JP2010142870A

JP2010142870A - 超音波打撃処理を用いた加工方法

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Publication number: JP2010142870A
Application number: JP2008326065A
Authority: JP
Inventors: Tamaki Suzuki; 環輝鈴木; Noriyoshi Tominaga; 知徳冨永; Tetsuo Nose; 哲郎野瀬
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2010-07-01
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: JP5251486B2

Abstract

【課題】突合せ溶接継手の溶接止端部に生じた引っ張り残留応力に対して大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する環境で従来よりも疲労特性を向上させるための超音波打撃処理法を提供する。
【解決手段】溶接止端部に沿った方向の材料表面上に超音波打撃処理を施して、鋼板表面から２０μｍ〜３００μｍの最大深さを有する加工帯を形成する際、その打撃処理位置が、溶接止端部を含まない部分であり、前記加工帯の端部が溶接止端部から０．１ｍｍ以上７ｍｍ以下の範囲に位置するようにして超音波打撃処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、橋梁の橋桁、自動車や自動二輪の足回りの部品、家電製品などの成型部品などの疲労特性を改善する技術に関し、特に引張り残留応力が生じやすい溶接部または塑性加工部に圧縮応力を導入し、疲労特性を向上するための超音波打撃装置を用いた加工法に関する。

一般に溶接構造物における溶接部及びその近傍（以下、溶接止端部ということもある）は、溶接後の熱収縮により引っ張り残留応力が生じやすいと同時に、その形状が急峻な角度を有する切欠形状となりやすいことに起因して、溶接継手の繰返し応力付加時に応力集中部となりやすい。
また、冷間プレス成形などにより強い引っ張り応力が付与される金属部品の塑性変形領域にも、同様に引っ張り残留応力が生じる。

特に、橋梁の橋桁、自動車の足回り部品などの溶接構造物、自動車ホイールなど成形部品などでは、繰り返し荷重を受ける環境下で使用されるため、引っ張り残留応力が生じやすい溶接部や塑性変形部位が疲労亀裂の発生箇所となり、疲労特性を低下させる主要な原因となっている。

従来、溶接構造物の溶接止端部に生じた引っ張り残留応力部に対して外部から圧縮応力を導入し、疲労特性を改善させるための方法として、ショットピーニング、ハンマーピーニング、超音波打撃処理等が知られている。

ショットピーニングは、１ｍｍ以下の硬質金属球体を圧縮空気などにより処理対象物表面に吹き付けることにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。また、ハンマーピーニングは、硬質金属棒を用いて処理対象物表面を機械的に打撃することにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。

これに対し、超音波打撃処理は、上記ショットピーニングやハンマーピーニングに比べて、反動が少なくて作業性が良く、また、比較的深い領域まで圧縮残留応力を導入できる方法として知られている。この超音波打撃処理は、硬質金属製の超音波振動端子を超音波を用いて高周波数で振動させ、その端子で処理対象物表面を打撃することにより、処理対象物表面に圧縮残留応力を導入する方法である。

しかし、ショットピーニング、ハンマーピーニング、超音波打撃処理は、いずれも、硬質金属により打撃して処理対象物表面に圧縮応力を付与する方法であるため、処理表面に圧縮残留応力を多く導入しようとすると、結果的に表面性状を劣化させることになり、さらに、表面に形成された凹部は応力集中部および疲労亀裂発生基点となる恐れがあるため、疲労強度の飛躍的な向上には限界があった。

この超音波打撃処理技術については、特許文献１に開示されている。また、その技術を用いて溶接継手の疲労強度を向上させる技術としては、例えば、特許文献２〜４に開示されている。

特許文献２には、重ね合わせした端部を溶接した後に、疲労強度向上の為に、打撃する位置を規定する方法が開示されている。しかし、この方法により規定された打撃位置は、溶接止端部を含めた位置であったため、処理表面に圧縮残留応力を多く導入する場合は、打撃表面に形成された凹部は応力集中部および疲労亀裂発生基点となるおそれがあり、疲労強度を飛躍的に向上するためには限界があった。また、溶接止端部に圧縮の応力が導入されるが、形状変化によりその絶対値には限界があった。

特許文献３、特許文献４には、溶接止端部を含めない箇所についても超音波打撃することが開示されているが、これらの溶接継ぎ手形状は、溶接止端部での応力集中が高い隅肉溶接継ぎ手であり、溶接止端部で応力集中の小さい突合せ溶接継手には適用できないという問題があった。

米国特許６１７１４１５号明細書特開２００４−１３０３１５号公報特開２００４−１３０３１３号公報特開２００４−１３０３１６号公報

上記従来技術の現状を鑑みて、本発明は、２枚の金属板を突き合わせて溶接した突合せ溶接継手の溶接止端部に生じた引っ張り残留応力に対して、超音波打撃処理法を用いて大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する環境で従来よりも疲労特性を向上させるための超音波打撃処理法を提供することを目的とする。

２枚の金属板を突き合わせて溶接した突合せ溶接継手のボンド部における特定の範囲を超音波振動端子で打撃することによって、仮にビード形状不良が生じても、従来に比べて高い疲労強度を確保できる突合せ溶接継手の疲労強度向上方法を提供するものであり、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。

本発明によれば、超音波打撃処理を用いた加工方法における処理位置を最適制御することにより、２枚の鋼板を突き合わせて溶接した突合せ溶接継手の溶接止端部に生じた引っ張り残留応力のうち、特に繰り返し荷重が作用する方向に大きな圧縮残留応力を効率的・効果的に導入することができ、その結果、溶接構造物および成形加工部品の疲労特性を従来よりも向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態について、図１及至図４を用いて詳細に説明する。
図１は、超音波打撃装置を用いた加工方法を例示する図である。
図１においては、突合わされた鋼板１および鋼板２は、溶接金属３により突き合せ溶接されている。超音波打撃処理は、超音波振動端子４により、溶接金属３に沿った方向に鋼板を打撃することにより行われる。その結果、超音波振動端子４により打撃された部分に、溶接金属３に沿った加工帯５が形成される。

図１に示すように、溶接止端部７に沿った鋼板１表面上に、超音波打撃処理による加工帯５を形成し、その加工帯５が、溶接止端部７を含まないよう加工する。その際、その加工帯５の溶接金属３に近い側の加工帯端部６の位置が、加工帯に近い側の溶接止端部７から０．１ｍｍ以上７ｍｍ以下、すなわち、加工帯端部６と溶接止端部７の間の距離が０．１ｍｍ以上７ｍｍ以下となるように加工するのがよいことを見出した。

疲労が生じる箇所に圧縮応力が入っていると、疲労寿命が向上する。このとき、圧縮残留応力の絶対値が大きいほどその疲労強度向上効果は大きいものと考えられる。特につき合わせ溶接のように、溶接止端部における応力集中係数が大きくない場合、疲労向上効果は大きい。さらに、鋼材の強度が高い程、導入される圧縮の残留応力は高くなるため、鋼材強度が高い程、疲労向上効果は大きい。

しかし、図２に示すような、溶接止端部も打撃する従来から行われている超音波打撃処理方法では、実験してみると、打撃処理前に溶接止端部であった位置について、打撃加工により生じた加工帯処理方向に直角方向（図２に示すＸ方向）では、圧縮応力が導入されるが、その値は十分に大きな値ではない結果が得られた。

しかも、溶接金属に遠い側の加工帯処理端部６から少し離れた位置９について、加工帯処理方向に直角であるＸ方向の圧縮残留応力は、溶接金属に遠い側の加工帯処理端部よりも、導入される圧縮の応力の絶対値が大きいことも判明した。

この理由を推定すると、以下のようになる。
超音波打撃処理では、超音波で駆動した超音波振動端子により打撃加工された加工帯周辺には圧縮の残留応力が導入されるが、打撃箇所（加工帯真上）においては、その衝撃で形状が変化することにより、圧縮の残留応力の一部は開放されてしまうと考えられる。
これに対し、打撃箇所から離れた位置においては、形状変化もなく、導入された圧縮の残留応力がすべて残留することにより、打撃位置よりも絶対値の高い圧縮残留応力となり、加工帯よりもさらに離れた領域においては、応力バランスで、逆に引張残留応力となると考えられる。

以上の結果から、以下のことを想定した。
処理の進行方向に直角の方向での圧縮残留応力の値は、打撃処理位置と止端部との距離に関係し、止端部から離して打撃処理を行い、その離す距離を適度にすることにより、止端部の処理方向に垂直方向での圧縮残留応力の絶対値を大きくすることができる。

これらの考えを基礎に、直径Ｄ＝２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍの超音波振動端子を用いて、処理位置と溶接線の距離を変えて、溶接線に平行に加工帯を形成した場合の止端部の処理垂直方向の残留応力がどのように変化し、疲労特性にどのように変化するかを検討した。

（実験方法）
超音波打撃（ＵＩＴ）装置（Applied Uitrasonic社製）：電源１ｋｗ、周波数２７ｋＨｚ
超音波振動端子の直径：２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ
出力パワー：機器と機器の設定値に依存する。このＵＩＴ装置では、装置についている
回転つまみで１〜９まで調整できるが絶対値は不明であった。
また、超音波打撃処理を施して加工帯を形成する際、打撃処理速度（打撃処理位置における単位時間あたりの処理長さ）をＴ［ｍm／sec］、打撃処理ピンの直径をＤ［mm］としたときに、下記式１で定義される打撃処理密度Ａ［sec／ｍm³］を変えて実験を行った。
Ａ＝１／（Ｔ・Ｄ² ）・・・（式１）

（残留応力の測定）
残留応力の測定は、Ｘ線回折によりｓｉｎ２ψ−２θ法を用いて行った。測定に用いた装置はリガク（株）のＭＳＦ−２Ｍを用い、Ｘ線の管球はＣｒ、検出器はシンチレーション計測器を用い、電圧は３０ｋｖ、電流は１０ｍＡ、回折線の測定方法に並傾法を用い、Ｘ線の入射方法にψ一定法を用い、入射角ψは０度、１５度、３０度、４５度の４点について、検出器を１５１度〜１６１度までの範囲について３ｓｅｃ／ｓｔｅｐ、ステップ間隔０．２５度でステップ操作をして測定し、ピークの決定には半値幅法を用いた。

応力測定においては、フェライトの［２１１］回折面を利用し、物理定数として吸収係数８５０．０４、ヤング率２１０００ｋｇｆ／ｍｍ^２、ポアッソン比０．２８、応力定数−３２．４４を用いた。測定領域は０．５ｍｍ（処理方向に垂直な方向）×６ｍｍ（処理方向）について測定を行った。

図３は、溶接止端部に近い側の加工帯端部から加工帯に近い側の溶接止端までの距離Ｘと加工帯に近い側の溶接止端部での残留応力の関係を示す図である。
図３においては、横軸の前記距離Ｘと残留応力との間に相関が見られ、その距離が７ｍｍ以下であれば、溶接止端部を超音波加工した場合よりも、圧縮の残留応力が高いことがわかる。

このことから、溶接金属に近い側の加工帯端部と加工帯に近い側の溶接止端部の距離Ｘを７ｍｍ以下にすれば、溶接止端部を含む位置に加工帯を形成した場合に比べ、加工帯に近い側の溶接止端部の残留応力を高くすることができる。
その際、溶接金属に近い側の加工帯端部を溶接止端部にできるだけ近づけていけば、加工帯に近い側の溶接止端部での残留応力を高くすることができるが、あまり近づけすぎた場合には、溶接止端部を処理してしまうため限界があり、実際には溶接止端部に未処理領域を残した上で０．１ｍｍより内に近づけることは難しい。

以上のように超音波打撃位置での残留応力を高くすることができれば、疲労強度を向上させることができる。
図４に、溶接止端部に近い側の加工帯から加工帯に近い側の溶接止端部までの距離Ｘと加工帯に近い側の溶接止端部の疲労強度（破断寿命が２００万回となる応力範囲）の関係を示すが、上記距離Ｘを７ｍｍ以下にすれば、疲労強度も向上することが示されている。

さらに、超音波打撃端子のサイズ（ピンサイズ）を変えた場合について検討したところ、単位面積あたりの打撃密度（単位時間に単位面積に与えられるエネルギー＝1／単位時間あたりの処理長さ・ピンの面積）を同じにした場合、残留応力の分布はほぼ同じになり、疲労強度も同程度の結果となった。

そこで、打撃処理密度の大きさについて検討した結果、その値を０．０１２５［sec／mm^３］以上とすることにより、より高い圧縮残留応力を付与できることがわかった。
すなわち、打撃処理位置における単位長さあたりの処理時間をＴ［mm／sec］、打撃処理ピンの直径をＤ［mm］としたときに、下記式１で定義される打撃処理密度Ａ［sec／mm^３］が、０．０１２５［sec／mm^３］以上となるように、打撃処理ピンの直径に応じて単位長さあたりの処理時間を選定して、超音波打撃処理を実施すればよい。
Ａ＝１／（Ｔ・Ｄ² ）・・・（式１）

なお、打撃処理密度の値の上限は、特に制限されるものではないが、処理時間の現実的な制約から、現状では、３７．５［sec／mm^３］である。
また、これらの効果をより顕著に得るためには、加工帯においては、処理前の表面に対して、深さ20ｕｍ〜深さ300ｕｍ程度の圧痕を形成するように打撃することが望ましい。

突合せ溶接継手としては、本発明においては、金属板の突合せ溶接継手の形成に適用できる溶接方法であれば、継手を形成する溶接方法は特に問わない。レーザー溶接、プラズマ溶接や電子ビーム溶接などの高エネルギービーム溶接のほか、一般に用いられるアーク溶接によって形成された継手にも適用できる。

（実施例１）
板厚１．２ｍｍ、強度４９０ＭＰａの鋼板２枚を突き合わせ、レーザー溶接によって突き合わせ溶接した後、直径２ｍｍ，４ｍｍ，８ｍｍの超音波振動端子により本発明例の打撃処理を行った。継手サイズは４０ｍｍ（幅）×２００ｍｍ（長さ）とした。レーザー溶接にはＹＡＧレーザーを用い、加工点出力を３．０ｋＷ、溶接速度を７．５ｍ／ｍｉｎ、焦点のビーム直径を０．４ｍｍとした。シールドにはセンターシールドトーチ、ガスとして窒素を用いた。ビームの焦点位置は、鋼板表面とした。

超音波振動装置は、電源１ｋＷ、周波数２７ｋＨとし、超音波振動端子の振幅は３０μｍ〜４０μｍ、打撃処理速度（単位時間あたりの処理長さ）は、ピンのサイズにより打撃密度が変わるため、打撃密度が一定となるよう、２ｍｍピンでは２０ｍｍ／ｓｅｃ，４ｍｍピンでは５ｍｍ／ｓｅｃ，８ｍｍピンでは５ｍｍ／４ｓｅｃで行なった。

上記のようにピンの形状および打撃処理速度を変えた場合について、超音波振動端子による打撃処理を行った後の疲労特性を、打撃処理を溶接止端部真上に処理したものと比較し、疲労強度が１０％以上向上したものをＯＫ、それ以下のものをＮＧとした。
なお、疲労試験条件は、荷重比（最小荷重／最大荷重）＝０．１、繰り返し速度＝１０ｋＨｚの片振り引張とした。

これらの試験条件と評価結果を表１〜３に示す。
表１〜３に示すとおり、本願発明の規定範囲内（打撃処理位置：溶接止端部から０．１〜７ｍｍの範囲内、打撃処理密度：０．０１２５sec／ｍm^３以上）で超音波打撃処理を行った発明例１〜２７は、本願発明の規定範囲を外れて処理を行った、あるいは処理を行わなかった比較例１〜２０に比べて継ぎ手の疲労強度が向上できることが示される。

（実施例２）
板厚１．２ｍｍ、強度７８０ＭＰａの鋼板２枚を突き合わせ、レーザー溶接によって突き合わせ溶接した後、直径２ｍｍの超音波振動端子により本発明例の打撃処理を行った。継手サイズは４０ｍｍ（幅）×２００ｍｍ（長さ）とした。レーザー溶接にはＹＡＧレーザーを用い、加工点出力を３．０ｋＷ、溶接速度を７．５ｍ／ｍｉｎ、焦点のビーム直径を０．４ｍｍとした。シールドにはセンターシールドトーチ、ガスとして窒素を用いた。ビームの焦点位置は、鋼板表面とした。

超音波振動装置は、電源１ｋＷ、周波数２７ｋＨとし、超音波振動端子の振幅は３０μｍ〜４０μｍ、打撃処理速度は１０ｍｍ／ｓｅｃ（打撃処理密度：０．０２５sec／ｍm^３）で行なった。

超音波振動端子による打撃処理を行った後の疲労特性を、打撃処理を溶接止端部真上に処理したものと比較し、疲労強度が１０％以上向上したものをＯＫ、それ以下のものをＮＧとした。なお、疲労試験条件は、荷重比（最小荷重／最大荷重）＝０．１、繰り返し速度＝１０ｋＨｚの片振り引張とした。

これらの試験条件と評価結果を表４に示す。
表４に示すとおり、本願発明の規定範囲内（溶接止端部から０．１〜７ｍｍの範囲内）で超音波打撃処理を行った発明例２８〜３６は、本願発明の規定範囲を外れて処理を行った比較例２１〜２６、打撃処理を行わなかった比較例２７に比べて継ぎ手の疲労強度が向上できることが示される。

（実施例３）
板厚１．２ｍｍ、強度４９０ＭＰａの鋼板２枚を突き合わせ、アーク溶接によって突き合わせ溶接した後、直径２ｍｍの超音波振動端子により本発明例の打撃処理を行った。継手サイズは４０ｍｍ（幅）×２００ｍｍ（長さ）とした。

超音波振動装置は、電源１ｋＷ、周波数２７ｋＨとし、超音波振動端子の振幅は３０μｍ〜４０μｍ、打撃速度は２０ｍｍ／ｓｅｃで行なった。

これらの試験条件と評価結果を表５に示す。
表５に示すとおり、本願発明の規定範囲内（溶接止端部から０．１〜７ｍｍの範囲内）で超音波打撃処理を行った発明例３７〜４５は、本願発明の規定範囲を外れて処理を行った比較例２８〜３３、打撃処理を行わなかった比較例３４に比べて継ぎ手の疲労強度が向上できることが示される。

（比較例１）
板厚１．２ｍｍ、強度４９０ＭＰａの鋼板２枚を突き合わせ、レーザー溶接によって突き合わせ溶接した後、直径２ｍｍ、４ｍｍの超音波振動端子により打撃処理を行った。継手サイズは４０ｍｍ（幅）×２００ｍｍ（長さ）とした。レーザー溶接にはＹＡＧレーザーを用い、加工点出力を３．０ｋＷ、溶接速度を７．５ｍ／ｍｉｎ、焦点のビーム直径を０．４ｍｍとした。シールドにはセンターシールドトーチ、ガスとして窒素を用いた。ビームの焦点位置は、鋼板表面とした。

超音波振動装置は、電源１ｋＷ、周波数２７ｋＨとし、超音波振動端子の振幅は３０μｍ〜４０μｍ、打撃速度は、打撃密度が変わるよう、２ｍｍピンで３０ｍｍ／ｓｅｃ，４ｍｍピンでは１０ｍｍ／ｓｅｃでおこなった。
これらの試験条件と評価結果を表６、７に示すが、上記のようにピンの形状および打撃処理速度を変えて、打撃密度を変えた場合について、超音波振動端子による打撃処理を行った後の疲労特性を、打撃処理を溶接止端部真上に処理したものと比較したが、いずれも疲労強度の向上率が１０％未満であった。
なお、疲労試験条件は、荷重比（最小荷重／最大荷重）＝０．１、繰り返し速度＝１０ｋＨｚの片振り引張とした。

本発明における超音波打撃処理方法を示す図である。従来の超音波打撃処理方法を示す図である。溶接止端部から超音波処理の位置までの距離と溶接止端部の残留応力との関係を示す図である。溶接止端部から超音波処理の位置までの距離と溶接継手の疲労強度（破断寿命が200万回となる応力範囲）との関係を示す図である。

符号の説明

１、２金属板
３溶接金属
４超音波振動端子
５加工帯
６加工帯端部
７溶接止端部
Ｘ溶接止端部から加工帯端部までの距離
Ｄ超音波振動端子の直径

Claims

２枚の鋼板の端部を突合わせて溶接された突合せ溶接継手の溶接止端部近傍を超音波打撃処理することにより、突合せ溶接継手の疲労強度を向上する加工方法であって、溶接止端部に沿った方向の材料表面上に超音波打撃処理を施して、鋼板表面から20μｍ〜300μｍの最大深さを有する加工帯を形成する際、その打撃処理位置が、溶接止端部を含まない鋼板部分であり、かつ、前記加工帯の端部が溶接止端部から０．１ｍｍ以上７ｍｍ以下の範囲に位置することを特徴とする超音波打撃処理を用いた加工方法。
前記超音波打撃処理を施して前記加工帯を形成する際、打撃処理位置における単位時間あたりの処理長さをＴ［mm／sec］、打撃処理ピンの直径をＤ［mm］としたときに、下記式１で定義される打撃処理密度Ａ［sec／mm^３］が、０．０１２５［sec／mm^３］以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波打撃処理を用いた加工方法。
Ａ＝１／（Ｔ・Ｄ² ）・・・（式１）