JP2004130316A - 疲労強度に優れた回し溶接継手、回し溶接継手の製造方法、および、溶接構造物 - Google Patents

Abstract

【課題】建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物に用いられる、２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する疲労強度に優れた回し溶接継手、回し溶接継手の製造方法、および、回し溶接継手を用いた溶接構造物を提供する。
【解決手段】２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する回し溶接継手において、前記２枚の鋼板のうち少なくとも主応力がかかる側の鋼板が疲労き裂の伝播を抑制する鋼板（好ましくは、鋼板の表層に圧縮残留応力を有する鋼板）であって、該鋼板の板厚をｔとするとき、該鋼板の回し溶接面から板厚方向にｔ／１０以上、または３ｍｍ以上の範囲までの主応力方向の残留応力が、圧縮残留応力であることを特徴とする疲労強度に優れた回し溶接継手、回し溶接継手の製造方法、回し溶接継手を用いた溶接構造物。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物に用いられる疲労強度に優れた回し溶接継手、回し溶接継手の製造方法、および、回し溶接継手を用いた溶接構造物に関する。
具体的には、２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する疲労強度に優れた回し溶接継手、回し溶接継手の製造方法、および、回し溶接継手を用いた溶接構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物に用いられる溶接継手形状として、２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する回し溶接継手が多く用いられており、溶接方法としては、アーク溶接、プラズマ溶接をはじめ、レーザ溶接や電子ビーム溶接など、多種多様な溶接方法が適用されている。
この回し溶接継手には、風や波、機械振動などによる繰り返し荷重がかかるため、疲労強度の向上が極めて重要であり、溶接後の後処理による溶接ビード形状や疲労強度の向上手法として、▲１▼グラインディング、▲２▼ＴＩＧドレッシング、▲３▼ショットピーニング、▲４▼ハンマーピーニングが用いられるが、以下のような問題点があった。
【０００３】
ここで、グラインディング、ＴＩＧドレッシングは、溶接ビードの形状をよくするものであるが、いずれも著しく作業効率が悪かった。
ショットピーニング、ハンマーピーニングは、疲労強度向上効果はあるが、ショットピーニングは巨大な機械が必要であるうえ、種々のユーティリティが必要となる。
また、ハンマーピーニングは反動が大きく、処理結果が安定せず、時にはかえってプレス成形性や疲労強度を低下させてしまうことがある。また、このハンマーピーニングは、あまりに大きな塑性変形を与えるために、薄い板に対しては使いにくいという欠点もあった。
【０００４】
さらに、グラインディングやハンマーピーニングは、数Ｈｚの低周波の機械加工を継手部に施すため、加工表面の凹凸が激しく、その山部に応力が集中し、継手部に繰り返し荷重がかかると、この応力集中部からき裂が生じるため継手全体の疲労強度が低下するという問題点があった。
また、溶接部には、一般に溶接による入熱によって残留応力が導入される。その残留応力が溶接部で疲労強度を低下させる一つの大きな要因となっている。
そこで、疲労強度を向上させる、別の手段として、溶接継手部に圧縮残留応力を発生させる、あるいは溶接継手部に発生する引張残留応力を低減して疲労強度を高める方法が知られている。
【０００５】
例えば、溶接止端部近傍にショットピーニング処理を行うことで圧縮残留応力を付与できる。ここに、ショットピーニング処理は、疲労き裂発生の起点となる部位に、１ｍｍ弱の鋼球を多数打ち付け圧縮残留応力を付与する手法である。
さらに、溶接金属の加熱再溶融により溶接止端部形状の改善あるいは引張残留応力の軽減が可能であることも知られている。
しかし、このショットピーニング処理は鋼球を必要とし、この鋼球の後処理あるいはコストが問題となる場合がある。さらに疲労強度の向上代がばらつくという問題点がある。
【０００６】
以上のように、従来の疲労強度の向上技術を、回し溶接継手に採用することは困難であり、たとえ採用できても疲労強度向上代が低いレベルに留まっていた。
なお、溶接継手部に超音波振動を与えることによって、疲労強度を向上させる方法に関する従来技術としては、例えば、ＵＳＰ６１７１４１５公報に、溶接アークによって熱せられた溶接シーム部に沿って超音波振動を付与する方法が開示されている。
しかし、この従来技術は、溶接直後の高温の材料に超音波振動を与えることを前提としているうえ、本発明が提案しているような超音波振動子で打撃する具体的な範囲の開示がない。
【０００７】
また、溶接構造物の疲労強度を向上させるために、疲労き裂の伝播を抑制する鋼板が開発され、従来から種々の提案がなされている。
例えば、１９９８年日本材料学会第２４回疲労シンポジウム講演論文集「表層超細粒鋼板の疲労特性」ｐ１５７−１６２には、表１の鋼種ａに示す一般造船用鋼材の昇温過程でフェライトを加工することにより表層に超微細組織を形成したいわゆるＳＵＦ鋼が、疲労き裂の伝播速度を遅延させる効果を有することが開示されている。
【０００８】
また、特開平６−２７１９８５号公報には、表１の鋼種ｂに示す成分の鋼板の仕上圧延終了温度を低くする二相域圧延を行った後に水冷を行うことにより縞状マルテンサイトが生成しこの部分で疲労き裂が分岐するため疲労き裂の伝播速度を低下させる鋼板が開示されている。
また、特開平１１−１７４２号公報には、表１の鋼種ｃに示す成分の鋼板のフェライトおよび第二相からなる複合組織中の第二相の形態およびフェライトおよび第二相の硬さを制御し、第二相において主き裂から微小き裂を発生させることによってき裂の進展力を分散・弱め、き裂の伝播を抑制させる鋼板が開示されている。
【０００９】
また、特開平７−９０４７８号公報には、表１の鋼種ｄに示す成分の鋼板を未再結晶域で圧延し、その後徐冷し、炭素が濃縮したγ域を生成せしめた後、加速冷却することによって島状マルテンサイトの形状制御を行うことによってき裂の伝播を抑制させる鋼板が開示されている。
また、特開２００２−１２９１８１号公報には、表１の鋼種ｅに示す成分の鋼板のフェライトとフェライトとの強度差が大きい第二相を適切なサイズ、量で分散させること、さらに特定の集合組織を同時に発達させることによって疲労き裂の伝播を抑制させる鋼板が開示されている。
【００１０】
さらに、特開平８−２２５８８２号公報には、表１の鋼種ｆに示す成分の鋼板をフェライトとベイナイトの二相組織とした上で、フェライト相部分の比率、フェライトの硬さ、および、フェライトとベイナイトの相境界の数等を特定範囲に規定することによって、き裂進展速度を遅くする鋼板が開示されている。
また、特開平１１−３１０８４６号公報には、表１の鋼種ｇに示す成分の鋼板をフェライトとマルテンサイトの二相組織、または、フェライト、ベイナイト、マルテンサイトの３相組織とし、複合組織中の各組織間の硬度差をある値以上にした場合、またこれに加えて軟質部の平均粒径または硬質部の平均間隔を一定値以下に抑制した場合、進展するき裂が硬質部と軟質部の境界近傍に達した際、先端における塑性変形が抑制されることにより、疲労き裂が停留する鋼板が開示されている。
【００１１】
しかし、これらの疲労き裂の伝播を抑制する鋼板も、回し溶接による入熱によって引張残留応力下においては疲労強度向上効果が半減してしまうという問題点があった。
すなわち、溶接止端部には応力集中が発生するが、溶接時の入熱によってこの止端部に引張残留応力が働くと応力集中を助長することになり疲労強度が著しく低下してしまうという問題点があった。
【００１２】
【特許文献１】ＵＳＰ６１７１４１５
【特許文献２】特開平６−２７１９８５号公報
【特許文献３】特開平１１−１７４２号公報
【特許文献４】特開平７−９０４７８号公報
【特許文献５】特開２００２−１２９１８１号公報
【特許文献６】特開平８−２２５８８２号公報
【特許文献７】特開平１１−３１０８４６号公報
【非特許文献１】、１９９８年日本材料学会第２４回疲労シンポジウム講演論文集「表層超細粒鋼板の疲労特性」（ｐ１５７−１６２）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物に用いられる、２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する疲労強度に優れた回し溶接継手、回し溶接継手の製造方法、および、回し溶接継手を用いた溶接構造物を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する回し溶接継手において、前記２枚の鋼板のうち少なくとも主応力がかかる側の鋼板が疲労き裂の伝播を抑制する鋼板であって、該鋼板の板厚をｔとするとき、該鋼板の回し溶接面から板厚方向にｔ／１０以上、または３ｍｍ以上の範囲までの主応力方向の残留応力が、圧縮残留応力であることを特徴とする疲労強度に優れた回し溶接継手。
（２）前記疲労き裂の伝播を抑制する鋼板が、該鋼板の表層に圧縮残留応力を有する鋼板であることを特徴とする（１）に記載の疲労強度に優れた回し溶接継手。
（３）（１）または（２）に記載の疲労強度に優れた回し溶接継手の製造方法であって、前記回し溶接継手の止端部から５ｍｍ以内の範囲を超音波振動端子で打撃することを特徴とする疲労強度に優れた回し溶接継手の製造方法。
（４）（１）または（２）に記載の回し溶接継手を用いることを特徴とする疲労強度に優れた溶接構造物。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、図１乃至図４を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明における回し溶接継手の実施形態を示す図である。
図１において、主応力をうける鋼板１と鋼板２は、垂直に組み合わされ、その周囲の回し溶接部３により溶接される。
鋼板１は、溶接構造物の強度部材として用いられ、鋼板２は強度部材以外の用途に用いられる。
少なくとも、主応力がかかる側の鋼板１は、疲労き裂の伝播を抑制する鋼板とする。繰り返し応力による疲労き裂が問題となる部材だからである。
ここに、疲労き裂の伝播を抑制する鋼板とは、前述の表層に超微細組織を有するＳＵＦ鋼や、二相域圧延やミクロ組織制御によって疲労き裂の伝播を抑制する鋼板をいう。
【００１６】
疲労き裂の伝播を抑制するメカニズムは以下のように考えられる。
まず、軟質相のなかに形成された硬質相によりき裂が停滞し、この硬質相をき裂が迂回しようとしてき裂の分岐が始まる。このき裂の迂回・分岐に伴って、き裂自体の開口を抑制するクロージャー効果が助長されることによって、き裂伝播速度は、一般の鋼板の１／１０〜１／４となる。
ただし、引張残留応力下においては、このクロージャー効果が少なくなり、き裂伝播速度は、一般の鋼板の１／３〜１／２となる。
そこで、疲労き裂の伝播を抑制する鋼板は、鋼板の表層に圧縮残留応力を有する鋼板であることが好ましい。
【００１７】
鋼板の表層に圧縮残留応力があれば、溶接時の入熱による引張残留応力を緩和することができるうえ、超音波打撃処理を行った場合に、鋼板の表面から板厚方向に深い範囲まで圧縮残留応力に変えることができるので、著しく疲労強度が向上するからである。
回し溶接を行うとき、溶接の入熱によって止端部４に引張残留応力が発生するので、止端部４から５ｍｍ以内の範囲の、止端部の周囲を超音波振動端子５により打撃することによって、引張残留応力を圧縮残留応力に変えることができ、溶接止端部の応力集中を緩和することによりき裂発生寿命が向上するとともに、疲労き裂伝播を抑制する鋼板を用いた場合の疲労き裂伝播速度は、前述のクロージャー効果が大きくなるので、一般の鋼板の１／２０〜１／８に向上する。
【００１８】
５ｍｍ以内とするのは、この範囲が応力集中が発生する範囲であり、５ｍｍ超の範囲を打撃しても応力集中の緩和効果は認められないからである。
また、本発明に使用する超音波発生装置は問わないが、５００ｗ〜１ｋｗの電源を用いて、トランスデューサによって２０Ｈｚ〜６０Ｈｚの超音波振動を発生させ、ウェーブガイドにて増幅させることにより、２ｍｍ〜６ｍｍφのピンからなる超音波振動端子を３０〜４０μｍの振幅で振動させることによって、打撃部の表面の平滑性にすぐれた深さ数百μｍ程度の圧痕を形成することができる。
【００１９】
図２は、回し溶接を行う前の鋼板１の、図１におけるＡ点（超音波打撃処理を行う点）の板厚方向の残留応力分布を示す図である。
図２において、（＋）方向は引張残留応力、（−）方向は圧縮残留応力を示す。
圧延中の冷却過程において、鋼板１の表面に、冷却水を噴射して急速冷却を行うことにより、図２に示すように鋼板の表層に降伏応力の約５０％程度の圧縮残留応力を発生させることができる。
図３は、回し溶接を行った後の鋼板１の、図１におけるＡ点（超音波打撃処理を行う点）の板厚方向の残留応力分布を示す図である。
図３において、（＋）方向は引張残留応力、（−）方向は圧縮残留応力を示す。
回し溶接の入熱によって、鋼板の表裏面に降伏応力の約９０％程度の引張残留応力が発生しており、この引張応力下においては、溶接止端部の応力集中は助長されるため、このままでは疲労強度が著しく低下してしまう。
なお、図３は、鋼板１の表裏面から回し溶接を行った例を示しているので上下対象となっている。
【００２０】
図４は、超音波打撃処理を行った後の鋼板１の、図１のＡ点における板厚方向の残留応力分布を示す図である。
図４において、（＋）方向は引張残留応力、（−）方向は圧縮残留応力を示し、ｔ０は、主応力方向の残留応力が圧縮残留応力の範囲を示す。
図４に示すように、本発明によれば、該鋼板の板厚をｔとするとき、該鋼板の回し溶接面から板厚方向にｔ０≧ｔ／８の範囲までの主応力方向の残留応力が、圧縮残留応力なので、溶接止端部の応力集中の緩和効果が大きく、疲労強度を著しく向上させることができる。
一方、疲労き裂の伝播を抑制する鋼板でない一般鋼を用いた場合の残留応力分布（点線）は、圧縮残留応力の範囲が板厚方向の極表層であるため、止端部の応力集中の緩和効果が少ないので疲労強度の向上効果も劣る。
また、本発明の疲労強度の優れた回し溶接継手を用いて、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物を建造することにより、疲労強度に優れた溶接構造物を提供することができる。
【００２１】
【実施例】
本発明の回し溶接継手の疲労強度向上方法の実施例を表２乃至表４、および、図５乃至図７を用いて説明する。
表２および表３は、本実施例に用いた厚鋼板の化学成分（質量％）および製造プロセスを示す。
表２および表３において、Ａ鋼〜Ｆ鋼は、疲労き裂の伝播を抑制しない通常鋼であり、Ｇ鋼〜Ｌ鋼が本発明に用いる疲労き裂の伝播を抑制する伝播抑制鋼である。
表４は、前述のＡ鋼〜Ｌ鋼からなる鋼板の回し溶接継手の止端部から５ｍｍ以内の範囲を超音波振動端子で打撃した結果を示す。
【００２２】
図５は、本実施例に用いた回し溶接継手を示す図である。
疲労試験条件は以下の通りとした。
・荷重負荷方式：軸引張、
・応力比：０．１、
・環境：室温大気中、
・試験応力範囲：１５０ＭＰａ
図６は、圧縮残留応力域の表層からの距離の測定方法を示す図である。
図６に示す圧縮残留応力域の表層からの距離ｔ０は、Ｘ線ｓｉｎ２ψ法により測定した。
即ち、表層の残留応力を測定後、板厚方向に０．５ｍｍ間隔で研磨の都度、残留応力を測定し、表層から残留応力がゼロになる位置までの距離を求めた。
図７は、疲労き裂伝播試験に用いた試験片を示す図である。
疲労き裂伝播試験条件は以下の通りとした。
・荷重負荷方式：３点曲げ、
・応力比：０．１、
・環境：室温大気中、
・き裂長さ測定：直流電位差法
図８は、疲労き裂の発生寿命の測定方法を示す図である。
図８において、熱影響部（ＨＡＺ）における、き裂発生寿命に対応するために、止端部から５ｍｍ離れた所に歪ゲージを貼り、歪ゲージの出力が５％低下したときの寿命を発生寿命とした。
【００２３】
ＮＯ．１、ＮＯ．３　、ＮＯ．５、ＮＯ．７　、ＮＯ．９、ＮＯ．１１は、比較例であって、通常鋼に超音波衝撃処理を行わなかったので、止端部の残留応力は引張残留応力となるので疲労き裂が発生するまでの発生寿命と伝播寿命とを合計した破断寿命は最も短くなっている。
ＮＯ．２、ＮＯ．４　、ＮＯ．６、ＮＯ．８　、ＮＯ．１０、ＮＯ．１２は、比較例であって、通常鋼に超音波衝撃処理を行ったところ、止端部の残留応力は圧縮残留応力となったが、鋼板の板厚をｔとするとき、表層から板厚方向にｔ／１５以下の範囲しか圧縮残留応力とならなかったので、疲労き裂が発生するまでの発生寿命と伝播寿命とを合計した破断寿命は超音波衝撃処理を行わなかった場合の２倍程度であった。
【００２４】
ＮＯ．１３、ＮＯ．１５　、ＮＯ．１７、ＮＯ．１９　、ＮＯ．２１、ＮＯ．２３は、比較例であって、疲労き裂の伝播抑制鋼に超音波衝撃処理を行わなかったので、止端部の残留応力は引張残留応力となるが、疲労き裂の伝播抑制効果によって、疲労き裂が発生するまでの発生寿命と伝播寿命とを合計した破断寿命は通常鋼の２倍程度であった。
ＮＯ．１４、ＮＯ．１６　、ＮＯ．１８、ＮＯ．２０　、ＮＯ．２２、ＮＯ．２４は、本発明例であって、疲労き裂の伝播抑制鋼に超音波衝撃処理を行ったところ、止端部の残留応力は圧縮残留応力となり、鋼板の板厚をｔとするとき、表層から板厚方向にｔ／１０以上、または３ｍｍ以上の範囲が圧縮残留応力となったので、疲労き裂が発生するまでの発生寿命と伝播寿命とを合計した破断寿命は超音波衝撃処理を行わなかった場合の３倍以上であった。
【表１】

【表２】

【表３】

【表４】

【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などの溶接構造物に用いられる、２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する疲労強度に優れた回し溶接継手、回し溶接継手の製造方法、および、回し溶接継手を用いた溶接構造物を提供することができる。
具体的には、疲労き裂伝播を抑制する鋼板を用いた回し溶接継手の止端部に超音波衝撃処理を行うことによって、溶接継手の破断寿命を従来の３倍以上に大幅に向上させることができ、溶接構造物の疲労破壊に対する信頼性を向上させるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における回し溶接継手の実施形態を示す図である。
【図２】回し溶接を行う前の鋼板１の、図１におけるＡ点（超音波打撃処理を行う点）の板厚方向の残留応力分布を示す図である。
【図３】回し溶接を行った後の鋼板１の、図１におけるＡ点（超音波打撃処理を行う点）の板厚方向の残留応力分布を示す図である。
【図４】超音波打撃処理を行った後の鋼板１の、図１のＡ点における板厚方向の残留応力分布を示す図である。
【図５】本実施例に用いた回し溶接継手を示す図である。
【図６】圧縮残留応力域の表層からの距離の測定方法を示す図である。
【図７】疲労き裂伝播試験に用いた試験片を示す図である。
【図８】疲労き裂の発生寿命の測定方法を示す図である。
【符号の説明】
１：鋼板（主応力がかかる側）、
２：鋼板（主応力がかからない側）、
３：回し溶接部、
４：止端部、
５：超音波振動端子、

Claims (4)

1. ２枚の鋼板を垂直に組み合わせた端部を溶接する回し溶接継手において、
   前記２枚の鋼板のうち少なくとも主応力がかかる側の鋼板が疲労き裂の伝播を抑制する鋼板であって、該鋼板の板厚をｔとするとき、該鋼板の回し溶接面から板厚方向にｔ／１０以上、または３ｍｍ以上の範囲までの主応力方向の残留応力が、圧縮残留応力であることを特徴とする疲労強度に優れた回し溶接継手。
2. 前記疲労き裂の伝播を抑制する鋼板が、該鋼板の表層に圧縮残留応力を有する鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の疲労強度に優れた回し溶接継手。
3. 請求項１または請求項２に記載の疲労強度に優れた回し溶接継手の製造方法であって、前記回し溶接継手の止端部から５ｍｍ以内の範囲を超音波振動端子で打撃することを特徴とする疲労強度に優れた回し溶接継手の製造方法。
4. 請求項１または請求項２に記載の回し溶接継手を用いることを特徴とする疲労強度に優れた溶接構造物。

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