JP2007283355A - 溶接止端部の超音波衝撃処理方法および超音波衝撃処理された耐疲労特性に優れた溶接止端部 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接止端部を超音波衝撃処理するに際して、オーバーラップ状の疵の生じることのない超音波衝撃処理方法および、オーバーラップ状の疵のない溶接止端部を提供するものである。
【解決手段】先端部に設けられたピンに超音波振動を与え、このピンにより溶接止端部に超音波衝撃を与える超音波衝撃処理方法において、前記ピンの先端部の曲率半径を２．０ｍｍ未満、好ましくは、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ未満とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接止端部の超音波衝撃処理方法および耐疲労特性に優れた溶接止端部に関するものである。

船舶や橋梁、海洋構造物など鋼構造物の多くは、鋼部材を溶接接合して構成されており、部材間を炭酸ガスシールドアーク溶接、被覆アーク溶接、フラックス入りアーク溶接、サブマージアーク溶接など各種の溶接方法によって、突合せ溶接や隅肉溶接などの溶接が行われる。そして、溶接部の表面側には鋼部材（母材）溶接金属との境界部に溶接止端部が形成される。
この溶接止端部近傍は、溶接後の冷却時に溶接金属部が凝固収縮するため引張残留応力が存在し易く、さらに、部材に作用する外力により応力が集中し易い部位である。このため、微小な溶接欠陥でも、致命的なき裂や割れに進展する可能性を有しており耐疲労強度の向上の妨げとなっている。
このため、従来から、溶接部の耐疲労特性を向上させるための各種の提案がなされている。例えば、特許文献1には、ビード止端部の形状（止端部角度θ）を大きくして耐疲労特性を向上させることが開示されている。これはフラックスワイヤをルチールとともにＦｅ基微粒子複合金属酸化物を特定量含有させたワイヤとするものである。

ところで、近年、材料や構造物の溶接部の表面に超音波を用いた衝撃処理を施し、材料や構造物の溶接部の特性を改善する方法が提案されている。
図５は、超音波衝撃処理装置により超音波衝撃処理を施す状況の一例を示す模式図である。超音波衝撃処理装置５は、超音波を発信する超音波発信装置６と、その前方に取り付けられ、発信された超音波を衝撃装置に導びくと共に、振動を増幅させるウエーブガイド７と、ヘッド８を有し、このヘッドの先端には、被処理物に衝撃を与えるための工具として衝撃用のピン９が振動可能に取り付けられている。超音波発信装置６で発信された超音波は、ウエーブガイド７を経由してヘッドに装着された衝撃用ピン９に超音波振動を与える。この振動によりピンの先端が処理対象、例えば溶接部に衝撃を与え、衝撃処理するものである。超音波振動の振幅は１０〜６０μｍ、周波数１０ｋHz〜６０ｋHz、出力０．２〜３ＫＷで処理するのが一般的である。
このような、超音波衝撃処理装置により、構造物の応力集中箇所に衝撃を与えることによって、上記箇所に塑性変形を生じさせ、これによって応力の分布状況、例えば、溶接引張残留応力状態を圧縮残留応力状態に変えることができる。超音波衝撃処理の後には同処理部近傍で圧縮降伏応力の５割以上の高い圧縮残留応力場を形成することができ、これによって応力集中箇所の疲労特性を向上させることができる。
また、この衝撃を与えることによって、金属組織を塑性変形させ、結晶粒を微細化することも可能であり、これによって、その箇所の強度が局所的に向上し、き裂の発生を抑制することが可能となり、疲労特性の向上効果を得ることができる。
さらに、衝撃処理により処理箇所の表面の曲率を応力集中が低減するような緩やか曲率とすることが可能であり、これらの効果によって、局部の耐疲労特性を向上させることが可能となる。
特許文献２や特許文献３には、金属材料の溶接部に超音波を用いて衝撃処理を施し、溶接部の残留応力を開放し、ボイドや異常粒界のような微小欠陥を低減することが提案されている。
また、特許文献４には、鉄鋼材料継手止端部近傍に超音波衝撃処理を施し、溶接継手の疲労強度を向上することが報告されている。

特開平９−２７１９８４号公報 米国特許第６，３３８，７６５号公報 特開平１０−２９６４６１号公報 特開２００４−１３０３１６号公報

特許文献1に提案された方法では、溶接止端部の角度を従来と比べて大きくできる点では好ましいが、溶接条件によっては、必ずしも大きな止端角度を得られないことがあり、安定性に問題がある。
特許文献２〜４に提案された方法では、溶接後に止端部形状が調整され、確実に所望の溶接止端部形状とすることができるとともに、止端部近傍には圧縮残留応力を付与し、かつ組織を微細化して割れやき裂の進展を阻害することができるため、溶接部の疲労強度の向上には極めて優れているといえる。
超音波衝撃処理により溶接止端部には凹形状の面（凹面）が形成され、その曲率半径は、通常、ピンの先端部の曲率半径にほぼ倣っているものであるが、この凹形状の曲率半径が大きい程、応力集中を緩和する効果は大きいと考えられる。このようなことから従来、ピンは、直径３ｍｍ、先端部の曲率半径が３ｍｍ程度以上のものが使用されている。これによって、少なくとも溶接止端部に形成される凹形状を曲率半径が３ｍｍ以上の形状とすることができ、溶接部の耐疲労特性を向上させることが可能となる。
しかしながら、超音波衝撃装置より溶接止端部に超音波衝撃を与えた場合に、止端部の金属がピンの衝撃により塑性流動し、断面でみるとオーバーラッピング状の疵が生じていることがある。この超音波衝撃処理後のオーバーラッピング状の疵は、き裂状に見えるが、通常の割れや切欠き等の溶接欠陥とされるものとは性質が異なり、超音波衝撃処理による高い圧縮残留応力場の形成により、疵周りは圧縮残留応力によりシールドされ、降伏応力を大きく超える高い繰返し引張応力が作用し、形成されていた圧縮残留応力場が壊されない限り、き裂としてふるまうことはなく問題はないのであるが、他の溶接欠陥との区別が付き難く、疲労強度保証の観点からはこれらのオーバーラップ状の疵の存在は好ましくない。
本発明は、溶接止端部を超音波衝撃処理するに際して、上述のようなオーバーラップ状の疵の生じることのない超音波衝撃処理方法および、オーバーラップ状の疵のない耐疲労特性に優れた溶接止端部を提供するものである。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）先端部に設けられたピンに超音波振動を与え、このピンにより溶接止端部に超音波衝撃を与える超音波衝撃処理方法において、前記ピンの先端部の曲率半径を２．０ｍｍ未満とすることを特徴とする溶接止端部の超音波衝撃処理方法。
（２）前記ピンの先端部の曲率半径が、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であることを特徴とする（１）に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理方法。
（３）溶接止端部の溶接方向に垂直な断面に、超音波衝撃処理された曲率半径が２．５ｍｍ未満の凹形状が形成されていることを特徴とする耐疲労特性に優れた溶接止端部。
（４）前記凹形状の曲率半径が、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ未満であることを特徴とする（３）に記載の耐疲労特性に優れた溶接止端部。

本発明の方法によれば、曲率半径が２．０ｍｍ未満であるピンを使用して溶接止端部を超音波衝撃処理するため、従来発生していた外見上、割れの様相を呈するオーバーラップ状の疵の発生を防止することができ、溶接止端部の溶接方向に垂直な断面を、曲率半径が２．０ｍｍ未満の凹形状とすることができる。これによって溶接止端部を、オーバーラップ状の疵のないものとすることが可能となると共に、少なくとも溶接ままの溶接止端部の曲率半径（通常０．１〜１ｍｍ程度）の曲率より大きい曲率半径とすることができ、耐疲労特性をさらに向上させ、安定したものとすることができる。すなわち、溶接継手の降伏応力を超える高い繰り返し応力が作用しても、き裂としてふるまう可能性のあるオーバーラップ状の疵が発生することがなく、極めて信頼性の高い良好な溶接継手を得ることができる。

発明者らは、鋼材の溶接止端部に上記のように従来の先端部の曲率半径が３ｍｍ以上のピンを使用して超音波衝撃処理することにより耐疲労特性を向上できること確認したが、処理後の溶接止端部の断面を詳細に観察したところ、溶接止端部の元の位置の近傍に割れ状に見える疵が散見されることを知見した。そして、特に、引張強度が３００〜６００ＭＰａクラスの鋼材の多く見られることも判った。図４は、超音波衝撃処理を施した後の溶接止端部近傍の断面のミクロ組織（ＳＭ４９０）を示す図である。図から判るように、溶接金属と母材との境界に沿って割れ状の欠陥が存在することが判る。

発明者らは、その発生原因を突き止めるためにさらに調査を行った結果、この疵は、溶接止端部に超音波衝撃処理を施した際に、ピンによる打撃によって溶接金属と母材金属が止端部の方に向かって塑性流動し、両者がオーバーラップすることによって形成されることを突き止めた。図３は、このオーパーラップ疵の形成メカニズムを示す模式図である。本発明ではこの割れ状の疵をオーバーラップ疵と呼ぶこととする。通常、この疵は溶融ラインを形成する面を溶接方向と直交する方向に形成されている。このオーバーラップ疵は、割れのような形状を呈しているが、その形成過程からすれば、いわゆる結晶粒内や結晶粒界に沿って生じる通常の割れとは性状が異なるものであり、塑性流動に伴なう圧縮残留応力場の形成によりオーバーラップ疵周囲を圧縮応力でシールドすることとなり、降伏応力を大きく超える高い繰返し応力が作用し、形成された圧縮残留応力場が壊されない限り問題がないのであるが、一見しただけでは他の溶接欠陥との区別が付き難い点もあり、疲労強度保証の観点からはこれらのオーバーラップ疵の存在は好ましくない。

そこで、発明者らは、溶接止端部を含む溶接部の超音波衝撃処理（Ultrasonic Impact Treatment:ＵＩＴとも記す。）を行う際に、溶接止端部近傍をオーバーラップ疵ないものとするための超音波衝撃処理方法を検討した。
図２（ａ）（ｂ）は、超音波衝撃処理条件を探索するための試験の状況を示す図であり、（ａ）は溶接ビードの形成およびＵＩＴ処理状況を、（ｂ）は、ＵＩＴ処理後の断面観察試験片の採取状況をそれぞれ示す。
すなわち、発明者らは、強度レベルの異なる鋼種（ＳＳ４００、ＳＭ４９０、ＳＭ５７０）の鋼板（１２ｍｍ（ｔ）×３００ｍｍ（ｗ）×３００ｍｍ（ｌ））の表面に、２つの溶接方法（ＳＭＡＷ：被覆アーク溶接、ＦＣＡＷ：フラックス入りアーク溶接）により、図２（ａ）に示すような溶接ビード（溶接長さ約２５０ｍｍ）をそれぞれ形成した。それぞれの場合の溶接材料及び溶接条件（電流、電圧、溶接速度、入熱量）を表1に示す。

次に、この溶接ビードの止端部を溶接方向に沿って超音波衝撃処理を施した。このとき、ビードの両側、すなわちビードの上下（図２（ａ）（ｂ）において上方ａ、下方ｂを意味する）、および溶接方向の各部位においていて、超音波衝撃処理のピンの形状条件を変化させて処理した。
すなわち、先端の曲率半径が、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍであるピンのみを用いて超音波衝撃処理を施すほかに、曲率半径の異なる２種類のピンの組み合わせ、０．５ｍｍ＋３．０ｍｍ、１．０ｍｍ＋３．０ｍｍ、１．５ｍｍ＋３．０ｍｍ、２．０ｍｍ＋３．０ｍｍを用いて超音波衝撃処理した。これにより、１本の溶接ビードに対して、９通りの処理条件で超音波衝撃処理された部位を形成した。
なお、超音波衝撃処理は、振幅：２０〜４０μｍ、周波数：２５〜３６ｋHzとし、処理速度は、各部位とも３０ｃｍ／分とした。なお、曲率半径の異なるピンを組合せた処理の場合は、まず、小曲率半径のピンにより３０ｃｍ／分、次いで大曲率のピンでの３０ｃｍ／分として処理した。
上述のように処理条件を変えて超音波衝撃処理を施した溶接ビードの部位は、図２（ｂ）のＳ１〜Ｓ６およびＦ１〜Ｆ６に対応している。

次に、ＵＩＴ処理後、各鋼板から、ビードの各部位（Ｓ１〜Ｓ６、Ｆ１〜Ｆ６）に対応させて試験片を切り出し、溶接方向に直交する断面(１２断面)のミクロ組織を観察し、オーパーラップ疵の有無を確認した。その結果を表２に示す。
なお、表２には、各部位のＵＩＴ処理において使用した衝撃用ピンの先端部の曲率半径も記載している。
表２において、オーバーラップ疵のない場合を○、オーバーラップ疵の見られるものを×、オーバーラップ疵の有無が明確でないものを△とした。
なお、観察においては、オーバーラップによる疵と溶接欠陥による疵とが必ずしも区別できない場合があるが、上記の判定では、溶接欠陥による疵とオーバーラップ疵とは区別せず両者を合わせて有無を判定している。

被覆アーク溶接、フラックス入りアーク溶接とも、ピンの先端部の曲率半径が０．５ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍの場合は、オーバーラップ疵は認められないが、曲率半径が２．０ｍｍ、３．０ｍｍのピンにより処理した場合は、オーバーラップ疵が認められる場合がある。また、曲率半径の異なるピンを組み合わせて処理したものは、いずれもオーバーラップ疵が認められ、あるいは認められる可能性があり、好ましくないことが判る。
以上のことから、本発明においては、溶接止端部に超音波衝撃処理を行うに際して、超音波衝撃処理装置のピンの先端部の曲率半径を２．０ｍｍ未満とし、超音波衝撃処理を施してもオーバーラップ疵のない溶接止端部とするものである。これによって、たとえ溶接部に降伏応力を超える繰返し応力が加わっても、良好な疲労特性を維持することができる。
また、溶接止端部への応力集中をできる限り回避するためには、超音波衝撃処理によって形成される止端部の凹形状の曲率半径は大きい方が好ましいので、ピンの先端部の曲率半径を１．０以上〜２．０ｍｍ未満として超音波衝撃処理するものであり、さらに好ましくは、この曲率半径を１．０〜１．５ｍｍとするものである。

図１（ａ）、（ｂ）は、先端部の曲率半径が１．５ｍｍのピンを用いて溶接止端部に超音波衝撃処理を施した記号Ｓ２−２試料（鋼種ＳＳ４００、被覆アーク溶接）の（ａ）は凹形状断面のミクロ組織、（ｂ）は凹形状断面の輪郭形状を示す図である。図１（ａ）、（ｂ）から判るように、溶接止端部には、ピンの先端部の曲率半径１．５ｍｍにほぼ倣った約２．０ｍｍの曲率半径を有する凹形状が形成されている。
このようにＵＩＴ処理によって形成された凹形状の曲率半径が、使用したＵＩＴ処理に使用したピンの曲率半径よりやや大きなものとなるのは、通常、溶接止端部へのＵＩＴ処理は、溶接方向、すなわち溶接ビードが延びている方向、に沿って行われるのであるが、処理装置が溶接方向とは交差する方向に変動ないしは揺動することが避けられないことがあり、これに伴って、ピンの先端も処理方向と交差する方向に変動或いは揺動し、このため形成される溶接止端部の溶接方向と直角な断面の凹形状の曲率半径が、ピンの曲率半径よりも大きくなるためである。
揺動が大きくなると、ＵＩＴ処理が不均一になったり、揺動によって止端部近傍の金属の塑性流動を助長する可能性もあるので、オーバーラップ疵をなくす観点からは好ましくない。
このようなことから、本発明においては、ＵＩＴ処理によって溶接止端部の溶接方向に直角な断面に形成される凹形状の曲率半径は、ピンの先端部の曲率半径＋０．５ｍｍ未満となるようにする。凹形状の曲率半径が、ピンの先端部の曲率半径＋０．５ｍｍ以上となると、ＵＩＴ処理が不安定になり、オーバーラップ疵を抑制する効果が低下する可能性がある。

すなわち本発明は、溶接止端部に先端部の曲率半径が２．０ｍｍ未満、好ましくは、１．０以上〜２．０ｍｍ未満のピンを用いて超音波衝撃処理を施すことにより、溶接止端部の溶接方向に垂直な断面の形状が、曲率半径が２．５ｍｍ未満、好ましくは、１．５以上〜２．５ｍｍ未満の凹形状となる溶接止端部とするものである。本発明における溶接止端部の凹形状は、オーバーラップ疵がないことは言うまでもなく、周辺の結晶組織が微細かされているため、たとえ溶接部に降伏応力を超える繰返し応力が加わっても、良好な疲労特性を維持することができる。
本発明によれば、溶接部止端部に超音波衝撃処理を施すことによって、周辺の金属組織を微細化して、耐疲労特性を向上させることができることはいうまでもなく、さらに、従来の超音波衝撃処理方法で生じていたオーバーラップ状の疵をなくすことができるので、極めて安定した耐疲労特性を得ることができる。

十字溶接継手、角回し溶接継手を種々鋼材にて作製し、各種超音波衝撃処理条件による止端部疵導入有無の評価と同継手材の疲労試験による寿命評価を行い、本発明の効果を検証した。用いた鋼材は４０ｋ鋼（ＳＭ４００）、５０ｋ鋼（ＳＭ４９０、ＫＡ３２）、６０ｋ鋼（ＳＭ５７０Ｑ、ＫＥ３６）とし、板厚１５ｍｍｘ幅１００ｍｍｘ長さ５００ｍｍの板の中央両面に、同材からなる板厚１５ｍｍｘ幅５０ｍｍｘ長さ１００ｍｍの縦板を荷重非伝達十字もしくは荷重非伝達角回し継手形状に配置し、ＳＭＡＷ：被覆アーク溶接（４０ｋ鋼、５０ｋ鋼用溶材ＪＩＳ Ｚ ３２１１ Ｄ４３１６）もしくはＦＣＡＷ：フラックス入りアーク溶接（４０ｋ鋼、５０ｋ鋼用ＪＩＳ Ｚ ３３１３ ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ、６０ｋ鋼用ＪＩＳ Ｚ ３３１３ ＹＦＷ−６０ＦＲ）、シールドガス炭酸ガス、予熱なし、入熱１５〜２０ｋＪ／ｃｍの条件にて脚長７ｍｍにて隅肉溶接し、供試体とした。
溶接後供試体に超音波衝撃処理を施したが、その条件は、共振周波数２７ｋＨｚ、振幅３０μｍ、ピン直径φ５ｍｍ、ピン先端曲率半径１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍ、５．０ｍｍ、処理速度は３０ｃｍ／分とし、溶接止端部の谷線が処理溝の形成により完全に消えていることを確認した。
疲労試験は、軸力の引張-引張の試験とし、公称応力範囲１５０ＭＰａ、応力比０．１、周波数１０Ｈｚの条件にて試験体が破断するまでの繰返し寿命回数を評価した。全ての供試体に対して、疲労試験に先立ち、過大荷重付与の影響を評価するため、それぞれの鋼種の規格降伏応力を公称応力として一度負荷した後に除荷し、上記疲労試験に供した。５００万回を超えても破断しない場合は試験を中断した。
試験体作製条件、超音波処理ピン曲率、凹形状溝曲率半径、疵発生有無、疲労寿命を表３に示す。

表３より、先端曲率半径が２．０ｍｍ以下の超音波衝撃処理ピンを用いた場合の供試体の場合は、鋼材強度、溶接方法によらず、処理部凹形状曲率半径は２．３ｍｍ以下で、いずれも溶接止端部超音波衝撃処理部にオーバーラップ状疵の発生は認められず、さらに破断までの疲労寿命も２００万回以上と長寿命を呈していた。一方、本発明の範囲外の比較例では、疵の発生もしくは疲労寿命の低下が認められた。

本発明のＵＩＴ処理により形成された溶接止端部の凹形状断面を示す図であり、（ａ）はミクロ組織図、（ｂ）は、輪郭形状を示す図である。 ＵＩＴ処理条件を探索するための試験の状況を示す図であり、（ａ）は溶接ビードの形成およびＵＩＴ処理状況を、（ｂ）は、ＵＩＴ処理後の断面観察試験片の採取状況をそれぞれ示す。 オーバーラップ状の疵の生成メカニズムを示す模式図である。 従来のＵＩＴ処理において溶接止端部に生成したオーバーラップ状の疵のミクロ組織図である。 溶接部に超音波衝撃処理を施す状況を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板（母材）
２ 溶接金属（溶接ビード）
３ 溶接止端部
４ 溶融線（フュージョンライン）
５ 超音波衝撃処理装置
６ 超音波発信装置
７ ウエーブガイド
８ ヘッド
９ 衝撃用ピン
１０ オーバーラップ状欠陥
１１ 止端部の凹形状
Ｒｗ 凹形状の曲率半径
Ｒｐ ピンの先端部の曲率半径

Claims (4)

1. 先端部に設けられたピンに超音波振動を与え、このピンにより溶接止端部に超音波衝撃を与える超音波衝撃処理方法において、前記ピンの先端部の曲率半径を２．０ｍｍ未満とすることを特徴とする溶接止端部の超音波衝撃処理方法。
2. 前記ピンの先端部の曲率半径が、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理方法。
3. 溶接止端部の溶接方向に垂直な断面に、超音波衝撃処理された曲率半径が２．５ｍｍ未満の凹形状が形成されていることを特徴とする耐疲労特性に優れた溶接止端部。
4. 前記凹形状の曲率半径が、１．５ｍｍ以上２．５ｍｍ未満であることを特徴とする請求項３に記載の耐疲労特性に優れた溶接止端部。