JP2013136096A - 溶接構造物の疲労損傷抑制方法および打撃痕形成用工具 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生することを確実に抑制することができる溶接構造物の疲労損傷抑制方法と打撃痕形成用工具を提供する。
【解決手段】溶接部の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成する打撃痕形成用工具として、溶接ビードを直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の曲率半径ｒで円弧状に湾曲し、かつ溶接ビードに沿って互いに平行な２つの端面８ａ，８ｂのうち一方の端面側に曲率中心ｒ_Ｏを偏らせた打撃痕形成面７を先端に有する打撃痕形成用工具６を用い、この打撃痕形成用工具６により最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕を溶接ビードに沿って連続的に形成して溶接ビードの止端近傍に圧縮残留応力を導入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生するのを抑制する方法と打撃痕形成用工具に関する。

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、設計製作の面から溶接品質を向上させたりすることが重要である。
鋼橋などの溶接構造物では、割れなどの欠陥が溶接部に生じたり、溶接ビードの形状が不適で応力集中が溶接ビードの止端近傍に発生したりすると、繰り返し応力による影響と溶接残留応力の影響が重畳して疲労き裂が溶接部に発生しやすくなり、疲労破壊をもたらす場合がある。

このような疲労破壊を抑制するため、特許文献１〜３には、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力を導入して溶接部の疲労強度を向上させる方法が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力を導入する手段として、チップを超音波振動させて溶接ビードの止端部に特定寸法の溝を加工する装置を用いるため、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という問題点がある。

また、特許文献２に記載の方法は、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力をレーザ衝撃ピーニングにより導入する方法であるため、素材の前処理が必要で、且つ装置が高価で大きく、鋼橋などの大形溶接構造物に適用することが難しいという問題点がある。
特許文献３に記載の方法は、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力をハンマーピーニングにより導入する方法であるが、先端の曲率半径が２〜１０ｍｍの打撃ピンを母材表面に溶接金属に触れないように押し当てて圧縮残留応力を導入する方法であるため、圧縮残留応力を導入することが難しいという問題点がある。

なお、非特許文献１には、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が、ハンマーピーニングは、通常、作業者がピーニング工具を工具先端が溶接ビードの止端部に斜め上方から当たるように持って行われる。このため、図２に示すように、母材１の表面上にリブ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、溶接ビード３の止端４に応力集中となる深い溝が形成され、溶接ビード３の止端４の近傍から疲労き裂が発生するおそれがある。

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

ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＦＡＴＩＧＵＥ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＯＦ ＷＥＬＤ ＪＯＩＮＴＳ ＢＹ ＨＡＭＭＥＲ ＰＥＥＮＩＮＧ ＴＩＧ−ＤＲＥＳＩＮＧ：Ｋｅｎｇｏ ＡＮＡＭＩ、Ｃｈｉｔｏｓｈｉ ＭＩＫＩ、Ｈｉｄｅｋｉ ＴＡＮＩ、Ｈａｒｕｈｉｔｏ ＹＡＭＡＭＯＴＯ，Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ Ｅｎｇ．／Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇ．、ＪＳＣＥ、ＶｏＬ．７、Ｎｏ．１、５７ｓ−６８ｓ、２０００ Ａｐｒｉｌ

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生することを確実に抑制することのできる溶接構造物の疲労損傷抑制方法と打撃痕形成用工具を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接構造物の溶接部に疲労損傷が発生するのを抑制する方法であって、前記溶接部の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成する打撃痕形成用工具として、前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲し、かつ前記溶接ビードに沿って互いに平行な２つの端面のうち一方の端面側に曲率中心を偏らせた打撃痕形成面を先端に有する打撃痕形成用工具を用い、該打撃痕形成用工具により最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕を前記溶接ビードに沿って連続的に形成して前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする。なお、円弧状の定義として、長径／短径の比が、１〜１．１であれば、円弧として使用できる。長径の向きは、特に規定しない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法において、前記打撃痕形成用工具として、前記溶接ビードに沿う前記打撃痕形成面の長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法において、前記打撃痕形成用工具として、前記端面に対して直角な２つの側面を有し、該側面の形状が前記打撃痕形成面に対してレの字形に形成された打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法において、前記打撃痕形成用工具として、前記打撃痕形成面と前記側面との境界部に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する円弧面を有する打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする。
請求項５の発明は、溶接構造物の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成するときに用いられる打撃痕形成用工具であって、前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲し、かつ前記溶接ビードに沿って互いに平行な２つの端面のうち一方の端面側に曲率中心を偏らせた打撃痕形成面を先端に有することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５に記載の打撃痕形成用工具において、前記打撃痕形成面の溶接ビードに沿う長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項５または６に記載の打撃痕形成用工具において、前記端面に対して直角な２つの側面を有し、該側面の形状が前記打撃痕形成面に対してレの字形に形成されていることを特徴とする。
請求項８の発明は、請求項７に記載の打撃痕形成用工具において、前記打撃痕形成面と前記側面との境界部に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する円弧面を有することを特徴とする。

本発明によれば、溶接ビードの止端に３００ＭＰａを超える圧縮残留応力を導入することが可能となるので、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生することを確実に抑制することができる。

本発明を実施するときに用いられる打撃痕形成用工具の一例を示す図である。 図１に示す打撃痕形成用工具により母材の表面に形成された打撃痕を示す図である。 先端が球面状に形成された打撃痕形成用工具を示す図である。 先端が平面状に形成された打撃痕形成用工具を示す図である。

図１〜図４は本発明に係る溶接構造物の疲労損傷抑制方法と打撃痕形成用工具を説明するための図であり、本発明を実施するときに用いられる打撃痕形成用工具６（図１参照）は、ＳＭ５７０等の高強度鋼から形成されているとともに、溶接ビード３（図２参照）と隣接する母材１の表面に打撃痕５を形成するための打撃痕形成面７を有している。この打撃痕形成面７は溶接ビード３を直角に横切る方向（図１のＸ方向）に沿って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の曲率半径ｒで円弧状に湾曲しているとともに、溶接ビード３に沿う長さＬが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の寸法で打撃痕形成用工具６の先端に形成されている。

また、打撃痕形成用工具６は溶接ビード３に沿って互いに平行な２つの端面８ａ，８ｂを有し、これらの端面８ａ，８ｂのうち一方の端面側（例えば端面８ａ側）に曲率中心ｒ_Ｏを偏らせて打撃痕形成面７が打撃痕形成用工具６の先端に形成されている。
さらに、打撃痕形成用工具６は端面８ａ，８ｂに対して直角な２つの側面９ａ，９ｂを有し、これら側面９ａ，９ｂの形状は打撃痕形成面７に対してレの字形に形成されている。

また、打撃痕形成用工具６は０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する２つの円弧面１０ａ，１０ｂを有し、これらの円弧面１０ａ，１０ｂは打撃痕形成面７と側面９ａ，９ｂとの境界部に形成されている。
このような打撃痕形成用工具６を用いて本発明を実施する場合は、打撃痕形成用工具６の端面８ｂが溶接ビード３の止端４と隣接するように打撃痕形成用工具６の位置を調整した後、打撃痕形成用工具６の打撃痕形成面７を母材１の表面に押し当て、溶接ビード３と隣接する母材１の表面に最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕５をハンマー衝撃ピーニング法あるいは超音波衝撃ピーニング法により形成する。

次に、打撃痕形成用工具６の打撃痕形成面７を母材１の表面から引き離した後、打撃痕形成用工具６を溶接ビード３に沿って所定距離だけ移動させる。そして、再び打撃痕形成用工具６の打撃痕形成面７を母材１の表面に押し当て、母材１の表面に打撃痕５を溶接ビード３に沿って連続的に形成する。
ここで、打撃痕形成面７の曲率半径ｒを１ｍｍ以上５ｍｍ以下とした理由は以下の理由からである。すなわち打撃痕形成面７の曲率半径ｒが１ｍｍ未満では、打撃痕５の幅が狭くなり過ぎ、溶接ビード３の止端４に荷重が負荷されたときに応力集中が打撃痕５に発生しやすくなって疲労き裂の発生原因となる。また、打撃痕形成面７の曲率半径ｒが５ｍｍを超えると打撃痕形成面７の面積が大きくなり過ぎ、最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となるため、打撃痕形成面７の曲率半径ｒを１ｍｍ以上５ｍｍ以下とした。

また、溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さＬを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とした理由は以下の理由からである。すなわち打撃痕形成面７の長さＬが１ｍｍ未満では、溶接ビード３に沿う打撃痕５の長さが１ｍｍ未満となり、安定した形状の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となる。また、打撃痕形成面７の長さＬが１０ｍｍを超えると打撃痕形成面７の面積が大きくなり過ぎ、最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となるため、打撃痕形成面７の溶接ビード３に沿う長さＬを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とした。

また、円弧面１０ａ，１０ｂの曲率半径を０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下とした理由は以下の理由からである。すなわち円弧面１０ａ，１０ｂの曲率半径が０．１５ｍｍ未満では、打撃痕５の長手方向端部に応力集中が発生しやすい状態となる。また、円弧面１０ａ，１０ｂの曲率半径が０．３０ｍｍを超えると母材１の表面に接触する打撃痕形成面７の接触面積が大きくなり過ぎ、最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となるため、円弧面１０ａ，１０ｂの曲率半径を０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下とした。

図１に示した打撃痕形成用工具６を用いて溶接ビード３と隣接する母材１（例えば、厚さ：１２ｍｍ厚×１００ｍｍ×３００ｍｍの鋼板）の表面に打撃痕５を溶接ビード３に沿って１００ｍｍの長さにわたり連続的に形成した場合の実施例１〜４を比較例１〜５と共に表１に示す。ここで表１のＲａは打撃痕の最大深さを示す。

実施例１は、打撃痕形成面７の曲率半径ｒが１ｍｍ、打撃痕形成面７の長さＬが４ｍｍ、端面８ａと側面８ｂとの間隔Ｂが３ｍｍの打撃痕形成用工具６を用いて溶接ビード３と隣接する母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合を示している。

また、実施例２〜４は打撃痕形成面７の曲率半径ｒが３ｍｍ、５ｍｍ、打撃痕形成面７の長さＬが５ｍｍ、６ｍｍ、端面８ａと側面８ｂとの間隔Ｂが４ｍｍ、５ｍｍの打撃痕形成用工具６を用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。実施例１〜４の打撃痕形成面７と端面９ａ，９ｂとの境界部には、曲率半径が０．１５ｍｍ〜０．３０ｍｍの円弧面を設けた。

一方、比較例１〜３は、図３に示す打撃痕形成用工具１１の先端に球面状の打撃痕形成面１２（直径Ｄ：２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、曲率半径ｒ：１．５ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ）が形成されたものを用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。
また、比較例４、５は、図４に示す打撃痕形成用工具１３の先端に平面状の打撃痕形成面１４が正方形状（１辺の長さＬが３ｍｍ、５ｍｍ）に形成されたものを用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。

表１の残留応力は、母材１の表面に形成された打撃痕５から１ｍｍ離れた位置に直径１ｍｍのＸ線を照射して残留応力を測定した結果を示している。なお、実施例１〜４及び比較例１〜５では、打撃痕形成用工具によるハンマーピーニングを空気圧：約６ｋｇ／ｃｍ^２、周波数：９０Ｈｚ、移動速度：０．２５ｍｍ／秒の条件で行った。
実施例１〜４と比較例１〜５を比較すると、比較例１〜５では打撃痕５により溶接ビード３の止端４の近傍に導入される圧縮残留応力が２３０ＭＰａ〜２７０ＭＰａであるのに対し、実施例１〜４では打撃痕５により溶接ビード３の止端４の近傍に導入される圧縮残留応力が３３０ＭＰａ〜３４０ＭＰａとなることがわかる。

したがって、実施例１〜４のように、溶接ビード３と隣接する母材１の表面に打撃痕５をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成する打撃痕形成用工具として、溶接ビード３を直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の曲率半径ｒで円弧状に湾曲し、かつ溶接ビード３に沿って互いに平行な２つの端面８ａ，８ｂのうち一方の端面側に曲率中心ｒ_Ｏを偏らせた打撃痕形成面７を先端に有する打撃痕形成用工具６を用い、この打撃痕形成用工具６により最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を溶接ビード３に沿って連続的に形成することで、溶接ビード３の止端４の近傍に３００ＭＰａを超える圧縮残留応力を導入することが可能となるので、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生することを確実に抑制することができる。

また、溶接ビード３に沿って互いに平行な２つの端面８ａ，８ｂのうち一方の端面側に打撃痕形成面７の曲率中心ｒ_Ｏを偏らせたことで、端面８ａ，８ｂに対して直角な２つの端面９ａ，９ｂの形状がレの字形状となるので、溶接ビード３の止端４が見えにくい箇所や狭い空間でも溶接ビード３と隣接する母材１の表面に打撃痕５を正確に形成することができる。
さらに、実施例１〜４のように、打撃痕形成面７と端面９ａ，９ｂとの境界部に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する円弧面１０ａ，１０ｂを有する打撃痕形成用工具６を用いることで、打撃痕５の長手方向端部に応力集中が発生することを防止することができる。

１…母材
２…リブ
３…溶接ビード
４…止端
５…打撃痕
６，１１，１３…打撃痕形成用工具
７，１２，１４…打撃痕形成面
８ａ，８ｂ…端面
９ａ，９ｂ…側面
１０ａ，１０ｂ…円弧面

Claims (8)

1. 溶接構造物の溶接部に疲労損傷が発生するのを抑制する方法であって、
   前記溶接部の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成する打撃痕形成用工具として、前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲し、かつ前記溶接ビードに沿って互いに平行な２つの端面のうち一方の端面側に曲率中心を偏らせた打撃痕形成面を先端に有する打撃痕形成用工具を用い、
   該打撃痕形成用工具により最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕を前記溶接ビードに沿って連続的に形成して前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする溶接構造物の疲労損傷抑制方法。
2. 前記打撃痕形成用工具として、前記溶接ビードに沿う前記打撃痕形成面の長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする請求項１に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法。
3. 前記打撃痕形成用工具として、前記端面に対して直角な２つの側面を有し、該側面の形状が前記打撃痕形成面に対してレの字形に形成された打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法。
4. 前記打撃痕形成用工具として、前記打撃痕形成面と前記側面との境界部に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する円弧面を有する打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする請求項３に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法。
5. 溶接構造物の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成するときに用いられる打撃痕形成用工具であって、
   前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上５ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲し、かつ前記溶接ビードに沿って互いに平行な２つの端面のうち一方の端面側に曲率中心を偏らせた打撃痕形成面を先端に有することを特徴とする打撃痕形成用工具。
6. 前記溶接ビードに沿う前記打撃痕形成面の長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の打撃痕形成用工具。
7. 前記端面に対して直角な２つの側面を有し、該側面の形状が前記打撃痕形成面に対してレの字形に形成されていることを特徴とする請求項５または６に記載の打撃痕形成用工具。
8. 前記打撃痕形成面と前記側面との境界部に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する円弧面を有することを特徴とする請求項７に記載の打撃痕形成用工具。

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