JP6017938B2 - 溶接構造物の疲労損傷抑制方法および打撃痕形成用工具 - Google Patents

Description

本発明は、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生するのを抑制する方法と打撃痕形成用工具に関する。

近年、鋼橋の老朽化に伴い腐食や疲労に伴う損傷事例の報告が増加している。これらの防止には、まず検査体制を確立することが必要であるが、特に疲労損傷の場合は、通過車両などの作用外力を軽減したり、設計製作の面から溶接品質を向上させたりすることが重要である。
鋼橋などの溶接構造物では、割れなどの欠陥が溶接部に生じたり、溶接ビードの形状が不適で応力集中が溶接ビードの止端部に発生したりすると、繰り返し応力による影響と溶接残留応力の影響が重畳して疲労き裂が溶接部に発生しやすくなり、疲労破壊をもたらす場合がある。

このような疲労破壊を抑制するため、特許文献１〜３には、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力を導入して溶接部の疲労強度を向上させる方法が記載されている。しかしながら、特許文献１に記載の方法は、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力を導入する手段として、チップを超音波振動させて溶接ビードの止端部に特定寸法の溝を加工する装置を用いるため、従来の空気圧でチップを駆動する装置と比較すると高価で入手も困難という問題点がある。

また、特許文献２に記載の方法は、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力をレーザ衝撃ピーニングにより導入する方法であるため、素材の前処理が必要で、且つ装置が高価で大きく、鋼橋などの大形溶接構造物に適用することが難しいという問題点がある。
特許文献３に記載の方法は、溶接ビードの止端部に圧縮残留応力をハンマーピーニングにより導入する方法であるが、先端の曲率半径が２〜１０ｍｍの打撃ピンを母材表面に溶接金属に触れないように押し当てて圧縮残留応力を導入する方法であるため、圧縮残留応力を導入することが難しいという問題点がある。

なお、非特許文献１には、ハンマーピーニングを施すと疲労強度が低下する場合があるため、溶接止端の応力集中や残留応力を低減させる新たなハンマーピーニング法について検討した結果が記載されているが、ハンマーピーニングは、通常、作業者がピーニング工具を工具先端が溶接ビードの止端部に斜め上方から当たるように持って行われる。このため、図２に示すように、母材１の表面上にリブ２が直立した状態で溶接された面外ガセット継手にハンマーピーニングを施した場合、溶接ビード３の止端４に応力集中となる深い溝が形成され、溶接ビード３の止端４の近傍から疲労き裂が発生するおそれがある。

特開２００６−１７５５１２号公報 特開２００６−１５９２９０号公報 特開２０１０−２９８９７号公報

ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ ＦＡＴＩＧＵＥ ＳＴＲＥＮＧＴＨ ＯＦ ＷＥＬＤ ＪＯＩＮＴＳ ＢＹ ＨＡＭＭＥＲ ＰＥＥＮＩＮＧ ＴＩＧ−ＤＲＥＳＩＮＧ：Ｋｅｎｇｏ ＡＮＡＭＩ、Ｃｈｉｔｏｓｈｉ ＭＩＫＩ、Ｈｉｄｅｋｉ ＴＡＮＩ、Ｈａｒｕｈｉｔｏ ＹＡＭＡＭＯＴＯ，Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ Ｅｎｇ．／Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇ．、ＪＳＣＥ、ＶｏＬ．７、Ｎｏ．１、５７ｓ−６８ｓ、２０００ Ａｐｒｉｌ

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生することを確実に抑制することのできる溶接構造物の疲労損傷抑制方法と打撃痕形成用工具を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接構造物の溶接部に疲労損傷が発生するのを抑制する方法であって、前記溶接部の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成する打撃痕形成用工具として、前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿う幅と前記溶接ビードに沿う長さが３ｍｍ以上６ｍｍ以下、かつ全体形状が円形に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に有するとともに、前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する面取り部を有する打撃痕形成用工具を用い、該打撃痕形成用工具により最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕を前記溶接ビードに沿って連続的に形成して前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする。
なお、円形で形成された打撃痕形成面の円形の定義として、長径／短径の比が、１〜１．１であれば、略円形として使用できる。長径の向きは、溶接線に対して特に規定しない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法において、前記打撃痕形成用工具として、前記打撃痕形成面に向けて円錐状に形成された打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法において、前記溶接ビードの止端と前記打撃痕との間隔が５ｍｍ以下となるように前記打撃痕形成用工具により最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕を前記溶接ビードに沿って連続的に形成することを特徴とする。

請求項４の発明は、溶接構造物の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成するときに用いられる打撃痕形成用工具であって、前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿う幅と前記溶接ビードに沿う長さが３ｍｍ以上６ｍｍ以下、かつ全体形状が円形に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に有するとともに、前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する面取り部を有することを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項４に記載の打撃痕形成用工具において、前記打撃痕形成面に向けて円錐状に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、溶接ビードの止端近傍に３００ＭＰａを越える圧縮残留応力を導入することが可能となるので、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生することを確実に抑制することができる。

本発明を実施するときに用いられる打撃痕形成用工具の一例を示し、（ａ）は打撃痕形成用工具の斜視図、（ｂ）は打撃痕形成用工具の側面図、（ｃ）は打撃痕形成用工具の正面図、（ｄ）は打撃痕形成用工具の打撃痕形成面を示す図である。 図１に示す打撃痕形成用工具により母材の表面に形成された打撃痕を示す図である。 鋼板の表面上にリブが直立した状態で溶接された溶接部を示す図である。 円形をなす球面状の打撃痕形成面が先端に形成された打撃痕形成用工具を示す図である。 正方形をなす平面状の打撃痕形成面が先端に形成された打撃痕形成用工具を示す図である。 打撃痕形成面の形状が矩形の打撃痕形成用工具を用いて母材表面に打撃痕を形成した場合と打撃痕形成面の形状が円形の打撃痕形成用工具を用いて母材表面に打撃痕を形成した場合とを比較して示す図である。

図１〜図６は本発明に係る溶接構造物の疲労損傷抑制方法と打撃痕形成用工具を説明するための図であり、本発明を実施するときに用いられる打撃痕形成用工具６（図１参照）は、ＳＭ５７０等の高強度鋼から形成されているとともに、溶接ビード３（図２参照）と隣接する母材１の表面に打撃痕５を形成するための打撃痕形成面７を有している。この打撃痕形成面７は、溶接ビード３を直角に横切る方向（図１のＸ方向）に沿う幅Ｂと溶接ビード３に沿う方向（図１のＹ方向）の長さＬが３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の寸法で打撃痕形成用工具６の先端に平面状に形成され、かつ全体形状が３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の直径Ｄで円形に形成されている。

また、打撃痕形成用工具６は打撃痕形成面７に向けて円錐状に形成されているとともに、０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径ｒ_Ｏで円弧状に湾曲する面取り部８を打撃痕形成面７の周囲に有している。
このような打撃痕形成用工具６を用いて本発明を実施する場合は、打撃痕形成面７が溶接ビード３の止端４と隣接するように打撃痕形成用工具６の位置を調整した後、打撃痕形成用工具６の打撃痕形成面７を母材１の表面に押し当て、溶接ビード３と隣接する母材１の表面に最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５を溶接ビード３の止端４と打撃痕５との間隔が５ｍｍ以下となるようにハンマー衝撃ピーニング法あるいは超音波衝撃ピーニング法により形成する。

次に、打撃痕形成用工具６の打撃痕形成面７を母材１の表面から引き離した後、打撃痕形成用工具６を溶接ビード３に沿って所定距離だけ移動させる。そして、再び打撃痕形成用工具６の打撃痕形成面７を母材１の表面に押し当て、母材１の表面に複数の打撃痕５を溶接ビード３に沿って連続的に形成する。
ここで、打撃痕５の最大深さが０．０３ｍｍ未満では止端４の近傍に十分な圧縮残留応力が導入されず、０．０５ｍｍを超えると負荷がかかった際に局部的に応力が集中し、疲労寿命低減の要因となるため、打撃痕５の最大深さを０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満とした。

また、止端４と打撃痕５との間隔が５ｍｍを超えると、止端４の近傍へ十分な圧縮残留応力の導入ができなくなり、止端４の近傍は引張側の圧縮残留応力となるため、止端４と打撃痕５との間隔を５ｍｍ以下とした。
また、溶接ビード３を直角に横切る方向に沿う打撃痕形成面７の幅Ｂと溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さＬを３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下、つまり打撃痕形成面７の直径Ｄを３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とした理由は以下の理由からである。すなわち打撃痕形成面７の直径Ｄが３．０ｍｍ未満では、打撃痕５の深さや幅にばらつきが生じやすくなり、安定した形状の打撃痕５を得ることが困難となる。また、打撃痕形成面７の直径Ｄが６．０ｍｍを超えると打撃痕形成面７の面積が大きくなり過ぎ、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となるため、打撃痕形成面７の直径Ｄを３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とした。

また、面取り部８の曲率半径ｒ_Ｏを０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下とした理由は以下の理由からである。すなわち面取り部８の曲率半径ｒ_Ｏが０．１５ｍｍ未満では、打撃痕５の周囲に応力集中が発生しやすくなり、疲労き裂の発生原因となる。また、面取り部８の曲率半径ｒ_Ｏが０．３０ｍｍを超えると母材１の表面に接触する打撃痕形成面７の接触面積が大きくなり過ぎ、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となるため、面取り部８の曲率半径ｒ_Ｏを０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下とした。

本発明者らは、図３に示す溶接継手を溶接電流：２８０Ａ、溶接電圧：３２Ｖ、溶接速度：２８ｃｐｍの溶接条件にて試験片として作製し、作製した溶接継手を用いて圧縮残留応力の導入試験を表１に示す条件で行った。

表１の実施例１〜４は、溶接ビード３と隣接する母材１の表面に最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５を打撃痕形成面７の直径Ｄが３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍの打撃痕形成用工具６により溶接ビード３に沿って連続的に形成した場合を示している。
また、表１の実施例５〜８は、溶接ビード３と隣接する母材１の表面に最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５を打撃痕形成面７の直径Ｄが３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、面取り部８の曲率半径ｒ_Ｏが０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．３０ｍｍの打撃痕形成用工具６により溶接ビード３に沿って連続的に形成した形成した場合を示している。

一方、表１の比較例１〜３は図４に示す打撃痕形成用工具１０の先端に円形（直径Ｄ：２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ）の打撃痕形成面１１が球面状（曲率半径ｒ：１．５ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ）に形成されたものを用いて打撃痕５を溶接ビード３と隣接する母材１の表面に形成した場合を示し、比較例４、５は図５に示す打撃痕形成用工具１２の先端に正方形（1辺の長さＬ：３ｍｍ、５ｍｍ）の打撃痕形成面１３が平面状に形成されたものを用いて打撃痕５を溶接ビード３と隣接する母材１の表面に形成した場合を示している。
なお、表１のＲａは打撃痕５の最大深さ（ｍｍ）を示し、実施例１〜８及び比較例１〜５では打撃痕形成用工具によるハンマーピーニングを空気圧：約６ｋｇ／ｃｍ^２、周波数：９０Ｈｚ、移動速度：０．２５ｍｍ／秒の条件で行った。

表１の残留応力は母材１の表面に形成された打撃痕５から１ｍｍ離れた位置に直径１ｍｍのＸ線を照射して残留応力を測定した結果を示している。
実施例１〜８と比較例１〜５を比較すると、比較例１〜５では打撃痕５により溶接ビード３の止端４の近傍に導入される圧縮残留応力が２３０ＭＰａ〜２７０ＭＰａであるのに対し、実施例１〜８では打撃痕５により溶接ビード３の止端４の近傍に導入される圧縮残留応力が３００ＭＰａ〜３３０ＭＰａとなることがわかる。

したがって、実施例１〜８のように、溶接ビード３と隣接する母材表面に打撃痕５をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成する打撃痕形成用工具として、溶接ビード３を直角に横切る方向に沿う幅と溶接ビード３に沿う長さが３ｍｍ以上６ｍｍ以下、かつ全体形状が円形に形成された平面状の打撃痕形成面７を先端に有する打撃痕形成用工具６を用い、この打撃痕形成用工具６により最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５を溶接ビード３に沿って連続的に形成することで、溶接ビード３の止端４の近傍に３００ＭＰａを超える圧縮残留応力を導入することが可能となるので、鋼橋などの溶接構造物の溶接部に疲労き裂などの疲労損傷が発生することを確実に抑制することができる。

また、実施例１〜８のように、打撃痕形成面７に向けて円錐状に形成された打撃痕形成用工具６を用いることで、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５を溶接ビード３と隣接する母材１の表面に比較的小さな打撃力で形成することができ、これにより、溶接ビード３の止端４の近傍に圧縮残留応力を容易に導入することができる。
さらに、実施例５〜８のように、打撃痕形成面７の周囲に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する面取り部８を有する打撃痕形成用工具６を用いることで、打撃痕５の周囲に応力集中が発生することを防止することができる。

なお、打撃痕形成面の形状が矩形（３×４ｍｍ）の打撃痕形成用工具を用いて母材表面に打撃痕を形成した場合は、図６（ｂ）に示すように、溶接止端の線と打撃痕の端線との間に隙間が発生した。これに対し、打撃痕形成面の形状が円形（直径：３．０ｍｍ）で平面状の打撃痕形成用工具を用いて母材表面に打撃痕を形成した場合は、図６（ａ）に示すように、溶接止端の線と打撃痕の端線との間に隙間は見られず、溶接止端の線と打撃痕の端線との間に隙間を発生させることなく打撃痕を形成できることを確認できた。

１…母材
２…リブ
３…溶接ビード
４…止端
５…打撃痕
６，１０，１２…打撃痕形成用工具
７，１１，１３…打撃痕形成面
８…面取り部

Claims (5)

1. 溶接構造物の溶接部に疲労損傷が発生するのを抑制する方法であって、
   前記溶接部の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成する打撃痕形成用工具として、前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿う幅と前記溶接ビードに沿う長さが３ｍｍ以上６ｍｍ以下、かつ全体形状が円形に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に有するとともに、前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する面取り部を有する打撃痕形成用工具を用い、
   該打撃痕形成用工具により最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕を前記溶接ビードに沿って連続的に形成して前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする溶接構造物の疲労損傷抑制方法。
2. 前記打撃痕形成用工具として、前記打撃痕形成面に向けて円錐状に形成された打撃痕形成用工具を用いて前記溶接部の疲労損傷を抑制することを特徴とする請求項１に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法。
3. 前記溶接ビードの止端と前記打撃痕との間隔が５ｍｍ以下となるように前記打撃痕形成用工具により最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕を前記溶接ビードに沿って連続的に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の溶接構造物の疲労損傷抑制方法。
4. 溶接構造物の溶接ビードと隣接する母材表面に打撃痕をハンマーピーニングまたは超音波衝撃ピーニングによって形成するときに用いられる打撃痕形成用工具であって、
   前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿う幅と前記溶接ビードに沿う長さが３ｍｍ以上６ｍｍ以下、かつ全体形状が円形に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に有するとともに、前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲する面取り部を有することを特徴とする打撃痕形成用工具。
5. 前記打撃痕形成面に向けて円錐状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の打撃痕形成用工具。