JP2013169580A - 溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン及び溶接止端部の超音波衝撃処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 超音波衝撃処理を行うことにより、溶接止端部があった領域に応力集中が生じることを抑制する。
【解決手段】 打撃痕が形成されたとした時点での、打撃痕における仮想ピン４３０の軸４４０との接触点４８０と、Ｒ₂終端部４９０と、の間の水平方向の距離である打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａが１．２ｍｍを上回るようにする。仮想ピン４３０が仮想溶接ビード４１０及び仮想金属材４２０に接触した時点での、仮想ピン４３０と、仮想溶接ビード４１０及び仮想金属材４２０と、の間の領域の面積であるピン先端空間Ｂが０．２ｍｍ²以下になるようにする。打撃痕２４０の領域のうち、第２の露出面３１０ｂが当たった領域における弾性応力集中係数Ｋ_t（Ｒ₂）を、第１の露出面３１０ａが当たった領域における弾性応力集中係数Ｋ_t（Ｒ₁）で割った値である応力集中係数比Ｃが１．７５を下回るようにする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン及び溶接止端部の超音波衝撃処理方法に関し、特に、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施すために用いて好適なものである。

従来から、各種の構造物等の溶接止端部に対して超音波衝撃処理（Ultrasonic Impact Treatment：ＵＩＴ）を施すことが行われている。超音波衝撃処理では、超音波衝撃処理装置の先端に取り付けられたピンを、装置の超音波振動する端面からそのピンの軸方向に振動が伝わる状態で、溶接部止端部に当てることにより、当該ピンから溶接止端部周辺に衝撃を与える。この際、ピンは処理中に振動して打撃を与えるピンの軸方向にのみ自由度を与えられている。溶接止端部とは、母材である金属材と溶接ビードとの、当該金属材の表面における境界の部分を指す。この溶接止端部は、構造物の疲労破壊の起点となる箇所である。

そこで、溶接止端部に超音波衝撃処理を施すことにより、溶接止端部に塑性変形を生じさせ、溶接止端部に圧縮残留応力を導入する。溶接止端部に超音波衝撃処理を行うと、溶接止端部の近傍に、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る。よって、溶接止端部の疲労特性を向上させることができる。

以上のような溶接止端部に超音波衝撃処理を施す技術として特許文献１に記載の技術がある。
特許文献１には、先端部の曲率半径が１．０［ｍｍ］以上２．０［ｍｍ］以下であるピンを用いて溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施し、溶接止端部の溶接方向に垂直な断面に、曲率半径が１．５［ｍｍ］以上２．５［ｍｍ］未満の凹形状を形成する技術が開示されている。特許文献１に記載の技術では、先端部の曲率半径を小さくすることにより、溶接止端部に折れ込み疵が発生することを防止しながら、溶接止端部に圧縮残留応力を導入することができる。

特開２００７−２８３３５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ピンの先端部の曲率半径が小さい。このため、溶接止端部の応力集中の低減効果が限定的であり、また、溶接が施された金属部材に対して荷負荷が作用したり、熱処理が施されたり、超音波衝撃処理により溶接止端部付近に導入された圧縮残留応力が低下したりすると、溶接止端部の応力集中が耐疲労性能を支配することになる。このため、溶接止端部付近を起点として疲労き裂が発生する虞がある。

そこで、このような溶接止端部付近における応力集中を緩和させるために、ピンの先端部の曲率半径を大きくして、止端半径を大きくすることが考えられる。
しかしながら、ピンの先端部の曲率半径を大きくすると、ピンの先端部と、その軸方向に沿ってストレートに延在する胴部とのつなぎ目が滑らかにならない虞がある。このため、溶接が施された金属材に対して荷負荷が作用したり、熱処理が施されたり、超音波衝撃処理により溶接止端部付近に導入された圧縮残留応力が低下したりすると、溶接止端部付近の領域のうち、前記つなぎ目が当たった領域で成形された部位の応力集中が大きくなる。よって、前記つなぎ目付近で打撃した部位を起点として疲労き裂が発生する虞がある。また、ピンの先端部の曲率半径を大きくすると、溶接止端部付近を変形させる体積が大きくなり、折れ込み疵を作りやすくなる。このため、超音波衝撃処理を完了するのに多くの時間を要することになり、超音波衝撃処理の処理効率が低下する虞や欠陥を作ってしまうことがある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、超音波衝撃処理を行うことにより、溶接止端部があった領域に応力集中が生じることを抑制することを目的とする。

本発明の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンの第１の例は、軸対称の形状を有するピンであって、母材となる金属材と、フランク角α［°］が１０［°］≦α≦４５［°］である溶接ビードとの、当該金属材の表面における境界の部分である溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与えるための溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンであって、前記超音波衝撃を与えるに際して前記溶接止端部付近に当たる先端部と、前記先端部に繋がる胴部と、を有前記先端部と前記胴部は一体で形成され、前記先端部は、その先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第１の露出面と第２の露出面とを有し、前記先端部の基端の形状は、直径Ｄ［ｍｍ］の円であり、前記胴部の先端面は、前記先端部の基端面と同じであり、前記胴部は、前記先端部の基端から前記超音波衝撃処理用ピンの軸に沿って真っすぐに延設された、底面の直径がＤ［ｍｍ］である円柱形状の部分を有し、前記超音波衝撃処理用ピンの全長Ｌ［ｍｍ］は、２５［ｍｍ］≦Ｌであり、前記曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］は、２．０［ｍｍ］≦Ｒ₁≦４．０［ｍｍ］であり、前記曲率半径Ｒ₂［ｍｍ］は、０．５［ｍｍ］≦Ｒ₂＜Ｒ₁［ｍｍ］であり、前記フランク角α［°］は、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときの、前記溶接止端部と、前記金属材及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、前記溶接ビード及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、の３点により定まる前記溶接止端部回りの角度のうち小さい方の角度θ［°］の補角となる角度であり、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記金属材の表面と前記超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときに、前記超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記超音波衝撃処理用ピンと、前記溶接ビード及び前記金属材と、の間の面積であるピン先端空間Ｂ［ｍｍ²］が、Ｂ≦０．２［ｍｍ²］であり、前記超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、前記第２の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数を、前記第１の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数で割った値である応力集中係数比Ｃ［−］が、Ｃ≦１．７５［−］であることを特徴とする。
本発明の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンの第２の例は、非軸対称の形状を有するピンであって、母材となる金属材と、フランク角α［°］が１０［°］≦α≦４５［°］である溶接ビードとの、当該金属材の表面における境界の部分である溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与えるための溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンであって、前記超音波衝撃を与えるに際して前記溶接止端部付近に当たる先端部と、前記先端部に繋がる連結部と、前記連結部に繋がる胴部と、を有し、前記先端部と前記連結部と前記胴部は一体で形成され、前記先端部は、前記超音波衝撃処理用ピンの軸に対して垂直な方向である第１の方向において、その先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第１の露出面及び第２の露出面と、前記軸と前記第１の方向とに対して垂直な方向である第２の方向において、その先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₃［ｍｍ］、Ｒ₄［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第３の露出面及び第４の露出面と、を有し、前記連結部の先端面は、前記先端部の基端面と同じであり、前記連結部は、前記先端部の基端から、前記第１の方向における幅が基端に位置するほど広くなると共に、前記第２の方向における両側端の幅が前記先端部の基端面の前記第２の方向における幅と同じになるように延設された露出面を有し、前記連結部の基端の形状は、直径Ｄ［ｍｍ］の円であり、前記胴部の先端面は、前記連結部の基端面と同じであり、前記胴部は、前記連結部の基端から前記超音波衝撃処理用ピンの軸に沿って真っすぐに延設された、底面の直径がＤ［ｍｍ］である円柱形状の部分を有し、前記超音波衝撃処理用ピンの全長Ｌ［ｍｍ］は、前記連結部の軸方向の長さをｍ［ｍｍ］として、２５［ｍｍ］＋ｍ［ｍｍ］≦Ｌであり、前記曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］は、２．０［ｍｍ］≦Ｒ₁≦４．０［ｍｍ］であり、前記曲率半径Ｒ₂［ｍｍ］は、０．５［ｍｍ］≦Ｒ₂＜Ｒ₁［ｍｍ］であり、前記曲率半径Ｒ₄［ｍｍ］は、Ｒ₄≧０．１×Ｒ₃［ｍｍ］であり、前記曲率半径Ｒ₃［ｍｍ］は、Ｒ₃＜４×Ｄ及びＲ₁≦０．５×Ｒ₃を満足し、前記超音波衝撃処理用ピンの軸方向及び前記第１の方向に沿って前記超音波衝撃処理用ピンを切ったときの、前記超音波衝撃処理用ピンの軸と、前記連結部の前記第１の方向における両端面とのなす角度である傾斜角φは、０［°］＜φ≦１００［°］であり、前記フランク角α［°］は、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときの、前記溶接止端部と、前記金属材及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、前記溶接ビード及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、の３点により定まる前記溶接止端部回りの角度のうち小さい方の角度θ［°］の補角となる角度であり、前記超音波衝撃処理用ピンの前記第２の方向が前記溶接止端部の形成されている方向に沿うようにして、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記金属材の表面と前記超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときに、前記超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記超音波衝撃処理用ピンと、前記溶接ビード及び前記金属材と、の間の面積であるピン先端空間Ｂ［ｍｍ²］が、Ｂ≦０．２［ｍｍ²］であり、前記超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、前記第２の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数を、前記第１の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数で割った値である応力集中係数比Ｃ［−］が、Ｃ≦１．７５［−］であることを特徴とする。

本発明の溶接止端部の超音波衝撃処理方法の第１の例は、前記第１の例の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンに振動を発生させ、前記超音波衝撃処理用ピンにより溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与える溶接止端部の超音波衝撃処理方法であって、前記第１の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₁が、０．８Ｒ₁≦ｒ₁≦１．２Ｒ₁［ｍｍ］であり、前記第２の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₂が、０．４［ｍｍ］≦ｒ₂＜Ｒ₁であり、前記金属板の表面からの深さｄが、ｄ≧０．１［ｍｍ］である凹形状の打撃痕を、前記溶接止端部が形成されている方向に沿って連続的に形成し、前記第２の露出面の形状は、前記溶接止端部の位置と異なる領域に転写されるようにすることを特徴とする。
本発明の溶接止端部の超音波衝撃処理方法の第２の例は、前記第２の例の溶接止端部の超音波衝撃用ピンに振動を発生させ、前記超音波衝撃用ピンにより溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与える溶接止端部の超音波衝撃処理方法であって、前記第１の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₃が、０．８Ｒ₁≦ｒ₃≦１．２Ｒ₁［ｍｍ］であり、前記第３の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₄が、０．８Ｒ₃≦ｒ₄≦１．２Ｒ₃［ｍｍ］であり、前記第２の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₅が、０．４［ｍｍ］≦ｒ₅＜Ｒ₁であり、前記金属板の表面からの深さｄが、ｄ≧０．１［ｍｍ］である凹形状の打撃痕を、前記溶接止端部が形成されている方向に沿って連続的に形成し、前記第２の露出面の形状は、前記溶接止端部の位置と異なる領域に転写されるようにすることを特徴とする。

本発明によれば、先端から曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第１の露出面と第２の露出面を有する超音波衝撃用ピンを採用する。よって、先端が単一の曲率半径を有する超音波衝撃用ピンに比べて、先端部の基端のつなぎ目を滑らかにすることができると共に、先端の面積を小さくすることができる。よって、超音波衝撃処理を行うことにより、溶接止端部があった領域に応力集中が生じることを抑制することができると共に超音波衝撃処理の処理効率を向上させることができる。

第１の実施形態を示し、超音波衝撃装置の構成の一例を示す図である。 第１の実施形態を示し、超音波衝撃装置により超音波衝撃が与える前・超音波衝撃が与えられている途中・超音波衝撃が与えられた後の溶接止端部付近の一例を示す俯瞰図である。 第１の実施形態を示し、超音波衝撃処理用ピンの構成の一例を示す図である。 第１の実施形態を示し、溶接止端部付近のピンの様子の一例を示す図である。 第１の実施形態を示し、打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａ、ピン先端空間Ｂ、及び応力集中係数比Ｃと、曲率半径Ｒ₂との関係の一例を示す図である。 第１の実施形態を示し、超音波衝撃処理により形成された打撃痕の様子の一例を示す図である。 実施例１を示し、試験片に対して行った超音波衝撃処理の条件と、超音波衝撃処理を行った試験片の疲労試験破断回数を示す図である。 隅肉十字継手の各部位の記号を示す図である。 第２の実施形態を示し、超音波衝撃処理用ピンの構成の一例を示す図である。 第２の実施形態を示し、超音波衝撃処理用ピンの変形例を示す図である。 実施例２を示し、試験片に対して行った超音波衝撃処理の条件と、その結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、超音波衝撃装置１００の構成の一例を示す図である。具体的に図１は、超音波衝撃装置１００を、その軸の方向に沿って切ったときの断面の一例を示す図である。尚、各図では、必要に応じて、説明に必要な部分のみを簡略化して示している。
超音波衝撃装置１００は、母材となる鋼板等の金属材と溶接ビードとの、当該金属材の表面における境界の部分である溶接止端部を狙い位置として、当該溶接止端部付近（溶接止端部を含むその周辺の領域）に対して超音波衝撃を与えるものである。

超音波衝撃装置１００は、トランスデューサー１１０と、トランスデューサー１１０の前面に設けられたウエーブガイド１２０と、超音波衝撃処理用ピン１３０と、ウエーブガイド１２０の先端に設けられ、超音波衝撃処理用ピン１３０を支持するホルダー１４０と、ホルダー１４０を支持する支持体１５０と、後端にハンドル１６０を有するケース１７０と、ケーブル１８０とを有している。

ケーブル１８０を介して外部から供給された電気エネルギーは、トランスデューサー１１０により超音波領域の機械的振動に変換される。トランスデューサー１１０で発生した超音波振動は、トランスデューサー１１０に接続されているウエーブガイド１２０を伝播する。

この超音波振動は、ウエーブガイド１２０の先端から、ウエーブガイド１２０に取り付けられ、ホルダー１４０で支持されており、軸方向のめ自由度が与えられる超音波衝撃処理用ピン１３０に伝わる。これにより、超音波衝撃処理用ピン１３０が振動する。この超音波衝撃処理用ピン１３０の先端を、溶接止端部の方向に向けて、超音波衝撃処理用ピン１３０から溶接止端部付近に超音波衝撃（機械的振動）を与える。例えば、ウエーブガイド先端振幅が１０［μm］〜６０［μｍ］、周波数が１０［ｋＨｚ］〜６０［ｋＨｚ］、の超音波振動となる。

尚、超音波衝撃装置は、例えば、特開２００６−５５８９９号公報に記載されており、公知の技術で実現できるので、ここでは概略のみを説明し、詳細な説明を省略する。また、超音波衝撃装置は、図１に示したものに限定されず、前述した条件の超音波衝撃を溶接止端部付近に与えられるものであれば、どのようなものであってもよい。

図２は、超音波衝撃装置により超音波衝撃が与える前（図２（ａ））・超音波衝撃が与えられている途中（図２（ｂ））・超音波衝撃が与えられた後（図２（ｃ））の溶接止端部付近の一例を示す俯瞰図である。
図２（ａ）に示すように、母材となる金属材２１０とその他の金属材とを溶接することにより溶接ビード２２０が形成される。前述したように、金属材２１０と溶接ビード２２０との、金属材２１０の表面における境界が溶接止端部２３０である。

超音波衝撃処理用ピン１３０の軸が溶接止端部２３０の方向を向くようにして、軸方向（図２（ｂ）に示す両矢印の方向）に超音波衝撃処理用ピン１３０の先端を、被処理材となる溶接止端部２３０付近に当てて、溶接止端部２３０付近を超音波衝撃により打撃を与えると、溶接止端部２３０付近に凹形状の打撃痕（溝）２４０が形成される。図２（ｂ）に示す例では、図２（ｂ）に示す白抜きの矢印の方向に超音波衝撃処理用ピン１３０（超音波衝撃装置１００）を（相対的に）移動させて、溶接止端部２３０付近に凹形状の打撃痕２４０を形成するようにしている。このように、超音波衝撃により形成される凹形状の打撃痕２４０は、溶接方向に沿って連続的に形成される。尚、必要に応じて、超音波衝撃処理用ピン１３０（超音波衝撃装置１００）を、図２（ｂ）に示す白抜きの矢印の方向だけではなく、その反対の方向にも移動させて（すなわち、往復運動させながら）凹形状の打撃痕２４０を形成する。尚、以下の説明では、必要に応じて「凹形状の打撃痕」を「打撃痕」と略称する。

図３は、超音波衝撃処理用ピン１３０の構成の一例を示す図である。具体的に図３（ａ）は、超音波衝撃処理用ピン１３０を、その軸に垂直な方向から見た図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す超音波衝撃処理用ピン１３０の先端部付近を拡大して示す図である。尚、以下の説明では、「超音波衝撃処理用ピン」を必要に応じて「ピン」と略称する。

本実施形態では、ピン１３０は、軸対称の形状を有している（ピン１３０の軸は、図３（ａ）に示す軸３００である）。
ピン１３０は、先端部３１０と胴部３２０とを備える。
先端部３１０は、ピン１３０の先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した２つの露出面３１０ａ、３１０ｂを有し、その基端の形状が直径Ｄ［ｍｍ］の円の部分を有する。図３（ｂ）に示すように、曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第１の露出面３１０ａは、仮想二点鎖線よりも先端側の領域の露出面であり、曲率半径Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第２の露出面３１０ｂは、仮想二点鎖線と仮想破線との間の領域の露出面である。

胴部３２０は、その先端面が先端部３１０の基端面と同じであり、先端部３１０の基端から軸３００に沿って真っすぐに延設された、底面の直径がＤ［ｍｍ］である円柱形状を有する部分である。
これら先端部３１０と胴部３２０は、金属系の材料により一体で形成されている。ピン１３０のＨＲＣ（ロックウェル硬さ）は、５０以上であるのが好ましく、６０以上であるのがより好ましい。
以上のように本実施形態では、ピン１３０の先端は、二重曲率を有している。

図４は、溶接止端部付近のピンの様子の一例を示す図である。具体的に、図４（ａ）は、打撃痕が形成される直前の溶接止端部付近のピンの様子の一例を示し、図４（ｂ）は、打撃痕が形成された時点の溶接止端部付近のピンの様子の一例を示す図である。これら図４（ａ）、図４（ｂ）は、仮想のピン４３０の軸を含み、且つ、仮想の溶接止端部４５０が形成されている方向（溶接方向、溶接ビード４１０の長手方向）に垂直な方向に沿うように切ったときの、仮想の溶接ビード４１０・仮想の金属材４２０・仮想のピン４３０の断面を示す図である。尚、以下の説明では、「仮想の溶接ビード４１０、仮想の金属材４２０、仮想のピン４３０、仮想の溶接止端部４５０」を、それぞれ「仮想溶接ビード４１０、仮想金属材４２０、仮想ピン４３０、仮想溶接止端部４５０」と称する。

仮想溶接ビード４１０とは、仮想溶接止端部４５０が形成されている方向に垂直な方向における断面の形状及び大きさが、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向において同一であり、且つ、その表面が平面であると仮定した溶接ビードである。
仮想金属材４２０とは、金属材２１０の仕様と同一の寸法を有すると仮定した金属材である。
仮想ピン４３０とは、ピン１３０の仕様と同一の寸法を有すると仮定したピンである。
仮想溶接止端部４５０とは、仮想金属材４２０と、仮想溶接ビード４１０との、仮想金属材４２０の表面における境界の部分である。

まず、本実施形態では、超音波衝撃処理が行われていない状態で、仮想ピン４３０の軸４４０が、仮想溶接止端部４５０の方向を向き、且つ、仮想金属材４２０の表面と、仮想ピン４３０の軸４４０とのなす角度が、θ／２［°］となるように、仮想ピン４３０が、仮想金属材４２０及び仮想溶接ビード４１０に接触するとしたときに、打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａ［ｍｍ］、ピン先端空間Ｂ［ｍｍ²］、応力集中係数比Ｃ［−］が、それぞれ以下の（１）式、（２）式、（３）式を満足するようにする。ここで、角度θ［°］は、仮想溶接止端部４５０と、仮想金属材４２０及び仮想ピン４３０の接触点４６０と、仮想溶接ビード４１０及び仮想ピン４３０の接触点４７０と、の３点により定まる仮想溶接止端部４５０回わりの角度のうち小さい方の角度である。

Ａ＞１．２［ｍｍ］ ・・・（１）
図４に示すように、αは、フランク角であり、角度θ［°］の補角となる。
Ｂ≦０．２［ｍｍ²］ ・・・（２）
Ｃ≦１．７５［−］ ・・・（３）

ここで、打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａは、図４（ｂ）に示すように、打撃痕が形成されたとした時点で、仮想ピン４３０の軸４４０の方向と、仮想溶接止端部４５０が形成される方向に垂直な方向とに沿って切ったときの、打撃痕における仮想ピン４３０の軸４４０との接触点４８０と、仮想ピン４３０の第２の露出面３１０ｂの基端のうち母材（仮想金属材４２０）側に位置する点（先端部３１０と胴部３２０との境界のうち母材側の端に位置する点）であるＲ₂終端部４９０と、の間の水平方向の距離である。
ピン先端空間Ｂは、図４（ａ）に示すように、仮想ピン４３０が仮想溶接ビード４１０及び仮想金属材４２０に接触した時点で、仮想ピン４３０の軸４４０の方向と、仮想溶接止端部４５０が形成される方向に垂直な方向とに沿って切ったときに、仮想ピン４３０と、仮想溶接ビード４１０及び仮想金属材４２０と、の間に生じる領域の面積である。図４において斜線で示している領域が、ピン先端空間Ｂである。
応力集中係数比Ｃは、超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、仮想ピン４３０の第２の露出面３１０ｂが当たる領域における弾性応力集中係数Ｋ_t（Ｒ₂）を、超音波衝撃処理により形成される打撃痕２４０の領域のうち、仮想ピン４３０の第１の露出面３１０ａが当たる領域における弾性応力集中係数Ｋ_t（Ｒ₁）で割った値である。

また、先端部３１０の曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］が、それぞれ以下の（５）式、（６）式を満足するようにする。
２．０［ｍｍ］≦Ｒ₁≦４．０［ｍｍ］ ・・・（５）
０．５［ｍｍ］≦Ｒ₂＜Ｒ₁［ｍｍ］・・・（６）
また、ピン１３０の全長Ｌ［ｍｍ］が、以下の（７）式を満足するようにする。
２５［ｍｍ］≦Ｌ ・・・（７）
そして、以上の（１）式〜（７）式の条件を満たす仕様のピン１３０を用いて、以下の（８）式を満足するフランク角α［°］を有する溶接ビード２２０に対して超音波衝撃処理を行うものとする。
１０［°］≦α≦４５［°］ ・・・（８）

以下に（１）式〜（７）式を採用する根拠を説明する。
まず、打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａが１．２［ｍｍ］以下になると、相対的に小さい曲率半径Ｒ₂の曲率で外方に湾曲している第２の露出面３１０ｂ（先端部３１０の基端付近の領域）が、溶接止端部２３０の位置に近くなり過ぎる。このような状態で超音波衝撃処理を行うと、溶接止端部２３０の近傍に応力集中が生じる虞がある。すなわち、第２の露出面３１０ｂを出来るだけ溶接止端部２３０から遠ざけるようにする。以上のことから（１）式の条件が導かれる。

次に、ピン先端空間Ｂが０．２［ｍｍ²］を超えると、ピン１３０と、金属材２１０及び溶接ビード２２０との間の空間が大きくなるため、打撃痕２４０に折れ込み疵が発生する虞がある。このことから（２）式の条件が導かれる。
次に、応力集中係数比Ｃは、超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、第２の露出面３１０ｂが当たることにより形成される領域の応力集中が、第１の露出面３０１ａが当たることにより形成された領域の応力集中に対してどれだけ大きいのかを示すものである。応力集中係数比は、公知の弾性応力集中係数の推定式に、ピン１３０の形状・大きさを定めるパラメータと、溶接部の形状・大きさを定めるパラメータを代入することにより計算することができる。
超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、第２の露出面３１０ｂが当たることにより形成される領域は、第１の露出面３１０ａが当たることにより形成された領域よりも、母材（仮想の金属材４２０）側に位置する。このため、超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、第２の露出面３１０ｂが当たることにより形成される領域は、溶接止端部に比べれば、き裂が生じにくい。とは言え、応力集中係数比Ｃが１．７５を上回ると、超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、第２の露出面３１０ｂが当たることにより形成される領域の応力集中が大きくなり過ぎるため、当該領域からき裂が発生する虞がある。以上のことから（３）式の条件が導かれる。
図５に、打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａ、ピン先端空間Ｂ、及び応力集中係数比Ｃと、曲率半径Ｒ₂との関係の一例を示す。図５では、ピン１３０の直径Ｄを４［ｍｍ］、曲率半径Ｒ₁が４［ｍｍ］であるときの関係を例に挙げて示している。

次に、先端部３１０の第１の露出面３１０ａの曲率半径Ｒ₁が２．０［ｍｍ］未満になると、溶接止端部の半径が通常の溶接で得られる溶接止端部の半径に近くなるため、超音波衝撃処理により形成される打撃痕における応力集中の低減効果が小さくなる。一方、先端部３１０の第１の露出面３１０ａの曲率半径Ｒ₁が４．０［ｍｍ］を上回ると、ピン１３０による溶接止端部２３０付近への打撃面積が大きくなり、超音波衝撃処理の処理効率が低下すると共に折れ込み疵が発生し易くなる。また、先端部３１０の曲率半径Ｒ₁が４．０［ｍｍ］を上回ると、先端部３１０と胴部３２０との境界の角度が鋭くなり過ぎる。このため、超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、この境界が当たった部位における応力集中が、先端部３１０が当たった部位における応力集中に比べ大きくなる。以上のことから（５）式の条件が導かれる。

次に、先端部３１０の第２の露出面３１０ｂの曲率半径Ｒ₂が０．５［ｍｍ］未満になると、超音波衝撃処理に際し、先端部３１０と胴部３２０との境界が、溶接止端部２３０付近に位置する。このため、溶接止端部２３０付近に欠陥がある場合には、超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、この境界が当たる領域における応力集中のため、この欠陥を起点として疲労破壊が起こる虞がある。また、先端部３１０の第２の露出面３１０ｂの曲率半径Ｒ₂が０．５［ｍｍ］未満になると、超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、第２の露出面３１０ｂが当たることにより形成される領域の応力集中が大きくなる。このような観点から、先端部３１０の第２の露出面３１０ｂの曲率半径Ｒ₂は、１［ｍｍ］以上であることがより好ましい。一方、先端部３１０の第２の露出面３１０ｂの曲率半径Ｒ₂がＲ₁［ｍｍ］を上回ると、先端部３１０の第１の露出面３１０ａを確保することができない。また、先端部３１０の第２の露出面３１０ｂの曲率半径Ｒ₂がＲ₁［ｍｍ］になると、先端部３１０が単一の曲率となってしまう。以上のことから（６）式の条件が導かれる。

次に、ピン１３０の全長Ｌが２５［ｍｍ］未満であると、ピン１３０の摺動部が小さくなるため、ピン１３０をホルダー１４０で支持することが困難になったり、超音波衝撃処理を行っているときにピン１３０の軸３００がぶれ易くなったりする。以上のことから（７）式の条件が導かれる。
尚、ピン１３０の全長Ｌの最大寸法は、ピン材料の密度や太さとも関係し、ピン１３０がウエーブガイド１２０の先端と被処理材との間で超音波振動による衝撃振動が励起される範囲で決定される。
また、ピン１３０の直径Ｄは、以上のピン１３０の形状の条件を満たし、且つ、ピン１３０が共振する範囲で適宜決定することができる。

次に、フランク角αが１０［°］未満になると、溶接止端部２３０を狙い位置とするのが困難になる。一方、フランク角αが４５［°］を上回ると、（仮にピン先端空間Ｂが（２）式の条件を満足しても打撃痕の深さが深くなるため、）打撃痕２４０に折れ込み疵が発生し易くなる。以上のことから（７）式の条件が導かれる。

図６は、超音波衝撃処理により形成された打撃痕２４０の様子の一例を示す図である。具体的に図６は、超音波衝撃処理により形成された打撃痕２４０の付近を、溶接止端部２３０が形成されている方向（溶接方向）に垂直な方向で切った断面図である。図６を参照しながら、超音波衝撃処理により形成された打撃痕２４０の形状を説明する。
超音波衝撃処理により形成された打撃痕２４０の、溶接止端部２３０があった領域は、第１の露出面３１０ａの形状が転写された形状を有する。第１の露出面３１０ａの形状が転写された領域の曲率半径ｒ₁は、以下の（８ａ）式を満足するようにする。
０．８Ｒ₁≦ｒ₁≦１．２Ｒ₁［ｍｍ］ ・・・（８ａ）
打撃痕２４０がこのような範囲の曲率半径ｒ₁を有していれば、ピン１３０の軸３００がぶれずに超音波衝撃処理が行われることになり、折れ込み疵の発生を防止することができる。

また、第２の露出面３１０ｂの形状が転写された領域の曲率半径ｒ₂は、以下の（８ｂ）式を満足するようにする。
０．４［ｍｍ］≦ｒ₂＜Ｒ₁ ・・・（８ｂ）
さらに、第２の露出面３１０ｂの形状は、溶接止端部２３０の位置に転写されないようにする。このようにしないと、先端部３１０と胴部３２０との境界が、溶接止端部２３０付近に位置するため、溶接止端部２３０付近に欠陥がある場合には、この欠陥を起点として疲労破壊が起こる虞があるからである。
また、打撃痕２４０の母材である金属材２１０の表面からの深さ（板厚方向の長さ）ｄは、以下の（９）式を満足するようにする。尚、以下の説明では、「打撃痕２４０の母材である金属材２１０の表面からの深さｄ」を必要に応じて「打撃痕２４０の深さｄ」と称する。
ｄ≧０．１［ｍｍ］ ・・・（９）
打撃痕２４０の深さｄがこのような範囲であれば、溶接止端部２３０付近に、金属材２１０の降伏応力の６割以上の圧縮残留応力を安定して付与することができるからである。

尚、図４に示したように、仮想溶接ビード４１０、仮想金属材４２０、仮想ピン４３０、仮想溶接止端部４５０を用いれば、実際に溶接を行わなくても（机上の計算で）ピン１３０の設計をすることができるので好ましい。しかしながら、仮想のものではなく実際のものを使用してピン１３０の設計をしてもよい。

（実施例１）
次に、本発明の実施例１（第１の実施形態の実施例）を説明する。
本実施例では、以下に示す溶接材料を用いて、以下に示す鋼板を溶接し、リブ高さが５０［ｍｍ］の隅肉十字継手を作製し、この隅肉十字継手を１００［ｍｍ］幅で切断した。このようにして得られた複数の隅肉十字継手（試験片）に対して図７に示す条件で超音波衝撃処理を行った。その後、超音波衝撃処理を行った試験片に対して、同一の条件の疲労試験を行い、試験片が破断するまでの疲労試験の実施回数（疲労試験破断回数）を調査した。
溶接材料：ＪＩＳ Ｚ３３１３ Ｔ４９Ｊ０Ｔ１−１ＣＡ−ＵＨ５相当ＳＦ−１
鋼材：ＪＩＳ Ｇ３１０６ ＳＭ４９０Ｂ（厚み＝１６［ｍｍ］）

図７は、試験片に対して行った超音波衝撃処理の条件と、超音波衝撃処理を行った試験片の疲労試験により得られた疲労試験破断回数を示す図である。
疲労試験は、応力範囲が２００［ＭＰａ］で、応力比が０．１、周波数が１０［Ｈｚ］の軸力による繰り返し負荷で行った。
図７において、「記号」は、各試験片を識別するものである。

また、本実施例では、隅肉十字継手を形成しているので、弾性応力集中係数Ｋ_t（ρ）は、以下の（１０）式で表される。応力集中係数比Ｃは、弾性応力集中係数Ｋ_t（Ｒ₂）を弾性応力集中係数Ｋ_t（Ｒ₁）で割った値（＝Ｋ_t（Ｒ₂）／Ｋ_t（Ｒ₁））である。
図８は、（１０）式の記号の意味を示す図である。尚、（１０）式は、「辻勇，非荷重伝達型すみ肉溶接継手の応力集中係数の推定式，西部造船学会会報，(1990)」に示されているものである。尚、弾性応力集中係数は、継手に応じた推定式から計算することができる。例えば、突合せ継手における弾性応力集中係数については、「後川，中山ら，溶接継手の応力集中係数，IHI技報，(1983)」に示されている推定式を用いることにより求めることができる。

図７に示すように、前述した（１）式〜（７）式を満足するように超音波衝撃処理を行うことにより疲労試験破断回数が２００万回以上となった。よって、超音波衝撃処理により、溶接止端部２３０があった領域に応力集中が生じることを抑制することができ、溶接止端部２３０を起点とした疲労き裂の発生を抑制することができることが分かる。また、先端を単一の曲率にする場合よりも、先端の面積を小さくすることができるので、超音波処理衝撃処理の処理効率を向上させることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。前述した第１の実施形態では、超音波衝撃処理用ピン１３０が軸対称の形状を有する場合を例に挙げて説明した。これに対し、本実施形態では、超音波衝撃処理用ピンが非軸対称の形状を有する場合について説明する。このように本実施形態と第１の実施形態とは、超音波衝撃処理用ピンの形状が異なる。よって、本実施形態の説明において、第１の実施形態と同一の部分については、図１〜図８に付した符号と同一の符号を付す等して詳細な説明を省略する。

図９は、超音波衝撃処理用ピン９００の構成の一例を示す図である。具体的に図９（ａ）、超音波衝撃処理用ピン９００を、その軸に垂直なｙ方向から見た図であり、図９（ｂ）は、超音波衝撃処理用ピン９００を、その軸に垂直なｘ方向から見た図である。また、図９（ｃ）の左図、右図は、それぞれ図９（ａ）、図９（ｂ）に示す超音波衝撃処理用ピン９００の先端部付近を拡大して示す図である。尚、本実施形態の説明でも、第１の実施形態と同様に、「超音波衝撃処理用ピン」を必要に応じて「ピン」と略称する。

前述したように、本実施形態のピン９００は、非軸対称の形状を有している（ピン９００の軸は図９（ａ）、図９（ｂ）に示す軸９１０である）。
ピン９００は、先端部９２０と連結部９３０と胴部９４０とを備える。
先端部９２０は、軸９１０に対して垂直な方向である第１の方向（ｘ方向）において、ピン９００の先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した２つの露出面９２０ａ、９２０ｂと、軸９１０と第１の方向とに対して垂直な方向である第２の方向（ｙ方向）において、ピン９００の先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₃［ｍｍ］、Ｒ₄［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した２つの露出面９２０ｃ、９２０ｄと、を有し、その基端の第１の方向（ｘ方向）の長さがｔ［ｍｍ］である部分を有する（図９（ｃ）の左図を参照）。尚、以下の説明では、「先端部９２０の基端の第１の方向（ｘ方向）の長さ」を必要に応じて「先端部呼び厚み」と称する。

図９（ｃ）に示すように、ｘ方向において、曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第１の露出面９２０ａは、仮想二点鎖線よりも先端側の領域の露出面であり、曲率半径Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第２の露出面９２０ｂは、仮想二点鎖線と仮想破線との間の領域の露出面である。このように、ｙ方向から見た先端部９２０は、軸３００に垂直な方向から見た先端部３１０と同じ形状を有する（図３を参照）。
図９（ｃ）に示すように、ｙ方向において、曲率半径Ｒ₃［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第３の露出面９２０ｃは、仮想二点鎖線よりも先端側の領域の露出面であり、曲率半径Ｒ₄［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第４の露出面９２０ｄは、仮想二点鎖線と仮想破線との間の領域の露出面である。

連結部９３０は、その先端面が先端部９２０の基端面と同じであり、且つ、先端部９２０の基端から、第１の方向（ｘ方向）における幅が基端に位置するほど広くなると共に、第２の方向（ｙ方向）における両側端（ｘ方向の中心の位置における両端）の幅が先端部９２０の基端面の第２の方向（ｙ方向）における幅と同じになるように延設された露出面９３０ａを有し、且つ、その基端の形状が直径Ｄ［ｍｍ］の円の部分を有する。
胴部９４０は、その先端面が連結部９３０の基端面と同じであり、連結部９３０の基端から軸９１０に沿って真っすぐに延設された、底面の直径がＤ［ｍｍ］である円柱形状を有する部分である。
これら先端部９２０、連結部９３０、及び胴部９４０は、金属系の材料により一体で形成されている。ピン９００のＨＲＣ（ロックウェル硬さ）は、５０以上であるのが好ましく、６０以上であるのがより好ましい。
以上のように本実施形態では、ピン９００の先端は、第１の方向（ｘ方向）及び第２の方向（ｙ方向）のそれぞれにおいて二重曲率を有している。尚、ピン９００の概形は、マイナスドライバーの形状である。

ピン９００の軸方向が溶接止端部２３０の方向を向くようにして、軸方向（図２（ｂ）に示す両矢印の方向）にピン９００の先端を溶接止端部２３０（付近）に当て超音波衝撃による振動を発生させると、ピン９００のｙ方向が溶接方向（図２（ｂ）に示す白抜きの矢印の方向）を向くようにピン９００が回動し、その状態で、溶接止端部２３０付近に超音波衝撃が与えられる。その後は、第１の実施形態と同様に、図２（ｂ）に示す白抜きの矢印の方向にピン９００（超音波衝撃装置）を（相対的に）移動させると、溶接止端部２３０付近に凹形状の打撃痕（溝）が連続的に形成される。

したがって、本実施形態においても、超音波衝撃処理を行っているときに溶接止端部付近に当たっているピンの様子は、図４に示したようになる。すなわち、本実施形態においても、第１の実施形態で説明した（１）式〜（５）式、及び（７）式を満足するようにする。

また、（７）式に代えて、以下の（１１）式を満足するようにする。
２５［ｍｍ］＋ｍ［ｍｍ］≦Ｌ ・・・（１１）
ｍは、連結部９３０の軸９１０方向の長さである（図９（ｃ）を参照）。連結部９２０をホルダー１４０で保持することができないので、ピン１３０の全長Ｌの下限値を、（７）式に示す値（＝２５［ｍｍ］）に、連結部９３０の軸９１０方向の長さｍを加算した値とする。
尚、ピン９００の全長Ｌの最大寸法は、ピン材料の密度や太さとも関係し、ピン９００がウエーブガイド１２０の先端と被処理材との間で共振する範囲で決定される。

更に、本実施形態では、傾斜角φ［°］、先端部９２０の第４の露出面９２０ｄの曲率半径Ｒ₄［ｍｍ］、先端部９２０の第３の露出面９２０ｃの曲率半径Ｒ₃［ｍｍ］が、それぞれ（１２）式、（１３）式、（１４）・（１５）式を満足するようにする。
０［°］＜φ≦１００［°］ ・・・（１２）
Ｒ₄≧０．１×Ｒ₃［ｍｍ］ ・・・（１３）
Ｒ₃＜４×Ｄ ・・・（１４）
Ｒ₁≦０．５×Ｒ₃ ・・・（１５）

ここで、傾斜角φは、軸９１０方向（ｚ方向）及び第１の方向（ｘ方向）に沿ってピン９００を切ったときの、ピン９００の軸９１０と、連結部９３０の第１の方向（ｘ方向）における両端面とのなす角度φ₁、φ₂の和である。この傾斜角φが一定でない場合、傾斜角φは、軸９１０方向（ｚ方向）及び第１の方向（ｘ方向）に沿ってピン９００を切ったときの、ピン９００の軸９１０と、連結部９３０の第１の方向（ｘ方向）における両端面とのなす角度の和のうち最小の角度となる。

図１０は、超音波衝撃処理用ピン１０００の変形例を示す図である。具体的に図１０は、超音波衝撃処理用ピン１０００を、その軸１０１０に垂直なｙ方向から見た図（図９（ａ）に対応する図）である。図１０に示すピン１０００は、図９に示すピン９００に対し、連結部９３０、１０３０の形状が異なる。
図１０に示す連結部１０３０も、図９に示す連結部９３０と同様に、その先端面が先端部９２０の基端面と同じであり、且つ、先端部９０２の基端から、第１の方向（ｘ方向）における幅が基端に位置するほど広くなると共に、第２の方向（ｙ方向）における両側端の幅が先端部９２０の基端面の第２の方向（ｙ方向）における幅と同じになるように延設された露出面を有し、且つ、その基端の形状が直径Ｄ［ｍｍ］の円の部分を有する。

ただし、図９に示す連結部９３０の第１の方向（ｘ方向）における両端の面は平面であるのに対し、図１０に示す連結部１０３０では、第１の方向（ｘ方向）における両端の面は曲面である。このような連結部１０３０を有するピン１０００の傾斜角φは、軸１０１０方向（ｚ方向）及び第１の方向（ｘ方向）に沿ってピン１０００を切ったときの、ピン１０００の軸１０１０と、連結部１０３０の第１の方向（ｘ方向）における両端面とのなす角度の和のうち最小の角度となる。すなわち、ピン１０００の傾斜角φは、軸１０１０方向（ｚ方向）及び第１の方向（ｘ方向）に沿ってピン１０００を切ったときの、ピン１０００の軸１０１０と、連結部１０３０の第１の方向（ｘ方向）における両端面の領域のうちの最も先端側の微小領域に対する接線１０４０ａ、１０４０ｂと、のなす角度の和となる。

以下に、（１２）式〜（１５）式を採用する根拠を説明する。
まず、傾斜角φが１００［°］を超えると、ピン９００のｙ方向が溶接方向を向くようにピン９００が回動し難くなり、超音波衝撃処理により溶接止端部付近に形成される打撃痕の幅が不連続になり易くなる。一方、傾斜角φが０［°］になると、超音波衝撃処理の最中にピン９００の先端が潰れやすくなる。以上のことから（１２）式の条件が導かれる。ただし、超音波衝撃処理の最中にピン８００の先端が潰れることを確実に防止するためには、傾斜角φの下限値を３０［°］にするのがより好ましい。

次に、先端部９２０の曲率半径Ｒ₄が先端部９２０の曲率半径Ｒ₃の０．１倍未満（Ｒ₄＜０．１×Ｒ₃）になると、超音波衝撃処理の最中に、先端部９２０の第４の露出面９２０ｄが引っ掛かり易くなり、ピン９００の滑らかな移動が阻害される。よって、（１３）式の条件が導かれる。
次に、先端部９２０の曲率半径Ｒ₃がピン９００の直径Ｄの４倍以上になると、ピン９００による溶接止端部２３０付近への打撃面積が大きくなり、超音波衝撃処理の処理効率が低下する。また、先端部９２０の曲率半径Ｒ₃が大きく、平らになりすぎると処理時の超音波衝撃装置（打撃装置）の垂直度を厳密に保持しないと逆に処理溝深さにむらが出来てしまうため好ましくない。以上のことから（１４）式の条件が導かれる。

また、先端部９２０の曲率半径Ｒ₁が、先端部９２０の曲率半径Ｒ₃の０．５倍を上回ると、ピン９００のｙ方向が溶接方向を向くようにピン９００が回動し難くなる。よって、（１５）式の条件が導かれる。
ピン９００の直径Ｄは、以上のピン９００の形状の条件を満たし、且つ、ピン９００が共振する範囲で適宜決定することができる。また、本実施形態では、先端部９２０と胴部９４０との間に連結部８３０を形成し、先端部９２０の形状のみを調整することにより、ピン９００の直径Ｄを第１の実施形態のピン１３０の直径Ｄよりも太くすることができる。これにより、ピン９００の剛性を高めることができ、ピン９００の先端部９２０の被処理材との接触部の面積が大きくなることから必要となるより大きな打撃力にも耐えることができるようになり、ピン９００の耐久性も向上させることができる。
ただし、過度にピン９００の直径Ｄを大きくするとホルダー１４０とピン９００との接触面積が大きくなるため、摩擦によりピンの回転動作の抵抗が大きくなることや、溶接止端が直線的ではない場合、打撃時のピンの回転による追従性が低下することがあるため、ピン９００の直径Ｄは、１０[ｍｍ]以下程度が望ましい。

また、前述したように、先端部９２０の曲率半径Ｒ₁が、先端部９２０の曲率半径Ｒ₃の０．５倍以下（先端部９２０の曲率半径Ｒ₃が先端部９２０の曲率半径Ｒ₁の２倍以上）になるようにすると、同じ条件で超音波衝撃処理を行った場合、溶接止端部２３０付近に形成される打撃痕の表面の走査方向（溶接方向）における粗さを、第１の実施形態のピン１３０を用いて形成した打撃痕の走査方向における粗さよりも小さくすることができる。これにより、走査方向において連続する複数の打撃痕の境界の領域における応力集中をより小さくすることができる。

そして、超音波衝撃処理により形成された打撃痕の、溶接止端部２３０があった領域は、第１の露出面９２０ａ及び第３の露出面９２０ｃの形状が転写された形状を有する。これら第１、第３の露出面９２０ａ、９２０ｃの形状が転写された領域の曲率半径ｒ₃、ｒ₄は、それぞれ以下の（１６ａ）式、（１６ｂ）式を満足するようにする。
０．８Ｒ₁≦ｒ₃≦１．２Ｒ₁［ｍｍ］ ・・・（１６ａ）
０．８Ｒ₃≦ｒ₄≦１．２Ｒ₃［ｍｍ］ ・・・（１６ｂ）
打撃痕がこのような範囲の曲率半径ｒ₂、ｒ₃を有していれば、ピン９００の軸９１０がぶれずに超音波衝撃処理が行われることになり、折れ込み疵の発生を防止することができる。

また、第２の露出面９２０ｂの形状が転写された領域の曲率半径ｒ₅は、以下の（１６ｃ）式を満足するようにする。
０．４［ｍｍ］≦ｒ₅＜Ｒ₁ ・・・（１６ｃ）
さらに、第２の露出面９２０ｂの形状は、溶接止端部２３０の位置に転写されないようにする。このようにしないと、先端部９２０と連結部９３０との境界が、溶接止端部２３０付近に位置するため、溶接止端部２３０付近に欠陥がある場合には、この欠陥を起点として疲労破壊が起こる虞があるからである。
また、第４の露出面９２０ｄの形状は、被処理材に転写されないようにするのが好ましい。第４の露出面９２０ｄが被処理材に当たると、第４の露出面９２０ｄが被処理材に引っ掛かり、ピン９００の滑らかな移動が阻害されるからである。
また、打撃痕の母材である金属材２１０の表面からの深さ（板厚方向の長さ）ｄは、第１の実施形態と同様に、以下の（１７）式を満足するようにする。
ｄ≧０．１［ｍｍ］ ・・・（１７）
打撃痕の深さｄがこのような範囲であれば、溶接止端部２３０付近に、金属材２１０の降伏応力の６割以上の圧縮残留応力を安定して付与することができるからである。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２（第２の実施形態の実施例）を説明する。
本実施例でも、実施例１と同じ試験片を作製し、作製した試験片に対して図１１に示す条件で超音波衝撃処理を行った。

図１１は、試験片に対して行った超音波衝撃処理の条件と、その結果を示す図である。
図１１において、「記号」は、各試験片を識別するものである。また、「対応軸対称ピン」は、図７に示した実施例１のピンの記号を示す。図１１において、「記号」の欄に示されているピンと、その「記号」の欄と同一の行に位置する「対応軸対称ピン」の欄に示されているピンとは相互に対応するピンであることを示す。

本実施例のピンと、当該ピンに対応する実施例１のピンとでは、フランク角α、ピンの全長Ｌ、曲率半径Ｒ₁、Ｒ₂、溶接止端部・接触点間距離Ａ、ピン先端空間Ｂ、及び応力集中係数比Ｃの値が同じになる。また、先端部呼び厚みｔは、図７に示すピンの直径Ｄに略対応するものである。よって、本実施例のピンの先端部呼び厚みｔと、当該ピンに対応する実施例１のピンの直径Ｄが、同じになる。

また、「作業性」の欄に付されている「○」は、ピン９００の滑らかな移動が阻害されずに超音波衝撃処理を最後まで実施できたことを示す。一方、「作業性」の欄が「空欄」になっているのは、ピン９００の滑らかな移動が阻害されて、超音波衝撃処理が途中で停止したり、不連続な打撃痕が形成されたりしたことを示す。

図１１に示すように、前述した（１）式〜（５）式、（８）式、及び（１２）式〜（１７）式を満足するように超音波衝撃処理を行うことにより、ピン９００の滑らかな移動が阻害されずに超音波衝撃処理を最後まで実施できる。このようにすることによって、本実施例のピンでは、実施例１のピンよりも、打撃痕の表面の走査方向における粗さを滑らかにすることができる。よって、本実施例のピンを使用した方が、当該ピンに対応する実施例１のピンを使用した場合よりも、疲労試験破断回数を大きくすることができる。

尚、以上説明した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１００ 超音波衝撃装置
１３０ 超音波衝撃処理用ピン
２１０ 金属材
２２０ 溶接ビード
２３０ 溶接止端部
２４０ 打撃痕
３００ ピンの軸
３１０ 先端部
３２０ 胴部
４１０ 仮想の溶接ビード
４２０ 仮想の金属材
４３０ 仮想のピン
４４０ 仮想のピンの軸
４５０ 仮想の溶接止端部
４６０ 仮想の金属材及び仮想のピンの接触点
４７０ 仮想の溶接ビード及び仮想のピンの接触点
９００、１０００ 超音波衝撃処理用ピン
９１０ ピンの軸
９２０ 先端部
９３０、１０３０ 連結部
９４０ 胴部

Claims (10)

1. 軸対称の形状を有するピンであって、母材となる金属材と、フランク角α［°］が１０［°］≦α≦４５［°］である溶接ビードとの、当該金属材の表面における境界の部分である溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与えるための溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンであって、
   前記超音波衝撃を与えるに際して前記溶接止端部付近に当たる先端部と、前記先端部に繋がる胴部と、を有し、
   前記先端部と前記胴部は一体で形成され、
   前記先端部は、その先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第１の露出面と第２の露出面とを有し、
   前記先端部の基端の形状は、直径Ｄ［ｍｍ］の円であり、
   前記胴部の先端面は、前記先端部の基端面と同じであり、
   前記胴部は、前記先端部の基端から前記超音波衝撃処理用ピンの軸に沿って真っすぐに延設された、底面の直径がＤ［ｍｍ］である円柱形状の部分を有し、
   前記超音波衝撃処理用ピンの全長Ｌ［ｍｍ］は、２５［ｍｍ］≦Ｌであり、
   前記曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］は、２．０［ｍｍ］≦Ｒ₁≦４．０［ｍｍ］であり、
   前記曲率半径Ｒ₂［ｍｍ］は、０．５［ｍｍ］≦Ｒ₂＜Ｒ₁［ｍｍ］であり、
   前記フランク角α［°］は、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときの、前記溶接止端部と、前記金属材及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、前記溶接ビード及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、の３点により定まる前記溶接止端部回りの角度のうち小さい方の角度θ［°］の補角となる角度であり、
   前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記金属材の表面と前記超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときに、
   前記超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記超音波衝撃処理用ピンと、前記溶接ビード及び前記金属材と、の間の面積であるピン先端空間Ｂ［ｍｍ²］が、Ｂ≦０．２［ｍｍ²］であり、
   前記超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、前記第２の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数を、前記第１の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数で割った値である応力集中係数比Ｃ［−］が、Ｃ≦１．７５［−］であることを特徴とする溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン。
2. 前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記金属材の表面と前記超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記超音波衝撃処理用ピンにより前記超音波衝撃処理を行って打撃痕が形成されたときに、
   前記超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記打撃痕の前記超音波衝撃処理用ピンの軸との接触点と、前記超音波衝撃処理用ピンの前記第２の露出面の基端のうち前記金属材側に位置する点であるＲ₂終端部と、の間の水平方向の距離である打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａ［ｍｍ］が、Ａ＞１．２［ｍｍ］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用ピン。
3. 前記ピン先端空間Ｂ［ｍｍ²］は、仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸が仮想の溶接止端部の方向を向くようにすると共に、仮想の金属材の表面と前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンが、仮想の溶接ビード及び前記仮想の金属材と接触したときの、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸の方向と、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向とにより定まる断面における、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンと、前記仮想の溶接ビード及び前記仮想の金属材と、の間の面積であり、
   前記応力集中係数比Ｃ［−］は、前記超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第２の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数を、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第１の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数で割った値であり、
   前記仮想の超音波衝撃処理用ピンは、前記超音波衝撃処理用ピンの仕様と同一の寸法を有すると仮定した超音波衝撃処理用ピンであり、
   前記仮想の溶接ビードは、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向における断面の形状及び大きさが、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向において同一であり、且つ、その表面が平面であると仮定した溶接ビードであり、
   前記仮想の金属材は、前記金属材の仕様と同一の寸法を有すると仮定した金属材であり、
   前記仮想の溶接止端部は、前記仮想の金属材と、前記仮想の溶接ビードとの、当該仮想の金属材の表面における境界の部分であることを特徴とする請求項２に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン。
4. 前記打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａ［ｍｍ］は、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸が前記仮想の溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記仮想の金属材の表面と前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンにより前記超音波衝撃処理を行って打撃痕が形成されたとしたときの、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記打撃痕の前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸との接触点と、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第２の露出面の基端に位置する前記仮想の金属材側の点であるＲ₂終端部と、の間の水平方向の距離であることを特徴とする請求項３に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン。
5. 非軸対称の形状を有するピンであって、母材となる金属材と、フランク角α［°］が１０［°］≦α≦４５［°］である溶接ビードとの、当該金属材の表面における境界の部分である溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与えるための溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンであって、
   前記超音波衝撃を与えるに際して前記溶接止端部付近に当たる先端部と、前記先端部に繋がる連結部と、前記連結部に繋がる胴部と、を有し、
   前記先端部と前記連結部と前記胴部は一体で形成され、
   前記先端部は、前記超音波衝撃処理用ピンの軸に対して垂直な方向である第１の方向において、その先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］、Ｒ₂［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第１の露出面及び第２の露出面と、前記軸と前記第１の方向とに対して垂直な方向である第２の方向において、その先端から、それぞれ曲率半径Ｒ₃［ｍｍ］、Ｒ₄［ｍｍ］の曲率で外方に湾曲した第３の露出面及び第４の露出面と、を有し、
   前記連結部の先端面は、前記先端部の基端面と同じであり、
   前記連結部は、前記先端部の基端から、前記第１の方向における幅が基端に位置するほど広くなると共に、前記第２の方向における両側端の幅が前記先端部の基端面の前記第２の方向における幅と同じになるように延設された露出面を有し、
   前記連結部の基端の形状は、直径Ｄ［ｍｍ］の円であり、
   前記胴部の先端面は、前記連結部の基端面と同じであり、
   前記胴部は、前記連結部の基端から前記超音波衝撃処理用ピンの軸に沿って真っすぐに延設された、底面の直径がＤ［ｍｍ］である円柱形状の部分を有し、
   前記超音波衝撃処理用ピンの全長Ｌ［ｍｍ］は、前記連結部の軸方向の長さをｍ［ｍｍ］として、２５［ｍｍ］＋ｍ［ｍｍ］≦Ｌであり、
   前記曲率半径Ｒ₁［ｍｍ］は、２．０［ｍｍ］≦Ｒ₁≦４．０［ｍｍ］であり、
   前記曲率半径Ｒ₂［ｍｍ］は、０．５［ｍｍ］≦Ｒ₂＜Ｒ₁［ｍｍ］であり、
   前記曲率半径Ｒ₄［ｍｍ］は、Ｒ₄≧０．１×Ｒ₃［ｍｍ］であり、
   前記曲率半径Ｒ₃［ｍｍ］は、Ｒ₃＜４×Ｄ及びＲ₁≦０．５×Ｒ₃を満足し、
   前記超音波衝撃処理用ピンの軸方向及び前記第１の方向に沿って前記超音波衝撃処理用ピンを切ったときの、前記超音波衝撃処理用ピンの軸と、前記連結部の前記第１の方向における両端面とのなす角度である傾斜角φは、０［°］＜φ≦１００［°］であり、
   前記フランク角α［°］は、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときの、前記溶接止端部と、前記金属材及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、前記溶接ビード及び前記超音波衝撃処理用ピンの接触点と、の３点により定まる前記溶接止端部回りの角度のうち小さい方の角度θ［°］の補角となる角度であり、
   前記超音波衝撃処理用ピンの前記第２の方向が前記溶接止端部の形成されている方向に沿うようにして、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記金属材の表面と前記超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記超音波衝撃処理用ピンが、前記溶接ビード及び前記金属材と接触したときに、
   前記超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記超音波衝撃処理用ピンと、前記溶接ビード及び前記金属材と、の間の面積であるピン先端空間Ｂ［ｍｍ²］が、Ｂ≦０．２［ｍｍ²］であり、
   前記超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、前記第２の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数を、前記第１の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数で割った値である応力集中係数比Ｃ［−］が、Ｃ≦１．７５［−］であることを特徴とする溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン。
6. 前記超音波衝撃処理用ピンの前記第２の方向が前記溶接止端部の形成されている方向に沿うようにして、前記超音波衝撃処理用ピンの軸が前記溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記金属材の表面と前記超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記超音波衝撃処理用ピンにより前記超音波衝撃処理を行って打撃痕が形成されたときに、
   前記超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記打撃痕の前記超音波衝撃処理用ピンの軸との接触点と、前記超音波衝撃処理用ピンの前記第２の露出面の基端のうち前記金属材側に位置する点であるＲ₂終端部と、の間の水平方向の距離である打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａ［ｍｍ］が、Ａ＞１．２［ｍｍ］であることを特徴とする請求項５に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン。
7. 前記ピン先端空間Ｂ［ｍｍ²］は、仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第２の方向が仮想の溶接止端部の形成されている方向に沿うようにして、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸が前記仮想の溶接止端部の方向を向くようにすると共に、仮想の金属材の表面と前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンが、仮想の溶接ビード及び前記仮想の金属材と接触したときの、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸の方向と、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向とにより定まる断面における、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンと、前記仮想の溶接ビード及び前記仮想の金属材と、の間の面積であり、
   前記応力集中係数比Ｃ［−］は、前記超音波衝撃処理により形成される打撃痕の領域のうち、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第２の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数を、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第１の露出面が当たる領域における弾性応力集中係数で割った値であり、
   前記仮想の超音波衝撃処理用ピンは、前記超音波衝撃処理用ピンの仕様と同一の寸法を有すると仮定した超音波衝撃処理用ピンであり、
   前記仮想の溶接ビードは、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向における断面の形状及び大きさが、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向において同一であり、且つ、その表面が平面であると仮定した溶接ビードであり、
   前記仮想の金属材は、前記金属材の仕様と同一の寸法を有すると仮定した金属材であり、
   前記仮想の溶接止端部は、前記仮想の金属材と、前記仮想の溶接ビードとの、当該仮想の金属材の表面における境界の部分であることを特徴とする請求項６に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン。
8. 前記打撃後軸心接触部・Ｒ₂終端部間距離Ａ［ｍｍ］は、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第２の方向が仮想の溶接止端部の形成されている方向に沿うようにして、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸が前記仮想の溶接止端部の方向を向くようにすると共に、前記仮想の金属材の表面と前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸とのなす角度がθ／２［°］となるようにして、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンにより前記超音波衝撃処理を行って打撃痕が形成されたとしたときの、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸を含み、且つ、前記仮想の溶接止端部が形成されている方向に垂直な方向に沿う方向の断面における、前記打撃痕の前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの軸との接触点と、前記仮想の超音波衝撃処理用ピンの前記第２の露出面の基端に位置する前記仮想の金属材側の点であるＲ₂終端部と、の間の水平方向の距離であることを特徴とする請求項７に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピン。
9. 請求項１〜４の何れか１項に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンに振動を発生させ、前記超音波衝撃処理用ピンにより溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与える溶接止端部の超音波衝撃処理方法であって、
   前記第１の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₁が、０．８Ｒ₁≦ｒ₁≦１．２Ｒ₁［ｍｍ］であり、
   前記第２の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₂が、０．４［ｍｍ］≦ｒ₂＜Ｒ₁であり、
   前記金属板の表面からの深さｄが、ｄ≧０．１［ｍｍ］である凹形状の打撃痕を、前記溶接止端部が形成されている方向に沿って連続的に形成し、
   前記第２の露出面の形状は、前記溶接止端部の位置と異なる領域に転写されるように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。
10. 請求項５〜８の何れか１項に記載の溶接止端部の超音波衝撃処理用ピンに振動を発生させ、前記超音波衝撃処理用ピンにより溶接止端部を狙い位置として超音波衝撃を与える溶接止端部の超音波衝撃処理方法であって、
    前記第１の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₃が、０．８Ｒ₁≦ｒ₃≦１．２Ｒ₁［ｍｍ］であり、
    前記第３の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₄が、０．８Ｒ₃≦ｒ₄≦１．２Ｒ₃［ｍｍ］であり、
    前記第２の露出面の形状が転写される領域の曲率半径ｒ₅が、０．４［ｍｍ］≦ｒ₅＜Ｒ₁であり、
    前記金属板の表面からの深さｄが、ｄ≧０．１［ｍｍ］である凹形状の打撃痕を、前記溶接止端部が形成されている方向に沿って連続的に形成し、
    前記第２の露出面の形状は、前記溶接止端部の位置と異なる領域に転写されるように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。

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