JP4757697B2 - 隅肉溶接部の疲労性能向上方法 - Google Patents

Description

本発明は、橋梁、タンク、船舶など隅肉溶接部を含んで構成される鋼構造物において、溶接部の疲労性能を向上させる方法に関する。

橋梁、タンク、船舶などの鋼構造物は、多くの鋼部材を溶接により組み合わせて製作されることが主流である。これらの鋼構造物は、溶接においては疲労強度を勘案して疲労設計されている。
溶接部に発生する疲労亀裂は構造物全体の信頼性に重大な影響を及ぼすため、疲労特性を向上させる種々の手法が試みられてきた。疲労亀裂の発生しやすい部分は溶接部であるが、これには、溶接部に応力集中部が存在していること、引っ張りの残留応力が生じていること、などの理由が挙げられる。
これらに対して、非特許文献１では機械的な方法で溶接部を平滑にする方法、或いはＴＩＧ溶接により溶接部に化粧溶接（ドレッシング）を施す方法などにより応力集中を低減することが開示されている。
また、溶接部にピーニングを施して、疲労が発生する部位に圧縮応力を導入し、あわせて応力集中を低減する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、最近では、溶接金属の変態膨張を利用して残留応力を低減させ、疲労強度を向上させる方法が提案されている（特許文献２、３参照）。

米国特許第６，１７１，４１５号公報 特開２０００−２８８７２８号公報 特開平１１−１３８２９０号公報 鋼橋の疲労 （社）日本道路協会

これらの鋼構造物の溶接においては、ルート部のない完全溶け込み（フルペネトレーション）溶接は作業量が多くコストがかかるため、図８に示すように、基材１と被溶接材料２を隅肉溶接する方法が採られおり、本溶接ビード５、止端部３、及びルート部４が存在する溶接形態となっている。そしてこのような隅肉溶接においては、疲労による亀裂は、ルート部４又は止端部３から発生するものが大半である。
また、鋼構造物の疲労性能としては、例えば、橋梁では、日本鋼構造協会（ＪＳＳＣ）の「鋼構造物の疲労設計指針および同解説」（ＪＳＳＣ疲労設計指針と呼称する）にて定められている、疲労寿命曲線（等級毎に、ある量の応力に対し、繰り返し何回まで耐えられるかをプロットした曲線、Ｓ−Ｎ曲線とも言う）の基準で疲労性能等級Ｄレベル以上を確保していればフランジとウエブの首溶接の疲労強度を上回るために十分であるとされている。
なお、基材１は主構造材、被溶接材料２はこれに溶接されるものと一応区別されるが、この関係は相対的なものであり、構造物の形態によっては逆転することもあり、便宜上のものである。

このような状況から、上述のピーニング類による方法のみでは、止端部を含む溶接部表面に対しては疲労強度の改善効果はあるものの、ルート部疲労強度は向上させることができない。そのため、疲労性能レベルＤ等級以上を確実に達成することが常に可能であるとは言えない。
また、ＴＩＧドレッシングでは、止端部を完全に平滑なものとすることは困難であり、引張残留応力も残るために、止端の疲労性能が向上したとしても疲労性能レベルＦ等級を確保するのが限界である。もちろん、ルートの疲労性能を向上することも不可能である。
一方、低温変態溶接材料を用いる方法では、止端部の疲労強度の向上が不十分で安定的ではなく、疲労性能レベルＤ等級を確保するのがやっとであり、場合によってはＥ等級となる場合もある。特に、ビードを付加した場合は、本溶接ビードと増し盛り溶接ビードとの境界部分がかえって弱点となりやすい。

このように、従来から鋼構造物に適用されている隅肉溶接においては、溶接部のルート部及び止端部の双方の疲労強度を同時に確実には向上させることができず、疲労性能レベルＤ等級以上を安定して確保することは困難であった。
本発明は、上記の状況に鑑み、隅肉溶接において、既設の溶接部（本溶接ビード）のルート部及び止端部の双方の疲労強度を補修により向上させ、疲労性能レベルＤ等級以上を安定して確保できる疲労性能の向上方法を提供することを課題とする。

本発明者らは上記の課題を鑑みて、以下の技術思想に至った。
すなわち、既設の隅肉溶接における溶接部の疲労性能を、補修により、止端部とルート部の双方において向上させる際、溶接部の各部位に応じた向上対策を講じることが適切であると考えた。
まず、止端部の疲労性能を向上させるためには、止端部への応力集中を緩和すると共に圧縮応力を付加することが適切と考え、溶接ビードの止端部に超音波衝撃処理を施すこととした。
次に、ルート部の疲労強度は、のど厚の大きさにより左右されると考え、のど厚を大きくすることによりルート部の疲労強度の向上を図ることとした。
このためには、既設の隅肉溶接により形成された本溶接ビードに加えて、この本溶接ビードの一部または全部に、新たに重複して増し盛り溶接を行うものとした。（以下、この増し盛り溶接により形成された溶接ビードを増し盛り溶接ビードと記載する）。

基材と被溶接部材とを隅肉溶接して形成された既設の本溶接ビードの一方の止端部を含むビードに、新たに増し盛り溶接ビードを、前記本溶接ビードにおける前記基材側止端部又は前記被溶接部材側止端部の一方側に、前記増し盛り溶接ビードが形成されていない側の前記本溶接ビードの脚長をＬとし、前記境界止端部から前記増し盛り溶接ビードが形成された側の前記基材又は前記被溶接部材への垂線の距離をＬ’としたとき、Ｌ’≧１／３Ｌとなるように形成し、その後、前記本溶接ビード及び前記増し盛り溶接ビードの表面に現れている本溶接ビードの止端部、増し盛り溶接ビードの止端部、及び、本溶接ビードと増し盛り溶接ビードとの境界止端部に超音波衝撃処理を施すことを特徴とする隅肉溶接における溶接部の疲労性能向上方法。

既設の隅肉溶接において、本発明の方法により、溶接部のルート部及び止端部の双方の疲労強度を向上させ、疲労性能レベルＤ等級以上を安定して確保できる。

本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
図１は、橋梁等における既設の隅肉溶接部の断面模式図である。基板１と被溶接部材２とは、その隅角部において隅肉溶接がなされ、本溶接ビード５が形成されている。これにより、基板１側と被溶接部材２側にそれぞれ止端部３（３１、３２）が形成される。図中のＬは本溶接ビード５の脚長、ａはのど厚を表す。尚、本溶接ビード５は、前記隅角部に沿って、基板１と被溶接部材２の接触している箇所に亘って（図の紙面に対して垂直方向）形成されている。

図２は、本発明の実施形態を示す溶接部の断面模式図である。本形態においては、基材１と被溶接部材２とを隅肉溶接して形成された既設の本溶接ビード５の基板１側の止端部３１を含むビードに、新たに増し盛り溶接ビード６を形成している。更に、本溶接ビード５及び増し盛り溶接ビード６の表面に現れている、本溶接ビード５の止端部３２、増し盛り溶接ビード６の止端部３３、及び本溶接ビード５と増し盛り溶接ビード６との境界止端部３４に超音波衝撃処理を施している。なお、増し盛り溶接ビード６の形成及び止端部への超音波処理は、隅角部に沿って隅肉溶接がなされている基板１と被溶接部材２の接触している範囲に亘って行われる。
これにより、元ののど厚ａはのど厚ａ’に増加し、ルート部の疲労亀裂の発生を抑制することが出来ると共に、ビード表面に現れた止端部を超音波衝撃処理することで、止端部の疲労亀裂の発生も抑制することができるようになる。
なお、増し盛り溶接を行う前に、本溶接ビード５の基板１側の止端部３１にも、超音波衝撃処理を施しておくと、疲労性能がより向上する場合があり好ましい。

図３は、参考形態を示す溶接部の断面模式図である。本形態においては、増し盛り溶接ビード６が、本溶接ビード５における基板１側止端部３１及び被溶接部材２側止端部３２の両方に形成される。ここに更に、本溶接ビード５及び増し盛り溶接ビード６の表面に現れている止端部に超音波衝撃処処理を施すが、図３の参考形態では本溶接ビード５全面を増し盛り溶接ビード６で覆っているため、表面に現れている止端部は、基板１側の増し盛り溶接ビード３５と、被溶接部材２側の増し盛り溶接ビードの止端部３６の２箇所であり、この２箇所に超音波衝撃処処理を施している。
これにより、元ののど厚ａはのど厚ａ”に増加し、ルート部の疲労亀裂の発生を抑制することが出来ると共に、ビード表面に現れた止端部を超音波衝撃処理することで、止端部の疲労亀裂の発生も抑制することができるようになる。
なお、増し盛り溶接を行う前に、本溶接ビード５における基板１側の止端部３１及び被溶接部材２側の止端部３２にも、超音波衝撃処理を施しておくと、疲労性能がより向上する場合があり好ましい。

ここで、隅肉溶接における本溶接ビードの多くは、図１に示すように、脚長Ｌが、基板１側と被溶接部材２側とで、等脚となっていることが多い。
一方、止端部３から本溶接ビード５への応力の拡がりは、４５度よりも狭角となっているケースが多く、そのため、本溶接ビード５の有するのど厚の全ての部位が必ずしも有効に働いていないことがある。
例えば、図４（ａ）に示すような、脚長Ｌ＝６ｍｍで等脚の本溶接ビードの場合を考えると、のど厚ａは４．２ｍｍとなるが、応力の拡がりが３０度であるとすると、図４（ｂ）に示すように、実際に有効に働くのど厚（有効のど厚と呼ぶ）ａ₂は３ｍｍに減少してしまう。

従って、この有効のど厚ａ₂を、疲労性能を十分に向上するに足る厚みとすべく、増し盛り溶接ビードを形成することが重要である。
例えば、応力の拡がりが３０度であるとすると、図１の本溶接ビード５においては、有効のど厚ａ₂は３ｍｍであるのに対して、図２のように基板１の止端３１側に増し盛り溶接ビード６を３０度の角度で形成したとすると、有効のど厚ａ₂は、のど厚ａ’と略等しくなるため、ａ₂＞４．２ｍｍと４０％以上厚くなる。

対称とする溶接部の条件によってまちまちである応力の拡がりにも対応可能な、増し盛り溶接ビードの形成条件を検討した結果、脚長Ｌと増し盛り溶接ビードの形成位置との関係を調整することによる解決手段を見出した。
図２を用いて詳細を説明する。

すなわち、増し盛り溶接ビード６が、本溶接ビード５における基板１側止端部３１又は被溶接部材２側止端部３２側の一方側にのみ形成され（図では３１側に形成）、増し盛り溶接ビード６が形成されていない側の本溶接ビード５の脚長をＬとし、境界止端部３４から増し盛り溶接ビード６が形成された側の基板１又は被溶接部材２への垂線の距離をＬ’としたとき（図では１への垂線）、Ｌ’≧１／３Ｌとなるように増し盛り溶接ビード６を形成することである。
これにより、有効のど厚ａ’を、疲労性能を十分に向上するに足る厚みとすることができ、境界止端部３４やルート部４における疲労亀裂の発生を抑制可能となる。

（比較例１、２）：本溶接ビードのままの例、及び、本溶接ビードの止端部に超音波衝撃処理のみを施した例。
Ｉ形断面を持つ疲労試験体を製作し、疲労試験を行った。すなわち、図５は、疲労試験の試験体の概要を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は、平面図、（ｃ）は断面図である。
図５に示すように、橋梁の桁として使用される基板となるＩ形鋼１１に、被溶接部材となる複数の面内ガセット１２を、隅肉溶接により本溶接した。
Ｉ形鋼のサイズは、７００ｍｍ（Ａ）×２００ｍｍ（Ｂ）×９ｍｍ（ｔ１）×２５ｍｍ（ｔ２）×５５００ｍｍ（Ｌ）、面内ガセット１２のサイズは、いずれも５０（ｗ）×２００ｍｍ（Ｌ）×９ｍｍ（ｔ）とした。Ｉ形鋼は引張強度４００ＭＰａ級の鋼板を用いて溶接組立を行ったものである。
また、本溶接の条件は、溶接材料は最も一般的な５００ＭＰａ級鋼用を用い、溶接脚長６ｍｍとしてＣＯ₂アーク溶接を用いた。その結果、図１に示すような断面形状の本溶接ビード５が形成された。この脚長は強度設計により求められたものであり、等脚長であるためのど厚ａは約４．２ｍｍであった。また、本溶接ビード５の有効のど厚ａ₂は３０度の本ケースにおける応力の拡がりを考慮するので３ｍｍ程度と考えられる。

次に、本溶接した本溶接ビードの止端部に超音波衝撃処理を行った。この超音波衝撃処理（以下、ＵＩＴ（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｉｍｐａｃｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）とも記載する）は、超音波で先端のピンを振幅２０〜６０μｍ、周波数１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚで振動させる装置を用いて対象物を打撃する処理（Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｉｍｐａｃｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）であり、この装置としては例えば、超音波を発生させるトランスデューサーと、このトランスデューサーの前方に取り付けられたウエーブガイドと、ウエーブガイドの先端に取り付けられた超音波により振動するピンを備えたヘッドとから構成される。
この処理装置を用いて、１ｋｗの出力の電力からトランスデューサーに２７ｋＨｚの超音波振動を発生させ、１分間あたりおよそ１５ｃｍの速度で処理を行った。

この処理を行ったあと、疲労試験を行った。疲労試験は、上記試験体を４点曲げ、１３５ＭＰａの振幅条件（試験体の中央部１５００ｍｍの等曲げ区間での下フランジの発生応力が１３５ＭＰａ）として行った。これを比較例１とする。
また、ＵＩＴを施さなかった以外は全て、比較例１と同条件の実験も行い、比較例２とした。その結果を図６に示す。

ＵＩＴを施さなかった比較例２は、１×１０⁵サイクルで亀裂が発生しており、疲労性能等級Ｇ〜Ｆレベルであった。
一方、ＵＩＴを施した比較例１は、試験体中で発生応力の低い面内ガセットについては疲労性能等級Ｄレベルのものもあったが、４×１０⁵サイクルで亀裂が発生している疲労性能等級Ｅレベルのものが多かった。
止端部のＵＩＴによりある程度は疲労性能の向上の効果が認められものの、疲労性能等級Ｄレベルを安定して達成できていなかった。
図６の結果において、比較例２については、亀裂は全て止端から発生しており、ＵＩＴ処理した比較例１については、亀裂は全てルートから発生していた。

（実施例１）
次に、実施例として、本溶接ビードの上に増し盛り溶接を行い、更に、ビード表面の止端部にＵＩＴ処理を施した試験を行った。
すなわち、上記の止端部のＵＩＴによる疲労性能の向上効果を確認した試験の場合と同じように、橋梁の桁として使用されるＩ形鋼を用いて、複数の面内ガセット１２を隅肉溶接により本溶接した。試験体１０および面内ガセット１２の寸法は、図５の場合と同様である。
また、本溶接の条件も図５の場合と同じとして、本溶接ビード５を形成した。
さらに、この本溶接ビードの上に、増し盛り溶接を施した。増し盛り溶接の溶接条件は、手棒の最も一般的な５００ＭＰａ級鋼材用の低水素系溶接棒を用いて１．７ｋＪ／ｍｍの入熱条件で溶接を行った。
本溶接と増し盛り溶接により、図２に示すような本溶接ビード５と増し盛り溶接ビード６を形成した。
なお、増し盛り溶接ビード６を形成するにあたっては、図２に示すように、Ｌ’を４ｍｍとして形成した。

次いで、ビード表面に現れている本溶接ビード５の止端部３２、増し盛り溶接ビード６の止端部３３、及び、境界止端部３４に超音波衝撃処理を施した。この超音波衝撃処理は、１ｋｗの出力の電力からトランスデューサーに２７ｋＨｚの超音波振動を発生させ、１分間あたりおよそ１５ｃｍの速度で処理を行った。
この処理を行ったあと、この試験体を上記と同様の条件で、疲労試験を行った。

その結果、２×１０⁶を超えても亀裂の発生はなく、平均応力（公称応力）も高いレベルであり、疲労性能等級Ｄ以上であることが確認できた。
なお、増し盛り溶接ビード６の形成のみで、ＵＩＴを施さなかった場合は、１．２×１０⁵サイクルで、本溶接ビード５の止端部３２、増し盛り溶接ビード６の止端部３３、境界止端部３４のいずれかから亀裂が発生していた。
以上のことから、増し盛り溶接ビードの形成と超音波衝撃処理を組み合わせることにより、隅肉溶接における溶接部のルート部の疲労性能、及び止端部の疲労性能を共に向上させることができることが確認された。

（実施例２）
上記の実施例１においては、増し盛り溶接により、Ｌ’＝４ｍｍとしたが、Ｌ’の長さを変えた試験を行った。
図７（ａ）〜（ｃ）に示すような面外ガセット１３を持つ試験体を製作した。この試験体は主板１５が１００ｍｍ×６００ｍｍ×ｔ１２ｍｍで１００ｍｍ×５０ｍｍ×ｔ９ｍｍのガセットが隅肉溶接で接合されたものである。材料は引張強度４００ＭＰａ級鋼である。
この試験体について、図２示した重なり厚さＬ’を変えて、増し盛り溶接ビードを形成した。なお、本溶接ビードは等脚長とし、脚長Ｌは６ｍｍとした。
次いで、これらの溶接部、即ち本溶接ビード及び増し盛り溶接ビードの少なくとも止端部に超音波衝撃処理を施した。この超音波衝撃処理（ＵＩＴ）は、１ｋｗの出力の電力からトランスデューサーに２７ｋＨｚの超音波振動を発生させ、１分間あたりおよそ１５ｃｍの速度で処理と、上記の試験と同じ条件とした。上記試験体を４点曲げ、１３５ＭＰａの振幅条件で疲労試験した。
疲労試験後、亀裂または破断の箇所を目視観察により調査した。その結果を表１に示す。

このように、Ｌ’が２ｍｍ未満となると、本溶接ビード５と増し盛り溶接ビード６の境界止端部３４から破断していた。一方、Ｌ’が２ｍｍ以上となると、境界止端部で破断することはなく、疲労性能は向上した。
すなわち、Ｌ’が、Ｌ（＝６ｍｍ）の１／３以上となると疲労性能の向上効果が顕著となることが判る。

隅肉溶接における溶接ビードの形状を示す断面模式図である。 本発明の実施形態における本溶接ビードと増し盛り溶接ビードからなる溶接ビードの形状を示す断面模式図である。 参考形態における本溶接ビードと増し盛り溶接ビードからなる溶接ビードの形状を示す断面模式図である。 本発明に係る有効のど厚の概念を説明した図である。 本発明の実施例１及び比較例１、２における試験体の構造を示す概要図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は断面図を示す。 比較例１、２における疲労試験結果を示す図である。 本発明の実施例２における、Ｌ’を変化させた場合の検討を行った疲労試験体である。（ａ）が鳥瞰図、（ｂ）が上面図、（ｃ）が前面図である。 本溶接ビードにおける亀裂の発生を示す断面模式図である。

符号の説明

１ 基材
２ 被溶接材
３ 止端部
３１ 本溶接ビードにおける基板側止端部
３２ 本溶接ビードにおける被溶接部材側止端部
３３、３５ 増し盛り溶接ビードにおける基板側止端部
３６ 増し盛り溶接ビードにおける被溶接部材側止端部
３４ 境界止端部
４ ルート部
５ 本溶接ビード
６ 増し盛り溶接ビード
７ ルート亀裂
８ 止端部亀裂
９ 溶接部
１０ 試験体
１１ Ｉ形鋼（基材）
１２ 面内ガセット
１３ 面外ガセット
１４ リブ

Claims (1)

1. 基材と被溶接部材とを隅肉溶接して形成された既設の本溶接ビードの一方の止端部を含むビードに、新たに増し盛り溶接ビードを、前記本溶接ビードにおける前記基材側止端部又は前記被溶接部材側止端部の一方側に、前記増し盛り溶接ビードが形成されていない側の前記本溶接ビードの脚長をＬとし、前記境界止端部から前記増し盛り溶接ビードが形成された側の前記基材又は前記被溶接部材への垂線の距離をＬ’としたとき、Ｌ’≧１／３Ｌとなるように形成し、その後、前記本溶接ビード及び前記増し盛り溶接ビードの表面に現れている本溶接ビードの止端部、増し盛り溶接ビードの止端部、及び、本溶接ビードと増し盛り溶接ビードとの境界止端部に超音波衝撃処理を施すことを特徴とする隅肉溶接における溶接部の疲労性能向上方法。

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