CN103958116A - 焊接结构物的疲劳损伤抑制方法、打击痕形成用工具、以及焊接结构物 - Google Patents

焊接结构物的疲劳损伤抑制方法、打击痕形成用工具、以及焊接结构物 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其抑制焊接结构物的焊接部产生疲劳损伤，该焊接结构物的疲劳损伤抑制方法使用打击痕形成用工具通过锤击或者超声波冲击在焊接部中的与几乎呈直线状的焊缝邻接的母材表面形成打击痕，该打击痕形成用工具在前端具有沿垂直地横穿焊缝的方向弯曲为圆弧状、并且使曲率中心偏向沿着焊缝相互平行的两个端面中的一个端面侧的打击痕形成面，并且，使用打击痕形成用工具通过锤击或者超声冲击在与几乎呈直线状以及曲线状的焊缝邻接的母材表面形成打击痕，该使用打击痕形成用工具在前端具有整体形状形成为圆形或者椭圆形状的平面状的打击痕形成面，利用打击痕形成用工具向焊缝的焊趾附近导入压缩残留应力来抑制焊接部的疲劳损伤。

Description

焊接结构物的疲劳损伤抑制方法、打击痕形成用工具、以及焊接结构物
技术领域
本发明涉及抑制在焊接结构物(welded structures)(也称钢结构物(steel structures))的焊接部产生疲劳损伤(fatigue damage)的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法(Method for preventing fatigue damage)、打击痕形成用工具(tool for forming impact area)、以及焊接结构物。
背景技术
近年来，随着钢桥(steel bridge)的老化而由腐蚀、疲劳引起的钢桥的损伤事例的报告有所增加。为了抑制钢桥的损伤，首先需要确立检查体制(inspection system)。然而，特别是在疲劳损伤的情况下，减轻过往车辆(passing vehicle)等的作用外力(working external force)、或者从设计制造的面提高焊接质量(weld quality)是重要的。在钢桥等焊接结构物中，存在如下情况：若焊接部(weld zone)产生破裂等缺陷、或因焊缝(weld bead)的形状不合适从而使焊缝的焊趾(weld toe)产生应力集中(stress concentration)，则由于基于反复应力(cyclic stress)的影响与焊接残留应力(weld residual stress)的影响重叠，从而容易在焊接部产生疲劳裂纹(fatigue crack)(也称为疲劳缺口(fatiguenotch))，并导致疲劳损伤。所谓焊缝的焊趾，是指形成焊缝的焊接金属的表面与作为母材的金属制部件的表面相交的边界。
为了抑制这种疲劳损伤，在专利文献1～3以及非专利文献1中，记载有通过向焊缝的焊趾附近导入压缩残留应力(compressive residualstress)来提高焊接部的疲劳强度(fatigue strength)的方法。
具体而言，在专利文献1中记载有如下方法：利用使焊缝的焊趾附近产生超声波振动(ultrasonic oscillation)地对其进行冲击而使其塑性变形(plastic deformation)的加工装置(processing equipment)，以规定的冲击条件加工特定尺寸的槽，从而提高疲劳强度。
在专利文献2中记载有如下方法：使用来自激光源(laser source)的脉冲激光束(pulsed laser beam)，而使形成表面的薄层或者等离子体(plasma)的表面的涂料(coating)瞬间气化，利用其爆发力(explosionpower)而使表面的一部分产生局部的压缩力(compressive force)。
在专利文献3中记载有如下方法：使用前端为特定尺寸的冲击销(impact pin)，以使焊缝的焊趾附近形成基于打击痕(impact area)的特定尺寸的槽部(groove)的方式压缩钢材表面，而向焊接部导入压缩残留应力。
在非专利文献1中记载有如下结果：由于存在若施行锤击(hammerpeening)则会降低疲劳强度的情况，所以研究了使焊缝部的焊趾附近的应力集中、残留应力减少的新的锤击法。
专利文献1：日本特开2006－175512号公报
专利文献2：日本特开2006－159290号公报
专利文献3：日本特开2010－29897号公报
非专利文献1："IMPROVING FATIGUE STRENGTH OF WELDJOINTS BY HAMMER PEENING TIG-DRESING",Kengo ANAMI,Chitoshi MIKI,Hideki Tani,Haruhito YAMAMOTO,StructualEng./Earthquake Eng.,JSCE Vol.7,No.1,57-68s,2000April
然而，对于专利文献1所记载的方法而言，作为向焊缝的焊趾附近导入压缩残留应力的手段，使用使尖端(tip)(尖端也被称为振动端子(transducer)、风铲(chipper)、冲击销、或者冲击端子)超声波振动而在焊缝的焊趾附近加工特定尺寸的槽的装置，所以与以往的由空气压(air pressure)来驱动尖端的装置相比，价格高昂并且难以得到。
对于专利文献2所记载的方法而言，由于是利用激光冲击(lasershock peening)而向焊缝的焊趾附近导入压缩残留应力的方法，所以需要材料的预处理，并且装置价格高昂且较大，而难以应用于钢桥等大型焊接结构物(large welded structure)。
对于专利文献3所记载的方法而言，由于是将前端的曲率半径(curvature radius)为2～10mm的冲击销以不与焊接金属(weld metal)接触的方式按压于母材表面而导入压缩残留应力的方法，所以难以导入压缩残留应力。
在非专利文献1中记载有针对使焊缝的焊趾附近的应力集中、残留应力减少的新的锤击法进行研究的结果。然而，通常，作业者以使工具前端(tip of tool)(也称为风铲前端(nib))从斜上方与焊缝的附近相碰的方式，把持敲击工具(peening tool)(也称为尖端(tip)或者风铲(chipper))而进行锤击。因此，根据非专利文献1记载的方法，如图5所示，在对使肋部(rib)2直立在母材1的表面上的面外角撑焊接接头(out-of-plane gusset weld joint)施行锤击的情况下，有在焊缝3的焊趾4形成应力集中的深的槽、从而从焊缝3的焊趾4产生疲劳裂纹的危险。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供能够抑制焊接结构物的焊接部产生疲劳损伤的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法、打击痕形成用工具、以及焊接结构物。
本发明的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法抑制焊接结构物的焊接部产生疲劳损伤，其特征在于，使用第一打击痕形成用工具通过锤击或者超声波冲击(ultrasonic impact peening)在上述焊接部中的与几乎呈直线状的焊缝邻接的母材表面形成打击痕，其中，上述第一打击痕形成用工具在前端具有沿垂直地横穿上述焊缝的方向弯曲为圆弧状、并且使曲率中心偏向沿着上述焊缝相互平行的两个端面中的一个端面侧的打击痕形成面(side for forming impact area)，并且，使用第二打击痕形成用工具通过锤击或者超声波冲击在与几乎呈直线状以及曲线状的焊缝邻接的母材表面形成打击痕，其中，第二打击痕形成用工具在前端具有整体形状形成为圆形(round shape)或者椭圆形状(elliptical shape)的平面状的打击痕形成面，利用该第一打击痕形成用工具以及第二打击痕形成用工具向上述焊缝的焊趾附近导入压缩残留应力来抑制上述焊接部的疲劳损伤。
上述第二打击痕形成用工具的打击痕形成面也可以在从上述焊缝的焊趾到上述母材侧5mm的区域内，具有沿着焊缝的方向的长度为3.0mm以上6.0mm以下的尺寸，利用上述第二打击痕形成用工具沿上述焊缝连续地形成最大深度在0.03mm以上并且不足0.50mm的打击痕。
作为上述第二打击痕形成用工具，也可以使用前端具有以平坦(flatness)并且半径(radius)为1.5mm以上3.0mm以下的圆形形成的打击痕形成面的打击痕形成用工具。
作为上述第二打击痕形成用工具，也可以使用在上述打击痕形成面的周围具有以0.15mm以上0.60mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的倒角部(chamfer)的打击痕形成用工具。
也可以在从比上述焊缝的焊趾更向上述母材侧离开0.5mm的位置到离开3mm的区域内，形成最大深度为0.1mm以上且0.5mm的打击痕。
作为上述第二打击痕形成用工具，也可以使用前端具有沿着垂直地横穿上述焊缝的方向的宽度为1.5mm以上3.0mm以下、沿着上述焊缝的长度为3.0mm以上6.0mm以下、并且整体形状形成为椭圆形状的平面状的打击痕形成面的打击痕形成用工具。
作为上述第二打击痕形成用工具，也可以使用在上述打击痕形成面的周围具有以0.15mm以上0.60mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的倒角部的打击痕形成用工具。
作为上述第二打击痕形成用工具，也可以使用形成为在相对于上述打击痕形成面的垂直方向上具有倾斜的侧面的圆锥台形状的打击痕形成用工具。
上述第一打击痕形成用工具的打击痕形成面也可以沿着垂直地横穿焊缝的方向以1mm以上5mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状，利用上述第一打击痕形成用工具，而沿上述焊缝连续地形成最大深度为0.2mm以上的打击痕。
作为上述第一打击痕形成用工具，也可以使用沿着上述焊缝的上述打击痕形成面的长度为1mm以上10mm以下的打击痕形成用工具。
作为上述第一打击痕形成用工具，也可以使用具有与上述端面成直角的两个侧面、并且该侧面的形状相对于上述打击痕形成面形成为锥形状的打击痕形成用工具。
作为上述第一打击痕形成用工具，也可以使用在上述打击痕形成面与上述侧面的边界部具有以0.15mm以上0.30mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的圆弧面的打击痕形成用工具。
本发明的打击痕形成用工具在本发明的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法中被使用。
本发明的焊接结构物通过本发明的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法而抑制疲劳损伤。
根据本发明，能够抑制焊接结构物的焊接部产生疲劳损伤。
附图说明
图1是表示实施作为本发明的第一实施方式的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法时使用的打击痕形成用工具的一个例子的立体图(diagrammatic perspective view)。
图2A表示图1的打击痕形成用工具，并且是沿图1的XZ平面切断的剖视图(cross-section view)。
图2B表示图1的打击痕形成用工具，并且是沿图1的YZ平面切断的剖视图。
图2C是图1所示的打击痕形成用工具的仰视图(bottom view)。
图3A表示图1的打击痕形成用工具的变形例，并且是沿图1的XZ平面切断的剖视图。
图3B表示图1的打击痕形成用工具的变形例，并且是沿图1的YZ平面切断的剖视图。
图3C是图1所示的打击痕形成用工具的变形例的仰视图。
图4A是表示实施作为本发明的第一实施方式的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法时使用的打击痕形成用工具的变形例的立体图。
图4B表示图4A的打击痕形成用工具，并且是沿图4A的XZ平面切断的剖视图。
图4C表示图4A的打击痕形成用工具，并且是沿图4A的YZ平面切断的剖视图。
图4D是图4A所示的打击痕形成用工具的仰视图。
图5是表示利用图1所示的打击痕形成用工具而形成于母材的表面的打击痕的图。
图6A是表示在钢板的表面上直立有肋部的状态下被焊接的焊接部的俯视图。
图6B是表示在钢板的表面上直立有肋部的状态下被焊接的焊接部的侧视图。
图7A表示前端形成有呈圆形的球面状的打击痕形成面的打击痕形成用工具，并且是沿图1的XZ平面切断的剖视图。
图7B是前端形成有呈圆形的球面状的打击痕形成面的打击痕形成用工具的仰视图。
图8A表示前端形成有呈正方形的平面状的打击痕形成面的打击痕形成用工具，并且是沿图1的XZ平面切断的剖视图。
图8B是表示前端形成有呈正方形的平面状的打击痕形成面的打击痕形成用工具的剖视图。
图9A是表示使用打击痕形成面的形状为圆形的打击痕形成用工具而在母材表面形成打击痕的情况下的打击痕的端线与焊趾线的照片。
图9B是表示使用打击痕形成面的形状为矩形的打击痕形成用工具在母材表面形成打击痕的情况下的打击痕的端线与焊趾线的照片。
图10A是表示实施作为本发明的第二实施方式的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法时使用的打击痕形成用工具的一个例子的立体图。
图10B表示图10A的打击痕形成用工具，并且是沿图10A的XZ平面切断的剖视图。
图10C表示图10A的打击痕形成用工具，并且是沿图10A的YZ平面切断的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图，对作为本发明的第一以及第二实施方式的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法进行说明。
〔第一实施方式〕
在实施作为本发明的第一实施方式的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法时使用的打击痕形成用工具6最低也是由拉伸强度600MPa以上的高强度钢(high-strength steel)(SM570级别以上)形成的，并且如图1以及图2A～图2C所示，其在前端具备打击痕形成面7。打击痕形成面7是用于在与大致呈直线状以及曲线状的焊缝3(参照图5)邻接的母材1的表面形成打击痕5的打击痕形成面。如图2A～图2C所示，打击痕形成面7形成为平坦并且半径为1.5mm以上3.0mm以下、即直径D为3.0mm以上6.0mm以下的圆形。作为形成为圆形的打击痕形成面7的“圆形”的定义，只要长径(major axis)与短径(minor axis)的长度之比(长径/短径)处于1～1.1的范围内就能够作为近似圆形来使用。长径的朝向相对于焊接线没有特别地规定。
这样，将形成于打击痕形成用工具6的前端的打击痕形成面7设为平坦的理由是因为，若不平坦，则形成于母材1侧的打击痕5的深度以及宽度会产生差别(variability)。所谓打击痕5的宽度是指，打击痕形成用工具7的移动方向、即与图5中的正交于纸面的方向正交的方向的长度B。另外，将打击痕形成面7设为半径为1.5mm以上3.0mm以下的圆形的理由是因为，在半径不足1.0mm的情况下，形成的打击痕5的深度以及宽度会产生差别，从而无法稳定地得到形状。另一方面，在半径比3.0mm大的情况下，由于打击痕形成面7的面积变大，所以无法相对于母材1形成足够深度的打击痕5，从而基于针对焊缝3的焊趾4的压缩残留应力的导入的疲劳强度提高效果变小。
如图2A、图2B所示，打击痕形成用工具6形成为，在相对于打击痕形成面7的垂直方向上具有倾斜的侧面的圆锥台形状(circulartruncated cone shape)。这样，通过将打击痕形成用工具6形成为圆锥台形状，从而起到即使反复进行冲击也容易保持工具的形状的效果。作为打击痕形成用工具6，并不限定于图2A、图2B所示的形状，如图3A～图3C所示，也可以使用如下打击痕形成用工具：形成为在相对于打击痕形成面7的垂直方向上具有倾斜的侧面的圆锥台形状，并且在打击痕形成面7的周围形成有以0.15mm以上0.60mm以下的曲率半径r0弯曲为圆弧状的倒角部8。
将倒角部8的曲率半径r0设为0.15mm以上0.60mm以下的理由如下所述。即，若倒角部8的曲率半径r0不足0.15mm，则成为应力容易向打击痕5的底的端部集中的状态。另外，若倒角部8的曲率半径r0超过0.60mm，则由于与母材1的表面接触的打击痕形成面7的接触面积(contact area)变大，所以无法相对于母材1形成足够深度的打击痕5，从而基于针对焊缝3的焊趾4的压缩残留应力导入的疲劳强度提高效果变小。进一步，优选为0.15mm以上0.50mm以下。更优选为0.15mm以上0.30mm以下。
打击痕形成面7也可以以沿着垂直地横穿焊缝3的方向(图4A所示的X方向)的宽度RX为1.5mm以上3.0mm以下、沿着焊缝3的长度RY(沿着图4A所示的Y方向的长度)为3.0mm以上6.0mm以下的尺寸，在打击痕形成用工具6的前端形成为平面状，并且整体形状形成为椭圆形状。即使在这种情况下，打击痕形成用工具6也可以形成为圆锥台形状，并且也可以在打击痕形成面7的周围形成倒角部8。作为形成为椭圆形状的打击痕形成面7的“椭圆形”的定义，优选长径与短径的长度之比(长径/短径)处于超过1.1且在3.0以下的范围内。若以使长径与焊接线近似平行的方式使用打击痕形成用工具6，则由于能够减少打点数，所以更优选。
将打击痕形成面7的宽度RX设为1.5mm以上3.0mm以下的理由如下所述。即，若打击痕形成面7的宽度RX不足1.5mm，则打击痕5的宽度会产生差别，而难以在母材1的表面形成稳定的形状的打击痕5。另外，若打击痕形成面7的宽度RX超过3.0mm，则打击痕5的面积变得过大，而难以在母材1的表面形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5。
将打击痕形成面7的长度RY设为3.0mm以上6.0mm以下的理由如下所述。即，若打击痕形成面7的长度RY不足3.0mm，则打击痕5的宽度变得过窄，当焊缝3的焊趾4承受了负载时，容易在打击痕5产生应力集中而成为疲劳裂纹的产生原因。另外，若打击痕形成面7的长度RY超过6.0mm，则打击痕形成面7的面积变得过大，而难以在母材1的表面形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5。
将长径与短径的长度之比(长径/短径)设为超过1.1且在3.0以的理由如下所述。若长径与短径的长度之比超过3.0，则在相同的面积下打击痕的宽度B变小，从而相对于打击痕的宽度方向的压缩残留应力的导入范围变窄，由此对疲劳特性不利。
在使用这样的打击痕形成用工具6来实施作为本发明的第一实施方式的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法时，施行如下锤击或者超声波冲击处理：在图5中，将打击痕形成用工具6垂直地按压于与焊缝3邻接的母材1的表面而进行打击，并使打击痕形成用工具6沿焊接线方向相对移动，通过反复进行基于打击痕形成用工具6的打击以及打击痕形成用工具6的移动而在母材1的表面形成打击痕5。所谓焊接线方向，表示图4中与纸面正交的方向以及图1中的箭头Y方向。即，在以使打击痕形成面7与大致呈直线状以及曲线状的焊缝3的焊趾4邻接的方式而调整打击痕形成用工具6的位置后，将打击痕形成用工具6的打击痕形成面7垂直地按压于母材1的表面而进行打击，从而在从大致呈直线状以及曲线状的焊缝3的焊趾4附近到母材1侧5mm的区域内形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕5。
接下来，在使打击痕形成用工具6的打击痕形成面7与母材1的表面分离后，使打击痕形成用工具6沿大致呈直线状以及曲线状的焊缝3的焊接线方向移动规定距离。然后，再次将打击痕形成用工具6的打击痕形成面7垂直地按压于母材1的表面而进行打击，从而在母材1的表面形成打击痕5，通过反复进行基于该打击痕形成用工具6的打击以及打击痕形成用工具6的移动，而沿大致呈直线状以及曲线状的焊缝3连续地形成多个打击痕5。由此，能够得到如下焊接结构物：在从大致呈直线状以及曲线状的焊缝3的焊趾4到母材1侧5mm的区域内，形成多个最大深度在0.03mm以上并且不足0.50mm的打击痕5。
在从焊缝3的焊趾4到母材1侧5mm的区域内形成最大深度在0.03mm以上并且不足0.50mm的打击痕5是基于如下的理由。若从焊缝3的焊趾4到母材1侧超过5mm的区域而形成打击痕5的最大深度，则无法向焊趾附近充分地导入压缩残留应力。另外，打击痕5的最大深度在0.03mm以上并且不足0.50mm是因为，若打击痕5的最大深度比0.03mm浅，则无法向焊趾附近充分地导入压缩残留应力，若在0.50mm以上，则在拉伸载荷时(under tension load)应力会向打击痕底部集中而成为疲劳裂纹产生的起点。
进一步优选，在从比焊缝3的焊趾4向母材1侧离开0.5mm的位置到离开3mm的位置的区域内，形成最大深度在0.1mm以上并且不足0.50mm的打击痕5。其理由是因为，能够充分进行向焊趾附近的压缩残留应力的导入。
〔实施例1〕
本发明者们在焊接电流(welding current)为280A、焊接电压(welding voltage)为32V、焊接速度(welding speed)为28cpm的焊接条件(welding condition)下，将图6A、图6B所示的焊接接头制成试验片，并使用制成的焊接接头(weld joint)而以表1所示的条件来进行压缩残留应力的导入试验。
〔表1〕
[表1]
*焊趾部的残留应力:使用X射线的残留应力测量结果
表1的实施例1～4表示如下情况：在与焊缝3邻接的母材1的表面，利用打击痕形成面7的直径D为3mm、4mm、5mm、6mm的打击痕形成用工具6，沿焊缝3连续地形成最大深度在0.03mm以上并且不足0.50mm的打击痕5。表1的实施例5～8表示如下情况：在与焊缝3邻接的母材1的表面，利用打击痕形成面7的直径D为3mm、4mm、5mm、6mm、并且倒角部8的曲率半径r0为0.15mm、0.20mm、0.30mm的打击痕形成用工具6，而沿焊缝3连续地形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕5。
表1的比较例1～3表示如下情况：使用在图7A、图7B所示的打击痕形成用工具10的前端球面状(曲率半径r：1.5mm、2mm、4mm)地形成有圆形(直径D：2mm、3mm、4mm)的打击痕形成面11的打击痕形成用工具，而在与焊缝3邻接的母材1的表面形成打击痕5。表1的比较例4、5表示如下情况：使用在图8A、图8B所示的打击痕形成用工具12的前端呈平面状地形成有正方形(一边的长度L：3mm、5mm)的打击痕形成面13的打击痕形成用工具，而在与焊缝3邻接的母材1的表面形成打击痕5。表1的Ra表示打击痕5的最大深度(mm)，并且在实施例1～8以及比较例1～5中，以空气压为约6kg/cm2、频率(frequency)为90Hz、移动速度(moving speed)为0.25mm/秒的条件而进行基于打击痕形成用工具的锤击。表1的残留应力表示向从形成于母材1的表面的打击痕5离开1mm的位置照射直径为1mm的X射线(X-ray)而测量的残留应力的结果。
若比较实施例1～8与比较例1～5，则在比较例1～5中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾4的附近的压缩残留应力处于230～270MPa的范围内。与此相对地，在实施例1～8中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾4的附近的压缩残留应力处于300～330MPa的范围内。因此，如实施例1～8那样，作为在与焊缝3邻接的母材表面通过锤击或者超声冲击而形成打击痕5的打击痕形成用工具，使用前端具有形成为平坦并且半径为1.5mm以上3.0mm以下的圆形的打击痕形成面7的打击痕形成用工具6，并且利用该打击痕形成用工具6而沿大致呈直线状以及曲线状的焊缝3连续地形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕5，从而能够向焊缝3的焊趾4的附近导入超过300MPa的压缩残留应力，因此，能够可靠地抑制钢桥等焊接结构物的焊接部产生疲劳裂纹等疲劳损伤。
如实施例1～8那样，通过使用趋向打击痕形成面7而形成为圆锥台形状的打击痕形成用工具6，能够在与焊缝3邻接的母材1的表面，以比较小的打击力形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕5，由此，能够容易地向焊缝3的焊趾4的附近导入压缩残留应力。如实施例5～8那样，通过使用在打击痕形成面7的周围具有以0.15mm以上0.30mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的倒角部8的打击痕形成用工具6，能够防止打击痕5的周围产生应力集中。
在使用打击痕形成面的形状为矩形(3×4mm)的打击痕形成用工具而在母材表面形成打击痕的情况下，如图9B所示，在焊趾线与打击痕的端线之间产生最大1.8mm的空隙(space)，并且不能在焊趾附近剩余300MPa以上的残留应力。与此相对地，在使用打击痕形成面的形状为圆形(直径：3.0mm)且为平面状的打击痕形成用工具而在母材表面形成打击痕的情况下，如图9A所示，焊趾线与打击痕的端线之间的空隙为最大0.2mm，并且能够几乎不在焊趾线与打击痕的端线之间产生空隙地形成打击痕。
〔实施例2〕
本发明者们使用具有表2(实施例11～18、比较例11～16)所示的前端形状的打击痕形成用工具，在12mm厚×100mm×300mm的钢板上，通过锤击(空气压：约0.588MPa(约6kg/cm2)、频率：90Hz、移动速度：0.25mm/秒)，沿着焊接线遍及100mm的长度内垂直地使打击痕形成用工具反复打击，以使得在从焊缝的焊趾到母材侧5mm的区域内打击痕的最大深度为0.02～0.50mm，然后，利用X射线测量从打击痕5的一端(焊趾4侧的一端)离开1mm的位置的残留应力。以射线束直径(beam diameter)为的X射线来进行使用了X射线的残留应力测量(measurement of residual stress)。表2示出了试验结果。
〔表2〕
[表2]
*焊趾部的残留应力:使用X射线的残留应力测量结果
表2的实施例11～14表示如下情况：在与焊缝3邻接的母材1的表面，利用打击痕形成面7的直径D为3mm、4mm、5mm、6mm的打击痕形成用工具6，而沿焊缝3连续地形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕5。表2的实施例15～18表示如下情况：在与焊缝3邻接的母材1的表面，在从焊缝3的焊趾4的附近到母材侧5mm的区域内，利用打击痕形成面7的直径D为3mm、4mm、5mm、6mm、并且倒角部8的曲率半径r0为0.15mm、0.20mm、0.50mm的打击痕形成用工具6，而沿焊缝3连续地形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕5。
表2的比较例11～13表示如下情况：使用在图7A、图7B所示的打击痕形成用工具10的前端球面状(曲率半径r：1.5mm、2mm、4mm)地形成有圆形(直径D：2mm、3mm、4mm)的打击痕形成面11的打击痕形成用工具，而在与焊缝3邻接的母材1的表面形成打击痕5，比较例14、15表示如下情况：使用在图8A、图8B所示的打击痕形成用工具12的前端呈平面状地形成有正方形(一边的长度L：3mm、5mm)的打击痕形成面13的打击痕形成用工具，而在与焊缝3邻接的母材1的表面形成打击痕5。比较例16表示虽然打击痕形成面7的直径D为6mm、但打击痕的最大深度不足0.03mm的情况。表2的Ra表示打击痕5的最大深度。
若比较实施例11～18与比较例11～16，则在比较例11～16中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾4的附近的压缩残留应力处于60～270MPa的范围内。与此相对地，在实施例11～18中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾4的附近的压缩残留应力处于300～330MPa的范围内。因此，如实施例11～18那样，作为打击痕形成用工具6，通过使用前端具有形成为平坦并且半径为1.5mm以上3.0mm以下的圆形的打击痕形成面7的打击痕形成用工具6，并利用打击痕形成用工具6在从焊缝3的焊趾4到母材1侧5mm的区域内，沿大致呈直线状以及曲线状的焊缝3连续地形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕5，从而能够向焊缝3的焊趾4的附近导入超过300MPa的压缩残留应力，因此，能够可靠地抑制钢桥等焊接结构物的焊接部产生疲劳裂纹等疲劳损伤。另外，如实施例15～18那样，作为打击痕形成用工具6，通过使用在打击痕形成面7的周围具有以0.15mm以上0.50mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的倒角部8的打击痕形成用工具6，能够防止打击痕5的周围产生应力集中。
〔实施例3〕
表3示出了使用图4A～图4D所示的打击痕形成用工具6而在与焊缝3邻接的母材1(例如，12mm厚×100mm×300mm的钢板)的表面，沿着焊缝3遍及100mm的长度内连续地形成打击痕5的情况下的实施例21～28与比较例21～25。表3的Ra表示打击痕的最大深度。
〔表3〕
[表3]
*焊趾部的残留应力:使用X射线的残留应力测量结果(绝对值)
实施例21～24表示如下情况：使用沿着横穿焊缝3的方向的打击痕形成面7的宽度RX为2mm、2mm、2.5mm、3mm、并且沿着焊缝3的打击痕形成面7的长度RY为3mm、4mm、5mm、6mm的打击痕形成用工具6，在与焊缝3邻接的母材1的表面形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。实施例25～28表示如下情况：沿着横穿焊缝3的方向的打击痕形成面7的宽度RX为2mm、2mm、2.5mm、3mm、沿着焊缝3的打击痕形成面7的长度RY为3mm、4mm、5mm、6mm、并且倒角部8的曲率半径r0为0.15mm、0.20mm、0.20mm、0.60mm的打击痕形成用工具6，在母材1的表面形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。
比较例21～23分别表示如下情况：使用在图7A、图7B所示的打击痕形成用工具10的前端形成有球面状的打击痕形成面11(直径R：2mm、3mm、4mm、曲率半径r：1.5mm、2mm、4mm)的打击痕形成用工具，在母材1的表面形成有最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。比较例24、25分别表示：使用在图8A、图8B所示的打击痕形成用工具12的前端呈正方形状(一边的长度L为3mm、5mm)地形成有平面状的打击痕形成面13的打击痕形成用工具，在母材1的表面形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。表3的残留应力表示向从形成于母材1的表面的打击痕5离开1mm的位置照射直径为1mm的X射线而测量的残留应力的结果。在实施例21～28以及比较例21～25中，以空气压为约6kg/cm2、频率为90Hz、移动速度为0.25mm/秒的条件来进行基于打击痕形成用工具的锤击。
若比较实施例21～28与比较例21～25，则在比较例21～25中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾附近的压缩残留应力处于230～270MPa的范围内。与此相对地，在实施例21～28中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾附近的压缩残留应力处于305MPa～335MPa的范围内。因此，如实施例21～28那样，作为在与焊缝3邻接的母材表面通过锤击或者超声冲击而形成打击痕5的打击痕形成用工具，通过使用前端具有沿着垂直地横穿焊缝3的方向的宽度为1.5mm以上3.0mm以下、沿着焊缝3的长度为3.0mm以上6.0mm以下、并且整体形状形成为椭圆形状的平面状的打击痕形成面7的打击痕形成用工具6，并利用该打击痕形成用工具6而沿大致呈直线状以及曲线状的焊缝3连续地形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5，从而能够向焊缝3的焊趾4的附近导入超过300MPa的压缩残留应力，因此，能够可靠地抑制钢桥等焊接结构物的焊接部产生疲劳裂纹等疲劳损伤。
如实施例21～28那样，通过使用形成为趋向打击痕形成面7而呈前端渐细状的打击痕形成用工具6，能够以比较小的冲击力形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5，由此，能够容易地向焊缝3的焊趾4的附近导入压缩残留应力。如实施例25～28那样，通过使用在打击痕形成面7的周围具有以0.15mm以上0.60mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的倒角部8的打击痕形成用工具6，能够防止打击痕5的周围产生应力集中。
〔第二实施方式〕
如图10A所示，在实施作为本发明的第二实施方式的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法时使用的打击痕形成用工具21是由SM570等高强度钢形成的，并且具有用于在与大致呈直线状的焊缝3(参照图5)邻接的母材1的表面形成打击痕5的打击痕形成面22。在打击痕形成用工具21的前端形成有打击痕形成面22，该打击痕形成面22的沿着垂直地横穿焊缝3的方向(图10A所示的X方向)以1mm以上5mm以下的曲率半径r弯曲为圆弧状，并且沿着焊缝3的长度L为1mm以上10mm以下的尺寸。
打击痕形成用工具21具有沿着焊缝3相互平行的两个端面23a、23b。打击痕形成面22以使曲率中心C偏向端面23a、23b中的一个端面侧(例如端面23a侧)的方式形成于打击痕形成用工具21的前端。打击痕形成用工具21具有与端面23a、23b成直角的两个侧面24a、24b。侧面24a、24b的前端部形成为趋向端面23a变细的锥形状(tapershape)。打击痕形成用工具21具有以0.15mm以上0.30mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的两个圆弧面25a、25b。圆弧面25a、25b形成于打击痕形成面22与侧面24a、24b的边界部。
在使用打击痕形成用工具21而实施本发明的情况下，在以使端面23b与大致呈直线状的焊缝3的焊趾4邻接的方式调整打击痕形成用工具21的位置后，将打击痕形成面22按压于母材1的表面，而在与大致呈直线状的焊缝3邻接的母材1的表面，通过锤击法或者超声冲击法形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5。接下来，在使打击痕形成面22与母材1的表面分离后，使打击痕形成用工具21沿大致呈直线状的焊缝3移动规定距离。然后，再次将打击痕形成面22按压于母材1的表面，从而在母材1的表面沿大致呈直线状的焊缝3连续地形成打击痕5。
将打击痕形成面22的曲率半径r设为1mm以上5mm以下的理由是基于以下的理由。即，若打击痕形成面22的曲率半径r不足1mm，则打击痕5的宽度变得过窄，当焊缝3的焊趾4承受了负载时，容易在打击痕5产生应力集中而成为疲劳裂纹的产生原因。另一方面，若打击痕形成面22的曲率半径r超过5mm，则打击痕形成面22的面积变得过大，从而难以在母材1的表面形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5。因此，将打击痕形成面22的曲率半径r设为1mm以上5mm以下。
将沿着焊缝3的打击痕形成面22的长度L设为1mm以上10mm以下的理由是基于以下的理由。即，若打击痕形成面22的长度L不足1mm，则沿着大致呈直线状的焊缝3的打击痕5的长度不足1mm，而难以在母材1的表面形成稳定的形状的打击痕5。另一方面，若打击痕形成面22的长度L超过10mm，则打击痕形成面22的面积变得过大，从而难以在母材1的表面形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5。因此，将沿着打击痕形成面22的焊缝3的长度L设为1mm以上10mm以下。
将圆弧面25a、25b的曲率半径设为0.15mm以上0.30mm以下的理由是基于以下的理由。即，若圆弧面25a、25b的曲率半径不足0.15mm，则成为容易在打击痕5的长边方向端部产生应力集中的状态。另一方面，若圆弧面25a、25b的曲率半径超过0.30mm，则与母材1的表面接触的打击痕形成面22的接触面积变得过大，而难以在母材1的表面形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5。因此，将圆弧面25a、25b的曲率半径设为0.15mm以上0.30mm以下。
〔实施例〕
表4中与比较例31～35一同示出了使用图10A～图10D所示的打击痕形成用工具21而在与焊缝3邻接的母材1(例如，厚度：12mm厚×100mm×300mm的钢板)的表面沿大致呈直线状的焊缝3遍及100mm的长度而连续地形成打击痕5的情况下的实施例31～34。表4的Ra表示打击痕的最大深度。
〔表4〕
[表4]
*焊趾部的残留应力:使用X射线的残留应力测量结果
实施例31表示如下情况：使用打击痕形成面22的曲率半径r为1mm、打击痕形成面22的长度L为4mm、并且端面23a与端面23b的间隔B为3mm的打击痕形成用工具21，而在与焊缝3邻接的母材1的表面形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。实施例32～34分别表示如下情况：使用打击痕形成面22的曲率半径r为3mm、5mm、打击痕形成面22的长度L为5mm、6mm，并且端面23a与端面23b的间隔B为4mm、5mm的打击痕形成用工具21，而在母材1的表面形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。在实施例31～34的打击痕形成面22与侧面24a、24b的边界部，设置有曲率半径为0.15mm～0.30mm的圆弧面。
比较例31～33分别表示如下情况：使用在图7A、图7B所示的打击痕形成用工具11的前端形成有球面状的打击痕形成面12(直径D：2mm、3mm、4mm、曲率半径r：1.5mm、2mm、4mm)的打击痕形成用工具，而在母材1的表面形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。比较例34、35分别表示如下情况：使用在图8A、图8B所示的打击痕形成用工具13的前端呈正方形状地形成有平面状的打击痕形成面14(一边的长度L为3mm、5mm)的打击痕形成用工具，而在母材1的表面形成最大深度Ra为0.2mm以上的打击痕5。表4的残留应力表示向从形成于母材1的表面的打击痕5离开1mm的位置照射直径为1mm的X射线而测量残留应力的结果。在实施例31～34以及比较例31～35中，以空气压为约6kg/cm2、频率为90Hz、移动速度为0.25mm/秒的条件来进行基于打击痕形成用工具的锤击。
若比较实施例31～34与比较例31～35，则在比较例31～35中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾4的附近的压缩残留应力处于230～270MPa的范围内。与此相对地，在实施例31～34中，通过打击痕5导入于焊缝3的焊趾4的附近的压缩残留应力处于330～340MPa的范围内。因此，如实施例31～34那样，作为在与焊缝3邻接的母材1的表面通过锤击或者超声冲击而形成打击痕5的打击痕形成用工具，使用前端具有沿着垂直地横穿焊缝3的方向以1mm以上5mm以下的曲率半径r弯曲为圆弧状、并且使曲率中心r0偏向沿焊缝3相互平行的两个端面23a、23b中的一个端面侧的打击痕形成面22的打击痕形成用工具21，并利用该打击痕形成用工具21而沿大致呈直线状的焊缝3连续地形成最大深度为0.2mm以上的打击痕5，从而能够向焊缝3的焊趾4的附近导入超过300MPa的压缩残留应力，因此能够可靠地抑制钢桥等焊接结构物的焊接部产生疲劳裂纹等疲劳损伤。
通过使打击痕形成面22的曲率中心C偏向沿着焊缝3相互平行的两个端面23a、23b中的一个端面侧，而使与端面23a、23b成直角的两个侧面24a、24b的形状成为锥形状，因此，即使在难以看见焊缝3的焊趾4的附近的位置、狭窄的空间，也能够在与焊缝3邻接的母材1的表面准确地形成打击痕5。如实施例31～34那样，通过使用在打击痕形成面22与侧面24a、24b的边界部具有以0.15mm以上0.30mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的圆弧面25a、25b的打击痕形成用工具21，能够防止打击痕5的长边方向端部产生应力集中。
以上，对应用了本发明者所提出的发明的实施方式进行了说明，但是本发明并不被形成基于本实施方式的本发明的公开的一部分的记述以及附图所限定。即，根据本实施方式而由本领域技术人员等提出的其他实施方式、实施例、以及运用技术等全部包含于本发明的领域。
本发明能够应用于抑制焊接结构物的焊接部产生疲劳损伤的处理。
附图标记的说明：
1…母材；2…肋部；3…焊缝；4…焊趾；5…打击痕；6、10、12、21…打击痕形成用工具；7、11、13、22…打击痕形成面；8…倒角部；23a、23b…端面；24a、24b…侧面；25a、25b…圆弧面。

Claims (14)

1.一种焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，抑制焊接结构物的焊接部产生疲劳损伤，该焊接结构物的疲劳损伤抑制方法的特征在于，
使用第一打击痕形成用工具通过锤击或者超声波冲击在所述焊接部中的与几乎呈直线状的焊缝邻接的母材表面形成打击痕，其中，所述第一打击痕形成用工具在前端具有沿垂直地横穿所述焊缝的方向弯曲为圆弧状、并且使曲率中心靠近沿着所述焊缝相互平行的两个端面中的一个端面侧的打击痕形成面，
使用第二打击痕形成用工具通过锤击或者超声波冲击在与几乎呈直线状以及曲线状的焊缝邻接的母材表面形成打击痕，所述第二打击痕形成用工具在前端具有整体形状形成为圆形或者椭圆形状的平面状的打击痕形成面，
利用该第一打击痕形成用工具以及第二打击痕形成用工具向所述焊缝的焊趾附近导入压缩残留应力来抑制所述焊接部的疲劳损伤。
2.根据权利要求1所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
所述第二打击痕形成用工具的打击痕形成面在从所述焊缝的焊趾到所述母材侧5mm的区域内具有沿着焊缝的方向的长度为3.0mm以上6.0mm以下的尺寸，
利用所述第二打击痕形成用工具沿所述焊缝连续地形成最大深度在0.03mm以上且不足0.50mm的打击痕。
3.根据权利要求2所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第二打击痕形成用工具，使用前端具有以平坦并且半径为1.5mm以上3.0mm以下的圆形形成的打击痕形成面的打击痕形成用工具。
4.根据权利要求3所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第二打击痕形成用工具，使用在所述打击痕形成面的周围具有以0.15mm以上0.60mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的倒角部的打击痕形成用工具。
5.根据权利要求3或4所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
在从比所述焊缝的焊趾向所述母材侧离开0.5mm的位置到离开3mm的区域内形成最大深度为0.1mm以上且0.5mm的打击痕。
6.根据权利要求2所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第二打击痕形成用工具，使用前端具有沿着垂直地横穿所述焊缝的方向的宽度为1.5mm以上3.0mm以下、沿着所述焊缝的长度为3.0mm以上6.0mm以下、并且整体形状形成为椭圆形状的平面状的打击痕形成面的打击痕形成用工具。
7.根据权利要求6所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第二打击痕形成用工具，使用在所述打击痕形成面的周围具有以0.15mm以上0.60mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的倒角部的打击痕形成用工具。
8.根据权利要求2～7中的任一项所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第二打击痕形成用工具，使用形成为在相对于所述打击痕形成面的垂直方向上具有倾斜的侧面的圆锥台形状的打击痕形成用工具。
9.根据权利要求1所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
所述第一打击痕形成用工具的打击痕形成面沿垂直地横穿焊缝的的方向以1mm以上5mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状，
利用所述第一打击痕形成用工具沿所述焊缝连续地形成最大深度为0.2mm以上的打击痕。
10.根据权利要求9所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第一打击痕形成用工具，使用沿着所述焊缝的所述打击痕形成面的长度为1mm以上10mm以下的打击痕形成用工具。
11.根据权利要求9或10所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第一打击痕形成用工具，使用具有与所述端面成直角的两个侧面、并且该侧面的形状相对于所述打击痕形成面形成为锥形状的打击痕形成用工具。
12.根据权利要求11所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法，其特征在于，
作为所述第一打击痕形成用工具，使用在所述打击痕形成面与所述侧面的边界部具有以0.15mm以上0.30mm以下的曲率半径弯曲为圆弧状的圆弧面的打击痕形成用工具。
13.一种打击痕形成用工具，其特征在于，
其在权利要求1～12中的任一项所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法中被使用。
14.一种焊接结构物，其特征在于，
其通过权利要求1～12中的任一项所述的焊接结构物的疲劳损伤抑制方法而抑制疲劳损伤。
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