JP2015229183A

JP2015229183A - 疲労特性に優れた構造物

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Publication number: JP2015229183A
Application number: JP2014116816A
Authority: JP
Inventors: 島貫　広志; Hiroshi Shimanuki; 広志島貫; 鉄平大川; Teppei Okawa; 昌彦木下; Masahiko Kinoshita
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2014-06-05
Filing date: 2014-06-05
Publication date: 2015-12-21
Anticipated expiration: 2034-06-05
Also published as: JP6314670B2

Abstract

【課題】主板と副板との溶接継手を有する構造物の使用中に、過大な圧縮負荷の作用が想定される部位の疲労特性を高める。【解決手段】主板１と副板２との溶接継手３を有する構造物であって、溶接継手３を形成する溶接金属３の降伏強度が周囲の鋼材４の１．２倍以上であり、上記溶接継手３の止端から溶接金属と逆側に主板板厚ｔの３倍以上の領域Ｗにおける主板１の降伏強度が周囲の鋼材４の１．５倍以上であり、上記溶接継手３の止端から溶接金属側に主板板厚ｔの１／３以上の領域Ｌにおける止端角度θが２０度以下であり、上記領域Ｌにおける溶接の段差部に、曲率半径Ｒが主板板厚ｔの１／２０以上、深さＤが１ｍｍ以下の打撃痕が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼部材の溶接継手を有する疲労特性に優れた構造物に関する。

従来から、鋼部材の溶接継手の疲労特性を向上するために、溶接継手の止端部（以下「止端」と称する）に対してピーニング処理が行われている。例えば、下記特許文献１および非特許文献１には、空気圧式工具を用いたハンマーピーニング処理を行うことが記載されている。また、非特許文献２には、ＵＩＴ（Ultrasonic Impact Treatment）装置を用いた超音波ピーニング処理（超音波衝撃処理）を行うことが記載されている。

これらのピーニング処理は、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の曲率半径を有する硬質の先端を持つ振動端子で止端を繰り返し打撃して塑性加工させることにより実施される。一般に、止端には溶接の際の局所的な加熱・冷却により引張残留応力が発生している。そこで、止端に対してこのようなピーニング処理を行うと、止端の近傍に圧縮残留応力を導入すると共に、止端の表面の形状を滑らかにすることができる。これにより、止端における応力集中を緩和することができ、溶接継手の疲労強度を向上させることができる。

また、超音波ピーニング処理など、圧縮残留応力を用いた耐疲労技術は、引張側にのみ負荷が作用する場合、溶接構造物の疲労強度改善に極めて有効である。しかし、圧縮方向に大きな負荷がかかった際には疲労特性の改善効果が消失することがあるため、その対策として、鋼材の圧縮降伏応力を想定負荷応力の１０／９倍とする技術が提案されている（例えば、下記特許文献２参照）。

この特許文献２は、ホットスポット応力（溶接ビード形状の影響を無視し、構造的不連続の影響による応力の上昇を考慮した止端位置における応力）の圧縮応力の最大値を、鋼材の圧縮降伏応力の９０％以下とするものである。しかし、更に過大な圧縮負荷の作用が想定される部位の疲労特性を高める技術の提案が必要である。

特開平４−２１７１７号公報特開２０１２−２３８１８号公報

IIW Commission XIII， IIW recommendation Post Weld Improvement of Steel and Aluminum Structures， Revised March 2009， p.20〜27 野瀬哲郎著、「疲労強度向上向け超音波ピーニング方法」、溶接学会誌、第77巻（2008）、第3号、p.210〜213

以上のように、従来の技術では、鋼部材の溶接継手を有する構造物の使用中に、過大な圧縮負荷の作用によって、ピーニング処理により導入した圧縮残留応力が低下、喪失する虞があるという問題点があった。

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、主板と副板との溶接継手を有する構造物の使用中に、過大な圧縮負荷の作用が想定される部位の疲労特性を高めることを目的とする。

本発明の疲労特性に優れた構造物は、主板と副板との溶接継手を有する構造物であって、上記溶接継手を形成する溶接金属の降伏強度が周囲の鋼材の１．２倍以上であり、上記溶接継手の止端から溶接金属と逆側に主板板厚ｔの３倍以上の領域Ｗにおける主板の降伏強度が周囲の鋼材の１．５倍以上であり、上記溶接継手の止端から溶接金属側に主板板厚ｔの１／３以上の領域Ｌにおける止端角度θが２０度以下であり、上記領域Ｌにおける溶接の段差部に、曲率半径Ｒが主板板厚ｔの１／２０以上、深さＤが１ｍｍ以下の打撃痕が形成されていることを特徴とする。

また、上記構造物は、船舶、海洋構造物、洋上風力発電機などの繰り返し荷重を受ける構造物であることが好ましい。

本発明によれば、主板と副板との溶接継手を有する構造物の使用中に、ピーニング処理により導入した圧縮残留応力が喪失することを抑制し、過大な圧縮負荷の作用が想定される部位の疲労特性を高めることができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る疲労特性に優れた構造物を示す断面図である。図１の溶接継手の部分拡大図である。本発明の実施の形態における打撃痕を示す図である。本発明の実施の形態における主板板厚ｔが１００ｍｍの場合の領域Ｌの範囲を例示する図である。本発明の実施の形態における主板板厚ｔが１００ｍｍの場合の打撃痕の曲率半径Ｒの範囲を例示する図である。本発明の実施の形態における主板板厚ｔが２０ｍｍの場合の領域Ｌの範囲を例示する図である。本発明の実施の形態における主板板厚ｔが２０ｍｍの場合の打撃痕の曲率半径Ｒの範囲を例示する図であるＨ形構造物に対して行った、本発明の実施例１の説明図である。円柱構造物に対して行った、本発明の実施例２の説明図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る疲労特性に優れた構造物を示す断面図であり、図２は、図１の溶接継手の部分拡大図であり、図３は、打撃痕を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る構造物は、主板１と副板２との溶接継手３を有する。ここに、主板１は、周囲の鋼材４より強度を高めた鋼板であり、溶接継手３の止端８から溶接金属３と逆側に主板板厚ｔの３倍以上の領域Ｗにおける主板１の降伏強度が周囲の鋼材の１．５倍以上である。これにより、過大な圧縮負荷の作用が想定される部位の疲労特性を高めることができる。なお、本実施の形態において、副板２とは、主板１に溶接接合する鋼板をいい、溶接継手３とは、主板１と副板２との溶接継手をいう。

一般に、鋼部材の疲労に対する設計応力は、鋼部材の降伏応力が公称応力の２／３であると設定して算定する。一方、ホットスポット応力は、止端８から主板板厚ｔの１．５倍の距離までの応力分布から求められる。また、構造的応力集中が十分に緩和できる長さは、ホットスポット応力計算に用いられる領域の２倍以上である。そこで、本実施の形態においては、主板板厚ｔの３倍以上の領域Wに、降伏強度が周囲の鋼材４の１．５倍以上である主板１を用いることとした。これにより、主板１に過大な圧縮応力が作用する場合でも、十分な疲労強度が確保できる。

本実施形態において、溶接金属３は、第１の溶接金属３１に加えて、追加の溶接金属である第２の溶接金属３２を有しており、この溶接継手３を形成する第１溶接金属３１および第２溶接金属３２の降伏強度は周囲の鋼材４の１．２倍以上である。これにより、溶接継手３からの破断を防止することができる。

図２は、図１の溶接継手の部分拡大図である。図２に示すように、本実施の形態において、上記溶接継手３の止端８から溶接金属側に主板板厚ｔの１／３以上の領域Ｌにおける止端角度θが２０度以下である。止端８から溶接金属側に主板板厚ｔの１／３以上の領域Ｌに止端角度２０度以下の傾斜を設けることにより、止端８における応力集中を緩和することができる。ホットスポット応力が高いと、疲労強度が得られる応力領域が狭くなるため、高強度溶接材料を用いて溶接ビード幅を通常よりも大きくし、止端角度θを小さくする。これにより、止端８の位置を変更し、ホットスポット応力を低減させることができる。ここに、止端角度θとは、止端８における主板１の表面と溶接ビートの表面との成す角度をいう。

また、「ホットスポット応力」は、溶接ビード形状の影響を無視し、構造的不連続の影響による応力の上昇を考慮した溶接止端位置における応力である。ホットスポット応力の算定に際し、二次的な曲げ応力の影響を無視することができない場合には、この影響を考慮する。ホットスポット応力は、有限要素法による直接解析や、公称応力に応力集中係数を乗じることにより求めることができる。尚、ホットスポット応力は、「財団法人日本海事協会、疲労強度評価ガイドライン、２００２年８月」や「ＣＳＲ−Ｂ（Common Structural Rules for Bulk Carriers）のSection4」や「ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｅｏｆＷｅｌｄｉｎｇ、Ｆａｔｉｇｕｅｄｅｓｉｇｎｏｆｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｓａｎｄｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」等に記載されているので、ここでは、その詳細な説明を省略する。

さらに、本実施の形態においては、上記領域Ｌにおける溶接の段差部に、図３に示すような、曲率半径Ｒが主板板厚ｔの１／２０以上、深さＤが１ｍｍ以下の打撃痕が形成されている。領域Ｌにおける溶接の段差部を打撃処理することで、応力集中による溶接金属３からの亀裂発生を防止し、溶接部全体としての疲労強度を高めることができる。なお、本実施の形態においては、主板１と周囲の鋼材４との溶接止端にも、打撃処理を施している。これにより、さらに、疲労強度を向上させることができる。

本実施の形態における打撃痕は、ハンマーピーニングや超音波衝撃処理等の高周波機械衝撃により形成された圧痕である。この打撃痕の曲率半径Ｒを主板板厚ｔの１／２０以上、深さＤが１ｍｍ以下とすることにより、応力集中を十分に小さくすることができる。ここに、溶接の段差部とは、多層盛溶接部の境界や溶接ビードの終始端に形成される凹凸をいう。また、曲率半径Ｒとは、打撃痕の円相当半径をいう。

また、本実施の形態における打撃痕１０の曲率半径Ｒは、主板板厚ｔの１／２０である。打撃痕１０の断面における曲率半径Ｒが主板板厚ｔの１／２０未満であると、止端８への応力集中を緩和することが不十分であり、耐疲労特性の向上を期待できない一方、曲率半径Ｒが１０．０ｍｍを超えても、応力集中を緩和する効果は飽和し、耐疲労特性のさらなる向上は得られず、また処理時間もより長く必要となる。尚、打撃痕１０は、領域Ｌにおける溶接の段差部を中心として形成するが、止端８にも形成する。これを勘案して打撃位置と、打撃痕１０の曲率半径を選定する。このような打撃痕１０が形成された止端８では、止端の線は消滅する。これにより、疲労き裂の起点となり難くなり、耐疲労特性が向上する。

また、本実施の形態における打撃痕１０の厚み方向の深さＤは１．０ｍｍ以下である。これにより、打撃処理部７における応力集中を十分に緩和することができる。また、打撃痕１０の厚み方向の深さＤを大きくするには、打撃痕１０を形成するための時間を要することから効率的ではないので、０．５ｍｍ以下とする。

ピーニング処理や超音波衝撃処理等の高周波機械衝撃を行う打撃装置は、振動端子と、振動装置とを備える。この打撃装置は、溶接線方向に沿って移動しながら、溶接継手に対して打撃を行い、前述した形状を有する打撃痕１０を形成する。高周波機械衝撃処理の方法は、前述した形状を有する打撃痕１０を形成することができれば、どのような方法であってもよい。例えば、ハンマーピーニング法、ニードルピーニング法、超音波ピーニング法等の方法を採用することができる。

このとき、打撃装置により振動端子を、１０Ｈｚ以上５０ｋＨｚ以下の範囲の振動周波数で振動させ、且つ、０．０１ｋＷ以上４ｋＷ以下の範囲の仕事率（出力）で打撃処理を施す。このような範囲で打撃処理を施すことによって、溶接金属の表面の金属が塑性流動し、溶接の際の局所的な加熱・冷却に伴って形成されていた引張残留応力を解放し、圧縮残留応力場を形成することができるからである。さらに、このような範囲で打撃処理を施すことによって、止端の表面が加工発熱し、この加工発熱が散逸しない断熱状態で繰り返し打撃処理を与えることにより、熱間鍛造と同じような作用を止端の近傍に及ぼすことができ、結晶組織を微細化することができるからである。

ここで、振動端子の振動周波数を１０Ｈｚ以上とするのは、振動周波数が１０Ｈz未満であると、処理効率が低く実用性が低くなるからである。一方、振動周波数を５０ｋＨｚ以下とするのは超音波等、工業的に適用できる振動装置によって得られる周波数が一般に５０ｋＨｚ以下であるからである。

また、振動端子の仕事率を０．０１ｋＷ以上とするのは、仕事率が０．０１ｋＷ未満であると、打撃処理に要する時間が長くかかり過ぎるからである。一方、仕事率を４ｋＷ以下とするのは、これを超える仕事率で打撃処理をしても効果が飽和するため経済性が低下するからである。

なお、本発明の疲労特性に優れた構造物は、船舶、海洋構造物、洋上風力発電機などの繰り返し荷重を受ける様々な構造物に適用することができる。

図４は、本発明の実施の形態における主板板厚ｔが１００ｍｍの場合の領域Ｌの範囲を例示する図である。図４に示すように、止端角度θ、止端からの距離Ｌと溶接金属部の応力／公称応力との関係を調査した結果、止端角度θが２０度以下、領域Ｌが主板板厚ｔの１／３である３３ｍｍ以上の場合の溶接金属部の応力／公称応力は０．９以下であることが分かった。

図５は、本発明の実施の形態における主板板厚ｔが１００ｍｍの場合の打撃痕の曲率半径Ｒの範囲を例示する図である。図５に示すように、止端角度θ、打撃痕の曲率半径Ｒと溶接金属部の応力集中係数との関係を調査した結果、止端角度θが２０度以下、打撃痕の曲率半径Ｒが主板板厚ｔの１／２０である５ｍｍ以上の場合の応力集中係数は１．５以下であることが分かった。

図６は、本発明の実施の形態における主板板厚ｔが２０ｍｍの場合の領域Ｌの範囲を例示する図である。図６に示すように、止端角度θ、止端からの距離Ｌと溶接金属部の応力／公称応力との関係を調査した結果、止端角度θが２０度以下、領域Ｌが主板板厚ｔの１／３である６．７ｍｍ以上の場合の溶接金属部の応力／公称応力は０．９以下であることが分かった。

図７は、本発明の実施の形態における主板板厚ｔが２０ｍｍの場合の打撃痕の曲率半径Ｒの範囲を例示する図である。図７に示すように、止端角度θ、打撃痕の曲率半径Ｒと溶接金属部の応力集中係数との関係を調査した結果、止端角度θが２０度以下、打撃痕の曲率半径Ｒが主板板厚ｔの１／２０である１ｍｍ以上の場合の応力集中係数は１．５以下であることが分かった。

次に、本発明の実施例について説明する。
図８は、Ｈ形構造物に対して行った、本発明の実施例１における荷重載荷の方法を説明する図である。
ＳＭ４９０Ｂの厚み１９mmの鋼材を、Ｈ形構造物モデルのフランジ（周囲の鋼材４）として用い、中央部の補剛板と下に張り出した部分（副板２）を板厚４０mm、その他を厚み１２mmで溶接組み立てにより、Ｈ形試験体を作製した。
また、ＳＢＨＳ５００の鋼板を高強度部材（主板１）として上下フランジの中央部に用い、溶接材料は鋼材強度に合わせて選定し、ＦＣＡＷ溶接により構造物モデル試験体を作製した。
なお、組み立て溶接はすべてすみ肉溶接にて行い、本発明を適用する○部を除いてすべての溶接止端は、グラインダ処理と下記の超音波衝撃処理を併用して疲労強度を高めた。
＜超音波衝撃処理条件＞
打撃ピンの先端部の曲率半径：０．９〜２．０ｍｍ
振動周波数：２７ｋＨｚ
出力：約１０００ｋＷ

疲労試験は４点曲げ試験によって行った。はじめに試験体を上下逆にし、４点曲げにより中央部の材軸方向公称応力がＳＭ４９０Ｂの降伏応力に等しい３４０MPaとなるように負荷して除荷した。この後、若干曲げによるひずみが残ったまま試験体を上下反対にして、疲労試験を行った。この時、上下フランジの公称応力による応力範囲が１３０MPaとなるように設定して、応力比０．０５の試験を行った。この試験結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明の条件を全て満足するＨ形構造体Ｎｏ．３〜６、８、１１、１４〜１７は、破断までの繰り返し数が３００万回以上であり、十分な疲労強度が認められた。
一方、Ｈ形構造物Ｎｏ．１、２は、主板と周囲の鋼材との繋ぎ溶接継手部の構造的応力集中の影響が発生し、繋ぎ溶接の止端で破断した。
Ｈ形構造物Ｎｏ．７は、第２溶接金属の強度不足による補強不足のため、第２溶接金属の下から二段目で破断した。
Ｈ形構造物Ｎｏ．９，１０は、第２溶接金属の体積不足のため、止端で破断した。
Ｈ形構造物Ｎｏ．１２は、打撃処理する領域Ｌの不足のため、第２溶接金属の下から三段目で破断した。
Ｈ形構造物Ｎｏ．１３は、打撃痕の曲率半径Ｒが小さく応力集中のため、止端で破断した。
Ｈ形構造物Ｎｏ．１８は、打撃痕の深さＤが大きく応力集中のため、止端で破断した。
Ｈ形構造物Ｎｏ．１９は、主板の強度不足による止端の塑性化のため、止端で破断した。
Ｈ形構造物Ｎｏ．２０は、打撃処理がなされなかったので、止端で破断した。
以上により、本発明の効果が確認された。

図９は、円柱構造物に対して行った、本発明の実施例２における荷重載荷の方法を説明する図である。
Ｘ４６の厚み２２mmの鋼材を主管（周囲の鋼材４）として用い、Ｘ７０の鋼管を高強度部材（主板１）として用い、溶接材料は鋼管強度に合わせて選定し、ＦＣＡＷ溶接により円筒柱構造物モデル試験体を作製した。
なお、ベースプレート（副板２）への取り付けについては完全溶け込み溶接にて行い、止端はグラインダ処理と下記の超音波衝撃処理を併用して疲労強度を高めた。
＜超音波衝撃処理条件＞
打撃ピンの先端部の曲率半径：０．９〜２．０ｍｍ
振動周波数：２７ｋＨｚ
出力：約１０００ｋＷ

疲労試験は円筒柱構造物モデル基部の予め、材料力学的な応力振幅が鋼材Ｘ４６の降伏応力を超す３７０MPaでの両振りを５回行い、中心軸が元の位置に戻るように調整した後、疲労試験を行った。この時、円筒柱構造物モデル基部の材料力学的な応力範囲が１３０0MPaとなるように設定して、両振りの試験を行った。この試験結果を表２に示す。

表２に示すように、本発明の条件を全て満足するＨ形構造物Ｎｏ．３〜５、８、１１、１４〜１７は、破断までの繰り返し数が３００万回以上であり、十分な疲労強度が認められた。
一方、Ｈ形構造物Ｎｏ．１、２は、主板と周囲の鋼材との繋ぎ溶接継手部の構造的応力集中の影響が発生して破断した。
円柱構造物Ｎｏ．７は、第２溶接金属の強度不足のため、第２溶接金属の下から二段目で破断した。
円柱構造物Ｎｏ．９，１０は、第２溶接金属の体積不足のため、止端で破断した。
円柱構造物Ｎｏ．１２は、打撃する領域Ｌの不足のため、第２溶接金属の下から三段目で破断した。
破断した。
円柱構造物Ｎｏ．１３は、打撃痕の曲率半径Ｒが小さく応力集中のため、止端で破断した。
円柱構造物Ｎｏ．１８は、打撃痕の深さＤが大きく応力集中のため、止端で破断した。
円柱構造物Ｎｏ．１９は、主板強度不足による止端の塑性化のため、止端で破断した。
円柱構造物Ｎｏ．２０は、打撃処理がなされなかったので、止端で破断した。
以上により、本発明の効果が確認された。

１主板
２副板
３溶接継手
３１第１溶接金属
３２第２溶接金属
４周囲の鋼材
５繋ぎ溶接部
６、７打撃処理部
８止端
９段差部
１０打撃痕
θ 止端角度
ｔ主板板厚
Ｒ曲率半径
Ｄ深さ

Claims

主板と副板との溶接継手を有する構造物であって、上記溶接継手を形成する溶接金属の降伏強度が周囲の鋼材の１．２倍以上であり、上記溶接継手の止端から溶接金属と逆側に主板板厚ｔの３倍以上の領域Ｗにおける主板の降伏強度が周囲の鋼材の１．５倍以上であり、上記溶接継手の止端から溶接金属側に主板板厚ｔの１／３以上の領域Ｌにおける止端角度θが２０度以下であり、上記領域Ｌにおける溶接の段差部に、曲率半径Ｒが主板板厚ｔの１／２０以上、深さＤが１ｍｍ以下の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た構造物。
上記構造物は、船舶、海洋構造物、洋上風力発電機などの繰り返し荷重を受ける構造物であることを特徴とする請求項１に記載の疲労特性に優れた構造物。