JP6756241B2 - Ultrasonic impact treatment method - Google Patents

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Description

本発明は、溶接部を有する鋼構造物において溶接止端部の疲労特性を向上するための超音波衝撃処理方法に関する。 The present invention relates to an ultrasonic impact treatment method for improving the fatigue characteristics of a weld toe in a steel structure having a weld.

溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に繰返し荷重が作用すると、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。 When a repeated load is applied to the weld toe of a steel structure having a weld, fatigue cracks may occur and fracture may occur. Fatigue fracture of such a weld toe has become a problem.

溶接止端部の疲労特性を向上させる方法の一つとして、グラインダーをかけて溶接部を平滑化することにより溶接部における応力集中を緩和する手法が、例えば、特許文献1に開示されている。 As one of the methods for improving the fatigue characteristics of the weld toe, a method of relaxing the stress concentration in the weld by applying a grinder to smooth the weld is disclosed in, for example, Patent Document 1.

また、溶接止端部の疲労特性を向上させる他の方法として、溶接部等の疲労強度向上を目的とした超音波衝撃処理(Ultrasonic Impact Treatment:UIT)が近年開発された。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当該対象物に超音波衝撃を与えることにより、当該対象物に塑性変形を生じさせる処理である。これにより、表面形状が改善されつつ、同時に表面近傍の残留応力が改善される。 Further, as another method for improving the fatigue characteristics of the weld toe, an ultrasonic impact treatment (UIT) has been recently developed for the purpose of improving the fatigue strength of the weld. Ultrasonic shock processing is the process of applying ultrasonic shock of several tens of kHz generated from an ultrasonic generator to an object through a tool such as a pin to give an ultrasonic impact to the object. This is a process that causes plastic deformation. As a result, the surface shape is improved, and at the same time, the residual stress near the surface is improved.

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2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3に開示されている。また、超音波衝撃処理を溶接止端部から離して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4に開示されている。 For example, Patent Document 2 discloses a method of improving fatigue strength by applying ultrasonic impact treatment to a welded portion and a machined hole. Further, Patent Document 3 by the present inventors discloses a method of improving the fatigue strength of a butt welded joint by ultrasonically striking the vicinity of the weld toe of the butt welded joint. Further, Patent Document 4 discloses a method of improving fatigue strength by applying ultrasonic impact treatment away from the weld toe.

また、超音波衝撃装置より溶接止端部に超音波衝撃を与えた場合に、溶接止端部近傍の金属がピンの衝撃により塑性流動し、折れこみ疵が生じていることがある。この折れこみ疵の発生を抑制するために、ピンの先端部の曲率半径を2.0mm未満とする溶接止端部の超音波衝撃処理方法が、特許文献5に開示されている。 In addition, when an ultrasonic impact is applied to the weld toe from an ultrasonic impact device, the metal in the vicinity of the weld toe may plastically flow due to the impact of the pin, causing a fold defect. Patent Document 5 discloses a method for ultrasonic impact treatment of a weld toe portion in which the radius of curvature of the tip portion of the pin is less than 2.0 mm in order to suppress the occurrence of this fold defect.

特開2010−29897号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-29897 米国特許第6338765号明細書U.S. Pat. No. 6,338,765 特開2010−142870号公報JP-A-2010-142870 特開2012−11462号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-11462 特開2007−283355号公報JP-A-2007-283355

しかし、上記特許文献に開示された超音波衝撃処理方法を用いて溶接止端部または溶接止端部から離れた位置に超音波衝撃処理を施した場合においても、溶接ままの構造物と比較して疲労寿命は向上するものの、溶接止端部において疲労き裂が発生し、疲労試験において200万回程度で疲労破壊が生じるケースがあった。そのため、溶接構造物の疲労寿命をさらに延ばすことが求められていた。 However, even when the ultrasonic impact treatment is performed at a position away from the weld toe or the weld toe using the ultrasonic impact treatment method disclosed in the above patent document, the structure is compared with the structure as it is welded. Although the fatigue life is improved, fatigue cracks occur at the weld toe and fatigue failure occurs after about 2 million times in the fatigue test. Therefore, it has been required to further extend the fatigue life of the welded structure.

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、溶接構造物の疲労寿命をより長く延ばすことが可能な、新規かつ改良された超音波衝撃処理方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is a new and improved ultrasonic impact treatment capable of extending the fatigue life of a welded structure for a longer period of time. To provide a method.

本発明者らは、超音波衝撃処理が適用される溶接止端部表面に微小な折れこみ疵が発生した場合であっても、溶接止端部の疲労特性をさらに向上させる方法について、鋭意検討した。その結果なされた本発明は、以下の通りである。 The present inventors have diligently studied a method for further improving the fatigue characteristics of the weld toe even when a minute crease occurs on the surface of the weld toe to which the ultrasonic impact treatment is applied. did. The present invention made as a result is as follows.

(1)溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に対してピンを当接させて超音波衝撃を与えることにより上記溶接止端部の疲労強度を向上させる超音波衝撃処理方法であって、
上記溶接止端部の曲率半径以下である第1の曲率半径を有する第1のピンを用いて第1の超音波衝撃処理を施す工程と、
上記第1の超音波衝撃処理のあとに、1.0mm以上である第2の曲率半径を有する第2のピンを用いて第2の超音波衝撃処理を施す工程と、
を有する超音波衝撃処理方法。
(2)上記第2の曲率半径が3.0mm以上である、請求項1に記載の超音波衝撃処理方法。
(3)上記第1の超音波衝撃処理の前に、上記溶接止端部の上記曲率半径を計測する、(1)または(2)に記載の超音波衝撃処理方法。
(4)上記第2の超音波衝撃処理において、上記溶接止端部が形成されている方向に沿って複数の処理痕を連続的に形成して得られる加工帯を、上記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向に沿って並列して形成し、
複数の上記加工帯からなる加工領域において、上記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向の横断面上に、少なくとも3箇所の上記処理痕の縁が存在する、(1)〜(3)のいずれか1項に記載の超音波衝撃処理方法。
(1) An ultrasonic impact treatment method for improving the fatigue strength of the weld toe by bringing a pin into contact with the weld toe of a steel structure having a weld to give an ultrasonic impact. ,
A step of performing a first ultrasonic impact treatment using a first pin having a first radius of curvature that is equal to or less than the radius of curvature of the weld toe.
After the first ultrasonic shock treatment, a second ultrasonic shock treatment is performed using a second pin having a second radius of curvature of 1.0 mm or more.
Ultrasonic shock treatment method having.
(2) The ultrasonic impact treatment method according to claim 1, wherein the second radius of curvature is 3.0 mm or more.
(3) The ultrasonic impact treatment method according to (1) or (2), wherein the radius of curvature of the weld toe is measured before the first ultrasonic impact treatment.
(4) In the second ultrasonic impact treatment, the weld toe portion forms a processing band obtained by continuously forming a plurality of treatment marks along the direction in which the weld toe portion is formed. Formed in parallel along the direction orthogonal to the direction in which they are formed,
In the processing region composed of the plurality of processing bands, at least three edges of the processing marks are present on the cross section in the direction orthogonal to the direction in which the welding toe is formed, (1) to (1). The ultrasonic impact treatment method according to any one of 3).

以上説明したように本発明によれば、超音波衝撃処理が適用される溶接止端部表面に微小な折れこみ疵が発生した場合であっても、溶接構造物の疲労寿命をより長く延ばすことが可能である。 As described above, according to the present invention, the fatigue life of the welded structure can be extended longer even when a minute crease is generated on the surface of the weld toe to which the ultrasonic impact treatment is applied. Is possible.

従来の超音波衝撃処理における溶接止端部近傍の様子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the state of the vicinity of a weld toe portion in the conventional ultrasonic impact processing. 超音波衝撃処理後の溶接止端部の断面を撮像した写真である。It is a photograph which imaged the cross section of the weld toe part after ultrasonic shock treatment. 本実施形態に係る超音波衝撃処理方法の概略図である。It is the schematic of the ultrasonic shock processing method which concerns on this embodiment. 溶接止端部が形成されている方向に沿って形成される加工帯の第1の例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st example of the processing band formed along the direction in which a weld toe portion is formed. 溶接止端部が形成されている方向に沿って形成される加工帯の第2の例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 2nd example of the processing band formed along the direction in which the weld toe is formed.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted.

(従来の超音波衝撃処理後の溶接止端部における疲労破壊のメカニズム)
本発明者らは、まず、超音波衝撃処理を施した溶接構造物および超音波衝撃処理を施していない溶接構造物の各々について疲労試験を実施し、破断した構造物について、破断部を詳細に解析した。そして、本発明者らは、解析結果に基づいて従来の超音波衝撃処理後の溶接止端部における疲労破壊のメカニズムについて検討した。
(Mechanism of fatigue fracture at weld toe after conventional ultrasonic impact treatment)
First, the present inventors conducted a fatigue test on each of the welded structure subjected to the ultrasonic impact treatment and the welded structure not subjected to the ultrasonic impact treatment, and the fractured portion of the fractured structure was described in detail. Analyzed. Then, the present inventors investigated the mechanism of fatigue fracture at the weld toe after the conventional ultrasonic impact treatment based on the analysis result.

本発明者らは、板厚16mmの溶接用圧延鋼板SM490(降伏強度YP=345MPa,引張強さ=531MPa)を供試体として、これらの鋼板を溶接した十字溶接継手を用意した。そして、溶接止端部への超音波衝撃処理を施した供試体と超音波衝撃処理を施していない供試体をそれぞれ用意し、各供試体について疲労試験を行った。疲労試験は、各供試体の溶接止端部に繰返し荷重をかけることにより実施された。疲労試験の条件については、応力範囲ΔS=220MPa、応力比R=0.1および周波数f=10Hzとした。この疲労試験では、供試体の破断までに加えられた繰返し荷重の繰返し数が疲労特性として評価される。また、繰返し荷重の繰返し数が500万回を超えても供試体が破断しない場合は、疲労試験を中止した。疲労試験の終了後、破断した供試体について供試体の断面を詳細に観察し、疲労き裂の発生箇所の深さを調査した。 The present inventors prepared a cross-welded joint in which these steel plates were welded using a rolled steel plate for welding SM490 (yield strength YP = 345 MPa, tensile strength = 531 MPa) having a plate thickness of 16 mm as a specimen. Then, a specimen in which the weld toe was subjected to ultrasonic impact treatment and a specimen in which the welding toe was not subjected to ultrasonic impact treatment were prepared, and a fatigue test was performed on each specimen. The fatigue test was carried out by repeatedly applying a load to the weld toe of each specimen. The conditions of the fatigue test were a stress range ΔS = 220 MPa, a stress ratio R = 0.1, and a frequency f = 10 Hz. In this fatigue test, the number of repetitions of the repeating load applied until the specimen breaks is evaluated as the fatigue characteristic. In addition, if the specimen did not break even if the number of repetitions of the repeated load exceeded 5 million times, the fatigue test was stopped. After the fatigue test was completed, the cross section of the fractured specimen was observed in detail, and the depth of the fatigue crack occurrence site was investigated.

本発明者らは、疲労試験終了後の疲労き裂の発生箇所の深さと、溶接止端部の表面からの深さ方向における硬度分布の関係を調査した。その結果、超音波衝撃処理が施された供試体において、超音波衝撃処理が施されていない供試体に比べて、疲労き裂の発生箇所がより深いこと、またその疲労き裂の発生箇所における硬度が、溶接後でかつ超音波衝撃処理前の元の溶接止端部の硬度と同じであることを見出した。一方、超音波衝撃処理後における溶接止端部の表面において、元の溶接止端部の表面よりも高い硬度が示された。これは、超音波衝撃処理により生じた加工硬化によるものと考えられる。しかし、超音波衝撃処理が施された溶接止端部に生じた疲労き裂の発生箇所の硬度は増加していないため、超音波衝撃処理による加工硬化があまり生じていなかったと考えられる。したがって、硬度の低い元の溶接止端部を起点として、超音波衝撃処理が施された溶接止端部においても疲労破壊が発生したものと考えられる。 The present inventors investigated the relationship between the depth of the fatigue crack occurrence site after the fatigue test and the hardness distribution in the depth direction from the surface of the weld toe. As a result, in the specimen subjected to the ultrasonic impact treatment, the location where the fatigue crack is generated is deeper than that in the specimen not subjected to the ultrasonic impact treatment, and the location where the fatigue crack is generated is deeper. It was found that the hardness is the same as the hardness of the original weld toe after welding and before ultrasonic impact treatment. On the other hand, the surface of the weld toe after the ultrasonic impact treatment showed higher hardness than the surface of the original weld toe. It is considered that this is due to work hardening caused by ultrasonic impact treatment. However, since the hardness of the fatigue crack generation portion generated at the weld toe portion subjected to the ultrasonic impact treatment did not increase, it is considered that work hardening by the ultrasonic impact treatment did not occur so much. Therefore, it is probable that fatigue fracture occurred even at the weld toe portion subjected to the ultrasonic impact treatment starting from the original weld toe portion having low hardness.

そこで、本発明者らは、疲労き裂の発生箇所である元の溶接止端部において超音波衝撃処理による加工硬化を生じさせる方法について、以下のような実験を行って検討した。 Therefore, the present inventors have conducted the following experiments to study a method of causing work hardening by ultrasonic impact treatment at the original weld toe where fatigue cracks occur.

まず、本発明者らは、超音波衝撃処理を溶接止端部に施した場合に、疲労き裂が発生する箇所が溶接止端部表面よりも深くなるメカニズムについて検討した。図1は、ピンを用いて溶接止端部を超音波衝撃処理する場合の溶接止端部の挙動を示す模式図である。図1に示すように、超音波衝撃処理の初期には、母材1、溶接金属(溶接ビード)2および超音波衝撃処理するピン10に囲まれる空間3が存在する。母材1の表面と溶接金属2との接点である溶接止端部4の曲率半径よりも大きい曲率半径のピン10を用いて溶接止端部4を超音波衝撃処理した場合、超音波衝撃処理によって母材1および溶接金属2がそれぞれ図1の矢印に示す方向に塑性流動する。すると、超音波衝撃処理前の溶接止端部(元の溶接止端部)4から、塑性流動後の母材と溶接金属との表面上での接触点5(以下、接触点5)までの領域に、微小な折れこみ疵6が発生する。 First, the present inventors investigated the mechanism by which the portion where fatigue cracks occur becomes deeper than the surface of the weld toe when the ultrasonic impact treatment is applied to the weld toe. FIG. 1 is a schematic view showing the behavior of the weld toe when the weld toe is subjected to ultrasonic impact treatment using a pin. As shown in FIG. 1, at the initial stage of the ultrasonic impact treatment, there is a space 3 surrounded by the base material 1, the weld metal (weld bead) 2, and the pin 10 for the ultrasonic impact treatment. When the weld toe 4 is ultrasonically impact-treated using a pin 10 having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe 4, which is the contact point between the surface of the base metal 1 and the weld metal 2, the ultrasonic impact is applied. The base metal 1 and the weld metal 2 plastically flow in the directions shown by the arrows in FIG. Then, from the welding toe (original welding toe) 4 before the ultrasonic impact treatment to the contact point 5 (hereinafter, contact point 5) on the surface of the base metal and the weld metal after the plastic flow. A minute fold flaw 6 occurs in the region.

このとき、図1に示したように、超音波衝撃処理前の溶接止端部4は、ピン10と接触していない。そのため、超音波衝撃処理前の溶接止端部4には超音波衝撃処理が実質的に施されないので、超音波衝撃処理による加工硬化の効果が超音波衝撃処理前の溶接止端部4(およびその近傍)には生じにくいと考えられる。つまり、接触点5よりも深い位置(具体的には、元の溶接止端部4の近傍)は加工硬化されていないので、疲労き裂の発生箇所となり得る。したがって、折れこみ疵6自体が疲労強度に悪影響しない程度の微小なものであっても、上記のような疲労き裂の発生箇所を起点として、折れこみ疵6を介して疲労破壊が生じ得ると考えられる。 At this time, as shown in FIG. 1, the weld toe portion 4 before the ultrasonic impact treatment is not in contact with the pin 10. Therefore, since the welding toe portion 4 before the ultrasonic impact treatment is substantially not subjected to the ultrasonic impact treatment, the effect of processing and hardening by the ultrasonic impact treatment is the welding toe portion 4 (and the welding toe portion 4 before the ultrasonic impact treatment). It is thought that it is unlikely to occur in the vicinity). That is, since the position deeper than the contact point 5 (specifically, the vicinity of the original weld toe portion 4) is not work-hardened, it can be a place where fatigue cracks occur. Therefore, even if the crease 6 itself is so small that it does not adversely affect the fatigue strength, fatigue fracture can occur through the fold flaw 6 starting from the location where the fatigue crack occurs as described above. Conceivable.

実際に溶接止端部4の曲率半径よりも大きい曲率半径のピン10を用いて溶接止端部4を超音波衝撃処理した場合について、接触点5周辺について断面を切りだし、組織観察した結果を図2に示す。溶接部の表面から150μm程度の深さまでの領域に、微小な折れこみ疵6が発生していることがわかる。 When the weld toe 4 is subjected to ultrasonic impact treatment using a pin 10 having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe 4, a cross section is cut out around the contact point 5 and the structure is observed. It is shown in FIG. It can be seen that minute fold flaws 6 are generated in a region from the surface of the welded portion to a depth of about 150 μm.

(本実施形態に係る超音波衝撃処理方法)
そこで、本発明者らは、母材、溶接金属および超音波衝撃処理に用いられるピンの間に生じる空間をできるだけ生じさせないようにし、ピンの一部を溶接止端部に当接させて超音波衝撃処理を行う超音波衝撃処理方法について検討した。ピンの一部を溶接止端部に当接させるためには、超音波衝撃処理を開始する時点で、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて溶接止端部を超音波衝撃処理することが要求される。つまり、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径以下の先端曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を施すことにより、当該ピンを溶接止端部に当接させることができる。これにより、溶接止端部に超音波衝撃処理による加工硬化の効果を生じさせることができる。
(Ultrasonic shock treatment method according to this embodiment)
Therefore, the present inventors minimize the space created between the base metal, the weld metal, and the pins used for ultrasonic impact treatment, and bring a part of the pins into contact with the weld toe to make ultrasonic waves. An ultrasonic shock treatment method for shock treatment was investigated. In order to bring a part of the pin into contact with the weld toe, a pin having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe before the ultrasonic impact treatment is used at the time of starting the ultrasonic impact treatment. It is required that the weld toe is subjected to ultrasonic impact treatment. That is, the pin can be brought into contact with the weld toe by performing the ultrasonic impact treatment using a pin having a radius of curvature equal to or less than the radius of curvature of the weld toe before the ultrasonic impact treatment. As a result, the effect of work hardening by ultrasonic impact treatment can be produced on the weld toe.

しかし、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径は一般的に非常に小さく、0.2mm〜1.0mm程度である。そのため、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を施した場合には、溶接止端部の曲率半径がさらに小さくなり、処理された溶接止端部の応力集中係数が超音波衝撃処理前よりも増加する可能性がある。したがって、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を施すだけでは、溶接止端部の応力集中を緩和することは困難である。 However, the radius of curvature of the weld toe before the ultrasonic impact treatment is generally very small, about 0.2 mm to 1.0 mm. Therefore, when ultrasonic impact treatment is performed using a pin having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe, the radius of curvature of the weld toe becomes even smaller, and the treated weld toe The stress concentration coefficient of is likely to be higher than before the ultrasonic impact treatment. Therefore, it is difficult to relax the stress concentration of the weld toe only by performing ultrasonic impact treatment using a pin having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe.

一方、従来のように、溶接止端部の曲率半径よりも大きな曲率半径を有するピンを用いて溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した場合には、超音波衝撃処理後の溶接止端部の曲率半径が超音波衝撃処理前の溶接止端部と比較して大きくなる。そのため、超音波衝撃処理後の溶接止端部の応力集中が低減される。しかし、上述したように、折れこみ疵が溶接止端部の内部に発生する。折れこみ疵には超音波衝撃処理による加工硬化の効果が生じにくいため、疲労き裂の発生の起点となり得る。したがって、本発明者らは、この疲労起点となり得る箇所を超音波衝撃処理により予め加工硬化すれば、溶接止端部の疲労強度をさらに向上させることができると考えた。 On the other hand, as in the conventional case, when the welding toe is subjected to ultrasonic impact treatment using a pin having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the welding toe, welding after the ultrasonic impact treatment is performed. The radius of curvature of the toe is larger than that of the weld toe before ultrasonic impact treatment. Therefore, the stress concentration at the weld toe after the ultrasonic impact treatment is reduced. However, as described above, fold flaws occur inside the weld toe. Since the work hardening effect of ultrasonic impact treatment is unlikely to occur in the fold flaw, it can be a starting point for the occurrence of fatigue cracks. Therefore, the present inventors considered that the fatigue strength of the weld toe can be further improved by pre-work hardening the portion that can be the fatigue starting point by ultrasonic impact treatment.

そこで、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて、溶接止端部に対してピンを当接させて超音波衝撃処理により溶接止端部近傍の表面を加工硬化した後に、溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径を有するピンを用いて溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施すことを検討した。以下、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法について説明する。 Therefore, using a pin having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe, the pin was brought into contact with the weld toe and the surface near the weld toe was processed and hardened by ultrasonic impact treatment. Later, it was examined to apply ultrasonic impact treatment to the weld toe using a pin having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe. Hereinafter, the ultrasonic impact treatment method according to the present embodiment will be described.

本実施形態に係る超音波衝撃処理方法は、第1の超音波衝撃処理工程および第2の超音波衝撃処理工程により構成される。まず、本実施形態に係る超音波衝撃処理を行う前に、溶接止端部の曲率半径の値を得ることが要求される。これは、第1の超音波衝撃処理において用いるピンの曲率半径を設定するためである。溶接止端部の曲率半径の値を得るには、例えば、レーザ変位計を用いて、溶接止端部を含む溶接止端部を中心に200μm以内の領域を計測することが好ましい。レーザ変位計は、複雑形状の構造物の溶接止端部について、精度良く、簡易に、かつ非破壊非接触で溶接止端部の凹凸形状を測定評価することができる。レーザ変位計を用いて測定された凹凸情報から、溶接止端部の曲率半径の値を得ることが可能である。なお、溶接止端部の曲率半径は、触診式の凹凸形状評価法、またはその他の凹凸形状測定可能な各種顕微鏡を用いた評価法等により計測されてもよい。また、溶接止端部にスパッタやスラグが存在する場合は、これらを取り除いた後に計測するか、これらが存在しない箇所を計測することが好ましい。また、溶接止端部の形状について、ばらつきが存在し、またはばらつきの存在が想定される場合は、溶接止端部の複数箇所について評価し、その最小値を溶接止端部の曲率半径とすることが好ましい。 The ultrasonic shock treatment method according to the present embodiment includes a first ultrasonic shock treatment step and a second ultrasonic shock treatment step. First, it is required to obtain the value of the radius of curvature of the weld toe before performing the ultrasonic impact treatment according to the present embodiment. This is to set the radius of curvature of the pin used in the first ultrasonic impact treatment. In order to obtain the value of the radius of curvature of the weld toe, for example, it is preferable to measure a region within 200 μm around the weld toe including the weld toe using a laser displacement meter. The laser displacement meter can measure and evaluate the uneven shape of the weld toe of a structure having a complicated shape with high accuracy, easily, and non-destructively and non-contact. It is possible to obtain the value of the radius of curvature of the weld toe from the unevenness information measured using the laser displacement meter. The radius of curvature of the weld toe may be measured by a palpation-type uneven shape evaluation method, or another evaluation method using various microscopes capable of measuring the uneven shape. Further, when spatter or slag is present at the weld toe, it is preferable to measure after removing these spatters or to measure the portion where these are not present. If there are variations in the shape of the weld toe, or if variations are expected, evaluate multiple points of the weld toe and use the minimum value as the radius of curvature of the weld toe. Is preferable.

なお、予め溶接止端部の曲率半径が判明している場合、溶接止端部の凹凸形状が測定されており、当該凹凸形状から曲率半径が推定できる場合、当該溶接止端部の曲率半径を測定する工程は省かれてもよい。また、既に曲率半径が測定された溶接止端部を有する溶接部と同様の溶接条件により作製された溶接部を有する構造物についても、当該測定工程は省かれてもよい。 If the radius of curvature of the weld toe is known in advance, the uneven shape of the weld toe is measured, and if the radius of curvature can be estimated from the uneven shape, the radius of curvature of the weld toe is calculated. The step of measuring may be omitted. Further, the measurement step may be omitted for a structure having a welded portion manufactured under the same welding conditions as the welded portion having a weld toe whose radius of curvature has already been measured.

図3は、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法の概略図である。図3を参照すると、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法では、まず、溶接止端部4の曲率半径よりも小さい第1の曲率半径を有する第1のピン10Aを用いて、溶接止端部4に対して超音波衝撃処理を施す(第1の超音波衝撃処理)。第1の超音波衝撃処理を実施したのち、溶接止端部4の曲率半径よりも大きい第2の曲率半径を有する曲率半径を有する第2のピン10Bを用いて、溶接止端部4に対して超音波衝撃処理を施す(第2の超音波衝撃処理)。 FIG. 3 is a schematic view of the ultrasonic impact processing method according to the present embodiment. Referring to FIG. 3, in the ultrasonic impact treatment method according to the present embodiment, first, a first pin 10A having a first radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe 4 is used to use the weld toe. Ultrasonic impact treatment is applied to the part 4 (first ultrasonic impact treatment). After performing the first ultrasonic impact treatment, the welding toe 4 is subjected to the second pin 10B having a radius of curvature having a second radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe 4. And ultrasonic shock treatment (second ultrasonic shock treatment).

第1の超音波衝撃処理では、溶接止端部4の曲率半径よりも小さい曲率半径を有する第1のピン10Aにより、溶接止端部4に対して超音波衝撃処理が行われる。第1のピン10Aの曲率半径は溶接止端部4の曲率半径よりも小さいので、母材1、溶接金属2および第1のピン10Aの間に空間が生じにくい。そのため、第1のピン10Aを溶接止端部4に当接させることができる。これにより、溶接止端部4に対して超音波による衝撃が直接印加される。したがって、溶接止端部4の近傍表面が加工硬化し、溶接止端部4の近傍の硬度が増加する。 In the first ultrasonic impact treatment, the ultrasonic impact treatment is performed on the weld toe 4 by the first pin 10A having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe 4. Since the radius of curvature of the first pin 10A is smaller than the radius of curvature of the weld toe portion 4, a space is unlikely to be created between the base metal 1, the weld metal 2, and the first pin 10A. Therefore, the first pin 10A can be brought into contact with the weld toe portion 4. As a result, the impact of ultrasonic waves is directly applied to the weld toe portion 4. Therefore, the surface in the vicinity of the weld toe portion 4 is work-hardened, and the hardness in the vicinity of the weld toe portion 4 increases.

その後、第2の超音波衝撃処理では、溶接止端部4の曲率半径よりも大きい曲率半径を有する第2のピン10Bにより、溶接止端部4に対して超音波衝撃処理が行われる。これにより、超音波による衝撃が印加された母材1および溶接金属2が、溶接止端部4の存在する方向へ塑性流動する。これにより、塑性流動により溶接止端部4の曲率半径が増加し、塑性流動により2つの金属が表面上において衝突した点から元の溶接止端部4にかけて生じた折れこみ疵6の表面近傍に、圧縮残留応力が生じる。 After that, in the second ultrasonic impact treatment, the ultrasonic impact treatment is performed on the weld toe 4 by the second pin 10B having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe 4. As a result, the base metal 1 and the weld metal 2 to which the impact of ultrasonic waves is applied are plastically flowed in the direction in which the weld toe 4 is present. As a result, the radius of curvature of the weld toe 4 increases due to the plastic flow, and from the point where the two metals collide on the surface due to the plastic flow to the vicinity of the surface of the fold flaw 6 generated from the original weld toe 4. , Compressive residual stress occurs.

なお、溶接止端部4の曲率半径は一般的に0.2mm〜1.0mm程度であることから、第2の超音波衝撃処理に用いられる第2のピン10Bの曲率半径は1.0mm以上であることが好ましい。また、ピンの曲率半径が大きいほど、応力集中を緩和する効果、および残留圧縮応力の導入する効果が大きくなると考えられる。 Since the radius of curvature of the weld toe 4 is generally about 0.2 mm to 1.0 mm, the radius of curvature of the second pin 10B used for the second ultrasonic impact treatment is 1.0 mm or more. Is preferable. Further, it is considered that the larger the radius of curvature of the pin, the greater the effect of relaxing the stress concentration and the effect of introducing the residual compressive stress.

一連の超音波衝撃処理の結果、溶接止端部4において折れこみ疵6が生じ、この折れこみ疵6が疲労起点となる。しかし、折れこみ疵6の深部領域7(元の溶接止端部4の近傍の領域に相当)は上記の第1の超音波衝撃処理により加工硬化されているため、疲労強度が向上している。さらに、第2の超音波衝撃処理により、表面下部の領域(表面から1mm以上離れた領域)まで残留圧縮応力が導入されるので、疲労強度が向上される。また、第2の超音波衝撃処理により溶接止端部4の曲率半径が増加し表面形状が平滑化されるので、溶接構造物における応力集中が緩和される。 As a result of a series of ultrasonic impact treatments, a crease 6 is generated at the weld toe portion 4, and the crease 6 becomes a fatigue starting point. However, since the deep region 7 of the fold flaw 6 (corresponding to the region near the original weld toe 4) is work-hardened by the above-mentioned first ultrasonic impact treatment, the fatigue strength is improved. .. Further, the second ultrasonic impact treatment introduces the residual compressive stress to the region below the surface (the region separated from the surface by 1 mm or more), so that the fatigue strength is improved. Further, since the radius of curvature of the weld toe 4 is increased and the surface shape is smoothed by the second ultrasonic impact treatment, the stress concentration in the welded structure is relaxed.

なお、第2の超音波衝撃処理により、表面下部の領域(表面から1mm以上離れた領域)まで残留圧縮応力が導入されるが、その際にさらに下部の領域(表面から2mm以上離れた領域)には引張残留応力が発生することがある。そのため、第1の超音波衝撃処理では、処理痕の深さを1mm以内とするように当該処理が行われることが望ましい。 The second ultrasonic impact treatment introduces residual compressive stress to the lower region of the surface (region 1 mm or more away from the surface), but at that time, the lower region (region 2 mm or more away from the surface). May generate tensile residual stress. Therefore, in the first ultrasonic impact treatment, it is desirable that the treatment is performed so that the depth of the treatment mark is within 1 mm.

以上説明したように、本実施形態に係る超音波衝撃処理方法によれば、超音波衝撃処理による構造物における応力集中の緩和、および溶接止端部表面近傍の残留応力の導入に加え、折れこみ疵内部の加工硬化による疲労強度の向上が達成される。したがって、溶接止端部の疲労特性を従来よりもさらに大きく向上させることができる。すなわち、溶接部を有する鋼構造物、特に非常に大きな溶接部を有する実鋼構造物において、疲労破壊の発生確率が減少するので、これらの鋼構造物の疲労寿命をより長く延ばすことができる。 As described above, according to the ultrasonic impact treatment method according to the present embodiment, in addition to alleviating stress concentration in the structure by ultrasonic impact treatment and introducing residual stress near the surface of the weld toe, folds occur. Improvement of fatigue strength is achieved by work hardening inside the flaw. Therefore, the fatigue characteristics of the weld toe can be further improved as compared with the conventional case. That is, in a steel structure having a welded portion, particularly in an actual steel structure having a very large welded portion, the probability of occurrence of fatigue failure is reduced, so that the fatigue life of these steel structures can be extended longer.

(変形例)
次に、本実施形態の変形例について説明する。本変形例では、第2の超音波衝撃処理において、複数の第2のピン10Bを用いて、溶接止端部4が形成されている方向に沿って複数の処理痕を連続的に形成して得られる加工帯を、溶接止端部4が形成されている方向に直交する方向に沿って並列して形成する。かかる処理において、この複数の加工帯からなる加工領域において、溶接止端部4が形成されている方向に直交する方向の横断面上に、少なくとも3箇所の当該処理痕の縁が存在するように、これらの加工帯が形成される。これにより、鋼構造物の疲労寿命をさらに延ばすことが可能となる。以下、本変形例について説明する。
(Modification example)
Next, a modified example of this embodiment will be described. In this modification, in the second ultrasonic impact treatment, a plurality of second pins 10B are used to continuously form a plurality of treatment marks along the direction in which the weld toe portion 4 is formed. The obtained processing strips are formed in parallel along the direction orthogonal to the direction in which the weld toe portion 4 is formed. In such processing, in the processing region composed of the plurality of processing bands, at least three edges of the processing marks are present on the cross section in the direction orthogonal to the direction in which the welding toe portion 4 is formed. , These processed bands are formed. This makes it possible to further extend the fatigue life of the steel structure. Hereinafter, this modification will be described.

超音波衝撃処理によって金属表面に打痕(処理痕)が形成されると、処理痕の周辺部(縁)が盛り上がって形成されるとともに、当該金属表面の下層に圧縮残留応力が導入される。この圧縮残留応力は、処理痕の内部の領域において一様ではなく、処理痕の中央部よりも縁の方が高くなる傾向を示す。 When dents (treatment marks) are formed on the metal surface by ultrasonic impact treatment, the peripheral portion (edge) of the treatment marks is raised and formed, and compressive residual stress is introduced into the lower layer of the metal surface. This compressive residual stress is not uniform in the region inside the treatment mark and tends to be higher at the edge than at the center of the treatment mark.

そこで、本発明者らは、かかる処理痕の縁をより多く導入することにより、かかる圧縮残留応力をより多く金属表面の下層に導入できることに着想した。図4および図5は、溶接止端部4が形成されている方向に沿って形成される加工帯の第1の例および第2の例を説明するための図である。 Therefore, the present inventors have conceived that by introducing more edges of such treatment marks, more such compressive residual stress can be introduced into the lower layer of the metal surface. 4 and 5 are views for explaining the first example and the second example of the processing band formed along the direction in which the weld toe portion 4 is formed.

図4に示す加工帯100は、1本の第2のピン10Bを溶接止端部4に沿って超音波衝撃処理することにより得られる複数の処理痕11からなり、かかる複数の処理痕11により1条の筋状を有する。この処理痕11の周辺には、縁11aが形成されている。かかる加工帯100では、処理方向(溶接処理の方向、すなわち溶接止端部4が形成されている方向)に沿って、加工帯100の両側に、複数の処理痕11の縁11aからなる2本の直線状の縁12Aおよび12Bが形成される。 The processing band 100 shown in FIG. 4 is composed of a plurality of processing marks 11 obtained by ultrasonically impact-treating one second pin 10B along the welding toe portion 4, and the processing marks 11 are formed. It has one streak. An edge 11a is formed around the processing mark 11. In such a processing band 100, two lines including edges 11a of a plurality of processing marks 11 are formed on both sides of the processing band 100 along the processing direction (the direction of welding processing, that is, the direction in which the welding toe portion 4 is formed). Straight edges 12A and 12B are formed.

一方で、図5に示す加工領域200は、3本の第2のピン10Bを溶接止端部4に沿って超音波衝撃処理することにより得られる複数の処理痕13からなる3条の筋状の加工帯201により構成される。かかる加工領域200では、処理方向に沿って、加工領域200の両側および内部に、複数の処理痕13の縁からなる4本の直線状の縁14A〜14Dが形成される。かかる縁14Bおよび14Cは、隣り合う処理痕の縁が重なりあって形成されたものであるので、処理方向に対して直交する方向の圧縮残留応力の絶対値が増加する。これにより、図4に示した加工帯100よりも、図5に示す加工領域200の方が高い圧縮残留応力を導入することができる。したがって、先の実施形態で述べたように、折れ込み傷が発生しても、第1の超音波衝撃処理によって加工硬化され、かつ、第2の超音波衝撃処理によって、応力集中を緩和する効果、および残留圧縮応力を導入する効果が得られることに加えて、複数条の加工帯の縁の重なりにより加工帯と直角方向の圧縮残留応力の増強効果が得られる。かかる増強効果により、疲労寿命をより延ばすことが可能となる。 On the other hand, the processing region 200 shown in FIG. 5 is a three-row streak composed of a plurality of processing marks 13 obtained by ultrasonically impact-treating the three second pins 10B along the weld toe portion 4. It is composed of the processing band 201 of. In such a processing region 200, four linear edges 14A to 14D including edges of a plurality of processing marks 13 are formed on both sides and inside of the processing region 200 along the processing direction. Since the edges 14B and 14C are formed by overlapping the edges of adjacent processing marks, the absolute value of the compressive residual stress in the direction orthogonal to the processing direction increases. As a result, a higher compressive residual stress can be introduced in the processing region 200 shown in FIG. 5 than in the processing zone 100 shown in FIG. Therefore, as described in the previous embodiment, even if a fold scratch occurs, the effect of work hardening by the first ultrasonic impact treatment and relaxation of stress concentration by the second ultrasonic impact treatment. , And the effect of introducing residual compressive stress can be obtained, and the effect of enhancing the compressive residual stress in the direction perpendicular to the work zone can be obtained by overlapping the edges of the plurality of work bands. Due to such an enhancing effect, the fatigue life can be further extended.

なお、1条の加工帯が形成される場合、処理方向に対して直交する直角方向には、高々2箇所の縁が存在するのみであるが、2条以上の加工帯が形成される場合、隣接する加工帯の縁が重なるように形成すると、処理方向に対する直交方向の横断面上に3箇所以上の縁が存在し得る。本処理の際には、加工帯の縁における圧縮残留応力の効果を得るために、隣接する処理痕の縁をつぶさないように処理することが好ましい。なお、図5に示した処理痕の配列はあくまでも一例であり、処理方向に対する直交方向の横断面上に3箇所以上の縁が存在するように複数の処理痕、およびこれら複数の処理痕からなる加工帯が形成されれば、処理痕の形成位置および配列方向は特に限定されない。 When one processing band is formed, there are only two edges at most in the direction orthogonal to the processing direction, but when two or more processing bands are formed, When the edges of adjacent processing bands are formed so as to overlap each other, there may be three or more edges on the cross section in the direction orthogonal to the processing direction. In this treatment, in order to obtain the effect of compressive residual stress at the edge of the processing band, it is preferable to perform the treatment so as not to crush the edge of the adjacent processing mark. The arrangement of the processing marks shown in FIG. 5 is merely an example, and is composed of a plurality of processing marks and the plurality of processing marks so that there are three or more edges on the cross section in the direction orthogonal to the processing direction. As long as the processing band is formed, the formation position and arrangement direction of the processing marks are not particularly limited.

複数の加工帯を形成する場合、例えば、複数の第2のピン10Bを、処理方向とは平行とならない角度に配列して、溶接止端部4が形成されている方向に沿って走査させながら超音波衝撃処理を行うことにより、上述した加工帯(加工領域200)が形成される。なお、本発明はかかる例に限定されず、例えば1本の第2のピン10Bにより加工帯を形成してもよい。ただし、複数の第2のピン10Bを用いて並列的に同時に処理することにより、残留圧縮応力の増強効果が得られやすく、処理に係る時間も短くて済む。 When forming a plurality of processing bands, for example, a plurality of second pins 10B are arranged at an angle not parallel to the processing direction and scanned along the direction in which the welding toe portion 4 is formed. By performing the ultrasonic impact treatment, the above-mentioned processing zone (processing region 200) is formed. The present invention is not limited to this example, and a processed band may be formed by, for example, one second pin 10B. However, by simultaneously processing in parallel using a plurality of second pins 10B, the effect of enhancing the residual compressive stress can be easily obtained, and the processing time can be shortened.

以上、本変形例について説明した。 The present modification has been described above.

供試体であ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。 A cross-welded joint as a test piece was prepared from the following steel materials, and the service life of the joint material was evaluated by a fatigue test under various conditions to verify the effect of the present invention.

鋼材として、50k鋼(SM490、降伏強度YP=345MPa,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た。これらの鋼材の溶接方法として、被覆アーク溶接(Shielded Metal Arc Welding:SMAW、50k鋼用溶材JIS Z 3211 D4316)またはフラックス入りアーク溶接(Flux Cored Arc Welding:FCAW、50k鋼用JIS Z 3313 YFW−C50DR)を用いた。また、溶接条件は、シールドガス:炭酸ガス、予熱なし、入熱15〜20kJ/cmとした。上記鋼材を脚長7mmにて隅肉溶接し、十字溶接継手を作製し、供試体とした。 As the steel material, 50 k steel (SM490, yield strength YP = 345 MPa, tensile strength TS = 531 MPa) is used, and the plate thickness 16 mm × width 100 mm × length 700 mm is made of the same material on both central sides of the plate. A vertical plate of 100 mm × 40 mm in height was arranged in a load-non-transmission cross joint shape. Shielded Metal Arc Welding (SMAW, welded material for 50k steel JIS Z 3211 D4316) or arc welding with flux (Flux Cored Arc Welding: FCAW, JIS Z 3313 YFW-C50DR for 50k steel) as welding methods for these steel materials. ) Was used. The welding conditions were shield gas: carbon dioxide gas, no preheating, and heat input 15 to 20 kJ / cm 2 . The above steel material was fillet welded with a leg length of 7 mm to prepare a cross-welded joint, which was used as a specimen.

溶接後の供試体について、13体に対しレーザ変位計を用いて溶接止端部の曲率半径を計測した。溶接止端部の曲率半径はいずれも0.25mmであった。レーザ変位計による溶接止端部の曲率半径の計測後、これらの供試体について、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。超音波衝撃処理は、上述したように、ピン先端の曲率半径を変えて2回または1回行った。超音波衝撃処理の共通条件は、共振周波数27kHz、振幅30μm、ピン直径φ5mm、処理速度(溶接加工方向)30cm/分とした。 For the specimens after welding, the radius of curvature of the weld toe was measured for 13 specimens using a laser displacement meter. The radius of curvature of the weld toe was 0.25 mm. After measuring the radius of curvature of the weld toe with a laser displacement meter, these specimens were subjected to ultrasonic impact treatment on the weld toe. As described above, the ultrasonic impact treatment was performed twice or once by changing the radius of curvature of the pin tip. The common conditions for ultrasonic impact processing were a resonance frequency of 27 kHz, an amplitude of 30 μm, a pin diameter of φ5 mm, and a processing speed (welding direction) of 30 cm / min.

溶接後の供試体のうち10体について、超音波衝撃処理を2回行った(実施例1〜7、比較例1〜3)。残りの3体について、超音波衝撃処理を1回のみ行った(比較例4〜6)。 Ultrasonic impact treatment was performed twice on 10 of the specimens after welding (Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3). The remaining three bodies were subjected to ultrasonic impact treatment only once (Comparative Examples 4 to 6).

実施例1〜4並びに比較例1および2の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である0.25mmよりも小さい第1の曲率半径(0.2mm)を有する第1のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。その後、実施例1〜4並びに比較例1および2の供試体について、第2の曲率半径を有する第2のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。第2の曲率半径は、それぞれ5mm、2mm、1.2mm、1mm、0.8mmおよび0.5mmとした。 For the specimens of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, a first pin having a first radius of curvature (0.2 mm) smaller than 0.25 mm, which is the radius of curvature of the weld toe after welding. The weld toe was subjected to ultrasonic impact treatment using. Then, the specimens of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to ultrasonic impact treatment on the weld toe using a second pin having a second radius of curvature. The second radius of curvature was 5 mm, 2 mm, 1.2 mm, 1 mm, 0.8 mm and 0.5 mm, respectively.

実施例5〜7の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である0.25mmよりも小さい第1の曲率半径(0.2mm)を有する第1のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。その後、実施例5〜7の供試体について、第2の曲率半径を有する3本の第2のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。第2の曲率半径は、それぞれ、5mm、3mmおよび1mmとした。各実施例では、3本の第2のピンを、溶接止端部が形成されている方向に対して傾斜するように配列して当該方向に沿って走査させ、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。 For the specimens of Examples 5 to 7, a first pin having a first radius of curvature (0.2 mm) smaller than 0.25 mm, which is the radius of curvature of the weld toe after welding, is used to stop welding. The edges were subjected to ultrasonic shock treatment. Then, the specimens of Examples 5 to 7 were subjected to ultrasonic impact treatment on the weld toe using three second pins having a second radius of curvature. The second radius of curvature was 5 mm, 3 mm and 1 mm, respectively. In each embodiment, three second pins are arranged so as to be inclined with respect to the direction in which the weld toe is formed and scanned along the direction to superimpose the weld toe. It was subjected to ultrasonic shock treatment.

比較例3の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である0.25mmよりも大きい曲率半径(1.5mm)を有する第1のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。その後、当該供試体について、曲率半径が3mmである第2のピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。 For the specimen of Comparative Example 3, a first pin having a radius of curvature (1.5 mm) larger than the radius of curvature of the weld toe after welding, which is 0.25 mm, was used with respect to the weld toe. Ultrasonic impact treatment was applied. Then, the specimen was subjected to ultrasonic impact treatment on the weld toe using a second pin having a radius of curvature of 3 mm.

比較例4の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である0.25mmよりも大きい曲率半径(3mm)を有するピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。 For the specimen of Comparative Example 4, ultrasonic impact treatment was applied to the weld toe using a pin having a radius of curvature (3 mm) larger than the radius of curvature of the weld toe after welding of 0.25 mm. gave.

比較例5の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である0.25mmよりも小さい曲率半径(0.2mm)を有するピンを用いて、溶接止端部に対して超音波衝撃処理を施した。 For the specimen of Comparative Example 5, an ultrasonic impact was applied to the weld toe using a pin having a radius of curvature (0.2 mm) smaller than the radius of curvature of the weld toe after welding of 0.25 mm. Processed.

比較例6の供試体について、溶接後の溶接止端部の曲率半径である0.25mmよりも大きい曲率半径(3mm)を有する3本のピンを、溶接止端部が形成されている方向に対して傾斜するように配列して、溶接止端部上を走査させて超音波衝撃処理を施した。 Regarding the specimen of Comparative Example 6, three pins having a radius of curvature (3 mm) larger than the radius of curvature of the weld toe after welding of 0.25 mm were placed in the direction in which the weld toe was formed. The weld toe was arranged so as to be inclined, and the weld toe was scanned to perform ultrasonic impact treatment.

これら13体の供試体に対して、超音波衝撃処理を行ったのちに、疲労試験を行った。疲労試験は、軸力の引張−引張の試験とし、応力範囲ΔS=220MPa、応力比R=0.1および周波数10Hzの条件において、供試体が破断するまでの繰返し寿命回数Nを評価した。なお、繰返し回数が1000万回を超えた場合は、疲労試験を中止した。 These 13 specimens were subjected to ultrasonic impact treatment and then a fatigue test. The fatigue test was a tensile-tensile test of axial force, and the number of repeated life times N until the specimen broke was evaluated under the conditions of a stress range ΔS = 220 MPa, a stress ratio R = 0.1, and a frequency of 10 Hz. When the number of repetitions exceeded 10 million times, the fatigue test was stopped.

溶接止端部および各ピンの曲率半径、超音波衝撃処理回数、並びに疲労試験において供試体が破断するまでの繰返し寿命回数Nを表1に示す。 Table 1 shows the radius of curvature of the weld toe and each pin, the number of ultrasonic impact treatments, and the number of repeated life times N until the specimen breaks in the fatigue test.

比較例4では、供試体について、従来と同様に溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径を有するピンにより超音波衝撃処理が施された。比較例4における繰返し寿命回数Nは、2304956回であった。 In Comparative Example 4, the specimen was subjected to ultrasonic impact treatment by a pin having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe as in the conventional case. The number of repetitions N in Comparative Example 4 was 2304956.

実施例1〜4では、各供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも小さい0.2mmの曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して第1の超音波衝撃処理が施され、その後曲率半径が1mm以上であるピンにより溶接止端部に対して第2の超音波衝撃処理が施された。各実施例における繰返し寿命回数Nは、それぞれ8232021回、6350311回、3609744回、および3133090回であった。すなわち、実施例1および2においては、繰返し回数が500万回では未破断であった。以上から、実施例1〜4における構造物の疲労寿命が比較例4と比較して延びていることがわかる。これは第1の超音波衝撃処理により元の溶接止端部が加工硬化されたことにより、溶接止端部の疲労特性が向上したことによると考えられる。 In Examples 1 to 4, each specimen is subjected to the first ultrasonic impact treatment on the weld toe by a pin having a radius of curvature of 0.2 mm, which is smaller than the radius of curvature of the weld toe. After that, a second ultrasonic impact treatment was applied to the weld toe by a pin having a radius of curvature of 1 mm or more. The number of repeated life times N in each example was 823,201 times, 6350,311 times, 3609744 times, and 313,090 times, respectively. That is, in Examples 1 and 2, it was unbroken when the number of repetitions was 5 million. From the above, it can be seen that the fatigue life of the structures in Examples 1 to 4 is longer than that in Comparative Example 4. It is considered that this is because the original weld toe was work-hardened by the first ultrasonic impact treatment, and the fatigue characteristics of the weld toe were improved.

実施例5〜7では、各供試体について、実施例1〜4と同様の第1の超音波衝撃処理の後、第2の超音波衝撃処理において、3本のピンを用いて3条の加工帯が形成され、これらの加工帯と直交方向に沿った任意の横断面において、4箇所の処理痕の縁がみられた。疲労寿命は、実施例5と6では、1000万回を超え、また、実施例7では800万回以上であった。 In Examples 5 to 7, each specimen is subjected to the same first ultrasonic shock treatment as in Examples 1 to 4, and then in the second ultrasonic shock treatment, three threads are processed using three pins. Bands were formed, and four edges of the processing marks were observed in any cross section along the direction orthogonal to these processed bands. The fatigue life was more than 10 million times in Examples 5 and 6, and more than 8 million times in Example 7.

一方で、比較例1および2では、各供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも小さい0.2mmの曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して第1の超音波衝撃処理が施され、その後曲率半径が1mmより小さいピンにより溶接止端部に対して第2の超音波衝撃処理が施された。各比較例における繰返し寿命回数Nは、2360002回および1743237回であった。つまり、第2の超音波衝撃処理においてピンの曲率半径が1mmより小さいピンが用いられた場合は、繰返し寿命が比較例4と比較して同等またはそれ以下であった。 On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, for each specimen, the first ultrasonic impact treatment was applied to the weld toe by a pin having a radius of curvature of 0.2 mm, which is smaller than the radius of curvature of the weld toe. After that, a second ultrasonic impact treatment was applied to the weld toe with a pin having a radius of curvature smaller than 1 mm. The number of repetition times N in each comparative example was 2360002 times and 1743237 times. That is, when a pin having a radius of curvature smaller than 1 mm was used in the second ultrasonic impact treatment, the repeat life was equal to or less than that of Comparative Example 4.

また、実施例1〜4並びに比較例1および2を比較してみると、第2の超音波衝撃処理におけるピンの曲率半径が小さくなるにつれて、繰返し寿命回数Nが減少した。これは、第2の超音波衝撃処理におけるピンの曲率半径が小さくなることにより、溶接止端部の加工硬化による疲労強度が向上する一方で、溶接止端部の応力集中が緩和されにくいこと、および溶接止端部に導入される圧縮応力が高くならないことが原因であると考えられる。一方、第2の超音波衝撃処理に用いるピンの曲率半径を1.0mmよりさらに大きくすることにより、より疲労寿命が長く伸びることが確認された。特に、曲率半径が3mm以上であるピンを用いて第2の超音波衝撃処理(実施例1および2)が施された場合、疲労寿命の計測上限を超える結果が得られた。 Further, when Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 were compared, the number of repetitions N decreased as the radius of curvature of the pin in the second ultrasonic impact treatment decreased. This is because the radius of curvature of the pin in the second ultrasonic impact treatment is reduced, so that the fatigue strength due to work hardening of the weld toe is improved, but the stress concentration at the weld toe is difficult to be relaxed. And it is considered that the cause is that the compressive stress introduced into the weld toe does not increase. On the other hand, it was confirmed that the fatigue life was extended by increasing the radius of curvature of the pin used for the second ultrasonic impact treatment to more than 1.0 mm. In particular, when the second ultrasonic impact treatment (Examples 1 and 2) was performed using a pin having a radius of curvature of 3 mm or more, a result exceeding the measurement upper limit of the fatigue life was obtained.

比較例3では、供試体について、第1の超音波衝撃処理および第2の超音波衝撃処理において溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して各超音波衝撃処理が施された。比較例3における繰返し寿命回数Nは2308280回であった。比較例3における繰返し寿命回数Nは、比較例4における繰返し寿命回数と同等程度となった。つまり、比較例3においては、比較例4と同様に、従来の超音波衝撃処理による効果と同様の効果しか得られなかった。比較例3の供試体の溶接止端部を観察してみると、第1の超音波衝撃処理の終了後において、折れこみ疵が第1の超音波衝撃処理の実施後に生じていた。これは、溶接止端部の曲率半径よりも大きい1.5mmの曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を行ったためと考えられる。そのため、元の溶接止端部が加工硬化されず、疲労強度の向上効果が得られなかったと考えられる。したがって、疲労寿命が延びなかったと考えられる。 In Comparative Example 3, in the specimen, each ultrasonic shock treatment and the second ultrasonic shock treatment were performed with respect to the weld toe by a pin having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe. Ultrasonic impact treatment was applied. The number of repetitions N in Comparative Example 3 was 2308280. The number of repetitions N in Comparative Example 3 was about the same as the number of repetitions in Comparative Example 4. That is, in Comparative Example 3, similarly to Comparative Example 4, only the same effect as the effect of the conventional ultrasonic impact treatment was obtained. When observing the weld toe portion of the specimen of Comparative Example 3, a fold flaw was generated after the first ultrasonic impact treatment was performed after the completion of the first ultrasonic impact treatment. It is considered that this is because the ultrasonic impact treatment was performed using a pin having a radius of curvature of 1.5 mm, which is larger than the radius of curvature of the weld toe. Therefore, it is considered that the original weld toe was not work-hardened and the effect of improving the fatigue strength could not be obtained. Therefore, it is considered that the fatigue life was not extended.

比較例5では、供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンにより溶接止端部に対して超音波衝撃処理が1回のみ施された。比較例5における繰返し寿命回数Nは、750520回であった。比較例5における繰返し寿命回数Nは、比較例4と比較して顕著に少ない。比較例5の供試体の溶接止端部を観察してみると、折れこみ疵が生じていなかった。これは、溶接止端部の曲率半径よりも小さい0.2mmの曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を行ったためと考えられる。超音波衝撃処理の結果、溶接止端部が加工硬化され、疲労強度は向上したものと考えられる。しかし、溶接止端部の曲率半径よりも小さい曲率半径を有するピンを用いて超音波衝撃処理を行ったため、上述したように溶接止端部の応力集中が緩和されていなかったと考えられる。このため比較例4と比較して疲労寿命が顕著に低くなったものと考えられる。 In Comparative Example 5, the specimen was subjected to ultrasonic impact treatment only once on the weld toe by a pin having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe. The number of repetitions N in Comparative Example 5 was 750520 times. The number of repetition times N in Comparative Example 5 is significantly smaller than that in Comparative Example 4. When observing the weld toe of the specimen of Comparative Example 5, no creases were found. It is considered that this is because the ultrasonic impact treatment was performed using a pin having a radius of curvature of 0.2 mm, which is smaller than the radius of curvature of the weld toe. As a result of the ultrasonic impact treatment, it is considered that the weld toe was work-hardened and the fatigue strength was improved. However, it is probable that the stress concentration at the weld toe was not relaxed as described above because the ultrasonic impact treatment was performed using a pin having a radius of curvature smaller than the radius of curvature of the weld toe. Therefore, it is considered that the fatigue life is remarkably lowered as compared with Comparative Example 4.

比較例6では、供試体について、溶接止端部の曲率半径よりも大きい曲率半径である3mmのピンを3本用いて3条の加工帯を形成したが、第2の超音波衝撃処理は行わなかった。その結果、比較例5における繰返し寿命回数Nは、2993855回であった。曲率半径3mmのピンを1本のみ用いて超音波衝撃処理を施した比較例4と当該結果とを比較しても、大きな改善が見られていない。比較例6の供試体の溶接止端部を観察してみると、折れ込み傷の下部の溶接止端部が加工硬化されていなかった。そのため、疲労強度の向上効果が得られなかったと考えられる。 In Comparative Example 6, three processed bands were formed on the specimen by using three pins having a radius of curvature larger than the radius of curvature of the weld toe, but the second ultrasonic impact treatment was performed. There wasn't. As a result, the number of repetitions N in Comparative Example 5 was 2993855. Even when the result of Comparative Example 4 in which the ultrasonic impact treatment was performed using only one pin having a radius of curvature of 3 mm was compared, no significant improvement was observed. When observing the weld toe of the specimen of Comparative Example 6, the weld toe at the bottom of the fold scratch was not work-hardened. Therefore, it is considered that the effect of improving the fatigue strength could not be obtained.

なお、本実施例においては、超音波衝撃処理前の溶接止端部の曲率半径が0.25mmである構造物を用いて試験を行ったが、一般的に、溶接ままの溶接止端部の曲率半径は、0.2mm〜1.0mmの範囲にある。したがって、本実施例において、溶接ままの溶接止端部の計測され得る曲率半径の最小値である0.2mmの曲率半径を有する第1のピンを用いた超音波衝撃処理により疲労寿命の向上効果が示されたので、0.25mm以外の曲率半径を有する溶接止端部についても、疲労寿命の向上に関する効果が得られるものと考えられる。 In this embodiment, the test was carried out using a structure having a radius of curvature of the weld toe portion of 0.25 mm before the ultrasonic impact treatment, but in general, the weld toe portion as welded is used. The radius of curvature is in the range of 0.2 mm to 1.0 mm. Therefore, in this embodiment, the effect of improving the fatigue life by ultrasonic impact treatment using the first pin having a radius of curvature of 0.2 mm, which is the minimum value of the radius of curvature that can be measured at the weld toe as it is welded. Therefore, it is considered that the effect of improving the fatigue life can be obtained even for the weld toe having a radius of curvature other than 0.25 mm.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited to such examples. It is clear that a person having ordinary knowledge in the field of technology to which the present invention belongs can come up with various modifications or modifications within the scope of the technical ideas described in the claims. , These are also naturally understood to belong to the technical scope of the present invention.

1 母材(鋼板)
2 溶接金属(溶接ビード)
3 空間
4 超音波衝撃処理前の溶接止端部(元の溶接止端部)
5 塑性流動後の母材と溶接金属との表面上での接触点
6 折れこみ疵
7 深部領域
10 ピン
11、13 処理痕
12、14 処理痕の縁
100、201 加工帯
200 加工領域
1 Base material (steel plate)
2 Welded metal (welded bead)
3 Space 4 Weld toe before ultrasonic impact treatment (original weld toe)
5 Contact point on the surface between the base metal and the weld metal after plastic flow 6 Folded flaw 7 Deep region 10 Pin 11, 13 Treatment mark 12, 14 Treatment mark edge 100, 201 Processing band 200 Processing area

Claims (4)

溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に対してピンを当接させて超音波衝撃を与えることにより前記溶接止端部の疲労強度を向上させる超音波衝撃処理方法であって、
前記溶接止端部の曲率半径以下である第1の曲率半径を有する第1のピンを用いて第1の超音波衝撃処理を施す工程と、
前記第1の超音波衝撃処理のあとに、1.0mm以上である第2の曲率半径を有する第2のピンを用いて第2の超音波衝撃処理を施す工程と、
を有する超音波衝撃処理方法。
An ultrasonic impact treatment method for improving the fatigue strength of a weld toe by bringing a pin into contact with the weld toe of a steel structure having a weld and applying an ultrasonic impact.
A step of performing a first ultrasonic impact treatment using a first pin having a first radius of curvature that is equal to or less than the radius of curvature of the weld toe.
After the first ultrasonic shock treatment, a second ultrasonic shock treatment is performed using a second pin having a second radius of curvature of 1.0 mm or more.
Ultrasonic shock treatment method having.
前記第2の曲率半径が3.0mm以上である、請求項1に記載の超音波衝撃処理方法。 The ultrasonic impact treatment method according to claim 1, wherein the second radius of curvature is 3.0 mm or more. 前記第1の超音波衝撃処理の前に、前記溶接止端部の前記曲率半径を計測する、請求項1または2に記載の超音波衝撃処理方法。 The ultrasonic impact treatment method according to claim 1 or 2, wherein the radius of curvature of the weld toe is measured before the first ultrasonic shock treatment. 前記第2の超音波衝撃処理において、前記溶接止端部が形成されている方向に沿って複数の処理痕を連続的に形成して得られる加工帯を、前記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向に沿って並列して形成し、
複数の前記加工帯からなる加工領域において、前記溶接止端部が形成されている方向に直交する方向の横断面上に、少なくとも3箇所の前記処理痕の縁が存在する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の超音波衝撃処理方法。
In the second ultrasonic impact treatment, the weld toe is formed on a processing zone obtained by continuously forming a plurality of treatment marks along the direction in which the weld toe is formed. Formed in parallel along the direction orthogonal to the direction in which they are
Claims 1 to 3 include at least three edges of the processing marks on a cross section in a direction orthogonal to the direction in which the welding toe is formed in a processing region composed of the plurality of processing bands. The ultrasonic impact treatment method according to any one of the above items.
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