JP2015221451A - 溶接構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接線方向及びこれと直交する溶接幅方向に溶接部の疲労強度を向上することができる溶接構造物の製造方法を提供すること。【解決手段】溶接構造物の製造方法は、予め設定された溶接線方向Ｄ１に沿って第１部材２に対して第２部材３を溶接する溶接工程と、平坦な先端面５ａを有する振動部材５を先端面５ａと直交する振動方向Ｄ３に振動させた状態で、振動部材５の先端面５ａを第１部材２の表面に対して振動方向Ｄ３と平行する方向に衝突させる打撃工程とを含む。打撃工程では、溶接線方向Ｄ１と直交する溶接幅方向Ｄ２で第１部材２における溶接止端部４ａの外側に設定された往復範囲Ｅ内で振動部材５を溶接幅方向Ｄ２に往復運動させながら、振動部材５を溶接線方向Ｄ１に移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、第１部材と、予め設定された溶接線方向に沿って第１部材に溶接された第２部材とを有する溶接構造物の製造方法に関するものである。

従来から、溶接構造物における第１部材と第２部材との溶接部においては、溶接止端部における応力集中及び溶接による引張残留応力の存在等によって溶接部の疲労強度が低下することが知られている。

溶接構造物の疲労強度を向上するための方法として、例えば、特許文献１に記載の方法が知られている。

特許文献１に記載の方法では、リブが当該リブを取り囲む周方向（溶接線方向）に沿って溶接された母材に対してハンマーピーニングによる打撃を与える。

具体的に、平坦な先端部を有するチッパーを振動させるとともに、このチッパーの先端部を母材表面に対し垂直方向に衝突させる。この状態で、チッパーを溶接止端部の近傍位置から溶接線方向と直交する溶接幅方向の外側に漸次移動させる。

このようにチッパーの平坦面を母材表面に垂直に衝突させることによりチッパーによる打撃力を母材に対し垂直方向に伝えるとともに、この状態でチッパーを溶接幅方向の外側に移動させることにより当該移動範囲内において前記打撃力を母材に与える。

これにより、母材における溶接幅方向の所定範囲内に圧縮残留応力が導入され、母材の疲労強度を向上することができる。

特開２０１１−１３１２６０号公報

しかしながら、特許文献１は、母材に対し、溶接幅方向の所定範囲内に圧縮残留応力を導入するための方法を開示するものの、溶接線方向に沿って母材の疲労強度を向上するための方法を開示していない。

本発明の目的は、溶接線方向及びこれと直交する溶接幅方向に溶接部の疲労強度を向上することができる溶接構造物の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、第１部材と前記第１部材に溶接された第２部材とを有する溶接構造物の製造方法であって、予め設定された溶接線方向に沿って第１部材に対して第２部材を溶接する溶接工程と、平坦な先端面を有する振動部材を前記先端面と直交する振動方向に振動させた状態で、前記振動部材の先端面を前記第１部材の表面に対して前記振動方向と平行する方向に衝突させる打撃工程とを含み、前記打撃工程では、前記溶接線方向と直交する溶接幅方向で前記第１部材における溶接止端部の外側に設定された往復範囲内で前記振動部材を前記溶接幅方向に往復運動させながら、前記振動部材を前記溶接線方向に移動させる、溶接構造物の製造方法を提供する。

本発明によれば、振動部材を溶接幅方向に往復運動させながら溶接線方向に移動させることにより、振動部材の振動による打撃力を第１部材における溶接線方向及び溶接幅方向の所定の範囲に亘って与えることができる。

したがって、溶接線方向及び溶接幅方向に第１部材における溶接部の疲労強度を向上することができる。

ここで、第２部材が第１部材に溶接されることにより、第１部材の溶接止端部に対する境界部分には、特に高い引張残留応力が存在する。

そこで、前記溶接構造物の製造方法において、前記往復範囲は、前記第１部材の前記溶接止端部に対する境界部分に位置する内側折り返し線と前記溶接幅方向における前記内側折り返し線の外側に位置する外側折り返し線との間に設定されていることが好ましい。

この態様によれば、上述のように高い引張残留応力が存在する第１部材の溶接止端部に対する境界部分に対して圧縮残留応力を与えることができるため、より効果的に第１部材の疲労強度を向上することができる。

ここで、溶接時に第１部材に生じる引張残留応力は、溶接止端部から溶接幅方向の外側に離れるに従い小さくなる。

そこで、前記溶接構造物の製造方法において、前記第２部材の溶接により前記第１部材に生じる前記溶接幅方向の引張残留応力の分布に関する応力情報を準備する準備工程をさらに含み、前記往復範囲の外側折り返し線は、前記応力情報において前記第１部材における引張残留応力が予め設定された基準応力となる位置又はこれよりも前記溶接幅方向の外側に設定されていることが好ましい。

この態様によれば、第１部材において引張残留応力が予め設定された基準応力以上となる範囲に対して振動部材により圧縮残留応力を与えることができるため、溶接により第１部材に生じる引張残留応力を基準応力以下に抑えることができる。

なお、前記基準応力を、例えば、第２部材の溶接前における第１部材の引張残留応力の値に設定すれば、溶接により引張残留応力が生じた第１部材の全範囲に対して疲労強度向上を図ることができる。

前記溶接構造物の製造方法において、前記振動部材の往復運動の周期をｆとし、前記振動部材の前記溶接線方向の移動速度をｖとし、前記振動部材の先端面の前記溶接線方向と平行する方向の最大長さをＡとした場合に、前記打撃工程では、ｖ／ｆ＜Ａを満たすように前記振動部材を往復運動させることが好ましい。

この態様によれば、振動部材が溶接幅方向に１往復する間における振動部材の往路の軌跡と復路の軌跡とが溶接線方向に互いに重なるため、振動部材による打撃を第１部材の表面に対して溶接線方向に万遍なく与えることができる。

ここで、振動部材の１回の衝突により圧縮残留応力が生じる第１部材上の範囲は、振動部材の先端面の外周縁から外側に所定の幅を有するとともに振動部材の先端面を全周に亘り取り囲む範囲（以下、この範囲を有効範囲という）である。

そこで、前記溶接構造物の製造方法において、前記振動部材の先端面の前記溶接幅方向と平行する方向の最大幅は、前記溶接幅方向と平行する方向における前記往復範囲の幅の１／２以下であることが好ましい。

この態様によれば、振動部材の往路の移動時及び復路の移動時においてそれぞれ有効範囲が連続して形成されるため、第１部材に対して圧縮残留応力を溶接幅方向に連続して導入することができる。

前記溶接構造物の製造方法において、前記振動部材の先端面は、直径が１．５ｍｍ以上４ｍｍ以下である円形の平面形状を有することが好ましい。

この態様によれば、第１部材に対してより効果的に圧縮残留応力を与えることができ、これにより第１部材の疲労強度を確実に向上することができる。

具体的に、振動部材の先端面の直径が１．５ｍｍ未満である場合には、振動部材の摩耗の進行が速く、安定して打撃工程を行うことができない。

一方、振動部材の先端面の直径が４ｍｍを超えると、振動部材から第１部材に対する力が分散してしまい、第１部材に対して圧縮残留応力を十分に導入することができない。

本発明によれば、溶接線方向及びこれと直交する溶接幅方向に溶接部の疲労強度を向上することができる。

本発明に係る溶接構造物の製造方法を説明するための側面図であり、溶接構造物の断面を示す。 溶接構造物における溶接幅方向の残留応力の分布を示すグラフである。 振動部材の衝突により第１部材上に圧縮残留応力が生じる有効範囲を示す平面図である。 往復範囲において有効範囲が連続しない場合の例を示す平面図である。 振動部材の条件を変えて溶接構造物に対して行われた疲労試験の結果を示すグラフである。 往復範囲の条件を変えて溶接構造物に対して行われた疲労試験の結果を示すグラフである。

以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

図１を参照して、本発明の実施形態に係る溶接構造物１は、第１部材２と、第１部材２に溶接された第２部材３とを備えている。なお、符号４は、第１部材２と第２部材３との間に位置する溶接金属であり、符号４ａは、溶接止端部である。

第１部材２及び第２部材３は、図１の紙面と直交する溶接線方向Ｄ１に沿って互いに溶接されている。なお、溶接線方向Ｄ１と直交する方向（図１の左右方向）を溶接幅方向Ｄ２として以下説明する。

第１部材２の溶接部には、超音波ピーニング装置の振動部材５によって圧縮残留応力が導入され、これにより、当該第１部材２の溶接部の疲労強度が向上している。

つまり、第１部材２と第２部材３とが溶接された後、振動部材５による圧縮残留応力が導入される前の段階において、第１部材２には溶接時の熱の影響により図２に示すような引張残留応力の分布が存在し、当該第１部材２の疲労強度が低下している。

具体的に、第１部材２における引張残留応力は、図１及び図２に示すように、溶接止端部４ａにおける境界部分において最も高く、溶接止端部４ａから溶接幅方向Ｄ２の外側に離れるに従い小さくなり、位置Ｐ１において０となる。一方、第１部材２における位置Ｐ１の溶接幅方向Ｄ２の外側の範囲には圧縮残留応力が存在する。この圧縮残留応力は、位置Ｐ１を始点として溶接止端部４ａから離れるに従い大きくなってピークとなり、ピークを始点として溶接止端部４ａから離れるに従い小さくなって０となる。

そして、第１部材２において引張残留応力が存在する範囲には、超音波ピーニング装置の振動部材５により圧縮残留応力が導入されている。具体的に、第１部材の溶接止端部４ａに対する境界部分に位置する内側折り返し線Ｅ１と、溶接幅方向Ｄ２における内側折り返し線Ｅ１の外側に位置する外側折り返し線Ｅ２との間の範囲Ｅ（以下、往復範囲Ｅともいう。）内に圧縮残留応力が導入されている。つまり、外側折り返し線Ｅ２は、図２において引張残留応力が予め設定された基準応力（本実施形態では０）となる位置に設定されている。

超音波ピーニング装置は、溶接線方向Ｄ１及び溶接幅方向Ｄ２と直交する振動方向Ｄ３に沿って振動部材５を振動可能な振動発生器（図示せず）を備えている。振動部材５は、振動方向Ｄ３と直交する平坦な先端面５ａを有する。振動方向Ｄ３に振動する振動部材５の先端面５ａを振動方向Ｄ３と平行する方向に第１部材２の表面に衝突させることにより、当該第１部材２に対して圧縮残留応力を導入することができる。

振動部材５の先端面５ａは円形である。図３に示すように、振動部材５の先端面５ａの１回の衝突により圧縮残留応力が生じる第１部材２上の範囲は、振動部材５の先端面５ａの外周縁（図３の直径Ａの縁）から外側に所定の幅を有するとともに先端面５ａを全周に亘って取り囲む範囲Ｒ１（以下、有効範囲Ｒ１という。）である。

そこで、溶接幅方向Ｄ２と平行する方向における先端面５ａの最大幅、つまり、直径Ａは、溶接幅方向Ｄ２と平行する方向における往復範囲Ｅの幅の１／２以下に設定されている。これにより、振動部材５を内側折り返し線Ｅ１から外側折り返し線Ｅ２まで、又はその逆に移動する際に、有効範囲Ｒ１が連続して形成され、第１部材２に対して圧縮残留応力を溶接幅方向に連続して導入することができる。

一方、図４に示すように、先端面５ａの直径寸法を往復範囲の１／２よりも大きく設定した場合、第１部材２の非重複範囲Ｒ２において圧縮残留応力を導入することができない。

以下、前記溶接構造物１の製造方法について説明する。

まず、予め設定された溶接条件で第２部材を溶接した場合に第１部材２に生じる溶接幅方向の引張残留応力の分布に関する情報、例えば、図２に示す応力分布に関する情報を準備する（準備工程）。この情報は、例えば、第２部材３の溶接後であってピーニングを行う前の第１部材２の応力を計測すること、又は前記溶接条件によるシミュレーション結果等によって得ることができる。

また、溶接線方向Ｄ１に沿って第１部材２に対して第２部材３を溶接する（溶接工程）。なお、準備工程及び溶接工程の順序は特に限定されない。

準備工程及び溶接工程の後、振動部材５を振動方向Ｄ３に沿って振動させた状態で、振動部材５の先端面５ａを第１部材２の表面に対して振動方向Ｄ３と平行する方向に衝突させる（打撃工程）。

この打撃工程では、振動部材５の先端面５ａが第１部材２の表面と略平行となるように振動部材５と第１部材２とを位置決めした状態で、振動部材５を第１部材２に衝突させる。

また、打撃工程では、溶接幅方向Ｄ２で第１部材２における溶接止端部４ａの外側に設定された往復範囲Ｅ内で振動部材を溶接幅方向Ｄ２に往復運動させながら、振動部材５を溶接線方向Ｄ１に移動させる。

具体的に、打撃工程では、ｖ／ｆ＜Ａを満たすように前記振動部材を往復運動させる。ここで、ｆは振動部材５の往復運動の周期であり、ｖは振動部材５の溶接線方向Ｄ１の移動速度であり、Ａは振動部材５の先端面５ａの溶接線方向Ｄ１と平行する方向の最大長さ（直径）である。

これにより、振動部材５が溶接幅方向に１往復する間における振動部材５の往路の軌跡と復路の軌跡とが溶接線方向Ｄ１に互いに重なるため、振動部材５による打撃を第１部材２の表面に対して溶接線方向Ｄ１に万遍なく与えることができる。

以下、上述した製造方法により製造された溶接構造物に対して行われた疲労試験（２００万回繰り返し強度試験）の結果について説明する。

疲労試験の条件は次の通りである。ただし、この試験条件は一例であり、これに限定されない。

第１部材２及び第２部材３として鋼材（ＳＭ４９０Ａ）が用いられている。溶接方法としてＭＡＧ（ｍｅｔａｌ ａｃｔｉｖｅ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接が採用されている。第１部材２及び第２部材３に用いられる鋼材に合わせて５０ｋｇ級の溶接材料が用いられている。

このような条件で第２部材３が溶接された第１部材２において、溶接止端部４ａを始点として溶接幅方向に１０ｍｍの範囲内に引張残留応力が存在していることが確認されている。そのため、この範囲が前記往復範囲Ｅに設定されている。

図５に示す試験結果には、ピーニングなし（打撃工程なし）の比較例、及び、振動部材の先端面が球面である比較例が含まれている。

振動部材の先端面が球面である場合、振動部材５の先端面５ａが平坦面である実施例と比較して応力振幅（疲労強度）が低い。これは、球面を第１部材２の表面に衝突させると、第１部材２の表面に凹凸が形成され、第１部材２において疲労強度向上の効果にばらつきが生じるためである。これに対し、振動部材５の先端面５ａが平坦面である場合には、上記のような凹凸が形成されるのを抑制することができ、第１部材２に対して万遍なく疲労強度を向上することができる。

具体的に、振動部材の先端面が球面である場合、ピーニングなしの比較例に対して約３６％疲労強度が向上しているのに対し、平坦な先端面５ａの直径が１．５ｍｍ以上４ｍｍ以下の場合、ピーニングなしの比較例に対し倍以上（約２１８％）の疲労強度が得られている。

一方、平坦な先端面５ａの直径が５ｍｍの場合、直径が４ｍｍの場合と比較して疲労強度が低い。これは、振動部材５の先端面５ａの直径が４ｍｍを超えると、振動部材５から第１部材２に対する力が分散してしまい、第１部材２に対して圧縮残留応力を十分に導入することができないためであると考えられる。

また、平坦な先端面５ａの直径が１．５ｍｍ未満の場合には、振動部材５の摩耗の進行が速く、安定して打撃工程を行うことができないことが確認されている。

次に、図６を参照して、上述した製造方法により製造された溶接構造物１に対して行われた疲労試験（２００万回疲労強度試験）の結果を説明する。なお、図６には、往復範囲Ｅの条件の異なる複数の実施例が示されている。また、図６には、振動部材５の先端面５ａの直径が３ｍｍに設定されている場合の試験結果が示されている。

なお、先端面５ａの直径及び往復範囲Ｅ以外の試験条件は、図５に示す疲労試験における試験条件と同様である。引張残留応力が存在する範囲も溶接止端部４ａを始点として溶接幅方向に１０ｍｍの範囲で同様である。

図６には、溶接止端部４ａ（内側折り返し線Ｅ１）から２ｍｍ、４ｍｍ、１０ｍｍ、及び１５ｍｍの往復範囲Ｅをそれぞれ設定した場合における試験結果が示されている。

引張残留応力が存在する範囲の全てを含む１０ｍｍ及び１５ｍｍの往復範囲Ｅが設定されている場合と比較して、２ｍｍ及び４ｍｍの往復範囲Ｅが設定されている場合には応力振幅（疲労強度）が低いことが分かる。

また、引張残留応力が存在する範囲を超える１５ｍｍの往復範囲Ｅが設定されている場合と、引張残留応力が存在する範囲と同じ１０ｍｍの往復範囲Ｅが設定されている場合との間で、疲労強度の違いは認められない。

したがって、少なくとも引張残留応力が存在する範囲を往復範囲Ｅに設定することにより最大の疲労強度向上効果が得られることが分かる。

以上説明したように、振動部材５を溶接幅方向Ｄ２に往復運動させながら溶接線方向Ｄ１に移動させることにより、振動部材５の振動による打撃力を第１部材２における溶接線方向Ｄ１及び溶接幅方向Ｄ２の所定の範囲に亘って与えることができる。

したがって、溶接線方向Ｄ１及び溶接幅方向Ｄ２に第１部材２における溶接部の疲労強度を向上することができる。

また、前記実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。

前記実施形態によれば、高い引張残留応力が存在する第１部材２の溶接止端部４ａに対する境界部分に対して圧縮残留応力を与えることができるため、より効果的に第１部材２の疲労強度を向上することができる。

前記実施形態によれば、第１部材２において引張残留応力が予め設定された基準応力（０）以上となる範囲に対して振動部材５により圧縮残留応力を与えることができるため、溶接により第１部材２に生じる引張残留応力を基準応力以下に抑えることができる。

なお、前記基準応力を、例えば、第２部材３の溶接前における第１部材２の引張残留応力の値に設定すれば、溶接により引張残留応力が生じた第１部材２の全範囲に対して疲労強度向上を図ることができる。

また、往復範囲Ｅの外側折り返し線Ｅ２は、引張残留応力が基準応力となる位置（図２の位置Ｐ１）よりも溶接幅方向Ｄ２の外側に設定することもできる。このようにすれば、より確実に第１部材２における引張残留応力を基準応力以下に抑えることができる。

前記実施形態によれば、振動部材５が溶接幅方向Ｄ２に１往復する間における振動部材５の往路の軌跡と復路の軌跡とが溶接線方向Ｄ１に互いに重なるため、振動部材５による打撃を第１部材２の表面に対して溶接線方向Ｄ１に万遍なく与えることができる。

前記実施形態によれば、振動部材５の往路の移動時及び復路の移動時においてそれぞれ有効範囲Ｒ１が連続して形成されるため、第１部材２に対して圧縮残留応力を溶接幅方向Ｄ２に連続して導入することができる。

前記実施形態によれば、振動部材５の先端面５ａの直径が１．５ｍｍ以上４ｍｍ以下である円形の平面形状を有するため、第１部材２に対してより効果的に圧縮残留応力を与えることができ、これにより第１部材２の疲労強度を確実に向上することができる。

具体的に、振動部材５の先端面５ａの直径が１．５ｍｍ未満である場合には、振動部材５の摩耗の進行が速く、安定して打撃工程を行うことができない。

一方、振動部材５の先端面５ａの直径が４ｍｍを超えると、振動部材５から第１部材２に対する力が分散してしまい、第１部材２に対して圧縮残留応力を十分に導入することができない。

なお、振動部材５の先端面５ａの形状は、円形に限定されない。例えば、振動部材５の先端面５ａを多角形や楕円形にすることもできる。

Ｄ１ 溶接線方向
Ｄ２ 溶接幅方向
Ｄ３ 振動方向
Ｅ 往復範囲
Ｅ１ 内側折り返し線
Ｅ２ 外側折り返し線
Ｒ１ 有効範囲
１ 溶接構造物
２ 第１部材
３ 第２部材
４ａ 溶接止端部
５ 振動部材
５ａ 先端面

Claims (6)

1. 第１部材と前記第１部材に溶接された第２部材とを有する溶接構造物の製造方法であって、
   予め設定された溶接線方向に沿って第１部材に対して第２部材を溶接する溶接工程と、
   平坦な先端面を有する振動部材を前記先端面と直交する振動方向に振動させた状態で、前記振動部材の先端面を前記第１部材の表面に対して前記振動方向と平行する方向に衝突させる打撃工程とを含み、
   前記打撃工程では、前記溶接線方向と直交する溶接幅方向で前記第１部材における溶接止端部の外側に設定された往復範囲内で前記振動部材を前記溶接幅方向に往復運動させながら、前記振動部材を前記溶接線方向に移動させる、溶接構造物の製造方法。
2. 前記往復範囲は、前記第１部材の前記溶接止端部に対する境界部分に位置する内側折り返し線と前記溶接幅方向における前記内側折り返し線の外側に位置する外側折り返し線との間に設定されている、請求項１に記載の溶接構造物の製造方法。
3. 前記第２部材の溶接により前記第１部材に生じる前記溶接幅方向の引張残留応力の分布に関する応力情報を準備する準備工程をさらに含み、
   前記往復範囲の外側折り返し線は、前記応力情報において前記第１部材における引張残留応力が予め設定された基準応力となる位置又はこれよりも前記溶接幅方向の外側に設定されている、請求項２に記載の溶接構造物の製造方法。
4. 前記振動部材の往復運動の周期をｆとし、前記振動部材の前記溶接線方向の移動速度をｖとし、前記振動部材の先端面の前記溶接線方向と平行する方向の最大長さをＡとした場合に、前記打撃工程では、ｖ／ｆ＜Ａを満たすように前記振動部材を往復運動させる、請求項１〜３の何れか１項に記載の溶接構造物の製造方法。
5. 前記振動部材の先端面の前記溶接幅方向と平行する方向の最大幅は、前記溶接幅方向と平行する方向における前記往復範囲の幅の１／２以下である、請求項１〜４の何れか１項に記載の溶接構造物の製造方法。
6. 前記振動部材の先端面は、直径が１．５ｍｍ以上４ｍｍ以下である円形の平面形状を有する、請求項１〜５の何れか１項に記載の溶接構造物の製造方法。

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