KR101577261B1 - 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법, 타격흔 형성용 공구 및, 용접 구조물 - Google Patents

용접 구조물의 피로 손상 억제 방법, 타격흔 형성용 공구 및, 용접 구조물 Download PDF

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Abstract

용접 구조물의 피로 손상 억제 방법은, 용접 구조물의 용접부에 피로 손상이 발생하는 것을 억제하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법으로서, 용접부 중, 대략 직선 형상의 용접 비드와 인접하는 모재(base material) 표면에는, 용접 비드를 직각으로 횡단하는 방향을 따라 원호 형상으로 만곡하고, 또한 용접 비드를 따라 서로 평행한 2개의 단면(end face) 중 한쪽의 단면측으로 곡률 중심을 치우치게 한 타격흔 형성면을 선단(tip)에 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하여, 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝에 의해 타격흔을 형성하고, 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드와 인접하는 모재 표면에는, 전체 형상이 원형 또는 타원형 형상으로 형성된 평면 형상의 타격흔 형성면을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하여, 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝에 의해 타격흔을 형성하고, 타격흔 형성용 공구에 의해 용접 비드의 지단(止端;weld toe) 근방에 압축 잔류 응력을 도입하여 용접부의 피로 손상을 억제한다.

Description

용접 구조물의 피로 손상 억제 방법, 타격흔 형성용 공구 및, 용접 구조물{METHOD FOR PREVENTING FATIGUE DAMAGE IN WELDED STRUCTURES, TOOL FOR FORMING IMPACT AREA, AND WELDED STRUCTURE}
본 발명은, 용접 구조물(welded structures)(강 구조물(steel structures)이라고도 함)의 용접부에 피로 손상(fatigue damage)이 발생하는 것을 억제하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법(Method for preventing fatigue damage), 타격흔 형성용 공구(tool for forming impact area) 및, 용접 구조물에 관한 것이다.
최근, 강교(steel bridge)의 노후화에 수반하여 부식이나 피로에 의한 강교의 손상 사례의 보고가 증가하고 있다. 강교의 손상을 억제하기 위해서는, 우선 검사 체제(inspection system)를 확립하는 것이 필요하다. 그러나, 특히 피로 손상의 경우는, 통과 차량(passing vehicle) 등의 작용 외력(working external force)을 경감하거나, 설계 제작의 면에서 용접 품질(weld quality)을 향상시키거나 하는 것이 중요하다. 강교 등의 용접 구조물에서는, 균열 등의 결함이 용접부(weld zone)에 발생하거나, 용접 비드(weld bead)의 형상이 부적합하기 때문에 응력 집중(stress concentration)이 용접 비드의 지단(止端;weld toe)에 발생하거나 하면, 반복 응력(cyclic stress)에 의한 영향과 용접 잔류 응력(weld residual stress)의 영향이 중첩됨으로써 피로 균열(fatigue crack)(피로 노치(fatigue notch)라고도 칭함)이 용접부에 발생하기 쉬워져, 피로 손상을 초래하는 경우가 있다. 용접 비드의 지단이란, 용접 비드를 형성하는 용접 금속의 표면이 모재(母材)로서의 금속제 부재의 표면과 교차하는 경계를 의미한다.
이러한 피로 손상을 억제하기 위해, 특허문헌 1 내지 3 및 비특허문헌 1에는, 용접 비드의 지단 근방에 압축 잔류 응력(compressive residual stress)을 도입함으로써 용접부의 피로 강도(fatigue strength)를 향상시키는 방법이 기재되어 있다.
구체적으로는, 특허문헌 1에는, 용접 비드의 지단 근방을 초음파 진동(ultrasonic oscillation)시키면서 타격하여 소성 변형(plastic deformation)시키는 가공 장치(processing equipment)를 이용하여, 특정 치수의 홈을 소정의 타격 조건으로 가공함으로써, 피로 강도를 향상시키는 방법이 기재되어 있다.
특허문헌 2에는, 레이저 광원(laser source)으로부터의 펄스 레이저 빔(pulsed laser beam)을 사용하여 표면의 박층 또는 플라즈마(plasma)를 형성하는 표면의 코팅(coating)을 순간적으로 기화시키고, 그 폭발력(explosion power)에 의해 표면의 일부에 국소적으로 압축력(compressive force)을 발생시키는 방법이 기재되어 있다.
특허문헌 3에는, 선단(先端)이 특정 치수의 타격핀(impact pin)을 이용하여 용접 비드의 지단 근방에 타격흔(impact area)에 의한 특정 치수의 홈부(groove)가 형성되도록 강재(鋼材) 표면을 압축함으로써, 용접부에 압축 잔류 응력을 도입하는 방법이 기재되어 있다.
비특허문헌 1에는, 해머 피닝(hammer peening)을 행하면 피로 강도가 저하되는 경우가 있기 때문에, 용접 비드부의 지단 근방의 응력 집중이나 잔류 응력을 저감시키는 새로운 해머 피닝법에 대해서 검토한 결과가 기재되어 있다.
일본공개특허공보 제2006-175512호 일본공개특허공보 제2006-159290호 일본공개특허공보 제2010-29897호
"IMPROVING FATIGUE STRENGTH OF WELD JOINTS BY HAMMER PEENING TIG-DRESING", Kengo ANAMI, Chitoshi MIKI, Hideki Tani, Haruhito YAMAMOTO, Structual Eng./Earthquake Eng., JSCE Vol.7, No.1, 57-68s, 2000 April
그러나, 특허문헌 1에 기재된 방법은, 용접 비드의 지단 근방에 압축 잔류 응력을 도입하는 수단으로서, 팁(tip)(팁은, 진동 단자(transducer), 칩퍼(chipper), 타격핀, 혹은 타격 단자라고도 함)을 초음파 진동시켜 용접 비드의 지단 근방에 특정 치수의 홈을 가공하는 장치를 이용하기 때문에, 종래의 공기압(air pressure)으로 팁을 구동하는 장치와 비교하면 고가이고 입수도 곤란하다.
특허문헌 2에 기재된 방법은, 용접 비드의 지단 근방에 압축 잔류 응력을 레이저 충격 피닝(laser shock peening)에 의해 도입하는 방법이기 때문에, 소재의 전(前)처리가 필요하고, 또한 장치가 고가이고 커서, 강교 등의 대형 용접 구조물(large welded structure)에 적용하는 것이 어렵다.
특허문헌 3에 기재된 방법은, 선단의 곡률 반경(curvature radius)이 2 내지 10㎜의 타격핀을 모재 표면에 용접 금속(weld metal)에 접촉하지 않도록 대고 눌러 압축 잔류 응력을 도입하는 방법이기 때문에, 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 어렵다.
비특허문헌 1에는, 용접 비드의 지단 근방의 응력 집중이나 잔류 응력을 저감시키는 새로운 해머 피닝법에 대해서 검토한 결과가 기재되어 있다. 그러나, 해머 피닝은, 통상, 작업자가 피닝 공구(peening tool)(팁(tip) 혹은, 칩퍼(chipper)라고도 칭함)를 공구 선단(tip of tool)(칩퍼 선단(nib)이라고도 칭함)이 용접 비드의 근방에 비스듬히 상방으로부터 닿도록 하여 행해진다. 이 때문에, 비특허문헌 1에 기재된 방법에 의하면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 모재(1)의 표면 상에 리브(rib)(2)를 직립시킨 면외(面外) 거싯 조인트(out-of-plane gusset weld joint)에 해머 피닝을 행한 경우, 용접 비드(3)의 지단(4)에 응력 집중이 되는 깊은 홈이 형성되어, 용접 비드(3)의 지단(4)으로부터 피로 균열이 발생할 우려가 있다.
본 발명은, 전술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 용접 구조물의 용접부에 피로 손상이 발생하는 것을 억제할 수 있는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법, 타격흔 형성용 공구 및, 용접 구조물을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법은, 용접 구조물의 용접부에 피로 손상이 발생하는 것을 억제하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법으로서, 상기 용접부 중, 대략 직선 형상의 용접 비드와 인접하는 모재 표면에는, 상기 용접 비드를 직각으로 횡단하는 방향을 따라 원호 형상으로 만곡하고, 또한 상기 용접 비드를 따라 서로 평행한 2개의 단면(end face) 중 한쪽의 단면측으로 곡률 중심을 치우치게 한 타격흔 형성면(side for forming impact area)을 선단에 갖는 제1 타격흔 형성용 공구를 이용하여, 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝(ultrasonic impact peening)에 의해 타격흔을 형성하고, 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드와 인접하는 모재 표면에는, 전체 형상이 원형(round shape) 또는 타원형 형상(elliptical shape)으로 형성된 평면 형상의 타격흔 형성면을 선단에 갖는 제2 타격흔 형성용 공구를 이용하여, 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝에 의해 타격흔을 형성하고, 당해 제1 및 제2 타격흔 형성용 공구에 의해 상기 용접 비드의 지단 근방에 압축 잔류 응력을 도입하여 상기 용접부의 피로 손상을 억제한다.
상기 제2 타격흔 형성용 공구의 타격흔 형성면은, 용접 비드를 따르는 방향의 길이가 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하의 치수를 갖고, 상기 용접 비드의 지단으로부터 상기 모재측으로 5㎜까지의 영역에 있어서, 상기 제2 타격흔 형성용 공구에 의해 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔을 상기 용접 비드를 따라 연속적으로 형성해도 좋다.
상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 평탄(flatness)하고 또한 반경(radius)이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하의 원형으로 형성된 타격흔 형성면을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면의 주위에 0.15㎜ 이상 0.60㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부(chamfer)를 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
상기 용접 비드의 지단으로부터 상기 모재측으로 0.5㎜ 떨어진 위치에서 3㎜까지의 영역에 최대 깊이가 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 미만인 타격흔을 형성해도 좋다.
상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 용접 비드를 직각으로 횡단하는 방향을 따르는 폭이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하, 상기 용접 비드를 따르는 길이가 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하, 또한 전체 형상이 타원형 형상으로 형성된 평면 형상의 타격흔 형성면을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면의 주위에 0.15㎜ 이상 0.60㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부를 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면에 대한 수직 방향에 있어서 경사지는 측면을 갖는 원추대 형상으로 형성된 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
상기 제1 타격흔 형성용 공구의 타격흔 형성면은, 용접 비드를 직각으로 횡단하는 방향을 따라 1㎜ 이상 5㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하고, 상기 제1 타격흔 형성용 공구에 의해 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔을 상기 용접 비드를 따라 연속적으로 형성해도 좋다.
상기 제1 타격흔 형성용 공구로서, 상기 용접 비드를 따르는 상기 타격흔 형성면의 길이가 1㎜ 이상 10㎜ 이하인 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
상기 제1 타격흔 형성용 공구로서, 상기 단면에 대하여 직각인 2개의 측면을 갖고, 당해 측면의 형상이 상기 타격흔 형성면에 대하여 테이퍼 형상으로 형성된 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
상기 제1 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면과 상기 측면과의 경계부에 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 원호면을 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용해도 좋다.
본 발명에 따른 타격흔 형성용 공구는, 본 발명에 따른 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법에 있어서 이용되는 것이다.
본 발명에 따른 용접 구조물은, 본 발명에 따른 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법에 의해 피로 손상이 억제된 것이다.
본 발명에 의하면, 용접 구조물의 용접부에 피로 손상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태인 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법을 실시할 때에 이용되는 타격흔 형성용 공구의 일 예를 나타내는 사시도(diagrammatic perspective view)이다.
도 2a는 도 1의 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 1에 있어서의 XZ평면을 따라 절단한 단면도(cross-section view)이다.
도 2b는 도 1의 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 1에 있어서의 YZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 2c는 도 1에 나타내는 타격흔 형성용 공구의 저면도(bottom view)이다.
도 3a는 도 1의 타격흔 형성용 공구의 변형예를 나타내고, 도 1에 있어서의 XZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 3b는 도 1의 타격흔 형성용 공구의 변형예를 나타내고, 도 1에 있어서의 YZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 3c는 도 1에 나타내는 타격흔 형성용 공구의 변형예의 저면도이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시 형태인 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법을 실시할 때에 이용되는 타격흔 형성용 공구의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 4a에 있어서의 XZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 4c는 도 4a의 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 4a에 있어서의 YZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 4d는 도 4a에 나타내는 타격흔 형성용 공구의 저면도이다.
도 5는 도 1에 나타내는 타격흔 형성용 공구에 의해 모재의 표면에 형성된 타격흔을 나타내는 도면이다.
도 6a는 강판의 표면 상에 리브가 직립한 상태로 용접된 용접부를 나타내는 평면도이다.
도 6b는 강판의 표면 상에 리브가 직립한 상태로 용접된 용접부를 나타내는 측면도이다.
도 7a는 원형을 이루는 구면(球面) 형상의 타격흔 형성면이 선단에 형성된 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 1에 있어서의 XZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 7b는 원형을 이루는 구면 형상의 타격흔 형성면이 선단에 형성된 타격흔 형성용 공구의 저면도이다.
도 8a는 정방형을 이루는 평면 형상의 타격흔 형성면이 선단에 형성된 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 1에 있어서의 XZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 8b는 정방형을 이루는 평면 형상의 타격흔 형성면이 선단에 형성된 타격흔 형성용 공구를 나타내는 단면도이다.
도 9a는 타격흔 형성면의 형상이 원형인 타격흔 형성용 공구를 이용하여 모재 표면에 타격흔을 형성한 경우의 타격흔의 단선(端線)과 용접 지단의 선을 나타내는 사진이다.
도 9b는 타격흔 형성면의 형상이 직사각형인 타격흔 형성용 공구를 이용하여 모재 표면에 타격흔을 형성한 경우의 타격흔의 단선과 용접 지단의 선을 나타내는 사진이다.
도 10a는 본 발명의 제2 실시 형태인 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법을 실시할 때에 이용되는 타격흔 형성용 공구의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 10b는 도 10a의 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 10a에 있어서의 XZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
도 10c는 도 10a의 타격흔 형성용 공구를 나타내고, 도 10a에 있어서의 YZ평면을 따라 절단한 단면도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 제1 및 제2 실시 형태인 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법에 대해서 설명한다.
[제1 실시 형태]
본 발명의 제1 실시 형태인 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법을 실시할 때에 이용되는 타격흔 형성용 공구(6)는, 최저라도 인장 강도 600㎫ 이상의 고강도 강(high-strength steel)(SM570 클래스 이상)으로 형성되어 있음과 함께, 도 1 및 도 2a 내지 도 2c에 나타내는 바와 같이, 선단에 타격흔 형성면(7)을 구비하고 있다. 타격흔 형성면(7)은, 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)(도 5 참조)와 인접하는 모재(1)의 표면에 타격흔(5)을 형성하기 위한 것이다. 타격흔 형성면(7)은, 도 2a 내지 도 2c에 나타내는 바와 같이, 평탄하고 또한 반경이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하, 즉 직경 D가 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하의 원형으로 형성되어 있다. 원형으로 형성된 타격흔 형성면(7)의 “원형”의 정의로서, 장경(major axis)과 단경(minor axis)과의 길이의 비(장경/단경)가 1 내지 1.1의 범위 내에 있으면 대략 원형으로서 사용할 수 있다. 장경의 방향은 용접선에 대하여 특별히 규정되지 않는다.
이와 같이, 타격흔 형성용 공구(6)의 선단에 형성된 타격흔 형성면(7)을 평탄하게 한 이유는, 평탄하지 않으면, 모재(1)측에 형성된 타격흔(5)의 깊이 및 폭에 편차(variability)를 발생시키기 때문이다. 타격흔(5)의 폭이란, 타격흔 형성용 공구(6)의 이동 방향인 도 5에 있어서 지면(紙面)에 대하여 직교하는 방향에 직교하는 방향의 길이 B를 의미한다. 또한, 타격흔 형성면(7)을 반경이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하의 원형으로 한 이유는, 반경이 1.5㎜ 미만인 경우에는, 형성된 타격흔(5)의 깊이 및 폭에 편차가 발생하여, 형상이 안정되게 얻어지지 않기 때문이다. 한편, 반경이 3.0㎜보다 큰 경우에는, 타격흔 형성면(7)의 면적이 커지기 때문에, 모재(1)에 대하여 충분한 깊이의 타격흔(5)을 형성할 수 없게 되어, 용접 비드(3)의 지단(4)으로의 압축 잔류 응력 도입에 의한 피로 강도 향상 효과가 작아지기 때문이다.
타격흔 형성용 공구(6)는, 도 2a, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 타격흔 형성면(7)에 대한 수직 방향에 있어서 경사지는 측면을 갖는 원추대 형상(circular truncated cone shape)으로 형성되어 있다. 이와 같이, 타격흔 형성용 공구(6)를 원추대 형상으로 함으로써, 거듭되는 타격에 의해서도 공구의 형상을 유지하기 쉽다는 효과를 나타낸다. 타격흔 형성용 공구(6)로서는, 도 2a, 도 2b에 나타내는 형상으로 한정하지 않고, 도 3a 내지 도 3c에 나타내는 바와 같이, 타격흔 형성면(7)에 대한 수직 방향에 있어서 경사지는 측면을 갖는 원추대 형상으로 형성됨과 함께, 타격흔 형성면(7)의 주위에 0.15㎜ 이상 0.60㎜ 이하의 곡률 반경 r0으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부(8)를 형성한 것을 이용해도 좋다.
모따기부(8)의 곡률 반경 r0을 0.15㎜ 이상 0.60㎜ 이하로 한 이유는 이하와 같다. 즉, 모따기부(8)의 곡률 반경 r0이 0.15㎜ 미만에서는, 타격흔(5)의 바닥의 단부에 응력이 집중되기 쉬운 상태가 되기 때문이다. 또한, 모따기부(8)의 곡률 반경 r0이 0.60㎜를 초과하면, 모재(1)의 표면에 접촉하는 타격흔 형성면(7)의 접촉 면적(contact area)이 커지기 때문에, 모재(1)에 대하여 충분한 깊이의 타격흔(5)을 형성할 수 없게 되어, 용접 비드(3)의 지단(4)으로의 압축 잔류 응력 도입에 의한 피로 강도 향상 효과가 작아지기 때문이다. 더욱 바람직하게는, 0.15㎜ 이상 0.50㎜ 이하이다. 보다 바람직하게는, 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하이다.
타격흔 형성면(7)은, 용접 비드(3)를 직각으로 횡단하는 방향(도 4a에 나타내는 X방향)을 따르는 폭 RX가 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하, 용접 비드(3)를 따르는 길이 RY(도 4a에 나타내는 Y방향을 따르는 길이)가 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하의 치수로 타격흔 형성용 공구(6)의 선단에 평면 형상으로 형성되고, 또한 전체 형상이 타원형 형상으로 형성되어 있어도 좋다. 이 경우에 있어서도, 타격흔 형성용 공구(6)는 원추대 형상으로 형성되어 있어도 좋고, 타격흔 형성면(7)의 주위에 모따기부(8)를 형성해도 좋다. 타원형 형상으로 형성된 타격흔 형성면(7)의 “타원형”의 정의로서, 장경과 단경과의 길이의 비(장경/단경)가 1.1 초과 3.0 이하의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 장경이 용접선에 대하여 대략 평행이 되도록 타격흔 형성용 공구(6)를 사용하면, 타점수를 줄일 수 있기 때문에, 보다 바람직하다.
타격흔 형성면(7)의 폭 RX를 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하로 한 이유는 이하와 같다. 즉, 타격흔 형성면(7)의 폭 RX가 1.5㎜ 미만에서는, 타격흔(5)의 폭에 편차가 발생하여, 안정된 형상의 타격흔(5)을 모재(1)의 표면에 형성하는 것이 곤란해지기 때문이다. 또한, 타격흔 형성면(7)의 폭 RX가 3.0㎜를 초과하면 타격흔(5)의 면적이 지나치게 커져, 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 모재(1)의 표면에 형성하는 것이 곤란해지기 때문이다.
타격흔 형성면(7)의 길이 RY를 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하로 한 이유는 이하와 같다. 즉, 타격흔 형성면(7)의 길이 RY가 3.0㎜ 미만에서는, 타격흔(5)의 폭이 지나치게 좁아져, 하중이 부하되었을 때에 용접 비드(3)의 지단(4)에 응력 집중이 타격흔(5)에 발생하기 쉬워져 피로 균열의 발생 원인이 되기 때문이다. 또한, 타격흔 형성면(7)의 길이 RY가 6.0㎜를 초과하면 타격흔 형성면(7)의 면적이 지나치게 커져, 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 모재(1)의 표면에 형성하는 것이 곤란해지기 때문이다.
장경과 단경과의 길이의 비(장경/단경)가 1.1 초과 3.0 이하로 한 이유는 이하와 같다. 장경과 단경과의 길이의 비가 3.0을 초과하면, 동일한 면적이라도 타격흔의 폭 B가 작아지고, 타격흔의 폭방향에 대한 압축 잔류 응력의 도입 범위가 좁아져, 피로 특성이 불리해지기 때문이다.
이러한 타격흔 형성용 공구(6)를 이용하여 본 발명의 제1 실시 형태인 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법을 실시할 때에는, 도 5에 있어서, 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 타격흔 형성용 공구(6)를 수직으로 대고 눌러 타격하고, 타격흔 형성용 공구(6)를 용접선 방향으로 상대적으로 이동시키고, 타격흔 형성용 공구(6)에 의한 타격과 타격흔 형성용 공구(6)의 이동을 반복하여 모재(1)의 표면에 타격흔(5)을 형성하는 해머 피닝 또는 초음파 충격 처리를 행한다. 용접선 방향이란, 도 5에 있어서의 지면에 대하여 직교하는 방향 및 도 1에 있어서의 화살표 Y방향을 나타낸다. 즉, 타격흔 형성면(7)이 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)의 지단(4)과 인접하도록 타격흔 형성용 공구(6)의 위치를 조정한 후, 타격흔 형성용 공구(6)의 타격흔 형성면(7)을 모재(1)의 표면에 수직으로 대고 눌러 타격하여, 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)의 지단(4) 근방으로부터 모재(1)측으로 5㎜까지의 영역에 있어서, 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 형성한다.
다음으로, 타격흔 형성용 공구(6)의 타격흔 형성면(7)을 모재(1)의 표면으로부터 떼어놓은 후, 타격흔 형성용 공구(6)를 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)의 용접선 방향으로 소정 거리만큼 이동시킨다. 그리고, 재차 타격흔 형성용 공구(6)의 타격흔 형성면(7)을 모재(1)의 표면에 수직으로 대고 눌러 타격하여, 모재(1)의 표면에 타격흔(5)을 형성하고, 이 타격흔 형성용 공구(6)에 의한 타격과 타격흔 형성용 공구(6)의 이동을 반복하여, 복수의 타격흔(5)을 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성한다. 이에 따라, 복수의 타격흔(5)이, 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)의 지단(4)으로부터 모재(1)측으로 5㎜까지의 영역에 있어서, 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만으로 형성된 용접 구조물이 얻어진다.
타격흔(5)이, 용접 비드(3)의 지단(4)으로부터 모재(1)측으로 5㎜까지의 영역에 있어서, 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만으로 형성하는 것으로 한 것은, 다음의 이유에 의한다. 타격흔(5)의 최대 깊이가 용접 비드(3)의 지단(4)으로부터 모재(1)측으로 5㎜를 초과하여 형성되면, 지단 근방에 압축 잔류 응력이 충분히 도입되지 않기 때문이다. 또한, 타격흔(5)의 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만으로 한 것은, 타격흔(5)의 최대 깊이가 0.03㎜보다도 얕으면, 지단 근방에 압축 잔류 응력이 충분히 도입되지 않기 때문이며, 0.50㎜ 이상이면, 인장 부하시(under tension load)에 타격흔 저부에 응력이 집중되어, 피로 균열 발생의 기점이 되기 때문이다.
타격흔(5)이, 용접 비드(3)의 지단(4)으로부터 모재(1)측으로 0.5㎜ 떨어진 위치에서 3㎜까지의 영역에 있어서, 최대 깊이가 0.1㎜ 이상 0.50㎜ 미만으로 형성되어 있으면 한층 바람직하다. 이 이유는, 지단 근방으로의 압축 잔류 응력의 도입이 충분히 이루어지기 때문이다.
[실시예 1]
본 발명자들은, 도 6a, 도 6b에 나타내는 용접 조인트를 용접 전류(welding current): 280A, 용접 전압(welding voltage): 32V, 용접 속도(welding speed): 28cpm의 용접 조건(welding condition)으로 시험편으로서 제작하고, 제작한 용접 조인트(weld joint)를 이용하여 압축 잔류 응력의 도입 시험을 표 1에 나타내는 조건으로 행했다.
Figure 112014038313805-pct00001
표 1의 실시예 1 내지 4는, 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 바와 같이, 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 타격흔 형성면(7)의 직경 D가 3㎜, 4㎜, 5㎜, 6㎜인 타격흔 형성용 공구(6)에 의해 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성한 경우를 나타내고 있다. 표 1의 실시예 5 내지 8은, 도 3a 내지 도 3c에 나타낸 바와 같이,용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 타격흔 형성면(7)의 직경 D가 3㎜, 4㎜, 5㎜, 6㎜, 모따기부(8)의 곡률 반경 r0이 0.15㎜, 0.20㎜, 0.30㎜인 타격흔 형성용 공구(6)에 의해 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성한 경우를 나타내고 있다.
표 1의 비교예 1 내지 3은 도 7a, 도 7b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(10)의 선단에 원형(직경 D: 2㎜, 3㎜, 4㎜)의 타격흔 형성면(11)이 구면 형상(곡률 반경 r: 1.5㎜, 2㎜, 4㎜)으로 형성된 것을 이용하여 타격흔(5)을 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 형성한 경우를 나타낸다. 표 1의 비교예 4, 5는, 도 8a, 도 8b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(12)의 선단에 정방형(1변의 길이 L: 3㎜, 5㎜)의 타격흔 형성면(13)이 평면 형상으로 형성된 것을 이용하여 타격흔(5)을 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 형성한 경우를 나타내고 있다. 표 1의 Ra는 타격흔(5)의 최대 깊이(㎜)를 나타내고, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 5에서는 타격흔 형성용 공구에 의한 해머 피닝을 공기압: 약 6㎏/㎠, 주파수(frequency): 90Hz, 이동 속도(moving speed): 0.25㎜/초의 조건으로 행했다. 표 1의 잔류 응력은 모재(1)의 표면에 형성된 타격흔(5)으로부터 1㎜ 떨어진 위치에 직경 1㎜의 X선(X-ray)을 조사하여 잔류 응력을 측정한 결과를 나타내고 있다.
실시예 1 내지 8과 비교예 1 내지 5를 비교하면, 비교예 1 내지 5에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 도입되는 압축 잔류 응력은 230 내지 270㎫의 범위 내였다. 이에 대하여, 실시예 1 내지 8에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 도입되는 압축 잔류 응력은 300 내지 330㎫의 범위 내였다. 따라서, 실시예 1 내지 8과 같이, 용접 비드(3)와 인접하는 모재 표면에 타격흔(5)을 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝에 의해 형성하는 타격흔 형성용 공구로서, 평탄하고 또한 반경이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하의 원형으로 형성된 타격흔 형성면(7)을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구(6)를 이용하고, 이 타격흔 형성용 공구(6)에 의해 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성함으로써, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 300㎫를 초과하는 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 가능해지기 때문에, 강교 등의 용접 구조물의 용접부에 피로 균열 등의 피로 손상이 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
실시예 1 내지 8과 같이, 타격흔 형성면(7)을 향하여 원추대 형상으로 형성된 타격흔 형성용 공구(6)를 이용함으로써, 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 비교적 작은 타격력으로 형성할 수 있고, 이에 따라, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 압축 잔류 응력을 용이하게 도입할 수 있다. 실시예 5 내지 8과 같이, 타격흔 형성면(7)의 주위에 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부(8)를 갖는 타격흔 형성용 공구(6)를 이용함으로써, 타격흔(5)의 주위에 응력 집중이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
타격흔 형성면의 형상이 직사각형(3×4㎜)인 타격흔 형성용 공구를 이용하여 모재 표면에 타격흔을 형성한 경우는, 도 9b에 나타내는 바와 같이, 용접 지단의 선과 타격흔의 단선과의 사이에 최대 1.8㎜의 간극(space)이 발생하여, 지단 근방에 300㎫ 이상의 잔류 응력을 남길 수 없었다. 이에 대하여, 타격흔 형성면의 형상이 원형(직경: 3.0㎜)으로 평면 형상의 타격흔 형성용 공구를 이용하여 모재 표면에 타격흔을 형성한 경우는, 도 9a에 나타내는 바와 같이, 용접 지단의 선과 타격흔의 단선과의 사이의 간극은 최대 0.2㎜로서, 용접 지단의 선과 타격흔의 단선과의 사이에 거의 간극을 발생시키는 일 없이 타격흔을 형성할 수 있었다.
[실시예 2]
본 발명자들은, 표 2(실시예 11 내지 18, 비교예 11 내지 16)에 나타내는 선단 형상을 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하여, 12㎜두께×100㎜×300㎜의 강판에 해머 피닝(공기압: 약 0.588㎫(약 6㎏f/㎠), 주파수: 90Hz, 이동 속도: 0.25㎜/초에 의함)으로 용접선을 따라 100㎜의 길이에 걸쳐 용접 비드의 지단으로부터 모재측으로 5㎜까지의 영역에 있어서 타격흔의 최대 깊이가 0.02 내지 0.50㎜가 되도록 타격흔 형성용 공구를 수직으로 반복하여 타격한 후, 타격흔(5)의 단(端)(지단(4)측의 단)으로부터 1㎜ 떨어진 위치의 잔류 응력을 X선에 의해 측정했다. X선을 이용한 잔류 응력 측정(measurement of residual stress)은, 빔 지름(beam diameter) 1㎜φ로 행했다. 시험 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112014038313805-pct00002
표 2의 실시예 11 내지 14는, 도 2a 내지 도 2c에 나타낸 바와 같이, 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에, 용접 비드(3)의 지단(4)으로부터 모재측으로 5㎜까지의 영역에 있어서 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 타격흔 형성면(7)의 직경 D가 3㎜, 4㎜, 5㎜, 6㎜인 타격흔 형성용 공구(6)에 의해 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성한 경우를 나타내고 있다. 표 2의 실시예 15 내지 18은, 도 3a 내지 도 3c에 나타낸 바와 같이, 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방으로부터 모재측으로 5㎜까지의 영역에 있어서 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 타격흔 형성면(7)의 직경 D가 3㎜, 4㎜, 5㎜, 6㎜, 모따기부(8)의 곡률 반경 r0이 0.15㎜, 0.20㎜, 0.50㎜인 타격흔 형성용 공구(6)에 의해 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성한 경우를 나타내고 있다.
표 2의 비교예 11 내지 13은 도 7a, 도 7b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(10)의 선단에 원형(직경 D: 2㎜, 3㎜, 4㎜)의 타격흔 형성면(11)이 구면 형상(곡률 반경 r: 1.5㎜, 2㎜, 4㎜)으로 형성된 것을 이용하여 타격흔(5)을 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 형성한 경우를 나타내고, 비교예 14, 15는 도 8a, 도 8b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(12)의 선단에 정방형(1변의 길이 L: 3㎜, 5㎜)의 타격흔 형성면(13)이 평면 형상으로 형성된 것을 이용하여 타격흔(5)을 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 형성한 경우를 나타내고 있다. 비교예 16은, 타격흔 형성면(7)의 직경 D가 6㎜이기는 하지만, 타격흔의 최대 깊이가 0.03㎜ 미만인 것을 나타낸다. 표 2의 Ra는 타격흔(5)의 최대 깊이를 나타내는 것이다.
실시예 11 내지 18과 비교예 11 내지 16을 비교하면, 비교예 11 내지 16에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 도입되는 압축 잔류 응력은 60 내지 270㎫의 범위 내에 있었다. 이에 대하여, 실시예 11 내지 18에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 도입되는 압축 잔류 응력이 300 내지 330㎫의 범위 내에 있었다. 따라서, 실시예 11 내지 18과 같이, 타격흔 형성용 공구(6)로서, 평탄하고 또한 반경이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하의 원형으로 형성된 타격흔 형성면(7)을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구(6)를 이용하고, 타격흔 형성용 공구(6)에 의해 용접 비드(3)의 지단(4)으로부터 모재(1)측으로 5㎜까지의 영역에 있어서, 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔(5)을 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성함으로써, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 300㎫를 초과하는 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 가능해지기 때문에, 강교 등의 용접 구조물의 용접부에 피로 균열 등의 피로 손상이 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 실시예 15 내지 18과 같이, 타격흔 형성용 공구(6)로서, 타격흔 형성면(7)의 주위에 0.15㎜ 이상 0.50㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부(8)를 갖는 타격흔 형성용 공구(6)를 이용함으로써, 타격흔(5)의 주위에 응력 집중이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
[실시예 3]
도 4a 내지 도 4d에 나타낸 타격흔 형성용 공구(6)를 이용하여 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)(예를 들면, 12㎜두께×100㎜×300㎜의 강판)의 표면에 타격흔(5)을 용접 비드(3)를 따라 100㎜의 길이에 걸쳐 연속적으로 형성한 경우의 실시예 21 내지 28을 비교예 21 내지 25와 함께 표 3에 나타낸다. 표 3의 Ra는 타격흔의 최대 깊이를 나타낸다.
Figure 112014038313805-pct00003
실시예 21 내지 24는, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 용접 비드(3)를 횡단하는 방향을 따르는 타격흔 형성면(7)의 폭 RX가 2㎜, 2㎜, 2.5㎜, 3㎜, 용접 비드(3)를 따르는 타격흔 형성면(7)의 길이 RY가 3㎜, 4㎜, 5㎜, 6㎜인 타격흔 형성용 공구(6)를 이용하여 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 나타내고 있다. 실시예 25 내지 28은, 도 4a 내지 도 4d에 나타낸 바와 같이, 용접 비드(3)를 횡단하는 방향을 따르는 타격흔 형성면(7)의 폭 RX가 2㎜, 2㎜, 2.5㎜, 3㎜, 용접 비드(3)를 따르는 타격흔 형성면(7)의 길이 RY가 3㎜, 4㎜, 5㎜, 6㎜, 모따기부(8)의 곡률 반경 r0이 0.15㎜, 0.20㎜, 0.20㎜, 0.60㎜인 타격흔 형성용 공구(6)를 이용하여 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 각각 나타내고 있다.
비교예 21 내지 23은, 도 7a, 도 7b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(10)의 선단에 구면 형상의 타격흔 형성면(11)(직경 R: 2㎜, 3㎜, 4㎜, 곡률 반경 r: 1.5㎜, 2㎜, 4㎜)이 형성된 것을 이용하여 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 각각 나타내고 있다. 비교예 24, 25는, 도 8a, 8b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(12)의 선단에 평면 형상의 타격흔 형성면(13)이 정방형 형상(1변의 길이 L이 3㎜, 5㎜)으로 형성된 것을 이용하여 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 각각 나타내고 있다. 표 3의 잔류 응력은, 모재(1)의 표면에 형성된 타격흔(5)으로부터 1㎜ 떨어진 위치에 직경 1㎜의 X선을 조사하여 잔류 응력을 측정한 결과를 나타내고 있다. 실시예 21 내지 28 및 비교예 21 내지 25에서는, 타격흔 형성용 공구에 의한 해머 피닝을 공기압: 약 6㎏/㎠, 주파수: 90Hz, 이동 속도: 0.25㎜/초의 조건으로 행했다.
실시예 21 내지 28과 비교예 21 내지 25를 비교하면, 비교예 21 내지 25에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단 근방에 도입되는 압축 잔류 응력은 230 내지 270㎫의 범위 내에 있었다. 이에 대하여, 실시예 21 내지 28에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단 근방에 도입되는 압축 잔류 응력은 305㎫ 내지 335㎫의 범위 내에 있었다. 따라서, 실시예 21 내지 28과 같이, 용접부의 용접 비드(3)와 인접하는 모재의 표면에 타격흔(5)을 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝에 의해 형성하는 타격흔 형성용 공구로서, 용접 비드(3)를 직각으로 횡단하는 방향을 따르는 폭이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하, 용접 비드(3)를 따르는 길이가 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하, 또한 전체 형상이 타원형 형상으로 형성된 평면 형상의 타격흔 형성면(7)을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구(6)를 이용하여, 이 타격흔 형성용 공구(6)에 의해 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 대략 직선 형상 및 곡선 형상의 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성함으로써, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 300㎫를 초과하는 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 가능해지기 때문에, 강교 등의 용접 구조물의 용접부에 피로 균열 등의 피로 손상이 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
실시예 21 내지 28과 같이, 타격흔 형성면(7)을 향하여 끝이 가늘어진 형상으로 형성된 타격흔 형성용 공구(6)를 이용함으로써, 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 비교적 작은 타격력으로 형성할 수 있고, 이에 따라, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 압축 잔류 응력을 용이하게 도입할 수 있다. 실시예 25 내지 28과 같이, 타격흔 형성면(7)의 주위에 0.15㎜ 이상 0.60㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부(8)를 갖는 타격흔 형성용 공구(6)를 이용함으로써, 타격흔(5)의 주위에 응력 집중이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 10a에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 형태인 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법을 실시할 때에 이용되는 타격흔 형성용 공구(21)는, SM570 등의 고강도 강으로 형성되어 있음과 함께, 대략 직선 형상의 용접 비드(3)(도 5 참조)와 인접하는 모재(1)의 표면에 타격흔(5)을 형성하기 위한 타격흔 형성면(22)을 갖고 있다. 타격흔 형성면(22)은, 용접 비드(3)를 직각으로 횡단하는 방향(도 10a에 나타내는 X방향)을 따라 1㎜ 이상 5㎜ 이하의 곡률 반경 r로 원호 형상으로 만곡하고 있음과 함께, 용접 비드(3)를 따르는 길이 L이 1㎜ 이상 10㎜ 이하의 치수로 타격흔 형성용 공구(21)의 선단에 형성되어 있다.
타격흔 형성용 공구(21)는 용접 비드(3)를 따라 서로 평행한 2개의 단면(23a, 23b)을 갖고 있다. 타격흔 형성면(22)은, 단면(23a, 23b) 중 한쪽의 단면측(예를 들면 단면 23a측)에 곡률 중심 C를 치우치게 하여 타격흔 형성용 공구(21)의 선단에 형성되어 있다. 타격흔 형성용 공구(21)는 단면(23a, 23b)에 대하여 직각인 2개의 측면(24a, 24b)을 갖고 있다. 측면(24a, 24b)의 선단부는 단면(23a)을 향하여 가늘어지는 테이퍼 형상(taper shape)으로 형성되어 있다. 타격흔 형성용 공구(21)는 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 2개의 원호면(25a, 25b)을 갖고 있다. 원호면(25a, 25b)은 타격흔 형성면(22)과 측면(24a, 24b)과의 경계부에 형성되어 있다.
타격흔 형성용 공구(21)를 이용하여 본 발명을 실시하는 경우는, 단면(23b)이 대략 직선 형상의 용접 비드(3)의 지단(4)과 인접하도록 타격흔 형성용 공구(21)의 위치를 조정한 후, 타격흔 형성면(22)을 모재(1)의 표면에 대고 눌러, 대략 직선 형상의 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 해머 충격 피닝법 또는 초음파 충격 피닝법에 의해 형성한다. 다음으로, 타격흔 형성면(22)을 모재(1)의 표면으로부터 떼어놓은 후, 타격흔 형성용 공구(21)를 대략 직선 형상의 용접 비드(3)를 따라 소정 거리만큼 이동시킨다. 그리고, 재차 타격흔 형성면(22)을 모재(1)의 표면에 대고 눌러, 모재(1)의 표면에 타격흔(5)을 대략 직선 형상의 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성한다.
타격흔 형성면(22)의 곡률 반경 r을 1㎜ 이상 5㎜ 이하로 한 이유는 이하의 이유에서이다. 즉, 타격흔 형성면(22)의 곡률 반경 r이 1㎜ 미만에서는, 타격흔(5)의 폭이 지나치게 좁아져, 용접 비드(3)의 지단(4)에 하중이 부하되었을 때에 응력 집중이 타격흔(5)에 발생하기 쉬워져 피로 균열의 발생 원인이 된다. 한편, 타격흔 형성면(22)의 곡률 반경 r이 5㎜를 초과하면, 타격흔 형성면(22)의 면적이 지나치게 커져, 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 모재(1)의 표면에 형성하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 타격흔 형성면(22)의 곡률 반경 r을 1㎜ 이상 5㎜ 이하로 했다.
용접 비드(3)를 따르는 타격흔 형성면(22)의 길이 L을 1㎜ 이상 10㎜ 이하로 한 이유는 이하의 이유에서이다. 즉, 타격흔 형성면(22)의 길이 L이 1㎜ 미만에서는, 대략 직선 형상의 용접 비드(3)를 따르는 타격흔(5)의 길이가 1㎜ 미만이 되어, 안정된 형상의 타격흔(5)을 모재(1)의 표면에 형성하는 것이 곤란해진다. 한편, 타격흔 형성면(22)의 길이 L이 10㎜를 초과하면, 타격흔 형성면(22)의 면적이 지나치게 커져, 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 모재(1)의 표면에 형성하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 타격흔 형성면(22)의 용접 비드(3)를 따르는 길이 L을 1㎜ 이상 10㎜ 이하로 했다.
원호면(25a, 25b)의 곡률 반경을 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하로 한 이유는 이하의 이유에서이다. 즉, 원호면(25a, 25b)의 곡률 반경이 0.15㎜ 미만에서는, 타격흔(5)의 길이 방향 단부에 응력 집중이 발생하기 쉬운 상태가 된다. 한편, 원호면(25a, 25b)의 곡률 반경이 0.30㎜를 초과하면, 모재(1)의 표면에 접촉하는 타격흔 형성면(22)의 접촉 면적이 지나치게 커져, 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 모재(1)의 표면에 형성하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 원호면(25a, 25b)의 곡률 반경을 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하로 했다.
[실시예]
도 10a 내지 도 10c에 나타낸 타격흔 형성용 공구(21)를 이용하여 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)(예를 들면, 두께: 12㎜두께×100㎜×300㎜의 강판)의 표면에 타격흔(5)을 대략 직선 형상의 용접 비드(3)를 따라 100㎜의 길이에 걸쳐 연속적으로 형성한 경우의 실시예 31 내지 34를 비교예 31 내지 35와 함께 표 4에 나타낸다. 표 4의 Ra는 타격흔의 최대 깊이를 나타낸다.
Figure 112014038313805-pct00004
실시예 31은, 타격흔 형성면(22)의 곡률 반경 r이 1㎜, 타격흔 형성면(22)의 길이 L이 4㎜, 단면(23a)과 단면(23b)과의 간격 B가 3㎜인 타격흔 형성용 공구(21)를 이용하여 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 나타내고 있다. 실시예 32 내지 34는 타격흔 형성면(22)의 곡률 반경 r이 3㎜, 5㎜, 타격흔 형성면(22)의 길이 L이 5㎜, 6㎜, 단면(23a)과 단면(23b)과의 간격 B가 4㎜, 5㎜인 타격흔 형성용 공구(21)를 이용하여 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 각각 나타내고 있다. 실시예 31 내지 34의 타격흔 형성면(22)과 측면(24a, 24b)과의 경계부에는, 곡률 반경이 0.15㎜ 내지 0.30㎜인 원호면을 형성했다.
비교예 31 내지 33은, 도 7a, 도 7b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(10)의 선단에 구면 형상의 타격흔 형성면(11)(직경 D: 2㎜, 3㎜, 4㎜, 곡률 반경 r: 1.5㎜, 2㎜, 4㎜)이 형성된 것을 이용하여 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 각각 나타내고 있다. 비교예 34, 35는, 도 8a, 도 8b에 나타내는 타격흔 형성용 공구(12)의 선단에 평면 형상의 타격흔 형성면(13)이 정방형 형상(1변의 길이 L이 3㎜, 5㎜)으로 형성된 것을 이용하여 모재(1)의 표면에 최대 깊이 Ra가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 형성한 경우를 각각 나타내고 있다. 표 4의 잔류 응력은, 모재(1)의 표면에 형성된 타격흔(5)으로부터 1㎜ 떨어진 위치에 직경 1㎜의 X선을 조사하여 잔류 응력을 측정한 결과를 나타내고 있다. 실시예 31 내지 34 및 비교예 31 내지 35에서는, 타격흔 형성용 공구에 의한 해머 피닝을 공기압: 약 6㎏/㎠, 주파수: 90Hz, 이동 속도: 0.25㎜/초의 조건으로 행했다.
실시예 31 내지 34와 비교예 31 내지 35를 비교하면, 비교예 31 내지 35에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 도입되는 압축 잔류 응력은 230 내지 270㎫의 범위 내였다. 이에 대하여, 실시예 31 내지 34에서는, 타격흔(5)에 의해 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 도입되는 압축 잔류 응력은 330 내지 340㎫의 범위 내였다. 따라서, 실시예 31 내지 34와 같이, 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 타격흔(5)을 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝에 의해 형성하는 타격흔 형성용 공구로서, 용접 비드(3)를 직각으로 횡단하는 방향을 따라 1㎜ 이상 5㎜ 이하의 곡률 반경 r로 원호 형상으로 만곡하고, 또한 용접 비드(3)를 따라 서로 평행한 2개의 단면(23a, 23b) 중 한쪽의 단면측으로 곡률 중심 C를 치우치게 한 타격흔 형성면(22)을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구(21)를 이용하고, 이 타격흔 형성용 공구(21)에 의해 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔(5)을 대략 직선 형상의 용접 비드(3)를 따라 연속적으로 형성함으로써, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방에 300㎫를 초과하는 압축 잔류 응력을 도입하는 것이 가능해지기 때문에, 강교 등의 용접 구조물의 용접부에 피로 균열 등의 피로 손상이 발생하는 것을 확실하게 억제할 수 있다.
용접 비드(3)를 따라 서로 평행한 2개의 단면(23a, 23b) 중 한쪽의 단면측으로 타격흔 형성면(22)의 곡률 중심 C를 치우치게 함으로써, 단면(23a, 23b)에 대하여 직각인 2개의 측면(24a, 24b)의 형상이 테이퍼 형상이 되기 때문에, 용접 비드(3)의 지단(4)의 근방이 보이기 어려운 개소나 좁은 공간이라도 용접 비드(3)와 인접하는 모재(1)의 표면에 타격흔(5)을 정확하게 형성할 수 있다. 실시예 31 내지 34와 같이, 타격흔 형성면(22)과 측면(24a, 24b)과의 경계부에 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 원호면(25a, 25b)을 갖는 타격흔 형성용 공구(21)를 이용함으로써, 타격흔(5)의 길이 방향 단부에 응력 집중이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명의 개시의 일부를 이루는 기술(記述) 및 도면에 의해 본 발명은 한정되는 일은 없다. 즉, 본 실시 형태에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시 형태, 실시예 및, 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
본 발명은, 용접 구조물의 용접부에 피로 손상이 발생하는 것을 억제하는 처리에 적용할 수 있다.
1: 모재
2 : 리브
3 : 용접 비드
4 : 지단
5 : 타격흔
6, 10, 12, 21 : 타격흔 형성용 공구
7, 11, 13, 22 : 타격흔 형성면
8 : 모따기부
23a, 23b : 단면
24a, 24b : 측면
25a, 25b : 원호면

Claims (14)

  1. 용접 구조물의 용접부에 피로 손상이 발생하는 것을 억제하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법으로서,
    상기 용접부 중, 대략 직선 형상으로만 이루어진 용접 비드와 인접하는 모재(base material) 표면에는, 상기 용접 비드를 직각으로 횡단하는 방향을 따라 원호 형상으로 만곡하고, 또한 상기 용접 비드를 따라 서로 평행한 2개의 단면(end face) 중 한쪽의 단면측으로 곡률 중심을 치우치게 한 타격흔 형성면을 선단(tip)에 갖는 제1 타격흔 형성용 공구를 이용하여, 해머 피닝(hammer peening) 또는 초음파 충격 피닝에 의해 타격흔을 형성하고,
    대략 직선 형상 및 곡선 형상의 쌍방으로 이루어진 용접 비드와 인접하는 모재 표면에는, 전체 형상이 원형 또는 타원형 형상으로 형성된 평면 형상의 타격흔 형성면을 선단에 갖는 제2 타격흔 형성용 공구를 이용하여, 해머 피닝 또는 초음파 충격 피닝에 의해 타격흔을 형성하고,
    당해 제1 및 제2 타격흔 형성용 공구에 의해 상기 용접 비드의 지단(止端;weld toe) 근방에 압축 잔류 응력을 도입하여 상기 용접부의 피로 손상을 억제하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 타격흔 형성용 공구의 타격흔 형성면은, 용접 비드를 따르는 방향의 길이가 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하의 치수를 갖고, 상기 용접 비드의 지단으로부터 상기 모재측으로 5㎜까지의 영역에 있어서, 상기 제2 타격흔 형성용 공구에 의해 최대 깊이가 0.03㎜ 이상 0.50㎜ 미만인 타격흔을 상기 용접 비드를 따라 연속적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 평탄하고 또한 반경이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하의 원형으로 형성된 타격흔 형성면을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면의 주위에 0.15㎜ 이상 0.60㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부를 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 용접 비드의 지단으로부터 상기 모재측으로 0.5㎜ 떨어진 위치에서 3㎜까지의 영역에 최대 깊이가 0.1㎜ 이상 0.5㎜미만인 타격흔을 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 용접 비드를 직각으로 횡단하는 방향을 따르는 폭이 1.5㎜ 이상 3.0㎜ 이하, 상기 용접 비드를 따르는 길이가 3.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하, 또한 전체 형상이 타원형 형상으로 형성된 평면 형상의 타격흔 형성면을 선단에 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면의 주위에 0.15㎜ 이상 0.60㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 모따기부를 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면에 대한 수직 방향에 있어서 경사지는 측면을 갖는 원추대 형상으로 형성된 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 타격흔 형성용 공구의 타격흔 형성면은, 용접 비드를 직각으로 횡단하는 방향을 따라 1㎜ 이상 5㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하고, 상기 제1 타격흔 형성용 공구에 의해 최대 깊이가 0.2㎜ 이상인 타격흔을 상기 용접 비드를 따라 연속적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 타격흔 형성용 공구로서, 상기 용접 비드를 따르는 상기 타격흔 형성면의 길이가 1㎜ 이상 10㎜ 이하인 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 타격흔 형성용 공구로서, 상기 단면에 대하여 직각인 2개의 측면을 갖고, 당해 측면의 형상이 상기 타격흔 형성면에 대하여 테이퍼 형상으로 형성된 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 타격흔 형성용 공구로서, 상기 타격흔 형성면과 상기 측면과의 경계부에 0.15㎜ 이상 0.30㎜ 이하의 곡률 반경으로 원호 형상으로 만곡하는 원호면을 갖는 타격흔 형성용 공구를 이용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법에 있어서 이용되는 타격흔 형성용 공구.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 용접 구조물의 피로 손상 억제 방법에 의해, 상기 타격흔에 의해 상기 용접 비드의 지단 근방에 도입된 압축 잔류 응력이 300MPa 이상인, 피로 손상이 억제된 용접 구조물.

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