JP6339760B2 - 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
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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近傍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。
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近傍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。
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を直立させ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の近傍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。
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．１７、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が１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、前記溶接ビードに沿う長さが３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下、かつ全体形状が楕円形状に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に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０．２ｍｍ以上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ものであり、前記打撃痕形成面の楕円は、長径／短径の比が１．１を超え３．０以下であり、前記打撃痕形成用工具として、前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．６０ｍｍ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、楕円形状に形成された平面状の打撃痕形成面の打撃痕先端の面積が２８．３ｍｍ２以下であるのが好ましい。そして、長径が、溶接線に対して、ほぼ平行となるように使用すると、打点数を減らすことができるので、より好ましい。
なお、楕円形状に形成された平面状の打撃痕形成面の打撃痕先端の面積が２８．３ｍｍ２以下であるのが好ましい。そして、長径が、溶接線に対して、ほぼ平行となるように使用すると、打点数を減らすことができるので、より好ましい。
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先細り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、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が１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、前記溶接ビードに沿う長さが３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下、かつ全体形状が楕円形状に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に有し、前記打撃痕形成面の楕円は、長径／短径の比が１．１を超え３．０以下であり、前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．６０ｍｍ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４の発明は、請求項３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先細り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。
図１〜図４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を先端に有している。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ＲXが１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、溶接ビード３に沿う長さＲY（図１のＹ方向に沿う長さ）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、かつ全体形状が楕円形状に形成されている。
また、打撃痕形成用工具６は打撃痕形成面７に向けて先細り状（テーパ状）に形成されているとともに、０．１５ｍｍ以上０．６０ｍｍ以下の曲率半径ｒ0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の長辺側が溶接ビード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０．２ｍｍ以上の打撃痕５をハンマー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。
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の長辺側が溶接ビード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０．２ｍｍ以上の打撃痕５をハンマー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の表面から上方に引き離した後、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、打撃痕形成面７の幅ＲXを１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ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の幅ＲXが１．５ｍｍ未満では、打撃痕５の幅にばらつきが生じ、安定した形状の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となる。また、打撃痕形成面７の幅ＲXが３．０ｍｍを超えると打撃痕５の面積が大きくなり過ぎ、最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕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の幅ＲXを１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とした。
ここで、打撃痕形成面７の幅ＲXを１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ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の幅ＲXが１．５ｍｍ未満では、打撃痕５の幅にばらつきが生じ、安定した形状の打撃痕５を母材１の表面に形成することが困難となる。また、打撃痕形成面７の幅ＲXが３．０ｍｍを超えると打撃痕５の面積が大きくなり過ぎ、最大深さが０．２ｍｍ以上の打撃痕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の幅ＲXを１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とした。
また、打撃痕形成面７の長さＲY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の長さＲYが３．０ｍｍ未満では、打撃痕５の幅が狭くなり過ぎ、溶接ビード３の止端４に荷重が負荷されたときに応力集中が打撃痕５に発生しやすくなって疲労き裂の発生原因となる。また、打撃痕形成面７の長さＲY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０．２ｍｍ以上の打撃痕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の長さＲYを３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とした。
さらに、面取り部８の曲率半径ｒ0を０．１５ｍｍ以上０．６０ｍｍ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ｒ0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ｒ0が０．６０ｍｍ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０．２ｍｍ以上の打撃痕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ｒ0を０．１５ｍｍ以上０．６０ｍｍ以下とした。
図１に示した打撃痕形成用工具６を用いて溶接ビード３と隣接する母材１（例えば、１２ｍｍ厚×１００ｍｍ×３００ｍｍの鋼板）の表面に打撃痕５を溶接ビード３に沿って１００ｍｍの長さにわたり連続的に形成した場合の実施例１〜８を比較例１〜５と共に表１に示す。ここで表１のＲａは打撃痕の最大深さを示す。
実施例１〜４は、溶接ビード３を横切る方向に沿う打撃痕形成面７の幅ＲXが２ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さＲYが３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍの打撃痕形成用工具６を用いて溶接ビード３と隣接する母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合を示している。
また、実施例５〜８は、溶接ビード３を横切る方向に沿う打撃痕形成面７の幅ＲXが２ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さＲYが３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、面取り部８の曲率半径ｒ0が０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．６０ｍｍの打撃痕形成用工具６を用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。
また、実施例５〜８は、溶接ビード３を横切る方向に沿う打撃痕形成面７の幅ＲXが２ｍｍ、２ｍｍ、２．５ｍｍ、３ｍｍ、溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さＲYが３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、面取り部８の曲率半径ｒ0が０．１５ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．２０ｍｍ、０．６０ｍｍの打撃痕形成用工具６を用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。
一方、比較例１〜３は、図３に示す打撃痕形成用工具１０の先端に球面状の打撃痕形成面１１（直径Ｒ：２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、曲率半径ｒ：１．５ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍ）が形成されたものを用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。
また、比較例４、５は、図４に示す打撃痕形成用工具１２の先端に平面状の打撃痕形成面１３が正方形状（１辺の長さＬが３ｍｍ、５ｍｍ）で形成されたものを用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。
また、比較例４、５は、図４に示す打撃痕形成用工具１２の先端に平面状の打撃痕形成面１３が正方形状（１辺の長さＬが３ｍｍ、５ｍｍ）で形成されたものを用いて母材１の表面に最大深さＲａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を形成した場合をそれぞれ示している。
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。なお、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／ｃｍ2、周波数：９０Ｈｚ、移動速度：０．２５ｍｍ／秒の条件で行った。
実施例１〜８と比較例１〜５を比較すると、比較例１〜８では打撃痕５により溶接ビード３の止端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の止端近傍に導入される圧縮残留応力が３０５ＭＰａ〜３３５ＭＰａとなることがわかる。
実施例１〜８と比較例１〜５を比較すると、比較例１〜８では打撃痕５により溶接ビード３の止端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の止端近傍に導入される圧縮残留応力が３０５ＭＰａ〜３３５ＭＰａとなることがわかる。
したがって、実施例１〜８のように、溶接部の溶接ビード３と隣接する母材の表面に打撃痕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が１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、溶接ビード３に沿う長さが３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下、かつ全体形状が楕円形状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０．２ｍｍ以上の打撃痕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に向けて先細り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Ｒａが０．２ｍｍ以上の打撃痕５を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０．６０ｍｍ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。
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０．６０ｍｍ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。
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
２…リブ
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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 (4)
- 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が１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、前記溶接ビードに沿う長さが３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下、かつ全体形状が楕円形状に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に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０．２ｍｍ以上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ものであり、
前記打撃痕形成面の楕円は、長径／短径の比が１．１を超え３．０以下であり、
前記打撃痕形成用工具として、前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．６０ｍｍ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。 - 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先細り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。
- 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が１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下、前記溶接ビードに沿う長さが３．０ｍｍ以上６．０ｍｍ以下、かつ全体形状が楕円形状に形成された平面状の打撃痕形成面を先端に有し、
前記打撃痕形成面の楕円は、長径／短径の比が１．１を超え３．０以下であり、
前記打撃痕形成面の周囲に０．１５ｍｍ以上０．６０ｍｍ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。 - 前記打撃痕形成面に向けて先細り状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の打撃痕形成用工具。
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