JP4757697B2 - 隅肉溶接部の疲労性能向上方法 - Google Patents
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Description
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)。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
図2を用いて詳細を説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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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