JP6042074B2 - 超音波衝撃処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接部を有する鋼構造物、例えば、自動車、家電・重電分野などの部品等に利用される溶接止端部の疲労強度向上する技術に関し、特に、疲労特性を向上するための超音波衝撃処理に関する。

溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に繰返し加重が作用すると、疲労き裂が発生して破壊に至ることがある。このような溶接止端部の疲労破壊が問題となっている。この問題を克服する方法の一つとして、溶接部等の疲労強度向上を目的とした超音波衝撃処理が近年開発された。
例えば、超音波衝撃処理を溶接部および機械加工穴に適用することにより疲労強度を向上させる方法が特許文献１に開示されている。また、突合せ溶接継手の溶接止端部近傍を超音波打撃処理することにより突合せ溶接継手の疲労強度を向上する方法が、本発明者らによる特許文献２に開示されている。

超音波衝撃処理とは、超音波発生機から発生した数十KHzの超音波振動をピン等の工具を介して対象物に押し当てて、塑性変形により表面形状を改善しつつ、同時に表面近傍の残留応力の改善を行う処理である。
しかし、溶接止端部に超音波衝撃処理を施した溶接構造物において、溶接止端部に繰返し作用する荷重が小さい場合には、超音波衝撃処理により大きな疲労強度向上効果が得られるものの、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合には、超音波衝撃処理による疲労強度の向上効果が十分ではないケースがあった。

米国特許第６３３８７６５号明細書 特開２０１０−１４２８７０号公報

上記従来技術の現状を鑑みて、本発明は、鋼構造物の溶接止端部を超音波衝撃処理するに際し、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合においても、溶接止端部の疲労特性を向上させることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明者らは、繰返し作用する荷重が大きいような溶接止端部の場合には、超音波衝撃処理を行うことによる疲労強度の向上効果が十分には得られないことの原因を鋭意検討し、次のようなことを突き止めた。

溶接止端部には、溶接によって生じた溶接止端部の表面から内部に及ぶ引張残留応力が存在している。その状態の溶接止端部に超音波衝撃処理を行うと、溶接止端部の表面は圧縮の残留応力に変化するものの、内部は超音波衝撃処理前よりも高い引張残留応力に変化する。その時、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合には、内部から降伏が生じる。生じた内部からの降伏が、改善した表面の圧縮の残留応力の絶対値を小さく変化させ、また場合によっては引張残応力に変化させるため、溶接止端部の疲労特性が十分に向上しない原因となることを突き止めた。

さらに、溶接止端部に超音波衝撃処理する前に、溶接部に焼鈍を行うことにより、超音波衝撃処理後の内部に存在した非常に大きな引張残留応力を低減し、超音波衝撃処理後に最終的に内部に生じる引張応力の絶対値を小さくすることができ、そのような溶接止端部では、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合にも、内部からの降伏による表面の残留応力変化が生じないことにより、溶接止端部の疲労強度を著しく向上することができることを突き止めた。

その結果なされた本発明は、以下の通りである。
（１）溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に超音波衝撃処理を施して該溶接止端部の疲労強度を向上する超音波衝撃処理方法であって、前記構造物の溶接止端部を、超音波衝撃処理を施す前に焼鈍する工程と、
前記焼鈍後の前記溶接止端部を超音波衝撃処理する工程とからなることを特徴とする溶接止端部の超音波衝撃処理方法。

本発明によれば、溶接部を有する鋼構造物において、溶接止端部に超音波衝撃処理を行う前に焼鈍を行うことにより、超音波衝撃処理後の溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合の溶接止端部の疲労強度を著しく向上することができる。

溶接止端部における表面からの深さ方向の超音波衝撃処理前後におけるそれぞれの残留応力分布を示す図である。 溶接止端部に溶接後そのまま超音波衝撃処理した場合と、溶接後焼鈍した後に超音波衝撃処理した場合における、溶接止端部の表面からの深さ方向のそれぞれの残留応力分布を示す図である。 十字溶接継手の各種試験条件における疲労試験による寿命評価結果を示す図である。

本発明者らは、溶接後、溶接止端部に超音波衝撃処理を施したにもかかわらず、処理後の溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きいために、溶接止端部の疲労強度が十分に改善しない場合について、次のような実験を行って溶接止端部の表面から内部の応力状態を詳細に調査し、溶接止端部の疲労強度が十分に改善しない理由を検討した。

板厚１６ｍｍの溶接用圧延鋼板ＳＭ４９０を供試材とし、これらの鋼板を溶接した十字溶接継手について溶接止端部への超音波衝撃処理の有りの試験体と無しの試験体をそれぞれ用意し、それぞれの試験体について溶接止端部に繰返し作用する荷重を掛けて疲労試験を行った。溶接継手の疲労特性は、溶接止端部にき裂が生じるまで加えた荷重の繰り返し回数を判定することにより実施した。そして、中性子回折法を用いて表面から内部の応力状態を測定した。

超音波衝撃処理有りと無しの試験体について、溶接止端部の表面からの深さに対するそれぞれの応力分布を図１に示す。
図１において、横軸は溶接止端部における表面からの深さDepth［ｍｍ］、縦軸は疲労強度を考える上で重要となる溶接に沿った方向に垂直な方向の残留応力σＴ［ＭＰａ］、×は超音波衝撃処理（ＵＴＩ処理）無しの残留応力分布、●は超音波衝撃処理有りの残留応力分布を示す。なお、図１の縦軸の応力において、マイナスは圧縮残留応力、プラスは引張残留応力を示す。
図１より、深さ３ｍｍ〜８ｍｍにおいては、溶接ままの溶接継手よりも溶接後に超音波衝撃処理した溶接継手の方が、溶接止端部の内部の引張残留応力が高くなっていることを見出した。

このように、溶接止端部への超音波衝撃処理によりかえって内部の引張残留応力が高くなることが、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合に溶接止端の疲労強度が十分に改善しない原因であるとの結論に達した。

そこで、さらに、超音波衝撃処理を行っても内部の引張残留応力が高くならないようにする方法について、さらに実験を行って検討した。
その結果、溶接後に溶接継手を焼鈍し、その後に溶接継手の溶接端部を超音波衝撃処理すると、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合でも、超音波衝撃処理後の溶接継手の方が、溶接ままの溶接継手よりも溶接止端部の疲労強度が大きく改善することを見出した。

前記図１を求めた実験と同様に作成した十字継手に対し、溶接止端部への超音波衝撃処理を焼鈍後に施した試験体と、焼鈍無しでそのまま超音波衝撃処理した試験体をそれぞれ用意し、それぞれの試験体について溶接止端部に繰返し作用する荷重を掛けて同様に疲労試験を行い、表面から内部の応力状態を測定した。

超音波衝撃処理前の焼鈍有りと無しの試験体について、溶接止端部の表面からの深さに対するそれぞれの応力分布を、図２に示す。
図２において、●は溶接後焼鈍無しで超音波衝撃を行った際の応力分布、○は溶接後焼鈍を行い、その後に超音波衝撃処理を行った際の応力分布を示している。その他の表示は、図１と同様である。

図２から、溶接後に焼鈍し、その後に超音波衝撃処理すると、溶接ままの溶接継手を超音波衝撃処理した溶接継手において見られた、溶接止端部の内部の引張残留応力が高くなる現象が生じなかったことがわかる。これは、溶接後に焼鈍することにより、溶接によって生じた残留応力分布が解消したことによるものと思われる。

以上のように、本発明に基づいて、溶接部の溶接止端部を焼鈍し、焼鈍後の溶接止端部に超音波衝撃処理を施すことにより、溶接構造物の溶接部が繰返し作用する荷重が大きい個所に位置する場合でも、溶接止端部の疲労強度を著しく向上することができるようになるが、その際の超音波衝撃処理や焼鈍の好ましい条件について、さらに説明する。

超音波衝撃処理により溶接止端部の疲労強度を著しく向上するには、止端部内部の残留応力を改善する必要がある。また、溶接止端部において溶接ビードと母材との境界に形成されている谷線が、超音波衝撃処理による処理溝の形成によって消えた状態にすることが好ましい。このため、超音波衝撃処理をする止端部の範囲は、溶接ビードと母材との境界の谷線に対して溶接金属側０ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲で、母材側０ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲が好ましい。

超音波衝撃処理の打撃条件としては、特に制限されるものではなく、一例として、後述の実施例で採用している、共振周波数２７ｋＨｚ、振幅３０μｍ、ピン直径φ５ｍｍ、ピン先端曲率半径３．０ｍｍ、処理速度は３０ｃｍ／分が例示できる。

超音波衝撃処理前の溶接止端部の焼鈍は、溶接によって生じた残留応力分布が解消するのに必要な条件として、加熱温度５００〜７５０℃で、加熱時間３０〜１８０分の範囲が好ましい。
加熱方法は、特に限定されるものではないが、特に大規模な設備を必要としない方法が好ましく、ガスバーナによる加熱、誘導加熱などの手段が採用できる。

十字溶接継手を下記鋼材にて作製し、各種条件での同継手材の疲労試験による寿命評価を行い、本発明の効果を検証した。
鋼材として、５０ｋ鋼（ＳＭ４９０、引張強さＴＳ＝５３１MPa）を用い、板厚１６ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ７００ｍｍの板の中央両面に、同材からなる板厚１６ｍｍ×幅１００ｍｍ×高さ４０ｍｍの縦板を荷重非伝達十字継手形状に配置し、ＳＭＡＷ：被覆アーク溶接（５０ｋ鋼用溶材ＪＩＳ Ｚ ３２１１ Ｄ４３１６）もしくはＦＣＡＷ：フラックス入りアーク溶接（５０ｋ鋼用ＪＩＳ Ｚ ３３１３ ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ）、シールドガス：炭酸ガス、予熱なし、入熱１５〜２０ｋＪ／ｃｍ^２の条件にて脚長７ｍｍにて隅肉溶接し十字溶接継手を作製し、供試体とした。

溶接後の供試体について、溶接止端部に超音波衝撃処理を施したが、その条件は、共振周波数２７ｋＨｚ、振幅３０μｍ、ピン直径φ５ｍｍ、ピン先端曲率半径３．０ｍｍ、処理速度は３０ｃｍ／分とし、溶接止端部の谷線が処理溝の形成により完全に消えていることを確認した。

疲労試験は、軸力の引張−引張の試験とし、応力範囲ΔＳ＝80〜280ＭＰａ、応力比Ｒ＝０．１、周波数１０Ｈｚの条件にて試験体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎを評価した。試験体を１２枚用意し、うち７枚は溶接ままとし、２枚は溶接後焼鈍を行い、４枚を超音波衝撃処理した。超音波衝撃処理した試験体のうち１枚の試験体は超音波衝撃処理する前に焼鈍した。焼鈍条件は、700℃で１時間である。

疲労試験体作製条件、疲労寿命を表１に、疲労試験結果を図３に示す。図３において、横軸は試験体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎ、縦軸は疲労試験における応力範囲ΔＳを示す。

試験Ｎｏ１〜７に溶接ままの応力比Ｒ＝0.1での疲労試験結果（比較例1〜７）を図３に□で、また、繰返し寿命回数Ｎと応力範囲ΔＳの値を表１に示す。応力範囲ΔＳが小さければ繰返し寿命回数Ｎが大きく、ΔＳが大きくなるとＮが小さくなるという傾向が得られている。

試験Ｎｏ８〜１０に溶接後超音波衝撃処理をした場合の応力比Ｒ＝0.1での疲労試験結果（比較例８〜１０）を図３に◆で、またその値を表１に示す。
応力比Ｒ＝0.1では溶接後超音波衝撃処理をした場合、応力範囲ΔＳがそれぞれ220MPa，250MPaであるＮｏ８，Ｎｏ９（比較例８，９）では繰返し寿命回数Ｎがそれぞれ２３０４９５回，１６７９１８３回であり、超音波衝撃処理をしていない場合で疲労試験条件が同じＮｏ５，Ｎｏ６（それぞれ、応力範囲ΔＳが２２０ＭＰａ，２５０ＭＰａ；繰返し寿命回数Ｎが９３２８９回，６５８５１回）（比較例５，Ｎｏ６）に比べ、疲労強度は大きく向上しているものの、応力範囲ΔＳが２８０ＭＰａと大きいＮｏ１０（比較例１０）は疲労寿命、すなわち試験体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎは１９０６２３回であり、超音波衝撃処理をしていない溶接ままの条件で、疲労試験条件すなわち疲労試験における応力範囲ΔＳが同じ比較例５，６に比べあまり向上していないことが判る。

図３において、溶接ままの比較例１〜７がΔＳの増加に伴いＮが線形的に減少していることから、超音波衝撃処理した場合でも同様に、比較例８，９の延長線上に比較例１０が位置してもよいはずであるが、応力範囲ΔＳが２８０ＭＰａに増大した比較例１０の繰返し寿命回数Ｎは線形に乗らず１９０６２３回と大きく減少している。これは、応力範囲ΔＳが比較例９の２５０ＭＰａから比較例１０の２８０ＭＰａに増大すると、溶接止端部の内部深くに存在する残留応力が疲労を与えることになる。ところが、焼鈍せずに超音波衝撃処理した場合、図１に示される残留応力分布の通り、深い位置（３ｍｍ〜８ｍｍ）に大きな引張残留応力が生じているので、疲労試験で応力範囲ΔＳが増大した場合、溶接止端部の内部深くに存在する残留応力のため疲労を与えることにより繰返寿命回数Ｎが減少しているものと考えられる。

試験Ｎｏ１２（本発明）に、溶接後、疲労試験体全体を高温炉にて700℃で１時間焼鈍を行った後に超音波衝撃処理した場合の応力比Ｒ＝0.1での疲労試験結果を図３に△（本発明）で、また、ΔＳとＮの値を表１に示す。試験Ｎｏ１２は、焼鈍有無以外の試験条件が試験Ｎｏ１０と同一である。焼鈍無しで超音波衝撃処理をした試験Ｎｏ１０（比較例１０）のＮが１９０６２３回に対し、試験Ｎｏ１２（本発明）は、Ｎが７１０１０４回であり、図３において、比較例８，９の延長線に本発明（△）が位置している。このように、超音波衝撃処理前に焼鈍すると、疲労寿命が大きく向上することが判る。

試験Ｎｏ１１（比較例１１）に、溶接後、試験体全体を高温炉にて700℃で１時間焼鈍を行った場合の応力比Ｒ＝0.1での疲労試験結果を図３に×（比較例１１）で、また、ΔＳとＮの値を表１に示す。試験Ｎｏ１１は、焼鈍有無および、超音波衝撃処理の有無以外の試験条件が試験Ｎｏ７およびＮｏ１０および本発明と同一である。溶接ままの比較例７、溶接後焼鈍処理した比較例１１、溶接後そのまま超音波衝撃処理した比較例10と比べ、溶接後、焼鈍をした後、超音波衝撃処理した本発明は、疲労寿命が大きく向上していることがわかる。

本発明は、溶接部を有する鋼構造物で遅れ溶接止端部が問題になるあらゆる産業に利用することができる。

Claims (1)

1. 溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に超音波衝撃処理を施して該溶接止端部の疲労強度を向上する超音波衝撃処理方法であって、
   前記構造物の溶接止端部を、超音波衝撃処理を施す前に焼鈍する工程と、
   前記焼鈍後の前記溶接止端部を超音波衝撃処理する工程と
   からなることを特徴とする溶接止端部の超音波衝撃処理方法。

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