JP6495569B2

JP6495569B2 - 打撃痕形成用工具

Info

Publication number: JP6495569B2
Application number: JP2012261045A
Authority: JP
Inventors: 聡伊木; 森影　康; 康森影; 一鞆
Original assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Steel Corp; JFE Engineering Corp
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP2013136091A

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ことを抑制するときに用いられる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３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行った場合、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。

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

ＩＭＰＲＯＶＩＮＧＦＡＴＩＧＵＥＳＴＲＥＮＧＴＨＯＦＷＥＬＤＪＯＩＮＴＳＢＹＨＡＭＭＥＲＰＥＥＮＩＮＧＴＩＧ−ＤＲＥＳＩＮＧ：ＫｅｎｇｏＡＮＡＭＩ、ＣｈｉｔｏｓｈｉＭＩＫＩ、ＨｉｄｅｋｉＴＡＮＩ、ＨａｒｕｈｉｔｏＹＡＭＡＭＯＴＯ，ＳｔｒｕｃｔｕａｌＥｎｇ．／ＥａｒｔｈｑｕａｋｅＥｎｇ．、ＪＳＣＥ、Ｖｏｌ．１７、Ｎo．１、５７ｓ−６８ｓ、２０００Ａｐｒｉｌ

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、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、溶接構造物の溶接ビードと隣接する母材表面に複数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ビードの止端部に圧縮残留応力を付与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って１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲し、かつ前記溶接ビードに沿う長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、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との比が０．７５以上の矩形状に形成された打撃痕形成面を先端に有することを特徴とする。
なお、円弧状の定義として、長径／短径の比が１〜１．１であれば、円弧として使用できる。長径の向きは、特に規定しない。

請求項２の発明は、請求項１に記載の打撃痕形成用工具において、前記打撃痕形成面が前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿って楕円形状に湾曲し且つ短径側の曲率半径が１ｍｍ以上であることを特徴とする。
なお、楕円形状に形成された打撃痕形成面の楕円の定義として、長径／短径の比が１．１を超え、３．０以下が好ましい。また長径が溶接線に対してほぼ平行に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。

本発明によれば、溶接ビードの止端近傍に引張残留応力を打ち消すことが可能な圧縮残留応力を付与することが可能となるので、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。

本発明の第１の実施形態に係る打撃痕形成用工具を示し、（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である。本発明の第２の実施形態に係る打撃痕形成用工具を示し、（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である。図１または図２の打撃痕形成用工具により母材表面に形成される打撃痕を示す図である。打撃痕形成用工具により溶接ビードの止端４の近傍に付与される圧縮残留応力をＦＥＭ解析した結果を示す図である。先端が半球状に形成された打撃痕形成用工具を示す図である。本発明の実施例と比較例を示す図である。

図１は本発明の第１の実施形態を示す図であり、図１に示される打撃痕形成用工具６は、ＳＭ５７０等の高強度鋼から形成されているとともに、打撃痕形成面７を有している。この打撃痕形成面７は図３に示すような打撃痕５を溶接ビード３と隣接する母材１の表面に形成するためのものであって、溶接ビード３に沿う方向（図１のＹ方向）の長さを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下にして打撃痕形成用工具６の先端に矩形状に形成されている。

また、溶接ビード３を直角に横切る方向（図１のＸ方向）に沿う打撃痕形成面７の幅をａ、溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さをｂとすると、打撃痕形成面７は幅ａと長さｂとの比（ａ／ｂ）を０．７５以上にして打撃痕形成用工具６の先端に矩形状に形成されている。
さらに、打撃痕形成面７は溶接ビード３を直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の曲率半径ｒで円弧状に湾曲している。

図２は本発明の第２の実施形態を示す図であり、図２に示される打撃痕形成用工具６は、ＳＭ５７０等の高強度鋼から形成されているとともに、打撃痕形成面７を有している。この打撃痕形成面７は図３に示すような打撃痕５を溶接ビード３と隣接する母材１の表面に形成するためのものであって、第１の実施形態と同様に、溶接ビード３に沿う方向の長さｂを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、幅ａと長さｂとの比を０．７５以上にして打撃痕形成用工具６の先端に矩形状に形成されている。

また、図２に示される打撃痕形成用工具６の打撃痕形成面７は、打撃痕形成用工具先端の断面形状が概ね蒲鉾形状となるように、溶接ビード３を直角に横切る方向に沿って楕円形状に湾曲し、短径側の曲率半径ｒ１が１ｍｍ以上となっている。
図１または図２に示される打撃痕形成用工具６を用いて図３に示すような打撃痕５を溶接ビード３と隣接する母材１の表面に形成して溶接ビード３の止端４の近傍に圧縮残留応力を付与する場合は、溶接ビード３と隣接する母材１の表面に打撃痕形成用工具６の先端（打撃痕形成面７）を押し当てる。そして、溶接ビード３の止端４から母材側に５ｍｍ以内の領域ｄに打撃痕５の側端部が位置するように、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の打撃痕５をハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理により母材１の表面に溶接ビード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の近傍に圧縮残留応力が付与される。尚、図３に示される打撃痕５は幅Ｂの打撃痕形成用工具を用いて母材１の表面に形成した場合を示している。

ここで、打撃痕形成面７の幅ａと長さｂとの比を０．７５以上とした理由は、打撃痕形成面７の長さｂが幅ａに比べて長すぎると打撃痕形成用工具６の先端を母材１の表面に押し当てたときに打撃痕形成面７に加わる単位面積あたりの圧力が小さくなりすぎて打撃痕形成用工具６の先端形状が保たれずに座屈し、母材１の表面に十分な深さの打撃痕５を形成することが困難になるため、打撃痕形成面７の幅ａと長さｂとの比を０．７５以上とした。

また、溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さｂを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とした理由は、打撃痕形成面７の長さｂが１ｍｍ未満では溶接ビード３の止端４の近傍に応力集中部となる変形が生じやすくなり、打撃痕形成面７の長さｂが１０ｍｍを超えると母材１の表面に接触する打撃痕形成面７の面積が大きくなり、溶接ビード３の止端４の近傍に十分な圧縮残留応力を付与することができなくなるため、溶接ビード３に沿う打撃痕形成面７の長さｂを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とした。

また、打撃痕５の最大深さを０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満とした理由は、打撃痕５の最大深さが０．０３ｍｍ未満では溶接ビードの止端４の近傍に十分な圧縮残留応力を付与することが困難となり、打撃痕５の最大深さが０．５０ｍｍ以上になると打撃痕周辺の塑性変形が過大となって新たな応力集中部が発生する可能性があるため、打撃痕５の最大深さを０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満とした。
さらに、領域ｄを溶接ビード３の止端４の近傍から母材側に５ｍｍ以内とした理由は、領域ｄが５ｍｍを超えると溶接ビード３の止端部４に十分な圧縮残留応力を付与することが困難となるため、打撃痕５が形成される領域ｄを溶接ビード３の止端部４から母材側に５ｍｍ以内とした。

また、打撃痕形成面７が溶接ビード３を直角に横切る方向に沿って円弧状に湾曲している場合、打撃痕形成面７の曲率半径ｒを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とした理由は、曲率半径ｒが１ｍｍ未満では溶接ビード３の止端部４に応力集中部となる変形が生じやすくなり、曲率半径ｒが１０ｍｍを超えると母材１の表面に接触する打撃痕形成面７の面積が大きく過ぎて溶接ビード３の止端部４に十分な圧縮残留応力を付与することができない可能性があるため、打撃痕形成面７の曲率半径ｒを１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とした。

さらに、打撃痕形成面７が溶接ビード３を直角に横切る方向に沿って楕円形状に湾曲している場合、短径側の曲率半径ｒ１を１ｍｍ以上とした理由は、短径側の曲率半径ｒ１が１ｍｍ未満では長径側の円弧状の外周部による打撃で溶接ビード止端４の近傍に応力集中部となる変形が生じやすくなるため、短径側の曲率半径ｒ１を１ｍｍ以上とした。

本発明者らは、溶接ビードの止端近傍に圧縮残留応力を付与するときに用いられる打撃痕形成用工具として３種類の打撃痕形成用工具を用いると共に、打撃痕が形成される母材としては厚さ：１２ｍｍ、降伏強さ：２９４ＭＰａ、引張強さ：４４５ＭＰａの鋼板（ＳＭ４００）を用い、母材の表面に打撃痕（深さ：０．１ｍｍ）を形成したときの圧縮残留応力をＦＥＭ解析した。その結果を図４に示す。

図４の「＊」は図１に示す打撃痕形成用工具６（但し、幅ａ：９ｍｍ、長さｂ：９ｍｍ、曲率半径ｒ：４．５ｍｍ）を用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合を示し、「●」は図１に示す打撃痕形成用工具６（但し、幅ａ：９ｍｍ、長さｂ：４ｍｍ、曲率半径ｒ：４．５ｍｍ）を用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合を示している。また、「▲」は図５に示す打撃痕形成用工具６、すなわち打撃痕形成面７が３ｍｍの曲率半径で半球状に形成されたものを用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合を示している。なお、図４の横軸は打撃痕中央部からの距離を示し、縦軸は圧縮残留応力を示している。

図４に示されるように、図１に示す打撃痕形成用工具６（但し、幅ａ：９ｍｍ、長さｂ：９ｍｍまたは４ｍｍ、曲率半径ｒ：４．５ｍｍ）を用いて溶接ビードと隣接する母材の表面に打撃痕を形成すると、母材の表面に付与される圧縮残留応力が打撃痕の端（ｘ≒０．８ｍｍ）から約０．５ｍｍ離れた位置で大きな圧縮残留応力が発生し、その最大値は打撃痕中央部から約２ｍｍすなわち打撃痕の端（ｘ≒０．８ｍｍ）から約１ｍｍの位置で発生することがわかる。
また、図５に示す打撃痕形成用工具６（先端が半球状の打撃痕形成用工具）を用いた場合は打撃中心から約５ｍｍ離れると圧縮残留応力を付与できなくなるのに対し、図１に示す打撃痕形成用工具６を用いると打撃中心から約５ｍｍの位置でも１００〜２５０ＭＰａ程度の圧縮残留応力を付与できることが図４からわかる。

次に、本発明者らは打撃痕が形成される母材としては厚さ：１２ｍｍ、降伏強さ：２９４ＭＰａ、引張強さ：４４５ＭＰａの鋼板（ＳＭ４００）を用い、溶接ビードと隣接する母材の表面に深さ０．１ｍｍの打撃痕をハンマーピーニング（空気圧：約６ｋｇ／ｃｍ^２、周波数：９０Ｈｚ、移動速度：０．２５ｍｍ／秒）により形成したときに溶接ビードの止端の近傍に付与される圧縮残留応力について調査した。その調査結果を図６に示す。

図６において、実施例１は図１に示す打撃痕形成用工具６（但し、幅ａ：９ｍｍ、長さｂ：９ｍｍ、曲率半径ｒ：４．５ｍｍ）を用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合の最大圧縮残留応力の測定値を示している。また、実施例２は図１に示す打撃痕形成用工具６（但し、幅ａ：９ｍｍ、長さｂ：４ｍｍ、曲率半径ｒ：４．５ｍｍ）を用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合の最大圧縮残留応力の測定値を示し、実施例３は図２に示す打撃痕形成用工具６（但し、幅ａ：６ｍｍ、長さｂ：５ｍｍ、曲率半径：長径３ｍｍ、短径１ｍｍ）を用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合の最大圧縮残留応力の測定値を示している。

また、比較例１は打撃痕形成面の幅ａが２ｍｍ、長さｂが５ｍｍ、曲率半径ｒが１．０ｍｍの打撃痕形成用工具を用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合の最大圧縮残留応力の測定値を示し、比較例２は図５に示す打撃痕形成用工具６、すなわち打撃痕形成面７が３ｍｍの曲率半径で半球状に形成されたものを用いて母材の表面に打撃痕を形成した場合の最大圧縮残留応力の測定値を示している。なお、最大圧縮残留応力の測定はビーム径１ｍｍのＸ線を打撃痕に照射して行った。

実施例１〜３と比較例１、２を比較すると、実施例１では最大圧縮残留応力が−２４４ＭＰａ、実施例２では最大圧縮残留応力が−２２６ＭＰａ、実施例３では最大圧縮残留応力が−２３３ＭＰａとなり、比較例１、２よりも大きな圧縮残留応力を溶接ビードの止端近傍に付与できることが確認できた。
従って、溶接ビード３と隣接する母材１の表面に打撃痕５を形成する打撃痕形成用工具として、図１または図２に示す打撃痕形成用工具６を用いることで、溶接ビードの止端部に引張残留応力を打ち消すことが可能な圧縮残留応力を付与することが可能となるので、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。
なお、実施例１、２で用いた打撃痕形成用工具の打撃痕形成面を、溶接ビードと直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上の曲率半径を有する短径で楕円形状に湾曲させると、より広い範囲で圧縮残留応力を付与することが可能となるので好ましい。

１…母材
２…リブ
３…溶接ビード
４…溶接ビード止端
５…打撃痕
６…打撃痕形成用工具
７…打撃痕形成面

Claims

溶接構造物の溶接ビードと隣接する母材表面に複数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ビードの止端部に圧縮残留応力を付与するときに用いられる打撃痕形成用工具であって、５７０〜７２０ＭＰａの引張強さを有する高強度鋼から形成されているとともに、前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿って１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の曲率半径で円弧状に湾曲し、かつ前記溶接ビードに沿う長さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、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との比が０．７５以上の矩形状に形成された打撃痕形成面を先端に有することを特徴とする打撃痕形成用工具。
前記打撃痕形成面が前記溶接ビードを直角に横切る方向に沿って楕円形状に湾曲し且つ短径側の曲率半径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の打撃痕形成用工具。