JP2009034696A - 疲労特性に優れた突合せ溶接継手およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】片面から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手に好適な、疲労特性に優れた突合せ溶接継手およびその製造方法を提供する。
【解決手段】金属板と金属板との突き合わせ端に形成された開先を片面側（金属板表面）から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手において、前記開先の先端が金属板の裏面側において面外に張り出し、かつ、溶接部の溶接金属が金属板の表面側および裏面側において面外位置まで張り出しており、該溶接部の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であり、幅が該深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理痕を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、疲労特性に優れた突合せ溶接継手およびその製造方法に関し、特に、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物、自動車などに用いられる、繰り返し荷重を受け、疲労き裂の発生が問題となる、片面から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手に好適な、疲労特性に優れた突合せ溶接継手およびその製造方法に関するものである。

溶接構造物においては、金属板を片面（表面側）から突合せ溶接する際、裏面に当て金を予め取り付けて溶接するのが一般的である。このような溶接継手に繰り返し荷重の作用する場合、溶接の裏面側では、当て金の仮付け溶接部や本溶接部のルート部から、また、溶接の表面側では、溶接トウ部から、疲労き裂が発生することがある。
そこで、片面側からしか溶接や手入れができない溶接部においては、疲労き裂を防止するために、表面側からの疲労き裂防止対策として、溶接トウ部に（ａ）グラインディング、（ｂ）ＴＩＧドレッシング、（ｃ）ショットピーニング、（ｄ）ハンマーピーニング、あるいは（ｅ）超音波打撃処理（特許文献２〜５参照。）などを施す疲労き裂発生防止方法を用いることができる。
一方、前記、疲労き裂発生防止方法は、管や柱などの細い中空部材部材や容器などでは、裏面からの処理ができず、裏面側溶接部の疲労対策を施せない場合も多い。そこで裏面の処理ができない場合、裏当て金を使わずに裏波溶接を行い溶接ルート部を十分にとけ込ませる方法や特許文献１のような鋼板の端部を曲げ加工し、開先を形成し、突き合わせ溶接する方法が考案されている。
特開平０９−１６４４９６号公報 特開２００６−１６７７２４号公報 特開２００６−０５５８９９号公報 特開２００６−０２６６８２号公報 特開２００６−１７５５１２号公報

前述のように、鋼板を片面側から突き合わせ溶接した場合、片面側からしか溶接や手入れができない溶接部において疲労き裂を防止するための表面側からの疲労き裂防止対策としては、溶接トウ部の（ａ）グラインディング、（ｂ）ＴＩＧドレッシング、（ｃ）ショットピーニング、（ｄ）ハンマーピーニング、（ｅ）超音波打撃処理などの疲労き裂発生防止方法を用いることができる。しかし、溶接部全体としての疲労特性は、十分な疲労対策の施せない裏面側の疲労特性に支配されるため、効果は限定的であった。

一方、裏面側からの溶接部の疲労対策として、前述のような裏当て金を使わずに裏波溶接を行い溶接ルート部を十分にとけ込ませる方法や特許文献１のように鋼板の端部を曲げ加工して開先を形成し、突き合わせ溶接する方法は、疲労き裂の発生対策として有効であるものの、裏波溶接については高い溶接技術が必要であり、施工が容易ではないため溶接工の限定や溶接時間がかかることなどの問題があった。また、特許文献１の方法では溶接する板の端部を全厚にわたって変形させる必要があるため、加工が難しく、加工が小さい場合には開先角度が大きくなることから溶接金属部が多くなり、溶接量が多くなってしまうという問題点があった。
そこで、本発明は、上記課題を有利に解決して、片面から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手に好適な、疲労特性に優れた突合せ溶接継手およびその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、金属板同士を片面側（表面側）からのみ溶接する溶接部において、裏面側からの疲労き裂発生を防止する方法と、表面側からの疲労き裂発生を防止する方法とを有意に組み合わせることによって、上記課題を解決しようとするものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１） 金属板と金属板との突き合わせ端に形成された開先を片面側（以下、この面を金属板の表裏面のうちの表面側という。）から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手において、前記開先の先端が金属板の裏面側において面外に張り出すと共に、溶接部の溶接金属が金属板の表面側および裏面側において面外位置まで張り出しており、さらに、かつ該溶接部の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であり、幅が該深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理痕を有することを特徴とする、疲労特性に優れた突合せ溶接継手。

（２） 金属板と金属板との突き合わせ端に形成された開先を片面側（以下、この面を金属板の表裏面のうちの表面側という）から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手の製造方法において、該開先の先端部にあらかじめ金属板の裏面側において面外位置までに張り出した開先先端部を加工形成し、該開先の先端同士を突き合わせて片面側より、溶接部の溶接金属が金属板の表面側および裏面側において面外位置まで張り出すように盛り付けて溶接したのち、該溶接部の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であり、幅が該深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝状の処理痕を形成するようにピーニング処理を施すことを特徴とする、疲労特性に優れた突合せ溶接継手の製造方法。
（３） 前記ピーニング処理が、超音波衝撃処理であることを特徴とする、上記（２）に記載の疲労特性に優れた突合せ溶接継手の製造方法。

本発明によれば、片面側から溶接を施される突き合わせ継手の溶接部において、繰り返し引張応力が作用する場合に疲労き裂の起点となる部位に生じる引張応力を低減させることができ、該溶接部からの疲労き裂の発生を抑制し、疲労特性に優れた溶接継手とすることができる。

本発明は、片面側から溶接を施される金属板材の突き合わせ溶接継手の溶接部に関するものであって、部材に繰り返し引張応力が作用する場合に疲労き裂の起点となる部位に生じる引張応力を低減させることにより、該溶接部からの疲労き裂の発生を抑制することを特徴とするものである。
本発明の（１）は、図１に示すように、金属板１と金属板２との突き合わせ端に形成された開先を片面側から溶接してなる金属板の突き合わせ溶接継手において、前記開先の先端３が金属板の裏面側の面外に張り出して、かつ、溶接部の溶接金属４が金属板の表面側および裏面側で面外に張り出しており、つまり、図１の張出し高さｘおよびｙが０ｍｍより大きくなるように盛り付けて溶接されている。さらに該溶接部の表面側の溶接トウ部にピーニング処理により、深さ（ｄ）が０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であって幅（ｗ）が該深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝５が形成されていることを特徴とする疲労特性に優れた突き合わせ溶接継手である。

前記開先の先端３が金属板の裏面側で面外位置まで張り出して、かつ、溶接部の溶接金属４が金属板の表裏面側において面外位置まで張り出しているのは、溶接金属部４の厚さを金属板の板厚より大きくすることにより融合断面を大きくし、溶接部に作用する平均応力を低下させる効果があるためである。また、溶接部のルート部に万一小さい欠陥が生じた場合にも金属板の面外のき裂となる可能性が高く、そうすることで欠陥部に集中する応力を軽減できるためである。

この溶接部における溶接金属の裏面側への張り出し高さｘ（ｍｍ）、表面側への張り出し高さｙ（ｍｍ）は、上述のように０ｍｍより大きければよいが、通常、金属板の板厚が１０ｍｍ以上の場合は１〜２ｍｍ程度であり、１０ｍｍ未満の場合は、板厚の１／１０〜１／１５程度とすることで上記の効果を得ることができる。張り出し量を過度に大きくしようとすると、溶接量が増えて好ましくない。
なお、裏面側において裏面から面外に張り出す溶接金属の高さは、後述する開先先端部の裏面側での面外位置への張り出し高さｘとも関連する。すなわち、開先先端部の裏面側での面外位置への張り出し高さは、溶接金属の裏面側での面外への張り出し高さｘが、上述の所要の高さとなるように張り出させるものとする。

また、上述のように、該溶接部の表面側の溶接トウ部には、ピーニング処理により、深さ（ｄ）が０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であって、幅（ｗ）が概深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝５を形成する。これは、前記片面溶接によりルート部からの疲労き裂発生は軽減されていること、特に、表面側からだけの溶接で施工される溶接構造物は管状や容器状の形状と考えられ、鋼板の変形が拘束された状態のままで溶接されることが多いと考えられることなどから、溶接による残留応力のため表面側の溶接止端部から疲労き裂が発生しやすくなるので、表面側にのみピーニング処理を行い、表面側からの疲労き裂の発生を防止することによって溶接部全体の疲労き裂発生を防止できるためである。

なお、ピーニング処理による溝の最小深さについては、溶接止端部の引張残留応力が転じて圧縮残留応力が生じるように０．１ｍｍ以上と定めたが、０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の深さにすることが処理部の確認のしやすさや安定した効果がえられやすいことから望ましい、また、最大深さについては、特に薄手材の場合に注意すべきで、鋼板の強度を確保することとピーニング処理による部材（板材）の大きな変形を防止する目的で板厚の１／１０以下と上限を定めた。また、ピーニング処理による溝の幅は、深さと関係しており、ピーニング処理による溝の幅を深さに対して深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上と、十分に大きくすることによって止端部（トウ部）の形状による応力集中を小さくすることができ、疲労き裂の発生を回避できるためである。

本発明の（２）は、本発明の（１）に記載の溶接継手の製造方法であり、図２は、その製造方法における開先先端部の突き合わせ状況を示す溶接方向と直交する断面の模式図である。具体的には、金属板と金属板との突き合わせ端に形成された開先を片面側から溶接してなる金属板の突き合わせ溶接継手の作製方法において、該開先の先端部にあらかじめ金属板の裏面側の面外に張り出すように開先先端部を形成加工し、図２のように該開先の先端部同士を突き合わせた後、片面側から溶接を行い、溶接部の溶接金属を金属板の表裏面側で面外に張り出すように盛り付け、溶接後に該溶接部の表面側の溶接トウ部にピーニング処理により、深さ０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であって、幅が該深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝を形成するものである。

図３は、本発明の金属板の溶接継手の製造方法における開先先端部の形成方法の一例を示す溶接方向と直交する断面の模式図である。前記のあらかじめ金属板の裏面側において面外に張り出した開先先端部は、金属板から単に機械加工によって作製する以外に、図３のように開先先端３を塑性加工により面外に曲げ出して作製することを前提に、あらかじめ曲げ出す部分を板に加工、形成しておく方法、適当な張り出し開先部を溶接によって取り付ける方法などが考えられる。

本発明の（２）において、突き合わせ継手の溶接止端部に本発明の溝形状のピーニング処理痕を形成する方法は、特に限定するものではなく、ハンマーピーニング、超音波ピーニングなどの方法を適宜使用することができる。すなわち、所望の溝形状を形成するのに適切な曲率半径を先端に有するハンマー或いは打撃ピンと、このハンマー或いは打撃ピンを振動させる振動装置とを備えるハンマーピーニング装置或いは超音波ピーニング装置を使用し、所定の溝形状が形成されるように、上記溶接部の溶接止端部に沿ってピーニング処理を施せばよい。

このピーニング処理方法としては、例えば、特許文献３に記載されたような超音波ピーニング装置を用いた超音波ピーニング処理であることが好ましい。
すなわち、本発明の（３）は、上記（２）の発明の方法において、ピーニング処理痕を超音波衝撃処理によって形成するものである。超音波ピーニング処理では一回の打撃によって与える変形量は小さいが、打撃回数が極めて多く、所要の溝形状を効率的に形成すると共に、溶接止端部の引張残留応力を低減させることができる。

この超音波ピーニング処理装置１１の概要は、その一例として図５に示すように、トランスデューサー１２とトランスでユーサーの前面に設けられたウエーブガイド１３と、ウエーブガイドの先端に設けられ、自由振動体（打撃ピン）１４を支持するホルダー１５と、このホルダーを支持する支持体１６から基本的に構成されており、後端にハンドル１７を有するケース１８に収納されている。電源１９から供給された電気エネルギーはトランスデューサー１２により超音波領域の機械振動に変換される。この生じた超音波振動は、これに接続されているウエーブガイド１３を伝播し、このウエーブガイドの径が前方に向かって絞られていることによって超音波振動の伝播速度が変性され、振動が増幅される。この超音波振動は、ウエーブガイド１３の先端からホルダー１５で支持されている自由振動体（打撃ピン）１４に伝わりこれを超音波振動させる。この自由振動体（打撃ピン）１４の振動により、処理対象物（図示せず）、例えば、溶接止端部を打撃し、ピーニング処理するものである。通常、ピーニング処理は、振幅２０〜６０μｍ、周波数は１５〜６０ｋＨｚ、出力０．２から１ｋＷで処理される。上述のように自由振動体（打撃ピン）の先端の曲率半径或いは処理速度などを調整することにより、所望のピーニング痕を形成することができる。

なお、溶接継手を金属板を中心に説明したが、実施例においては、裏面側からの通常の疲労き裂発生防止方法が適用困難な例として、鋼管を例にとって試験を行った。この場合、金属板は鋼管を形成する管壁に相当するものである。このように、本発明は、金属板自体の突合せ溶接継手に限らず、金属板から加工によって製作された金属部材の突合せ溶接継手も含まれることは言うまでもない。

供試材として直径２４１．８ｍｍ、管厚（板厚）６．０ｍｍのＪＩＳ Ｇ３１０６ ＳＧＰ Ａ２２５の鋼管を用いて溶接継手試験体を製作した。
開先の形状は、管端を図３に示すような形状に開先加工した後、周方向に等間隔に１６個のｖ字状の切り欠きを形成し、これを管軸方向に押し込むように内側に曲げて、開先が裏面側（管の内面より中心側）に張り出すようにした。すなわち、溶接金属の裏面側の頂部が裏面側より所定高さｘ張り出すようにした。
溶接は、被覆アーク溶接（溶接材料：ＪＩＳ Ｚ３２１１ Ｄ４３０１、溶接入熱：１７０００Ｊ／ｃｍ）により行った。
このとき、管の表面側においては表面より所定高さ張り出すように溶接した。溶接後、溶接止端部に沿って、先端部半径３ｍｍのピンを備えた超音波衝撃装置（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ社製ＵＩＴ装置）を用い、振動数２７ｋＨｚ、約０．８５ｋｗの出力でピーニング処理を施し、種々の溝状のピーニング痕を形成した。試作した各種の溶接継手試験体の裏面への張り出し高さ（ｘ）、表面への張り出し高さ（ｙ）、溶接止端部のピーニング処理痕の深さｄ、幅ｗを表１に示す。

この溶接継手試験体を用いて４点曲げ疲労試験を行った、図４は、鋼管を用いた疲労試験体の４点曲げ疲労試験方法を示す側面模式図である。上記のようにして製作した１７種類の鋼管の溶接継手試験体を図４に示すように受け冶具７，７で支持し、押し冶具８により、鋼管曲げ負荷時の最大表面応力が１３０ＭＰａ、応力比０．１の荷重振幅条件で、繰り返し負荷を付与する試験を行ない、止端部から発生したき裂が溶接金属を貫通するまでの繰り返し回数を調査した。その結果を、表１に併せて示す。

実験の結果、本発明の溶接継手については本発明の範囲から外れる条件となる継手や従来の溶接継手に比べ明らかにき裂貫通寿命（疲労き裂が板厚を貫通するまでの振幅回数）が長く、溶接ルートからのき裂発生もなく、本発明の有効性が明らかであった。特に、張り出し高さＸやＹが不十分であった試験体ＳＧ−１４〜ＳＧ−１７は、通常の継ぎ手としても溶接不良であり、き裂貫通寿命は短くなった。
また、試験体ＳＧ−１では、裏面及び表面からの張り出し量Ｘ，Ｙ、及びピーニング条件は満たすものの、裏当て金を使用したものであり、開先の形状が本発明とは異なるため、疲労き裂が裏当て金と鋼管の隙間の先端部から発生し、き裂貫通寿命は短く、十分な疲労特性は得られなかった。

本発明の金属板の突合せ溶接継手の溶接方向と直交する断面を示す模式図である。 本発明の金属板の溶接継手の製造方法における開先先端部の突き合わせ状況を示す溶接方向と直交する断面の模式図である。 本発明の金属板の溶接継手の製造方法における開先先端部の形成方法の一例を示す溶接方向と直交する断面の模式図である。 実施例における鋼管を用いた試験体の疲労試験方法を示す側面模式図である。 本発明においてピーニング処理を施すための装置の一例である超音波ピーニング装置を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 金属板（鋼板）
２ 金属板（鋼板）
３ 開先先端部
４ 溶接金属
５ ピーニング処理部（溝）
６ 実施例１の試験体
７ 受け治具
８ 押し治具
９ 開先
１０ 突合せ溶接部
１１ 超音波ピーニング装置
１２ トランスデューサー
１３ ウエーブガイド
１４ 自由振動体（打撃ピン）
１５ ホルダー
１６ 支持体
１７ ハンドル
１８ ケース
１９ 電源

Claims (3)

1. 金属板と金属板との突き合わせ端に形成された開先を片面側（以下、この面を金属板の表裏面のうちの表面側という）から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手において、前記開先の先端が金属板の裏面側において面外に張り出すと共に、溶接部の溶接金属が金属板の表面側及び裏面側において面外位置まで張り出しており、さらに、該溶接部の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であり、幅が該深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝状のピーニング処理痕を有することを特徴とする、疲労特性に優れた突合せ溶接継手。
2. 金属板と金属板との突き合わせ端に形成された開先を片面側（以下、この面を金属板の表裏面のうちの表面側という）から溶接してなる金属板の突合せ溶接継手の製造方法において、該開先の先端部にあらかじめ金属板の裏面側において面外位置までに張り出した開先先端部を加工形成し、該開先の先端同士を突き合わせて片面側より、溶接部の溶接金属が金属板の表面側および裏面側において面外位置まで張り出すように盛り付けて溶接したのち、該溶接部の表面側の溶接トウ部に、深さが０．１ｍｍ以上かつ板厚の１／１０以下であり、幅が該深さの５倍以上かつ１．５ｍｍ以上の溝状の処理痕を形成するようにピーニング処理を施すことを特徴とする、疲労特性に優れた突合せ溶接継手の製造方法。
3. 前記ピーニング処理が、超音波衝撃処理であることを特徴とする、請求項２に記載の疲労特性に優れた突合せ溶接継手の製造方法。

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