JP5418867B1 - ピーニング施工台車 - Google Patents

Abstract

【課題】ピーニング施工の施工能率の大幅な向上と作業者の技量に依存せずに施工品質を向上し、安定化すること。
【解決手段】母材上に板リブを溶接してなる溶接継手部における溶接ビードの止端部付近の母材金属材料表面にピーニング処理を施すためのピーニング施工台車であって、一対の側面部材２と該一対の側面部材を上方で連結する上面部材３とを有し、前記一対の側面部材の間には板リブを収容できる空間が形成されている施工台車本体１と、前記一対の側面部材のそれぞれに配置され、板リブを両側面から押圧することによって施工台車を板リブ２０にクランプするクランプローラ５と、施工台車本体のピーニング施工方向の前面に設けられたチッピングハンマ７と、施工台車本体の下端部に設けられ、母材に回転接触しながら施工台車の荷重を支える走行ローラ４とを備え、前記クランプローラの車軸は母材面に垂直な方向から施工方向に向かって傾いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、繰り返し荷重を受ける橋梁、船舶、海洋構造物等の大型鋼構造物や自動車、建設機械等の機械製品における鋼部材または溶接継手部の疲労性能を改善する方法及び鋼構造物、機械製品の補修・延命化する方法に使用するピーニング施工台車に関する。

橋梁や船舶、海洋構造物などの鋼構造物、自動車などは多くの鋼部材によって構成されているが、近年、鋼構造物や機械部品に加わる応力または熱が繰り返し作用することに起因する金属疲労による破損事故が多数発生している。
特に、橋梁や船舶、海洋構造物などの鋼構造物、自動車などは多くの鋼部材を溶接によって接合することによって構成されているが、近年、鋼構造物や機械部品に加わる応力または熱が繰り返し作用することに起因する金属疲労による破損事故が多数発生している。

これは、橋梁などの鋼構造物の設計においては、大型化とそれに伴う軽量化の目的から使用鋼材の高強度化が進められているが、鋼材本体についてはその疲労強度は引張強さの増加と共に上昇するのに対して、溶接継手部においては鋼材の引張強さが増加しても疲労強度が向上しないため、この溶接継手部で金属疲労が起こることが原因である。
このため、大型溶接構造物が繰り返し荷重を受ける場合には、溶接部の疲労強度に対する安全性を充分に考慮する必要がある。

溶接部の疲労強度は、溶接継手部の形状、残留応力、溶接欠陥などの影響を受ける。
図９は金属板４２に金属板４１を隅肉溶接して溶接ビード４３を形成した状態を示す図である。金属板４２と溶接ビード４３との境界部には溶接ビード止端部４４が形成される。この溶接ビード止端部４４近傍は、溶接時に急激な凝固が起こるために引張残留応力が存在し易い箇所であり、また、金属部材に外力が負荷された際に応力集中が起こり易い箇所でもある。この溶接継手部に繰り返し荷重が作用すると微小な溶接欠陥であっても、それが亀裂や割れにつながる可能性があり、この亀裂や割れは構造物全体の信頼性に重大な影響を及ぼすことになる。
このため、溶接継手部の疲労特性を向上させるために、溶接継手部における引張残留応力を低減するための方法や、応力集中を緩和するための方法として種々の方法が提案されている。

溶接部における引張残留応力を低減する方法としては、溶接止端部をハンマー打撃装置でハンマー打撃処理（ハンマーピーニング）する方法（特許文献１参照）、レーザーピーニングを行う方法（特許文献２参照）、超音波振動子の打撃によってピーニングを行う方法（特許文献３参照）、溶接が完了する室温もしくはその付近でマルテンサイト変態膨張が終了する溶接材料を用いてアーク溶接を行い、溶接金属の変態膨張を利用する方法（特許文献４参照）などがある。また、溶接部の応力集中を緩和する方法としては、溶接ビードを研削する手法（特許文献５参照）、溶接金属の成分調整により溶接止端部半径と接触角度を大きくして応力集中を緩和する手法（特許文献６参照）が提案されている。

溶接後に溶接部の引張残留応力を低減する方法のうち、ピーニングによる方法は操作が簡単であるためコスト的に有力な方法であるが、レーザーピーニングは装置が大きくなるためハンドリング性に劣るという問題があり、超音波振動子によるピーニングは装置が高価であり入手が困難であるという問題がある。
これに対し、ハンマーピーニングは他のピーニング装置に比べるとハンドリング性が良好であり、コスト的にも好ましい方法である。

従来のハンマーピーニングはビード止端部に打撃を加えて圧縮残留応力を導入するものであるが、この操作により圧縮残留応力は導入されるものの、ビード止端部にノッチが混入し、これにより疲労強度が下がっているという報告がある。また，ピーニング後の応力集中箇所が溶接部または母材と溶接部の熱影響を受ける境界部（ＨＡＺ部）など疲労強度が低下する部分であることから、ハンマーピーニングの効果が低減する可能性がある。

これを解決するために、先端に平坦部を有する打撃ツールを用い、溶接ビード止端を打撃することなく、溶接ビード止端近傍の母材表面に対して垂直方向に溶接ビードに沿って連続的に打撃して母材に帯状の打撃痕を形成し、前記溶接継手部の疲労性能を改善することが提案されている（特許文献７参照）。

前記のように溶接部に圧縮残留応力を導入する方法としてハンマーピーニングは好ましい方法である。
しかしながら、ピーニング施工を作業者がハンドツールを用いて行うと、打撃反力や振動が大きいため体力的に大変である。また、施工対象が橋梁や船舶、海洋構造物などの大型鋼構造物であると施工距離が長く、かつ、非常に多くの工数が発生する。
図６は橋梁や高架道路を建設する際に用いられる鋼床版の構造の一例を示したものであり、図７は図６の鋼床版をＢ方向から見た図であり、図８は図６の鋼床版をＣ方向から見た図である。
鋼床版は図６に示すように、母材（デッキプレート）２１の表面に紙面に垂直な方向に連続する板リブ２０が紙面横方向に所定間隔で並設される。鋼床版は、図６に示す状態まで製造工場にて組み上げた後、施工現場に搬送して橋脚上に据え付けるいわゆるプレハブ工法による施工に用いられる。
鋼床版は母材（デッキプレート）に補強用の多数本の板リブが溶接により立設されている構造を有するため、その溶接部の総延長距離は長く、板リブ間が狭いため施工が困難であり、また、工数も多くなる。このような場合、安定した品質（ビード止端離れ、打痕深さ）を確保した施工をするには作業者に相当な熟練度が要求される。更に、ピーニングツールは振動工具であるため、これを使用する作業者は作業時間を制限する必要があり、効率的な施工が行えないという問題があった。
作業者の負担を軽減するために、レール敷設し、レールに沿ってピーニングハンマーを移動させる方法が提案されている（特許文献８）。この場合、ピーニングハンマーに押し付け荷重（数キロから数十キログラム程度）を与えるためにはピーニングハンマーを支持する施工台車はそれ以上にする必要がある。
そして、母材に板リブを溶接した合成床版の場合には、溶接ビードに沿ってレールを敷設して施工した後、次の板リブの溶接ビード部を施工する場ためにレールを移動し敷設する必要があり、しかも、押し付け荷重を与えるために重くしている施工台車を移動するのは容易ではないという問題がある。

特開平４−２１７１７号公報 特開平７−２４６４８３号公報 特開２００４−１３０３１３号 特開平１２−８４６７０号公報 特開昭６１−１８６６１１号公報 特開平４−３６１８７６号公報 特開２０１１−１６７６９３号公報 特開２０１０−２９８９７号公報

本発明はピーニング施工における施工能率の大幅な向上と作業者の技量に依存することなく施工品質を向上し、安定化することを可能にすることを目的とする。

本発明者は、チッピングハンマーを搭載し、板リブをクランプして自走することができる施工台車を用いてピーニング施工を行うことにより上記課題を解決することができることを見出して本発明を完成した。
すなわち、本発明は以下に記載するとおりのピーニング施工台車に係るものである。

（１）母材上に板リブを溶接してなる溶接継手部における溶接ビードの止端部付近の母材金属材料表面にピーニング処理を施すためのピーニング施工台車であって、
一対の側面部材と該一対の側面部材を上方で連結する上面部材とを有し、前記一対の側面部材の間には板リブを収容できる空間が形成されている施工台車本体と、
前記一対の側面部材のそれぞれに配置され、板リブを両側面から押圧することによって施工台車を板リブにクランプするクランプローラと、
施工台車本体のピーニング施工方向の前面に設けられたチッピングハンマーと、
施工台車本体の下端部に設けられ、母材に回転接触しながら施工台車の荷重を支える走行ローラとを備え、
前記クランプローラの車軸は母材面に垂直な方向から施工方向に向かって傾いていることを特徴とするピーニング施工台車。
（２）前記クランプローラの少なくとも一方は板リブ面に対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする（１）に記載のピーニング施工台車。
（３）前記クランプローラの少なくとも一方が駆動装置によって回転駆動可能となっており、ピーニング施工台車が自動走行可能となっていることを特徴とする（１）又は（２）に記載のピーニング施工台車。
（４）前記クランプローラは、前記側面部材の一方に取り付けられ、板リブ面に対して垂直方向に移動可能であるリブ締付けローラと、前記側面部材の他方に取り付けられ、駆動装置によって回転駆動することが可能な走行駆動ローラとからなることを特徴とする（３）に記載のピーニング施工台車。
（５）チッピングハンマーの施工台車本体に対する垂直方向の位置及び／又は水平方向の位置を調整可能にする位置調整手段を備えていることを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載のピーニング施工台車。
（６）板リブ側面に対するチッピングハンマーの角度を調整可能とする角度調整手段を備えていることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載のピーニング施工台車。
（７）前記チッピングハンマーが走行方向に対して左右に一対設けられていることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載のピーニング施工台車。

本発明のピーニング施工台車を用いることにより、施工能率を大幅に向上することができると共に、施工する作業者の技量に依存することなく施工品質を向上し、安定化することができる。

本発明のピーニング施工を実施するピーニング施工台車を示す図である。 施工台車の走行駆動ローラ側の側面図である。 施工台車の板リブ締付けローラ側の側面図である。 施工台車のチッピングハンマー側から見た図である。 本発明のピーニング施工方法を説明する図である。 板リブを補強材として用いた鋼床版の一例を示す図である。 図６に示す鋼床版を図６に示すＢ方向から見た側面図である。 図６に示す鋼床版を図６に示すＣ方向から見た平面図である。 金属板同士を溶接接合した状態を示す図である。

本発明のピーニング施工台車（以下、「施工台車」ともいう）の特徴は、施工台車が板リブを跨いで板リブに取り付けることができ、かつ板リブに沿って移動できる構造を有している点にある。
このため、本発明の施工台車はその構成要素として、少なくとも、施工台車本体と、この施工台車本体に取り付けられる走行ローラと、クランプローラと、チッピングハンマーとを備えている。
以下では、前記の各構成要素について図１に基づいて説明する。

図１において図１（ｂ）は施工台車１の側面図であり、図１（ａ）は施工台車１のＡ−Ａ断面を進行方向側からみた図である。
板リブ２０が溶接母材２１の表面に溶接されており、板リブ２０の下端部には溶接ビード２２が形成されている。
−施工台車本体−
施工台車本体１は、一対の側面部材２、２’と側面部材を上方で連結する上面部材３とからなっている。一対の側面部材の間に側面部材と間隔をおいて板リブ２０が収容できるようになっており、施工台車本体１は板リブを跨ぐようにして配置される。

−走行ローラ
走行ローラ４は施工台車の下端部の４隅に配置され、母材２１に回転接触しながら施工台車の荷重を支える。

−クランプローラ−
クランプローラ５、６は側面部材２、２’のそれぞれにクランプローラ５とクランプローラ６とが対峙するように設けられている。対峙するクランプローラ５、６の少なくとも一方は板リブ面に対して垂直方向に移動可能であり、クランプローラを板リブ面に対して垂直方向に移動させることによってクランプローラ間の間隔が狭まり板リブの側面を両側から押圧する。これによって施工台車が板リブにクランプされる。

クランプローラの車軸は母材２１面に垂直な方向から施工方向に向かってやや前傾している。このようにクランプローラの車軸を傾斜させることにより、施工台車が施工方向に前進する際に下方への押し付け力が発生し、母材方向への押し付け荷重が発生するので施工台車全体の重量を軽くすることができる。
図１に示すクランプローラの車軸の前傾の角度（θ）は１度〜５度であることが好ましく、より好ましくは１度〜３度である。
また、クランプローラの車軸の傾きを逆にすることができるようにすると共に回転方向を逆にすることができるようにすることによってピーニング施工を同じ箇所で反復して行うことも容易となる。

また、クランプローラは以下に記載するリブ締付けローラと走行駆動ローラとの対によって構成することもできる。
〈リブ締付けローラ〉
リブ締め付けローラ５は、一対の側面部材２、２’の一方の側面部材に取り付けられており、板リブ面に対して垂直方向に移動可能であり、他方の側面部材に取り付けられた走行駆動ローラを板リブ面に押し付ける作用を有しており、リブ締付けローラと走行駆動ローラとが協同して板リブを水平方向に挟むことにより水平方向の位置決めと施工台車の重さだけでは不足する押し付け荷重を発生させる。

〈走行駆動ローラ〉
走行駆動ローラ６は、リブ締付けローラ５が板リブ面に対して垂直方向に移動することによって板リブ面に押し付けられ、駆動装置によって回転駆動して施工台車を施工方向に進ませる。

−チッピングハンマー−
チッピングハンマー７はクランプ装置８によって施工台車本体の前面に取り付けられ、溶接ビード止端部近傍の母材２１を打撃してピーニングを行う。
チッピングハンマー７は施工方向から見た打撃角度、打撃位置（上下、左右）を調節できる機構を介して施工台車本体１に取り付けられる。
また、チッピングハンマー７とこれを把持するクランプ装置８との間にはチッピングハンマー７からの反動を和らげる反動緩和機構９を付加してもよい

施工台車を上記のような構成とすることにより、施工台車にチッピングハンマーや施工台車の駆動装置等の機器を取り付けた状態で、押し付け荷重が不足した状態であっても母材に有効な打撃を加えることができる。すなわち、施工台車がリブ締付けローラ５と走行駆動ローラ６とによって板リブ２０にクランプされた状態となっているため、チッピングハンマー７によって母材２１に打撃を加えても打撃の反力によっても施工台車は動くことがないので、母材２１に有効に衝撃を付与することができる。
また、本発明の施工台車は、リブ締付けローラ５と走行駆動ローラ６とがクランプとしての機能を有しており、施工台車を板リブにクランプして自走することができるため、施工用のレールを別途用意する必要がない。

リブ締付けローラ５及び走行駆動ローラ６は一対を設けても良いが、二対以上設ける方が、より安定してピーニング施工をおこなうことができる。
また、上記ではローラ５をリブ締付けローラとし、ローラ６を走行駆動ローラとして説明したがローラ６をリブ締付けローラとし、ローラ５を走行駆動ローラとしてもよい。
また、走行駆動ローラ６は走行駆動モータによって駆動させても良いが、走行駆動モータを設ける代わりに施工台車本体に本体走行用ハンドルを設けて、このハンドルによって作業者が手動で施工台車を走行させるようにしても良い。

クランプローラとして機能するリブ締付けローラ５及び走行駆動ローラ６のローラ車軸１０は母材２１面に垂直な方向から施工方向に向かってやや傾いている。これにより施工台車が施工方向に前進する際に下方への押し付け力が発生し、母材方向への押し付け荷重が発生するので施工台車全体の重量を軽くすることができる。
また、走行駆動ローラ車軸とリブ締付用ローラ車軸の傾きを逆にするとともに、走行駆動ローラの回転方向を逆にしてもよく、これによりピーニング施工を同じ箇所に反復して施工することも容易となる。

板リブ２０を挟んで一対のチッピングハンマー７を取り付けることにより、板リブ２０両側の溶接ビード止端部近傍の母材２１に対して同時にピーニング施工をすることができる。

［実施形態１］
実施形態１を図２〜４に基づいて更に詳細に説明する。
図２は施工台車の走行駆動ローラ側の側面図である。
側面からは外観上は走行駆動ローラは見えないが、図２では側面部材を透明なものとして内部の機構が見えるように示している。
施工台車本体の頂部には把手２３が設けられている。施工開始時には作業者がこの把手２３を持って施工台車の側面部材が板リブを挟み込むように位置決めする。
施工台車の側面部材には一対の走行駆動ローラ６が取り付けられており、この走行駆動ローラ６は走行駆動モーター２５によって駆動される。チッピングハンマー７は施工台車の進行方向（施工方向）前面に取り付けられており、チッピングハンマー上下移動用ハンドル２４によってその垂直位置が調整可能となっている。
走行ローラ４は施工台車の下端部の４隅に配置されており、母材２１に回転接触しながら施工台車の荷重を支える。

図３は施工台車のリブ締付けローラ側の側面図である。
側面からは外観上はリブ締付けローラは見えないが、図２では側面部材を透明なものとして内部の機構が見えるように示している。
施工台車の側面部材には一対のリブ締付けローラ５が取り付けられている。この一対のリブ締付けローラ５は走行駆動ローラ６と対峙する位置に設けられている。リブ締め付けローラ加圧ハンドル２６を回転することによってリブ締付けローラ５はリブ方向に水平移動させられ、その結果、板リブ締付けローラ５と走行駆動ローラ６との間隔が狭められて板リブを両側面から押圧する状態となり、施工台車がリブ締付けローラ５と走行駆動ローラ６とによって施工台車を板リブにクランプする。施工台車の後面部には電源コネクタ２７が設けられており、チッピングハンマー及び走行駆動モータ駆動用の電力の供給を受ける。

図４は施工台車のチッピングハンマー側から見た図である。
チッピングハンマー７は一対設けられており（片方は図示していない）、板リブ２０の両側の溶接部の近傍の母材を同時に打撃することが可能である。チッピングハンマー７はチッピングハンマー上下移動用ハンドル２４によって垂直位置を調整され、チッピングハンマー左右移動用ハンドル３０によって水平方向位置を調整され、また、チッピングハンマー角度調整プレート３１によって母材に対する角度を調整される。チッピングハンマー７を図示のように傾けることにより、チッピングハンマー本体が立体的障害となることなく、板リブ基部の溶接ビードにより近い母材部分を打撃することが可能となる。

［実施形態２］
実施形態２を図５に基づいて説明する。
実施形態１ではリブ締め付けローラと走行駆動ローラとの組み合わせに代えてワーク締め付け用ローラ３４をクランプ用ローラとして用いる。
実施形態２ではクランプ用ローラとして、側面部材のそれぞれに取り付けられたワーク締め付け用ローラ３４を用いる。ワーク締め付け用ローラ３４はワーク締め付け用ローラ用ハンドル３５を操作することによって一方の側面部材に取り付けられたワーク締め付け用ローラ３４と他方の側面部材に取り付けられたワーク締め付け用ローラ３４との間隔を狭めることにより板リブを両側から押し付けて施工台車を板リブにクランプする。
また、施工台車には走行駆動モータが取り付けられておらず自走式ではないため、作業者が本体走行用ハンドル３２によって人力で移動させる。

本発明のピーニング施工台車は、施工能率の大幅な向上と作業者の技量に依存することなく施工品質を向上し、安定化することが可能であるため、板リブを溶接してなる橋梁、船舶、海洋構造物等の大型鋼構造物や自動車、建設機械等の機械製品の補修・延命化に好適である。

１ 施工台車本体
２、２’側面部材
３ 上面部材
４ 走行ローラ
５ リブ締め付けローラ
６ 走行駆動ローラ
７ チッピングハンマー
８ クランプ装置
９ 反動緩和機構
１０ ローラ車軸
１１ 打撃痕
２０ リブ
２１ 母材
２２ 溶接ビード
２３ 把手
２４ チッピングハンマー上下移動用ハンドル
２５ 走行駆動モーター
２６ リブ締め付けローラ加圧ハンドル
２７ 電源コネクタ
３０ チッピングハンマー左右移動用ハンドル
３１ チッピングハンマー角度調整プレート
３２ 本体走行用ハンドル
３３ 本体走行用ハンドル上下位置固定ネジ部
３４ ワーク締め付け用ローラ
３５ ワーク締め付け用ローラ用ハンドル
４１、４２ 金属板
４３ 溶接ビード
４４ 溶接ビード止端部
Ａ 本体走行方向
θ クランプローラの車軸の傾斜の角度

Claims (7)

1. 母材上に板リブを溶接してなる溶接継手部における溶接ビードの止端部付近の母材金属材料表面にピーニング処理を施すためのピーニング施工台車であって、
   一対の側面部材と該一対の側面部材を上方で連結する上面部材とを有し、前記一対の側面部材の間には板リブを収容できる空間が形成されている施工台車本体と、
   前記一対の側面部材のそれぞれに配置され、板リブを両側面から押圧することによって施工台車を板リブにクランプするクランプローラと、
   施工台車本体のピーニング施工方向の前面に設けられたチッピングハンマーと、
   施工台車本体の下端部に設けられ、母材に回転接触しながら施工台車の荷重を支える走行ローラとを備え、
   前記クランプローラの車軸は母材面に垂直な方向から施工方向に向かって傾いていることを特徴とするピーニング施工台車。
2. 前記クランプローラの少なくとも一方は板リブ面に対して垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のピーニング施工台車。
3. 前記クランプローラの少なくとも一方が駆動装置によって回転駆動可能となっており、ピーニング施工台車が自動走行可能となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のピーニング施工台車。
4. 前記クランプローラは、前記側面部材の一方に取り付けられ、板リブ面に対して垂直方向に移動可能であるリブ締付けローラと、前記側面部材の他方に取り付けられ、駆動装置によって回転駆動することが可能な走行駆動ローラとからなることを特徴とする請求項３に記載のピーニング施工台車。
5. チッピングハンマーの施工台車本体に対する垂直方向の位置及び／又は水平方向の位置を調整可能にする位置調整手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のピーニング施工台車。
6. 板リブ側面に対するチッピングハンマーの角度を調整可能とする角度調整手段を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のピーニング施工台車。
7. 前記チッピングハンマーが走行方向に対して左右に一対設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のピーニング施工台車。

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