JP6841378B2 - 溶接継手の耐疲労特性向上方法 - Google Patents
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Description
本発明は、船舶、建築、橋梁、各種機械等の溶接構造物を建造、製造する際に、構造部材を溶接することによって形成される溶接継手の耐疲労特性を向上させ、ひいては溶接構造物として耐疲労特性を向上させる方法に関するものである。
近年、老朽化した溶接構造物の耐疲労特性の劣化に伴って、溶接構造物を構成する構造部材や溶接継手が疲労によって損傷した事例の報告が増加している。このような耐疲労特性の劣化に起因する損傷を防止するためには、まず定期検査を行なう体制を確立して、微小な損傷を早期に発見することが重要である。また、特に溶接継手については溶接構造物を建造、製造する段階で耐疲労特性を向上させる必要がある。
溶接構造物の構造部材を溶接して得られる溶接継手において、溶接金属内に欠陥（たとえば割れ等）が生じた場合は、溶接構造物に作用する繰り返し応力と、溶接の施工による残留応力とが重畳して、溶接金属に疲労亀裂が発生し、さらにその疲労亀裂が溶接金属から溶接継手全体に進行し易くなる。また、溶接ビードが滑らかに形成されなかった場合は、溶接ビードの止端部（以下、溶接止端部という）に応力集中が発生する。その結果、溶接止端部に疲労亀裂が発生し易くなり、さらにその疲労亀裂が溶接止端部から溶接継手全体に進行するのは避けられない。そして、疲労亀裂が進行すれば、溶接継手の疲労破壊、ひいては溶接構造物の疲労破壊を引き起こす。
そこで、溶接構造物の疲労破壊を防止するために、溶接継手の周辺、とりわけ表面を改質する技術（いわゆるピーニング）を施して、溶接継手の耐疲労特性を向上させる技術が検討されている。
たとえば特許文献１には、溶接止端部を100℃以上400℃未満に加熱して超音波ピーニングを施し、引き続き、溶接止端部を温間で保持して時効熱処理を施した後に徐冷することによって、溶接構造物の溶接継手の耐疲労特性を向上させる技術が開示されている。しかし特許文献１には、超音波ピーニングを施した後の時効熱処理の温度は記載されておらず、しかも徐冷についても具体的な説明は記載されていない。したがって特許文献１に記載された技術を溶接構造物の溶接継手に適用して、溶接ビードに沿った耐疲労特性の局所的な変動を抑えて、耐疲労特性を均等に向上させるのは極めて困難である。
また特許文献２には、溶接止端部から離れた構造部材の表面の一部を、その表面に対して垂直に塑性変形させて、溶接止端部に圧縮の残留応力を導入することによって、溶接継手の耐疲労特性を向上させる技術が開示されている。しかしこの技術では、残留応力が均等に分布せず、耐疲労特性が局所的に変動し易くなる。
特許文献３には、チッパーを用いて溶接止端部の近傍に複数個の打撃痕からなる帯状の塑性変形領域を形成することによって、溶接継手の耐疲労特性を向上させる技術が開示されている。しかしこの技術では、特許文献２に開示された技術と同様に、耐疲労特性が局所的に変動する問題が生じる。
特許文献４には、ハンマーピーニングまたは超音波ピーニングを用いて溶接ビードに沿って打撃痕を連続的に形成することによって、溶接継手の耐疲労特性を向上させる技術が開示されている。しかしこの技術でも、特許文献２に開示された技術と同様に、耐疲労特性が局所的に変動する問題が生じる。
本発明は、従来の技術の問題点を解消し、溶接構造物を構成する構造部材を溶接することによって形成される溶接継手の耐疲労特性を、溶接ビードに沿って均等に向上させ、ひいては溶接構造物の耐疲労特性を向上させることが可能な溶接継手の耐疲労特性向上方法を提供することを目的とする。
本発明者は、溶接継手の耐疲労特性を溶接ビードに沿って均等に向上させる方法を検討した。溶接止端部が疲労亀裂の起点となることから、溶接止端部及び／又は溶接止端部に近接する構造部材の表面に圧縮の残留応力を発生させ、さらにその残留応力を均等に分布させる方法について詳細に研究した。そして、所定の条件でピーニングと時効熱処理を組み合わせることによって、上記した課題を解決できることを見出した。
つまり、室温で溶接止端部及び／又は溶接止端部に近接する構造部材の表面にピーニングを施すことによって圧縮の残留応力を発生させた後、溶接継手に時効熱処理を施すことによって残留応力の局所的な変動を解消すれば、溶接継手の耐疲労特性を溶接ビードに沿って均等に向上させることができる。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。
すなわち本発明は、溶接構造物を構成する構造部材を溶接して得られる溶接継手の溶接止端部及び／又は溶接止端部に近接する構造部材の表面に室温でピーニングを施し、次いで、溶接継手を２５０〜４４０℃の温度範囲で３０〜３６００秒保持した後に空冷する時効熱処理を施す耐疲労特性向上方法である。
すなわち本発明は、溶接構造物を構成する構造部材を溶接して得られる溶接継手の溶接止端部及び／又は溶接止端部に近接する構造部材の表面に室温でピーニングを施し、次いで、溶接継手を２５０〜４４０℃の温度範囲で３０〜３６００秒保持した後に空冷する時効熱処理を施す耐疲労特性向上方法である。
本発明の耐疲労特性向上方法においては、ピーニングによって溶接止端部及び／又は当該溶接止端部に近接する構造部材の表面に１ケ所以上の圧痕を形成することが好ましい。
本発明によれば、溶接構造物を構成する構造部材の接継手の耐疲労特性を、溶接ビードに沿って均等に向上させ、ひいては溶接構造物の耐疲労特性を向上させることが可能となり、産業上格段の効果を奏する。
なお、本発明でいう「室温」とは0〜40℃の範囲をいう。
なお、本発明でいう「室温」とは0〜40℃の範囲をいう。
本発明では、溶接構造物を構成する構造部材の溶接継手の溶接止端部、又は構造部材の表面、特に溶接継手の溶接止端部に近接する領域内に、まずピーニングを施す。ピーニングの手段は特に限定せず、従来から知られている方法（たとえば超音波ピーニング、ハンマーピーニング、ショットピーニング、レーザーピーニング等）を使用する。
ピーニングは、室温で、溶接止端部及び／又は溶接止端部に近接する領域内に沿って行なう。あるいは、溶接構造物の設計段階で、特定の溶接継手の溶接止端部で疲労亀裂の発生が予想される場合は、その部位及び／又は近接する部位にピーニングを施しても良い。なお、近接する領域内にピーニングを施す場合、鋼材１側の溶接止端部から100mm以内の帯状の領域内にピーニングを施すことが好ましい。
ピーニングに関するその他の条件は特に限定せず、溶接構造物の種類（たとえば、船舶、建築、橋梁、各種機械等）、ならびに、溶接構造物に占める溶接継手の位置や溶接継手に作用する負荷などに応じて適宜設定する。室温でピーニングを行なうことによって、溶接止端部又は上記した帯状の領域内に塑性変形（たとえば圧痕等）を発生させ、その結果、圧縮の残留応力を発生させることができる。ピーニングは超音波ピーニングやハンマーピーニングの他にショットピーニング、レーザーピーニング等で行っても良い。
ただし、圧痕による塑性変形を付与する箇所が溶接ビード及び／又は上記した帯状の領域内にて１ケ所のみでは、溶接ビード及び／又は上記した帯状の領域内に残留応力を均等に発生させることは難しい。したがって、溶接止端部及び／又は上記した帯状の領域内に１ケ所以上の圧痕を形成することが好ましい。ただし、圧痕を複数ケ所に形成する場合は、圧痕の深さや大きさに応じて残留応力が各圧痕毎に変動する惧れがある。
そこで、溶接止端部及び／又は溶接止端部に近接する構造部材の表面にピーニングを施した後、溶接継手に時効熱処理を施す。時効熱処理によって、残留応力を溶接止端部に沿って均等に分布させることができる。時効熱処理における保持温度が２５０℃未満であると、残留応力を均等に分布させる効果が得られない。保持温度が４４０℃より大きいと、残留応力が解放されて、ピーニングの効果が得られない。したがって、時効熱処理の保持温度は２５０〜４４０℃の範囲とする。なお、時効熱処理は、継手や構造部材の場合は大型の大気炉によって行えば良く、溶接構造物の場合にはリボンヒーターによって行えば良い。
また、時効熱処理における保持時間が３０秒未満であると、残留応力を均等に分布させる効果が得られない。したがって、時効熱処理の保持時間は３０秒以上とする。一方で、保持時間が３６００秒より長すぎると、残留応力が解放されて、ピーニングの効果が得られない。したがって、時効熱処理の保持温度は３０〜３６００秒の範囲が一層好ましい。このように、従来とは異なり、上述した保持温度及び保持時間による時効熱処理がピーニング後に行われることにより、確実に時効熱処理による耐疲労特性の向上を図ることができる、という点で有利な効果を奏するものである。
時効熱処理は、ピーニングによって圧痕を１ケ所のみ形成する場合、および、２ケ所以上形成する場合のいずれにおいても、残留応力を溶接止端部に沿って均等に分布させ、ひいては耐疲労特性を溶接ビードに沿って均等に向上させるという効果を発揮する。
溶接継手の加熱保持が終了した後、溶接継手を大気中で放冷（いわゆる空冷）して大気温度（いわゆる室温）まで冷却する。
こうして溶接継手に時効熱処理を施すことによって、圧縮の残留応力を溶接ビードに沿って均等に分布させることが可能となり、その結果、溶接継手の耐疲労特性を均等に向上させることが可能となる。なお、時効熱処理において溶接継手を加熱する手段は特に限定せず、従来から知られている方法（たとえば加熱炉、ガス加熱装置、誘導加熱装置、通電加熱装置、リボンヒーター等）を使用する。また、溶接継手の温度を測定する手段も特に限定せず、従来から知られている方法（たとえば熱電対、放射温度計等）を使用する。
（実施例１）
図１、図２に示すように、SM490Y相当の鋼板１（幅150mm、長さ500mm、板厚12mm）にSM490Y相当のリブ２（幅75mm、長さ50mm、板厚12mm）を回し溶接して、溶接継手を１２個製作した。回し溶接は、MXZ200相当のワイヤ（直径1.2mm）を使用し、炭酸ガスアーク溶接（電流240Ａ、電圧30Ｖ、速度40cm／分、入熱10.8kJ／cm）で行なった。
図１、図２に示すように、SM490Y相当の鋼板１（幅150mm、長さ500mm、板厚12mm）にSM490Y相当のリブ２（幅75mm、長さ50mm、板厚12mm）を回し溶接して、溶接継手を１２個製作した。回し溶接は、MXZ200相当のワイヤ（直径1.2mm）を使用し、炭酸ガスアーク溶接（電流240Ａ、電圧30Ｖ、速度40cm／分、入熱10.8kJ／cm）で行なった。
こうした得られた１２個の溶接継手のうち、１１個について、溶接ビード３の溶接止端部に沿って室温で超音波ピーニング、ハンマーピーニング、ショットピーニング、レーザーピーニングを施した。さらに、その１２個の溶接継手のうち、９個について、時効熱処理を施した。ピーニングの種類と時効熱処理の組み合わせは、表１に示す通りである。なお以下では、ピーニングを施した後の保持温度あるいは保持時間が本発明の範囲を満たさない例についても時効熱処理と記す。
次いで、１２個の溶接継手（記号Ａ〜Ｌ）の夫々に対して、鋼板１の両端を把持しながら、リブ２の長手方向（図２中のＬ方向）に繰り返し応力を負荷して疲労試験を大気中で行なった。疲労試験は、油圧サーボ式の疲労試験機を使用して荷重制御で行ない、負荷形式はＬ方向の単軸引張、応力比は0.1、周波数は20Hz、負荷波形は正弦波、試験温度は室温とした。
こうして疲労試験を行なって、200MPaの応力振幅を加えて破断したときの繰り返し回数（以下、破断繰り返し数という）を測定した。その結果を表１に併せて示す。
表１から明らかなように、発明例である継手記号Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉは、いずれも破断繰り返し数が100万回を大幅に超えており、優れた耐疲労特性を備えている。
比較例である継手記号Ａは、ピーニングと時効熱処理を省略した例であり、破断繰り返し数が最も低く、20万回を下回っている。継手記号Ｂ、Ｃは、時効熱処理を省略した例であり、破断繰り返し数が100万回を下回った。継手記号Ｊ〜Ｌは、時効熱処理を行なったものの、保持温度あるいは保持時間が本発明の範囲を外れる例であり、破断繰り返し数が100万回を下回った。
（実施例２）
図１、図２に示すように、SM490Y相当の鋼板１（幅150mm、長さ500mm、板厚12mm）にSM490Y相当のリブ２（幅75mm、長さ50mm、板厚12mm）を回し溶接して、溶接継手を１２個製作した。回し溶接は、MXZ200相当のワイヤ（直径1.2mm）を使用し、炭酸ガスアーク溶接（電流240Ａ、電圧30Ｖ、速度40cm／分、入熱10.8kJ／cm）で行なった。
図１、図２に示すように、SM490Y相当の鋼板１（幅150mm、長さ500mm、板厚12mm）にSM490Y相当のリブ２（幅75mm、長さ50mm、板厚12mm）を回し溶接して、溶接継手を１２個製作した。回し溶接は、MXZ200相当のワイヤ（直径1.2mm）を使用し、炭酸ガスアーク溶接（電流240Ａ、電圧30Ｖ、速度40cm／分、入熱10.8kJ／cm）で行なった。
こうした得られた１２個の溶接継手のうち、１１個について、溶接ビード３の溶接止端部から100mm以内の領域内（すなわち鋼板１の表面）に室温で超音波ピーニング、ハンマーピーニング、ショットピーニング、レーザーピーニングを施した。さらに、その１１個の溶接継手のうち、９個について、時効熱処理を施した。ピーニングの種類と時効熱処理の組み合わせは、表２に示す通りである。なお以下では、ピーニングを施した後の保持温度あるいは保持時間が本発明の範囲を満たさない例についても時効熱処理と記す。
次いで、１２個の溶接継手（記号Ｍ〜Ｘ）の夫々に対して、鋼板１の両端を把持しながら、リブ２の長手方向（図２中のＬ方向）に繰り返し応力を負荷して疲労試験を大気中で行なった。疲労試験は、油圧サーボ式の疲労試験機を使用して荷重制御で行ない、負荷形式はＬ方向の単軸引張、応力比は0.1、周波数は20Hz、負荷波形は正弦波、試験温度は室温とした。
こうして疲労試験を行なって、200MPaの応力振幅を加えて破断したときの繰り返し回数（以下、破断繰り返し数という）を測定した。その結果を表２に併せて示す。
表２から明らかなように、発明例である継手記号Ｐ〜Ｕは、いずれも破断繰り返し数が100万回を大幅に超えており、優れた耐疲労特性を備えている。
比較例である継手記号Ｍは、ピーニングと時効熱処理を省略した例であり、破断繰り返し数が最も低く、20万回を下回っている。継手記号Ｎ、Ｏは、時効熱処理を省略した例であり、破断繰り返し数が100万回を下回った。継手記号Ｖ〜Ｘは、時効熱処理を行なったものの、保持温度あるいは保持時間が本発明の範囲を外れる例であり、破断繰り返し数が100万回を下回った。
なお、実施例１は溶接継手の溶接止端部を対象とし、実施例２は溶接止端部に近接する構造部材を対象とする場合について例示しているが、溶接止端部及び溶接止端部に近接する構造部材の双方に、ピーニング処理後２５０〜４４０℃の温度範囲で３０〜３６００秒保持した後に空冷する時効熱処理を施した場合にも同様の効果を得ることができる。
１ 鋼板
２ リブ
３ 溶接ビード
２ リブ
３ 溶接ビード
Claims (2)
- 溶接構造物を構成する構造部材を溶接して得られる溶接継手の溶接止端部及び／又は前記溶接止端部に近接する前記構造部材の表面に室温でピーニングを施し、次いで、前記溶接継手を２５０〜４４０℃の温度範囲で３０〜３６００秒保持した後に空冷する時効熱処理を施す溶接継手の耐疲労特性向上方法。
- 前記ピーニングによって前記溶接止端部及び／又は前記溶接止端部に近接する前記構造部材の前記表面に１ケ所以上の圧痕を形成する請求項１に記載の溶接継手の耐疲労特性向上方法。
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