向滑动驱动该支承按压机构部72的移动机构部73。
处理机构部71用于在距焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢板11、12)的表面，一边按压冲击销50一边实施锤击处理或超声波冲击处理，例如，可以采用上述专利文献1～3等中公开的处理机构部等。此外，一直以来公知的处理方式是锤击处理及超声波冲击处理，所以，在此省略其详细的说明。此外，在本发明中可以采用锤击处理或超声波冲击处理的任何冲击处理，但因处理时的反作用较少及处理的输出高等，超声波冲击处理比锤击处理更有利。另外，也可以使用风动工具等振动工具进行冲击处理，但输出小，与超声波冲击处理相比，一般处理效率较低。
支承按压机构部72支承着处理机构部71，以便将冲击销50的顶端部以适当的载荷推到母材金属材料(钢板11、12)的表面，同时不会因冲击振动而使冲击销50从目标处理位置偏移。另外，支承按压机构部72根据由处理机构部71进行的锤击处理或超声波冲击处理的一般的处理条件，可以产生处理机构部71的自重程度(几百克至几十公斤左右)的按压负荷。此外，在支承按压机构部72上也可以附加从装置保护等方面考虑吸收来自冲击销50的反作用的机构。
移动机构部73具有向一个方向延长而设置的轨道部74、以及插通该轨道部74的导向部75，设置于该导向部75内的电动台车(未图示)在轨道部74上行驶，由此可以向一个方向滑动驱动安装于导向部75的下面的支承按压机构部72。
但是，为了使冲击销50位于距焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢板11、12)的表面，需要确认处理行进方向的未处理部的焊趾20b的位置。因此，在改善疲劳特性的冲击处理装置70上设置有检测焊缝20的焊趾位置的焊趾位置检测部76。
该焊趾位置检测部76优选使用能够识别母材金属材料(钢板11、12)和焊接金属20a的边界的传感器，如由激光采集精确信息的形状传感器以及根据图像识别母材金属材料(钢板11、12)和焊接金属20a的通过边缘传感器进行的焊趾传感器等。另外，在焊趾20b的形状及位置事先已知的情况下，省略焊趾传感器，与已知的焊缝20的焊趾20b相对应而使冲击销50移动也是有效的。
而且在该改善疲劳特性的冲击处理装置70上设置有根据由焊接焊趾位置检测部76检测得到的焊缝20的焊趾位置而沿与焊接线方向交叉的方向对冲击销50进行移动控制的冲击销位置控制部77。该冲击销位置控制部77位于处理机构部71和支承按压机构部72之间，沿与焊接方向交叉的方向对以能够滑动的方式安装在支承按压机构部72上的处理机构部71进行移动控制。
在具有上述构造的改善疲劳特性的冲击处理装置70中，在使上述的一个方向和焊缝20的长度方向一致的状态下，将焊接接头10载置于装置基部上，并根据由焊接焊趾位置检测部76检测得到的焊缝20的焊趾位置，将冲击销50按压在距焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢板11、12)的表面，同时移动机构部73滑动驱动支承按压机构部72，藉此可以沿焊接接头10的焊接线方向使冲击销50相对移动。由此，可以实施通过冲击销50进行的连续的锤击处理或超声波冲击处理。
即，在该改善疲劳特性的冲击处理装置70中，在距成为疲劳裂纹发生部位的焊缝20的焊趾20b规定距离的母材金属材料(钢材11、12)的表面，连续地进行通过冲击销50进行的冲击处理，由此便可以附加在疲劳特性的提高方面充分的压缩残余应力，由此，可以改善焊接接头10的疲劳特性，从而可以得到阻止疲劳裂纹发生性能较高的焊接结构件。
另外，实施冲击处理的部位优选设定为接近焊缝20的焊趾20b的位置，以便给予焊缝20的焊趾部以能够使焊接产生的拉伸残余应力向压缩侧逆转这种程度的较大的压缩残余压力，距其焊趾20b的距离在上述冲击销50的顶端曲率半径的2.5倍以内，且处于冲击销50在冲击处理中不与焊接金属20a接触的范围。
(焊接结构件)
下面就适用本发明的焊接结构件进行说明。
作为本发明对象的焊接结构件，以根据其构造及负荷状况可以特定疲劳裂纹发生危险部的焊接部或者焊缝的焊接结构件为前提。此外，该特定的疲劳裂纹发生危险部位只要特定个别具体的焊接结构件，例如在桥梁中为桥桁架和桥支脚的接合部等，在船舶中为船侧的纵通肋骨构件和侧板的焊接部等，就可以对于每个该焊接结构件，根据其构造及负荷状况而进行特定。
在以下的说明中，根据适用上述本发明的改善疲劳特性的冲击处理方法及改善疲劳特性的冲击处理装置，以具有改善其疲劳特性的焊接接头10的焊接结构件为例进行说明，但作为适用本发明的焊接结构件，也可以是具有上述焊接接头30的结构件，而且对于具有在一构件上焊接安装另一构件的焊接接头的焊接结构件，可以广泛适用本发明。
适用本发明的焊接结构件是根据其构造及负荷状况可以特定疲劳裂纹发生危险部的焊接部或者焊缝20的结构件，其特征在于，在至少焊接接头10的特定焊缝20的焊趾20b附近的母材金属材料(钢板11、12)表面，形成有该特定焊缝20的长度的90％以上的长度、且由锤击处理或超声波冲击处理的冲击销50产生的连续冲击痕80，关于该冲击痕80，其宽度方向中央位置和特定焊缝20的焊趾20b的距离x为其槽底的曲率半径r的2.5倍以内，且形成于直至不与特定焊缝20相接触这一范围的母材金属材料(钢板11、12)表面，其槽深度y为0.1～2mm，并在上述槽底的曲率半径r以下，且为金属材料(钢板11、12)的厚度t的1/10以下，其宽度w为1.5～15mm，且在槽深度y的5倍以上。
在本发明中，之所以设定“在至少特定焊缝20的焊趾20b附近的母材金属材料(钢板11、12)表面，形成有成为疲劳裂纹发生危险部的特定焊缝20的长度的90％以上的长度、且由锤击处理或超声波冲击处理的冲击销50产生的连续冲击痕80”，是因为为了利用冲击处理使需要改善疲劳特性的焊缝20的焊趾部的残余应力状态成为压缩应力，进行与对象部位的焊缝长度相同程度的长度以上的处理是有效的。另外还因为：即使局部地具有未进行充分处理的部位，也因成为疲劳裂纹发生危险部的特定焊缝20的焊趾20b和冲击痕80分离，所以即使是焊缝长度的90％，也产生充分的压缩残余应力。
在本发明中，之所以设定“关于冲击痕80，其宽度方向中央位置和特定焊缝20的焊趾20b的距离x为其槽底的曲率半径r的2.5倍以内，且形成于直至不与特定焊缝20相接触这一范围的母材金属材料(钢板11、12)表面，其槽深度y为0.1～2mm，并在上述槽底的曲率半径r以下，且为金属材料(钢板11、12)的厚度t的1/10以下，其宽度w为1.5～15mm，且在槽深度y的5倍以上”，是因为在冲击销50(特别是图3中围住部分P所示的冲击销50的圆柱部和顶端曲率部的边界附近)与焊接金属20a接触的情况下，产生与焊缝20接触的冲击痕80，在焊趾20b上存在焊接缺陷的情况下，难以发现该焊接缺陷。此外，在本发明中，只要是不阻碍焊接缺陷的发现这种程度的轻微的冲击痕80，即使产生那样的冲击痕80，也对效果无妨。
另外，根据FEM解析和实验已经确认：在冲击痕80的宽度方向中央位置和特定焊缝20的焊趾20b的距离x为其槽底的曲率半径r的2.5倍以内，且直至不与特定焊缝20相接触这一范围的母材金属材料(钢板11、12)表面形成有上述冲击痕80的情况下，可以得到疲劳特性的提高充分的压缩残余应力。
此外，只要是上述范围，则从焊缝20的焊趾20b至处理位置的距离x也可以稍稍变动，例如图6所示，在焊缝20的焊趾20b的起伏较小的情况下，可以利用沿焊接方向的粗略的处理位置的控制进行冲击处理。另一方面，如图7所示，在焊缝20的焊趾20b的起伏较大的情况下，基于由上述的焊接焊趾位置检测部66、76检测得到的焊缝20的焊趾位置，可以使冲击销50一边追踪焊缝20的焊趾形状，一边进行冲击处理。
另外，对于冲击痕80，之所以将其槽深度y设定为0.1～2mm，并在槽底的曲率半径r以下，且为金属材料(钢板11、12)的厚度t的1/10以下；将其槽宽w设定为1.5～15mm，且在槽深度y的5倍以上，是因为：如果为太深的冲击痕80，则其自身成为应力集中源；以及在焊接接头10上产生较大的角变形，从而焊接结构件的形状发生变形。另外，还因为在冲击痕80的宽度过于宽的情况下，处理效率降低；在冲击痕80浅且窄的情况下，虽然产生对疲劳特性有效的压缩残余应力，但并不充分。
冲击痕80的宽度w取决于冲击销50顶端曲率半径R和处理深度y，在此的宽度w的规定是考虑到处理时的装置及目标位置的振摆而设定的，只要给予充分深度y的冲击，则可以控制在该范围内，但如果是顶端曲率半径R大的冲击销50，则即使超过该范围，也不会对疲劳特性有大的损害，但处理效率降低。
实施例
以下，根据实施例更明确本发明的效果。此外，本发明不限定于以下的实施例，在不改变其宗旨的范围内可以适宜地变更而加以实施。
(第一实施例)
在第一实施例中，首先制作25个实际上具有与上述图2所示的焊接接头30一样的构造的十字焊接试验体。具体地说，在十字焊接试验体中，利用角焊缝电弧焊形成有焊接长度为1800mm的十字焊接接头。另外，用于十字焊接试验体的钢板是板厚为25mm的依据JIS G 3106的SM490B。另外，焊接材料使用依据JIS Z 3312的YGW11，焊接条件设为焊接线能量为2.5×104J/cm的CO2半自动电弧焊。
下面，使用上述图5所示的改善疲劳特性的冲击处理装置70，对这些十字焊接试验体进行用于改善焊接接头的疲劳特性的冲击处理。具体地说，将这些十字焊接试验体以焊缝连接成一根的方式固定在装置基部的被处理材料搭载面上，然后将冲击销50按压在焊缝40的焊趾40b附近的母材金属材料(钢板31)表面，利用移动机构部73沿焊接线方向移动操作处理机构部侧，同时实施超声波冲击处理。此外，超声波冲击处理仅设定在赋予试验负荷的主板钢板31的四个位置的焊趾40b附近，省略在没有施加试验负荷的肋板钢板32的焊趾40b附近的处理。
该超声波冲击处理的振动频率为27kHz、输出约为1000W。冲击销是与上述图3所示的冲击销50一样的类型，使用直径为3mm或6.4mm、顶端部的曲率半径为1.5～12mm的冲击销。另外，实施超声波冲击处理时的冲击销的按压力(负荷)通过以处理机构部的自重的方式保持装置而将其设定为6kg左右(约60N)，为了使处理部的槽的凹部深度为0.5mm，处理速度在50～300mm/min的范围进行调节。
冲击销为了将冲击能量高效地传递给钢板，以对金属材料(钢板31)表面垂直冲击的方式调节角度。这时，处理机构部71为了避免与十字焊接试验体的干涉，调节装置内部的导波管的顶端形状，与焊接线方向呈直角、相对于金属材料(钢板31)倾斜约60°的方式设定角度。
此外，考虑到超声波冲击处理的反作用力，导向部75的电动台车上安装约150kg的砝码。
而且如表1所示，处理前的25个十字焊接试验体中，对18个十字焊接试验体，使处理条件不同而进行超声波冲击处理。即，使冲击销的顶端曲率半径呈阶梯状不同，分别为1.5mm、2mm、5mm、10mm、12mm，对各十字焊接试验体的四个位置的焊趾附近进行超声波冲击处理。
接着，在实施超声波冲击处理后，从十字焊接试验体中取出将中央具有上述图2的焊接部的钢板31置换为图1的对焊的钢板11、12时，与上述图1中的S相当的试验片a1～a18，进行对于各试验片a1～a18的疲劳试验。另外，对从处理前的十字焊接试验体中取出的试验片a0也进行同样的疲劳试验。疲劳试验为应力比为0.1、反复负荷频率为6Hz的轴向反复拉伸试验，最大应力为175MPa，测定了直至焊接部产生裂纹、试验片断裂的反复次数(疲劳寿命)。其评价结果如表1所示。
Figure BPA00001308787200171
如表1所示，在冲击销的顶端曲率半径为1.5mm的情况下(试验片a1～a3)，虽然从改善疲劳特性的角度获得了效果，但特别是在目标位置距焊趾的距离近的情况下与焊接金属碰撞，处理大多停止，从而处理效率降低。另外，从冲击销的磨损的角度上说也是不利的。
另一方面，在冲击销的顶端曲率半径为12mm的情况下(试验片a15～a18)，处理凹部深度大多低于0.3mm，目标位置远离焊趾时，改善疲劳特性的效果减小。另外，在目标位置较近的情况下，冲击销的边缘与焊接金属干涉较多，处理屡次停止，从而处理效率降低。再者，为了给予足够深的冲击，需要降低处理速度，从而处理效率降低。
与之相对照，在冲击销的顶端曲率半径为2～10mm的情况下(试验片a4～a14)，处理效率降低及成为不充分的处理的情况较少，从而能够进行稳定的处理。
上述的结果表明：在处理位置距焊缝的焊趾较近的情况下，得到较大改善疲劳寿命的效果，另一方面，在冲击销与焊接金属干涉、以及冲击销的顶端曲率半径较大的情况下，处理效率降低。而且本发明根据这些结果，规定了冲击销的顶端曲率半径、从焊缝的焊趾至处理中心的距离、以及与焊接金属的干涉比例。
此外，根据在此的试验结果，冲击痕如上述图7所示，在与焊趾形状平行地凹下的位置可以判别。另外，可知对于与焊接金属的干涉，在焊缝的焊趾形状急变的位置和冲击处理中的冲击销的振摆重叠时容易产生。
下面，对剩下的七个十字焊接试验体如表2所示地使处理条件变化而进行超声波冲击处理。即，将冲击销的顶端曲率半径固定在5mm，改变处理时间，从而使凹部深度呈阶梯状不同，分别为0.08mm、0.1mm、0.5mm、2mm、2.5mm，瞄准距焊趾5mm的位置进行超声波冲击处理。
而且在实施了超声波冲击处理后，从各十字焊接试验体中取出相当于上述图1中的S的试验片b1～b7，进行对各试验片b1～b7的疲劳试验。疲劳试验是应力比为0.1、反复负荷频率为6Hz的轴向反复拉伸试验，最大应力设为175MPa、测定直至焊接部产生裂纹、试验片断裂的反复次数(疲劳寿命)。其评价结果如表2所示。
Figure BPA00001308787200191
如表2所示，在处理凹部深度为0.1mm以上的情况下(试验片b2～b5)，可以看到明显的改善疲劳特性的效果。但是，在处理凹部深度超过2mm的情况下(试验片b4～b5)，处理时间非常长，不是有效率的。
另外，还确认了增大冲击销的粗度和顶端曲率半径时的本发明的有效性，结果在冲击销的直径大的试验片b7中，不仅处理时间长，而且在焊接部产生大的角变形，作为焊接构件产生形状方面的问题。因此，可以认为使用直至试验片b6的处理条件的冲击销从处理效率的角度考虑也是优选的。根据上述的试验结果，决定本发明的有效范围。
(第二实施例)
在第二实施例中，首先制作了四个实际上具有与上述图1所示的焊接接头10一样的形状的对焊试验体。具体地说，在对焊试验体中，利用涂药电弧焊制作焊接长为550mm的对焊接头。此外，该对焊接头坡口设为X坡口，两面焊缝宽度为18～21mm。另外，用于对焊试验体的钢板是板厚为20mm的依据JIS G 3106的SM400A。另外，焊接材料使用依据JIS Z 3311的D4316的焊接棒(直径为4mm)，焊接条件是焊接线能量为1.7×104J/cm的涂药电弧焊。
下面，使用上述图4所示的改善疲劳特性的冲击处理装置60，对这些对焊试验体进行用于改善焊接接头疲劳特性的冲击处理。具体地说，在移动机构部上以焊缝连接成一根的方式将这些对焊试验体固定后，将冲击销按压在焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面，利用移动机构部使被处理材料侧沿焊接线方向移动操作，同时实施超声波冲击处理。此外，超声波冲击处理位置设定为钢板11、12的表背两面的四个位置的焊趾20b附近。
该超声波冲击处理的振动频率为27kHz、输出约为1000W。冲击销是与上述图3所示的冲击销50一样的类型，使用直径为3mm，顶端部的曲率半径为5mm的冲击销。另外，实施超声波冲击处理时的冲击销的按压力(负荷)通过以成为处理机构部的自重的方式保持装置而将其设定为4.5kg左右(约45N)，将处理速度设定为200mm/min，从而使处理部的槽的凹部深度为0.3mm。
而且在处理前的四个对焊试验体中，对三个对焊试验体如图3所示地使处理条件不同而进行超声波冲击处理。另外，各对焊试验体的焊缝的焊趾起伏，焊接宽度变动，但对其进行手动调节，进行设置以便可以冲击距焊缝的焊趾3～6mm、5～7mm、11～14mm的钢板表面位置，从而以各自的条件对焊接试验体进行冲击。
下面，从实施了超声波冲击处理的三个对焊试验体及未进行冲击处理的一个对焊试验体中取出如上述图1中的S所示的试验片c1～c4，进行了对各试验片c1～c4的疲劳试验。疲劳试验是应力比为0.1、反复负荷频率为10Hz的轴向反复拉伸试验，最大应力为200MPa，测定直至焊接部产生断裂的反复次数(疲劳寿命)。其评价结果如表3所示。
Figure BPA00001308787200221
如表3所示，未进行冲击处理的试验片c4在47500次断裂。与之相对照，进行了本发明的冲击处理的试验片c1、c2的寿命延长3倍左右，在试验片c3中可以看到有若干改善。另外，在试验片c3中，特别是根据该试验片的断裂面可以确认从焊缝的焊趾至冲击处理部的距离离开14mm左右的位置产生了疲劳裂纹的情况。
根据本发明，通过有利地组合使用焊趾位置检测部、处理机构部、支承按压机构部、装置基部以及移动机构部，可以迅速且合理地提高焊接接头的疲劳特性，所以能够有利地解决如上所述的技术课题及经济课题的问题。
例如，在使用机器人等的自动移动装置的情况下，只简单地指示焊缝的粗略的方向，不需要检测焊缝的焊趾的变形以正确地追踪的功能等，以这样极其简易的系统就可以构筑处理系统，从而在经济上也是极为有效的。
另外，人在进行焊接接头的冲击处理的情况下，是需要频繁休息的作业，但只要使用本发明，处理中只为监视作业，因而可以期待处理效率的提高。
再者，在直接对焊缝的焊趾部进行冲击处理的现有的方法中，处理是否充分需要直接用肉眼检查，难以发现焊缝的焊趾残留的缺陷，但在本发明中，只要检测平滑的母材金属的处理部即可，不仅显著地减轻了检测的负担，而且能够与焊缝的焊趾的缺陷检查分离，因而可以更合理地进行处理后的焊接部的品质管理。
这样，根据本发明，可以期待防止疲劳裂纹发生的效果和焊接部制作工期的缩短，进而可以期待检测合理化的经济效果。

Claims (3)

1.一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理方法，其在焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面，一边按压冲击销一边使之沿焊接线方向相对移动操作，从而实施锤击处理或超声波冲击处理，所述冲击处理方法的特征在于：
作为所述冲击销，使用顶端曲率半径在金属材料厚度的1/2以下且为2～10mm的冲击销；
从所述焊缝的焊趾至冲击处理位置中心的距离为所述冲击销的顶端曲率半径的2.5倍以内；且在直至所述冲击销于冲击处理中不与焊接金属接触这一范围的母材金属材料表面，实施所述锤击或超声波冲击处理，
从而利用所述冲击销产生残余塑性变形，使得冲击痕的槽深度为0.1～2mm、并在该冲击销的顶端曲率半径以下、且为所述金属材料的厚度的1/10以下，冲击痕的宽度为1.5～15mm、且在所述槽深度的5倍以上。
2.一种改善焊接接头疲劳特性的冲击处理装置，其用于在焊缝的焊趾附近的母材金属材料表面，一边按压冲击销一边使之沿焊接线方向相对移动操作，从而实施锤击处理或超声波冲击处理，该冲击处理装置的特征在于，配设有：
焊趾位置检测部，其检测具有所述焊接接头的被处理材料的焊缝的焊趾位置；
处理机构部，其实施通过所述冲击销进行的锤击处理或超声波冲击处理；
支承按压机构部，其支承所述处理机构部，并且将所述冲击销按压在距所述被处理材料的焊缝的焊趾规定距离的母材金属材料表面；
装置基部，其载置所述支承按压机构部或被处理材料中的一方；以及
移动机构部，其搭载着所述支承按压机构部或被处理材料中的另一方，且自身载置于所述装置基部，并根据由所述焊接焊趾位置检测部检测得到的焊缝的焊趾位置，使所述处理机构部相对于所述被处理材料沿焊接线方向相对移动。
3.一种耐疲劳特性优良的焊接结构件，其根据焊接结构件的构造及负荷状况，可以特定疲劳裂纹发生危险部的焊接部或者焊缝，其特征在于，
至少在所述特定焊缝的焊趾附近的金属材料表面形成有所述特定焊缝的长度的90％以上的长度、且由锤击处理或超声波冲击处理的冲击销产生的连续冲击痕，
关于所述冲击痕，其宽度方向中央位置和所述特定焊缝的焊趾的距离为其槽底的曲率半径的2.5倍以内，且形成于直至不与所述特定焊缝相接触这一范围的金属材料表面，并且其槽深度为0.1～2mm、并在所述槽底的曲率半径以下、且为所述金属材料的厚度的1/10以下，其宽度为1.5～15mm、且在所述槽深度的5倍以上。
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