TWI391204B - Fatigue characteristics of the welded joint Improved blow treatment method, the fatigue property improving the blow treatment device and the fusible structure having excellent fatigue resistance - Google Patents

Fatigue characteristics of the welded joint Improved blow treatment method, the fatigue property improving the blow treatment device and the fusible structure having excellent fatigue resistance Download PDF

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Description

熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法、該疲勞特性改善打擊處理裝置及耐疲勞特性優異之熔接構造物 發明領域
本發明係有關於一種熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法及其疲勞特性改善打擊處理裝置，以及耐疲勞特性優異之熔接構造物。特別是有關於一種以使用於建築、造船、橋樑、建設機械、產業機械、海洋構造物、汽車等之可承受重覆負載之構造物所採用之金屬製構件之因疲勞裂痕之發生造成問題之熔接接頭為對象，而可有效率地改善其疲勞特性之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法及其疲勞特性改善打擊處理裝置，以及耐疲勞特性優異之熔接構造物。
 發明背景
舉例言之，船舶、橋樑、建設機械、產業機械、海洋構造物、汽車等金屬製構造物係熔接多種金屬製構件而構成，其等之熔接部分則藉各種熔接方法形成有熔接接頭。
然而，上述之熔接接頭在形成熔接焊珠之熔接金屬之表面與金屬製構件(母材)之表面交會之邊界部(稱為熔接焊珠之焊趾)及其近旁(以下，稱為熔接焊珠之焊趾部)，容易存在熔接時之高溫狀態下之熔接金屬為周邊之母材所限制之狀態下冷卻而導致之拉伸殘留應力。進而，作為構造物使用時，亦為容易因構件所承受之外力而集中應力之部位。
因此，金屬製構造物所使用之熔接接頭可能因重覆負載之作用，而從熔接焊珠之焊趾部開始發生疲勞裂痕，並發展至嚴重之裂痕或破裂。又，熔接焊珠之焊趾部之殘留應力及應力集中亦已妨礙金屬製構造物之疲勞特性之提昇。
因此，發生於上述熔接接頭之疲勞裂痕將對構造物整體之可靠性造成重大影響，故迄今已嘗試各種提昇熔接接頭之疲勞特性之方法(參照諸如非專利文獻1及2)。
具體而言，以下非專利文獻1、2中，已提案有藉(a)以機械性方法(研磨)使熔接部平滑之方法、(b)藉TIG熔接而對熔接部實施修飾熔接(修整)之方法等，以減少熔接部之應力集中之方法。
又，亦已提案有對熔接部實施敲擊(打擊)處理，而對發生疲勞裂痕之部位導入壓縮應力，而整體減少應力集中之方法，而具體之打擊處理除(c)珠擊法、(d)鎚擊等以外，近年並可例舉(e)超音波衝擊處理(參照諸如專利文獻1~3)等。
又，專利文獻4中雖已揭露於熔接焊趾部近旁進行敲擊(打擊)處理，並改質熔融線附近之熔接熱影響區之金屬組織，而改善熱影響區之韌性之方法，但其乃基於脆性破壞一般係從殘留於熔接部之熔融線上之缺陷開始發生，故而改善脆性破壞之起點部之材質者，並非可改善疲勞特性者。
又，藉熔接而安裝之肋板之端部之熔接焊趾部之疲勞特性之提昇方法，雖已揭露有使用壓縮衝頭等而對熔接焊趾部賦與壓縮殘留應力之方法(專利文獻5、6)，但該等方法均係用以提昇業經環焊等之肋板之端部之疲勞特性之方法，而無法適用於本發明之主要對象之朝熔接方向延長連續之熔接焊趾部。
習知技術文獻： 專利文獻： 專利文獻1
特開2006-167724號公報
專利文獻2
特開2006-175512號公報
專利文獻3
美國專利第6,171,415號說明書
專利文獻4
特開2004-149843號公報
專利文獻5
特開2006-320960號公報
專利文獻6
特開2006-312201號公報
非專利文獻： 非專利文獻1
社團法人日本道路協會，「鋼橋之疲勞」，丸善株式會社，1997年5月。
非專利文獻2
P. J. Haagensen and S J. Maddox,IIW Recommendations on Post Weld Improvement of Steel and Aluminum Structures,XIII-1815-00,Revised 16 February 2004。
 發明概要
依據上述(a)~(e)等疲勞特性改善處理，已知可提昇熔接焊珠之焊趾部之耐疲勞裂痕發生特性。尤其，上述(e)之超音波衝擊處理可藉較短時間之處理獲致較大之改善效果，故產業界甚為期待之。
然而，上述超音波衝擊處理係以人力處理為前提而開發，故必須連續處理鋼橋或吊車等長距離之構造物及組裝作業之自動化已進步之工廠等場所，有時難以採用之。
又，對自動操作機裝設超音波衝擊處理裝置而進行自動處理時，由於熔接焊珠之焊趾線通常呈不規則變形狀，故為正確對熔接焊珠之焊趾部進行處理，需要焊趾之檢測功能及對應變形之移動機構等高度之自動控制，由成本面考量亦有難以實現之狀況。
又，對熔接焊珠之焊趾部實施直接撞擊處理時，必須使用對應熔接焊珠之焊趾形狀之打擊桿，視熔接焊珠之焊趾形狀不同，可能發生打擊桿卡在焊趾部之熔接金屬內而停止處理，或焊趾部殘留摺痕瑕疵或尖銳凹狀之瑕疵之情形。
因此，本發明係有鑑於上述之習知問題而提案者，目的在提供一種幾不受熔接焊珠之複雜焊趾形狀之影響，而可安定地進行鎚擊處理或超音波衝擊處理，並對熔接焊珠之焊趾附近之較寬部分賦與壓縮殘留應力之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法、其疲勞特性改善打擊處理裝置及耐疲勞特性優異之熔接構造物。
以解決上述問題為目的之本發明之要旨如下。
(1)一種熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法，係一邊對熔接焊珠之焊趾附近之母材金屬材料表面壓附打擊桿，一邊使其朝熔接線方向相對地進行移動操作，而實施鎚擊處理或超音波衝擊處理，其特徵在於：前述打擊桿係使用先端曲率半徑為金屬材料厚度之1/2以下且為2~10mm之打擊桿；且，於前述熔接焊珠之焊趾至打擊處理位置中心之距離為前述打擊桿之先端曲率半徑之2.5倍以內，且前述打擊桿在打擊處理中不致接觸熔接金屬之範圍內之母材金屬材料表面上，實施前述鎚擊或超音波衝擊處理，以藉前述打擊桿而產生殘留塑性變形；該殘留塑性變形中，打擊痕之槽深為0.1~2mm，而為前述打擊桿之先端曲率半徑以下，且為前述金屬材料厚度之1/10以下；打擊痕之寬則為1.5~15mm，且為前述槽深之5倍以上。
(2)一種熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置，係一邊對熔接焊珠之焊趾附近之母材金屬材料表面壓附打擊桿，一邊使其朝熔接線方向相對地進行移動操作，而實施鎚擊處理或超音波衝擊處理者，其特徵在於配設有：焊趾位置檢測部，可檢測具有前述熔接接頭之被處理材之熔接焊珠的焊趾位置；處理機構部，可實施前述打擊桿之鎚擊處理或超音波衝擊處理；支持推壓機構部，可支持前述處理機構部，並朝與前述被處理材之熔接焊珠之焊趾間隔預定距離的母材金屬材料表面壓附前述打擊桿；裝置基部，可供載置前述支持推壓機構部及被處理材中之一者；及，移動機構部，可供載置前述支持推壓機構部及被處理材中之另一者，本身並載置於前述裝置基部上，而可依據前述熔接焊趾位置檢測部所檢測之熔接焊珠之焊趾位置，使前述處理機構部對前述被處理材朝熔接線方向進行相對移動。
(3)一種耐疲勞特性優異之熔接構造物，係由熔接構造物之構造及負載狀況指定疲勞裂痕發生危險部之熔接部及熔接焊珠者，其特徵在於：至少於前述指定熔接焊珠之焊趾附近之金屬材料表面上，形成有鎚擊處理或超音波衝擊處理之打擊桿所造成之連續打擊痕，其長度為前述指定熔接焊珠之長度之90%以上；前述打擊痕之寬度方向中央位置與前述指定熔接焊珠之焊趾之距離為其槽底之曲率半徑之2.5倍以內，且形成於不與前述指定熔接焊珠接觸之範圍內之金屬材料表面上；同時，前述打擊痕之槽深為0.1~2mm，而為前述槽底之曲率半徑以下，且為前述金屬材料厚度之1/10以下，其寬則為1.5~15mm，且為前述槽深之5倍以上。
圖式簡單說明
第1圖係顯示應用本發明之熔接接頭之一例之立體圖。
第2圖係顯示應用本發明之熔接接頭之他例之立體圖。
第3圖係顯示已於母材金屬材料表面上藉打擊桿形成打擊痕之狀態之截面圖。
第4圖係顯示應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置之一例之立體圖。
第5圖係顯示應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置之他例之立體圖。
第6圖係顯示熔接焊珠之焊趾之波形較小時之打擊痕之一例之平面圖。
第7圖係顯示熔接焊珠之焊趾之波形較大時之打擊痕之一例之平面圖。
 用以實施發明之形態
以下，就本發明之實施例參照圖示加以詳細說明。
另，以下之說明所使用之圖示，為求特徵之容易理解，而簡化特徵部分為模式性質之顯示，各構成要素之尺寸比例等非必與實際相同。
本發明係提供一種可朝熔接焊珠之焊趾附近之母材金屬材料表面壓附打擊桿，同時使其朝熔接線方向相對地進行移動操作而實施鎚擊處理或超音波衝擊處理，藉此而改善熔接接頭之疲勞特性之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法、其疲勞特性改善打擊處理裝置及耐疲勞特性優異之熔接構造物。
(熔接接頭)
首先，就應用本發明之熔接接頭加以說明。
應用本發明之熔接接頭可例舉為諸如第1圖所示之熔接接頭10。該熔接接頭10係於同一面內使一方之鋼板11之端面與他方之鋼板12之端面對向而加以相互熔接而成之所謂對頭熔接接頭10。其熔接時，多預先就被熔接材之一方之鋼板11與他方之鋼板12之熔接端面加工開槽，而使該等鋼板11、12之開槽部對頭而加以熔接施工，並形成較該等鋼板之表面更朝外側隆起而成之熔接焊珠20。
其次，本發明中，朝上述熔接焊珠20之熔接金屬20a之表面與母材金屬材料(鋼板11、12)之表面交會之邊界(稱為熔接焊珠20之焊趾20b)之近旁壓附後述之打擊桿50，而使其朝熔接線方向進行相對移動，同時實施鎚擊處理或超音波衝擊處理。藉此，即可於熔接焊珠20之焊趾20b附近之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上形成後述之打擊痕80。
又，應用本發明之熔接接頭可例舉為諸如第2圖所示之熔接接頭30。該熔接接頭30係於一方之鋼板31之兩主面之相對向之位置上，分別使他方之鋼板32之端面對向而加以填角熔接而成之所謂十字熔接接頭。又，他方之鋼板32之兩主面對一方之鋼板31之兩主面交會成直角之部分(稱為隅部)則形成有具有三角形截面之熔接金屬40a所構成之熔接焊珠40。
其次，本發明中，朝上述熔接焊珠40之熔接金屬40a之表面與母材金屬材料(鋼板31、32)之表面交會之邊界(稱為熔接焊珠40之焊趾40b)之母材金屬材料(鋼板31、32)側近旁壓附後述之打擊桿50，而使其朝熔接線方向進行相對移動，同時實施鎚擊處理或超音波衝擊處理。藉此，即可於熔接焊珠40之焊趾40b附近之母材金屬材料(鋼板31、32)表面形成後述之打擊痕90。
另，應用本發明之熔接接頭並不限於上述第1圖所示之對頭熔接接頭10及上述第2圖所示之十字熔接接頭30，而亦包含熔接焊珠彎曲者，而可對一方之構件熔接有他方構件而成之熔接接頭廣泛地應用本發明。又，上述之熔接接頭10、30之熔接方法可採用各種熔接法，進而，亦可應用於單通熔接至多道熔接。
(熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法)
其次，說明應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法。
另，本實施例中，將例舉對與上述熔接接頭10之鋼板11(母材金屬材料)之主面接觸之熔接焊珠20之焊趾20b附近之母材金屬材料表面施以處理之情形而加以說明。
應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法一如第3圖之放大顯示，其特徵在於打擊桿係使用先端曲率半徑R在鋼板11之厚度之1/2以下且為2~10mm之打擊桿50，而可實施鎚擊處理或超音波衝擊處理，以使熔接焊珠20之焊趾20b至打擊處理位置之中心O之距離x為打擊桿50之先端曲率半徑R之2.5倍以內，且於打擊桿50在打擊處理中不致接觸熔接金屬20a之範圍內之母材金屬材料(鋼板11)之表面上，藉打擊桿50而產生打擊痕80之槽深y為0.1~2mm而為打擊桿50之先端曲率半徑R以下，且為鋼板11之厚度t之1/10以下，打擊痕80之寬度z則為1.5~15mm且為槽深y之5倍以上之殘留塑性變形。
具體而言，本發明中「使用先端曲率半徑R為鋼板11之厚度之1/2以下且為2~10mm之打擊桿50」，係因處理後殘留之壓縮應力可有效提昇疲勞特性，以及壓縮殘留應力領域之大小與打擊桿50所造成之壓痕之大小有關之故。
即，打擊桿50之先端曲率半徑R大於鋼板11之厚度之1/2時，需要可發生對鋼板11之大致厚度整體形成塑性變形之形變之打擊痕80，但此時，打擊痕所造成之塑性域將擴及鋼板11之相反面，故發生於熔接焊珠20之焊趾部之壓縮殘留應力將減小。
又，打擊桿50之先端曲率半徑R小於2mm時，壓縮殘留應力域將縮小，故必須打擊熔接焊珠20之焊趾20b之近處以避免疲勞裂痕之發生。然而，難以藉熔接焊珠20之波狀部等而正確地控制處理位置。進而，打擊桿50之先端部之磨損將加劇，而增加打擊桿50之更換頻率，故處理效率將降低。
另，打擊桿50之先端曲率半徑R大於10mm時，需要極大之打擊力以形成可發生有效之壓縮殘留應力之程度之溝槽，而將使處理裝置規模增大。進而，亦有因打擊處理而使熔接接頭10之形狀改變之虞。
又，打擊桿50係藉鎚擊處理或超音波衝擊處理而局部打擊處理對象物而使其塑性變形者，故打擊桿50通常使用強度及硬度大於處理對象物之金屬材料(諸如熔接構造用鋼)之金屬材料。
本發明中設定「熔接焊珠20之焊趾20b至打擊處理位置之中心O之距離x為打擊桿50之先端曲率半徑R之2.5倍以內」，係因上述之壓縮殘留應力領域之大小與打擊桿50所造成之打擊痕80之大小有關之故。即，打擊桿50之先端曲率半徑R愈大，發生壓縮殘留應力之領域愈大，且，距打擊痕80愈近，發生之壓縮殘留應力愈大，均業經FEM解析與實驗確認，並已確認可獲致足以提昇疲勞特性之壓縮殘留應力。因此，即便打擊痕在指定範圍內，亦宜儘可能接近熔接焊趾部。
本發明中設定「可實施鎚擊或超音波衝擊處理，以於打擊桿50在打擊處理中不致接觸熔接金屬20a之範圍內之母材金屬材料(鋼板11)之表面上，藉打擊桿50而產生殘留塑性變形」，係因打擊桿50接觸熔接金屬20a時，可能妨礙打擊桿50進行連續之打擊處理之故。另，本發明中，若不致明顯妨礙連續之打擊處理，則打擊桿50略微接觸熔接金屬20a亦無妨。
本發明中設定「打擊痕80之槽深y為0.1~2mm，且為打擊桿50之先端曲率半徑R以下，打擊痕80之寬度z則為1.5~15mm且為槽深y之5倍以上」，係因過深之打擊痕80其本身將成為應力集中源並將使熔接接頭10發生大幅之角畸變，導致其形狀改變之故。又，打擊痕80之寬度z若過大，可能使處理效率降低，打擊痕80若較淺較窄，則雖可發生有效影響疲勞特性之壓縮殘留應力，但並不充分。又，打擊痕80之寬度z雖依打擊桿50之先端曲率半徑R與處理深度而定，但此之寬度z之規定係考量處理時之裝置及目標位置之偏差後設定者。即，打擊痕80之寬度z若可達成充分深度之打擊，則雖在上述範圍內，即便先端曲率半徑R較大之打擊桿50已超出上述範圍，亦不致大幅損及疲勞特性，但處理效率將降低。又，打擊桿先端之曲率半徑較大時，第3圖之P將易與熔接金屬接觸，故在可獲致充分之打擊痕寬之範圍內縮小桿徑亦為有效之方法。又，對中止先端曲率之第3圖之P部施以去角處理而使形狀圓滑，亦為有效之方法。
(熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置)
以下，說明應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置。
應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置可大分為2種類型，其一如第4圖所示之疲勞特性改善打擊處理裝置60(第1實施例)，係固定處理機構部側，而移動被處理材側之類型，另一則如第5圖所示之疲勞特性改善打擊處理裝置70(第2實施例)，係固定被處理材側，而移動處理機構部側之類型。應選擇何種類型，則宜視處理對象及處理環境(屋外構造物之處理、工廠內之處理等)之不同而適切選擇之。
另，以下所示之第1及第2實施例中，被處理材雖將例舉改善上述熔接接頭10之疲勞特性之情形而進行說明，但其處理對象亦可為上述熔接接頭30，且，可對包含就一構件熔接安裝其它構件而成之熔接接頭之熔接構造物廣泛地進行處理。
(第1實施例)
作為第1實施例之第4圖所示之疲勞特性改善打擊處理裝置60中，處理機構部側固定於裝置基部65，且可載置被處理材(熔接接頭)而滑動驅動之移動機構部(未圖示)亦設於裝置基部65，該移動機構部可在其滑動方向與熔接焊珠20之長向一致之狀態下，使熔接接頭10進行移動。
又，疲勞特性改善打擊處理裝置60包含位於上述移動機構部上方而安裝有上述打擊桿50之處理機構部61，以及安裝有上述處理機構部61之支持推壓機構部62。上述支持推壓機構部62則由支持臂63與推壓裝置64所構成，而固定於裝置基部65。
處理機構部61可朝與熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)之表面壓附打擊桿50並實施鎚擊處理或超音波衝擊處理，而可採用諸如上述專利文獻1~3等所揭露之技術等。另，鎚擊處理及超音波衝擊處理則係迄今已公知者，故在此省略其等之詳細說明。另，本發明中，鎚擊處理或超音波衝擊處理之任一打擊處理均可採用，但因處理時之抗力較少及處理之輸出較大等理由，超音波衝擊處理較鎚擊處理為有利。又，雖亦可使用氣動工具等振動工具進行打擊處理，但與輸出較小之超音波衝擊處理相較，一般而言其處理效率較低。
支持推壓機構部62可朝母材金屬材料(鋼板11、12)表面以適當之負載壓附打擊桿50之先端部，並支持處理機構部61以避免打擊桿50因打擊振動而自目標之處理位置偏移。又，支持推壓機構部62若可依據處理機構部61所設定之鎚擊處理或超音波衝擊處理之一般處理條件而產生處理機構部61本身重量程度(數百克至數十公斤程度)之壓附負載即可。另，支持推壓機構部62亦可附加可吸收來自打擊桿50之抗力之機構以保護裝置等。
此外，使打擊桿50位於與熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上時，必須確認處理進行方向之未處理部之焊趾20b之位置。因此，疲勞特性改善打擊處理裝置60設有可檢測熔接焊珠20之焊趾位置之焊趾位置檢測部66。
上述焊趾位置檢測部66宜採用可取得雷射之高度資訊之形狀感測器、使用可由影像識別母材金屬材料(鋼板11、12)與熔接金屬20a之邊緣感測器之焊趾感測器等可辨識母材金屬材料(鋼板11、12)與熔接金屬20a之邊界之感測器。又，若預先已知焊趾20b之形狀及位置，則省略焊趾感測器，而對應已知之熔接焊珠20之焊趾20b移動打擊桿50，亦為有效之方法。
其次，於上述疲勞特性改善打擊處理裝置60設有可依據熔接焊趾位置檢測部66所檢知之熔接焊珠20之焊趾位置而朝與熔接線方向交錯之方向移動控制打擊桿50之打擊桿位置控制部67。上述打擊桿位置控制部67位於處理機構部61與支持推壓機構部62之間，而可朝與熔接線方向交錯之方向移動控制安裝於支持推壓機構部62上而呈可滑動狀態之處理機構部61。
具有以上構造之疲勞特性改善打擊處理裝置60，可依據熔接焊趾位置檢測部66所檢知之熔接焊珠20之焊趾位置，而朝與熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)表面壓附打擊桿50，並藉移動機構部滑動驅動熔接接頭10，而使打擊桿50對熔接接頭10朝熔接線方向進行相對移動。因此，可藉打擊桿50實施連續之鎚擊處理或超音波衝擊處理。
即，上述疲勞特性改善打擊處理裝置60可對與疲勞裂痕之發生部位之熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)表面，藉連續進行打擊桿50之打擊處理而施加足以提昇疲勞特性之壓縮殘留應力，因此而可改善熔接接頭10之疲勞特性，而獲致疲勞裂痕發生阻止性較高之熔接構造物。
(第2實施例)
作為第2實施例之第5圖所示之疲勞特性改善打擊處理裝置70包含圖示已省略之裝置基部，該裝置基部上則可載置熔接接頭10。
又，疲勞特性改善打擊處理裝置70中，包含位於該裝置基部上方而安裝有上述打擊桿50之處理機構部71、安裝有上述處理機構部71之支持推壓機構部72、可朝一方向滑動驅動上述支持推壓機構部72之移動機構部73。
處理機構部71可朝與熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)之表面壓附打擊桿50並實施鎚擊處理或超音波衝擊處理，而可採用諸如上述專利文獻1~3等所揭露之技術等。另，鎚擊處理及超音波衝擊處理則係迄今已公知者，故在此省略其等之詳細說明。另，本發明中，鎚擊處理或超音波衝擊處理之任一打擊處理均可採用，但因處理時之抗力較少及處理之輸出較大等理由，超音波衝擊處理較鎚擊處理為有利。又，雖亦可使用氣動工具等振動工具進行打擊處理，但與輸出較小之超音波衝擊處理相較，一般而言其處理效率較低。
支持推壓機構部72可朝母材金屬材料(鋼板11、12)表面以適當之負載壓附打擊桿50之先端部，並支持處理機構部71以避免打擊桿50因打擊振動而自目標之處理位置偏移。又，支持推壓機構部72若可依據處理機構部71所設定之鎚擊處理或超音波衝擊處理之一般處理條件而產生處理機構部71本身重量程度(數百克至數十公斤程度)之壓附負載即可。另，支持推壓機構部72亦可附加可吸收來自打擊桿50之抗力之機構以保護裝置等。
移動機構部73包含朝一方向延長而設置之軌部74，以及貫插上述軌部74之導引部75，設於上述導引部75內之電動台車(未圖示)可移動於軌部74上，而使安裝於導引部75下面之支持推壓機構部72朝一方向滑動驅動。
而，使打擊桿50位於與熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上時，必須確認處理進行方向之未處理部之焊趾20b之位置。因此，疲勞特性改善打擊處理裝置70設有可檢測熔接焊珠20之焊趾位置之焊趾位置檢測部76。
上述焊趾位置檢測部76宜採用可取得雷射之高度資訊之形狀感測器、使用可由影像識別母材金屬材料(鋼板11、12)與熔接金屬20a之邊緣感測器之焊趾感測器等可辨識母材金屬材料(鋼板11、12)與熔接金屬20a之邊界之感測器。又，若預先已知焊趾20b之形狀及位置，則省略焊趾感測器，而對應已知之熔接焊珠20之焊趾20b移動打擊桿50，亦為有效之方法。
其次，於上述疲勞特性改善打擊處理裝置70設有可依據熔接焊趾位置檢測部76所檢測之熔接焊珠20之焊趾位置而朝與熔接線方向交錯之方向移動控制打擊桿50之打擊桿位置控制部77。上述打擊桿位置控制部77位於處理機構部71與支持推壓機構部72之間，而可朝與熔接線方向交錯之方向移動控制安裝於支持推壓機構部72上而呈可滑動狀態之處理機構部71。
具有以上構造之疲勞特性改善打擊處理裝置70，可在上述一方向與熔接焊珠20之長向一致之狀態下，將熔接接頭10載置於裝置基部上，並依據熔接焊趾位置檢測部76所檢測之熔接焊珠20之焊趾位置，而朝與熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)表面壓附打擊桿50，並藉移動機構部73滑動驅動支持推壓機構部72，而使打擊桿50朝熔接接頭10之熔接線方向進行相對移動。因此，可藉打擊桿50實施連續之鎚擊處理或超音波衝擊處理。
即，上述疲勞特性改善打擊處理裝置70可對與疲勞裂痕之發生部位之熔接焊珠20之焊趾20b距離預定距離之母材金屬材料(鋼板11、12)表面，藉連續進行打擊桿50之打擊處理而施加足以提昇疲勞特性之壓縮殘留應力，因此而可改善熔接接頭10之疲勞特性，而獲致疲勞裂痕發生阻止性較高之熔接構造物。
又，實施打擊處理之部位宜位於接近熔接焊珠20之焊趾20b之位置，以承受足以朝壓縮側逆轉藉熔接而產生於熔接焊珠20之焊趾部之拉伸殘留應力程度之較大壓縮殘留應力，其與焊趾20b之間之距離則在上述之打擊桿50之先端曲率半徑之2.5倍以內，且為打擊桿50在打擊處理中不致接觸熔接金屬20a之範圍內。
(熔接構造物)
以下，說明應用本發明之熔接構造物。
本發明中作為對象之熔接構造物係以可由其構造及負載狀況指定疲勞裂痕發生危險部之熔接部乃至熔接焊珠之熔接構造物為前提。另，上述指定之疲勞裂痕發生危險部位係諸如橋樑之橋桁與橋墩之接合部等，若為船舶則係船側之龍骨構件與側板之熔接部等，凡可指定個別具體之熔接構造物，即可就上述各種熔接構造物，由其構造及負載狀況進行指定者。
以下之說明中，雖將例舉包含藉應用上述本發明之疲勞特性改善打擊處理方法及疲勞特性改善打擊處理裝置而改善疲勞特性後之熔接接頭10之熔接構造物而進行說明，但應用本發明之熔接構造物亦可為包含上述熔接接頭30者，且，亦可對包含就一構件熔接安裝其它構件而成之熔接接頭之熔接構造物廣泛地應用本發明。
應用本發明之熔接構造物之特徵在於可由其構造及負載狀況指定疲勞裂痕發生危險部之熔接部乃至熔接焊珠20，至少熔接接頭10之指定熔接焊珠20之焊趾20b附近之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上，形成有前述指定熔接焊珠20之長度之90%以上之長度之鎚擊處理或超音波衝擊處理之打擊桿50所造成之連續打擊痕80，前述打擊痕80之寬度方向中央位置與指定熔接焊珠20之焊趾20b之距離x為其槽底之曲率半徑r之2.5倍以內，且形成於不與指定熔接焊珠20接觸之範圍內之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上，同時其槽深y為0.1~2mm，而為前述槽底之曲率半徑r以下，且為金屬材料(鋼板11、12)厚度t之1/10以下，其寬度w則為1.5~15mm，且為槽深y之5倍以上。
本發明中設定「至少指定熔接焊珠20之焊趾20b附近之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上，形成有作為疲勞裂痕發生危險部之指定熔接焊珠20之長度之90%以上之長度之鎚擊處理或超音波衝擊處理之打擊桿50所造成之連續打擊痕80」，係因藉打擊處理將需要改善疲勞特性之熔接焊珠20之焊趾部之殘留應力狀態轉為壓縮應力時，進行與對象部位之熔接焊珠長度相同程度之長度以上之處理乃有效方法之故。且，即便存在局部未經充分處理之部位，作為疲勞裂痕發生危險部之指定熔接焊珠20之焊趾20b與打擊痕80亦已分離，故焊珠長之90%亦可產生充分之壓縮殘留應力。
本發明中設定「打擊痕80之寬度方向中央位置與指定熔接焊珠20之焊趾20b之距離x為其槽底之曲率半徑r之2.5倍以內，且形成於不與指定熔接焊珠20接觸之範圍內之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上，同時其槽深y為0.1~2mm，而為前述槽底之曲率半徑r以下，且為金屬材料(鋼板11、12)厚度t之1/10以下，其寬度w則為1.5~15mm，且為槽深y之5倍以上」，係因打擊桿50(尤其，第3圖中之包圍部分P所示之打擊桿50之圓柱部與先端曲率部之邊界附近)接觸熔接金屬20a時，若產生與熔接焊珠20接觸之打擊痕80，而於焊趾20b存在熔接缺陷，將難以發現該熔接缺陷之故。另，本發明中，若為不致妨礙發現熔接缺陷程度之輕微打擊痕80，則上述打擊痕80即便產生亦不致減損效果。
進而，已藉FEM解析與實驗確認了打擊痕80之寬度方向中央位置與指定熔接焊珠20之焊趾20b之距離x為其槽底之曲率半徑r之2.5倍以內，且，於不與指定熔接焊珠20接觸之範圍內之母材金屬材料(鋼板11、12)表面上形成有上述打擊痕80時，可獲致足以提昇疲勞特性之壓縮殘留應力。
另，若在上述範圍內，熔接焊珠20之焊趾20b至處理位置之距離x亦可略微改變，諸如第6圖所示，熔接焊珠20之焊趾20b之波狀部較小時，可藉沿行熔接方向之大致之處理位置之控制進行打擊處理。又，如第7圖所示，熔接焊珠20之焊趾20b之波狀部較大時，則可依據上述之焊趾位置檢測部66、76所檢測之熔接焊珠20之焊趾位置，使打擊桿50配合熔接焊珠20之焊趾形狀同時進行打擊處理。
又，將打擊痕80設定成其槽深y為0.1~2mm而為槽底之曲率半徑r以下，且為金屬材料(鋼板11、12)之厚度t之1/10以下，其寬度w則為1.5~15mm且為槽深y之5倍以上，係因過深之打擊痕80其本身將成為應力集中源並將使熔接接頭10發生大幅之角畸變，導致熔接構造物之形狀改變之故。且，亦由於打擊痕80之寬度若過大，可能使處理效率降低，打擊痕80若較淺較窄，則雖可發生有效影響疲勞特性之壓縮殘留應力，但並不充分之故。
打擊痕80之寬度w依打擊桿50之先端曲率半徑R與處理深度y而定，但此之寬度w之規定係考量處理時之裝置及目標位置之偏差後設定者，若可達成充分深度y之打擊則在上述範圍內，但即便先端曲率半徑R較大之打擊桿50已超出上述範圍，亦不致大幅損及疲勞特性，但處理效率將降低。
實施例
以下，藉實施例更清楚說明本發明之效果。另，本發明並不限於以下實施例，而可在不變更其要旨之範圍內適當進行變更實施。
(第1實施例)
第1實施例中，首先，已製作25支實際上具有與上述第2圖所示之熔接接頭30相同之構造之十字熔接測試體。具體而言，十字熔接測試體上藉填角電弧熔接而形成有熔接長為1800mm之十字熔接接頭。又，十字熔接測試體所使用之鋼板係板厚25mm之JIS G 3106標準之SM490B。又，熔接材料則使用JIS Z 3312標準之YGW11，熔接條件則設成熔接熱輸入量2.5×104 J/cm之CO2 半自動電弧熔接。
其次，使用上述第5圖所示之疲勞特性改善打擊處理裝置70，對該等十字熔接測試體進行改善熔接接頭之疲勞特性之打擊處理。具體而言，係將該等十字熔接測試體固定於裝置基部之被處理材搭載面上而連接一條熔接焊珠後，朝熔接焊珠40之焊趾40b附近之母材金屬材料(鋼板31)表面壓附打擊桿50，而藉移動機構部73使處理機構部側朝熔接線方向進行移動操作，同時實施超音波衝擊處理。另，超音波衝擊處理僅於可施加測試負載之主板之鋼板31之4處之焊趾40b附近進行，無測試負載之肋板之鋼板32之焊趾40b附近之處理則予省略。
上述超音波衝擊處理之振動頻率為27kHz，輸出約為1000W。打擊桿係與上述第3圖所示之打擊桿50相同之類型，而使用直徑為3mm或6.4mm、先端部之曲率半徑為1.5~12mm者。又，實施超音波衝擊處理時之打擊桿之壓附力(負載)為達處理機構部之本身重量而保持裝置故設為約6kg(約60N)，處理速度則在50~300mm/min之範圍內調整，以使處理部之溝槽之凹深為0.5mm。
打擊桿已調整角度以對金屬材料(鋼板31)表面垂直進行打擊，而將打擊能量有效傳至鋼板。此時，處理機構部71為免與十字熔接測試體之干擾，而調整裝置內部之波導器之先端形狀，並設定角度而與熔接線方向成直角，且對金屬材料(鋼板31)表面傾斜約60°。
另，導引部75之電動台車上則考量超音波衝擊處理之反作用力而安裝有約150kg之重錘。
其次，如表1所示，處理前之25支十字熔接測試體中，已對18支之十字熔接測試體異其處理條件而進行超音波衝擊處理。即，使打擊桿之先端曲率半徑為1.5mm、2mm、5mm、10mm、12mm而成階差，對各十字熔接測試體之4處之焊趾附近進行超音波衝擊處理。
其次，實施超音波衝擊處理後，由各十字熔接測試體中抽出相當於中央具有上述第2圖之熔接部之鋼板31與第1圖之對頭熔接後之鋼板11、12置換後之上述第1圖中之S之測試片a1~a18，並對各測試片a1~a18進行疲勞測試。又，對由處理前之十字熔接測試體抽出之測試片a0亦已進行相同之疲勞測試。疲勞測試係應力比為0.1、循環負載頻率6Hz之軸向重複拉伸測試，最大應力設為175MPa，而測定熔接部發生裂痕而測試片破裂之前之重複次數(疲勞壽命)。其評價結果已顯示於表1。
如表1所示，打擊桿之先端曲率半徑為1.5mm時(測試片a1~a3)，疲勞特性改善方面已有效果，但尤其在目標位置接近焊趾時，多發生碰觸熔接金屬而停止處理之情形，而降低了處理效率。又，打擊桿之磨損方面亦屬不利。
另，打擊桿之先端曲率半徑為12mm時(測試片a15~a18)，處理凹深多低於0.3mm，目標位置若遠離焊趾，則疲勞特性改善效果即減少。又，目標位置較近時，打擊桿邊緣多與熔接金屬發生干擾，而經常停止處理，降低了處理效率。進而，為達成深度充分之打擊，必須降低處理速度，而降低了處理效率。
相對於此，打擊桿之先端曲率半徑為2~10mm時(測試片a4~a14)，處理效率降低及處理不充分較少，而實現了安定之處理。
由以上結果可知，處理位置接近熔接焊珠之焊趾時，可獲致較高之疲勞壽命改善效果，但打擊桿與熔接金屬發生干擾及打擊桿之先端曲率半徑較大時，處理效率皆將降低。因此，本發明依據上述結果而規定了打擊桿之先端曲率半徑、熔接焊珠之焊趾至處理中心之距離及與熔接金屬之干擾比例。
另，由上述之測試結果可知，打擊痕一如上述第7圖所示，可於與焊趾形狀呈平行下凹之位置上加以判別。且，已知與熔接金屬之干擾容易發生於熔接焊珠之焊趾形狀劇變之位置與打擊處理中之打擊桿之偏移重疊之時。
以下，已對其餘之7支十字熔接測試體，如表2所示般異其處理條件而進行超音波衝擊處理。即，將打擊桿之先端曲率半徑固定為5mm，並改變處理時間，使處理凹深為0.08mm、0.1mm、0.5mm、2mm、2.5mm而成階差，並以距焊趾5mm之位置為目標而進行超音波衝擊處理。
其次，實施超音波衝擊處理後，由各十字熔接測試體中抽出相當於上述第1圖中之S之測試片b1~b7，並對各測試片b1~b7進行疲勞測試。疲勞測試係應力比為0.1、循環負載頻率6Hz之軸向重複拉伸測試，最大應力設為175MPa，而測定熔接部發生裂痕而測試片破裂之前之重複次數(疲勞壽命)。其評價結果已顯示於表2。
如表2所示，處理凹深為0.1mm以上時(測試片b2~b5)，已展現明顯之疲勞特性改善效果。惟，處理凹深大於2mm時(測試片b4、b5)，處理時間極長而無效率。
又，確認打擊桿之粗細與先端曲率半徑增大後之本發明之有效性後，發現打擊桿直徑較大之測試片b7除處理時間較長，熔接部亦發生大幅之角畸變，而有熔接構件之形狀問題。因此，從處理效率之觀點而言，亦宜採用測試片b6之處理條件之前之打擊桿作為妥適之處理條件。由以上之實驗結果，決定了本發明之有效範圍。
(第2實施例)
第2實施例中，首先，已製作4支實際上具有與上述第1圖所示之熔接接頭10相同之形狀之對頭熔接測試體。具體而言，對頭熔接測試體上藉屏蔽電弧熔接而製成熔接長為550mm之對頭熔接接頭。又，上述對頭熔接接頭之開槽係X開槽，兩面之焊珠寬則為18~21mm。又，對頭熔接測試體所使用之鋼板係板厚20mm之JIS G 3106標準之SM400A。又，熔接材料則使用JIS Z 3311標準之D4316之熔接棒(直徑4mm)，熔接條件則設成熔接熱輸入量1.7×104 J/cm之屏蔽電弧熔接。
其次，使用上述第4圖所示之疲勞特性改善打擊處理裝置60，對該等對頭熔接測試體進行改善熔接接頭之疲勞特性之打擊處理。具體而言，係將該等對頭熔接測試體固定於移動機構部而連接一條熔接焊珠後，朝熔接焊珠之焊趾附近之母材金屬材料表面壓附打擊桿，而藉移動機構部使被處理材側朝熔接線方向進行移動操作，同時實施超音波衝擊處理。另，超音波衝擊處理則於鋼板11、12之表背4處之焊趾20b附近進行。
上述超音波衝擊處理之振動頻率為27kHz，輸出約為1000W。打擊桿係與上述第3圖所示之打擊桿50相同之類型，而使用直徑為3mmmm、先端部之曲率半徑為5mm者。又，實施超音波衝擊處理時之打擊桿之壓附力(負載)為達處理機構部之本身重量而保持裝置故設為約4.5kg(約45N)，處理速度則設為200mm/min，以使處理部之溝槽之凹深為0.3mm。
其次，處理前之4支對頭熔接測試體中，已對3支對頭熔接測試體如表3所示般異其處理條件，而進行超音波衝擊處理。又，各對頭熔接測試體之熔接焊珠之焊趾雖呈波狀，且熔接寬亦各不同，但加以手動調整而設置成可打擊距熔接焊珠之焊趾3~6mm、5~7mm、11~14mm之鋼板表面之位置，而在個別條件下對熔接測試體進行了打擊。
其次，由業經超音波衝擊處理之3支對頭熔接測試體及未經打擊處理之1支對頭熔接測試體抽出上述第1圖中之S所示之測試片c1~c4，並對各測試片c1~c4進行疲勞測試。疲勞測試係應力比為0.1、循環負載頻率10Hz之軸向重複拉伸測試，最大應力設為200MPa，而測定熔接部發生破裂之前之重複次數(疲勞壽命)。其評價結果已顯示於表3。
如表3所示，未經打擊處理之測試片c4在47500次時破裂。相對於此，業經本發明之打擊處理之測試片c1、c2之壽命則增長為3倍程度，測試片c3則展現了若干改善效果。又，測試片c3中，尤可自該測試片之破裂面確認已由熔接焊珠之焊趾至打擊處理部之距離為14mm程度之處開始發生疲勞裂痕之狀態。
 產業之可利用性
依據本發明，藉有利地組合使用焊趾位置檢測部、處理機構部、支持推壓機構部、裝置基部、移動機構部，即可迅速且合理地提昇熔接接頭之疲勞特性，故可有利地解決上述之技術問題及經濟問題上之困難。
舉例言之，使用採用自動操作機等之自動移動裝置時，僅須單純指示熔接焊珠之概略方向，而無需檢測熔接焊珠之焊趾之變形而正確加以對應之功能等，即可藉極簡單之系統構成處理系統，而極有利於經濟層面之需要。
又，人力進行熔接接頭之打擊處理時，作業需要頻繁之休息，但採用本發明，則處理中僅需進行監視作業，而可期待提昇處理效率。
進而，直接對熔接焊珠之焊趾部進行打擊處理之習知方法須直接藉目視檢查處理是否充分，而難以發現殘存於熔接焊珠之焊趾之缺陷，本發明則僅須檢查平滑之母材金屬之處理部，而可顯著減少檢查之負擔，並可與熔接焊珠之焊趾之缺陷檢查區分而實施，故可更合理地進行處理後之熔接部之品質管理。
如上所述，依據本發明，可期待疲勞裂痕發生阻止效果、熔接部製作工期之縮短，進而因檢查合理化而獲致經濟上利益。
10．．．熔接接頭
11．．．鋼板
12．．．鋼板
20．．．熔接焊珠
20a．．．熔接金屬
20b．．．焊趾
30．．．熔接接頭
31．．．鋼板
32．．．鋼板
40．．．熔接焊珠
40a．．．熔接金屬
40b．．．焊趾
50．．．打擊桿
60．．．疲勞特性改善打擊處理裝置
61‧‧‧處理機構部
62‧‧‧支持推壓機構部
63‧‧‧支持臂
64‧‧‧推壓裝置
65‧‧‧裝置基部
66‧‧‧焊趾位置檢測部
67‧‧‧打擊桿位置控制部
70‧‧‧疲勞特性改善打擊處理裝置
71‧‧‧處理機構部
72‧‧‧支持推壓機構部
73‧‧‧移動機構部
74‧‧‧軌部
75‧‧‧導引部
76‧‧‧焊趾位置檢測部
77‧‧‧打擊桿位置控制部
80‧‧‧打擊痕
90‧‧‧打擊痕
a0~a18、b1~b7、c1~c4‧‧‧測試片
O‧‧‧中心
P‧‧‧包圍部分
r‧‧‧曲率半徑
R‧‧‧先端曲率半徑
t‧‧‧厚度
w‧‧‧寬度
x‧‧‧距離
y‧‧‧槽深
z‧‧‧寬度
第1圖係顯示應用本發明之熔接接頭之一例之立體圖。
第2圖係顯示應用本發明之熔接接頭之他例之立體圖。
第3圖係顯示已於母材金屬材料表面上藉打擊桿形成打擊痕之狀態之截面圖。
第4圖係顯示應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置之一例之立體圖。
第5圖係顯示應用本發明之熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置之他例之立體圖。
第6圖係顯示熔接焊珠之焊趾之波形較小時之打擊痕之一例之平面圖。
第7圖係顯示熔接焊珠之焊趾之波形較大時之打擊痕之一例之平面圖。
11．．．鋼板
20．．．熔接焊珠
20a．．．熔接金屬
20b．．．焊趾
50．．．打擊桿
80．．．打擊痕
O．．．中心
P．．．包圍部分
r．．．曲率半徑
R．．．先端曲率半徑
t．．．厚度
x．．．距離
y．．．槽深
z．．．寬度

Claims (3)

  1. 一種熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理方法，係一邊對熔接焊珠之焊趾附近之母材金屬材料表面壓附打擊桿，一邊使其朝熔接線方向相對地進行移動操作，而實施鎚擊處理或超音波衝擊處理者，其特徵在於：前述打擊桿係使用先端曲率半徑為金屬材料厚度之1/2以下且為2~10mm之打擊桿；且，於前述熔接焊珠之焊趾至打擊處理位置中心之距離為前述打擊桿之先端曲率半徑之2.5倍以內，且前述打擊桿在打擊處理中不致接觸熔接金屬之範圍內的母材金屬材料表面上，實施前述鎚擊處理或超音波衝擊處理，以藉前述打擊桿而產生殘留塑性變形；該殘留塑性變形中，打擊痕之槽深為0.1~2mm，而為前述打擊桿之先端曲率半徑以下，且為前述金屬材料厚度之1/10以下；打擊痕之寬則為1.5~15mm，且為前述槽深之5倍以上。
  2. 一種熔接接頭之疲勞特性改善打擊處理裝置，係一邊對熔接焊珠之焊趾附近之母材金屬材料表面壓附打擊桿，一邊使其朝熔接線方向相對地進行移動操作，而實施鎚擊處理或超音波衝擊處理者，其特徵在於配設有：焊趾位置檢測部，可檢測具有前述熔接接頭之被處理材之熔接焊珠的焊趾位置；處理機構部，可實施前述打擊桿之鎚擊處理或超音波衝擊處理； 支持推壓機構部，可支持前述處理機構部，並朝與前述被處理材之熔接焊珠之焊趾間隔預定距離的母材金屬材料表面壓附前述打擊桿；裝置基部，可供載置前述支持推壓機構部及被處理材中之一者；及移動機構部，可供載置前述支持推壓機構部及被處理材中之另一者，本身並載置於前述裝置基部上，而可依據前述熔接焊趾位置檢測部所檢測之熔接焊珠之焊趾位置，使前述處理機構部對前述被處理材朝熔接線方向進行相對移動。
  3. 一種耐疲勞特性優異之熔接構造物，係由熔接構造物之構造及負載狀況指定疲勞裂痕發生危險部之熔接部及熔接焊珠者，其特徵在於：至少於前述指定熔接焊珠之焊趾附近之母材金屬材料表面上，形成有鎚擊處理或超音波衝擊處理之打擊桿所造成之連續打擊痕，其長度為前述指定熔接焊珠之長度的90%以上；前述打擊痕之寬度方向中央位置與前述指定熔接焊珠之焊趾之距離為其槽底之曲率半徑之2.5倍以內，且形成於不與前述指定熔接焊珠接觸之範圍內之金屬材料表面上；同時，前述打擊痕之槽深為0.1~2mm，而為前述槽底之曲率半徑以下，且為前述金屬材料厚度之1/10以下，其寬則為1.5~15mm，且為前述槽深之5倍以上。
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