JP4842409B2 - 溶接止端部の多重ピーニング処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接止端部の疲労特性を向上させるためのピーニング処理方法に関する。

溶接継手の疲労強度は、鋼材強度にはほとんど依存せず、溶接継手の形状に大きく依存することが知られている。特に構造的応力集中が大きい角回し継手、重ね継手などでは、溶接継手部は母材に比べて著しく疲労特性が低下する。

したがって、溶接継手の形状が、構造物の応力設計上の妨げとなり、高強度鋼材の優れた特性を十分に活かせない場合があった。そこで、繰り返し荷重が作用する溶接継手を有する部材においては、溶接止端部に、グラインダー処理やＴＩＧドレッシング処理、あるいは、ピーニング処理などの仕上げ処理が行われている。

従来、硬質の先端部を有する振動端子を用いて、溶接止端部にピーニング処理をすることにより、疲労寿命を向上させることが行われてきた。この従来のピーニング処理においては、振動端子の先端部形状を溶接止端部に転写し、打撃溝を形成することまでしか行われていなかった。

そのため、溶接止端部をピーニング処理で大きな曲率半径に整形した場合、溶接止端部に折れ込み疵を残すことが多く、十分に疲労特性が向上しないという問題があった。

この折れ込み疵と、ハンマーピーニング処理を用いた疲労特性向上方法については、ＩＩＷ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗｅｌｄｉｎｇ）が発行した非特許文献１に記載されている。非特許文献２には、超音波ピーニング処理について記載されている。

また、特許文献１には、ハンマーピーニング処理の条件を特定し、溶接継手の疲労特性を向上させる方法が記載されている。さらに、特許文献２には、アーク溶接直後に、溶接アークによって熱せられた溶接シーム部に沿って超音波振動を付与する方法が記載されている。

非特許文献１、２、及び、特許文献１、２に記載される方法においては、溶接止端部の疲労寿命を十分に向上させることができない問題があった。

これらの方法においては、ピーニング処理によって、溶接止端部に圧縮残留応力が導入されるため、溶接止端部の疲労寿命を向上させることが期待される。

しかし、特許文献３に述べられているように、ピーニング処理後の溶接止端部は、後述する、オーバラップ疵や折れ込み疵が残存する場合には、これらの疵が疲労破壊の起点となり、疲労寿命を十分に向上させることができなかった。

溶接止端部を仕上げる方法には、ピーニング処理の他に、グラインダ処理がある。しかし、グラインダ処理では、溶接止端部の曲率半径を大きくすることで応力集中の緩和は可能であっても、溶接止端部に圧縮残留応力を導入することはできない。したがって、溶接止端部には、溶接時の引張残留応力が導入されたままで、溶接止端部の疲労寿命の向上は十分ではなかった。

そこで、ピーニング処理で発生するオーバラップ疵や折れ込み疵を回避しつつ、溶接止端部の曲率半径を大きく整形するため、グラインダ処理の後にピーニング処理を行うことも考えられる。

しかし、グラインダ処理を行うためには、溶接止端部に増し盛りを行う必要がある。また、グラインダ処理は、大変手間のかかる作業である。さらに、グラインダ処理とピーニング処理の２つの装置を用いるため、非効率であった。

特許文献３には、ピーニング処理に使用する振動端子の先端部曲率半径を２．０ｍｍ以下にすることで、オーバーラップ疵を防止しているが、先端形状の異なるピンを用いたピーニング処理により、溶接止端線近傍の塑性流動によって折れ込み疵（この特許文献３では、この疵もオーバーラップ疵と書いている。）が残ることについて疲労特性に良くないことを指摘しているが、この折れ込み疵に対する解決方法については検討なされていなかった。

また、ピーニング処理による溶接止端部への残留圧縮応力導入に加えて、ピーニング処理後の溶接止端部の曲率半径を、できるだけ大きくし、応力集中を小さくしたいという要望は溶接構造物の安全な利用のために根強くあり、最終的に２．０ｍｍよりも大きくするために、多重ピーニング処理が望まれていた。

特開平０４−０２１７１７号公報 米国特許第６１７１４１５号明細書 特開２００７−２８３３５５公報

ＩＩＷ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ＸＩＩＩ，ＩＩＷ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ ａｎｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｒｅｖｉｓｅｄ Ｍａｒｃｈ ２００９，Ｐ．２０〜２７ 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

本発明は、上記従来技術の問題を解決するため、振動端子を用いて溶接止端部を打撃するピーニング方法において、溶接止端部に圧縮残留応力を導入しつつ、曲率半径の大きい溶接止端部を効率よく整形し、溶接止端部の疲労特性を安定して向上させることができる溶接止端部のピーニング処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、先端部曲率半径が異なる２種類以上の振動端子を準備し、使用する振動端子の先端部曲率半径を、どのように段階的に大きくしていくと、効率よく、溶接止端部に疵を残さずに、大きい曲率半径の溶接止端部を整形できるかについて鋭意検討した。

その結果、本発明者らは、１回目のピーニング処理では、先端部曲率半径が１〜３ｍｍの振動端子を用い、溶接止端線と、１回目のピーニング処理により溶接止端線近傍に発生するオーバラップ疵を除去してから、２回目以降のピーニング処理を行う必要があることを知見した。

また、本発明者らは、２回目以降のピーニング処理では、ｉ回目のピーニング処理で形成された打撃溝の両脇に発生するエッジ部が、（ｉ＋１）回目のピーニング処理により折り込まれて発生する折れ込み疵を、（ｉ＋１）回目のピーニング処理で除去するまで行うことで、溶接止端部の疲労寿命を著しく向上させることができることを知見した。

さらに、本発明者らは、ｉ回目、（ｉ＋１）回目のピーニング処理に使用する振動端子の先端部曲率半径を、それぞれ、Ｒ_ｉ、Ｒ_ｉ＋１としたとき、Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉが２以下のとき、上記の折れ込み疵を除去するまでの時間を著しく短縮できることを知見した。

本発明は、上記の知見の基づきなされたもので、その要旨は次のとおりである。

（１）所定の先端部曲率半径を有する振動端子を用いて溶接止端部を溶接止端線に沿って打撃処理するピーニング処理を複数回繰り返す、溶接止端部の多重ピーニング処理方法であって、
ｉ回目に使用する振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉと、（ｉ＋１）回目に使用する振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉ＋１とが、下記（Ａ）式を満足し、
１回目のピーニング処理は、先端部曲率半径Ｒ_１が１〜３ｍｍの振動端子を使用し、溶接止端部に曲率半径がＲ_１の打撃溝を形成するとともに、前記溶接止端線と、前記１回目のピーニング処理により前記曲率半径がＲ_１の打撃溝の中に発生するオーバラップ疵とを除去するまで行い、
２回目以降のピーニング処理は、前記先端部曲率半径Ｒ_ｉの振動端子を使用し、溶接止端部に曲率半径がＲ_ｉの打撃溝を形成するとともに、該曲率半径Ｒ_ｉの打撃溝の両脇に発生するエッジ部が、（ｉ＋１）回目のピ−ニング処理により折れ込まれて発生する折れ込み疵を、前記先端部曲率半径Ｒ_ｉ＋１の振動端子で除去するまで行い、
最終回のピーニング処理は、前記先端部曲率半径Ｒ_ｉ＋１が４．０ｍｍ以上の振動端子を用いて行うことを特徴とする多重ピーニング処理方法。
Ｒ_ｉ＜Ｒ_ｉ＋１≦２Ｒ_ｉ ・・・（Ａ）
ここに、ｉ：自然数

（２）前記先端部曲率半径Ｒ_１が１〜２ｍｍであることを特徴とする、上記（１）に記載の溶接止端部の多重ピーニング方法。

本発明によれば、疲労寿命向上を阻害する疵を溶接止端部に残留させることなく、溶接止端部に圧縮残留応力を導入し、かつ、溶接止端部を短時間に大きな曲率半径に整形することで、溶接止端部の疲労寿命を安定して向上させることができる。

そして、本発明によれば、溶接継手を有する部材の溶接止端部の疲労寿命を向上させることにより、溶接継手部から疲労破壊することがない、母材の材料特性を生かした部材を提供することができる。

図１は、本発明の多重ピーニング処理方法の手順を示す図である。
図２は、ピーニング処理による溶接止端部の断面形状の変化を示す図である。
図３は、１回目のピーニング処理において、振動端子の径の違いによる、溶接止端部に発生する疵等の違いを説明する図である。
図４は、二本の折れ込み疵が除去されるメカニズムを説明する図である。
図５は、本発明に用いる振動端子の溶接止端線に沿う方向に垂直な方向の断面形状を示す図である。
図６は、振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉ及びＲ_ｉ＋１と、折れ込み疵を除去するまでの時間Ｔ_ｉ及びＴ_ｉ＋１との関係を、（Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉ）及び（Ｔ_ｉ＋１／Ｔ_ｉ）で整理した図である。
図７は、振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉ及びＲ_ｉ＋１の比（Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉ）と、多重ピーニング処理した溶接止端部の疲労寿命との関係を示す図である。

本発明を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の多重ピーニング処理方法の手順を示す図である。

１回目のピーニング処理は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、先端部曲率半径Ｒ_１が１〜３ｍｍの振動端子１を使用して溶接止端部を打撃し、打撃溝４を形成する。

先端部曲率半径Ｒ_１を１ｍｍ以上とするのは、Ｒ_１が１ｍｍ未満では打撃に耐え得るだけの振動端子の強度が確保できないからである。また、Ｒ_１が１ｍｍ未満であると、形成される打撃溝４の曲率半径が、一般的な溶接止端部の曲率半径に近く、そのままでは、溶接止端部の疲労寿命が向上しないからである。

そのため、後述するように、本発明では、溶接止端部が所望の曲率半径となるまで、振動端子の先端部曲率半径を段階的に大きくして、さらにピーニング処理を行う。

その際、Ｒ_１が１ｍｍ以下であると、溶接止端部が所望の曲率半径になるまでの段階数が多くなり処理効率が低下するからである。また、多数の種類の振動端子を準備する必要もあるためである。

一方、先端部曲率半径Ｒ_１を３ｍｍ以下とするのは、以下の理由である。Ｒ_１が３ｍｍを超えると、１回目のピーニング処理による溶接止端線近傍の塑性流動範囲が広くなる。このため、溶接止端部において母材（鋼材）と溶接金属がなす角度が大きい場合、溶接止端線近傍の塑性流動により、図３（ａ）に示すように、打撃溝４に深い溝ができることがある。この深い溝に対しピーニング処理を続けると、図３（ｂ）に示すように、塑性流動により深い溝が閉じた後に形成される疵つまりオーバラップ疵が形成されることがある。Ｒ_１が３ｍｍを超えると、このようなメカニズムで形成されるオーバラップ疵の発生頻度が非常に高くなる。一度発生すると、長時間のピーニング処理を行っても、除去できなくなるからである。

これに対し、Ｒ_１が１〜３ｍｍの場合には、１回目のピーニング処理による溶接止端線の塑性流動範囲が狭いため、オーバラップ疵が発生しても、図３（ｃ）に示すように、打撃溝４に浅いオーバラップ疵を形成するに留まる。そして、引き続きピーニング処理を施すことによって、図３（ｄ）に示すように、この浅いオーバラップ疵を除去することができる。つまり、ピーニング処理により、オーバラップ疵を確実に見えなくすることができる。

したがって、１回目のピーニング処理は、溶接止端線とオーバラップ疵が除去されるまで行う必要がある。ここで、溶接止端部の曲率半径が非常に小さいため、母材（鋼材）と溶接金属との間に見える線状の模様を、溶接止端線という。ピーニング処理をこの溶接止端性に沿って行うと、溶接止端部の曲率半径が振動端子のものと同様な大きな曲率半径となるために、母材（鋼材）と溶接金属との間の線状の模様が見えなくなる。つまり、ピーニング処理により、溶接止端線を除去できる。

２回目以降のピーニング処理では、溶接止端線とオーバラップ疵を除去することはできないからである。これは、２回目以降のピーニング処理で使用する振動端子の先端部曲率半径は、１回目のピーニング処理で形成された打撃溝４の曲率半径Ｒ_１よりも大きいため、振動端子の先端部が、溶接止端線とオーバラップ疵に到達し難いことによるものである。

即ち、１回目のピーニング処理は、溶接止端線とオーバラップ疵の両方を除去する下地処理にあたる。なお、溶接止端線とオーバラップ疵の除去は目視検査で確認される。

また、Ｒ_１を１〜２ｍｍの範囲とすると、オーバラップ疵が非常に浅くなる。したがって、打撃溝４が形成された段階で、このオーバラップ疵は、溶接止端部の疲労寿命に影響を与えない程度の浅いものとなり、容易にオーバラップ疵を除去できる。つまり、Ｒ_１を１〜２ｍｍの範囲とすると、１回目のピーニング処理の時間を短縮できるからである。

よって、Ｒ_１は１〜２ｍｍの範囲とすることが好ましい。Ｒ_１の上限は、１．８ｍｍとすることが好ましく、１．５ｍｍとすることがより好ましい。

次に、２回目以降のピーニング処理について説明する。２回目以降のピーニング処理は、図１（ｄ）〜（ｇ）に示すように、１回目のピーニング処理で使用した振動端子１よりも径が大きい振動端子２を使用して行う。

２回目以降のピーニング処理は、１回目のピーニング処理で形成された打撃溝４をさらにピーニング処理し、図１（ｇ）に示した打撃溝５を形成する。そして、打撃溝５の曲率半径が４．０ｍｍ以上になるまで、図１（ｄ）〜（ｇ）で示した工程を、振動端子２の先端部曲率半径を段階的に大きくしながら、順に繰り返す。

次に、振動端子２の先端部曲率半径を、どのように段階的に大きくしていくかについて説明する。ｉ回目に使用する振動端子の先端部曲率半径をＲ_ｉ、（ｉ＋１）回目に使用する振動端子の先端部曲率半径をＲ_ｉ＋１とする。ここで、ｉは自然数である。なお、ｉ＝１のときは、１回目のピーニング処理で使用する振動端子１の先端部曲率半径Ｒ_１とする。

図２は、ピーニング処理による溶接止端部の断面形状の変化を示す図である。図２（ａ）に示したように、溶接したままの溶接止端部の曲率半径ρは小さい。ここで、図２（ａ）のθは溶接止端部角度である。

１回目のピーニング処理は、図２（ｂ）に示すように、Ｒ_１が１〜３ｍｍの振動端子１を使用して打撃溝４を形成する。上述したように、１回目のピーニング処理は、溶接止端線及びオーバラップ疵が除去されるまで行う。１回目のピーニング処理が終了したとき、打撃溝４の両脇にはエッジ部３が発生している。

２回目以降のピーニング処理を行うときには、これらのエッジ部３が必ず存在する。したがって、これらのエッジ部３を圧潰するために、２回目以降のピーニング処理を行う場合には、図２（ｃ）に示すように、打撃溝４の曲率半径よりも大きい先端部曲率半径を有する振動端子２を使用する必要がある。

また、上述したように、振動端子２は、エッジ部３を圧潰し（図２（ｃ）参照）、打撃溝５を形成する（図２（ｄ）参照）。そして、圧潰されたエッジ部３は、打撃溝５に折り込まれて、二本の折れ込み疵となる。この二本の折れ込み疵は、振動端子２でのピーニング処理の初期段階で発生する。

即ち、２回目以降のピーニング処理を行うときは、（ｉ＋１）回目に使用する振動端子２のＲ_ｉ＋１は、ｉ回目に使用した振動端子のＲ_ｉを超えるものである必要がある。

また、ｉ回目のピーニング処理で使用するＲ_ｉの振動端子で形成された曲率半径Ｒ_ｉの打撃溝４の両脇には、二本のエッジ部３が発生する。そして、この二本のエッジ部３は、（ｉ＋１）回目のピーニング処理で使用するＲ_ｉ＋１の振動端子で圧潰され、圧潰された２本のエッジ部は、二本の折れ込み疵となる。

この二本の折れ込み疵は、（ｉ＋１）回目のピーニング処理の初期段階で、二本のエッジ部３が圧潰されて発生するものである。この二本の折れ込み疵を、（ｉ＋１）回目のピーニング処理を引き続き行って除去する必要がある。つまり、目視検査で二本の折れ込み疵を見えなくする必要がある。なぜなら、このような二本の折れ込み疵は、溶接止端部の疲労寿命を著しく低下させるからである。

図４は、二本の折れ込み疵の除去メカニズムを説明する図である。図４（ａ）に示したように、（ｉ＋１）回目のピーニング処理の初期段階で圧潰されたエッジ部３は、溶接止端部に折り込まれ、溶接止端線方向に二本の筋となり二本の折れ込み疵となる。

この二本の折れ込み疵は、（ｉ＋１）回目のピーニング処理を引き続き行うことで、図４（ｂ）に示したように、二本の筋がお互い近づいて一本の筋、つまり一本の折れ込み疵となる。さらにピーニング処理を続けると、この一本の折れ込み疵もやがて見えなくなって除去される。この一本の折れ込み疵も含む全ての折れ込み疵を除去された時点を、（ｉ＋１）回目のピーニング処理が完了する基準とする。なお、二本の折れ込み疵と一本の折れ込み疵の除去は、目視検査で確認される。この時、折れ込み疵は極めて薄い膜状に延ばされ、それが破れ、剥離してしまった状態となっている。

（ｉ＋１）回目のピーニング処理が完了したときには、溶接止端部には、曲率半径がＲ_ｉ＋１の新たな打撃溝５が形成されている。そして、この新たな打撃溝５の両脇には、新たな二本のエッジ部３が発生している。

新たな打撃溝５の曲率半径Ｒ_ｉ＋１が４．０ｍｍ以上であるならば、新たなエッジ部３の突出量は、溶接止端部の疲労寿命低下に影響を与えない程度に小さいものとなる。また、新たな打撃溝５の曲率半径が４．０ｍｍ以上であることは、溶接継手を有する部材に荷重が作用したときに、溶接止端部に応力集中しないようにする観点からも好ましい。

したがって、最終回のピーニング処理は、Ｒ_ｉ＋１が４．０ｍｍ以上の振動端子を使用してピーニング処理し、曲率半径が４．０ｍｍ以上の打撃溝５を形成することが必要である。最終回のピーニング処理は、Ｒ_ｉ＋１が４．５ｍｍ以上であることが好ましく、５．０ｍｍ以上であることがより好ましい。

また、最終回のピーニング処理までの振動端子を変更する回数、即ち、Ｒ_ｉ＋１が４．０ｍｍ以上となるまでの変更回数は、経済性の観点から実用的には３回以下とすることが好ましい。

そして、構造物によって、溶接止端部の曲率半径ρの規定されるが、本発明の多重ピーニング処理によれば、振動端子の先端部曲率半径を段階的に大きくしていくことにより、最終的な溶接止端部の曲率半径を、４．０ｍｍ以上の任意の大きさにすることができる。

次に、振動端子の先端部曲率半径をどのように大きくしていくかについて、図５、図６を参照しながら説明する。

図５は、本発明に用いる振動端子の溶接止端線に沿う方向に垂直な方向の断面形状を示す図である。

図５（ａ）はｉ回目に使用する振動端子２の先端部形状を示し、図５（ｂ）は（ｉ＋１）回目に使用する振動端子２の先端部形状を示す。なお、１回目に使用する振動端子１の先端部形状は、図５（ａ）に示した振動端子２の先端部形状に準拠し、かつ、先端部曲率半径Ｒ_１が１〜３ｍｍとする。

図６は、振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉ及びＲ_ｉ＋１と、折れ込み疵を除去するまでの時間Ｔ_ｉ及びＴ_ｉ＋１との関係を、（Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉ）及び（Ｔ_ｉ＋１／Ｔ_ｉ）で整理した図である。

図６から明らかなように、Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉの比が２倍以上のとき、Ｔ_ｉ＋１／Ｔ_ｉが急激に大きくなる。即ち、（ｉ＋１）回目に使用する振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉ＋１を、１回目に使用する振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉの２倍よりも大きくすると、（ｉ＋１）回目のピーニング処理に要する時間が急激に長くなる。

これは、Ｒ_ｉ＋１がＲ_ｉの２倍を超えると、（ｉ＋１）回目のピーニング処理の初期段階で発生する二本の折れ込み疵が、図４（ａ）で示した二本の筋となったとき、この二本の筋が深くなる。

この深い二本の筋に、引き続きピーニング処理を施すことによって、二本の筋が相互に近づき、図４（ｂ）のように、一本の筋となり、やがてこの一本の筋も除去されてなくなるまでに、長時間のピーニング処理が必要だからである。

したがって、Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉは２以下とする必要がある。また、上述したように、振動端子は、段階的に大きくしていく必要があるから、Ｒ_ｉ＜Ｒ_ｉ＋１とする必要がある。
よって、Ｒ_ｉ＜Ｒ_ｉ＋１≦２Ｒ_ｉ ・・・（Ａ）
ｉ：自然数
の関係を満足することが必要である。

なお、Ｒ_ｉ＋１はＲ_ｉの１．２倍以上とすることがより好ましい。振動端子の曲率半径を大きくしていく際の段階数を減らすことができ、作業効率がよいからである。

次に、上掲式（Ａ）を満足するピーニング処理を行うことによって、溶接止端部の疲労寿命が、どのように向上するかについて説明する。

図７は、Ｒ_ｉとＲ_ｉ＋１の比（Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉ）と、溶接止端部の疲労寿命の関係を示す図である。なお、図７に示した溶接止端部の疲労寿命は、多重ピーニング処理した試験体を機械加工して幅７０ｍｍの十字試験体とし、軸力による疲労試験を行った結果を散布図にまとめたものである。疲労試験における応力範囲は２００ＭＰａ、応力比は０．０５である。

図７から明らかなように、Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉが２を超える場合には、突発的に疲労寿命が短いものが存在する。これは、Ｒ_ｉ＋１／Ｒ_ｉが２を超える場合には、折れ込み疵が深くなり、目視で除去されたように見えても、疲労寿命を短くさせるような有害な折れ込み疵が剥離せずに残存することがあるからである。

次に、振動端子の先端部曲率半径以外の形状について説明する（図５参照）。ピーニング処理効率を高めるため、振動端子の肩部曲率半径ｒ_ｉ、ｒ_ｉ＋１を、ｒ_ｉ≦Ｒ_ｉ、ｒ_ｉ＋１≦Ｒ_ｉ＋１とすることが好ましい。さらに、この肩部の形状を実現し易くするため、振動端子の径ｄ_ｉ、ｄ_ｉ＋１を、ｄ_ｉ／２≦ｒ_ｉ、ｄ_ｉ＋１／２≦ｒ_ｉ＋１とすることが好ましい。

なお、振動端子１、２の軸方向から見た断面形状は円形でも良いが、楕円形や長方形にして溶接止端線に沿った方向に細長い断面形状にすることによって振動端子１、２の強度を高めることができる。

次に、本発明を実施例でさらに説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性および効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

試験体は、板厚１２ｍｍの鋼板ＳＭ４９０Ｂ（ＪＩＳ Ｇ３１０６）を溶接して製作し、十字溶接継手としたものを用いた。溶接は、ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ（ＪＩＳ Ｚ３３１３：ワイヤ径１．４ｍｍ）又はＹＧＷ−１１（ＪＩＳ Ｚ３３１２：ワイヤ径１．４ｍｍ）ワイヤを用い、炭酸ガス半自動溶接（電圧３５Ｖ、電流３５０Ａ、速度３ｍｍ／秒、ガス組成ＣＯ２１００％）した。試験体の製作条件を表１に示す。

表１に示した試験体の溶接止端部をピーニング処理し、溶接止端部を整形した。ピーニング処理は、超音波ピーニング処理とハンマーピーニングを適宜選択して行った。
超音波ピーニング処理は、振動端子を有する超音波衝撃処理装置を用いて、振動端子の先端部曲率半径を適宜変更して行った。振動端子に付与した超音波は、振動数：２７ｋＨｚ、仕事率：１ｋＷとした。

ハンマーピーニング処理は、最大２４００ＲＰＭのリベットハンマー（エアツール）の先端に取り付ける振動端子の先端部曲率半径を適宜変更して行った。

表２にピーニング処理条件を示す。表２におけるｄ、Ｒ、ｒはそれぞれ振動端子の径、先端部曲率半径、肩部曲率半径を示す。また、ｄ_ｉ、ｄ_ｉ＋１、Ｒ_ｉ、Ｒ_ｉ＋１、ｒ_ｉ、ｒ_ｉ＋１のｉは処理の回数を示し、１以上の自然数である。なお、表１中、オーバラップ疵と二本の折れ込み疵の除去は、目視検査によって確認した。

このようにしてピーニング処理した試験体を疲労試験し評価した。疲労試験は、ピーニング処理した試験体を機械加工して幅７０ｍｍの十字試験体とし、軸力による試験を行った。応力範囲は１５０ＭＰａ、応力比は０．１とした。評価は、破断までの振幅回数を測定して行った。破断までの振幅回数が２５０万回以上を良好とした。評価結果を表２に示す。

表２に示したＮｏ．１〜７、１２、１５〜１７、１９〜２０、２２〜２３の発明例は、本発明のピーニング処理条件を満足しているので、オーバラップ疵、及び折り込み疵が残存しておらず、溶接止端部の疲労寿命を向上させることができていることを確認できた。

また、Ｎｏ．２２の発明例は、２回目のピーニング処理で溶接止端部の曲率半径を４．０ｍｍとしていることから、最も効率よく溶接止端部の疲労寿命を向上させることができることを確認できた。

これに対し、Ｎｏ．８〜１０の比較例は、Ｒ_ｉ＋１がＲ_ｉの２倍を超えているため折れ込み疵が発生し、そのまま試験体中に折れ込み疵が残存し、その結果、疲労寿命が向上しないことを確認できた。

Ｎｏ．１１、１３、１４、１８の比較例は、１回目のピーニング処理に使用した振動端子のＲ_１が３ｍｍを超えていることからオーバラップ疵が残存し、その結果、疲労寿命が向上しないことを確認できた。

Ｎｏ．２１の比較例は、Ｒ_２＝２×Ｒ_１であるものの、Ｒ_３＝２．５×Ｒ_２であることから、３回目のピーニング処理で折れ込み疵が発生し、そのまま試験体中に折れ込み疵が残存し、その結果、疲労寿命が向上しないことを確認できた。

Ｎｏ．２４、２５の比較例は、グラインダー処理であるため、溶接止端部の曲率半径を４．０ｍｍ以上とし、応力集中は緩和できたものの、圧縮残留応力を溶接止端部に導入することができず、その結果、疲労寿命が向上しないことを確認できた。

Ｎｏ．２６の比較例は、溶接止端部にピーニング処理を施さず、Ｎｏ．２７の比較例は、ピーニング処理後の溶接止端部の曲率半径が４．０ｍｍ未満であるため、疲労寿命を向上しないことを確認できた。

これらの実施例により、本発明によれば、溶接止端部に、オーバラップ疵及び折れ込み疵を残存させることなく、溶接止端部の曲率半径を大きくすることによって応力集中を低減でき、その結果、溶接止端部の疲労寿命を十分に向上させることができることを確認できた。

なお、上述したところは、本発明の実施形態を例示したものにすぎず、本発明は、請求の範囲の記載範囲内において種々変更を加えることができる。

例えば、本発明の多重ピーニング処理は、十字継手以外にも、角回し継手、重ね継手等にも適用できる。また、溶接方法についても、炭酸ガス溶接に限られず、被覆アーク溶接で溶接された継手にも適用できる。

上述したように、本発明によれば、多重ピーニング処理を行うことで、溶接止端部に疵を残存させることなく圧縮残留応力を導入することができるため、ピーニング処理装置のみで溶接止端部の疲労寿命を向上させることができる。本発明は、工業上、利用価値の高いものである。

１ 振動端子（１回目のピーニング処理で使用する振動端子）
２ 振動端子（２回目以降のピーニング処理で使用する振動端子）
３ エッジ部
４ 打撃溝（１回目のピーニング処理で形成される打撃溝）
５ 打撃溝（２回目以降のピーニング処理で形成される打撃溝）
ｄ_ｉ ｉ回目に使用する振動端子の径
ｄ_ｉ＋１ （ｉ＋１）回目に使用する振動端子の径
Ｒ_ｉ ｉ回目に使用する振動端子の先端部曲率半径
Ｒ_ｉ＋１ （ｉ＋１）回目に使用する振動端子の先端部曲率半径
ｒ_ｉ ｉ回目に使用する振動端子の肩部曲率半径
ｒ_ｉ＋１ （ｉ＋１）回目に使用する振動端子肩部の曲率半径

Claims (2)

1. 所定の先端部曲率半径を有する振動端子を用いて溶接止端部を溶接止端線に沿って打撃処理するピーニング処理を複数回繰り返す、溶接止端部の多重ピーニング処理方法であって、
   ｉ回目に使用する振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉと、（ｉ＋１）回目に使用する振動端子の先端部曲率半径Ｒ_ｉ＋１とが、下記（Ａ）式を満足し、
   １回目のピーニング処理は、先端部曲率半径Ｒ_１が１〜３ｍｍの振動端子を使用し、溶接止端部に曲率半径がＲ_１の打撃溝を形成するとともに、前記溶接止端線と、前記１回目のピーニング処理により前記曲率半径がＲ_１の打撃溝の中に発生するオーバラップ疵とを除去するまで行い、
   ２回目以降のピーニング処理は、前記先端部曲率半径Ｒ_ｉの振動端子を使用し、溶接止端部に曲率半径がＲ_ｉの打撃溝を形成するとともに、該曲率半径Ｒ_ｉの打撃溝の両脇に発生するエッジ部が、（ｉ＋１）回目のピ−ニング処理により折れ込まれて発生する折れ込み疵を、前記先端部曲率半径Ｒ_ｉ＋１の振動端子で除去するまで行い、
   最終回のピーニング処理は、前記先端部曲率半径Ｒ_ｉ＋１が４．０ｍｍ以上の振動端子を用いて行うことを特徴とする多重ピーニング処理方法。
   Ｒ_ｉ＜Ｒ_ｉ＋１≦２Ｒ_ｉ ・・・（Ａ）
   ここに、ｉ：自然数
2. 前記先端部曲率半径Ｒ_１が１〜２ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の溶接止端部の多重ピーニング方法。

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