JP2017094396A - 超音波衝撃処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接構造物の疲労寿命をより長く延ばすこと。【解決手段】溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に対してピンを当接させて超音波衝撃を与えることにより上記溶接止端部の疲労強度を向上させる超音波衝撃処理方法であって、上記溶接止端部の曲率半径以下である第１の曲率半径を有する第１のピンを用いて第１の超音波衝撃処理を施す工程と、上記第１の超音波衝撃処理のあとに、１．０ｍｍ以上である第２の曲率半径を有する第２のピンを用いて第２の超音波衝撃処理を施す工程と、を有する超音波衝撃処理方法が提供される。【選択図】図３

Description

本発明は、溶接部を有する鋼構造物において溶接止端部の疲労特性を向上するための超音波衝撃処理方法に関する。

溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に繰返し荷重が作用すると、疲労き裂が発生して破壊に至ることがある。このような溶接止端部の疲労破壊が問題となっている。

溶接止端部の疲労特性を向上させる方法の一つとして、グラインダーをかけて溶接部を平滑化することにより溶接部における応力集中を緩和する手法が、例えば、特許文献１に開示されている。

また、溶接止端部の疲労特性を向上させる他の方法として、溶接部等の疲労強度向上を目的とした超音波衝撃処理（Ultrasonic Impact Treatment：ＵＩＴ）が近年開発された。超音波衝撃処理とは、超音波発生機から発生した数十ｋＨｚの超音波振動をピン等の工具を介して対象物に押し当てて当該対象物に超音波衝撃を与えることにより、当該対象物に塑性変形を生じさせる処理である。これにより、表面形状が改善されつつ、同時に表面近傍の残留応力が改善される。

例えば、超音波衝撃処理を溶接部および機械加工穴に適用することにより疲労強度を向上させる方法が特許文献２に開示されている。また、突合せ溶接継手の溶接止端部近傍を超音波打撃処理することにより突合せ溶接継手の疲労強度を向上する方法が、本発明者らによる特許文献３に開示されている。また、超音波衝撃処理を溶接止端部から離して適用することにより疲労強度を向上させる方法が特許文献４に開示されている。

また、超音波衝撃装置より溶接止端部に超音波衝撃を与えた場合に、溶接止端部近傍の金属がピンの衝撃により塑性流動し、折れこみ疵が生じていることがある。この折れこみ疵の発生を抑制するために、ピンの先端部の曲率半径を２．０ｍｍ未満とする溶接止端部の超音波衝撃処理方法が、特許文献５に開示されている。

特開２０１０−２９８９７号公報 米国特許第６３３８７６５号明細書 特開２０１０−１４２８７０号公報 特開２０１２−１１４６２号公報 特開２００７−２８３３５５号公報

しかし、上記特許文献に開示された超音波衝撃処理方法を用いて溶接止端部または溶接止端部から離れた位置に超音波衝撃処理を施した場合においても、溶接ままの構造物と比較して疲労寿命は向上するものの、溶接止端部において疲労き裂が発生し、疲労試験において２００万回程度で疲労破壊が生じるケースがあった。そのため、溶接構造物の疲労寿命をさらに延ばすことが求められていた。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、溶接構造物の疲労寿命をより長く延ばすことが可能な、新規かつ改良された超音波衝撃処理方法を提供することにある。

本発明者らは、超音波衝撃処理が適用される溶接止端部表面に微小な折れこみ疵が発生した場合であっても、溶接止端部の疲労特性をさらに向上させる方法について、鋭意検討した。その結果なされた本発明は、以下の通りである。

（１）溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に対してピンを当接させて超音波衝撃を与えることにより上記溶接止端部の疲労強度を向上させる超音波衝撃処理方法であって、
上記溶接止端部の曲率半径以下である第１の曲率半径を有する第１のピンを用いて第１の超音波衝撃処理を施す工程と、
上記第１の超音波衝撃処理のあとに、１．０ｍｍ以上である第２の曲率半径を有する第２のピンを用いて第２の超音波衝撃処理を施す工程と、
を有する超音波衝撃処理方法。
（２）上記第２の曲率半径が３．０ｍｍ以上である、請求項１に記載の超音波衝撃処理方法。
（３）上記第１の超音波衝撃処理の前に、上記溶接止端部の上記曲率半径を計測する、（１）または（２）に記載の超音波衝撃処理方法。
（４）上記第２の超音波衝撃処理において、上記溶接止端部が形成されている方向に沿って複数の処理痕を連続的に形成して得られる加工帯を、上記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向に沿って並列して形成し、
複数の上記加工帯からなる加工領域において、上記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向の横断面上に、少なくとも３箇所の上記処理痕の縁が存在する、（１）〜（３）のいずれか１項に記載の超音波衝撃処理方法。

以上説明したように本発明によれば、超音波衝撃処理が適用される溶接止端部表面に微小な折れこみ疵が発生した場合であっても、溶接構造物の疲労寿命をより長く延ばすことが可能である。

従来の超音波衝撃処理における溶接止端部近傍の様子の一例を示す図である。 超音波衝撃処理後の溶接止端部の断面を撮像した写真である。 本実施形態に係る超音波衝撃処理方法の概略図である。 溶接止端部が形成されている方向に沿って形成される加工帯の第１の例を説明するための図である。 溶接止端部が形成されている方向に沿って形成される加工帯の第２の例を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（従来の超音波衝撃処理後の溶接止端部における疲労破壊のメカニズム）
本発明者らは、まず、超音波衝撃処理を施した溶接構造物および超音波衝撃処理を施していない溶接構造物の各々について疲労試験を実施し、破断した構造物について、破断部を詳細に解析した。そして、本発明者らは、解析結果に基づいて従来の超音波衝撃処理後の溶接止端部における疲労破壊のメカニズムについて検討した。

本発明者らは、板厚１６ｍｍの溶接用圧延鋼板ＳＭ４９０（降伏強度ＹＰ＝３４５ＭＰａ，引張強さ＝５３１ＭＰａ）を供試体として、これらの鋼板を溶接した十字溶接継手を用意した。そして、溶接止端部への超音波衝撃処理を施した供試体と超音波衝撃処理を施していない供試体をそれぞれ用意し、各供試体について疲労試験を行った。疲労試験は、各供試体の溶接止端部に繰返し荷重をかけることにより実施された。疲労試験の条件については、応力範囲ΔＳ＝２２０ＭＰａ、応力比Ｒ＝０．１および周波数ｆ＝１０Ｈｚとした。この疲労試験では、供試体の破断までに加えられた繰返し荷重の繰返し数が疲労特性として評価される。また、繰返し荷重の繰返し数が５００万回を超えても供試体が破断しない場合は、疲労試験を中止した。疲労試験の終了後、破断した供試体について供試体の断面を詳細に観察し、疲労き裂の発生箇所の深さを調査した。

本発明者らは、疲労試験終了後の疲労き裂の発生箇所の深さと、溶接止端部の表面からの深さ方向における硬度分布の関係を調査した。その結果、超音波衝撃処理が施された供試体において、超音波衝撃処理が施されていない供試体に比べて、疲労き裂の発生箇所がより深いこと、またその疲労き裂の発生箇所における硬度が、溶接後でかつ超音波衝撃処理前の元の溶接止端部の硬度と同じであることを見出した。一方、超音波衝撃処理後における溶接止端部の表面において、元の溶接止端部の表面よりも高い硬度が示された。これは、超音波衝撃処理により生じた加工硬化によるものと考えられる。しかし、超音波衝撃処理が施された溶接止端部に生じた疲労き裂の発生箇所の硬度は増加していないため、超音波衝撃処理による加工硬化があまり生じていなかったと考えられる。したがって、硬度の低い元の溶接止端部を起点として、超音波衝撃処理が施された溶接止端部においても疲労破壊が発生したものと考えられる。

そこで、本発明者らは、疲労き裂の発生箇所である元の溶接止端部において超音波衝撃処理による加工硬化を生じさせる方法について、以下のような実験を行って検討した。

まず、本発明者らは、超音波衝撃処理を溶接止端部に施した場合に、疲労き裂が発生する箇所が溶接止端部表面よりも深くなるメカニズムについて検討した。図１は、ピンを用いて溶接止端部を超音波衝撃処理する場合の溶接止端部の挙動を示す模式図である。図１に示すように、超音波衝撃処理の初期には、母材１、溶接金属（溶接ビード）２および超音波衝撃処理するピン１０に囲まれる空間３が存在する。母材１の表面と溶接金属２との接点である溶接止端部４の曲率半径よりも大きい曲率半径のピン１０を用いて溶接止端部４を超音波衝撃処理した場合、超音波衝撃処理によって母材１および溶接金属２がそれぞれ図１の矢印に示す方向に塑性流動する。すると、超音波衝撃処理前の溶接止端部（元の溶接止端部）４から、塑性流動後の母材と溶接金属との表面上での接触点５（以下、接触点５）までの領域に、微小な折れこみ疵６が発生する。

このとき、図１に示したように、超音波衝撃処理前の溶接止端部４は、ピン１０と接触していない。そのため、超音波衝撃処理前の溶接止端部４には超音波衝撃処理が実質的に施されないので、超音波衝撃処理による加工硬化の効果が超音波衝撃処理前の溶接止端部４（およびその近傍）には生じにくいと考えられる。つまり、接触点５よりも深い位置（具体的には、元の溶接止端部４の近傍）は加工硬化されていないので、疲労き裂の発生箇所となり得る。したがって、折れこみ疵６自体が疲労強度に悪影響しない程度の微小なものであっても、上記のような疲労き裂の発生箇所を起点として、折れこみ疵６を介して疲労破壊が生じ得ると考えられる。

実際に溶接止端部４の曲率半径よりも大きい曲率半径のピン１０を用いて溶接止端部４を超音波衝撃処理した場合について、接触点５周辺について断面を切りだし、組織観察した結果を図２に示す。溶接部の表面から１５０μｍ程度の深さまでの領域に、微小な折れこみ疵６が発生していることがわかる。

（本実施形態に係る超音波衝撃処理方法）
そこで、本発明者らは、母材、溶接金属および超音波衝撃処理に用いられるピンの間に生じる空間をできるだけ生じさせないようにし、ピンの一部を溶接止端部に当接させて超音波衝撃処理を行う超音波衝撃処理方法について検討した。ピンの一部を溶接止端部に当接させるためには、超音波衝撃処理を開始する時点で、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて溶接止端部を超音波衝撃処理することが要求される。つまり、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径以下の先端曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を施すことにより、当該ピンを溶接止端部に当接させることができる。これにより、溶接止端部に超音波衝撃処理による加工硬化の効果を生じさせることができる。

しかし、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径は一般的に非常に小さく、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。そのため、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を施した場合には、溶接止端部の曲率半径がさらに小さくなり、処理された溶接止端部の応力集中係数が超音波衝撃処理前よりも増加する可能性がある。したがって、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を施すだけでは、溶接止端部の応力集中を緩和することは困難である。

一方、従来のように、溶接止端部の曲率半径よりも大きな曲率半径を有するピンを用いて溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した場合には、超音波衝撃処理後の溶接止端部の曲率半径が超音波衝撃処理前の溶接止端部と比較して大きくなる。そのため、超音波衝撃処理後の溶接止端部の応力集中が低減される。しかし、上述したように、折れこみ疵が溶接止端部の内部に発生する。折れこみ疵には超音波衝撃処理による加工硬化の効果が生じにくいため、疲労き裂の発生の起点となり得る。したがって、本発明者らは、この疲労起点となり得る箇所を超音波衝撃処理により予め加工硬化すれば、溶接止端部の疲労強度をさらに向上させることができると考えた。

そこで、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて、溶接止端部に対してピンを当接させて超音波衝撃処理により溶接止端部近傍の表面を加工硬化した後に、溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径を有するピンを用いて溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施すことを検討した。以下、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法について説明する。

本実施形態に係る超音波衝撃処理方法は、第１の超音波衝撃処理工程および第２の超音波衝撃処理工程により構成される。まず、本実施形態に係る超音波衝撃処理を行う前に、溶接止端部の曲率半径の値を得ることが要求される。これは、第１の超音波衝撃処理において用いるピンの曲率半径を設定するためである。溶接止端部の曲率半径の値を得るには、例えば、レーザ変位計を用いて、溶接止端部を含む溶接止端部を中心に２００μｍ以内の領域を計測することが好ましい。レーザ変位計は、複雑形状の構造物の溶接止端部について、精度良く、簡易に、かつ非破壊非接触で溶接止端部の凹凸形状を測定評価することができる。レーザ変位計を用いて測定された凹凸情報から、溶接止端部の曲率半径の値を得ることが可能である。なお、溶接止端部の曲率半径は、触診式の凹凸形状評価法、またはその他の凹凸形状測定可能な各種顕微鏡を用いた評価法等により計測されてもよい。また、溶接止端部にスパッタやスラグが存在する場合は、これらを取り除いた後に計測するか、これらが存在しない箇所を計測することが好ましい。また、溶接止端部の形状について、ばらつきが存在し、またはばらつきの存在が想定される場合は、溶接止端部の複数箇所について評価し、その最小値を溶接止端部の曲率半径とすることが好ましい。

なお、予め溶接止端部の曲率半径が判明している場合、溶接止端部の凹凸形状が測定されており、当該凹凸形状から曲率半径が推定できる場合、当該溶接止端部の曲率半径を測定する工程は省かれてもよい。また、既に曲率半径が測定された溶接止端部を有する溶接部と同様の溶接条件により作製された溶接部を有する構造物についても、当該測定工程は省かれてもよい。

図３は、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法の概略図である。図３を参照すると、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法では、まず、溶接止端部４の曲率半径よりも小さい第１の曲率半径を有する第１のピン１０Ａを用いて、溶接止端部４に対して超音波衝撃処理を施す（第１の超音波衝撃処理）。第１の超音波衝撃処理を実施したのち、溶接止端部４の曲率半径よりも大きい第２の曲率半径を有する曲率半径を有する第２のピン１０Ｂを用いて、溶接止端部４に対して超音波衝撃処理を施す（第２の超音波衝撃処理）。

第１の超音波衝撃処理では、溶接止端部４の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する第１のピン１０Ａにより、溶接止端部４に対して超音波衝撃処理が行われる。第１のピン１０Ａの曲率半径は溶接止端部４の曲率半径よりも小さいので、母材１、溶接金属２および第１のピン１０Ａの間に空間が生じにくい。そのため、第１のピン１０Ａを溶接止端部４に当接させることができる。これにより、溶接止端部４に対して超音波による衝撃が直接印加される。したがって、溶接止端部４の近傍表面が加工硬化し、溶接止端部４の近傍の硬度が増加する。

その後、第２の超音波衝撃処理では、溶接止端部４の曲率半径よりも大きい曲率半径を有する第２のピン１０Ｂにより、溶接止端部４に対して超音波衝撃処理が行われる。これにより、超音波による衝撃が印加された母材１および溶接金属２が、溶接止端部４の存在する方向へ塑性流動する。これにより、塑性流動により溶接止端部４の曲率半径が増加し、塑性流動により２つの金属が表面上において衝突した点から元の溶接止端部４にかけて生じた折れこみ疵６の表面近傍に、圧縮残留応力が生じる。

なお、溶接止端部４の曲率半径は一般的に０．２ｍｍ〜１．０ｍｍ程度であることから、第２の超音波衝撃処理に用いられる第２のピン１０Ｂの曲率半径は１．０ｍｍ以上であることが好ましい。また、ピンの曲率半径が大きいほど、応力集中を緩和する効果、および残留圧縮応力の導入する効果が大きくなると考えられる。

一連の超音波衝撃処理の結果、溶接止端部４において折れこみ疵６が生じ、この折れこみ疵６が疲労起点となる。しかし、折れこみ疵６の深部領域７（元の溶接止端部４の近傍の領域に相当）は上記の第１の超音波衝撃処理により加工硬化されているため、疲労強度が向上している。さらに、第２の超音波衝撃処理により、表面下部の領域（表面から１ｍｍ以上離れた領域）まで残留圧縮応力が導入されるので、疲労強度が向上される。また、第２の超音波衝撃処理により溶接止端部４の曲率半径が増加し表面形状が平滑化されるので、溶接構造物における応力集中が緩和される。

なお、第２の超音波衝撃処理により、表面下部の領域（表面から１ｍｍ以上離れた領域）まで残留圧縮応力が導入されるが、その際にさらに下部の領域（表面から２ｍｍ以上離れた領域）には引張残留応力が発生することがある。そのため、第１の超音波衝撃処理では、処理痕の深さを１ｍｍ以内とするように当該処理が行われることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法によれば、超音波衝撃処理による構造物における応力集中の緩和、および溶接止端部表面近傍の残留応力の導入に加え、折れこみ疵内部の加工硬化による疲労強度の向上が達成される。したがって、溶接止端部の疲労特性を従来よりもさらに大きく向上させることができる。すなわち、溶接部を有する鋼構造物、特に非常に大きな溶接部を有する実鋼構造物において、疲労破壊の発生確率が減少するので、これらの鋼構造物の疲労寿命をより長く延ばすことができる。

（変形例）
次に、本実施形態の変形例について説明する。本変形例では、第２の超音波衝撃処理において、複数の第２のピン１０Ｂを用いて、溶接止端部４が形成されている方向に沿って複数の処理痕を連続的に形成して得られる加工帯を、溶接止端部４が形成されている方向に直交する方向に沿って並列して形成する。かかる処理において、この複数の加工帯からなる加工領域において、溶接止端部４が形成されている方向に直交する方向の横断面上に、少なくとも３箇所の当該処理痕の縁が存在するように、これらの加工帯が形成される。これにより、鋼構造物の疲労寿命をさらに延ばすことが可能となる。以下、本変形例について説明する。

超音波衝撃処理によって金属表面に打痕（処理痕）が形成されると、処理痕の周辺部（縁）が盛り上がって形成されるとともに、当該金属表面の下層に圧縮残留応力が導入される。この圧縮残留応力は、処理痕の内部の領域において一様ではなく、処理痕の中央部よりも縁の方が高くなる傾向を示す。

そこで、本発明者らは、かかる処理痕の縁をより多く導入することにより、かかる圧縮残留応力をより多く金属表面の下層に導入できることに着想した。図４および図５は、溶接止端部４が形成されている方向に沿って形成される加工帯の第１の例および第２の例を説明するための図である。

図４に示す加工帯１００は、１本の第２のピン１０Ｂを溶接止端部４に沿って超音波衝撃処理することにより得られる複数の処理痕１１からなり、かかる複数の処理痕１１により１条の筋状を有する。この処理痕１１の周辺には、縁１１ａが形成されている。かかる加工帯１００では、処理方向（溶接処理の方向、すなわち溶接止端部４が形成されている方向）に沿って、加工帯１００の両側に、複数の処理痕１１の縁１１ａからなる２本の直線状の縁１２Ａおよび１２Ｂが形成される。

一方で、図５に示す加工領域２００は、３本の第２のピン１０Ｂを溶接止端部４に沿って超音波衝撃処理することにより得られる複数の処理痕１３からなる３条の筋状の加工帯２０１により構成される。かかる加工領域２００では、処理方向に沿って、加工領域２００の両側および内部に、複数の処理痕１３の縁からなる４本の直線状の縁１４Ａ〜１４Ｄが形成される。かかる縁１４Ｂおよび１４Ｃは、隣り合う処理痕の縁が重なりあって形成されたものであるので、処理方向に対して直交する方向の圧縮残留応力の絶対値が増加する。これにより、図４に示した加工帯１００よりも、図５に示す加工領域２００の方が高い圧縮残留応力を導入することができる。したがって、先の実施形態で述べたように、折れ込み傷が発生しても、第１の超音波衝撃処理によって加工硬化され、かつ、第２の超音波衝撃処理によって、応力集中を緩和する効果、および残留圧縮応力を導入する効果が得られることに加えて、複数条の加工帯の縁の重なりにより加工帯と直角方向の圧縮残留応力の増強効果が得られる。かかる増強効果により、疲労寿命をより延ばすことが可能となる。

なお、１条の加工帯が形成される場合、処理方向に対して直交する直角方向には、高々２箇所の縁が存在するのみであるが、２条以上の加工帯が形成される場合、隣接する加工帯の縁が重なるように形成すると、処理方向に対する直交方向の横断面上に３箇所以上の縁が存在し得る。本処理の際には、加工帯の縁における圧縮残留応力の効果を得るために、隣接する処理痕の縁をつぶさないように処理することが好ましい。なお、図５に示した処理痕の配列はあくまでも一例であり、処理方向に対する直交方向の横断面上に３箇所以上の縁が存在するように複数の処理痕、およびこれら複数の処理痕からなる加工帯が形成されれば、処理痕の形成位置および配列方向は特に限定されない。

複数の加工帯を形成する場合、例えば、複数の第２のピン１０Ｂを、処理方向とは平行とならない角度に配列して、溶接止端部４が形成されている方向に沿って走査させながら超音波衝撃処理を行うことにより、上述した加工帯（加工領域２００）が形成される。なお、本発明はかかる例に限定されず、例えば１本の第２のピン１０Ｂにより加工帯を形成してもよい。ただし、複数の第２のピン１０Ｂを用いて並列的に同時に処理することにより、残留圧縮応力の増強効果が得られやすく、処理に係る時間も短くて済む。

以上、本変形例について説明した。

供試体である十字溶接継手を下記鋼材にて作製し、各種条件での同継手材の疲労試験による寿命評価を行い、本発明の効果を検証した。

鋼材として、５０ｋ鋼（ＳＭ４９０、降伏強度ＹＰ＝３４５ＭＰａ，引張強さＴＳ＝５３１ＭＰａ）を用い、板厚１６ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ７００ｍｍの板の中央両面に、同材からなる板厚１６ｍｍ×幅１００ｍｍ×高さ４０ｍｍの縦板を荷重非伝達十字継手形状に配置した。これらの鋼材の溶接方法として、被覆アーク溶接（Shielded Metal Arc Welding：ＳＭＡＷ、５０ｋ鋼用溶材ＪＩＳ Ｚ ３２１１ Ｄ４３１６）またはフラックス入りアーク溶接（Flux Cored Arc Welding：ＦＣＡＷ、５０ｋ鋼用ＪＩＳ Ｚ ３３１３ ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ）を用いた。また、溶接条件は、シールドガス：炭酸ガス、予熱なし、入熱１５〜２０ｋＪ／ｃｍ^２とした。上記鋼材を脚長７ｍｍにて隅肉溶接し、十字溶接継手を作製し、供試体とした。

溶接後の供試体について、１３体に対しレーザ変位計を用いて溶接止端部の曲率半径を計測した。溶接止端部の曲率半径はいずれも０．２５ｍｍであった。レーザ変位計による溶接止端部の曲率半径の計測後、これらの供試体について、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。超音波衝撃処理は、上述したように、ピン先端の曲率半径を変えて２回または１回行った。超音波衝撃処理の共通条件は、共振周波数２７ｋＨｚ、振幅３０μｍ、ピン直径φ５ｍｍ、処理速度（溶接加工方向）３０ｃｍ／分とした。

溶接後の供試体のうち１０体について、超音波衝撃処理を２回行った（実施例１〜７、比較例１〜３）。残りの３体について、超音波衝撃処理を１回のみ行った（比較例４〜６）。

実施例１〜４並びに比較例１および２の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である０．２５ｍｍよりも小さい第１の曲率半径（０．２ｍｍ）を有する第１のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。その後、実施例１〜４並びに比較例１および２の供試体について、第２の曲率半径を有する第２のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。第２の曲率半径は、それぞれ５ｍｍ、２ｍｍ、１．２ｍｍ、１ｍｍ、０．８ｍｍおよび０．５ｍｍとした。

実施例５〜７の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である０．２５ｍｍよりも小さい第１の曲率半径（０．２ｍｍ）を有する第１のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。その後、実施例５〜７の供試体について、第２の曲率半径を有する３本の第２のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。第２の曲率半径は、それぞれ、５ｍｍ、３ｍｍおよび１ｍｍとした。各実施例では、３本の第２のピンを、溶接止端部が形成されている方向に対して傾斜するように配列して当該方向に沿って走査させ、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。

比較例３の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である０．２５ｍｍよりも大きい曲率半径（１．５ｍｍ）を有する第１のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。その後、当該供試体について、曲率半径が３ｍｍである第２のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。

比較例４の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である０．２５ｍｍよりも大きい曲率半径（３ｍｍ）を有するピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。

比較例５の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である０．２５ｍｍよりも小さい曲率半径（０．２ｍｍ）を有するピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。

比較例６の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である０．２５ｍｍよりも大きい曲率半径（３ｍｍ）を有する３本のピンを、溶接止端部が形成されている方向に対して傾斜するように配列して、溶接止端部上を走査させて超音波衝撃処理を施した。

これら１３体の供試体に対して、超音波衝撃処理を行ったのちに、疲労試験を行った。疲労試験は、軸力の引張−引張の試験とし、応力範囲ΔＳ＝２２０ＭＰａ、応力比Ｒ＝０．１および周波数１０Ｈｚの条件において、供試体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎを評価した。なお、繰返し回数が１０００万回を超えた場合は、疲労試験を中止した。

溶接止端部および各ピンの曲率半径、超音波衝撃処理回数、並びに疲労試験において供試体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎを表１に示す。

比較例４では、供試体について、従来と同様に溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径を有するピンにより超音波衝撃処理が施された。比較例４における繰返し寿命回数Ｎは、２３０４９５６回であった。

実施例１〜４では、各供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも小さい０．２ｍｍの曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して第１の超音波衝撃処理が施され、その後曲率半径が１ｍｍ以上であるピンにより溶接止端部に対して第２の超音波衝撃処理が施された。各実施例における繰返し寿命回数Ｎは、それぞれ８２３２０２１回、６３５０３１１回、３６０９７４４回、および３１３３０９０回であった。すなわち、実施例１および２においては、繰返し回数が５００万回では未破断であった。以上から、実施例１〜４における構造物の疲労寿命が比較例４と比較して延びていることがわかる。これは第１の超音波衝撃処理により元の溶接止端部が加工硬化されたことにより、溶接止端部の疲労特性が向上したことによると考えられる。

実施例５〜７では、各供試体について、実施例１〜４と同様の第１の超音波衝撃処理の後、第２の超音波衝撃処理において、３本のピンを用いて３条の加工帯が形成され、これらの加工帯と直交方向に沿った任意の横断面において、４箇所の処理痕の縁がみられた。疲労寿命は、実施例５と６では、１０００万回を超え、また、実施例７では８００万回以上であった。

一方で、比較例１および２では、各供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも小さい０．２ｍｍの曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して第１の超音波衝撃処理が施され、その後曲率半径が１ｍｍより小さいピンにより溶接止端部に対して第２の超音波衝撃処理が施された。各比較例における繰返し寿命回数Ｎは、２３６０００２回および１７４３２３７回であった。つまり、第２の超音波衝撃処理においてピンの曲率半径が１ｍｍより小さいピンが用いられた場合は、繰返し寿命が比較例４と比較して同等またはそれ以下であった。

また、実施例１〜４並びに比較例１および２を比較してみると、第２の超音波衝撃処理におけるピンの曲率半径が小さくなるにつれて、繰返し寿命回数Ｎが減少した。これは、第２の超音波衝撃処理におけるピンの曲率半径が小さくなることにより、溶接止端部の加工硬化による疲労強度が向上する一方で、溶接止端部の応力集中が緩和されにくいこと、および溶接止端部に導入される圧縮応力が高くならないことが原因であると考えられる。一方、第２の超音波衝撃処理に用いるピンの曲率半径を１．０ｍｍよりさらに大きくすることにより、より疲労寿命が長く伸びることが確認された。特に、曲率半径が３ｍｍ以上であるピンを用いて第２の超音波衝撃処理（実施例１および２）が施された場合、疲労寿命の計測上限を超える結果が得られた。

比較例３では、供試体について、第１の超音波衝撃処理および第２の超音波衝撃処理において溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して各超音波衝撃処理が施された。比較例３における繰返し寿命回数Ｎは２３０８２８０回であった。比較例３における繰返し寿命回数Ｎは、比較例４における繰返し寿命回数と同等程度となった。つまり、比較例３においては、比較例４と同様に、従来の超音波衝撃処理による効果と同様の効果しか得られなかった。比較例３の供試体の溶接止端部を観察してみると、第１の超音波衝撃処理の終了後において、折れこみ疵が第１の超音波衝撃処理の実施後に生じていた。これは、溶接止端部の曲率半径よりも大きい１．５ｍｍの曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を行ったためと考えられる。そのため、元の溶接止端部が加工硬化されず、疲労強度の向上効果が得られなかったと考えられる。したがって、疲労寿命が延びなかったと考えられる。

比較例５では、供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して超音波衝撃処理が１回のみ施された。比較例５における繰返し寿命回数Ｎは、７５０５２０回であった。比較例５における繰返し寿命回数Ｎは、比較例４と比較して顕著に少ない。比較例５の供試体の溶接止端部を観察してみると、折れこみ疵が生じていなかった。これは、溶接止端部の曲率半径よりも小さい０．２ｍｍの曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を行ったためと考えられる。超音波衝撃処理の結果、溶接止端部が加工硬化され、疲労強度は向上したものと考えられる。しかし、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を行ったため、上述したように溶接止端部の応力集中が緩和されていなかったと考えられる。このため比較例４と比較して疲労寿命が顕著に低くなったものと考えられる。

比較例６では、供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径である３ｍｍのピンを３本用いて３条の加工帯を形成したが、第２の超音波衝撃処理は行わなかった。その結果、比較例５における繰返し寿命回数Ｎは、２９９３８５５回であった。曲率半径３ｍｍのピンを１本のみ用いて超音波衝撃処理を施した比較例４と当該結果とを比較しても、大きな改善が見られていない。比較例６の供試体の溶接止端部を観察してみると、折れ込み傷の下部の溶接止端部が加工硬化されていなかった。そのため、疲労強度の向上効果が得られなかったと考えられる。

なお、本実施例においては、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径が０．２５ｍｍである構造物を用いて試験を行ったが、一般的に、溶接ままの溶接止端部の曲率半径は、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲にある。したがって、本実施例において、溶接ままの溶接止端部の計測され得る曲率半径の最小値である０．２ｍｍの曲率半径を有する第１のピンを用いた超音波衝撃処理により疲労寿命の向上効果が示されたので、０．２５ｍｍ以外の曲率半径を有する溶接止端部についても、疲労寿命の向上に関する効果が得られるものと考えられる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 母材（鋼板）
２ 溶接金属（溶接ビード）
３ 空間
４ 超音波衝撃処理前の溶接止端部（元の溶接止端部）
５ 塑性流動後の母材と溶接金属との表面上での接触点
６ 折れこみ疵
７ 深部領域
１０ ピン
１１、１３ 処理痕
１２、１４ 処理痕の縁
１００、２０１ 加工帯
２００ 加工領域

Claims (4)

1. 溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に対してピンを当接させて超音波衝撃を与えることにより前記溶接止端部の疲労強度を向上させる超音波衝撃処理方法であって、
   前記溶接止端部の曲率半径以下である第１の曲率半径を有する第１のピンを用いて第１の超音波衝撃処理を施す工程と、
   前記第１の超音波衝撃処理のあとに、１．０ｍｍ以上である第２の曲率半径を有する第２のピンを用いて第２の超音波衝撃処理を施す工程と、
   を有する超音波衝撃処理方法。
2. 前記第２の曲率半径が３．０ｍｍ以上である、請求項１に記載の超音波衝撃処理方法。
3. 前記第１の超音波衝撃処理の前に、前記溶接止端部の前記曲率半径を計測する、請求項１または２に記載の超音波衝撃処理方法。
4. 前記第２の超音波衝撃処理において、前記溶接止端部が形成されている方向に沿って複数の処理痕を連続的に形成して得られる加工帯を、前記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向に沿って並列して形成し、
   複数の前記加工帯からなる加工領域において、前記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向の横断面上に、少なくとも３箇所の前記処理痕の縁が存在する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波衝撃処理方法。