JP2011245544A - 溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼橋など優れた疲労特性が要求される鋼構造物に好適な、溶接部に新たな応力集中部となる変形を与えずに圧縮残留応力を導入し疲労強度を向上させた溶接継手を提供する。
【解決手段】鋼材の溶接継手であって、溶接の止端周辺の鋼材表面に、その先端に面積が４ｍｍ^２以上の四角形、好ましくは矩形を有する、ハンマーピーニングまたは超音波衝撃装置の振動端子によって溶接ビードに沿って連続形成された打撃痕を有し、前記打撃痕は、前記振動端子によって、溶接止端より母材側に２ｍｍまでの領域に、最大深さが０、０３ｍｍ以上０、４０ｍｍ未満に形成されたことを特徴とする溶接継手。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼橋など優れた疲労特性が要求される鋼構造物に好適な溶接継手で、溶接部に新たな応力集中部となる変形を与えずに圧縮残留応力を導入し疲労強度を向上させたものに関する。

近年、鋼橋の老朽化に伴い腐食や疲労に伴う損傷事例の報告が増加している。これらの防止にはまず検査体制を確立することが必要であるが、特に疲労損傷の場合は、通過車両などの作用外力を軽減したり、設計製作面からの溶接品質の向上が重要である。

溶接部は、割れなどの欠陥が存在したり、止端部の形状が不適で応力集中部となると繰り返し応力に溶接残留応力の影響が重畳して疲労ノッチが発生しやすく、疲労破壊をもたらす場合があるため、その防止のため種々の観点からの提案がなされている。

特許文献１は、溶接部の疲労強度向上方法およびそれを用いた溶接構造物に関し、溶接止端部の近傍を超音波振動しながら打撃して塑性変形させる加工装置で、特定寸法の溝を所定の打撃条件で加工することで高速に作業者の熟練度に依存しないで安定して疲労強度を向上させることが記載されている。

特許文献２は、レーザ衝撃ピーニング方法に関し、レーザ光源からのパルスレーザビームを使用して、表面の薄層もしくはプラズマを形成する表面のコーティングを瞬間的に気化させてその爆発力により表面の一部に局所的に圧縮力を発生させる方法で、ガスタービンエンジンのファン動翼に圧縮残留応力を導入させることが記載されている。

特許文献３は、溶接継手の疲労特性改善打撃処理方法及びその装置に関し、先端が特定寸法の打撃ピンを用いて、溶接止端部に打撃痕による特定寸法の溝部が形成されるように鋼板表面を圧縮して溶接部に圧縮残留応力を導入することが記載されている。

非特許文献１は、ハンマーピーニング及びＴＩＧ処理による高強度鋼（ＳＭ５７０）の溶接継手部の疲労強度向上法に関し、ハンマーピーニングを施すと疲労強度が低下する場合があるため、溶接止端部の応力集中や残留応力を低減させる新たなハンマーピーニング法について検討した結果が記載されている。

通常、ハンマーピーニングは、作業者が手持ちのピーニング装置を溶接止端部にチップ先端（振動端子とも言う）が斜め上方から当たるように持って、ピーニング装置の荷重を溶接止端部に預けるようにして作業を行い作業負荷を軽減している。

そのため、図６に示す母材１にリブ２を直立させた面外ガセット継手にハンマーピーニングを施した場合、ピーニング装置のチッパー５の先端により溶接止端部に応力集中箇所となる深い溝が形成され、溶接ビード３の先端部から疲労き裂７が発生する場合がある。

非特許文献１にはハンマーピーニングの前にグラインダで溶接止端部の一部を予め研削すると疲労ノッチの発生防止に有効であることが紹介され、ハンマーピーニングを３パス程度の複数回行うことを提案している。

特開２００６−１７５５１２号公報 特開２００６−１５９２９０公報 特開２０１０−２９８９７号公報

ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＦＡＴＩＧＵＥ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＯＦ ＷＥＬＤＥＤ ＪＯＩＮＴＳ ＢＹ ＨＡＭＭＥＲ ＰＥＥＮＩＮＧ ＴＩＧ−ＤＲＥＳＳＩＮＧ：Ｋｅｎｇｏ ＡＮＡＭＩ、Ｃｈｉｔｏｓｈｉ ＭＩＫＩ、Ｈｉｄｅｋｉ ＴＡＮＩ、Ｈａｒｕｈｉｔｏ ＹＡＭＡＭＯＴＯ、Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ Ｅｎｇ．／Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇ．、ＪＳＣＥ、Ｖｏｌ．１７、ＮＯ．１、５７ｓ−６８ｓ．２０００ Ａｐｒｉｌ）

ところで、溶接構造物を製造する際、作業環境、作業能率および溶接継手性能を考慮した溶接方法が選定され、溶接部の疲労強度向上のため、特許文献１等に記載の溶接部の疲労強度向上方法が施されるが、疲労特性に優れた溶接継手の特徴が明確であれば、溶接方法の選定と同様に最適な疲労強度向上方法を選定することが可能となる。

特許文献３記載の打撃処理方法は、先端曲率半径が金属材料の厚さの１／２以下かつ２〜１０ｍｍの打撃ピンを用い、打撃ピンが打撃中に溶接金属に触れない範囲までの母材金属材料表面に打撃痕を与えるものであるが、効率的に圧縮残留応力を導入するのは困難である。また、特許文献１記載の超音波によるピーニング方法は使用する装置が従来の空気圧でチップを駆動する装置と比較すると高価で入手も困難である。特許文献２記載のレーザ衝撃ピーニング方法は、素材の前処理が必要で、且つ装置が高価で大きく、鋼橋製造に適用することは難しい。

そこで、本発明は、上記課題を解決するため、疲労特性に優れた溶接継手を提供することを目的とする。

本発明者らは溶接継手の疲労強度を向上させるため、特に疲労き裂が発生しやすい止端部の溶接による引張残留応力を軽減させる方法について鋭意検討し、ハンマーピーニングによる打撃痕を溶接止端より母材側に離して形成した場合に、打撃による最大の圧縮残留応力を溶接止端に導入することが可能なことを見出した。本発明は上記知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は
１.ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理された、鋼材の溶接継手であって、振動端子によって溶接ビードに沿って鋼材表面に連続形成された打撃痕を有し、前記振動端子は、先端部が、面積が４ｍｍ^２以上の平坦な四角形で、前記打撃痕は、前記振動端子によって、溶接止端から母材側に２ｍｍまでの領域に、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．４０ｍｍ未満に形成されたことを特徴とする溶接継手。

２.前記四角形が矩形であることを特徴とする１記載の溶接継手。

本発明によれば、溶接部の疲労強度に優れた溶接継手が得られ、産業上、極めて有用である。

本発明に係る溶接継手により疲労特性が向上する原理を説明する概略図。 振動端子の先端部の形状が、打撃で生じる圧縮残留応力に及ぼす影響を示す図で、（ａ）は先端部の形状、（ｂ）は打撃中心からの圧縮残留応力の分布状態を示す図。 図２（ａ）に示す振動端子の断面方向を説明する図。 実施例の疲労試験体の平面図（ａ）と側面図（ｂ）。 疲労試験結果（実施例）を示す図。 ハンマーピーニングにより溶接止端に生じる欠陥を説明する図。

本発明は鋼材の溶接継手であって、溶接金属や溶接止端を除いた、溶接止端周辺の鋼材表面に、溶接ビードに沿って打撃痕を連続形成することによって、溶接止端部に圧縮の残留応力を導入することを特徴とする。以下の説明において止端（溶接止端ともいう）は部材の面と溶接金属の表面との交線とする（図解溶接用語辞典日刊工業昭和４６年９月２０日第４版）。

図１は本発明に係る溶接継手により疲労特性が向上する原理を説明するための概略図で、母材１にリブ２を廻し溶接で溶接した溶接継手の側面図を示す。溶接ビード３の止端４から距離ｄ離れた母材１の表面が、母材表面と垂直方向に幅Ｂのチップ（図示しない）で母材表面が加圧されて塑性変形（点線で表示）を生じた打撃痕となっている。

母材１の表面において打撃痕の位置（止端４からの距離ｄで規定）は、幅Ｂのチップにより打撃痕を形成する際、母材１に生じる圧縮残留応力が止端４の溶接による引張残留応力を打消して、その結果、止端４に圧縮残留応力が導入されるように、規定する。本発明では打撃痕が溶接止端に接して形成される場合（距離ｄ＝０の場合）を含むものとする。

本発明に係る溶接継手では、止端４での引張残留応力に及ぼす、打撃痕を形成する際に母材１に生じる圧縮残留応力の影響の指標として、母材表面を加圧して、母材表面に打撃痕を形成するために用いる振動端子の形状と、溶接止端より母材側に特定の幅の領域における打撃痕の最大深さを用いる。尚、本発明に係る溶接継手では、溶接止端を含めて溶接ビードを打撃しないことを原則とするが、作業開始直前および直後の調整などで溶接ビードに塑性変形を与えない程度に一時的に打撃することは差し支えない。

先端部に面積が４ｍｍ^２以上の平坦な四角形を有する振動端子を用いるハンマーピーニングや超音波衝撃処理装置によって母材（平板）表面に対して振動端子の中心軸が垂直となるようにして打撃痕を形成し、止端４より母材１側に、底部までの最大深さが０．０３ｍｍ以上０．４０ｍｍ未満の打撃痕とする。振動端子は母材表面を垂直方向に打撃する。

図２は（ａ）に示した振動端子モデルに負荷を与えて母材を母材（平板、降伏強さ２９４ＭＰａ・引張強さ４４５ＭＰａの１２ｍｍ厚鋼板）表面に対して振動端子の中心軸が垂直となるようにして０．１ｍｍ押し込み、母材表面側に凹の変形を与えた後、負荷を解除した場合をシミュレートして応力分布をＦＥＭ解析で求めたものであり、打撃中心からの圧縮残留応力の分布状態を（ｂ）に示す。

振動端子による圧縮残留応力は左右対称のため、図２(b)は振動端子の軸中心から右半分を示す。図２（ａ）のＸＺ断面、ＹＺ断面は図３の規定による。図２(b)の縦軸は残留応力、（ｂ）の横軸は、振動端子の軸中心からの距離を示し、１．振動端子の先端形状が矩形の場合（１．先端矩形）、Ｘ座標２ｍｍが幅４ｍｍの振動端子の右側の側面の位置で、Ｘ座標１．５ｍｍが打撃痕の右端部となる。

振動端子の先端形状が矩形の場合（１．先端矩形）、先端が半球状のもの（２．先端球形）に比べて、一回の打撃で圧縮残留応力が鋼板表面に導入される範囲が広く、また、最大の圧縮残留応力に近い値が広い範囲で維持される。図2（ｂ）では、３００〜４００ＭＰａの圧縮残留応力が生じている幅は約３ｍｍであるが、先端部が半球状の振動端子では幅約１ｍｍである。

従って、振動端子の先端形状が四角形の場合（１．先端矩形）、先端が半球状のもの（２．先端球形）に比べて、少ない回数で同一箇所を繰返し打撃することが可能で、能率良く、安定して深い打撃痕形状が得られる。尚、母材の強度によっては打撃によって四角形の周囲にき裂が生じる場合があるので、能率を損なわない程度に、四角形の平坦部の周囲の角部に面取りを施しても良い。

振動端子先端の四角部は、面積が４ｍｍ^２未満の場合、母材表面と垂直方向に加圧することが困難となるため、４ｍｍ^２以上とする。

また、止端部４より母材１側に形成される打撃痕の底部までの最大深さが０．０３ｍｍ未満では、溶接止端に圧縮応力を付与することができず、一方、０．４０ｍｍ以上では打撃痕周辺の塑性変形が過大となり新たな応力集中源となる。

本発明では、上述した深さを有する打撃痕を溶接止端から母材側に２ｍｍまでの領域内に形成する。図２より、溶接止端に接して打撃痕が形成される場合（溶接止端がＸ座標１．５ｍｍに位置する場合）でも圧縮残留応力を溶接止端に導入することが可能である。

また、鋼構造物には多方面から荷重が作用するので打撃痕は溶接ビードに沿って連続的に形成することが好ましいが、特に溶接ビードで疲労損傷の発生が危惧される部分に沿ってのみ打撃痕を形成しても良い。

振動端子先端が矩形の場合、打撃時は、打撃痕先端の長辺側を溶接止端に平行に打撃するのが好ましい。溶接止端に平行な部分が長くなるほど、圧縮残留応力が広い範囲で分布するからである。溶接止端に接して打撃する場合、打撃痕先端の母材側の長辺を溶接止端に接して打撃する。

本発明に係る溶接継手では、溶接金属や溶接止端に応力集中源となる変形を生じさせないため、溶接金属や溶接止端に打撃痕を形成しないように、振動端子の先端部の形状と、溶接止端より母材側に２ｍｍまでの領域内において打撃痕を形成する位置とを適宜組み合わせる。振動端子の先端部は、面積が４ｍｍ^２以上の平坦な四角形において長短の辺の長さを変える。

打撃痕は繰り返し衝撃的な打撃を母材表面に与えるハンマーピーニングや超音波衝撃処理装置によって形成することが好ましい。打撃痕は、互いが一部または全てが重なるように複数回の打撃によって形成することが好ましい。

振動端子で母材表面を加圧する前に、溶接止端と母材の境界部にグラインダ研削などでｒ部を設けると母材表面の変形を溶接止端に及ばさずに、より大きな圧縮残留応力を溶接止端に導入させることが可能で好ましい。また、本発明による作用効果は、ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理のいずれであっても得られる。

幅１５０ｍｍ×長さ５００ｍｍ×板厚１２ｍｍの母材１（ＳＭ４９０Ｙ）に、７５ｍｍ×５０ｍｍのリブ２（ＳＭ４９０Ｙ）を廻し溶接（ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ、１００％ＣＯ_２、２４０Ａ−３０Ｖ−４０ＣＰＭ、１０．８ＫＪ／ｃｍ）にて溶接した試験体に、先端が３ｍｍ×４ｍｍの矩形の平坦部を有する振動端子によるハンマーピーニング（空気圧約６ｋｇ／ｃｍ^２、周波数９０Ｈｚ、移動速度０．２５ｍｍ／秒による）を溶接止端に当らないようにしながら母材側２ｍｍの領域内に、垂直に繰り返し打撃して行った。一部の試験片については溶接止端部と打撃痕の間に母材部が残るように打撃した。打撃痕を形成した後、疲労試験に供した。図４に試験体の平面図（ａ）と側面図（ｂ）を示す。

疲労試験は、試験体に対して、母材１の両端をチャッキングし、リブ２の長手方向に繰返し応力を与えて行った。

表１に打撃痕の形状（最大深さ、平均深さ、幅）、と形成された位置（止端からの距離）、疲労試験条件と疲労試験結果を示す。打撃痕深さの測定は、レーザ変位計を用いて、鋼板表面に沿って０．１ｍｍ毎に行った。表１において、溶接止端からの距離０．０ｍｍとは、溶接止端は打撃せず、母材における打撃痕と溶接止端が接した状態を指す。 図５に応力振幅と疲労寿命の関係を示す。本発明に係る溶接継手は優れた疲労特性を有することが認められる。

１ 母材
２ リブ
３ 溶接ビード
４ 止端
５ チッパー（振動端子）

Claims (2)

1. ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理された、鋼材の溶接継手であって、振動端子によって溶接ビードに沿って鋼材表面に連続形成された打撃痕を有し、前記振動端子は、先端部が、面積が４ｍｍ^２以上の平坦な四角形で、前記打撃痕は、前記振動端子によって、溶接止端から母材側に２ｍｍまでの領域に、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．４０ｍｍ未満に形成されたことを特徴とする溶接継手。
2. 前記四角形が矩形であることを特徴とする請求項１記載の溶接継手。