JPH08112688A

JPH08112688A - 溶接構造物の疲労強度改善方法

Info

Publication number: JPH08112688A
Application number: JP24662694A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Toyosada; 雅宏豊貞; Sakito Kamei; 前人亀井; Yoshiki Majima; 禎規摩嶋
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 1996-05-07

Abstract

(57)【要約】【構成】船体内板２と補強材６との溶接部近傍を、線
状ａに加熱する方法である。【効果】溶接部近傍を線状加熱することにより、溶接
による引張残留応力を圧縮残留応力場に転化させること
ができ、したがって大幅な疲労強度の改善を図ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、船体、橋梁などの溶接
構造物における溶接部の疲労強度改善方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、船体、橋梁などの溶接構造物にお
いては、溶接性および靱性に優れた高張力鋼（ＴＭＣＰ
鋼）の出現により、例えば船体の脆性破壊による事故が
激減している。

【０００３】ところで、このような高張力鋼の溶接継手
部においては、その残留応力を除去する場合、溶接の止
端部を研削したり、またはＴＩＧ溶接により止端部の形
状が滑らかとなるようにされていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
残留応力の除去方法では、十分な効果が得られなかっ
た。

【０００５】そこで、本発明は上記問題を解消し得る溶
接構造物の疲労強度改善方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の溶接構造物の疲労強度改善方法は、溶接構
造物の溶接部近傍、または溶接部近傍の両側を、線状に
加熱する方法であり、さらに加熱対象部の板体の裏面に
おいて、最大の引張応力が発生する温度でもって加熱す
る方法である。

【０００７】

【作用】上記の構成によると、構造溶接部の溶接部近傍
を線状加熱することにより、溶接による引張残留応力を
圧縮残留応力場に転化させることができ、したがって大
幅な疲労強度の改善を図ることができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図１５に基
づき説明する。図１は船体構造の要部すなわち底部を示
しており、この船体構造においては、船体外板１と船体
内板２との間に、縦通材３およびフロア材４などの補強
材６が配置され、またコーナ部などにおいては、船体内
板２の傾斜部には、補強材６としてウエブ材５が設けら
れている。

【０００９】そして、船体外板１および船体内板２と補
強材６とは、溶接により互いに連結され、このような連
結部における溶接箇所の疲労強度を改善するために、本
発明に係る改善方法が用いられる。

【００１０】すなわち、図１の一点鎖線ａにて示すよう
に、補強材６例えば縦通材３およびウエブ材５と、船体
内板２との溶接部の両側で、かつ所定距離Ｌだけ離れた
箇所で、その溶接線に沿って線状に加熱が行われる。

【００１１】この時、加熱ガス（例えばアセチレンガ
ス）の入熱量Ｑ、加熱位置［距離（Ｌ），高さ］および
加熱ガスの移動速度が、所定の条件を満たしている必要
がある。

【００１２】以下、上記要求される条件について説明す
る。まず、実際に、下記の［表１］に示す降伏点３２０
Ｐａレベル（テストによる降伏点は３９０ＭＰＡであっ
た）のＴＭＣＰ鋼を使用し、図２（ａ）および（ｂ）に
示すように、母材１１の表面に所定長さの板材１２をＣ
Ｏ₂ 溶接により角回し溶接１４を行い、角回し継手試験
片１３を作成した。なお、このときの溶接条件は、［表
２］に示す通りであった。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】この試験片１３の表裏面における溶接残留
応力を計測した結果を図３および図４に示す。なお、図
３は試験片１３の止端部１４ａのｙ軸方向（幅方向）に
おける値を示し、図４は試験片１３の止端部１４ａのｘ
軸方向における値を示す。

【００１６】これら図３および図４から、回し溶接止端
部の近傍では、板材である付加物の長手方向のすみ肉溶
接のためと推定される降伏点レベルの引張残留応力が生
じており、裏面では、付加物がないために、表面よりも
残留応力が低くなっているのが分かる。

【００１７】次に、ガス線状加熱による残留応力の低減
化について説明する。ところで、既に、溶接継手の残留
応力の簡易推定式が公知であり、この推定式を使用する
と、溶接による試験片の平均温度上昇Ｔにより、残留応
力の分布は図５（ａ）および（ｂ）に示すようなものと
なる。なお、図５（ａ）は軟鋼の場合を示し、図５
（ｂ）はＨＴ−５０鋼の場合を示しており、その座標の
とりかたを、図５（ｃ）に示している。また、残留応力
を代表する位置およびその位置の残留応力の値を、［表
３］に示しておく。なお、［表３］中、Ｑ（cal/cm）は
加熱ガスの入熱量、ｈ（cm）はトーチの高さである。

【００１８】

【表３】

【００１９】したがって、平均温度上昇Ｔが小さい場
合、すなわち試験片の大きさに比べて相対的に入熱量が
低い場合には、回し溶接中央からｙ₂ だけ離れた位置を
付加物と平行に加熱すれば、回し溶接中央の残留応力が
最も低下することになる。

【００２０】残留応力は加熱部が塑性域にならなければ
発生しないし、図５の（ａ）および（ｂ）に示すような
残留応力を発生させるためには、加熱部で力学的溶融点
に達していなければならず、軟鋼およびＨＴ−５０鋼の
場合における力学的溶融点（降伏点が数１０ＭＰａとな
る温度）は約７００℃である。

【００２１】ところで、単に、残留応力を低下させる目
的なら、上記の位置にビード溶接をすれば良いが、板表
面に凹凸を作ることになり、これとごく近傍のすみ肉溶
接との間に溝が形成され、スラッジなどが溜まりやすく
なることも考えられ、これが原因で腐食が進行する可能
性も生じ、また溶接余盛を残すとこれが新たな応力集中
源となり、この部分が疲労発生源になることも考えられ
る。

【００２２】そこで、現場で簡単に施工できるガスによ
る線状加熱を使用して、上記目的を達成する方法が考え
られる。まず、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、
母材例えば鋼板２１のｘ軸上をアセチレンガスによる線
状加熱を行うとともに種々の点（ｘ，ｙ，ｚ）における
温度測定を行い、この温度測定に基づき、加熱ガス（C₂
H₂）量をパラメータとして、加熱速度と入熱効率との関
係をグラフに表すと、図７のようになる。

【００２３】次に、図８に、アセチレンガスの流量を１
６リットル／min 、母材２１からのトーチ高さを２０mmと一
定にして、ガス加熱速度（移動速度）ｖを変化させた場
合について、図６のｘ＝０mmの位置で、異なるｙの位置
における裏面の温度を計測した結果を示す。なお、図８
（ａ）はｖ＝７．５mm/s，図８（ｂ）はｖ＝５．０mm/
s，図８（ｃ）はｖ＝２．５mm/sの場合をそれぞれ示
す。

【００２４】そこで、この結果を用いて鋼板裏面の最高
到達温度を簡易的に求める方法について説明する。半径
ｒ_O cm、板厚ｈcmの鋼板に熱量Ｑ_O （cal ）が均一に投
入された場合に、この鋼板が△Ｔ℃上昇したとすると、
Ｑ_O は下記の(1) 式で表される。

【００２５】Ｑ_o ＝ｃρ△ＴＶ・・・・(1) ただし、(1) 式中、Ｖ：鋼板の体積（＝πｒ_O ²ｈ）ｃ：（Ｔ＋△Ｔ）℃における鋼板の比熱（Ｔ：初期温
度） ρ：（Ｔ＋△Ｔ）℃における鋼板の密度（Ｔ：初期温
度）ところで、線状加熱により最も温度が高くなる位置は線
状加熱線直下である。その温度上昇分には過去の加熱に
より熱伝導でもたらされる温度上昇も含まれる。しか
し、ガス炎直下の温度上昇は大半が現時点のガス炎の加
熱によりもたらされている。そこで、ここでは一定速度
で移動するガス炎直下の温度上昇は、１００％現時点で
投入された入熱によるものと仮定する。

【００２６】そこで、図６の加熱線ｃ上（ｙ＝０mm）の
母材（鋼板）裏面における最高到達温度から、上記の
(1) 式を用いてｒ_O を求めた。但し、このとき与える熱
量としては単位長さに対しての熱量を採用した。その結
果（ｒ_O ）を図８（ａ）〜（ｃ）の各グラフ中に示して
おく。

【００２７】この結果より、ガス流量とトーチ高さが一
定という条件下では、加熱速度が変化してもｒ_O は、ほ
ぼ一定であることが分かる。したがって、上述したガス
による線状加熱条件下では、ガス加熱線上の鋼板裏面に
おける最高到達温度がｒ_O ＝１．５４cmとして(1) 式に
より推定できる。

【００２８】しかし、図２に示した試験片１３のような
場合に加熱線を端部付近にすると、実際には端部からの
反射により、(1) 式での推定よりも高い温度上昇をもた
らす。この場合、熱放射を無視すれば、鏡像の考え方を
採用することができる。

【００２９】すなわち、図６において、ｙ＝ｙ_O の位置
で計測される熱量は、加熱線から１／２ｙ_O の位置に端
部が存在することにより見掛上加熱線上に追加される熱
量となり、これによりさらに高温度に加熱線上がさらさ
れることになる。

【００３０】そこで、図８から、加熱線上の温度が最高
到達温度に達した時刻における、加熱線上から離れた鋼
板裏面で計測された温度をもとに付加される熱量Ｑ₁ を
(1)式よりｒ_O ＝１．５４cmとして求め、Ｑ₁ ／Ｑ₀ と
加熱線から端部までの距離ι（＝ｙ／２）との関係を求
めた。ただしｃ、ρは位置ιにおける温度に対応する値
を用いている。

【００３１】その結果を図９に示す。この結果より明ら
かなように、加熱速度が異なってもＱ₁ ／Ｑ₀ （＝ｐ）
の値は加熱線からの距離ιのみの関数として近似的に与
えられる。そして、ある程度加熱線より離れると最高到
達温度には端部の影響が現れなくなる。そこで、端部の
影響が現れなくなる距離を本結果より実線で示すように
３５ｍｍと与え、実線の近似式を求めると、下記(2) 式
のようになる。

【００３２】ｐ＝１−4.68×10^-2ι＋5.251 ×10^-4ι² ・・・・(2) したがって、端部からι（＜３５ｍｍ）離れた位置を端
部に平行に加熱した場合には、加熱線の鋼板裏面が最高
到達温度に達した時点では見掛上ｒ_O の範囲に（１＋
ｐ）Ｑ_O の熱量が投入されたと考えれば、近似的に加熱
直下の最高到達温度が(1) 式より推定できることにな
る。なお、(1) 式のｃρの値は温度（Ｔ＋△Ｔ）のみの
関数であり、その値を多項式近似すると（ただし４００
〜７００℃の範囲について）、下記(3) 式のように表さ
れる。

【００３３】ｃρ＝1.97−4.2 ×10^-3（Ｔ＋△Ｔ）＋5.66×10^-6（Ｔ＋△Ｔ）² ・・(3) したがって、アセチレンガス流量を１６リットル／min 、鋼
板からのトーチ高さを２０mmと一定とした場合には、上
記の方法により線状加熱線直下の鋼板裏面の最高到達温
度を推定できることになる。

【００３４】図２に示したような試験片１３の回し溶接
止端部の長手方向の残留応力をできるだけ低減し、でき
れば大きな圧縮残留応力場に転化させるには、ガス加熱
線上の最高到達温度が鋼板裏面まで力学的溶融点に達し
ていることが必要となる。すなわち、両端を拘束した丸
棒を加熱冷却する場合に生じる熱応力の変化挙動から考
えて、線状加熱線上の鋼板裏面が力学的溶融点に達しな
ければ、線状加熱部の鋼板裏面側のある領域は最高到達
温度に達した時点である程度大きな圧縮応力が働いてい
ることになるから、この領域は冷却後に引張降伏点レベ
ルの残留応力が作用しないことになる。

【００３５】したがって、線状加熱部で板厚全体に引張
降伏点レベルの残留応力が働かないことになるから、線
状加熱線から離れた位置で自己平衡の結果生じる圧縮応
力は小さくなる。

【００３６】なお、アセチレンガス流量を１６リットル／mi
n 、鋼板からのトーチ高さを２０mmの条件下で試験片の
中心線から図５（ａ）のｙ₂ に相当する位置で図２の試
験片１３を線状加熱した場合について上記の簡易最高到
達温度推定方法によって検討したところ、試験片の幅が
狭いために、図５（ａ）の残留応力分布を付与するには
入熱量が小さくなりすぎ、裏面まで力学的溶融点の７０
０℃に上昇させることができないことが判明した。

【００３７】構造物では特殊な場合を除いて図５（ａ）
に対応する残留応力しか付与できないから、対象部位の
両側を同時に加熱してそこに最大の圧縮残留応力を生成
させても、図５（ａ）の残留応力を重ね合わせて期待で
きるのは、ｙ₂ の位置に生じる圧縮残留応力の２倍とな
り、−０．５σ_Y （σ_Y ：鋼材の降伏点）のレベルとな
る。

【００３８】そこで、図２の試験片１３において、幅広
の試験片で最大期待できる程度の圧縮残留応力（−０．
５σ_Y レベル）を付与することを意図して、図３の残留
応力分布を重ね合わせ、試験片の中央部で−０．５σ_Y
レベルの残留応力を付与できるように加熱位置を検討し
たところ、試験片の端部から９ｍｍの位置となった。

【００３９】そして、上記の簡易最高到達温度の推定方
法が適当であるかどうかを判断するため、図２の試験片
を用いて、端部から９ｍｍの位置を、同時に試験片表面
を一定速度で線状加熱した。このとき用いた試験条件と
しては、アセチレン・フェザ（アセチレンガスが酸素よ
り多い場合に生じる）が生じないようになおかつ中性炎
となるように酸素流量を調整したものをベースとした。
その結果、用いたトーチの関係からアセチレンガス流量
１７リットル／min で最も炎が安定した。なお、白心から２
mmの位置に試験片表面を設置した関係でトーチ高さは１
９mmとなった。

【００４０】線状加熱の長さは、図９を考慮すると、７
０mmで良いことになるが、ここでは試験片平行部の全長
にほぼ等しい１５０mmを加熱した。種々の速度で線状加
熱を行い、線状加熱線直下の裏面温度の最高到達温度を
計測した結果を、図１０に示す。図１０中には、上記の
検討結果をもとに近似的に推定した結果も合わせて示し
ている。但し、熱効率ηは図７より内挿して求め、ｒ_O
は上記検討結果と殆ど変わらないと考え、トーチ高さ２
０mmの場合のｒ_O ＝１．５４cmを採用した。図１０よ
り、上記の最高到達温度の簡易推定は、板厚が図４にお
ける場合と異なっており、さらには端部の影響が加わっ
ているにもかかわらず、ほぼ妥当な結果が得られている
ことが分かる。

【００４１】次に、線状加熱後の残留応力分布について
調べてみる。例えば、アセチレンガス流量１７リットル／mi
n 、トーチ高さ１９mmの条件で線状加熱線の裏面の最高
到達温度が７００℃となる加熱速度５．７０mm／ｓで、
試験片端部から９mmの位置を２個所同時に線状加熱し
た。図１１には、回し溶接止端部を含む試験片幅方向の
試験片裏面の線状加熱中に計測した温度分布を示す。図
１１から明らかなように、線状加熱した位置の裏面では
最高到達温度はほぼ力学的溶融点である７００℃に到達
している。また、止端部の裏面では約５００℃になって
いる。

【００４２】線状加熱後の残留応力分布を、溶接しただ
けの試験片に対してと同様に、図２で示した位置に２軸
ゲージを貼付し、周りを解放して測定した。回し溶接止
端部から３mm離れた位置の試験片幅方向に沿う試験片長
手方向残留応力分布を図１２に示す。図３の溶接しただ
けの状態における試験片では止端部近傍に降伏点レベル
の引張残留応力が残留していたが、上記のような線状加
熱条件で施工した後には、降伏点の１／２程度の圧縮残
留応力が止端部近傍に形成されているのが分かる。

【００４３】なお、図１２の実線は、公知の簡易推定結
果［図５（ｂ）］によるものを示している。この結果は
計測結果と良く一致しており、溶接しただけの場合にお
ける残留応力の影響が完全に消滅し、あたかも処女材を
線状加熱したときと同じ残留応力が生成することを示し
ている。

【００４４】これは線状加熱中の加熱過程において、溶
接しただけの状態で圧縮残留応力が作用している個所が
膨脹し、このすみ肉の収縮を拘束していた個所の影響が
なくなり、その近くの止端部近傍は加熱中にほぼ無拘束
の状態になることからこのような現象が起こるものと考
えられる。

【００４５】図１３は、試験片中央断面上の残留応力分
布の計測結果を示しており、板材（補強材）が線状加熱
部の部材の収縮を一部拘束するために、表面で圧縮残留
応力が大きくなっているが、その影響はあまり顕著では
ない。

【００４６】いずれにしても、図１２から明らかなよう
に、ここで得られた残留応力は幅広の試験片で回し溶接
止端部近傍に最大の圧縮残留応力が生じるように意図さ
れるものと同レベルの圧縮残留応力に転化し得ている。

【００４７】上記のようにして作成した図２に示した試
験片の溶接しただけのもの、並びに線状加熱材につい
て、２０トン油圧サーボ疲労試験機を用いて圧力比０．
０５というほぼ完全片振の条件下で軸力疲労試験を行っ
た。繰り返し速度はいずれの試験片も５Hzとした。

【００４８】実験で得られた破断寿命と公称応力振幅の
関係を図１４に示す。一部の試験片については、試験開
始後５０００サイクルの時点で試験片の中央線上の表面
に回し溶接止端部から離れた３個所の位置に貼付した２
軸ゲージから荷重軸方向の応力振幅を計測している。そ
の結果を図１５に示す。図１５における縦軸は表面応力
振幅（Δσ_s ）を公称応力振幅（Δσ_g ）で除した値で
示してある。図１５から、線状加熱をすることにより表
面が裏面より大きく収縮し試験片全体が裏面側で凸の形
状になり、止端部近傍の応力勾配が溶接しただけのもの
より滑らかになるために疲労強度が上昇するという原因
は棄却されることが分かる。

【００４９】すなわち、図１４における疲労強度の差は
残留応力により引き起こされていることになる。したが
って、ホット・スポット応力で整理しても、溶接しただ
けのものと線状加熱したものとの疲労強度の比は、図１
４から得られるものと同じになる。

【００５０】図１４を見ると、線状加熱により大幅な疲
労強度の改善が図られていることが分かる。特に、疲労
限は強度で２倍以上の改善が認められる。なお、溶接し
ただけのものの時間強度線図の勾配が大きいのは残留応
力の影響であると結論することができる。すなわち、最
大応力が小さいほど、疲労寿命に残留応力が大きな影響
を及ぼすことによる。

【００５１】疲労限レベルの試験片について実験終了
後、停留き裂の有無を調査した。溶接しただけのものに
は認められなかったが、線状加熱材では最大２．３mm深
さの停留き裂が観察された。これにより、圧縮応力場で
はかなり大きなき裂でも停留することが分かった。

【００５２】図１４の結果は無限板で期待できる最も大
きな圧縮残留応力と同レベルの圧縮残留応力を生成させ
ることによって得られたもので、構造要素でも大きな引
張残留応力が発生し、かつ構造的な応力集中個所で疲労
損傷の起点になる個所に対しては、適切なガス線状加熱
条件を選択することにより大幅な疲労強度の改善がはか
り得ることを示している。

【００５３】上述したように、降伏点レベルの引張残留
応力場を、溶接個所に近接する両側を同時にガス線状加
熱することにより、降伏点の１／２程度の圧縮残留応力
場に転化させることができ、したがって大幅な疲労強度
の改善を図ることができる。特に、疲労限は２倍以上の
改善効果が得られ、また圧縮応力場ではかなり大きな停
留き裂が得られた。

【００５４】

【発明の効果】以上のように本発明の溶接構造物の疲労
強度改善方法によると、構造溶接部の溶接部近傍を線状
加熱することにより、溶接による引張残留応力を圧縮残
留応力場に転化させることができ、したがって大幅な疲
労強度の改善を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の疲労強度改善方法の一実施例における
線状加熱を示す要部斜視図である。

【図２】同実施例の疲労強度改善方法の実験に使用され
る試験片の外観を示す図である。

【図３】同実施例の試験片のｙ軸方向における残留応力
を示すグラフである。

【図４】同実施例の試験片のｘ軸方向における残留応力
を示すグラフである。

【図５】つき合わせ溶接を行った場合に残留応力を簡易
推定式により求めたグラフである。

【図６】同実施例における加熱速度と入熱効率との関係
を調べるための試験片の外形図を示す。

【図７】同実施例の試験片における加熱速度と熱効率と
の関係を示すグラフである。

【図８】同実施例の試験片における加熱時間と温度との
関係を示すグラフである。

【図９】同実施例の試験片における加熱線からの距離と
Ｑ₁ ／Ｑ₀ との関係を示すグラフである。

【図１０】ガスの加熱速度と温度との関係を示すグラフ
である。

【図１１】同実施例における試験片裏面の温度分布を示
すグラフである。

【図１２】同実施例における試験片裏面の長手方向にお
ける残留応力分布を示すグラフである。

【図１３】同実施例における試験片裏面の中央断面にお
ける残留応力分布を示すグラフである。

【図１４】線状加熱したものと溶接だけのものとについ
ての破断寿命と公称応力振幅との関係を示すグラフであ
る。

【図１５】線状加熱したものと溶接だけのものとについ
ての応力振幅比を示すグラフである。

【符号の説明】

１船体外板２船体内板３縦通材４フロア材５ウエブ材６補強板１１母材１２板材１３試験片１４角回し溶接１４ａ止端部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者摩嶋禎規大阪府大阪市此花区西九条５丁目３番28号日立造船株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接構造物の溶接部近傍を、線状に加熱す
ることを特徴とする溶接構造物の疲労強度改善方法。
【請求項２】溶接構造物の溶接部近傍の両側を、線状に
加熱することを特徴とする溶接構造物の疲労強度改善方
法。
【請求項３】加熱対象部の板体の裏面において、最大の
引張応力が発生する温度でもって加熱することを特徴と
する請求項１または２に記載の溶接構造物の疲労強度改
善方法。