JP6866900B2 - レーザピーニングの評価方法および施工方法、並びに溶接接合構造体 - Google Patents

Description

本発明は、レーザピーニングの評価方法および施工方法、並びに溶接接合構造体に関する。

近年、鋼構造物や金属製品に加わる応力または熱の繰り返しに起因する金属疲労による破損事故（特に、溶接部が起点）が多数発生している。このような状況の中、鋼構造物等の疲労強度（疲労寿命）を向上させる技術が必要とされている。

従来、鋼構造物等の疲労強度を向上させる技術として、特許文献１に示されるハンマーピーニングや超音波ピーニングがある。ハンマーや超音波を用いて鋼材の表面を打撃し、鋼材の表面に圧縮残留応力を導入し、疲労強度を向上させる技術である。この技術を用いれば、鋼構造物等の疲労強度（疲労寿命）の飛躍的な向上効果が期待できる。そして、ハンマーピーニングを施工した際の疲労強度向上効果については、特許文献２に示すように、打撃痕の形状と圧縮残留応力との関係性から評価することができる。

ただし、ハンマーピーニングや超音波ピーニングは、高強度鋼に対しては充分な打撃痕を与えて適切な疲労強度向上効果を得ることが困難であることや、施工する際に騒音や振動が発生することなどの問題点がある。

そこで、特許文献３に示されるような、レーザを用いたピーニング（レーザピーニング）が提案されている。鋼材の表面にレーザパルスを照射して、鋼材の表面に圧縮残留応力を与え、疲労強度を向上させる技術である。レーザピーニングを用いれば、高強度鋼も含めて鋼材の強度に関係なく疲労強度向上効果を得ること可能であるとともに、施工する際の騒音や振動の発生も大幅に低減することができる。

なお、後述する［課題を解決するための手段］、［発明を実施するための形態］の欄で、下記の非特許文献１、非特許文献２を引用するので、ここに併せて記載しておく。

特開２００６−１７５５１２号公報 特開２０１４−１４８３１号公報 特開２０１７−３５７１２号公報

崎野良比呂ら：レーザピーニングを大型構造物に適用するための基礎的検討、溶接学会論文集、３１、４（２０１４） 崎野良比呂ら：レーザピーニングを各種構造用鋼への適用に関する基礎的検討、鋼構造論文集、第１８巻第６９号（２０１１／３）

しかしながら、レーザピーニングの場合、以下のような問題点がある。

すなわち、レーザピーニングによる鋼材表面の変形量は極めて小さく、１０μｍ程度であるため、ハンマーピーニングのような鋼材表面の打撃痕（変形量）によって、施工の良否（圧縮残留応力の導入量、疲労強度の向上効果）を評価することは難しい。

実験室であれば、試験材を用いて、Ｘ線によって圧縮残留応力の導入量を測定したり、疲労試験機によって疲労強度の向上効果を測定したりすることができるが、工事現場や工場等ではそれは難しい。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、工事現場や工場等であっても、レーザピーニングの施工の良否を的確に評価することができるレーザピーニングの評価方法および施工方法、並びに当該施工方法により得られる溶接接合構造体を提供することを目的とするものである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、非特許文献２に示されるように、レーザピーニングを施工すると、表面硬化が起こることに着目した。そして、この性質を利用して、レーザピーニングの施工の前と後で、表面の硬度（以下、単に「硬度」という）を測定すれば、レーザピーニングの施工の良否（レーザピーニングの効果が発現されているか否か）を評価することができると考えた。しかも、近年では、小型で可搬式のビッカース硬度試験機等も販売されているので、それらを用いれば、工事現場や工場等であっても、容易にレーザピーニングの施工の良否を評価することができる。

本発明は、上記のような考え方に基づいており、以下のような特徴を備えている。

［１］レーザピーニングの施工において、施工対象材について、溶接部および溶接熱影響部を除いて、レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、レーザピーニングを施工した個所の硬度とを測定し、その測定結果に基づいて、レーザピーニングの施工の良否を評価することを特徴とするレーザピーニングの評価方法。

［２］前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、前記レーザピーニングを施工した個所の硬度とを、同一個所で測定することを特徴とする前記［１］に記載のレーザピーニングの評価方法。

［３］前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、前記レーザピーニングを施工した個所の硬度とを、溶接部のビード止端からの距離を同じくする別の位置で測定することを特徴とする前記［１］に記載のレーザピーニングの評価方法。

［４］前記レーザピーニングを施工した個所の硬度が、前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度に比べて、予め定めた閾値以上上昇している場合に、レーザピーニングの施工は良好であると評価することを特徴とする前記［１］から［３］までのいずれかに記載のレーザピーニングの評価方法。

［５］前記閾値を以下の式で計算される値とすることを特徴とする前記［４］に記載のレーザピーニングの評価方法。
Ａ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ^２以下の場合
ΔＨｖｓ＝５＋０．０３×（７８０−Ｓｙ）
Ｂ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ^２を超える場合
ΔＨｖｓ＝５
ここで、ΔＨｖｓ：ビッカース硬度による閾値（Ｈｖ）
Ｓｙ：施工対象材の公称引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２）

［６］前記［１］〜［５］のいずれかに記載のレーザピーニングの評価方法によって、レーザピーニングの施工は良好であると評価されなかった場合は、レーザピーニングの施工を繰り返すことを特徴とするレーザピーニングの施工方法。

［７］レーザピーニングの施工された溶接部を有する溶接接合構造体であって、溶接部および溶接熱影響部を除いて、前記レーザピーニングを施工した個所の硬度Ｈｖｂと、前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度Ｈｖａの差が、
Ａ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ^２以下の場合
Ｈｖｂ−Ｈｖａ≧５＋０．０３×（７８０−Ｓｙ）
Ｂ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ^２を超える場合
Ｈｖｂ−Ｈｖａ≧５
ここで、Ｈｖｂ−Ｈｖａ：ビッカース硬度による硬度差（Ｈｖ）
Ｓｙ：施工対象材の公称引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２）
を満たす溶接接合構造体。

［８］前記レーザピーニングを施工した個所と、前記レーザピーニングを施工していない個所とは、溶接部のビード止端からの距離を同じくする別の位置である前記［７］に記載の溶接接合構造体。

本発明においては、工事現場や工場等であっても、レーザピーニングの施工の良否を的確に評価することができる。

本発明の一実施形態における評価手順を示す図である。 本発明の一実施形態における評価手順を示す図である。 本発明の一実施形態における評価手順を示す図である。 本発明の一実施形態における評価手順を示す図である。 本発明の一実施形態で対象とした隅肉溶接構造を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

なお、ここでは、図５に示すような、構造部材（例えば、鋼板）１の表面に補助部材（例えば、ガセットプレート）２を隅肉溶接で接合した隅肉溶接構造において、溶接部３（特に、回し溶接部３ａ）を含めて構造部材１をレーザピーニングの施工対象材にして、レーザピーニングを施工する場合を例にして述べる。

本発明の一実施形態においては、図１〜図４に示すように、以下の（Ｓ１）〜（Ｓ５）の手順で、レーザピーニングの施工の良否を評価するようにしている。なお、図１〜図４において、それぞれ、（ａ）は構造部材１の表面に直交する方向から見た図であり、（ｂ）は補助部材２の表面に直交する方向から見た図である。

（Ｓ１）レーザピーニング施工予定領域の設定
まず、図１に破線で示すように、レーザピーニングの施工対象材（溶接部３を含めて構造部材１）に対して、レーザピーニングを施工する領域（レーザピーニング施工予定領域）１１を設定する。

その際には、疲労強度を向上させたい個所、施工対象材の材質・強度、レーザピーニングの条件（レーザパルスのエネルギー、照射径、照射密度等）等を考慮して、レーザピーニング施工予定領域１１を設定すればよいが、ここでは、非特許文献１に、溶接部３の幅（ビード幅）の３倍程度以上の範囲で施工を行うことで、十分な疲労強度の向上が得られることが示されているので、例えば、レーザピーニング施工予定領域１１として、図１（ａ）に示すａ寸法とｂ寸法を下記（１）式、（２）式のようにしている。なお、式中のｗは溶接部３の幅、ｔは補助部材２の板厚である。
ａ＝３×ｗ ・・・（１）
ｂ＝３×ｗ＋ｔ＋３×ｗ ・・・（２）

（Ｓ２）レーザピーニング施工前の硬度の測定
次に、図２に示すように、レーザピーニング施工予定領域１１内の所定の個所１３をレーザピーニング施工前の硬度の測定個所として設定し、ビッカース試験機（図示せず）で硬度を測定する。その測定結果（施工前ビッカース硬度）をＨｖａとする。なお、工事現場や工場等で測定する場合は、小型で可搬式のビッカース試験機を用いればよい。硬度は、施工対象材の表面、特に構造部材１の表面の硬度を測定すればよい。

なお、ここでは、硬度測定個所１３は、溶接部３と溶接熱影響部４を除いた個所で、かつ、回し溶接部３ａ先端のビード止端に出来るだけ近い個所としている。例えば、ビード止端からの距離ｓが５ｍｍ程度の位置である。これは、回し溶接部３ａ先端のビード止端が亀裂発生の起点になる可能性が非常に高いからである。

ちなみに、硬度測定個所１３として溶接部３と溶接熱影響部４を除いているのは、溶接部３と溶接熱影響部４は溶接によって硬度が母材より上昇している個所であり、レーザピーニングの施工による硬度の上昇を正確に評価し難いからである。

（Ｓ３）レーザピーニングの施工
次に、図３に示すように、レーザピーニング施工予定領域１１に対して、レーザピーニングの施工を行う。これによって、レーザピーニング施工予定領域１１はレーザピーニング施工実施領域１２ということになる。

（Ｓ４）レーザピーニング施工後の硬度の測定
次に、図４に示すように、レーザピーニング施工実施領域１２内となった硬度測定個所１３について、ビッカース硬度試験機（図示せず）で硬度を測定する。その測定結果（施工後ビッカース硬度）をＨｖｂとする。なお、上記（Ｓ２）と同様に、工事現場や工場等で測定する場合は、小型で可搬式のビッカース試験機を用いればよい。

（Ｓ５）レーザピーニングの施工の評価
そして、下記（３）式に示すように、レーザピーニング施工前のビッカース硬度Ｈｖａと、レーザピーニング施工後のビッカース硬度Ｈｖｂとを比べて、その上昇量ΔＨｖを求め、下記（４）式に示すように、上昇量ΔＨｖが、予め定めた閾値ΔＨｖｓ以上の場合に、レーザピーニングの施工は良好であると評価する。
ΔＨｖ＝Ｈｖｂ−Ｈｖａ ・・・（３）
ΔＨｖ≧ΔＨｖｓ ・・・（４）

一方、上昇量ΔＨｖが閾値ΔＨｖｓ未満の場合、すなわち、レーザピーニングの施工は良好でないと評価された場合は、当初の施工前ビッカース硬度Ｈｖａに対する上昇量ΔＨｖが閾値ΔＨｖｓ以上になるまで、レーザピーニングの施工（（Ｓ３）〜（Ｓ５））を繰り返す。

ここで、閾値ΔＨｖｓについては、施工対象材の材質・強度、レーザピーニングの条件（レーザパルスのエネルギー、照射径、照射密度等）等を考慮して、設定すればよいが、ここでは、以下のようにして設定している。

表１は、非特許文献２に記載されている試験データを抜粋したものである。試験体の鋼種をＬＹ（低降伏点鋼）、ＳＭ４００、ＳＭ４９０、ＨＴ７８０とし、レーザピーニングによる試験体表面の残留応力の増加量（導入残留応力量）Δσ_ηと、ビッカース硬度の上昇量ΔＨｖを示している。なお、Δσ_ηは試験体の溶接ビードと直交する方向の残留応力の増加量である。Δσ_ηの値がマイナスになっているのは、圧縮残留応力が増加したことを示している。なお、レーザパルスのエネルギーは２００ｍＪ、照射径０．８ｍｍ、照射密度３６００Ｐｕｌｓｅ／ｃｍ^２である。

表１から、５Ｈ_Ｖ以上のビッカース硬度の上昇量があれば、１００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が増加・導入できていることが確認できる。しかしながら、硬度の上昇量は施工対象材（ここでは、鋼材）の強度に反比例しており、鋼材の強度に応じた評価が必要である。そこで、ここでは、閾値ΔＨｖｓについては、下記（５）式によって計算される値としている。
ΔＨｖｓ＝５＋０．０３×（７８０−Ｓｙ） ・・・（５）
ここで、ΔＨｖｓ：ビッカース硬度による閾値（Ｈｖ）
Ｓｙ：施工対象材の公称引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２）

ここで、式（５）で計算が有効なＳｙの値は、７８０Ｎ／ｍｍ^２以下であり、それよりも大きい場合には、別途同様の手法を用いて式の補正を行い、閾値を設定することが望ましい。ただし、施工対象材の引張強さが大きくなるに従って必要な硬度上昇は小さくてよいこがいえることから、Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ^２を超える場合には、下記（６）式の値を採用することができる。
ΔＨｖｓ＝５ ・・・（６）
このように、引張強さが大きい鋼材であっても、ΔＨｖｓが５確保されていれば十分に残留応力増加量を確保できる。

これによって、上述したように、レーザピーニングを施工した面のビッカース硬度の上昇量ΔＨｖが上記の閾値ΔＨｖｓ以上である場合（すなわち、ΔＨｖ≧ΔＨｖｓの場合）は、レーザピーニングを施工した面の塑性化が生じ、圧縮残留応力の増加・導入が保証できる。一方、ビッカース硬度の上昇量ΔＨｖが上記の閾値ΔＨｖｓ未満である場合（すなわち、ΔＨｖ＜ΔＨｖｓの場合）は、上昇量ΔＨｖが閾値ΔＨｖｓ以上になるまで、レーザピーニングの施工を繰り返す。

例えば、施工対象材がＳＳ４００の場合は、公称引張強さは４００Ｎ／ｍｍ^２であるので、上記（５）式から閾値ΔＨｖｓは１６．４Ｈｖとなり、ビッカース硬度の上昇量ΔＨｖが１６．４Ｈｖ以上になるまでピーニングを実施する。

このようにして、この実施形態においては、工事現場や工場等であっても、レーザピーニングの施工の良否を的確に評価することができる。

なお、この実施形態では、レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、レーザピーニングを施工した個所の硬度とを、同一の個所１３で測定しているが、それに限定されるものではない。レーザピーニングを施工していない個所の硬度については、レーザピーニングを施工する前に測定するのであれば、溶接部３と溶接熱影響部４を除いて、構造部材１の表面の任意の個所であればよく、レーザピーニングを施工した後に測定するのであれば、溶接部３と溶接熱影響部４とレーザピーニング施工実施領域１２を除いて、構造部材１の表面の任意の個所であればよい。それらの個所のビッカース硬度は、硬度測定個所１３における施工前ビッカース硬度Ｈｖａと同じ値であると考えられるからである。

レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、レーザピーニングを施工する箇所の硬度とを別の位置で測定する場合には、ビード止端からの距離を同じくする別の位置でそれぞれの硬度を測定することが好ましい。このことにより、別の位置であっても、熱影響による硬度の変化が等しい条件下でのレーザピーニングの効果を比較可能となる。尚、ビード止端は、被溶接材（特に構造部材１）の表面に形成される溶接部３の縁辺のことをいう。

また、この実施形態においては、硬度測定個所を１個所にしているが、硬度測定個所を複数個所にして平均値をとるようにしてもよい。その際には、例えば、図２、図４において、硬度測定個所１３以外に、硬度測定個所１３から左右にそれぞれ溶接部３幅ｗだけ離れた個所を硬度測定個所に加えることが好ましい。

そして、この実施形態では、レーザピーニング施工予定領域１１すなわちレーザピーニング施工実施領域１２に、溶接部３や溶接熱影響部４を含んでいたが、溶接部３や溶接熱影響部４を含んでいない場合も、同じように適用することができることは言うまでもない。

なお、上述したように、ビッカース硬さ試験機は、小型ビッカース試験機を用いれば、持ち運びしやすく、工事現場や工場等で実施することも可能となる。

また、この実施形態では、硬度の測定はビッカース硬度試験で行っているが、ブリネル硬度試験、ロックウェル硬度試験、ショア硬度試験で行ってもよい。ただし、疲労強度に影響を与えない程度の出来る限り小さい圧接痕のものが望ましい。硬度の測定にビッカース硬度試験以外を用いる場合は、所定の換算方法を用いて式（５）、（６）を適用すれば良い。

また、この実施形態では、レーザピーニングを前提にしているが、ハンマーピーニング、超音波ピーニング、ショットピーニングなどを用いる場合も、同じように実施することが可能である。

本発明において、施工対象材にレーザピーニングを施した後の構造体を溶接接合構造体という。具体的に、溶接接合構造体は、溶接によって接合される被溶接材（特に、構造部材１及び補助部材２）、並びに被溶部材同士を接合する溶接部を含み、当該被溶接材の少なくとも一部においてレーザピーニングが施工されてなる構造体をいう。溶接接合構造体においてレーザピーニングを施工した個所と施工していない個所とで硬度を比較する場合、それぞれの箇所は同じ被溶接材にあることが好ましい。例えば、補助部材２が、２つの構造部材１にまたがり溶接接合されている場合には、同一の構造部材１の個所同士で硬度を比較すればよい。

１ 構造部材
２ 補助部材
３ 溶接部（溶接ビード）
３ａ 回し溶接部
４ 溶接熱影響部
１１ レーザピーニング施工予定領域
１２ レーザピーニング施工実施領域
１３ 硬度測定個所

Claims (6)

1. レーザピーニングの施工において、施工対象材について、溶接部および溶接熱影響部を除いて、レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、レーザピーニングを施工した個所の硬度とを測定し、その測定結果に基づいて、レーザピーニングの施工の良否を評価するものであって、
   前記レーザピーニングを施工した個所の硬度が、前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度に比べて、値ΔＨｖｓ以上上昇している場合に、レーザピーニングの施工は良好であると評価することを特徴とするレーザピーニングの評価方法。
   Ａ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ ^２ 以下の場合
   ΔＨｖｓ＝５＋０．０３×（７８０−Ｓｙ）
   Ｂ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ ^２ を超える場合
   ΔＨｖｓ＝５
   ここで、ΔＨｖｓ：ビッカース硬度による値（Ｈｖ）
   Ｓｙ：施工対象材の公称引張強さ（Ｎ／ｍｍ ^２ ）
2. 前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、前記レーザピーニングを施工した個所の硬度とを、同一個所で測定することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニングの評価方法。
3. 前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度と、前記レーザピーニングを施工した個所の硬度とを、溶接部のビード止端からの距離を同じくする別の位置で測定することを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニングの評価方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザピーニングの評価方法によって、レーザピーニングの施工は良好であると評価されなかった場合は、レーザピーニングの施工を繰り返すことを特徴とするレーザピーニングの施工方法。
5. レーザピーニングの施工された溶接部を有する溶接接合構造体であって、
   溶接部および溶接熱影響部を除いて、前記レーザピーニングを施工した個所の硬度Ｈｖｂと、前記レーザピーニングを施工していない個所の硬度Ｈｖａの差が、
   Ａ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ^２以下の場合
   Ｈｖｂ−Ｈｖａ≧５＋０．０３×（７８０−Ｓｙ）
   Ｂ）Ｓｙが７８０Ｎ／ｍｍ^２を超える場合
   Ｈｖｂ−Ｈｖａ≧５
   ここで、Ｈｖｂ−Ｈｖａ：ビッカース硬度による硬度差（Ｈｖ）
   Ｓｙ：施工対象材の公称引張強さ（Ｎ／ｍｍ^２）
   を満たすことを特徴とする溶接接合構造体。
6. 前記レーザピーニングを施工した個所と、前記レーザピーニングを施工していない個所とは、溶接部のビード止端からの距離を同じくする別の位置であることを特徴とする請求項５に記載の溶接接合構造体。

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