JP2013233590A

JP2013233590A - 疲労特性に優れる溶接継手

Info

Publication number: JP2013233590A
Application number: JP2012109305A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Morikage; 康森影; Satoshi Iki; 聡伊木; Hajime Tomo; 一鞆
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-21

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】振動端子によって溶接止端部の鋼材表面に溶接ビードに沿って打撃痕が連続形成された溶接継手において施されるピーニング処理方法が、前記振動端子を先端部の頂部が円弧状の略直方体で、前記先端部は進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有し、進行方向直角断面においてその頂部が、曲率中心を前記振動端子の幅中心より前記溶接止端部側に偏心した、曲率半径：１ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧状とし、前記振動端子によって、溶接止端より母材側に５ｍｍまでの領域において、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満に前記打撃痕が形成されている溶接継手。
【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、溶接部に新たな応力集中部となる変形を与えずに、ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理方法により圧縮残留応力を導入し疲労強度を向上させた溶接継手に関する。

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８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、ピーニング装置の振動端子５の先端により溶接止端に応力集中箇所となる深い溝（打撃痕６）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

ＩＭＰＲＯＶＩＮＧＦＡＴＩＧＵＥＳＴＲＥＮＧＴＨＯＦＷＥＬＤＥＤＪＯＩＮＴＳＢＹＨＡＭＭＥＲＰＥＥＮＩＮＧＴＩＧ−ＤＲＥＳＳＩＮＧ：ＫｅｎｇｏＡＮＡＭＩ、ＣｈｉｔｏｓｈｉＭＩＫＩ、ＨｉｄｅｋｉＴＡＮＩ、ＨａｒｕｈｉｔｏＹＡＭＡＭＯＴＯ、ＳｔｒｕｃｔｕａｌＥｎｇ．／ＥａｒｔｈｑｕａｋｅＥｎｇ．、ＪＳＣＥ、Ｖｏｌ．１７、ＮＯ．１、５７ｓ−６８ｓ、２０００Ａｐｒｉｌ）

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には、耐疲労特性に優れた溶接構造物が記載され、疲労き裂発生危険部の溶接部として好ましい溶接部が開示されているが、実構造物に適用した場合に当該溶接部を得るための装置の入手困難性や施工能率が懸念される。また、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、ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理方法において上記課題を解決するピーニング方法を用いて優れた疲労特性とし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または超音波衝撃処理方法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．振動端子によって溶接止端部の鋼材表面に溶接ビードに沿って打撃痕が連続形成された溶接継手であって、前記振動端子は先端部の頂部が円弧状の略直方体で、前記先端部は進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有し、進行方向直角断面においてその頂部が、曲率中心を前記振動端子の幅中心より前記溶接止端部側に偏心した、曲率半径：１ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧状で、前記振動端子によって、溶接止端より母材側に５ｍｍまでの領域において、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満に前記打撃痕が形成されていることを特徴とする疲労特性に優れる溶接継手。
２．前記振動端子の先端部は、進行方向断面においてその先後端に曲率半径０．１５ｍｍ〜０．５０ｍｍのＲ部を有していることを特徴とする１記載の疲労特性に優れる溶接継手。
３．前記打撃痕がハンマーピーニングによるものであることを特徴とする１または２記載の疲労特性に優れる溶接継手。
４．前記打撃痕が超音波衝撃処理方法によるものであることを特徴とする１または２記載の疲労特性に優れる溶接継手。

本発明によれば、溶接止端部への応力集中を打撃部へ分散することにより、溶接止端部の応力を緩和し、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の打撃に用いる振動端子を説明する図で、（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面の形状を示す図。本発明に係る溶接継手の打撃に用いる振動端子のＸ、Ｙ、Ｚ方向を説明する図比較のために用いた振動端子を説明する図で、（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面、（ｃ）はＸＹ断面の形状を示す図。比較のために用いた他の振動端子を説明する図で、（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面、（ｃ）はＸＹ断面の形状を示す図。図１に示した本発明に係る溶接継手の打撃に用いる振動端子の作用効果を説明する図。従来のピーニング方法での打撃に用いる振動端子の作用効果を説明する図。本発明に係る溶接継手に施すピーニング法により疲労特性が向上する原理を説明する概略図。ハンマーピーニングにより止端に生じる欠陥を説明する図。

本発明に係る溶接継手に施すピーニング方法は、止端４での引張残留応力に及ぼす打撃痕を形成する際、母材に生じる圧縮残留応力に影響を及ぼすものとして、１．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、２．溶接止端より母材側の領域における打撃痕の最大深さを規定する。以下の説明において止端（溶接止端ということもある。）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）。
［振動端子の形状］
図１に本発明に係る溶接継手に施すピーニング方法で用いる振動端子の先端部の形状を示す。図２は図１におけるＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を説明する図で、Ｘ方向は打撃の進行方向と直角方向、Ｙ方向は打撃の進行方向とする。Ｚ方向は打撃方向（振動端子の取り付け方向）である。図１において（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面を示す。

図１に示す振動端子は、振動端子の先端部が、進行方向（Ｙ方向）に対して直角となる進行方向直角断面（ＸＺ断面）（図１（ａ））において、その先端部の頂部に、曲率中心が振動端子の進行方向直角断面（ＸＺ断面）の幅中心（図示しない）より偏心させた、曲率半径（ｒ）：１ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧状の外周部の一部を有する。曲率中心の偏心量は図６を用いて後述するようにピーニング作業を行う対象となる溶接金属の形状に応じて適宜規定すれば良く特に規定しない。

振動端子の先端部の頂部は前記進行方向直角断面（ＸＺ断面）における形状を進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さ（Ｌ２）だけ確保した、略蒲鉾形状とする（図１（ｂ））。

頂部に円弧状の外周部を有する振動端子の場合、円弧の曲率半径が１ｍｍ未満では止端に応力集中部となる変形が形成される可能性があり、一方、５ｍｍ超えの場合は接触面積が大きくなり、止端に十分な圧縮残留応力を付与することができないため、曲率半径（ｒ）：１ｍｍ以上５ｍｍ以下とする。

振動端子はその基部が打撃方向と直角なＸＹ断面において幅Ｌ１、長さＬ２の長方形断面の略直方体で、先端部の形状は略蒲鉾形状の頂部から前記長方形断面を有する直方体の部分（基部）までを平板形状の傾斜部とし、当該傾斜部はＸＺ断面において頂部の円弧からの接線に沿って形成したものとする（図１（ａ）、図２）。

図１に示した振動端子は進行方向（Ｙ方向）の長さ（Ｌ２）を１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする。１ｍｍ未満の長さ（Ｌ２）では、止端に圧縮残留応力を付与することが出来ず、一方、１０ｍｍ超えの長さ（Ｌ２）の場合は、止端に応力集中部となる変形が形成されるため、１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下とする。

振動端子は、進行方向断面（ＹＺ断面）の先後端において母材を垂直方向から打撃するので、打撃によるき裂発生を防止するため面取り部を設けることが好ましい。面取り部の曲率半径（ｒ）が０．１５ｍｍ未満では、面取り部の止端に応力集中部となる変形が形成
される可能性があり、一方、０．５０ｍｍを超えると接触面積が大きくなり、面取り部の止端に十分な圧縮残留応力を付与することができないため、曲率半径０．１５ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の面取り部とすることが好ましい。

本発明に係る溶接継手に施すピーニング方法では、図１に示す振動端子を、ＸＺ断面で先端部の頂部における偏心した円弧状の部分が溶接止端部側となるようにハンマーピーニングまたは超音波衝撃装置などのピーニング装置に取り付けて溶接部を打撃する。打撃時は、振動端子先端部の長辺側を止端に平行に打撃するのが好ましい。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。

図５は、図１に示した振動端子の効果を示す模式図で、母材１とリブ板２を溶接する溶接金属（溶接ビードと記載する場合がある）３の断面形状が外側に盛り上がった凸状となった場合でも、振動端子５を溶接金属３に接触させることなく、溶接止端部の母材１を打撃することが可能である。

一方、図６は振動端子先端部の頂部の、曲率中心が振動端子５ａの進行方向直角断面（ＸＺ断面）の幅中心（図示しない）にある場合（偏心させない場合）を示し、振動端子５ａが母材１を打撃する前に、溶接金属３と接触する。振動端子５ａの傾斜部を溶接金属３に接触しないようにするためには、振動端子５ａを傾けるか、溶接止端からにすき間を設ける必要がある。振動端子５を傾けると、振動端子５の先端が溶接金属３に接触する可能性が大きくなり、溶接止端からにすき間を設けると、溶接止端への圧縮残留応力導入の効果が小さくなる可能性がある。
［溶接止端より母材側の領域における打撃痕の最大深さ］
図７は本発明に係る溶接継手に施すピーニング方法により疲労特性が向上する原理を説明する概略図で、母材１にリブ板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の振動端子（先端工具という場合がある）（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から打撃痕６の最も止端に近い側までの距離ｄで規定）は、幅Ｂの振動端子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が圧縮残留応力を有するように規定し、本発明では距離ｄを０〜５ｍｍ（溶接止端より母材側に５ｍｍ）とする。打撃痕が止端に接して形成される場合（距離ｄ＝０）でも圧縮残留応力を止端に導入することが可能なため本発明範囲内とする。また、溶接金属に打撃痕をつけないことを条件として、溶接止端より母材側に５ｍｍまでの領域の一部または全部に打撃痕が形成されていればよく、打撃痕が溶接止端より５ｍｍを超えて形成されても本発明範囲内とする。

尚、本発明に係る溶接継手に施すピーニング方法では、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。

打撃痕は、最大深さを０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満とする。底部までの最大深さが０．０３ｍｍ未満の場合は、止端に十分な圧縮残留応力を付与することができず、０．５０ｍｍ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可能性があるためである。

上記打撃痕深さの範囲内であれば、母材強度が変化しても、溶接止端の引張残留応力を軽減する圧縮残留応力と、打撃痕から離れた位置で圧縮残留応力が最大値となる分布状態が得られる。

また、打撃痕は、互いが一部または全てが重なるように溶接止端に沿って連続的に打撃して形成することが好ましい。

本発明に係る溶接継手に施すピーニング方法はハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理のいずれにも適用可能であって、いずれの場合でもその作用効果が得られる。

表１に、先端部が図１に示す形状（外周部をなす円弧状の部分が振動端子の中心軸より偏心した形状）の振動端子と先端部が球面や平面の形状の振動端子を用いてピーニングを行った後、残留応力を測定した結果を示す。

図３は振動端子の先端部がＸＹ断面において直径Ｒの円形をなす円筒状で、先端部の頂部が半径ｒの略半球面の場合を示し、図４は振動端子の先端部がＸＹ断面において一辺の長さがＬ（＝Ｒ）の正方形の直方体で、先端部の頂部が一辺の長さがＬ（＝Ｒ）正方形からなる平面の場合を示す。ピーニングには上記Ｌ１、Ｌ２、Ｒ、Ｌ、ｒの値を変化させた複数の振動端子を用いた。

図１に示した振動端子の場合、打撃部近傍の圧縮の残留応力はいずれも３００ＭＰａを超えて、先端部の頂部が平面や半球面の場合より、大きな圧縮残留応力が得られ、優れたピーニング効果の得られることが認められた。

なお、ピーニングは１２ｍｍ厚×１００ｍｍ×３００ｍｍの鋼板に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）で１００ｍｍの長さにわたって打撃痕の最大深さが０．２ｍｍ以上となるように振動端子を垂直に繰り返し打撃して行った。Ｘ線を用いた残留応力測定は、ビーム径１ｍｍφで打撃痕端から１ｍｍ離れた位置の残留応力を測定した。

１母材
２リブ
３溶接ビード
４止端
５、５ａ振動端子
６打撃痕
７疲労き裂

Claims

振動端子によって溶接止端部の鋼材表面に溶接ビードに沿って打撃痕が連続形成された溶接継手であって、前記振動端子は先端部の頂部が円弧状の略直方体で、前記先端部は進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有し、進行方向直角断面においてその頂部が、曲率中心を前記振動端子の幅中心より前記溶接止端部側に偏心した、曲率半径：１ｍｍ以上５ｍｍ以下の円弧状で、前記振動端子によって、溶接止端より母材側に５ｍｍまでの領域において、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満に前記打撃痕が形成されていることを特徴とする疲労特性に優れる溶接継手。
前記振動端子の先端部は、進行方向断面においてその先後端に曲率半径０．１５ｍｍ〜０．５０ｍｍのＲ部を有していることを特徴とする請求項１記載の疲労特性に優れる溶接継手。
前記打撃痕がハンマーピーニングによるものであることを特徴とする請求項１または２記載の疲労特性に優れる溶接継手。
前記打撃痕が超音波衝撃処理方法によるものであることを特徴とする請求項１または２記載の疲労特性に優れる溶接継手。