JP2006312201A

JP2006312201A - 疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物およびそれらの製造方法

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Publication number: JP2006312201A
Application number: JP2006102763A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shimanuki; 広志島貫; Kiyotaka Nakajima; 清孝中島
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2006-11-16
Anticipated expiration: 2026-04-04
Also published as: JP4555794B2

Abstract

【課題】リブの端部の応力集中部から発生する、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品や金属製構造物およびそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】厚みｂの金属製の主板または主管１から、厚みｔが１ｍｍ以上、高さｈが３ｔ以上で、長さｌの板状の金属製リブ２が突き出ており、該リブの長さ方向の端部にリブの厚み方向に圧縮予ひずみ部３を形成したものであって、該圧縮予ひずみ部３は、板厚方向圧縮ひずみが０．５％以上２５％未満であり、リブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上であり、リブ長さ方向寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下であり、リブ高さ方向寸法ｄが０．５ｔ以上０．５ｈ以下であり、その重心位置と前記主板または主管１との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離ｅがリブの厚みｔより小さいものであり、前記主板または主管と交差する部分４に、圧縮残留応力が働いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、部材の補剛や補強にリブを用いる金属部品や金属製構造物において、リブの長さ方向に繰返し負荷が生じ、疲労き裂の発生や伝播が懸念される、金属部品や金属製構造物（溶接構造物も含む。）とそれらの製造方法に関するものである。

金属部品や金属製構造物には、溶接、接着、鋳造、鍛造や種々の塑性加工など種々の方法によってリブ板が取り付けられている。構造上応力集中部となるリブが取り付けてある部位であって、リブ長さ方向の端部は部品や構造物に作用する繰返し荷重により、疲労き裂の発生や進展が懸念される。特に溶接リブの長さ方向の端部のトウは溶接残留応力と応力集中が重畳するため疲労き裂発生が起こりやすく、部品や構造物寿命に関係する問題となることが多い。
金属部品や金属製構造物の疲労き裂発生防止の従来技術として古くから、疲労き裂の発生する応力集中部に熱処理を施し残留応力を除去する方法や、たとえば特許文献１などに、グラインダーなどの装置を用いた切削処理により溶接トウ部の形状を滑らかにし応力集中を低下させる方法に関する発明が、また、たとえば特許文献２や特許文献３などに、ピーニング処理により溶接トウ部を叩くことにより塑性加工を加え、溶接残留応力の低減とトウ部の形状を改善する方法に関する発明などが開示され、広く用いられて疲労き裂の発生特性を改善させている。

このほかにも、残留応力を解放させるための溶接部近傍に熱を加えながら溶接する方法（特許文献４参照。）や回し溶接継ぎ手の溶接順番を考慮して残留応力を下げたもの（特許文献５、特許文献６参照。）付加溶接や線状加熱によって残留応力分布を変化させるもの（特許文献７、特許文献８参照）や、溶接部の形状に工夫を加えることで応力集中を小さくするもの（特許文献９参照。）などが開示されている。
特開平０５−０６９１２８号公報特開２００３−００１４７６号公報特開２００３−００１４７７号公報特開平１１−１４７１９３号公報特開平０８−０１９８６０号公報特開平０８−１５５６３５号公報特開平０８−１１８０１２号公報特開平０８−１１２６８８号公報特開平０８−２６７２３４号公報

従来技術の熱処理による方法は大型構造物など現地で施工する場合には、熱処理の設備を施工する場所へ搬送する必要があるが、設備が大型となることが多く搬送困難である場合が多いことや、構造物自体の熱容量が大きく非効率である場合も多く、適用することが難しい。また、切削処理による方法では溶接されていない場合には疲労き裂の発生防止に効果的であるが、溶接部の場合、溶接残留応力の除去ができないため、溶接トウ部に引張の溶接残留応力が残ってしまい、疲労き裂発生の防止効果は限定的である。また、ピーニング処理は応力集中部の極表層だけを叩くため、応力集中部の表層に圧縮の残留応力を発生させることが出来る上に、応力集中部の形状を滑らかにすることができるため、応力集中を小さくすることも可能であり、溶接部のトウ部にも適用でき、疲労き裂の発生特性向上に効果的であるが、圧縮応力の作用する部位は叩いた部位近傍に限られるため、ひとたび疲労き裂が発生してしまうと疲労き裂の進展防止には効果が小さいと考えられる。

また、残留応力を解放させるための溶接部近傍に熱を加えながら溶接する方法では主板に加熱による材質劣化の懸念が生じる。また、回し溶接継ぎ手の溶接順番を考慮して残留応力を下げたものでは最終ビードによる引張残留応力は回避できない。また、付加溶接や線状加熱によって残留応力分布を変化させるものは条件の管理が難しく、予期していない部分からのき裂の発生が懸念される。また溶接部の形状に工夫を加えることで応力集中を小さくするものでは大きな欠陥が溶接部内に残ることになりその寸法を施工後確認するのが難しいなどの欠点があった。
そこで、本発明では、金属部品や金属製構造物の表面であって、金属製リブの長さ方向端部と交わる応力集中部付近を簡易な方法で圧縮応力状態にすることで、該応力集中部からの疲労き裂の発生と進展を抑制し、疲労き裂の発生や進展に対する抵抗を大きくすることのできる、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属製構造物およびそれらの製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）厚みｂの金属製の主板または主管１から、厚みｔが１ｍｍ以上、高さｈが３ｔ以上で、長さｌの板状の金属製リブ２が突き出ており、該リブの長さ方向の端部にリブの厚み方向に圧縮予ひずみ部を形成した金属部品または金属製構造物であって、該圧縮予ひずみ部は、板厚方向圧縮ひずみが０．５％以上２５％未満であり、リブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上であり、リブ長さ方向寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下であり、リブ高さ方向寸法ｄが０．５ｔ以上０．５ｈ以下であり、その重心位置と前記主板または主管との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離ｅがリブの厚みｔより小さいものであり、さらに、該圧縮予ひずみにより、前記リブの長さ方向端部であって、前記主板または主管と交差する部分４に、圧縮残留応力が働いていることを特徴とする、リブ端部から主板または主管への疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物。
（２）前記リブ２が溶接により前記主板または主管１に接合されており、リブおよび溶接部５の降伏強度が主板または主管１の降伏強度の９５％以上であり、リブの引張強度が主板または主管の引張強度より大きく、リブの溶接部５がリブ端部から２ｈ以上の距離に渡ってのど厚が０．５ｔ以上であることを特徴とする、上記（１）に記載の疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物。
（３）厚みｂの金属製の主板または主管１の表面に、厚みｔが１ｍｍ以上、高さｈが３ｔ以上で、長さｌの板状の金属性リブ２を形成した後、リブの板厚方向圧縮ひずみが０．５％以上２５％未満の圧縮予ひずみ部３を、そのリブ長さ方向寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下であり、リブ高さ方向寸法ｄが０．５ｔ以上０．５ｈ以下であり、そのリブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上であるような圧痕形状で、その重心位置と前記主板または主管との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離ｅがリブの厚みｔより小さい位置に形成することを特徴とする、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物の製造方法。

本発明は、金属部品や金属製構造物の表面であって、金属製リブの長さ方向端部と交わる応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残留応力を発生させることにより、該応力集中部からの疲労き裂の発生と進展を抑制することができるため、その産業上の効果は計り知れない。

本発明は、金属部品や金属製構造物の表面であって、金属製リブの長さ方向端部と交わる応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残留応力を発生させることにより、該応力集中部からの疲労き裂の発生と進展を抑制することを特徴とするものである。
具体的には、請求項１に記載の発明は、厚みｂの金属製の主板または主管１から、厚みｔが１ｍｍ以上、高さｈが３ｔ以上で、長さｌの板状の金属製リブ２が突き出ており、該リブの長さ方向の端部にリブ２の厚み方向に圧縮予ひずみ部３を形成した金属部品または金属製構造物であって、該圧縮予ひずみ部３は、板厚方向圧縮ひずみが０．５％以上２５％未満であり、リブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上であり、リブ長さ方向寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下であり、リブ高さ方向寸法ｄが０．５ｔ以上０．５ｈ以下であり、その重心位置１７と前記主板または主管との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離ｅがリブ２の厚みｔより小さいものであり、さらに、該圧縮予ひずみにより、前記リブの長さ方向端部であって、前記主板または主管と交差する部分４に、圧縮残留応力が働いていることを特徴とするものである。

本発明の対象を厚みｂの金属製の主板または主管１から長さｌ、高さｈ、厚みｔの板状の金属性リブ２が突き出た金属部品または金属製構造物とするのは、金属製の主板または主管と突き出たリブとが接する部位であって、該リブの長さ方向の端部４は部品や構造物に荷重が作用した際に応力集中部となり、繰返し荷重下では疲労き裂の発生源となるからである。
また、該リブの長さ方向の端部にリブの厚み方向に０．５％以上２５％未満の圧縮予ひずみ部３を形成させるのは、該リブと金属主板または主管１の接する部位であって、該リブの長さ方向の端部に圧縮の残留応力を発生させるためであり、０．５％より小さい圧縮ひずみでは十分な残留応力を発生させることは出来ず、２５％より大きなひずみでは効果が頭打ちとなる上に板厚の減少や部材の巨視的な変形が顕著となり部品や構造物としての形状精度が損なわれるためである。
また、リブ２の厚みｔを１ｍｍ以上としたのはｔが１ｍｍより小さい場合には予ひずみ量の管理が困難であるためであり、１ｍｍより小さい場合でも本発明を精度よく適用できれば効力を発揮できる。
また、リブの長さ方向の寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下の領域に圧縮予ひずみを与えるのは、ｋが０．５ｔより小さい場合、疲労き裂の発生が懸念される応力集中部に圧縮残留応力が十分に発生しないためであり、ｋが３（ｔ・ｂ）^0.5超では主板の変形が顕著になることや疲労き裂の発生が懸念される応力集中部の圧縮残留応力が頭打ちもしくは減少するからである。

また、圧縮予ひずみ部のリブ高さ方向寸法ｄを０．５ｔ以上０．５ｈ以下とするのは、ｄが大きいほど疲労き裂の発生が懸念される応力集中部４の圧縮残留応力が大きくなるからである。リブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上の領域に圧縮予ひずみを付与するのは、面積ｐが０．６７ｔ²より小さい場合には疲労き裂の発生が懸念される圧縮予ひずみ部３から離れた応力集中部４に疲労き裂発生を阻止できるための十分な圧縮応力を発生させられないためである。
また、圧縮ひずみ部３の重心位置１７と前記主板または主管との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下、およびリブの端部から圧痕までの距離ｅがリブの厚みｔより小さくする理由は、圧縮ひずみ部がリブの長さ方向の端部から離れると疲労き裂の発生が懸念される応力集中部４の圧縮残留応力が低下し、本発明の効果である疲労き裂発生抵抗が低下してしまうからである。

図１は、請求項１に記載の本発明の一実施例を示す図である。図１において、１は金属板、２は金属製リブ板、３は圧縮予ひずみ部、４は応力集中部を示す。図１のａは、圧縮予ひずみ部の重心１７から疲労き裂の発生が懸念される金属板までの最短距離を示す。図１のｅは、圧縮ひずみ部３の端部とリブ２の長さ方向の端部の最短距離を示す。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の疲労き裂発生・進展抑止特性が優れた金部Ｉ部品または金属製構造物であって、前記リブが溶接により前記主板または主管１に接合されており、リブおよび溶接部５の降伏強度が主板または主管の降伏強度の９５％以上であり、リブの引張強度が主板または主管の引張強度より大きく、リブの溶接部５がリブ端部から２ｈ以上距離に渡って、のど厚ｃが０．５ｔ以上であることを特徴とするのは、リブに付与する圧縮予ひずみと該リブとリブを溶接により取り付けた主板または主管との間に生じる溶接残留応力によって溶接部を破壊することなしに、該リブに付与する圧縮予ひずみにより生じた応力を、該溶接部を介してリブ板の２接する主板または主管１に伝達させるために十分なのど厚が必要である。また、リブおよび溶接部５の降伏強度を主板または主管１の降伏強度の９５％以上とし、リブの引張強度を主板または主管の引張強度より大きくするのは、圧縮予ひずみにより生じた応力を主板または主管１に十分伝達させるためであり、リブと溶接部の強度は高いほど本厚命の効果は高くなる。

図２は、請求項２に記載の本発明の一実施例を示す図である。図２において、５は隅肉溶接部を示す。図３は、図２の溶接構造をリブ板２の板厚中央に対応する面で切った場合の断面を示す。図３のｃは、隅肉溶接部５ののど厚である。
請求項３に記載の発明は、厚みｂの金属製の主板または主管１表面に、厚みｔが１ｍｍ以上、高さｈが３ｔ以上で、長さｌの板状の金属性リブ２を形成した後、リブの板厚方向圧縮ひずみが０．５％以上２５％未満の圧縮予ひずみ部３を、そのリブ長さ方向寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下であり、リブ高さ方向の寸法ｄが０．５ｔ以上０．５ｈ以下であり、そのリブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上であるような圧痕形状で、その重心位置と前記主板または主管との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離ｅがリブの厚みｔより小さい位置に形成することを特徴とする、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物の製造方法とするのは、圧縮予ひずみを金属製リブ形成後に与えることにより該リブと該主板または主管の間にせん断応力を生じさせ、該リブの長さ方向端部であって、該主板または主管と交差する部分４に圧縮残留応力を生じさせるためである。

本発明の図４に示す構造モデルと該構造モデルと同形状であって圧縮予ひずみを与えない構造モデルの有限要素解析を行い、本発明の構造物における圧縮予ひずみが疲労き裂の発生しやすい応力集中部の応力状況に及ぼす影響を説明する。
前記構造モデルは、例として、主板とリブ板共に降伏応力３３０ＭＰａであり、引張強度が４９０ＭＰａである鋼材で構成されているものと仮定し、図４の矢印方向に引張荷重が作用することを想定してモデル化した。構造モデルは表１に各部の寸法と併せて示したように記号ＡからＹまでの２５種類であり、これらすべてについて有限要素解析を行った。構造モデルの主板の厚みｂは８〜１６ｍｍ、リブ板の厚みｔは８〜２４ｍｍとした。また、圧縮予ひずみ部の形状は、リブ板２の長さ方向の寸法ｋを１０〜８０ｍｍ、リブ板２の高さ方向の寸法ｄを８〜２４ｍｍの矩形の面を持ち、主板１と圧縮予ひずみ部３までの距離ａ−ｄ／２を８〜１６ｍｍ、リブの長さ方向端部からの距離ｅを５〜１０ｍｍとした。予ひずみ部となる面に変位制御で圧縮および除荷によって行い、リブ板２に厚み方向の残留ひずみとして約２．５％の塑性歪を与えた。

例として、モデルＤの場合について、予ひずみ付与の後の予ひずみ部近傍の残留応力分布の例を図５に示す。構造モデルの矢印方向に引張荷重が作用した際に応力集中部となる部位４の応力は圧縮となっている。図５の等高線につけた数字はリブの材軸方向の引張応力をＭＰａの単位で示したものである。なお、図５において６はリブ板２の板厚中央で半分にした場合の断面を示している。
次に、有限要素法解析により求めた、前記構造モデルで前記予ひずみ付与後に、構造モデルＤの矢印方向に降伏応力の半分（１６５ＭＰａ）の引張負荷を与えた場合についての引張方向応力分布を図６に、また、予ひずみを与えずに構造モデルＤと同様に矢印方向に降伏応力の半分の引張負荷を与えたモデルＤ’の場合についての引張方向応力分布を図７に示す。図６、図７の等高線につけた数字はリブの材軸方向の引張応力をＭＰａの単位で示したものである。構造モデルＤの部位４の応力は構造モデルＤ’の部位４の応力に対して著しく低くなっている。

一般に、繰り返し負荷を受ける金属製部品や金属製構造物は応力集中を除いた部位で使用時の応力は降伏応力の半分程度以下となるように設計されているが、構造モデルＤ’で示したような応力集中部４では局所的に降伏する程度の応力が繰り返し作用することもあり、疲労き裂の発生が懸念されるが、本発明の構造モデルＤの応力集中部４では端部に降伏応力の半分の引張負荷を与えても生じる引張応力が極めて小さくなるため、疲労き裂の発生が抑制される効果がある。
本発明を適用した構造モデルの端部に引張負荷を与えた場合の応力集中部４に生じる応力は、予ひずみを与えて除荷した時点での圧縮残留応力が大きいほど疲労き裂発生に対する抵抗が大きいと考えられる。該圧縮残留応力は特にリブ板の厚みｔや高さｈや圧縮予ひずみ部の位置や大きさ、また、溶接によりリブ板が取り付けられた場合には溶接部の形状の影響を受けるため、それぞれの因子の影響について有限要素解析を用いて検討した。
該有限要素解析の結果を用いて作成した本発明の構造モデルの応力集中部に生じる圧縮残留応力の表１に基づいて請求項１に記載の発明について説明する。

表１の結果から以下のことが読み取れる。すなわち、モデルＫ、Ｌ、Ｍの結果から、主板に対してリブ板２は厚い方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きくなっており、本発明に用いられる圧縮予ひずみ部３の寸法についてはリブ板の厚みｔを基準に規定することが妥当であると判断した。
モデルＫ、Ｘ、Ｙ、の結果から、リブ板の背ｈは高い方が応力集中部４に生じる圧縮残留応力が大きい。これは、圧縮予ひずみを受けた部分の周りの弾性領域が大きい方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きくなることを表しており、圧縮予ひずみを受けた部分の周りの弾性領域が十分確保できるようｈ≧２ｄとした。
モデルＫとＯの比較、モデルＢ、Ｃ、Ｄの比較の結果、また、モデルＨ、Ｉ、Ｊの比較の結果から、圧縮予ひずみ部３の寸法ｄは大きい方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きく、圧縮応力が顕著に表れるが、ｄが大きくなりｈに近づくと効果が頭打ちになるため、ｄは０．５ｔ以上０．５ｈ以下とした。

モデルＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈの比較の結果およびモデルＯ、Ｐ、Ｑ、Ｒ、Ｓ、Ｔ、Ｕの比較の結果から、圧縮予ひずみ部３の寸法ｋは大きくなると応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きくなるが、ある程度以上大きくなると圧縮残留応力が低下する。これはｋが大きく、リブ板２が厚くなると主板１に曲げが生じやすくなることや主板側にも塑性ひずみが生じやすくなるためであり、０．５ｔ＜ｋ＜３（ｔ・ｂ）^0.5とした。
モデルＯ、Ｎの比較の結果などから、リブ２の端部からの圧縮予ひずみ部３までの距離ｅは小さい方が応力集中部４に生じる圧縮残留応力が大きく、ｅ＜ｔとした。
モデルＡ、Ｄの比較の結果などから、主板１から圧縮予ひずみ部３までの距離ａ−ｄ／２は小さい方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きく、ａ＜３ｔとした。
モデルＵ、Ｖ、Ｗの比較の結果から、両面にリブ板を付けて本発明で行う圧縮予ひずみを与えた場合、片面リブ板の場合よりも、応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きく、片側リブよりは両側リブの方が効果が高い。

前記圧縮予ひずみを与える方法としては、図８に示すように円形や矩形の平面の断面を持つ押しポンチ７をプレス装置等を用いてリブ板２に押し当てる方法が考えられるが、同様の圧縮負荷を与えられる装置であれば他の装置でも可能である。なお、押しポンチ７で圧縮予ひずみを与えた場合、押しポンチ７の角部がリブ板２に段差を作ることになるが、この段差は応力集中を発生させるため、できるだけ滑らかになるよう、面取りや曲面加工しておくことが望ましい。
ポンチの断面形状については矩形以外にも円形の他、種々の形状が適用可能であり、効果には大きな差は出ないと考えられるため、自由にデザインできるが、ポンチの寿命を延ばし、圧縮荷重をできるだけ低くするためには外に凸の中実断面が合理的である。
ポンチの大きさについては鋼材の内部にまで十分に塑性歪を与えることが重要であるためポンチの寸法はリブ板厚ｔと比例させる必要がある。また、所定の圧縮ひずみをリブ板に付与するためには圧縮面積に比例して大きな圧縮荷重が必要となり、負荷が困難となることがあるため注意が必要である。圧縮予ひずみ付与面積ｐは板厚ｔに対して０．６７ｔ²以上と定めたが、大きくなりすぎると、予ひずみを付与するために必要な荷重が面積に比例して大きくなるため実施する設備が大きくなるため困難となる場合があることや、予ひずみによる残留応力で主板の平面性が失われる可能性があることに注意し、適切な圧縮予ひずみ付与装置を準備し、各寸法は本発明の効果の期待できる範囲となるよう設定するのが望ましい。

圧縮負荷の回数は所定のひずみの範囲になるまで複数回押してよく、ポンチの大きさとリブ板２の強度の関係から圧縮負荷装置の負荷荷重が十分に取れない場合には、ポンチの位置をずらしながら、面積が０．６７ｔ²以上の領域を面積が０．５ｔ²以上のポンチを用いて複数回圧縮負荷を与えることにより、０．５％以上かつ２５％未満のひずみを圧縮負荷により与えることで同様の効果が得られる。
また、本発明では圧縮予ひずみ部をリブ取り付け後に設けなければ、主板表面であって、リブ板と接する部分のリブ板の長手方向端部４に圧縮予ひずみによる圧縮応力が発生せず、疲労き裂発生阻止の効果は得られない。そこで、本発明を適用しているかどうかについて疑わしい場合については、磁歪法やＸ線を用いた方法等によって圧縮予ひずみ部付近の残留応力分布を確認することで、容易に本発明を適用していることが確認できる。
また、本発明は既存の構造物に対して適用することも可能であり、既存構造物の疲労き裂発生防止方法としても有効である。

図９のリブ板付き鋼板の疲労き裂発生試験を行った。使用した鋼板は主板８が板厚２４ｍｍで降伏応力が４００ＭＰａの溶接構造用鋼板であり、リブ板９が板厚１０ｍｍで降伏応力が３８０ＭＰａの溶接構造用鋼板である。リブ板９の取り付け溶接１０は４９０ＭＰａ級の強度を持つ材料を用いてＣＯ₂溶接によりおこなった。試験片Ｆ１〜試験片Ｆ５は本発明を適用した試験体であり、圧縮負荷部の寸法を表２に示した。また、圧縮予ひずみ量は２．５％とした。試験片Ｆ０は本発明を適用していない試験片である。どの試験片についても、リブ板は同じ条件で隅肉溶接を行い、脚長を５ｍｍとし、溶接部断面を調査した所、のど厚３．５ｍｍを確保した。

負荷した荷重は、部材の降伏荷重の１／４を中心に主板端部での応力振幅が降伏応力の１／４となる繰り返し荷重を１周期が１秒間に１０回となるようあたえ、溶接トウ部１１に生じる疲労き裂長さが１０ｍｍとなった場合の繰り返し負荷の周期数を実験的にもとめた。
実験の結果、試験片Ｆ０は１×１０⁶回程度の繰り返し負荷周期で所定の疲労き裂が生じた。それに対し、本発明の試験体においては、試験片Ｆ１は５×１０⁶回、試験片Ｆ５は７Ｘ１０⁶回で所定のき裂が見られたものの、試験片Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４では１．５×１０⁷回でも疲労き裂が発生しなかった。このことから、疲労き裂の発生に対しては５倍程度以上の性能が得られるものと考えられる。

道路の照明などに用いられる鋼管ポールは風による繰り返し曲げ荷重を受ける。また、鋼管ポールの基部は補強のためリブ板が取り付けられていることがあり、リブの端部は溶接による残留応力と風による繰り返し荷重とが重畳することにより、リブ板によるポール側の応力集中部に疲労き裂が発生することがある。そこで、図１０に示す直径１７ｃｍｍ、管厚ｂは６ｍｍの鋼管ポール１３の実大モデルを作製した。前記モデルの基部はベースプレート１２にリブ板１５を用いて、溶接で取り付け、リブ板１５の円柱ポール１３側に本発明を適用した。リブ板１５の厚みｔは６ｍｍであり、８枚を完全とけ込み溶接で取り付けた。
本発明を適用した鋼管ポールモデルとリブ板溶接ままの通常の鋼管ポールモデルを作製し、両振りの繰り返し曲げ試験を行い、疲労き裂の発生特性を比較した。
圧縮予ひずみ部１４の寸法は図１に示した各部の寸法で示すと、ａが６ｍｍ、ｄが１２ｍｍ、ｅが２ｍｍ、ｋが１２ｍｍ、ｈが２５ｍｍである。
載荷条件は基部の応力振幅が１６０ＭＰａとなるよう両振り試験を行った。
実験の結果、通常の鋼管ポールモデルでは７×１０⁵回で応力集中部１６から実施例１で用いた疲労き裂評価基準である疲労き裂長さ１０ｍｍに達したものの、本発明を適用したモデルでは疲労き裂が確認できなかった。本発明を適用したモデルではさらに１×１０⁷回まで繰り返し載荷を行ったところで、疲労き裂が１０ｍｍに達し、本発明の有効であることが確認できた。

請求項１に記載の溶接構造物を一部切り出した斜視図を模式的に示す図である。請求項２に記載の溶接構造物を一部切り出した斜視図を模式的に示す図である。溶接部ののど厚を溶接部の断面図で模式的に示す図である。圧縮予ひずみ部の位置と寸法を決定するため解析を行った構造モデルを斜視図で模式的に示す図である。モデル解析により得られた圧縮予ひずみ後の応力分布を斜視図で示す図である。モデル解析により得られた圧縮予ひずみを与えずに荷重を作用させた場合の応力分布を斜視図で示す図である。モデル解析により得られた圧縮予ひずみ付与後に荷重を作用させた場合の応力分布を斜視図で示す図である。圧縮予ひずみ付与方法の例を斜視図で模式的に示す図である。実施例１の試験片形状と試験方法を斜視図で模式的に示す図である。実施例２の試験体形状と試験方法を斜視図で模式的に示す図である。

符号の説明

１主板または主管
２リブ板
３圧縮予ひずみ部
４応力集中部
５溶接部
６構造モデル中央断面
７ポンチ
８鋼板
９リブ板
１０溶接部
１１溶接トウ部
１２ベースプレート
１３鋼管ポール
１４応力集中部
１５リブ板
１６圧縮予ひずみ部
１７圧縮予ひずみ部の重心

Claims

厚みｂの金属製の主板または主管１から、厚みｔが１ｍｍ以上、高さｈが３ｔ以上で、長さｌの板状の金属製リブ２が突き出ており、該リブの長さ方向の端部にリブの厚み方向に圧縮予ひずみ部を形成した金属部品または金属製構造物であって、該圧縮予ひずみ部３は、板厚方向圧縮ひずみが０．５％以上２５％未満であり、リブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上であり、リブ長さ方向寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下であり、リブ高さ方向寸法ｄが０．５ｔ以上０．５ｈ以下であり、その重心位置と前記主板または主管との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離ｅがリブの厚みｔより小さいものであり、さらに、該圧縮予ひずみにより、前記リブの長さ方向端部であって、前記主板または主管と交差する部分４に、圧縮残留応力が働いていることを特徴とする、リブ端部から主板または主管への疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物。
前記リブ２が溶接により前記主板または主管１に接合されており、リブおよび溶接部５の降伏強度が主板または主管１の降伏強度の９５％以上であり、リブの引張強度が主板または主管の引張強度より大きく、リブの溶接部５がリブ端部から２ｈ以上の距離に渡ってのど厚が０．５ｔ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物。
厚みｂの金属製の主板または主管１の表面に、厚みｔが１ｍｍ以上、高さｈが３ｔ以上で、長さｌの板状の金属性リブ２を形成した後、リブの板厚方向圧縮ひずみが０．５％以上２５％未満の圧縮予ひずみ部３を、そのリブ長さ方向寸法ｋが０．５ｔ以上３（ｔ・ｂ）^0.5以下であり、リブ高さ方向寸法ｄが０．５ｔ以上０．５ｈ以下であり、そのリブ面上に占める面積ｐが０．６７ｔ²以上であるような圧痕形状で、その重心位置と前記主板または主管との距離ａが０．５ｈ以下かつ３ｔ以下であり、その端部からリブ長さ方向端部までの距離ｅがリブの厚みｔより小さい位置に形成することを特徴とする、疲労き裂の発生・進展抑止特性に優れた金属部品または金属製構造物の製造方法。