JP2014097510A

JP2014097510A - ピーニング施工方法

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Publication number: JP2014097510A
Application number: JP2012249343A
Authority: JP
Inventors: Hajime Tomo; 一鞆; Makoto Doi; 真土居
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2012-11-13
Filing date: 2012-11-13
Publication date: 2014-05-29
Anticipated expiration: 2032-11-13
Also published as: JP5252112B1

Abstract

【課題】溶接後の溶接構造物に対して簡便な工具を用いてピーニング処理して圧縮残留応力を導入することにより溶接継手の疲労強度を大幅に改善することができる溶接構造物のピーニング施工方法を提供すること。
【解決手段】先端に平坦部を有する打撃ツール１を備えたピーニングツール２を用いて母材表面を打撃して溶接継手の疲労特性を改善するピーニング施工方法であって、前記打撃ツール１による打撃の方向を母材表面の垂直方向に対して溶接部と反対側に５度以上２０度以下傾けて打撃を行うことを特徴とするピーニング施工方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、繰り返し荷重を受ける橋梁、船舶、海洋構造物等の大型鋼構造物や自動車、建設機械等の機械製品における溶接継手部の疲労性能を改善する方法及び鋼構造物、機械製品の補修・延命化する方法に関する。

橋梁や船舶、海洋構造物などの鋼構造物、自動車などは多くの鋼部材を溶接によって接合することによって構成されているが、近年、鋼構造物や機械部品に加わる応力または熱が繰り返し作用することに起因する金属疲労による破損事故が多数発生している。
これは、橋梁などの鋼構造物の設計においては、大型化とそれに伴う軽量化の目的から使用鋼材の高強度化が進められているが、鋼材本体についてはその疲労強度は引張強さの増加と共に上昇するのに対して、溶接継手部においては鋼材の引張強さが増加しても疲労強度が向上しないため、この溶接継手部で金属疲労が起こることが原因である。
このため、大型溶接構造物が繰り返し荷重を受ける場合には、溶接部の疲労強度に対する安全性を充分に考慮する必要がある。

溶接部の疲労強度は、溶接継手部の形状、残留応力、溶接欠陥などの影響を受ける。
図１５は重ね合わされた金属板１１及び金属板１２を隅肉溶接して溶接ビード（溶接継手）１３を形成した状態を示す図である。金属板１２と溶接ビード１３との境界部には溶接ビード止端部１４が形成される。この溶接止端部１４近傍は、溶接時に急激な凝固が起こるために引張残留応力が存在し易い箇所であり、また、金属部材に外力が負荷された際に応力集中が起こり易い箇所でもある。この溶接継手部に繰り返し荷重が作用すると微小な溶接欠陥であっても、それが亀裂や割れにつながる可能性があり、この亀裂や割れは構造物全体の信頼性に重大な影響を及ぼすことになる。
このため、溶接継手部の疲労特性を向上させるために、溶接継手部における引張残留応力を低減するための方法や、応力集中を緩和するための方法として種々の方法が提案されている。

溶接部における引張残留応力を低減する方法としては、溶接後に母材よりも高い引張強度を有する溶接材で化粧溶接を行う方法（特許文献１参照）、溶接後に塑性変形を与える方法（特許文献２参照）、溶接止端部をハンマー打撃装置でハンマー打撃処理（ハンマーピーニング）する方法（特許文献３参照）、レーザーピーニングを行う方法（特許文献４）、超音波振動子の打撃によってピーニングを行う方法（特許文献５）、溶接が完了する室温もしくはその付近でマルテンサイト変態膨張が終了する溶接材料を用いてアーク溶接を行い、溶接金属の変態膨張を利用する方法（特許文献６参照）などがある。

また、溶接部の応力集中を緩和する方法としては、溶接ビードを研削する手法（特許文献７参照）、溶接金属の成分調整により溶接止端部半径と接触角度を大きくして応力集中を緩和する手法（特許文献８参照）が提案されている。

溶接後に溶接部の引張残留応力を低減する方法のうち、ピーニングによる方法は操作が簡単であるためコスト的に有力な方法であるが、レーザーピーニングは装置が大きくなるためハンドリング性に劣るという問題があり、超音波振動子によるピーニングは装置が高価であり入手が困難であるという問題がある。
これに対し、ハンマーピーニングは他のピーニング装置に比べるとハンドリング性が良好であり、コスト的にも好ましい方法である。

特許文献９には、溶接部の疲労耐久性向上させるために、図１６に示すような先端に平坦部３を有する打撃ツール１を用いて、溶接部ではなく溶接部近傍の母材をほぼ鉛直に打撃することにより溶接部に圧縮ひずみを導入して疲労強度を向上させている。
また、特許文献１０では、図１７に示すような打撃ツールがピーニングツールのチャック１７に装着するための取付部１５とこの取付部に対して取付部の軸から偏心させて固着された打撃部１６とから構成した打撃ツールを用いる方法が示されている。

特開昭５２−９８６４２号公報特開平５−２５３６７４号公報特開平４−２１７１７号公報特開平７−２４６４８３号公報特開２００４−１３０３１３号特開平１２−８４６７０号公報特開昭６１−１８６６１１号公報特開平４−３６１８７６号公報特許第４８９５４０７号公報特許第４９５２８５６号公報

図１に示される先端に平坦部３を有する打撃ツール１を用いて母材に対して鉛直方向に打撃を加えるという方法では、打撃痕の両側、すなわち、溶接部に近く圧縮ひずみを導入する必要がある側の母材と溶接部から遠くそれほど圧縮ひずみを導入する必要がない側の母材とに均等に圧縮ひずみが導入され、溶接部に近く圧縮ひずみを導入する必要がある側に効率的に圧縮ひずみを導入できないという課題がある。
そこで、本発明は上記課題に鑑み、打撃ツールによる打撃によって圧縮ひずみを導入する必要がある位置に効率的に圧縮ひずみを導入することができるピーニング処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、先端に平坦部を有するピーニングツールを母材面の鉛直方向に対して傾けて打撃することにより、圧縮ひずみの導入分布に方向性を持たせて、傾けた側と反対側の母材に、より効率的に圧縮ひずみを付与することができることを見出して本発明に至った。
すなわち、本発明は以下に記載する通りのピーニング施工方法に係るものである。

（１）先端に平坦部を有する打撃ツールを備えたピーニングツールを用いて母材表面を打撃して溶接継手の疲労特性を改善するピーニング施工方法であって、前記打撃ツールによる打撃の方向を母材表面の垂直方向に対して溶接部と反対側に５度以上２０度以下傾けて打撃を行うことを特徴とするピーニング施工方法。
（２）前記ピーニングツールの打撃振動数が１ｋＨｚ以下であることを特徴とする（１）に記載のピーニング施工方法。
（３）前記打撃ツールの平坦部が矩形状であり、矩形の一辺が２ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、面積が４ｍｍ^２以上、２５ｍｍ^２以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のピーニング施工方法。
（４）前記ピーニングツールを被打撃面の鉛直方向に対して溶接部と反対側に５度〜２０度傾けてハンドツールに固定してピーニングを行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（５）前記ピーニングツールを被打撃面の鉛直方向に対して溶接部と反対側に５度〜２０度傾けて送り装置に固定し、前記送り装置を人力で走行させるか、又は、自動走行させることによりピーニングを行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（６）打撃ツールによる被打撃面に対する打撃を２回以上行うことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（７）ピーニングツールの送り速度を６０ｃｍ／ｍｉｎ以上として行うことを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のピーニング施工方法。

本発明のように先端に平坦部を有する打撃ツールを備えたピーニングツールを傾けて施工することにより、溶接部の疲労耐久性を鉛直方向の打撃による施工方法に比べてより向上させることができ、また、母材面に鉛直方向に打撃することを前提とした施工条件よりも適用範囲が広がる。

本発明のピーニング施工方法を実施するピーニングツールを示す図である。本発明のピーニング施工方法を説明する図である。本発明のピーニング施工方法を実施した場合の母材の表面状態を示す図である。本発明のピーニング施工方法の効果を説明する図である。本発明のピーニング施工方法を説明する図である。本発明のピーニング施工方法を説明する図である。本発明の実施例における試験方法を説明する図である。本発明のピーニング施工方法の効果を説明する図である。本発明のピーニング施工方法の効果を説明する図である。本発明のピーニング施工方法の効果を説明する図である。本発明のピーニング施工方法の効果を説明する図である。実施例で用いた試験体の形状を示す図である。実施例で用いた試験体の表面状態を概念的に示す図である。試験体の破断回数と応力範囲（ＭＰａ）との関係を示す図である。金属板を溶接継手で接合した状態を示す図である。従来のピーニングツールの例を説明する図である。従来のピーニングツールの例を説明する図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて以下説明する。
図１は本発明のピーニング施工に用いるピーニング装置の一例を示したものである。
図１（ａ）は先端部に溶接母材よりも硬度が高い平坦な打撃面３が設けられたタガネ状の打撃ツール１を示す図であり、その上端部は図１（ｂ）に示す工具２に固定可能なように加工されている。
図１（ｂ）は打撃ツール１が取り付けられ、打撃ツール１を上下に往復運動させて母材に打撃を与えるためのピーニングツール（打撃工具）２を示す図である。
本発明のピーニング施工方法を実施するに際しては打撃ツール１に１ｋＨｚ以下、好ましくは１００Ｈｚ以下の低周波数（本発明においては「周波数」とは「打撃頻度」を意味する）で繰り返し打撃を与え、母材に衝撃力を与えることが可能なピーニング装置を用いる。

図示したピーニングツール２はエアーハンマーであり、上部から圧搾空気４が供給されてエアーハンマー本体内のピストンを往復動させて先端に配設した打撃ツール１を打撃するようになっている。
このエアーハンマーとしては溶接フラックスの除去などに用いられるフラックスチッパーなどを転用することができる。エアーハンマーが大きいものであると扱いにくくなり止端部から０〜３ｍｍの位置を打撃するように調整するのが困難となる。

打撃ツール１は先端部が平坦な形状となっている。先端形状としては円形、楕円形、矩形等の母材の表面に塑性変形を付与し易いものを適宜選択することができ、コンプレッサーの空気圧や打撃を与える工具の性能によって最適な先端形状を決めればよい。エアーハンマーのパワーが大きければ打撃ツールの先端の面積を大きくしても良いが、打撃痕の幅を増やしても溶接ビード側に与える影響には変わりがないので、あまり打撃痕の幅を増やす必要はない。また、エアーハンマーのパワーが小さい場合には先端の面積を大きくすると母材に適正な塑性変形を与えることができない。
平坦部の面積は４ｍｍ^２以上、２５ｍｍ^２以下であることが好ましい。また、先端形状としては矩形のものが好ましく、矩形の一辺が２ｍｍ以上、５ｍｍ以下のものが好ましい。また、先端部分は面取りを行うことが好ましい。

図２は打撃ツール１を装着したピーニングツール２を母材に対して鉛直方向から角度θだけ傾けて母材を打撃する様子を示した図である。なお、以下ではピーニングツールを傾斜させて打撃することを「斜め打ち」という場合がある。
但し手動でピーニングツールを一定の傾斜角度に保って施工することは困難である。
このため、ピーニングツールの傾斜角度を一定に保つにはピーニングツールを、例えば、前記特許文献１０（特許第４９５２８６６号公報）に記載の打撃処理装置において用いられているようなハンドツールや送り装置に装着してピーニングを行うことが好ましい。前記送り装置はガイドに沿って進むようにしても良い。ガイドはレールのように別途設置しても良いし、ピーニング施工する箇所に平行なガイド部材を設けても良い。また、送り装置を多関節ロボットのような汎用ロボットとすることもでき、ピーニングツールを汎用ロボット先端のマニピュレータに装着しても良い。

図３は本発明のピーニング施工法によって母材７の表面を打撃して母材表面に帯状の打撃痕２１を形成した場合の母材７の表面の断面プロフィールを模式的に示した図である。ピーニングツール２を母材７の表面の鉛直方向に対して溶接部と反対側に角度（θ度）傾けて打撃ツール１で母材面７を打撃すると、打撃痕２１は打撃前の母材面に対して傾斜した状態で形成され、前方部には打撃痕盛り上がりピーク（前方）２２が、また、後方部には打撃痕盛り上がりピーク（後方）２３が形成される。
図３において、Ｌｆは打撃痕盛り上がりピーク（前方）からの距離（離れ）を示し、Ｌｂは打撃痕盛り上がりピーク（後方）からの距離（離れ）をそれぞれ示す。

図４はピーニングツールを自動送り装置に傾斜角度を１５度となるように固定してピーニング施工を行った時の打撃痕盛り上がりピークからの距離Ｌｆ（ｍｍ）及びＬｂ（ｍｍ）と圧縮ひずみの推計値（μ）との関係を示す図である。
図４に示されるように、打撃ツールで斜め打ちすると前方の圧縮ひずみは後方の圧縮ひずみ比べて大きくなる。すなわち、同じ打撃力を与えても斜め打ちの方が前方方向により大きな圧縮ひずみを与えることができる。

先端に平坦部を有する打撃ツールを備えたピーニングツールを溶接部と反対側に傾けて施工することにより、上記したような効果とは別に打撃対象となる溶接物の適用範囲が広がるという効果が得られる。
例えば図５に示すような母材７の表面にリブ６を溶接によって垂直に立設した溶接物の溶接部を打撃ツール１によってピーニング施工をするに際して、ピーニングツール２を母材７の面の鉛直方向に対して溶接ビード５とは反対側に傾斜させて打撃することにより、溶接部により近接して打撃することが可能となり、鉛直方向に打撃するよりも溶接部に導入される圧縮ひずみが大きくなり、疲労耐欠性をより向上させることができる。

また、図６は母材７に対してその上部がピーニングツール２の方向に張り出している張出部８を有するリブ６を溶接によって立設した溶接物の溶接部をピーニング施工する様子を示した図である。図６（ａ）に示すような従来の母材面を打撃ツールによって鉛直方向に打撃する施工方法ではこの張出部８がピーニングツール２と干渉して打撃を妨げるが、図６（ｂ）に示す本発明の施工方法によればピーニングツール２を傾斜させて打撃を行うためピーニングツール２が張出部８と干渉することがないため打撃を良好に行うことができる。

［実施例１］
打撃ツールとしてはタガネ（Ｇ．１．１：不二空機製）を加工して先端が３ｍｍ×３ｍｍ程度の平坦な矩形形状で、先端部の外周に半径約０．５ｍｍの面取りを行ったものを用いた。
ピーニングツールとしては図１に示したようなハンマー工具（フラックスチッパ：ＦＣＨ−２０不二空機製：打撃振動数９０Ｈｚ）を用い、打撃ツールをこのピーニングツールに装着した。
試験体としては図７に示すような鉄板を用い、この鉄板の表面に打撃位置を挟んで両側に５連ゲージを貼り付けた。
ピーニングツールを自動送り装置に固定してピーニングツールの傾斜角度θを０度、１０度、１５度、２０度と変化させて送り速度６０ｃｍ／ｍｉｎで１往復（２回）のピーニング施工を行って打撃痕を形成した。
試験は０度を試験体数２個、１０度を試験体数３個、１５度を試験体数２個について行い、データから圧縮ひずみの近似曲線を求め、打撃痕の盛り上がリピークから２ｍｍ、３ｍｍの位置の圧縮ひずみを推定した

図８は上記の試験によって得られたデータに基づいて、打撃痕盛り上がりピーク（前方）からの距離Ｌｆ（ｍｍ）と圧縮ひずみの推計値（μ）を得てその結果を示したものである。
図８に示された結果から、打撃痕の盛り上がりのピークから前方２ｍｍの位置では鉛直方向に打撃した場合に比べて圧縮ひずみの向上が見られ、３ｍｍでも同様の効果が得られることが分かる。

更に、得られたデータに基づいて、打撃痕盛り上がりピークからの距離をパラメータとして、打撃角度θ（度）と圧縮ひずみ推定値との関係を図９に示した。ここで、マイナスの打撃角度の数値は、図３における打撃痕盛り上がりピーク（後方）からの距離Ｌｂでの圧縮ひずみ推定値である。
この図９によると、打撃角度θが０度である場合に比べて打撃角度θが５度である場合においてもＬｆが２ｍｍ及び３ｍｍの位置における圧縮ひずみを向上させる効果があると推察されるが、その効果は打撃角度θが１０度から２０度においてより顕著である。
しかし、マイナスの打撃角度θにおいては、「斜め打ち」の効果がないと言うだけではなく、逆に、圧縮ひずみの導入量は従来技術である打撃角度θが０度の場合より低下する。

［実施例２］
実施例１と同様の打撃装置を用いて、打撃角度１５度、送り速度６０ｃｍ／ｍｉｎで一回目の打撃と２回目の打撃とを行ない、圧縮ひずみの値を測定した。
その結果を図１０に示す。
図１０は打撃痕盛り上がりピーク（前方）からの距離（離れ）を示している。
図１０に示された結果から、２回打撃すると圧縮ひずみが約２倍入ることが分かり、打撃は複数回行うことが好ましいことが分かる。打撃痕の表面模様も、１回打撃ではやや不陸が見られるが、２回以上打撃すると見られなくなる。

［実施例３］
実施例１と同様の打撃装置を用いて、打撃角度１５度、送り速度３０ｃｍ／ｍｉｎ、６０ｃｍ／ｍｉｎ、９０ｃｍ／ｍｉｎで打撃を行なった。その結果を図１１に示す。
この結果から、ピーニングツールの送り速度を、処理コスト面でより有利な６０ｃｍ／ｍｉｎ以上とした場合にも効果的に圧縮ひずみを付与することができることが分かる。

［実施例４］
本実施例では、実施例１と同様の打撃装置を用いて、試験体に対して傾斜角度を１０度、送り速度を１００ｃｍ／ｍｉｎで打撃を行った時の試験体の疲労強度を測定した。
試験体としては図１２に示す形状を有する「荷重非伝達型十字継手」を用いた。
この試験体１〜４について行った打撃試験の条件（応力範囲、離れ（Ｌｆ）、深さ（ｈ）、幅（ｗ））を下記表１に示す。なお、ここでの離れ（Ｌｆ）は打撃痕盛り上がりピーク（前方）から溶接止端部までの距離で、深さ（ｈ）は母材表面から計った打撃痕の深さである。
また、試験の結果である破断回数（回）、溶接ままの破断回数（回）及び回数倍率（破断回数（回）／溶接ままの破断回数（回））を表１に示す。
なお、図１３は試験体の表面状態を概念的に示す図である。

また、図１４は試験体１〜４の破断回数と応力範囲（ＭＰａ）との関係をプロットした図である。図中、□は左から順に打撃試験を行った試験体１、２、３、４についてのプロットであり、●は溶接ままの３つの試験体についてのプロットである。
図中のＡ〜Ｅの曲線は道路橋示方書・同解説（平成２４年３月）の等級を示すものである。
図のＡ等級は母材相当の疲労強度を示す。
図１４は、例えば、試験体２については、５〜２５５ＭＰａの応力を繰り返し加えた時は約５０万回で破断し、試験体４については、５〜２０５ＭＰａの応力を繰り返し加えた時は２００万回でも破断しなかったことを示している。
この試験結果によると、溶接ままではＥ等級程度であることを示し、本発明の試験体１〜４ではほぼＢ等級以上の疲労強度が得られることがわかる。

本発明のピーニング施工方法は、簡便な工具を用いて溶接継手の疲労強度を大幅に改善することができるため、繰り返し荷重を受ける橋梁、船舶、海洋構造物等の大型鋼構造物や自動車、建設機械等の機械製品の補修・延命化に好適である。

１打撃ツール
２ピーニングツール（打撃工具）
３打撃ツール先端部
４圧搾空気
５溶接ビード（溶接継手）
６リブ
７母材
８張出部
９溶接止端部
１１，１２金属板
１３溶接ビード（溶接継手）
１４溶接ビード止端部
１５打撃ツールの取付部
１６打撃ツールの打撃部
１７ピーニングツールのチャック

（１）先端に平坦部を有する打撃ツールを備えたピーニングツールを用いて母材表面を打撃して溶接継手の疲労特性を改善するピーニング施工方法であって、前記打撃ツールによる打撃の方向を母材表面の垂直方向に対して溶接部と反対側に１０度以上２０度以下傾けて打撃を行うことを特徴とするピーニング施工方法。
（２）前記ピーニングツールの打撃振動数が１ｋＨｚ以下であることを特徴とする（１）に記載のピーニング施工方法。
（３）前記打撃ツールの平坦部が矩形状であり、矩形の一辺が２ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、面積が４ｍｍ^２以上、２５ｍｍ^２以下であることを特徴とする（１）又は（２）に記載のピーニング施工方法。
（４）前記ピーニングツールを被打撃面の鉛直方向に対して溶接部と反対側に１０度以上２０度以下傾けてハンドツールに固定してピーニングを行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（５）前記ピーニングツールを被打撃面の鉛直方向に対して溶接部と反対側に１０度以上２０度以下傾けて送り装置に固定し、前記送り装置を人力で走行させるか、又は、自動走行させることによりピーニングを行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（６）打撃ツールによる被打撃面に対する打撃を２回以上行うことを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（７）ピーニングツールの送り速度を６０ｃｍ／ｍｉｎ以上として行うことを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のピーニング施工方法。

Claims

先端に平坦部を有する打撃ツールを備えたピーニングツールを用いて母材表面を打撃して溶接継手の疲労特性を改善するピーニング施工方法であって、前記打撃ツールによる打撃の方向を母材表面の垂直方向に対して溶接部と反対側に５度以上２０度以下傾けて打撃を行うことを特徴とするピーニング施工方法。
前記ピーニングツールの打撃振動数が１ｋＨｚ以下であることを特徴とする請求項１に記載のピーニング施工方法。
前記打撃ツールの平坦部が矩形状であり、矩形の一辺が２ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、面積が４ｍｍ^２以上、２５ｍｍ^２以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のピーニング施工方法。
前記ピーニングツールを被打撃面の鉛直方向に対して溶接部と反対側に５度〜２０度傾けてハンドツールに固定してピーニングを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のピーニング施工方法。
前記ピーニングツールを被打撃面の鉛直方向に対して溶接部と反対側に５度〜２０度傾けて送り装置に固定し、前記送り装置を人力で走行させるか、又は、自動走行させることによりピーニングを行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のピーニング施工方法。
打撃ツールによる被打撃面に対する打撃を２回以上行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のピーニング施工方法。
ピーニングツールの送り速度を６０ｃｍ／ｍｉｎ以上として行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のピーニング施工方法。