JP2014172043A - ピーニング施工方法とそれによって施工された溶接継手 - Google Patents

Abstract

【課題】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金属部材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・延命化する方法の提供。
【解決手段】鋼板の一方の面の側に圧縮残留応力を導入するに際して、圧縮残留応力を導入したい箇所に対応する裏側の面を打撃ツールで打撃することによって前記圧縮残留応力を導入したい箇所に圧縮残留応力を導入することを特徴とするピーニング施工方法。
【選択図】なし

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金属部材または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又はその他の金属からなる金属部材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。
特に、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金属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１２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。この溶接ビード止端部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耐久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１参照）、レーザーピーニングを行う方法（特許文献２参照）、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３参照）、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４参照）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５参照）、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６参照）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。

従来のハンマーピーニングはビード止端部に打撃を加えて圧縮残留応力を導入するものであるが、この操作により圧縮残留応力は導入されるものの、ビード止端部にノッチが混入し、これにより疲労強度が下がっているという報告がある。また，ピーニング後の応力集中箇所が溶接部または母材と溶接部の熱影響を受ける境界部（ＨＡＺ部）など疲労強度が低下する部分であることから、ハンマーピーニングの効果が低減する可能性がある。

これを解決するために、先端に平坦部を有する打撃ツールを用い、溶接ビード止端を打撃することなく、溶接ビード止端近傍の母材表面に対して垂直方向に溶接ビードに沿って連続的に打撃して母材に帯状の打撃痕を形成し、前記溶接継手部の疲労性能を改善することが提案されている（特許文献７参照）。
また、特許文献８は、溶接止端部に発生した疲労き裂の補修に関するものであり、疲労き裂周辺にピーニング処理を行い、疲労き裂部に圧縮残留応力を付与することで、疲労き裂のき裂深さ方向への進展速度を抑えるものである

前記のように溶接部に圧縮残留応力を導入する方法としてハンマーピーニングは好ましい方法であるが、ピーニングを行ないたい箇所が遮蔽されている場合や、ピーニング処理操作を妨げる障害物がある場合には十分にピーニング施工をすることができない。

このようにピーニング施工が十分に行えない場合を橋梁や高架道路を建設する際に用いられる鋼床版を例にとって説明する。
図２、図３および図４に鋼床版の構造の一例を示す。図２は鋼床版の下側からの斜視図であり、図３は図２に示される鋼床版のＵリブの軸方向に垂直な断面構造を示す図であり、図４は図３において○で囲った溶接ビード２６の部分の詳細図である。
図２に示すように、デッキプレート２１の下面に縦方向に連続する縦リブ（Ｕリブ）２２が横方向に所定間隔で並設されると共にこれと直交する横方向に横リブ２３と該横リブ２３より背の高い横桁２４が所定間隔で配設され、更に横リブ２３及び横桁２４を貫いて縦方向の主桁２５が溶接によって一体に固定されて構成されている。鋼床版は、図２に示す状態まで製造工場にて組み上げた後、施工現場に搬送して橋脚上に据え付けるいわゆるプレハブ工法による施工に用いられる。

図３、図４に示すように、鋼床版の縦リブがＵ形である場合、溶接はＵリブの外側から行い、Ｕリブの板厚ｔの７５％以上の溶込み量となるすみ肉溶接を行う。そのため構造上Ｕリブの外側はピーニングを行うことができるが、Ｕリブの内側はピーニングすることは不可能であり、溶接部の内側に十分な圧縮残留応力を付与することができないという問題がある。

また、図１３はＵリブを使った鋼床版における疲労き裂発生状態の一例を示したものであるが、疲労き裂には、Ｕリブに囲まれた内側き裂とＵリブに囲まれていない外側き裂がある。
外側き裂の補修は特許文献８に記載されている疲労き裂補修方法で対応できるが、内側き裂はこの補修方法では対応できない。

また、前記Ｕリブの場合に限らず、ピーニングを行ないたい箇所が遮蔽されている場合や、ピーニング処理操作を妨げる障害物がある場合には十分にピーニング施工をすることができないという問題がある。

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 特開２０１１−１６７６９３号公報 特許第４４４１６４１号公報

本発明は、ピーニング施工によって圧縮残留応力を導入したい箇所が遮蔽されている場合や、ピーニング施工を妨げる障害物がある場合においても圧縮残留応力を導入したい箇所に十分に圧縮残留応力を導入することができるピーニング施工方法を提供することを目的とする。

本発明者は、圧縮残留応力を導入したい箇所の裏側の面にピーニング施工を施すことにより圧縮残留応力を導入したい箇所に圧縮残留応力を導入することができることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載するとおりのピーニング施工方法に係るものである。

（１）金属板の一方の面の側に圧縮残留応力を導入するに際して、圧縮残留応力を導入したい箇所に対応する裏側の面を打撃ツールで打撃することによって前記圧縮残留応力を導入したい箇所に圧縮残留応力を導入することを特徴とするピーニング施工方法。
（２）前記金属板には金属部材が溶接されて溶接継手を形成しており、前記溶接継手の溶接部に溶接ビードが形成されており、前記圧縮残留応力を導入したい箇所が溶接ビード止端、溶接溶け込み部先端、溶接ビード止端の近傍及び溶接溶け込み部先端の近傍よりなる群から選ばれる少なくとも一つ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）前記打撃ツールは先端部に平坦部を有しており、前記平坦部の面積が４ｍｍ^２以上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）前記打撃ツールの周波数が１０００Ｈｚ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（５）前記打撃ツールを装着したピーニング工具を台車に取り付けてピーニング施工を行なうことを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（６）前記台車に打撃ツールを装着したピーニング工具を複数個取り付けて同時に複数箇所のピーニング施工を行なうことを特徴とする（５）に記載のピーニング施工方法。
（７）前記台車が自動走行することを特徴とする（５）又は（６）に記載のピーニング施工方法。
（８）（１）〜（７）のいずれかに記載のピーニング施工方法によって施工されたことを特徴とする溶接継手。

本発明のピーニング施工方法によれば、ピーニングを行ないたい箇所が遮蔽されている場合や、ピーニング処理操作を妨げる障害物がある場合においても、圧縮残留応力を導入したい箇所の裏側の面をピーニングすることによって十分に圧縮残留応力を導入することができ、構成部材の疲労強度を向上することができる。また、圧縮残留応力を導入したい箇所が疲労き裂部であっても同様に圧縮残留応力を付与することができ、疲労き裂のき裂深さ方向への進展速度を抑えることができる。

本発明のピーニング施工を実施するピーニング工具を示す図である。 鋼床版の構造の一例を示す図である。 鋼床版のＵリブの軸方向に垂直な断面構造を示す図である。 溶接ビード部の詳細を示す図である。 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Ｕリブを用いた鋼床版における内側き裂に適用する場合を説明する図である。 本発明の実施例で得られた結果を示す図である。 本発明の実施例で用いた試験体の形状・構造を示す図である。 本発明のピーニング施工方法を実施した試験体についての疲労実験の結果を示す図である。 本発明のピーニング施工方法を実施した際の、母材の板厚と施工回数と圧縮残留ひずみとの関係を示す図である。 本発明のピーニング施工方法を実施した際の、打撃角度と圧縮残留ひずみとの関係を示す図である。 ２枚の金属板を溶接接合した状態を示す図である。 Ｕリブを使った鋼床版における代表的な疲労き裂発生状態を示す図である。

本発明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工具の好ましい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）に示すピーニング工具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１０００Ｈｚ以下の周波数、好ましくは１００Ｈｚ以下の低周波数でピーニング施工を行なう部材表面に繰り返し打撃を与え、部材に衝撃力を与えることが可能なピーニング工具を用いる。なお、本発明においては「周波数」とは単位時間（１秒）当たりの「打撃回数」を意味する。

図示したピーニング工具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。

打撃ツール１の先端形状は、矩形であっても円形であっても良い。いくつかの先端形状を試して、母材の表面に塑性変形を付与し易いものを決定することができ、コンプレッサーの空気圧や打撃を与えるピーニング工具の性能によって最適な先端形状を決めればよいが、打撃ツール１の先端部は角が丸く面取りされていることが好ましい。先端の平坦部の面積は４ｍｍ^２以上であることが好ましい。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。

本発明のピーニング施工方法を鋼床版の溶接継手部に適用した場合を例にとって本発明の実施形態を説明する。
図２、３、４に示すように鋼床版のデッキプレート２１の下側の面（溶接面）にはＵリブ２２が溶接されて溶接ビード２６が形成されている。このような鋼床版においてはＵリブが障害物となるため、Ｕリブ内側の溶接溶け込み部先端およびその近傍は、溶接ビード２６側からのピーニング施工が出来ない。また、ピーニング工具２を台車のような送り装置に取り付けて、手動あるいは自動で溶接面側から溶接部を溶接部に沿ってピーニング施工することは、作業空間の形状と狭さから困難である。

このため本発明では図５に示すようにデッキプレート２１の溶接ビード２６が形成された面とは反対側の面（以下溶接裏面ともいう）を打撃ツールによって打撃する。図５に示した例では台車を用い、台車に二つのピーニング工具２を搭載して一回のランで一つのＵリブの左右の溶接部を打撃するようにしている。このように一つの台車に複数のピーニング工具を取り付けて同時に複数箇所のピーニングを行なうことが作業効率を向上させるためには好ましい。

打撃ツールによって打撃する位置は、圧縮残留応力を導入したい位置に対応する裏面の位置である。溶接継手においては圧縮残留応力を導入したい位置は、溶接ビード止端、溶接溶け込み部先端、溶接ビード止端の近傍及び溶接溶け込み部先端の近傍よりなる群から選ばれる少なくとも一つである。
また、打撃は１回でもよいが、１往復以上または２回以上行うことがより効果的である。

更に本発明は図１３に示したような、Ｕリブを用いた鋼床版における従来の疲労き裂補修方法では対応できない内側き裂に対しても圧縮残留ひずみを付与することができる。
図６は本発明を前記の内側亀裂に適用したものである。図６に示すように、き裂発生面の裏側の母材面をピーニング処理することで圧縮残留ひずみを付与することができる。

鋼床版のピーニング施工条件は例えば次の通りである。
打撃ツールを取り付けたピーニング工具を質量が２０ｋｇの台車に搭載し、この台車を軌条に沿って自動走行させる。
ピーニング施工は、試験体のＵリブ側とは反対側の面に対し、Ｕリブの溶け込み部先端付近が打撃の中心線となるようにし、打撃ツールの打撃振動数を約９０Ｈｚとし、打撃角度が被打撃面に対して９０°となるようにして、２本の中心線に沿って台車を走行速度９０ｃｍ／分で２回自動走行させて（１往復させて）行なう。さらに、Ｕリブの溶接止端部近傍が打撃の中心線となるようにして同様にピーニング施工を行う。

以下に本発明の実施例を示すが、本発明の範囲はこれらの実施例によって制限されるものではない。

［実施例１］
本実施例では平板状の鋼板を用いて一方の面にピーニング施工を行い、鋼板の裏側にどのような圧縮残留応力が発生しているかを調べた。
試験片として１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１２ｍｍｔの平板状の鋼板を用い、その一方の面に５連ゲージ（ゲージ間隔２ｍｍ）を貼り付けた。
打撃ツールとしては先端が３ｍｍ×３ｍｍの正方形の平坦部を有し角を約０．５Ｒで面取りした打撃ツールを用いた。
打撃ツールの打撃振動数を約９０Ｈｚとし、５連ゲージの２番目のゲージの裏側を打撃角度が被打撃面に対して垂直方向となるようにし、走行速度９０ｃｍ／分で２回走行させて（１往復させて）ピーニング施工を行なった。
評価結果を図７に示す。

図７は横軸がピーニング施工部の中央からの距離（ｍｍ）を示し、縦軸は圧縮残留ひずみ（μ）を示す。
図７に示されるように、鋼板の一方の面の側の圧縮残留応力を導入したい箇所に対応する裏側の面を打撃ツールで打撃することによって圧縮残留応力を付与することができ、一回だけの打撃よりも２回の打撃の方が残留応力を多く付与することができる。また、２回の打撃によりピーニングした面の裏側に最大で６５８μ（１３１．６Ｍｐａ）の残留圧縮応力が生じている。

［実施例２］
本実施例では図８に示すように、第１の試験片（１００ｍｍ×５００ｍｍ×１２ｍｍｔ）の中央部に第２の試験片（（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１２ｍｍｔ）を溶接してなる試験体（荷重非伝達型十字継手）を用いた。
この試験体の溶接止端部の裏側を中心としてピーニング施工を行なった。
ピーニング施工に際しては、打撃ツールとしては先端が３ｍｍ×３ｍｍの正方形の平坦部を有し角を約０．５Ｒで面取りした打撃ツールを用い、打撃ツールの打撃振動数を約９０Ｈｚとし、打撃角度が被打撃面に対して垂直方向となるようにし、走行速度９０ｃｍ／分で２回走行させた。
得られた試験体（裏打ち試験体）について疲労試験を行った。
また、ピーニング施工を行なわなかった試験体（溶接まま試験体）についても疲労試験を行った。その結果を表１及び図９に示す。

図９は、横軸を試験体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、□は裏打ち試験体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。また、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り、図中のＡ等級は母材相当の疲労強度を示す。
グラフによると溶接まま試験体がＤ等級に相当するものであったところ、裏打ち試験体はＢ等級以上に相当するものとなっており、裏打ちによって疲労強度が向上していることが分かる。

［実施例３］
本実施例では、図１０に示すように、母材の板厚が１２ｍｍ、１６ｍｍ、２２ｍｍの場合について、ピーニング回数を１回から１０回まで変化させてピーニングを行い、母材に付与される圧縮残留ひずみの大きさを測定した。
図１０に示された結果から次のことがわかる。
（１）繰り返しピーニングを行うと付与される圧縮残留ひずみは大きくなるが、新たに付与される圧縮残留ひずみの量は繰り返し回数が多くなるに従って少なくなる。
（２）付与される圧縮残留ひずみの量は、板厚が厚くなると小さくなる。
従って、ピーニング回数は、母材の板厚と、付与すべき圧縮残留ひずみの量と施工コストとを勘案して決定することになる。
また、発明の効果が得られる母材の板厚については、例えば、圧縮残留ひずみを５００μ以上付与することを目的としてピーニングを行う場合、ピーニング回数を１０回まで許容するとすれば、２０ｍｍまでである。

［実施例４］
本実施例では、打撃角度と母材に付与される圧縮残留ひずみとの関係を調べるために、実施例１において打撃角度のみを変えて圧縮残留ひずみを測定した。母材の板厚は１２ｍｍとし、打撃回数は１回とした。
結果を図１１に示す。
図１１に示された結果を参照すると、母材に対する打撃角度が鉛直の場合は、ピーニング施工部中心をピークにしてほぼ対称の分布となり、鉛直に対して１５度傾けて打撃するとピークが打撃方向に移動すると共に、付与される圧縮残留ひずみが大幅に低下することが分かる。
この結果から、打撃ツールの打撃角度は、圧縮残留応力を導入したい箇所に対応する裏側の面に対してできるだけ鉛直に打撃するのが好ましく、打撃位置のずれは数ｍｍ以内が望ましい。

本発明のピーニング施工方法は、簡便なピーニング工具を用いて鋼板の疲労強度を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 ピーニング工具
３ 打撃面
４ 圧搾空気
１１ ，１２ 金属板
１３ 溶接ビード
１４ 溶接ビード止端部
１５ 溶接溶け込み部先端
２１ デッキプレート
２２ Ｕリブ
２３ 横リブ
２４ 横桁
２５ 主桁
２６ 溶接ビード
３０ 台車

（１）厚さ１２〜２２ｍｍの金属板の一方の面の側に圧縮残留応力を導入するに際して、圧縮残留応力を導入したい箇所に対応する裏側の面のみを打撃ツールで打撃することによって前記圧縮残留応力を導入したい箇所に圧縮残留応力を導入することを特徴とするピーニング施工方法。
（２）前記金属板には金属部材が溶接されて溶接継手を形成しており、前記溶接継手の溶接部に溶接ビードが形成されており、前記圧縮残留応力を導入したい箇所が溶接ビード止端、溶接溶け込み部先端、溶接ビード止端の近傍及び溶接溶け込み部先端の近傍よりなる群から選ばれる少なくとも一つ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）前記打撃ツールは先端部に平坦部を有しており、前記平坦部の面積が４ｍｍ^２以上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）前記打撃ツールの周波数が１０００Ｈｚ以下であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（５）前記打撃ツールを装着したピーニング工具を台車に取り付けてピーニング施工を行なうことを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のピーニング施工方法。
（６）前記台車に打撃ツールを装着したピーニング工具を複数個取り付けて同時に複数箇所のピーニング施工を行なうことを特徴とする（５）に記載のピーニング施工方法。
（７）前記台車が自動走行することを特徴とする（５）又は（６）に記載のピーニング施工方法。
（８）（１）〜（７）のいずれかに記載のピーニング施工方法によって施工されたことを特徴とする溶接継手。

Claims (8)

1. 金属板の一方の面の側に圧縮残留応力を導入するに際して、圧縮残留応力を導入したい箇所に対応する裏側の面を打撃ツールで打撃することによって前記圧縮残留応力を導入したい箇所に圧縮残留応力を導入することを特徴とするピーニング施工方法。
2. 前記金属板には金属部材が溶接されて溶接継手を形成しており、前記溶接継手の溶接部に溶接ビードが形成されており、前記圧縮残留応力を導入したい箇所が溶接ビード止端、溶接溶け込み部先端、溶接ビード止端の近傍及び溶接溶け込み部先端の近傍よりなる群から選ばれる少なくとも一つ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。
3. 前記打撃ツールは先端部に平坦部を有しており、前記平坦部の面積が４ｍｍ^２以上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。
4. 前記打撃ツールの周波数が１０００Ｈｚ以下である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。
5. 前記打撃ツールを装着したピーニング工具を台車に取り付けてピーニング施工を行なうことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のピーニング施工方法。
6. 前記台車に打撃ツールを装着したピーニング工具を複数個取り付けて同時に複数箇所のピーニング施工を行なうことを特徴とする請求項５に記載のピーニング施工方法。
7. 前記台車が自動走行することを特徴とする請求項５または６に記載のピーニング施工方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のピーニング施工方法によって施工されたことを特徴とする溶接継手。

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