WO2006109873A1 - 疲労き裂発生・進展抑止特性に優れた金属部材および異幅金属板部材およびその製造方法ならびにそれらを有する金属製構造物 - Google Patents

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WO2006109873A1
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WO
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plate
metal
rib
thickness
stress
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PCT/JP2006/307897
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hiroshi Shimanuki
Kiyotaka Nakashima
Tetsuro Nose
Original Assignee
Nippon Steel Corporation
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding

Definitions

  • the present invention relates to architecture, shipbuilding, bridges, construction machinery, offshore structures, automobiles, etc.
  • the present invention relates to a metal member excellent in characteristics that suppresses the generation and propagation of a write fatigue crack, suitable for a member, a metal member having a different width, a manufacturing method thereof, and a metal structure having these metal members.
  • a metal plate is attached to a metal structure by various methods such as welding, bonding, forging, forging, and various plastic workings. It is the part where the rib that becomes the stress concentration part is attached due to the structure, and the end in the length direction of the rib is concerned about the occurrence and development of fatigue cracks due to the repeated load acting on parts and structures . In particular, the toe at the end in the longitudinal direction of the weld rib is prone to fatigue cracking because of the overlap of weld residual stress and stress concentration, and often becomes a problem related to the life of parts and structures.
  • Residual stress distribution is reduced by additional welding and linear heating.
  • the stress concentration can be reduced by improving the shape of the welded part (see Japanese Laid-Open Patent Publication Nos. 0-8 — 1 1 8 0 12 and No. 0 8 1 1 2 6 8 8) (See Japanese Patent Application Laid-Open No. 0-8-2 6 7 2 3 4) and the like.
  • the conventional heat treatment method must be transported to the place where heat treatment equipment is installed when constructing large structures locally.
  • the equipment is often large and often difficult to convey, and the heat capacity of the structure itself is often large and inefficient, making it difficult to apply.
  • the cutting method is effective in preventing the occurrence of fatigue cracks when welding is not performed, but in the case of welds, the residual weld stress cannot be removed, so there is a tensile weld residual stress in the weld toe.
  • the effect of preventing the occurrence of fatigue cracks is limited. Since the peening process strikes only the extreme surface layer of the stress concentration part, it can generate compressive residual stress on the surface layer of the stress concentration part, and the shape of the stress concentration part can be made smooth.
  • the main plate may be deteriorated due to heating. If the residual stress is lowered in consideration of the welding order of the rotating weld joint, the tensile residual stress due to the final bead cannot be avoided. Conditions that change the residual stress distribution due to additional welding or linear heating are difficult to control the conditions, and there is concern about the occurrence of cracks from unexpected parts. If the stress concentration is reduced by devising the shape of the welded part, a large defect remains in the welded part, and it is difficult to check the dimensions after construction.
  • an out-of-plane gusset ⁇ welded joint that welds the ends of two steel plates vertically combined as a welded joint shape used in a welded structure such as a building, shipbuilding, bridge, construction machine, or offshore structure.
  • a welded structure such as a building, shipbuilding, bridge, construction machine, or offshore structure.
  • welding methods such as arc welding, plasma welding, laser welding, and electron beam welding are applied.
  • This out-of-plane gusset welded joint is subject to repeated loads due to wind, waves, mechanical vibrations, etc., so it is extremely important to improve fatigue strength.
  • a large number of different width metal plate members with multiple widths are used for parts and structures such as architecture, shipbuilding, bridges, construction machinery, offshore structures, and automobiles.
  • an in-plane gusset joint that welds and joins the side surfaces of two metal plates of different lengths in the same plane, and other metal plates are welded to the metal plate to change the width suddenly.
  • Many members are also used.
  • Various welding methods such as arc welding, plasma welding, laser welding, and electron beam welding are applied as this welding method.
  • the suddenly variable part is a stress concentration part with respect to the load acting in parallel to the plate surface, so that a larger stress is applied than other parts, and wind, waves, mechanical vibrations are applied.
  • a repeated load is applied due to the above, it is extremely important to improve the fatigue strength of the different width metal plate member.
  • residual welding stress reduces fatigue strength.
  • a method of reducing the stress concentration as much as possible such as grinding, may be a method of generating compressive residual stress in the surface layer by heat treatment.
  • Methods for improving weld bead shape and fatigue strength of welds by post-processing after welding include: (1) Grinding, (2) ⁇ I G Dressing
  • Shoso peening, hammer peening, and ultrasonic impact treatment have the effect of improving fatigue strength.
  • Shohe healing requires a huge machine and is difficult to implement at construction sites.
  • Hammer peening has a large recoil, the processing result is not stable, and sometimes the press formability and fatigue strength are lowered.
  • this non-peening has the disadvantage that it is difficult to use for thin plates because it gives a large plastic deformation.
  • ultrasonic shock treatment for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 3 — 1 4 7 7, a compressive residual stress is introduced by directly hitting the weld toe with an ultrasonic vibrator.
  • various utilities such as a power source and water supply are required for application.
  • welding with a low transformation temperature welding material is, for example,
  • the present invention solves the problems of the prior art as described above, and is used in welding structures such as architecture, shipbuilding, bridges, construction machinery, offshore structures, automobiles, etc. It is an object to provide a metal member or a metal structure having excellent crack initiation / propagation inhibiting characteristics and a method for producing the same.
  • the present invention also provides a metal plate member having a compressive stress state by a simple method in the vicinity of a stress concentration portion that intersects the lengthwise end of the metal rib, which is the surface of the metal structure.
  • Generation of fatigue cracks that can suppress the generation and propagation of fatigue cracks from stress-concentrated parts and increase the resistance to the generation and propagation of fatigue cracks • Metal structures with excellent growth inhibition characteristics And a method for producing the same
  • the present invention has been made as a result of intensive studies in order to solve the above-mentioned problems, and the gist thereof is as follows.
  • the main plate or main made of metal, long ⁇ , a metallic member having a height h, a shape in which the plate-shaped metallic Li Bed thickness t 2 is protruding, the main plate or main From the end of the rib plate where the rib intersects to the position on the main plate or main pipe where the distance s parallel to the direction of the external maximum tensile stress is t 2 4 or more and 4 X t 2 or less.
  • the length b parallel to the direction is t 2 4 or more and 4 X t 2 or less, centered on this position
  • the length L in the direction perpendicular to the external maximum tensile stress direction is t 2 Z 2 or more (5Z 8) W or less, and the thickness direction compressive strain is in the range of 0.5% or more and 25% or less.
  • Compressive residual stress acts on the end of the rib plate where the main plate or main pipe intersects the rib plate due to the indentation. Fatigue crack initiation from the rib end to the main plate or main pipe. Metal member with excellent characteristics.
  • W is the width of the main plate or the outer circumference of the main pipe.
  • predistortion unit is a thickness direction compressive strain less 2 5% 5% or more 0.5, the area p occupied on Li blanking plane is not less 0.5 6 7 t 2 2 or more, Li Bed lengthwise dimension k 0.5 t 2 or more 3 (t 2 ⁇ t,) 0 : 5 or less, rib height direction dimension d is 0.5 t 2 or more and 0.5 h or less, the center of gravity position and the main plate or The distance a from the main pipe is 0.5 h or less and 3 t 2 or less, and the distance e from the end to the end in the rib length direction is smaller than the rib thickness t 2 .
  • the length of the rib depends on the compression pre-strain. Excellent compressive residual stress from the rib end to the main plate or main pipe, which is characterized by compressive residual stress acting on the end of the main plate or main pipe. Metal parts.
  • the rib is joined to the main plate or main pipe by welding, and the yield strength of the rib and welded portion is 95% or more of the yield strength of the main plate or main pipe, and the tensile strength of the rib There large Ri by tensile strength of the main plate or main, characterized in that welds Li blanking is Wataruconnection throat thickness a distance of more than 2 h from the rib ends 0. 5 t 2 or more, (2) Fatigue crack initiation as described ⁇ Metal component with excellent growth inhibition characteristics. (4) A metal structure excellent in fatigue crack initiation / propagation suppression characteristics, characterized by having the metal member according to any one of (1) to (3).
  • the thickness direction compressive strain is 0. 5% or more and 25% or less of indentation, the main plate having a distance s of t 2 4 or more and 4 X t 2 or less from the rib plate end where the main plate or main pipe intersects the rib
  • a length b parallel to the external maximum tensile stress direction from the position is t 2 4 or more and 4 X t 2 or less, and the length in the direction perpendicular to the external maximum tensile stress direction is centered on the position.
  • L is characterized by being formed with a dimension of t 2 Z 2 or more (5 Z 8) W or less.
  • W is the width of the main plate or the outer circumference of the main pipe.
  • Thickness t a metal main plate or main surface
  • the thickness t 2 is more than lmm
  • the height h is 3 t 2 or more
  • rib length direction dimension k of 0.5 t 2 or more 3 (t 2 t,) D 5
  • the indented shape is such that the rib height dimension d is 0.5 t 2 or more and 0.5 h or less and the area p on the rib surface is 0.6 7 t 2 2 or more.
  • the distance a between the center of gravity and the main plate or main pipe is 0.5 h or less and 3 t 2 or less, and the distance e from the end to the end in the rib length direction is the rib thickness t 2
  • the width of the metal plate end face from the narrow side to the narrow side of the width transition part, which becomes the stress concentration part for the stress in the axial direction of the long different width metal plate with a thickness t of multiple widths
  • the area is 0.16 t 2 or more in the area surrounded by the range of t Z 4 or more and 3 t or less in the direction of the reference line extended to the side and 3 t or less outward from the reference line. 4 t 2 have the following indentation, and wherein the thickness direction compressive strain of the piezoelectric mark is not more than 2 5% 5% or more 0.5 fatigue. labor crack generation and progress suppression characteristics superior different widths Metal plate member.
  • the metal plate outside the welded portion is stronger than the metal plate inside the welded portion, and the plate thickness is 95% or more of the plate thickness of the inner metal plate.
  • FIG. 1 (a) is a plan view showing an embodiment of an out-of-plane gusset welded joint according to the present invention.
  • FIG. 1 (b) is a side view showing an embodiment of the out-of-plane gusset / socket weld joint in the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the distance a and the residual stress distribution in the longitudinal direction of the main plate of the out-of-plane gusset-welded joint according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the residual stress distribution in the longitudinal direction of the main plate of the out-of-plane gusset-welded joint according to the present invention and the amount of compressive pre-strain in the plate thickness direction.
  • FIG. 4 (a) is a plan view showing the out-of-plane gusset-welded joint used in this example.
  • Fig. 4 (b) is a side view showing the out-of-plane gusset welded joint used in this example.
  • FIG. 5 is a diagram showing a compression load method using a square punch used in this embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a compression load method for the round punch used in this embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a perspective view of a part cut out of the welded structure described in (2) of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a perspective view of a part of the welded structure described in (3) of the present invention.
  • Fig. 9 is a diagram schematically showing the throat thickness of the weld in a cross-sectional view of the weld.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing a structural model analyzed to determine the position and dimensions of the compression pre-strained portion.
  • Figure 11 shows a perspective view of the stress distribution after compression pre-strain obtained by model analysis.
  • Fig. 12 is a perspective view showing the stress distribution obtained by applying a load without applying compressive prestrain obtained by model analysis.
  • Figure 1 shows the load after compression pre-strain applied by the model solution ⁇ It is a figure which shows the stress distribution at the time of using with a perspective view.
  • FIG. 14 is a perspective view schematically showing an example of the compression prestraining method.
  • FIG. 15 is a perspective view schematically showing a test piece shape and a test method of Example 2.
  • FIG. 16 is a perspective view schematically showing the shape of the test body and the test method of Example 3.
  • FIG. 17 is a perspective view schematically illustrating the embodiment of the present invention when the compression process is performed on the narrow side.
  • FIG. 18 is a perspective view schematically illustrating the shape of a member evaluated by a finite element method analysis of the residual stress generated by the present invention.
  • FIG. 19 is a perspective view schematically illustrating how to make an indentation according to the present invention.
  • FIG. 20 is a perspective view for explaining an example of the residual stress distribution in the axial direction of the material generated in the stress concentration portion due to the indentation on the narrow side according to the present invention by displaying contour lines on the specimen.
  • Fig. 21 is a perspective view illustrating an example of the distribution of residual stress in the material axis direction that occurs in the stress concentration area when stress in the material axis direction is applied to the test sample in the state of Fig. 20 by displaying contour lines on the test sample.
  • FIG. 21 is a perspective view illustrating an example of the distribution of residual stress in the material axis direction that occurs in the stress concentration area when stress in the material axis direction is applied to the test sample in the state of Fig. 20 by displaying contour lines on the test sample.
  • Fig. 22 shows an example of the distribution of residual stress in the axial direction of the material when stress is applied to the specimen with no indentation in the same manner as in Fig. 21.
  • FIG. 22 shows an example of the distribution of residual stress in the axial direction of the material when stress is applied to the specimen with no indentation in the same manner as in Fig. 21.
  • FIG. 23 is a diagram schematically showing the relationship between the residual stress generated in the stress concentration portion due to the indentation according to the present invention and the compressive strain of the indentation.
  • FIG. 24 is a perspective view schematically illustrating an embodiment of the present invention when compression processing is performed on the wide side.
  • FIG. 5 is a perspective view illustrating an example of the distribution of residual stress in the material axis direction that is displayed by displaying contour lines on a specimen.
  • Fig. 26 is a perspective view illustrating an example of the distribution of residual stress in the axial direction of the material that occurs in the stress concentration area when stress in the axial direction is applied to the specimen in the state shown in Fig. 25.
  • FIG. 26 is a perspective view illustrating an example of the distribution of residual stress in the axial direction of the material that occurs in the stress concentration area when stress in the axial direction is applied to the specimen in the state shown in Fig. 25.
  • FIG. 27 is a perspective view schematically illustrating a compression process for an in-plane gusset weld joint according to the present invention.
  • FIG. 28 is a perspective view schematically showing a test body of Example 4 of the present invention.
  • FIG. 29 is a diagram showing the fatigue test results of Example 4 of the present invention.
  • FIG. 30 is a perspective view schematically showing a test body of Example 5 of the present invention.
  • FIG. 31 is a diagram showing the fatigue test results of Example 5 of the present invention.
  • FIG. 32 is a perspective view schematically showing a test body of Example 6 of the present invention.
  • FIG. 33 shows the fatigue test results of Example 6 of the present invention.
  • FIG. 34 is a perspective view schematically showing a test body of Example 7 of the present invention. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the present invention relates to a metal plate member having a rib plate outside the main plate or main pipe surface or a plate member having a width different from the width of the main plate within the main plate surface, and a tension applied in the axial direction of the main plate or main pipe.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an out-of-plane gusset welded joint according to the present invention
  • FIG. 1 (a) is a plan view
  • FIG. 1 (b) is a side view.
  • the main plate 1 and the rib plate 2 are combined vertically and welded by a rotating welded portion 3 around them.
  • the main plate 1 may be a pipe material, and the rib plate 2 may not be perpendicular to the main plate 1 or may not be exactly parallel to the material axis direction of the main plate. There is no big difference.
  • the rib plate 2 may be integrally formed or may be attached by a method other than welding, and the effect of the present invention is exhibited when the rib plate is integrated with the main plate or the main pipe. '
  • Main plate 1 is used as a strength member for welded structures, and rib plate 2 is used for applications other than strength members.
  • the welded joint of the rib plate or the out-of-plane gusset welded joint is in the direction of the external maximum tensile stress from the rotating weld toe 4 where the tangent to the toe of the rotating weld 3 is perpendicular to the external maximum tensile stress direction.
  • a parallel distance s is in t 2 Z 4 or more 4 ⁇ t 2 less is located 5, position 5 from the outside maximum tensile stress parallel to the direction of length b is t 2 Bruno 4 or more 4 ⁇ t 2 below, position 5 external top Obiki 3 ⁇ 4 stress direction and vertical length L t 2 Bruno more centered on the '( 5/8)
  • W is the width of the main plate, and in the case of the main pipe, it is the outer peripheral length.
  • the distance s was t 2 Bruno 4 or more 4 ⁇ t 2 or less, t 2 in Roh less than 4, and the compressive residual stress becomes hard to be formed Ikoto, more weld toe to deformation of the compression pre-strained portion may be deformed, is because there is a possibility to induce cracks, also exceed 4 ⁇ t 2 is not made form compressive residual stress, because the effect of the present invention is reduced It is.
  • FIG. 2 shows the shape of the indentation where the thickness t of main plate 1 is 25 mm, the thickness t 2 of rib plate 2 is 12 mm, b is 12 mm, and L is 50 mm.
  • FIG. 6 is a diagram obtained by finite element method analysis of the relationship between the residual stress distribution in the longitudinal direction of the main plate when the pre-strain is 1.25% and the distance s from the rotating weld toe 4.
  • the yield stress of main plate 1 and rib plate 2 is 3 30 MPa, and the initial weld residual stress distribution is not considered.
  • the residual stress at the rotating weld toe 4 can be efficiently reduced, and the fatigue life can be remarkably improved.
  • the length b is set to t 2 4 or more because if it is less than t 2 Z 4, sufficient compressive residual stress is not formed to improve fatigue strength. However, increasing b does not pose a problem in the formation of compressive residual stress, but the load when applying compression prestrain increases, making it difficult to apply sufficient compression prestrain. or because the load to the main plate or main surrender Zaijiku direction of the load acting on the main pipe may be lowered 4 ⁇ t 2 Was the upper limit.
  • the length L is set to 12 or more (5 8) W or less of the plate thickness t 2 of the rib plate 2. If t is less than 12, no compression residual stress is formed in the entire weld toe, and fatigue life This is because the improvement effect is not obtained so much. Also, the reason for setting it to (5/8) W or less is that if L is made too large, the entire member yields due to compression prestrain, and sufficient compressive stress is not generated at position 4. If L is too large, the compressive prestrain load increases, so if it is a welded part, it is desirable to turn it to t 2 at most and add a length that is twice the weld leg length. W is the width of the main plate or the outer circumference of the main pipe.
  • the reason why the compression pre-strain in the plate thickness direction is set to 0.5% or more and 25% or less is that if it is less than 0.5%, sufficient compressive residual stress is not formed, and the effect of the present invention is reduced.
  • L exceeds W / 3, if it is 5% or more, the entire member may easily yield, and the effect of preventing fatigue cracking may be poor. Therefore, it is desirable to limit L to W / 2 when compressive strain of 5% or more is applied.
  • the strain is larger than 25%, the effect may reach its peak or decrease, and the thickness of the plate and the macroscopic deformation of the member become remarkable, and the shape accuracy as a part or structure is impaired. Therefore, it is not desirable.
  • the compression pre-strain (%) is defined by (plate thickness of the indented portion) / (plate thickness of the portion other than the indented portion).
  • the yield stress of main plate 1 and rib plate 2 is 3 30 MPa, and the initial weld residual stress distribution is not considered.
  • Figure 3 The magnitude of L and the magnitude of the strain that generates the maximum compressive residual stress are related, and explain the L size effect described above.
  • the residual stress at the rotating weld toe 4 can be efficiently reduced, and the fatigue life can be remarkably improved.
  • the entire cross-section of the member may yield, and the effect is limited to a low strain.However, if the area of the compression pre-strained part is selected appropriately, the effect can be achieved with a desired strain amount. It can be adjusted to obtain. The number of compression loads may be pressed several times until the specified strain range is reached.
  • the same effect can be obtained by applying the compression load multiple times until the predetermined strain load range is reached while shifting the punch position. .
  • the effect of the present invention can be obtained in either a rectangle or a circle as long as the compression predistortion processing can be performed within the scope of the present invention.
  • the compression load surface of the punch may be flat or curved, and may have some unevenness.
  • the corner at the tip of the punch becomes a stress concentration source and the fatigue strength decreases, the compressive residual stress is the highest directly under the compression pre-strained part, so the possibility of fatigue cracking is extremely low. Therefore, for the safety of the force that does not require the corner of the punch tip to be smooth, even if R of 0.5 mm or more is added, the effect of the present invention is not affected at all.
  • welded structures such as architecture, shipbuilding, bridges, construction machinery and offshore structures
  • welded structures with excellent fatigue strength can be provided.
  • improvement in fatigue strength can be expected even in the same shape of metal parts and structural members produced without using welding.
  • the present invention provides a residual stress of compression by a simple method in advance on a stress concentration portion that intersects with a lengthwise end of a metal rib, which is the surface of a metal part or metal structure. It is characterized by suppressing the generation and propagation of fatigue cracks from concentrated areas.
  • the invention described in (2) is based on a metal main plate or main pipe 1 having a thickness, a thickness t 2 of 1 mm or more, a height h of 3 t 2 or more, and a length 1 plate.
  • compression predistortion unit 9 is the plate thickness direction compressive strain less 2 5% 5% or more 0.5, the area p occupied on the rib surface is not less 0.5 6 7 t 2 or more, Li Bed lengthwise dimension k Is 0.5 t 2 or more and 3 (t 2 t,) 0 • 5 or less, and the rib height direction dimension d is 0.5 t 2 or more and 0.5 h or less.
  • the distance a from the main plate or the main pipe is 0.5 h or less and 3 t 2 or less, and the distance e from the end to the end in the rib length direction is smaller than the thickness t 2 of the rib 2
  • the length of the rib is reduced by the compression pre-strain.
  • a direction end portion, the main plate or the portion 1 0 intersecting the main, that compressive residual stresses are working it is an feature.
  • the object of the present invention is a metal part or a metal structure having a plate-shaped metallic rib 2 projecting from a metal main plate or main pipe 1 having a thickness t, length 1, height h, and thickness t 2
  • This is the part where the metal main plate or main pipe comes into contact with the protruding rib, and the end part 10 in the longitudinal direction of the rib becomes a stress concentration part when a load is applied to parts or structures. This is because it is a source of fatigue cracks under repeated loading.
  • the compression pre-strained part 9 of 5% or less is formed at the part where the rib and the metal main plate or the main pipe 1 are in contact with each other, and the compressive residual stress is applied to the longitudinal end of the rib. If the compressive strain is less than 0.5%, sufficient residual stress cannot be generated, and if the strain is greater than 25%, the effect reaches a peak and the reduction of the plate thickness or the member This is because macroscopic deformation becomes prominent and the shape accuracy of parts and structures is impaired.
  • the thickness 1 of the ribs 2; the two was at least 1 mm is because if less than t 2 force S lmm is difficult to manage the pre-strain quantity, the present invention even when Ri by 1 mm small If it can be applied accurately, it can be effective.
  • compressive pre-strain is applied to the region where the rib length dimension k is 0.5 t or more and 3 (t 2 t,) ° 5 or less when k is smaller than 0.5 t 2 if, compressive residual stress in the stress concentration portion of concern generation of fatigue cracks is because the is not sufficiently generated, k is 3 (t 2. ⁇ t, ) G ' at 5 exceeds significantly the deformation of the main plate This is because the compressive residual stress at the stress concentration area where there is a concern about the occurrence of fatigue cracks will peak or decrease.
  • the rib height direction dimension d of the compression pre-strained part is set to 0.5 t 2 or more and 0.5 h or less because the stress concentration part 10 in which fatigue cracks are more likely to occur as d increases. This is because the compressive residual stress increases.
  • Area P is 0 occupied on the rib surface. 6 7 t 2 or more to impart a compressive pre-strain in the region, the occurrence of the fatigue crack is a concern when the area P is 0. 6 7 t 2 less than This is because the compressive stress sufficient to prevent the occurrence of fatigue cracks cannot be generated in the stress concentration portion 10 away from the compression prestrained portion 9.
  • the distance a between the center of gravity 23 of the compressive strain portion 9 and the main plate or main pipe is 0.5 h or less and 3 t 2 or less, and the distance e from the end of the rib to the indentation is the rib thickness t.
  • the reason for making it smaller than 2 is that the compressive residual stress at the stress concentrating portion 10 at which the fatigue crack is likely to occur when the compressive strain portion moves away from the end in the longitudinal direction of the rib is reduced, and the effect of the present invention is reduced. Is a fatigue crack This is because the raw resistance is lowered.
  • FIG. 7 is a diagram showing an embodiment of the present invention described in (2).
  • 1 is a metal plate
  • 2 is a metal rib plate
  • 9 is a compression pre-strained portion
  • 10 is a stress concentration portion.
  • a in Fig. 7 shows the shortest distance from the center of gravity 23 of the compression pre-strained part to the metal plate where fatigue cracks are a concern.
  • E in FIG. 7 indicates the shortest distance between the end of the compressive strain portion 9 and the end of the rib 2 in the length direction.
  • the invention described in (3) is a metal member or metal structure having excellent fatigue crack initiation / development suppressing properties described in (2), wherein the rib is welded to the main plate or main pipe 1.
  • the yield strength of the rib and welded part 1 1 is 95% or more of the yield strength of the main plate or main pipe, and the tensile strength of the rib is greater than the tensile strength of the main plate or main pipe.
  • the portion 11 is characterized by having a throat thickness c force S 0.5 t 2 or more over a distance of 2 h or more from the rib end.
  • FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of the present invention described in (3).
  • 1 1 indicates a fillet weld.
  • FIG. 9 shows a cross section when the welded structure of FIG. 8 is cut along a plane corresponding to the center of the plate thickness of the rib plate 2.
  • C in Fig. 9 is the throat thickness of fillet weld 11.
  • the invention described in (6) is the same as the fatigue crack initiation / propagation suppression described in (2).
  • the rib pre-strained portion 3 having a rib thickness compression strain of 0.5% or more and 25% or less, and its rib length dimension k is 0.
  • the dimension d in the rib height direction is 0.5 t 2 or more and 0.5 h or less
  • the area p on the rib surface is The indentation shape is 0.67 t 2 or more
  • the distance a between the center of gravity and the main plate or main pipe is 0.5 h or less and 3 t 2 or less
  • the rib length from the end is and forming the thickness t 2 is less than at the distance e gully Bed up direction end portion.
  • a finite element analysis of the structural model shown in FIG. 10 of the present invention and a structural model that has the same shape as the structural model and that does not give compressive pre-strain is performed, and the compressive pre-strain in the structure of the present invention generates fatigue cracks.
  • Stress concentrators on stress conditions.
  • the structural model assumes that the main plate and the rib plate are made of steel with a yield stress of 3 30 MPa and a tensile strength of 490 MPa, as shown in FIG. Modeling was performed assuming that a tensile load acts in the direction of the arrow. As shown in Table 3 along with the dimensions of each part, there are 25 types of structural models from symbols A to Y. All of these models were subjected to finite silicon analysis.
  • the thickness of the main plate of the structural model t! Is 8 to 16 mm, and the rib plate thickness t 2 is 8 to 24 mm.
  • the compression pre-strained part has a rectangular surface with a length dimension k of the rib plate 2 of 10 to 80 mm, and a height dimension d of the rib plate 2 of 8 to 24 mm.
  • the distance a — d Z 2 to the compression pre-strained part 9 was 8 to 16 mm, and the distance e from the end in the length direction of the rib was 5 to 10 mm.
  • the surface to be pre-strained was compressed and unloaded under displacement control, and a plastic strain of about 2.5% was applied to the rib plate 2 as a residual strain in the thickness direction.
  • Fig. 11 shows an example of the residual stress distribution near the pre-strained part after pre-straining for model D.
  • a tensile load is applied in the direction of the arrow in the structural model, the stress at the site 10 where the stress is concentrated is compressive.
  • the numbers attached to the contour lines in Fig. 11 indicate the tensile stress in the material axis direction of the rib in units of M Pa.
  • 1 2 indicates a cross section when the rib plate 2 is halved at the center of the plate thickness.
  • Figure 12 shows the stress distribution, and also shows the stress distribution in the tensile direction for model D 'field ⁇ where a tensile load half the yield stress is applied in the direction of the arrow in the direction of the arrow without applying prestrain.
  • the numbers attached to the contour lines in Fig. 1 2 and Fig. 1 3 indicate the tensile stress in the material axis direction of the rib in units of MPa.
  • the stress at site 10 in structural model D is significantly lower than the stress at site 10 in structural model D.
  • metal parts and metal structures that are subjected to repeated loads are designed so that the stress during use is less than half of the yield stress at the site excluding the stress concentration.
  • the stress that yields locally may repeatedly act, and there is concern about the occurrence of fatigue cracks, but in the stress concentration part 10 of the structural model D of the present invention Even if a tensile load that is half the yield stress is applied to the part, the tensile stress that occurs is extremely small, which has the effect of suppressing the occurrence of fatigue cracks.
  • the stress generated in the stress concentration part 10 when a tensile load is applied to the end of the structural model to which the present invention is applied is that fatigue cracking occurs as the compressive residual stress at the time of unloading with pre-strain increases.
  • the resistance to is considered to be large.
  • the compressive residual stress is affected by the thickness and height h of the rib plate, the position and size of the compression pre-strained part, and the shape of the welded part when the rib plate is attached by welding. The effect of each factor was examined using finite element analysis.
  • the thickness of the rib plate 2 with respect to the main plate increases the compressive residual stress generated in the stress concentration portion, and the dimensions of the compression pre-strain portion 9 used in the present invention Judged that it is appropriate to define the thickness based on the thickness t 2 of the rib plate.
  • the compressive residual stress generated in the stress concentration part 4 is larger when the rib plate h is higher. This indicates that the larger the elastic region around the part that has undergone compression pre-strain, the greater the compressive residual stress that occurs in the stress-concentrated part, and the elastic region around the part that has undergone compression pre-strain. H ⁇ 2 d so that the
  • the stress concentration portion increases as the dimension k of the compression pre-strained portion 9 increases.
  • the compressive residual stress increases in some cases. However, if the compressive residual stress increases to some extent, the compressive residual stress decreases. This is because if k is large and the rib plate 2 is thick, the main plate 1 is more likely to be bent and plastic strain is also likely to occur on the main plate side. 0.5 t ⁇ k ⁇ 3 (t 2 • t )) Q ⁇ 5 .
  • the compression residual stress generated in the stress concentration part 10 is larger when the distance e from the end of rib 2 to the compression pre-strained part 9 is smaller, and e ⁇ t 2 did.
  • the one side rib is more effective than the two side rib.
  • a method for applying the compression pre-strain as shown in Fig. 14, a method of pressing a push punch 13 having a circular or rectangular cross section against the rib plate 2 using a press device or the like is conceivable. Other devices can be used as long as they can be given the same compression load.
  • the compression predistortion portion is not provided after the rib is attached, the longitudinal end sound of the main plate surface and the portion in contact with the rib plate 1
  • the present invention can be easily obtained by confirming the residual stress distribution in the vicinity of the compression prestrained portion by using a magnetostrictive method or a method using X-rays. It can be confirmed that is applied.
  • the present invention can also be applied to existing structures.
  • the present invention is a long different width metal plate having a plurality of widths, and by generating a residual stress of compression in advance in a simple manner at a stress concentration portion generated by a large change in the plate width.
  • the present invention is characterized in that the generation and propagation of fatigue cracks from the stress concentration portion is suppressed.
  • the invention described in (7) is more specifically applied to the stress in the axial direction of the long-width metal plate 3 1 having a plurality of widths and having a thickness t as shown in FIG. T Z 4 in the range from t Z 4 to 3 t in the direction of the material axis on the narrow side from the narrow side corner of the width transition part that becomes the concentrated part 3 2 and from the end face in the width direction of the metal plate on the narrow side or 3 t the following areas surrounded by the range, area 0.1 has a 6 t 2 or 4 t 2 following the indentation 3 3, the plate thickness direction compressive strain of the piezoelectric marks to zero. 5% or more 2 5 % Or less.
  • the object of the present invention is a plate having a plurality of widths as shown in FIG.
  • the stress-concentrated part 3 2 is a long, different-width metal plate 3 1 that is generated by a large change in the plate width. This stress-concentrated part acts when a repeated load is applied to parts or structures. This is because it becomes a source of fatigue cracks.
  • the indentation 3 3 is applied to the area surrounded by the t 4 to 3 t area from the end face in the width direction of the plate because the compressive residual stress is generated in the stress concentration area without applying a load. This is because even if a load is applied thereafter, tensile stress is unlikely to occur in the stress concentration area.
  • the position of the indentation was in the range from t 4 to 3 t in the direction of the material axis on the narrow side from the narrow side corner of the width transition part, from the narrow side corner of the width transition part. This is because if there is an indentation in a range that is less than t 4 in the axial direction, tensile residual stress may be generated in the stress concentration area, which may have an adverse effect. In addition, if there is an indentation in the range exceeding 3 t from the narrow side corner of the width transition part, the compressive residual stress due to the indentation will not work sufficiently on the stress concentration part.
  • the reason for the indentation position being in the range from t Z 4 to 3 t from the width direction end face of the narrow metal plate is as follows.
  • the indentation in order to generate a large residual stress due to the indentation, the indentation needs to be surrounded by a sufficiently wide elastic region, but it is less than t 4 from the widthwise end face of the narrow metal plate. This is because when there is an indentation in the unexposed range, the plastic region due to the indentation reaches the end and the effect of the present invention cannot be obtained.
  • the compressive residual stress due to the indentation will not sufficiently act on the stress concentration part.
  • the area of the indentation 3 3 is set to 0.16 t 2 or more and 4 t 2 or less because if the area exceeds 4 t 2 and becomes too large, the indentation 3 3 is attached. Is because the workability load too large drops while 0.1 when the area to less than 6 t 2 is small no longer too until mid-thickness not enter enough distortion, sufficient Fatigue Crack Initiation prevention This is because a large compressive residual stress cannot be obtained.
  • FIG. 18 is a perspective view partially showing the width changing portion of the long metal plate 4 having a different width, with the narrow side being 120 mm, the wide side being 200 mm, and the thickness being 12 mm.
  • the residual stress in the axial direction of the material generated in the stress concentration part 3 2 Obtained by finite element analysis.
  • An example of the result is shown in Fig. 20.
  • an example of the stress in the axial direction of the stress-concentrated portion when a tensile stress of 1 5 5 MP a ' is applied to the end of the metal plate in the state shown in FIG. And compared with the stress in Fig. 2 2 when no compression treatment is performed.
  • the compression strain in the thickness direction of the pressure 33 was set to 0.5% or more.
  • the invention described in (8) is a long width different width metal plate 36 having a plurality of widths and having a thickness t, and a width transition that becomes a stress center portion 37 with respect to the axial stress.
  • the metal plate end face on the narrow side extends from the corner on the narrow side to the wide side.
  • the range of poured was baseline, and the area surrounded by the range of 3 t following outward from the reference line, area 0. 1 6 t 2 or 4 t 2 It has the following indentation 3 8, and the indentation 3 8 has a compressive strain in the thickness direction of 0.5% or more and 25% or less.
  • the subject of the invention described in (8) is the same as the invention described in (7), but as shown in Fig. 24, the position where the indentation 38 is applied is different.
  • the position of the indent 3 8 is t 4 in the direction of the reference line that extends from the narrow side corner of the width transition part that becomes the stress concentrated part 3 7 to the stress in the axial direction of the material from the narrow side end of the metal plate to the wide side.
  • the area within the range of 3 t or less and surrounded by the range of 3 t or less outward from the reference line is to cause compressive residual stress in the stress concentration part without applying any load. This is because tensile stress is less likely to occur in the stress concentration part even if a subsequent load is applied.
  • the indentation in order to generate a large residual stress due to the indentation, the indentation needs to be surrounded by a sufficiently wide elastic region, and when there is an indentation in a range of less than t 4 from the end face, the plastic area due to the indentation This is because it reaches the edge, and the desired effect cannot be obtained.
  • the distance from the narrow side corner of the width transition part to the range exceeding 3 t is exceeded in the reference line direction and the width direction, the compressive residual stress due to the indentation will not sufficiently act on the stress concentration part 37. It is.
  • the indentation is inward of the reference line in the width direction, tensile residual stress may be generated in the stress concentration part 37, and fatigue cracks may easily occur.
  • the indentation was limited to the area outside the reference line (width expansion direction). Careful attention is required not to make indentation inside the reference line (width reduction direction).
  • Fig. 24 is a perspective view partially showing the width change part of the long metal plate 6 with a different width of 12.0 mm on the narrow side, 200 mm on the wide side and 12 mm on the thickness. is there. Using square punches of several sizes on the wide side of this metal plate
  • the indentation 3 8 was made, and the residual stress in the axial direction at the stress concentration part 3 7 was obtained by finite element analysis.
  • An example of the results is shown in Figure 25.
  • Fig. 26 shows an example of stress in the stress concentration part when a tensile stress of 15 5 MPa is applied to the end of the metal plate on the narrow side of the metal side.
  • Fig. 22 shows the compression treatment. It was compared with the stress when not performing. Since it is considered effective to prevent the occurrence of fatigue cracks if the axial stress generated in the stress concentration area when tensile stress is applied is smaller, the position of the indentation is changed for the metal plate shown in Fig. 24.
  • X 2 is the distance from the reference line that extends the widthwise end face of the metal plate to the indentation
  • y 2 is the material axis direction from the narrow corner of the metal plate width transition to the indentation. Is the distance.
  • the area of the indentation 3 8 is 0.16 t 2 or more and 4 t 2 or less, and the amount of compressive strain is 0.5% or more and 25% or less in the plate thickness direction as described in (7). This is the same reason as in the case of the present invention.
  • the invention described in (7) is more effective in preventing the occurrence of fatigue cracks. It is preferable to apply the invention described in (7) rather than the invention described in.
  • the invention described in (7) and the invention described in (8) can be used in combination, and when combined, the effect of preventing the occurrence of fatigue cracks is further enhanced. Furthermore, the greater the compression pre-strain, the higher the effect. However, for some reason, if the amount of strain in each indentation is limited to a low level, the invention described in (7) and the invention described in (8) Use in combination is particularly effective.
  • the stress concentration portion 4 with respect to the stress in the axial direction of the long different width metal plate 3 9 having a plurality of widths and having a thickness t. 2 Weld the welded part 4 1 by butt welding of the metal plate 39 and the metal plate 40 at the position of the reference line that extends the end of the narrow plate from the narrow side corner of the width transition part to the wide side. It is characterized by having.
  • the reason for having the welded portion 1 1 by the butt welding of the metal plate 39 and the metal plate 40 at the position of the reference line is that the end of the welded portion becomes the stress concentration portion 4 2 and the tensile strength is increased. This is because welding residual stress is often generated, and thus the effect of the present invention is considered to be extremely large.
  • the metal plate 40 outside the welded portion as shown in Fig. 27 has a higher strength than the metal plate 39 inside the welded portion 41.
  • the plate thickness is 95% or more of the plate thickness of the inner metal plate 39.
  • the outer metal plate 40 is stronger than the inner metal plate 39, and the outer metal plate 4 is limited to 95% or more of the inner metal plate thickness. This is because when the strength of 0 is low or thin, it is extremely difficult to generate a compressive stress in the stress concentration portion even if the indentation is arranged on the outer metal plate portion.
  • the number of compression loads to make the indentation 3 8 may be pushed several times until the predetermined strain range is reached. If the load of the compression load device is not sufficient due to the relationship between the size and strength of the punch, the position of the punch A similar effect can be obtained by applying a compression load several times until the predetermined strain load range is reached while shifting.
  • the effect of the present invention can be obtained regardless of the shape such as a rectangle or a circle.
  • the corner of the tip of punch 3 5 Regarding the concern that the fatigue strength will decrease, the compressive residual stress is the highest directly under the compression prestrained portion, so the possibility of fatigue cracking is extremely low. Therefore, it is not necessary to smooth the corner of the punch tip, but for the safety of the work, even if chamfering or a radius of curvature R is added, the effect of the present invention is not affected at all.
  • Examples of metal parts or metal structures having excellent fatigue crack initiation / propagation suppression properties according to the present invention described in (1), (4), (5) are shown in Tables 4 to 5 and FIG. Table 4 described with reference to (a), FIG. 4 (b) and FIG. 5 shows the JIS standard (based on JISG 3106), plate thickness and strength of the main plate 1 used in this example.
  • SM 4 90 thickness 12 mm conforming to JISG 3 10 6 was used as the rib plate 2.
  • Table 5 shows out-of-plane gusset welded joints that have been subjected to compressive pre-strain in the thickness direction under various conditions at positions away from the toe of the above-mentioned steel sheets made of A to C steel. Shows the results of residual stress measurement and fatigue test.
  • FIGs. 4 (a) and 4 (b) are diagrams showing the out-of-plane gusset weld joint used in this example.
  • the leg length is 6 to 1 It managed so that it might be set to 0 mm.
  • FIG. 5 is a diagram showing a method for applying compression pre-strain in the thickness direction using a square punch 7.
  • the pre-strain treatment in the thickness direction was performed using three types of punches with width b of 1 mm, 5 mm, 12 mm, and length L force of 30 mm, 5 mm, 50 mm, respectively.
  • Fig. 6 shows a specimen with the same shape as Fig. 5, but the punch shape was changed to round shape 8 and the effect of compressive strain was examined.
  • the fatigue test conditions were as follows.
  • the residual stress was measured by the X-ray sin 2 method at a position 0.5 mm away from the weld toe 4. .
  • No. 1, No. 12 and No. 23 are comparative examples, and compression pre-strain treatment was not performed. Therefore, the residual stress at the rotating weld toe 4 becomes the tensile residual stress. So fatigue life is getting shorter.
  • No. 2, No. 3, No. 1 3, No. 14, 4, No. 24, No. 25, are comparative examples, and the turning distance s and the compression predistortion amount are Although the conditions of the present invention are satisfied, the length b and the length L force do not meet the requirements of the present invention, and the effect of reducing the residual stress at the rotating weld toe is small. There wasn't.
  • No.4, No.5, No.15, No.16, No.26, No.26, are comparative examples and are compressed with length b and length L
  • the amount of pre-strain satisfies the requirements of the present invention, but the distance s does not satisfy the requirements of the present invention, and the effect of reducing the residual stress at the rotating weld toe is small, so the fatigue life does not improve much. It was. ' No. 6, No. 7, No. 17, No. 18, No. 28, No.
  • No. 8, No. 9, No. 19, No. 20, No. 30, No. 3 1 are comparative examples, and length b and length L are Although the requirements of the present invention are satisfied, the distance s and the amount of compressive prestrain do not satisfy the requirements of the present invention, and the effect of reducing the residual stress at the rotating weld toe is small. There wasn't.
  • No. 10, No. 1 1, No. 2 1, No. 2 2, No. 3 2, No. 3 3 are examples of the present invention and satisfy all the requirements of the present invention.
  • the pre-compression treatment the residual stress at the rotating weld toe 4 was significantly reduced, and the fatigue life was greatly improved.
  • N o. 1 0 ′ is an increase in the compression distortion of N o. 10 and is within the scope of the present invention.
  • the fatigue life was long, the effect as N O .10 was not seen. It was confirmed that when L is large, the effect decreases when a large compressive strain is applied.
  • No. 3 4 to No. 3 8 are examples using round punches, all satisfying the requirements of the present invention. Many of the tests up to No. 3 3 used punches with a large square L, but these were larger to give a predetermined compressive strain than a round punch with a small cross section. It was. A round punch with a small cross section has good fatigue characteristics, and a long fatigue life was obtained under relatively large compressive strain. Next, (2), (3), (4) and An example of (6) is shown. (Example 2)
  • a fatigue crack initiation test was conducted on the steel plate with rib plate shown in Fig. 15.
  • the steel plate used was a steel plate for welded construction with a main plate 14 of 24 mm and a yield stress of 400 MPa, and a rib plate 15 of 10 mm and a yield stress of 3800 MP. It is a steel plate for welded structure of a.
  • Mounting welding 1 6 Li blanking plate 1 5 was Konatsu Rio by the C_ ⁇ 2 welded using a material with a strength of 4 9 0 MP a class.
  • Test pieces F 1 to F 5 are test bodies to which the present invention is applied. Table 6 shows the dimensions of the compression load section. The compression pre-strain was 2.5%.
  • the test piece F 0 is a test piece to which the present invention is not applied.
  • the rib plates were welded under the same conditions, the leg length was 5 mm, and the weld cross-section was examined. A throat thickness of 3.5 mm was ensured.
  • the loaded load is given a repeated load with the stress amplitude at the end of the main plate being 14 of the yield stress centered on 1/4 of the yield load of the member so that one cycle is 10 times per second, welding
  • the number of cycles of repeated loading was experimentally determined when the fatigue crack length generated at the toe part 17 was 10 mm.
  • the specimen F 0 had a predetermined fatigue crack with a repeated loading period of about 1 X 10 6 times.
  • the specimen F 1 was 5 X 10 6 times and the specimen F 5 was 7 X 10 6 times.
  • F 3, F 4 1.5 x 1 0 No fatigue cracks occurred even after 7 cycles. From this, it is considered that a performance of about 5 times or more can be obtained for the occurrence of fatigue cracks. (Example 3)
  • a full-scale model of a steel pipe pole 19 with a diameter of 17 cm and a pipe thickness t, shown in Fig. 16 was produced.
  • the base portion of the model was attached to the base plate 8 18 using the rib plate 21 by welding, and the present invention was applied to the cylindrical pole 19 side of the rib plate 21.
  • the thickness t 2 of the rib plate 2 1 was 6 mm, and 8 plates were attached by complete scissor welding.
  • a steel pipe pole model to which the present invention is applied and a normal steel pipe pole model with rib plates welded were prepared, and repeated bending tests with both swings were performed to compare the fatigue crack initiation characteristics.
  • the dimensions of the compression pre-strained part 20 are shown in the dimensions of each part shown in Fig. 7, where a is 6 mm, d force s 1 2 mm, e force 2 mm, k force 12 mm, h force 25 mm. is there. As the loading condition, a double swing test was performed so that the stress amplitude of the base was 1600 MPa.
  • the normal steel pipe pole model reached the fatigue crack length of 10 mm, which is the fatigue crack evaluation standard used in Example 2, from the stress concentration part 22 in 7 X 10 5 times. No fatigue cracks could be confirmed in the model applied with.
  • the fatigue crack reached 10 mm, confirming the effectiveness of the present invention.
  • Example 4 Examples of different width metal plate members with excellent fatigue crack initiation / propagation suppression properties according to the invention described in (7) will be described with reference to FIGS. 28 and 29.
  • the steel plate was JIS standard G 3 10 6 SM 4 90 B steel, the plate thickness was 12 mm, the yield stress was 3 30 MPa, and the tensile strength was 5500 MPa.
  • FIG. 28 shows the shape and dimensions of the specimen 4 3 used in the example.
  • the arrows in Fig. 28 indicate the direction of the tensile load.
  • the load applied to the specimen 4 3 in this example is a repetitive load with a sinusoidal waveform of 10 Hz, and the maximum stress at the end of the specimen. was 1 5 MPa and the minimum stress was 1 5 MPa. ⁇
  • Fig. 28 indicates indentations 4 4, and in order to confirm the effect of compression pre-strain, test specimens that were subjected to compression pre-strain at several positions based on the stress concentration part 4 5 were used.
  • Figure 29 shows the fatigue life N f of the specimen without compression treatment.
  • N f ratio N f ZN f. Are shown for each compression prestrain position and indentation size.
  • X1 is the distance from the width direction end face on the narrow side of the metal plate to the indentation
  • y1 is the distance in the material axis direction from the narrow side corner to the indentation of the width transition part of the metal plate. Show.
  • the greater the compression predistortion the greater the effect. Even with a specimen having a small compressive pre-strain and a distance from the stress concentration portion 45, the fatigue life was improved within the scope of the present invention, although the effect was reduced.
  • tensile residual stress may be generated in the stress concentrating part 45, and the fatigue life will be shortened. There was no addition.
  • the metal plate used in this example is JIS standard G 3 10 6 SM 4 90 B steel, plate thickness was 12 mm, yield stress was 3 30 MPa, tensile strength was 5 50 MPa.
  • FIG. 30 shows the shape and dimensions of the specimen 46 used in the example.
  • the arrow in Fig. 30 indicates the direction of the tensile load.
  • the load applied to the specimen 46 in this example is a cyclic load with a sinusoidal waveform of 10 Hz, and the maximum stress at the end of the specimen. was 1 5 MPa and the minimum stress was 1 5 MPa.
  • Fig. 30 Fatigue life N f of the specimen without treatment. And the ratio N f / N f of the fatigue life N when the treatment is performed. Are shown for each compression prestrain position and indentation size.
  • X 2 is the distance from the reference line to the indentation that extends the widthwise end face of the narrow side of the metal plate, and y 2 is from the narrow side corner to the indentation of the width transition part of the metal plate. This is the distance in the material axis direction.
  • the effect is larger as the compression predistortion is larger. Even for specimens with a small compressive prestrain and a distance from the stress concentrating part 48, the effect is reduced within the scope of the present invention. Good was seen.
  • the distance X2 is less than 0 mm, tensile residual stress may be generated in the stress concentrating part 48, and it is considered that the fatigue life is shortened, so no experiment was conducted.
  • the metal plate 4 9 and the metal plate 50 of the test body used in this example are both JIS standard G 3 10 6 SM 4 90 B steel, the plate thickness is 12 mm, and the yield stress is 3 3
  • the tensile strength was 0 5 MPa.
  • the yield stress of weld metal 5 1 was 3 2 5 M Pa, and the tensile strength was 5 60 M Pa, which was almost the same as that of the steel plate.
  • FIG. 32 shows the shape and dimensions of the test body 52 used in the example.
  • the arrow in Fig. 3 2 indicates the direction of the tensile load.
  • the load applied to the specimen 52 in this example is a cyclic load with a sinusoidal waveform of 10 Hz, and the maximum stress at the end of the specimen. was 1 5 MPa and the minimum stress was 1 5 MPa.
  • Welding used in this example uses a 1.2 mm diameter solid wire of YGW 11 of JIS standard Z 3 3 12 and preheating is room temperature and heat input is 1.7 kJ / cm. was C_ ⁇ 2 welding to.
  • the square mark shown in Fig. 3 2 indicates the indentation 5 3, and stress is confirmed to confirm the effect of compression pre-strain.
  • Specimens were prepared with compression prestrained at several positions based on the concentrated part 54.
  • Fig. 33 Fatigue life N f of the specimen when no treatment is performed. The ratio N f / N f of the fatigue life N f when the process is performed.
  • x3 is the distance from the end surface in the width direction on the narrow side of the metal plate to the indentation
  • y3 is the distance in the material axis direction from the narrow side corner to the indentation in the width transition part of the metal plate Indicates.
  • (10) is a metal plate member of a different width having excellent weld cracking and growth prevention characteristics having a welded portion by butt welding, and a metal plate 5 5 and a metal plate attached by welding.
  • An example in which the thickness and strength of the plate 56 are different will be described with reference to Table 7 and FIG.
  • the metal plate 5 5 used in this example is JIS G 3 10 6 SM 4 90 B steel, the plate thickness is 12 mm, the yield stress is 3 3 0 Pa, and the tensile strength is 5 5 0 MP a.
  • steel plate with different strength and thickness (t 4 ) shown in Table 7 is JIS standard G 3 10 6 SM 4 0 0 B steel or SM 4 90 B steel. 5 types were prepared.
  • the plate thickness is 9 mm to 12 mm, and the strength level is as low as yield stress 2 5 0 MPa, tensile strength 4 8 OMP a, yield stress 3 3 0 Pa, tensile strength It was up to 5 OMPa higher.
  • the yield stress of weld metal 5 7 was 3 2 5 MPa, and the tensile strength was 5 60 MPa, which was almost the same as that of the steel plate.
  • Figure 34 shows the shape and dimensions of the specimen 59 used in the example.
  • the The arrows in Fig. 34 indicate the direction of the tensile load.
  • the load applied to the test body 59 in this example is a repetitive load having a sinusoidal waveform of 10 Hz, and the maximum stress is at the end of the test body.
  • the minimum stress was set to 1 5 MPa.
  • the square mark shown in Fig. 34 shows a 1 O mm square indentation 58.
  • the indentation position was fixed and a fatigue test was conducted. .
  • Table 7 shows the fatigue test results. The indentation effect was not observed for D 1 0 — 5 with the same strength as that of the low strength test piece D 1 0 — 1 of the metal plate 5 6.
  • the test piece D 1 0-4 in which the thickness of the metal plate 56 was slightly thin was slightly reduced although effective.
  • an out-of-plane gusset welded joint having excellent fatigue strength can be obtained efficiently. Therefore, when building a welded structure such as a building, shipbuilding, bridge, construction machine, or marine structure, the present invention
  • a welded structure excellent in fatigue strength can be advantageously provided, and improvement in fatigue strength can be expected even in a metal member or a structural member having a similar shape manufactured without using.
  • the present invention also relates to a long-width metal plate member having a plurality of widths in which generation and propagation of fatigue cracks is a problem and a metal structure using the long-width metal plate member, wherein the width of the metal plate is By generating a compressive residual stress in advance in a simple manner in the stress concentration part against the axial stress on the material side that suddenly narrowed, fatigue cracks from the stress concentration part and minor defects in the stress concentration part Generation and progress can be suppressed.

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Abstract

本発明は、建築、造船、橋梁、建設機械、海洋構造物などに用いられる、疲労き裂発生・進展抑止特性に優れた金属部材または金属製構造物とそれらの製造方法を提供するものであって、厚みｔ1の金属製の主板または主管から、長さｌ、高さｈ、厚みｔ2の板状の金属製リブが突き出た形状を有する金属部材または金属製構造物であって、前記主板または主管と前記リブの交差するリブ板端部から外部最大引張応力方向と平行な距離ｓがｔ2／４以上４・ｔ2以下である位置に、該位置から外部最大引張応力方向と平行の長さｂがｔ2／４以上４・ｔ2以下、該位置を中心として外部最大引張応力方向と垂直の長さＬがｔ2／２以上（５／８）Ｗ以下である、板厚方向圧縮歪が０．５％以上２５％以下の圧痕を有し、該圧痕により、前記主板または主管とリブ板が交差するリブ板端部に圧縮残留応力が働いていることを特徴とする。但し、Ｗは、主板の幅又は主管の外周長である。

Description

疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた金厲部材および異幅金属板部 材およびその製造方法ならびにそれらを有する金属製構造物
技術分野
本発明は、 建築、 造船、 橋梁、 建設機械、 海洋構造物、 自動車な 明
どの面外ガセッ トや、 補剛ゃ補強リ ブなどのように、 例えばリ ブの' 長さ方向に、 く り返し荷重を受け、 疲労き裂の発生や伝播が懸念さ れる構造用の金属部材と して好適な、書疲労き裂発生 · 進展を抑止す 、 る特性に優れた金属部材および異幅金属部材およびその製造方法な らびにこれらの金属部材を有する金属製構造物に関する。
背景技術
金属部材ゃ金属製構造物には、 溶接、 接着、 踌造、 鍛造や種々の 塑性加工など種々の方法によってリ ブ板が取り付けられている。 構 造上応力集中部となるリ ブが取り付けてある部位であって、 リ ブ長 さ方向の端部は部品や構造物に作用する繰返し荷重により、 疲労き 裂の発生や進展が懸念される。 特に溶接リ ブの長さ方向の端部の ト ゥは溶接残留応力と応力集中が重畳するため疲労き裂発生が起こ り やすく 、 部品や構造物寿命に関係する問題となることが多い。
金厲部材や金属製構造物の疲労き裂発生防止の従来技術と して古 くから、 疲労き裂の発生する応力集中部に熱処理を施し残留応力を 除去する方法や、 たとえば特開平 0 5 _ 0 6 9 1 2 8号公報などに 、 グライ ンダーなどの装置を用いた切削処理により溶接 卜ゥ部の形 状を滑らかにし応力集中を低下させる方法に関する発明が知られて いる。 また、 たとえば特開 2 0 0 3 — 0 0 1 4 7 6号公報、 特開 ' 2 0 0 3 - 0 0 1 4 7 7号公報などに、 ピーニング処理によ り溶接 卜 ゥ部を叩く ことにより塑性加工を加え、 溶接残留応力の低減と トウ 部の形状を改善する方法に関する発明などが開示され、 広く用いら れて疲労き裂の発生特性を改善させている。
このほかにも、 残留応力を解放させるための溶接部近傍に熱を加 えながら溶接する方法 （特開平 1 1 一 1 4 7 1 9 3号公報参照。 ） や回し溶接継手の溶接順番を考慮して残留応力を下げたもの （特開 平 0 8 — 1 9 8 6 0号公報、 特開平 0 8 一 1 o o 6 3 5号公報参照
。 ） 付加溶接や線状加熱によって残留応力分布を亦
久化させるもの （ 特開平 0 8 — 1 1 8 0 1 2号公報、 特開平 0 8 1 1 2 6 8 8号公 報参照） や、 溶接部の形状に工夫を加える とで応力集中を小さ く するもの （特開平 0 8 — 2 6 7 2 3 4号公報参照 ) などが開示さ れている。
従来技術の熱処理による方法は大型構造物など現地で施工する場 合には、 熱処理の設備を施工する場所へ搬送する必要がある。 しか し、 設備が大型となることが多く搬送困難である場合が多いことや 、 構造物自体の熱容量が大きく非効率である場合も多く、 適用する ことが難しい。 切削処理による方法では溶接されていない場合には 疲労き裂の発生防止に効果的であるが、 溶接部の場合、 溶接残留応 力の除去ができないため、 溶接トウ部に引張の溶接残留応力が残つ てしまい、 疲労き裂発生の防止効果は限定的である。 ピーニング処 理は応力集中部の極表層だけを叩くため、 応力集中部の表層に圧縮 の残留応力を発生させることが出来る上に、 応力集中部の形状を滑 らかにすることができるため、 応力集中を小さ くすることも可能で あり、 溶接部の トウ部にも適用でき、 疲労き裂の発生特性向上に効 果的である。 しかし、 圧縮応力の作用する部位は叩いた部位近傍に 限られるため、 ひとたび'疲労き裂が発生してしまう と疲労き裂の進 展防止には効果が小さいと考えられる。
一方、 残留応力を解放させるための溶接部近傍に熱を加えながら 溶接する方法では主板に加熱による材質劣化の懸念が生じる。 回し 溶接継ぎ手の溶接順番を考慮して残留応力を下げたものでは最終ビ ー ドによる引張残留応力は回避できない。 付加溶接や線状加熱によ つて残留応力分布を変化させるものは条件の管理が難しく 、 予期し ていない部分からのき裂の発生が懸念される。 溶接部の形状に工夫 を加えることで応力集中を小さ くするものでは大きな欠陥が溶接部 内に残ることになりその寸法を施工後確認するのが難しいなどの欠 点があった。
一般に、 建築、 造船、. 橋梁、 建設機械、 海洋構造物などの溶接構 造物に用いられる溶接継手形状として、 2枚の鋼板を垂直に組み合 わせた端部を溶接する面外ガセッ 卜溶接継手が多く用いられている 。 溶接方法と しては、 アーク溶接、 プラズマ溶接をはじめ、 レーザ 溶接や電子ビーム溶接など、 多種多様な溶接方法が適用されている 。 この面外ガセッ ト溶接継手には、 風や波、 機械振動などによる繰 り返し荷重がかかるため、 疲労強度の向上が極めて重要である。 ま た、 建築、 造船、 橋梁、 建設機械、 海洋構造物、 自動車などの部品 や構造には複数の幅を有する長尺異幅金属板部材が多数使用されて いる。 さ らに、 たとえば、 二枚の長さの異なる金属板の側面同士を ほぼ同一平面で溶接接合する面内ガセッ 卜継手のように金厲板にほ かの金厲板を溶接して幅急変部を構成した部材も多数使用されてい る。 この溶接方法と しては、 アーク溶接、 プラズマ溶接をはじめ、 レーザ溶接や電子ビーム溶接など、 多種多様な溶接方法が適用され ている。
板面に平行に作用する荷重に対して幅急変部は応力集中部となる ため、 他の部位より大きな応力が作用する上に、 風や波、 機械振勤 などによる繰り返し荷重がかかる場合、 異幅金属板部材の疲労強度 の向上が極めて重要である。 特に、 面内ガセッ ト継手のように溶接 がなされる場合には、 さ らに、 溶接残留応力が疲労強度を低下させ ることがよく知られている。 幅 変部の疲労強度向上方法としては
、 グライ ンデイ ング等応力集中をできるだけ小さ くする工夫ゃ熱処 理により表層部に圧縮の残留応力を発生させる方法などが考えられ る。
溶接後の後処理による溶接ビ一ド形状や溶接部の疲労強度の向上 手法と して、 （ 1 ) グライ ンディ ング、 （ 2 ) Τ I G ド レツシング
、 ( 3 ) ショ ッ トピーニング、 ( 4 ) ハンマーピ一ニング、 （ 5 ) 超音波衝撃処理等が用いられる さ らには、 溶接ビ一ドと母材との 熱収縮差を利用して圧縮残留応力を導入する （ 6 ) 低変態温度溶接 材料による溶接が用いられる。
しかし 、 グライ ンディ ングは形状を滑らかにすることにより応力 集中を低下させるものであり、 T I G ド レッシングは 、 溶接ビ一ド' の形状をよくするものである力 いずれも著し <作業効率が悪か た。 また 、 熱処理についても条件が難しい と 多 < 、 そもそち m 用できない金属も多数ある。
ショ ソ 卜 ピーニング、 ハンマーピ一ニング、 超音波衝撃処理は、 疲労強度向上効果はある 、 ショ ッ 卜 ヒーニングは巨大な機械が必 要であるため施工現場などで実施することは困難である。 ハンマ一 ピーニングは反動が大きく 、 処理結果が安定せず、 時にはかえって プレス成形性や疲労強度を低下させてしまう ことがある。 さ らに、 このノ\ン 一ピーニングは、 あま りに大きな塑性変形を与えるため に、 薄い板に対しては使いにく いという欠点もあった。 超音波衝撃 処理については、 例えば、 特開 2 0 0 3 — 1 4 7 7号公報に、 超音 波振動子で溶接止端部 直接打撃して圧縮残留応力を導入すること によ Ό疲労強度を向上させる発明が開示されているが適用にあたつ ては電源や水道等の種々のユーティ リティが必要となる。 これらシ
3 ッ ピーニング 、 )ヽンマーピ一ニング、 超音波衝撃処理等のピー 二ング処理では、 導入する残留応力が表層部に限定されるため、 処 理部に溶接欠陥やき裂などが存在する場合には効果があま り期待で さないという問題点があつた。 さ らに、 グライ ンデイ ングやハンマ 一ピ一ニングは、 数 H z の低周波の機械加工を継手部に施すため加 ェ表面の凹凸が激しく 、 その凹部に応力が集中する。 このため継手 部に繰り返し荷重力 カゝかると、 この応力集中部からき裂が生じて継 手全体の疲労強度が低下するという問題点があつた。
また 、 低変態温度溶接材料による溶接は、 例えば、 特開平 1 1 一
1 3 8 2 9 0号公報に、 溶接金属の室温付近でのマルテンサイ ト変 態膨張を利用 して圧縮残留応力を導入し疲労強度が向上することが 報告されている。 しかし、 低変態温度溶接材料は高合金であるため 、 コス ト増をもたらす上に、 溶接作業性が著しく悪いため溶接止端 形状が悪くなり、 かえって疲労強度が低下するという処理結果の不 安定性の問題点があった。
以上のように、 従来の疲労強度の向上技術を、 te急 ¾：部を持つ金 属板の応力集中部に採用することは可能ではあるが、 コス 卜が高い ことや作業性が良好でないこと、 十分な効果が得られない場合があ ることなどの問題があった。
また、 従来の疲労強度の向上技術を 、 面外ガセッ 卜溶接継手に採 用することは困難であり、 たとえ採用できても疲労強度向上代が低 いレベルに留まっていた。
また、 溶接を行わずに製造した面外ガセッ 卜溶接継手形状に準じ る形状を持つ金属部品においても主板または主管と リ ブ板が交差す る リ ブ板端部は応力集中部となるため、 疲労き裂が発生することが 多く、 溶接部の場合と同様、 従来の疲労強度向上方法に関して問題 点があった。
また、 従来の疲労強度の向上技術を、 幅急変部を持つ金属板の応 力集中部に採用することは可能ではあるが、 コス 卜が高いことや作 業性が良好でないこと、 十分な効果が得られない場合があることな どの問題があつだ。 発明の開示
本発明は、 前述のような従来技術の問題点を解決し、 建築、 造船 、 橋梁、 建設機械、 海洋構造物、 自動車などの溶接構造物に用いら れ、 く り返し荷重を受ける部材として疲労き裂発生 · 進展抑止特性 に優れた金属部材または金属製構造物とそれらの製造方法を提供す る とを課題とする。 また、 本発明は、 金厲部材ゃ金属製構造物の 表面であって、 金属製リ ブの長さ方向端部と交わる応力集中部付近 を簡易な方法で圧縮応力状態にすることで、 該応力集中部からの疲 労き裂の発生と進展を抑制し、 疲労き裂の発生や進展に対する抵抗 を大さくすることのできる、 疲労き裂の発生 • 進展抑止特性に優れ た金属製構造物およびそれらの製造方法を提供することを課題とす る
本発明は前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたも のであり、 その要旨とするところは以下のとおりである。
( 1 ) 厚み t ,の金属製の主板または主管から、 長さ 〖 、 高さ h 、 厚み t 2の板状の金属製リ ブが突き出た形状を有する金属部材で あって、 前記主板または主管と前記リ ブの交差する リブ板端部から 外部最大引張応力方向と平行な距離 s が t 2 4以上 4 X t 2以下で ある前記主板または主管上の位置に、 該位置から外部最大引張応力 方向と平行な長さ bが t 2 4以上 4 X t 2以下、 該位置を中心と し て外部最大引張応力方向と垂直方向の長さ Lが t 2Z 2以上 （ 5Z 8 ) W以下である、 板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下の圧 痕を有し、 該圧痕により、 前記主板または主管とリ ブ板が交差する リ ブ板端部に圧縮残留応力が働いていることを特徴とする リ ブ端部 から主板または主管への疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた金属 部材。 ただし、 Wは、 主板の幅又は主管の外周長である。
( 2 ) 厚み t ,の金属製の主板または主管の表面に、 長さし 高さ h、 厚み t 2の板状の金属製リ ブが突き出た形状を有する金属部材 であって、 該リブの厚み t 2が 1 m m以上、 高さ hが 3 t 2以上であ り、 該リブの長さ方向の端部にリブの厚み方向に圧縮予歪部を形成 した金属部材であって、 該圧縮予歪部は、 板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下であり、 リ ブ面上に占める面積 pが 0. 6 7 t 2 2 以上であり、 リ ブ長さ方向寸法 kが 0. 5 t 2以上 3 ( t 2 · t , ) 0 ： 5以下であり、 リブ高さ方向寸法 dが 0. 5 t 2以上 0. 5 h以下 であり、 その重心位置と前記主板または主管との距離 aが 0. 5 h 以下かつ 3 t 2以下であり、 その端部から リ ブ長さ方向端部までの 距離 eがリ ブの厚み t 2より小さいものであり、 さ らに、 該圧縮予 歪によ り、 前記リ ブの長さ方向端部であって、 前記主板または主管 と交差する部分に、 圧縮残留応力が働いていることを特徴とする、 リ ブ端部から主板または主管への疲労き裂の発生 · 進展抑止特性に 優れた金属部材。
( 3 ) 前記リ ブが溶接によ り前記主板または主管に接合されてお り、 リ ブおよび溶接部の降伏強度が主板または主管の降伏強度の 9 5 %以上であり、 リ ブの引張強度が主板または主管の引張強度よ り 大きく 、 リ ブの溶接部がリブ端部から 2 h以上の距離に亘つてのど 厚が 0. 5 t 2以上であることを特徴とする、 （ 2 ) に記載の疲労 き裂発生 · 進展抑止特' I に優れた金属部材。 ( 4 ) ( 1 ) 〜 （ 3 ) のいずれかに記載の金属部材を有すること を特徴とする疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた金属製構造物。
( 5 ) 厚み 1: ,の金属製の主板または主管の表面に、 長さ 1 、 高 さ h、 厚み t 2の板状の金属製リ ブを形成した後、 板厚方向圧縮歪 が 0. 5 %以上 2 5 %以下の圧痕を、 前記主板または主管と前記リ ブの交差する リブ板端部から外部最大引張応力方向と平行な距離 s が t 2 4以上 4 X t 2以下である主板または主管上の位置に、 該位 置から外部最大引張応力方向と平行な長さ bが t 2 4以上 4 X t 2 以下、 該位置を中心と して外部最大引張応力方向と垂直方向の長さ Lが t 2Z 2以上 （ 5 Z 8 ) W以下となる寸法で形成することを特 徴とする リ ブ端部から主板または主管への疲労き裂発生 ， 進展抑止 特性に優れた金属部材の製造方法。 ただし、 Wは、 主板の幅又は主 管の外周長である。
( 6 ) 厚み t ,金属製の主板または主管の表面に、 厚み t 2が l m m以上、 高さ hが 3 t 2以上で、 長さ 1 の板状の金属性リ ブを形成 した後， リ ブの板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下の圧縮予 歪部 3 を、 そのリ ブ長さ方向寸法 kが 0. 5 t 2以上 3 ( t 2 · t , ) D 5以下であり、 リブ高さ方向寸法 dが 0. 5 t 2以上 0. 5 h以 下であり、 そのリ ブ面上に占める面積 pが 0. 6 7 t 2 2以上である ような圧痕形状で、 その重心位置と前記主板または主管との距離 a が 0. 5 h以下かつ 3 t 2以下であり、 その端部から リ ブ長さ方向 端部までの距離 eがリ ブの厚み t 2より小さい位置に形成すること を特徴とする、 疲労き裂の発生 · 進展抑止特性に優れた金厲部材の 製造方法。
( 7 ) 複数の幅を有する板厚 t の長尺異幅金属板の材軸方向応力 に対して応力集中部となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の 材軸方向に tノ 4以上 3 t以下の範囲で、 且つ、 狭幅側の金属板の 幅方向端面から t / 4以上 3 t以下の範囲に囲まれた領域に、 面積 が 0. 1 6 t 2以上 4 t 2以下の圧痕を有し、 該圧痕の板厚方向圧縮 歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下であることを特徴とする疲労き裂発生 • 進展抑止特性に優れた異幅金属板部材。
( 8 ) 複数の幅を有する板厚 t の長尺異幅金属板の材軸方向応力 に対して応力集中部,となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の 金属板端面を広幅側に延長した基準線の方向に t Z 4以上 3 t 以下 の範囲で、 かつ、 該基準線から外側に 3 t以下の範囲に囲まれた領 域に、 面積が 0. 1 6 t 2以上 4 t 2以下の圧痕を有し、 該圧痕の板 厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下であることを特徴とする疲 .労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金属板部材。
( 9 ) 複数の幅を有する板厚 t の長尺異幅金属板の材軸方向応力 に対して応力集中部となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の 金属板端面を広幅側に延長した基準線の位置に、 金属板の突き合わ せ溶接による溶接部を有することを特徴とする （ 7 ) または （ 8 ) に記載の疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金属板部材。
( 1 0 ) 前記溶接部より外側の金属板は、 前記溶接部より内側の 金属板より高強度であり、 かつ、 板厚が内側金属板の板厚の 9 5 % 以上であることを特徴とする （ 9 ) に記載の疲労き裂発生 · 進展抑 止特性に優れた異幅金属板部材。
( 1 1 ) ( 7 ) 〜 （ 1 0 ) のいずれかに記載の異幅金属板部材を 有することを特徴とする疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた金厲 製構造物。 図面の簡単な説明
図 1 ( a ) は、 本発明における面外ガセッ ト溶接継手の実施形態 を示す平面図である。 ' 図 1 ( b ) は、 本発明における面外ガセ、ソ 卜溶接継手の実施形態 を示す側面図である o
図 2 は、 本発明における面外ガセッ 卜溶接継手の主板長手方向の 残留応力分布と距離 aの関係を説明する図である
図 3 は、 本発明における面外ガセッ 卜溶接継手の主板長手方向の 残留応力分布と板厚方向圧縮予歪量の関係を説明する図である。
図 4 ( a ) は、 本実施例に用いた面外ガセッ 卜溶接継手を示す平 面図である。
図 4 ( b ) は、 本実施例に用いた面外ガセッ ト溶接継手を示す側 面図である。
図 5 は、 本実施例に用いた角形ポンチによる圧縮負荷方法を示す 図である。
図 6 は、 本実施例に用いた丸形ポンチに る圧縮負荷方法を示す 図である。
図 7 は、 本発明の ( 2 ) に記載の溶接構造物を一部切り出した斜 視図を模式的に示す図である
図 8 は、 本発明の ( 3 ) に記載の溶接構造物を一部切り出した斜 視図を模式的に示す図であ
図 9 は、 溶接部ののど厚を溶接部の断面図で模式的に示す図であ る。
図 1 0 は、 圧縮予歪部の位置と寸法を決定するため解析を行った 構造モデルを斜視図で模式的に示す図である。
図 1 1 は、 モデル解析により得られた圧縮予歪後の応力分布を斜 視図で示す図である。
図 1 2 は、 モデル解析により得られた圧縮予歪を与えずに荷重を 作用させた場合の応力分布を斜視図で示す図である。
図 1 3 は、 モデル解†斤により得られた圧縮予歪付与後に荷重を'作 用させた場合の応力分布を斜視図で示す図である。
図 1 4は、 圧縮予歪付与方法の例を斜視図で模式的に示す図であ る。
図 1 5は、 実施例 2の試験片形状と試験方法を斜視図で模式的に 示す図である。
図 1 6は、 実施例 3の試験体形状と試験方法を斜視図で模式的に 示す図である。
図 1 7は、 狭幅側に圧縮処理を施した場合の本 明の実施の形態 を模式的に説明する斜視図である。
図 1 8は、 本発明により生じる残留応力の有限要素法解析による 評価を行った部材形状を模式的に説明する斜視図である。
図 1 9は、 本発明に係る圧痕のつけ方を模式的に説明する斜視図 である。
図 2 0は、 本発明に係る狭幅側につけた圧痕による応力集中部に 生じる材軸方向残留応力分布の一例を、 試験体に等高線表示させて 説明する斜視図である。
図 2 1は、 図 2 0の状態の試験体に、 材軸方向応力を負荷した場 合の応力集中部に生じる材軸方向残留応力分布の一例を、 試験体に 等高線表示させて説明する斜視図である。
図 2 2は、 圧痕をつけない試験体に、 図 2 1 と同様に材軸方向応 力を負荷した場合の応力集中部に生じる材軸方向残留応力分布の一 例を、 試験体に等高線表示させて説明する斜視図である。
図 2 3は、 本発明に係る圧痕により応力集中部に発生する残留応 力と圧痕の圧縮歪の関係を模式的に示す図である。
図 2 4は、 広幅側に圧縮処理を施した場合の本発明の実施の形態 を模式的に説明する斜視図である。
図 2 5は、 本発明に係る広幅側につけた圧痕による応力集中部に 生じる材軸方向残留応力分布の一例を、 試験体に等高線表示させて 説明する斜視図である。
図 2 6は、 図 2 5の状態の試験体に、 材軸方向応力を負荷した場 合の応力集中部に生じる材軸方向残留応力分布の一例を、 試験体に 等高線表示させて説明する斜視図である。
図 2 7は、 本発明に係る面内ガセッ ト溶接継ぎ手への圧縮処理を 模式的に説明する斜視図である。
図 2 8は、 本発明の実施例 4の試験体を模式的に示す斜視図であ る。
図 2 9は、 本発明の実施例 4の疲労試験結果を示す図である。 図 3 0は、 本発明の実施例 5の試験体を模式的に示す斜視図であ る。
図 3 1 は、 本発明の実施例 5の疲労試験結果を示す図である。 図 3 2は、 本発明の実施例 6の試験体を模式的に示す斜視図であ る。
図 3 3は、 本発明の実施例 6の疲労試験結果を示す図である。 図 3 4は、 本発明の実施例 7の試験体を模式的に示す斜視図であ る。 発明を実施するための最良の形態
本発明は、 主板または主管の面外にリブ板を有する 、 或いは主板 の面内に主板の幅と異なる幅の板材を有する金厲板部材において、 主板または主管の材軸方向に加えられた引張応力によつて生じる応 力集中部から所定の範囲内に 、 所要の大きさの圧縮予歪部を設ける ことによって、 応力集中部における疲労き裂の発生、 進展を抑止す るものである。
以下において、 主板または主管の面外にリブ板を有する場合で'あ つて、 （ i ) 予歪部を主板または主管の所定位置に設けたものの場 合、 （ ii ) 予歪部をリ ブ板の所定位置に設けたものの場合、 および 、 ( iii) 主板の面内に主板と異なる幅の部分を有する金厲板に圧縮 予歪部を設けたものの場合、 について説明する。
まず、 主板または主管の面外にリ ブ板を有する場合であって、 （ i ) 予歪部を主板または主管の所定位置に設けたものの場合、 すな わち、 本発明の （ 1 ) 、 （ 4 ) および （ 5 ) の実施の形態について 、 図 1 〜図 3 を用いて詳細に説明する。
図 1 は、 本発明における面外ガセッ ト溶接継手の実施形態を示す 図で、 図 1 ( a ) は平面図、 図 1 ( b ) は側面図である。
図 1 ( a ) 、 図 1 ( b ) において、 主板 1 と リ ブ板 2は、 垂直に 組み合わされ、 その周囲の回し溶接部 3 により溶接される。 なお、 主板 1 は管材であってもよく、 リブ板 2は主板 1 に対して正確に垂 直ではなくても、 また、 主板の材軸方向と正確に平行ではなくても 本発明の効果に大きな差はない。 また、 リ ブ板 2は一体整形されて いたり、 溶接以外の方法によってつけられている場合でもよく、 リ ブ板が主板や主管と一体になつている場合に本発明の効果が発揮さ れる。 '
主板 1 は、 溶接構造物の強度部材と して用いられ、 リ ブ板 2は強 度部材以外の用途に用いられる。
回し溶接を行う とき、 溶接の入熱によって止端部に引張残留応力 が発生する。 このとき、 リブ板の溶接継手または面外ガセッ ト溶接 継手が、 回し溶接部 3の止端部の接線と外部最大引張応力方向が垂 直となる回し溶接止端部 4から外部最大引張応力方向と平行な距離 sが t 2Z 4以上 4 · t 2以下である位置 5に、 位置 5から外部最大 引張応力方向と平行な長さ bが t 2ノ 4以上 4 · t 2以下、 位置 5 を 中心と して外部最大引 ¾応力方向と垂直の長さ Lが t 2ノ 2以上 '（ 5 / 8 ) W以下である、 板厚方向圧縮歪が 0 . 5 %以上 2 5 %以下 の圧痕 6 を有することによって、 止端部 4の引張残留応力が圧縮残 留応力に変化し、 疲労寿命が大幅に向上する。 但し、 Wは、 主板の 幅であり、 主管の場合は外周長である。
距離 s を t 2ノ 4以上 4 · t 2以下と したのは、 t 2ノ 4未満では 、 圧縮残留応力が形成されにく いことと、 圧縮予歪付与部の変形に より溶接止端部も変形してしまう可能性があり、 き裂を誘発する可 能性があるためであり、 また 4 · t 2を超えても圧縮残留応力が形 成されず、 本発明の効果が減少するからである。
なお、 図 1 ( a ) 、 図 1 ( b ) では溶接継手を例と して取り上げ たが、 溶接ではなく 、 リブ板が主板と一体ものと して作製された形 状であっても同様の効果がある。
図 2 は、 主板 1 の板厚 t ,が 2 5 m m、 リ ブ板 2 の板厚 t 2が 1 2 m m、 bが 1 2 m m、 Lが 5 0 m mの圧痕の形状、 板厚方向圧縮予 歪が 1 . 2 5 %のときの主板長手方向の残留応力分布と回し溶接止 端部 4からの距離 s の関係を有限要素法解析により求めた図である 。 なお、 主板 1 と リ ブ板 2 の降伏応力は 3 3 0 M P a と し、 初期の 溶接残留応力分布は考慮していない。
図 2 に示すように本発明によれば、 回し溶接止端部 4の残留応力 を効率良く低下させることができ、 疲労寿命を著しく向上させるこ とができる。
長さ b を t 2 4以上と したのは、 t 2 Z 4未満では、 疲労強度向 上に十分な圧縮残留応力が形成されないからである。 しかし、 b を 大きくすることは、 圧縮残留応力の形成において問題はないが、 圧 縮予歪を付与するときの荷重が大きくなり、 十分な圧縮予歪を付与 することが困難となること、 主板または主管に働く材軸方向の荷重 で主板または主管降伏する荷重が低下することがあるため 4 · t 2 を上限と した。
長さ Lをリブ板 2 の板厚 t 2の 1 2以上 （ 5 8 ) W以下とし たのは、 t の 1 2未満では、 回し溶接止端全域に圧縮残留応力が 形成されず、 疲労寿命の向上効果があまり得られないからである。 また、 （ 5 / 8 ) W以下としたのは Lを大きく しすぎると圧縮予歪 により部材全体が降伏し、 位置 4に十分な圧縮応力が発生しなくな るためである。 Lが大きすぎると圧縮予歪の荷重が増大するため、 溶接部であれば高々 t 2に回し溶接脚長の 2倍を足した程度の長さ にすることが望ましい。 なお、 Wは主板の幅または主管の外周長で ある。
板厚方向圧縮予歪を 0. 5 %以上 2 5 %以下と したのは、 0. 5 %未満では、 圧縮残留応力が十分形成されず、 本発明の効果が減少 するからである。 ただし、 Lが W/ 3 を超えるような場合 5 %以上 では、 部材全体が容易に降伏することがあり、 疲労き裂発生防止効 果が乏しいことがある。 このため、 5 %以上の圧縮歪を与える場合 には Lは W / 2 に限定することが望ましい。 また、 2 5 %より大き な歪では効果が頭打ちもしく は減少することがある上に板厚の減少 や部材の巨視的な変形が顕著となり部品や構造物と しての形状精度 が損なわれるため望ましくない。 なお、 圧縮予歪 （％ ) は、 （圧痕 部の板厚） / (圧痕部以外の部分の板厚） により規定するものとす る。
図 3 は、 主板 1 の板厚 t ,が 2 5 m m、 リ ブ板 2 の板厚 t 2が 1 2 mm, 距離 s が 6 m m、 b力 1 2 m m、 L力 6 m m = t 2ノ 2力、ら 5 0 mm= ( 5ノ 8 ) Wの圧痕形状のときの主板長手方向の残留応 力分布と板厚方向圧縮予歪量の関係を有限要素法解析により求めた 図である。 なお、 主板 1 と リ ブ板 2の降伏応力は 3 3 0 M P a と し 、 初期の溶接残留応力分布は考慮していない。 図 3 に示すように： Lの大きさと最大圧縮残留応力を発生させる歪の大きさは関係して おり、 上述した、 Lの寸法効果を説明している。
図 3 に示すよう に本発明によれば、 回し溶接止端部 4の残留応力 を効率良く低下させることができ、 疲労寿命を著しく 向上させるこ とができる。
Lが大きい場合には大きな圧縮歪を与えると部材断面全体が降伏 することがあり効果は低い歪に限られるが 、 圧縮予歪部の面積を適 切に選択すれば所望する歪量で効果が得られるように調節出来る。 圧縮負荷の回数は所定の歪範囲になるまで複数回押してよく 、 ポ
、
ノチの大きさと強度の関係から圧縮負荷装置の負荷荷重が十分取れ ない場合は、 ポンチの位置をずら しながら所定の歪負荷範囲になる まで複数回圧縮負荷を与えることで同様の効果が得られる。
圧縮予歪処理を行うためのポンチの形状と しては、 本発明の範囲 で圧縮予歪処理ができれば、 矩形、 円形のどちらでも本発明の効果 が得られる。 また、 ポンチの圧縮負荷面は平面でも曲面でもよく 、 多少の凹凸があってもかまわない。 なお、 ポンチの先端の角部が応 力集中源となり疲労強度が低下する懸念については、 圧縮予歪部直 下は圧縮残留応力が最も高くなるので疲労き裂が発生する可能性は 極めて低い。 したがって、 ポンチ先端の角部を滑らかにする必要は ない力 の安全上、 0 . 5 m m以上の Rを付けても本発明の効 果には何ら影響を及ぼすことはない。
また、 本発明の疲労強度の優れた面外ガセッ 卜溶接継手を用いて
、 建築、 造船 、 橋梁、 建設機械、 海洋構造物などの溶接構造物を建 造することにより、 疲労強度に優れた溶接構造物を提供することが できる。 また 、 溶接を用いずに作製した同様の形状の金厲部品や構 造部材においても疲労強度の向上が期待できる。
次に、 主板または主會の面外にリ ブ板を有する場合であって 、 ' ( ii ) 予歪部をリブ板の所定位置に設けたものの場合、 すなわち本発 明の （ 2 ) 、 （ 3 ) 、 （ 4 ) 及び （ 6 ) について説明する。
本発明は、 金属部品や金属製構造物の表面であって、 金属製リ ブ の長さ方向端部と交わる応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残留 応力を発生させることにより、 該応力集中部からの疲労き裂の発生 と進展を抑制することを特徴とするものである。
具体的には、 （ 2 ) に記載の発明は、 厚み の金属製の主板ま たは主管 1から、 厚み t 2が l mm以上、 高さ hが 3 t 2以上で、 長 さ 1 の板状の金属製リブ 2が突き出ており、 該リ ブの長さ方向の端 部にリ ブ 2の厚み方向に圧縮予歪部 9を形成した金属部品または金 属製構造物であって、 該圧縮予歪部 9は、 板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下であり、 リブ面上に占める面積 pが 0. 6 7 t 2 以上であり、 リ ブ長さ方向寸法 kが 0. 5 t 2以上 3 ( t 2 · t , ) 0 • 5以下であり、 リ ブ高さ方向寸法 dが 0. 5 t 2以上 0. 5 h以下 であり、 その重心位置 2 3 と前記主板または主管との距離 aが 0. 5 h以下かつ 3 t 2以下であり、 その端部から リ ブ長さ方向端部ま での距離 eがリ ブ 2の厚み t 2より小さいものであり、 さ らに、 該 圧縮予歪によ り、 前記リブの長さ方向端部であって、 前記主板また は主管と交差する部分 1 0に、 圧縮残留応力が働いていることを特 徴とするものである。
本発明の対象を厚み t ,の金属製の主板または主管 1から長さ 1 、 高さ h、 厚み t 2の板状の金属性リ ブ 2が突き出た金属部品また は金属製構造物とするのは、 金属製の主板または主管と突き出たリ ブとが接する部位であって、 該リ ブの長さ方向の端部 1 0は部品や 構造物に荷重が作用した際に応力集中部となり、 繰返し荷重下では 疲労き裂の発生源となるからである。
また、 該リ ブの長さ方向の端部にリ ブの厚み方向に 0. 5 %以上 2 5 %以下の圧縮予歪部 9 を形成ざせるのは、 該リ ブと金属主板ま たは主管 1 の接する部位であって、 該リ ブの長さ方向の端部に圧縮 の残留応力を発生させるためであり、 0 . 5 %より小さい圧縮歪で は十分な残留応力を発生させることは出来ず、 2 5 %より大きな歪 では効果が頭打ちとなる上に板厚の減少や部材の巨視的な変形が顕 著となり部品や構造物と しての形状精度が損なわれるためである。
また、 リブ 2 の厚み 1; 2を 1 m m以上としたのは t 2力 S l m mより 小さい場合には予歪量の管理が困難であるためであり、 1 m mよ り 小さい場合でも本発明を精度よく適用できれば効力を発揮できる。
また、 リブの長さ方向の寸法 kが 0 . 5 t 以上 3 ( t 2 · t , ) ° · 5以下の領域に圧縮予歪.を与えるのは、 kが 0 . 5 t 2より小さい場 合、 疲労き裂の発生が懸念される応力集中部に圧縮残留応力が十分 に発生しないためであり、 kが 3 ( t 2 . · t , ) G ' 5超では主板の変 形が顕著になることや疲労き裂の発生が懸念される応力集中部の圧 縮残留応力が頭打ちもしく は減少するからである。
また、 圧縮予歪部のリブ高さ方向寸法 d を 0 . 5 t 2以上 0 . 5 h以下とするのは、 dが大きいほど疲労き裂の発生が懸念される応 力集中部 1 0の圧縮残留応力が大きくなるからである。 リブ面上に 占める面積 Pが 0 . 6 7 t 2以上の領域に圧縮予歪を付与するのは 、 面積 Pが 0 . 6 7 t 2より小さい場合には疲労き裂の発生が懸念 される圧縮予歪部 9から離れた応力集中部 1 0 に疲労き裂発生を阻 止できるための十分な圧縮応力を発生させられないためである。
また、 圧縮歪部 9 の重心位置 2 3 と前記主板または主管との距離 aが 0 . 5 h以下かつ 3 t 2以下、 およびリ ブの端部から圧痕まで の距離 eがリ ブの厚み t 2よ り小さくする理由は、 圧縮歪部がリ ブ の長さ方向の端部から離れると疲労き裂の発生が懸念される応力集 中部 1 0 の圧縮残留応力が低下し、 本発明の効果である疲労き裂'発 生抵抗が低下してしまうからである。
図 7 は、 （ 2 ) に記載の本発明の一実施例を示す図である。 図 7 において、 1 は金属板、 2 は金属製リ ブ板、 9 は圧縮予歪部、 1 0 は応力集中部を示す。 図 7 の aは、 圧縮予歪部の重心 2 3から疲労 き裂の発生が懸念される金属板までの最短距離を示す。 図 7 の e は 、 圧縮歪部 9 の端部と リ ブ 2の長さ方向の端部の最短距離を示す。
( 3 ) に記載の発明は、 （ 2 ) に記載の疲労き裂発生 · 進展抑止 特性が優れた金属部材または金属製構造物であって、 前記リブが溶 接によ り前記主板または主管 1 に接合されており、 リ ブおよび溶接 部 1 1 の降伏強度が主板または主管の降伏強度の 9 5 %以上であり 、 リ ブの引張強度が主板または主管の引張強度より大きく 、 リ ブの 溶接部 1 1 がリ ブ端部から 2 h以上距離に亘つて、 のど厚 c 力 S 0 . 5 t 2以上であることを特徴とする。 これは、 リブに付与する圧縮 予歪と該リ ブと リ ブを溶接により取り付けた主板または主管との間 に生じる溶接残留応力によって溶接部を破壊することなしに、 該リ ブに付与する圧縮予歪により生じた応力を、 該溶接部を介してリブ 板の 2接する主板または主管 1 に伝達させるためには十分なのど厚 が必要であるからである。 また、 リブおよび溶接部 1 1 の降伏強度 を主板または主管 1 の降伏強度の 9 5 %以上と し、 リ ブの引張強度 を主板または主管の引張強度より大きくするのは、 圧縮予歪により 生じた応力を主板または主管 1 に十分伝達させるためであり、 リ ブ と溶接部の強度は高いほど本発明の効果は高くなる。
図 8 は、 （ 3 ) に記載の本発明の一実施例を示す図である。 図 8 において、 1 1 は隅肉溶接部を示す。 図 9は、 図 8 の溶接構造をリ ブ板 2の板厚中央に対応する面で切った場合の断面を示す。 図 9 の c は、 隅肉溶接部 1 1 ののど厚である。
( 6 ) に記載の発明は、 ( 2 ) に記載の疲労き裂の発生 · 進展'抑 止特性に優れた金属部材の製造方法であって、 厚み t ,の金属製の 主板または主管 1表面に、 厚み t 2が 1 mm以上、 高さ hが 3 t 2以 上で、 長さ 1 の板状の金属性リ ブ 2 を形成した後、 リブの板厚方向 圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下の圧縮予歪部 3 を、 そのリ ブ長さ 方向寸法 kが 0. 5 t 2以上 3 ( ' t , ) 11' 5以下であり、 リ ブ高 さ方向の寸法 dが 0. 5 t 2以上 0. 5 h以下であり、 そのリ ブ面 上に占める面積 pが 0. 6 7 t 2以上であるような圧痕形状で、 そ の重心位置と前記主板または主管との距離 aが 0. 5 h以下かつ 3 t 2以下であり、 その端部から リ ブ長さ方向端部までの距離 eがリ ブの厚み t 2より小さい位置に形成することを特徴とする。
これは、 圧縮予歪を金属製リ ブ形成後に与えることにより該リ ブ と該主板または主管の間にせん断応力を生じさせ、 該リ ブの長さ方 向端部であって、 該主板または主管と交差する部分 1 0に圧縮残留 応力を生じさせるためである。 .
本発明の図 1 0 に示す構造モデルと該構造モデルと同形状であつ て圧縮予歪を与えない構造モデルの有限要素解析を行い、 本発明の 構造物における圧縮予歪が疲労き裂の発生しやすい応力集中部の応 力状況に及ぼす影響を説明する。
前記構造モデルは、 例と して、 主板と リブ板共に降伏応力 3 3 0 M P aであり、 引張強度が 4 9 0 M P aである鋼材で構成されてい るものと仮定し、 図 1 0の矢印方向に引張荷重が作用することを想 定してモデル化した。 構造モデルは表 3 に各部の寸法と併せて示し たように記号 Aから Yまでの 2 5種類であり、 これらすべてについ て有限耍素解析を行った。 構造モデルの主板の厚み t ！は 8〜 1 6 m m、 リブ板の厚み t 2は 8〜 2 4 m mと した。 また、 圧縮予歪部 の形状は、 リ ブ板 2の長さ方向の寸法 kを 1 0〜 8 0 m m、 リ ブ板 2の高さ方向の寸法 dを 8〜 2 4 mmの矩形の面を持ち、 主板 と 圧縮予歪部 9 までの距離 a — d Z 2 を 8 〜 1 6 m m、 リ ブの長さ方 向端部からの距離 e を 5 〜 1 0 m mとした。 予歪部となる面に変位 制御で圧縮および除荷によって行い、 リ ブ板 2 に厚み方向の残留歪 と して約 2 . 5 %の塑性歪を与えた。
例と して、 モデル Dの場合について、 予歪付与の後の予歪部近傍 の残留応力分布.の例を図 1 1 に示す。 構造モデルの矢印方向に引張 荷重が作用 した際に応力集中部となる部位 1 0 の応力は圧縮となつ ている。 図 1 1 の等高線につけた数字はリ ブの材軸方向の引張応力 を M P aの単位で示したものである。 なお、 図 1 1 において 1 2 は リ ブ板 2 の板厚中央で半分にした場合の断面を示している。
次に、 有限要素法解析により求めた、 前記構造モデルで前記予歪 付与後に、 構造モデル Dの矢印方向に降伏応力の半分 （ 1 6 5 M P a ) の引張負荷を与えた場合についての引張方向応力分布を図 1 2 に、 また、 予歪を与えずに構造モデル Dと同様に矢印方向に降伏応 力の半分の引張負荷を与 たモデル D ' の場 □についての引張方向 応力分布を図 1 3 に不す 図 1 2 、 図 1 3 の等高線につけた数字は リブの材軸方向の引張応力を M P aの単位で示したものである。 構 造モデル Dの部位 1 0 の応力は構造モデル D の部位 1 0 の応力に 対して著しく低くなってい 。
一般に、 繰り返し負荷を受ける金属製部品や金属製構造物は応力 集中を除いた部位で使用時の応力は降伏応力の半分程度以下となる ように設計されているが、 構造モデル D ' で示したような応力集中 部 1 0では局所的に降伏する程度の応力が繰り返し作用することも あり、 疲労き裂の発生が懸念されるが、 本発明の構造モデル Dの応 力集中部 1 0では端部に降伏応力の半分の引張負荷を与えても生じ る引張応力が極めて小さ くなるため、 疲労き裂の発生が抑制される 効果がある。 本発明を適用 した構造モデルの端部に引張負荷を与えた場合の応 力集中部 1 0 に生じる応力は 、 予歪を与えて除荷した時点での圧縮 残留応力が大きいほど疲労さ裂発生に対する抵抗が大きいと考えら れる。 該圧縮残留応力は特にリ ブ板の厚み t や高さ hや圧縮予歪部 の位置や大きさ、 また 、 溶接により リブ板が取り付けられた場合に は溶接部の形状の影響を受けるため 、 それぞれの因子の影響につい て有限要素解析を用いて検討した。
該有限要素解析の結果を用いて作成した本発明の構造モデルの応 力集中部に生じる圧縮残留応力の表 1 に基づいて （ 2 ) に記載の発 明について説明する。
表 1
Figure imgf000025_0001
表 1 の結果から以下のことが読み取れる。 すなわち、 モデル 、 L 、 Mの結果から、 主板に対してリ ブ板 2 は厚い方が応力集中部に 生じる圧縮残留応力が大きくなつており、 本発明に用いられる圧縮 予歪部 9 の寸法についてはリ ブ板の厚み t 2を基準に規定すること が妥当であると判断した。 モデル 、 X、 Yの比較の結果から、 リ ブ板の背 hは高い方が応 力集中部 4に生じる圧縮残留応力が大きい。 これは、 圧縮予歪を受 けた部分の周りの弾性領域が大きい方が応力集中部に生じる圧縮残 留応力が大きくなることを表しており、 圧縮予歪を受けた部分の周 りの弾性領域が十分確保できるよう h≥ 2 d と した。
モデル Kと Oの比較、 モデル B 、 C 、 Dの比較の結果、 また、 モ デル H、 I 、 J の比較の結果から、 圧縮予歪部 9 の寸法 dは大きい 方が応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きく、 圧縮応力が顕著に 表れるが、 dが大きくなり hに近づく と効果が頭打ちになるため、 dは 0 . 5 t 2以上 0 . 5 h以下と した。
モデル D、 E 、 F 、 G、 Hの比較の結果およびモデル 0、 P 、 Q 、 R、 S 、 T、 Uの比較の結果から、 圧縮予歪部 9の寸法 kは大き くなると応力集中部に生じる圧縮残留応力が大きくなるが、 ある程 度以上大きくなると圧縮残留応力が低下する。 これは kが大きく、 リ ブ板 2が厚くなると主板 1 に曲げが生じやすくなることや主板側 にも塑性歪が生じやすくなるためであり、 0 . 5 t < k < 3 ( t 2 • t , ) Q■ 5とした。
モデル〇、 Nの比較の結果などから、 リ ブ 2 の端部からの圧縮予 歪部 9 までの距離 e は小さい方が応力集中部 1 0 に生じる圧縮残留 応力が大きく、 e < t 2と した。
モデル A、 Dの比較の結.果などから、. 主板 1 から圧縮予歪部 9 ま での距離 a — d / 2 は小さい方が応力集中部に生じる圧縮残留応力 が大きく、 aぐ 3 t 2と した。
モデル U、 V、 Wの比較の結果から、 両面にリ ブ板を付けて本発 明で行う圧縮予歪を与えた場合、 片面リ ブ板の場合より も、 応力集 中部に生じる圧縮残留応力が大きく 、 片側リ ブょりは両側リ ブの方 が効果が高い。 前記圧縮予歪を与える方法と しては 図 1 4 に示すように円形や 矩形の平面の断面を持つ押しポンチ 1 3 をプレス装置等を用いてリ ブ板 2 に押し当てる方法が考えられるが 同様の圧縮負荷を与えら れる装置であれば他の装置でも可能である 。 なお、 押しポンチ 1 3 で圧縮予歪を与えた場合、 押しポンチ 1 3 の角部がリ ブ板 2 に段差 を作る とになる力 、 この段差は応力集中を発生させるため、 でき るだけ滑らかになるよう、 面取りや曲面加ェしておく ことが望まし い
ポンチの断面形状については矩形以外にも円形の他、 種々の形状 が M用可能であり、 効果には大きな差は出ないと考えられるため、 自由にデザィ ンできるが、 ポンチの寿命を延ばし、 圧縮荷重をでき るだけ低くするためには外に凸の中実断面が合理的である。
ポンチの大ささについては鋼材の内部にまで十分に塑性歪を与え る とが重要であるためポンチの寸法はリ ブ板厚 t 2と比例させる 必 力 sある。 よ 所定の圧縮歪をリ ブ板に付与するためには圧縮 面積に比例して大きな圧縮荷重が必要となり、 負荷が困難となるこ とがあるため注意が必要である。 圧縮予歪付与面積 Pは板厚 t 2に 対して 0 . 6 7 t 2以上と定めたが、 大きくなりすぎると、 予歪を 付与するために必要な荷重が面積に比例して大き なるため実施す る設備が大きくなるため困難となる場合があることや、 予歪による 残留応力で主板の平面性が失われる可能性があることに注意し 切な圧縮予歪付与装置を準備し、 各寸法は本発明の効果の期待でき る範囲となるよう設定するのが望ましい。
圧縮.負荷の回数は所定の歪の範囲になるまで複数回押してよ ポンチの大きさと リ ブ板 2の強度の関係から圧縮負荷装置の負ィ可何 重が十分に取れない場合には、 ポンチの位置をずら しな力 Sら、 面積 が 0 . 6 7 t 2以上の領域を面積が 0 . 5 t 2以上の Zi、ンナを用いて 複数回圧縮負荷を与えることにより、 0 . 5 %以上かつ 2 5 %以下 の歪を圧縮負荷により与えることで同様の効果が得られる。
また、 本発明では圧縮予歪部をリ ブ取り付け後に設けなければ、 主板表面であつて、 リブ板と接する部分の ブ板の長手方向端音 1
0 に圧縮予歪による圧縮応力が発生せず、 疲労き裂発生阻止の効果 は得られない 。 そこで、 本発明を適用 しているかどうかについて疑 わしい場合については、 磁歪法や X線を用いた方法等によつて圧縮 予歪部付近の残留応力分布を確認することで 、 容易に本発明を適用 していることが確認できる。
また、 本発明は既存の構造物に対して適用することも可能であ Ό
、 既存構造物の疲労き裂発生防止方法と しても有効である。
次に、 （ iii ) 主板の面内に主板と異なる幅の部分を有する金厲板 に予歪部を設けたものの場合、 すなわち本発明の （ 7 ) 〜 （ 1 1 ) について説明する。
本発明は、 複数の幅を有する長尺異幅金属板であって、 板幅の大 きく変化することで生じる応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残 留応力を発生させることによ り、 該応力集中部からの疲労き裂の発 生と進展を抑制することを特徴とするものでおる。
まず、 （ 7 ) に記載の発明は、 具体的には 、 図 1 7 に示すような 複数の幅を有する板厚 t の長尺異幅金属板 3 1 の材軸方向応力に対 して応力集中部 3 2 となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の 材軸方向に t Z 4以上 3 t 以下の範囲で、 かつ、 狭幅側の金属板の 幅方向端面から t Z 4以上 3 t 以下の範囲に囲まれた領域に、 面積 が 0 . 1 6 t 2以上 4 t 2以下の圧痕 3 3 を有し、 該圧痕の板厚方向 圧縮歪が 0 . 5 %以上 2 5 %以下であることを特徴とするものであ る。
本発明の対象を、 図 1 7 に示すような複数の幅を有する板厚 の 長尺異幅金属板 3 1 であって、 板幅の大きく変化することで生じる 応力集中部 3 2 と したのは、 この応力集中部が、 部品や構造物に繰 返し荷重が作用 した際に、 疲労き裂の発生源となるからである。
また、 材軸方向応力に対して応力集中部となる幅移行部の狭幅側 コーナー 3 2から狭幅側の材軸方向に t 4以上 3 t 以下の範囲で 、 かつ、 狭幅側の金属板の幅方向端面から t ノ 4以上 3 t 以下の範 囲に囲まれた領域に、 圧痕 3 3 をつけるのは、 負荷を与えない状態 で応力集中部に圧縮の残留応力が生じる上に、 その後負荷を与えて も応力集中部に引張応力が発生しにく くするためである。
ここで、 圧痕の位置を、 幅移行部の狭幅側コーナ一から狭幅側の 材軸方向に t ノ 4以上 3 t 以下の範囲と したのは、 幅移行部の狭幅 側コーナーから材軸方向に t ノ 4 に満たない範囲に圧痕がある場合 には、 応力集中部に引張の残留応力が発生してしまう ことがあり、 逆効果になることがあるためである。 また、 幅移行部の狭幅側コー ナ一から 3 t を超える範囲に圧痕がある場合には、 圧痕による圧縮 残留応力が応力集中部に十分に働かなくなってしまうからである。
また、 圧痕の位置を、 狭幅側の金属板の幅方向端面から t Z 4以 上 3 t 以下の範囲と したのは、 次のような理由のためである。 すな わち、 一般に、 圧痕により大きな残留応力を発生させるには、 圧痕 が十分に広い弾性領域で囲まれている必要があるが、 狭幅側の金属 板の幅方向端面から t 4 に満たない範囲に圧痕がある場合には、 圧痕による塑性域が端部に到達してしまい本発明の効果を得られな いからである。 また、 狭幅側の金属板の幅方向端面から 3. t を超え る範囲に圧痕がある場合には、 圧痕による圧縮残留応力が応力集中 部に十分に働かなくなってしまうからである。
また、 圧痕 3 3の面積を 0 . 1 6 t 2以上 4 t 2以下とするのは、 4 t 2を超えて面積が大きくなりすぎると圧痕 3 3 をつけるための 荷重が大きくなりすぎて作業性が低下するためであり、 一方、 0 . 1 6 t 2未満まで面積が小さ くなりすぎると板厚中央まで十分な歪 が入らず、 疲労き裂発生防止に十分な圧縮残留応力が得られないた めである。
図 1 8 は、 狭幅側を 1 2 0 m m、 広幅側を 2 0 0 m m、 厚みを 1 2 m mとした長尺異幅金属板 4の幅変化部を部分的に示す斜視図で ある。 この金属板の狭幅側に幾つかのサイズの角形ポンチ 3 5 を用 いて、 図 1 9 に示したように圧痕 3 3 をつけ、 応力集中部 3 2 に生 じる材軸方向残留応力を有限要素法解析により求めた。 その結果の 一例を図 2 0 に示す。 また、 図 2 0 の状態の金属板の狭幅側材軸方 向端部に、 1 5 5 M P a'の引張応力を与えた場合の応力集中部の材 軸方向応力の例を図 2 1 に示し、 図 2 2 の.圧縮処理を行わない場合 の応力と比較した。
引張応力を与えた場合に応力集中部に生じる材軸方向応力が小さ い方が疲労き裂発生防止には有効であることから、 図 1 8 に示した 金属板について圧痕の位置を変化させ、 表 2 に示す多数の有限要素 法解析を行ない、 その結果に基づいて有効な圧痕 3 3 の位置と大き さを決定した。 なお、 図 1 8 中の x l は、 金属板の狭幅側の幅方向 端面から圧痕までの距離、 y l は、 金属板の幅移行部の狭幅側コー ナ一から圧痕までの材軸方向の距離である。
表 2
Figure imgf000031_0001
また 、 該圧烺 3 3 の板厚方向圧縮歪を 0 . 5 %以上と したのは、
0 . 5 未満では 、 応力集中部 3 2 に疲労き裂発生防止に十分な圧 縮残留応力を発生させることができないためであり、 一方、 2 5 % 以下と したのは 、 2 5 %超の圧縮歪では部材の変形が大きくなりす ぎて、 a
部 PPや構造物と レての形状精度が得られなくなるためである
。 また 、 図 2 3 に示すよう に圧縮歪が大きくなるに従つて圧痕処理 後に応力集中部に発生する圧縮残留応力も大きくなるが 、 その上昇 代は徐 に飽和してく ることからも過大な圧縮歪は不要 ある。 次に 、 ( 8 ) に記載の発明は、 複数の幅を有する板厚 t の長尺異 幅金属板 3 6であつて、 材軸方向応力に対して応力藥中部 3 7 とな る幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の金属板端面を広幅側に延 長した基準線の方向に t / 4以上 3 t 以下の範囲で、 かつ、 該基準 線から外側に 3 t 以下の範囲に囲まれた領域に、 面積が 0 . 1 6 t 2以上 4 t 2以下の圧痕 3 8 を有し、 該圧痕 3 8 の板厚方向圧縮歪が 0 . 5 %以上 2 5 %以下であることを特徴とするものである。
( 8 ) に記載の発明は、 対象とするものは （ 7 ) に記載の発明と 同様であるが、 図 2 4 に示すように、 圧痕 3 8 をつける位置が異な つている。 圧痕 3 8の位置を、 材軸方向応力に対して応力集中部 3 7 となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の金属板端面を広幅 側に延長した基準線の方向に t 4以上 3 t 以下の範囲で、 かつ、 該基準線から外側に 3 t 以下の範囲に囲まれた領域とするのは、 負 荷を与えない状態で応力集中部に圧縮の残留応力が生じる上に、 そ の後負荷を与えても応力集中部に引張応力が発生しにく くするため である。
すなわち、 圧痕により大きな残留応力を発生させるには、 圧痕が 十分に広い弾性領域で囲まれている必要があり、 端面から t ノ 4 に 満たない範囲に圧痕がある場合には、 圧痕による塑性域が端部に到 達してしまい所期の効果を得ることができないからである。 また、 基準線方向および幅方向で、 幅移行部の狭幅側コーナーから 3 t を 超える範囲まで離れた場合には、 圧痕による圧縮残留応力が応力集 中部 3 7 に十分に働かなくなってしまうからである。 また、 幅方向 で、 圧痕が基準線より内側の場合には、 応力集中部 3 7 に引張残留 応力を発生させてしまう ことがあり、 疲労き裂が発生しやすくなつ てしまう可能性があるため、 圧痕は基準線より外側 （幅拡大方向） の範囲に限定した。 基準線より内側 （幅縮小方向） には圧痕をつけ ないよう十分な注意が必要である。
図 2 4は、 狭幅側を 1 2 0 m m、 広幅側を 2 0 0 m m、 厚みを 1 2 m mと した長尺異幅金属板 6 の幅変化部を部分的に示す斜視図で ある。 この金属板の広幅側に幾つかのサイズの角形ポンチを用いて
、 図 2 4に示したように圧痕 3 8 をつけ、 応力集中部 3 7 に生じる 材軸方向残留応力を有限要素法解析により求めた。 その結果の一例 を図 2 5 に示す。 また、 金属板の狭幅側材軸方向端部に 1 5 5 M P aの引張応力を与えた場合の応力集中部の材軸方向応力の例を図 2 6 に示し、 図 2 2 の圧縮処理を行わない場合の応力と比較した。 引張応力を与えた場合に応力集中部に生じる材軸方向応力が小さ い方が疲労き裂発生防止には有効と考えられることから、 図 2 4 に 示した金属板について圧痕の位置を変化させ、 表 3 に示す多数の有 限要素法解析を行ない、 その結果に基づいて有効な圧痕の位置と大 きさを決定した。 なお、 図中 X 2 は、 金属板の狭幅側の幅方向端面 を延長する基準線から圧痕までの距離、 y 2 は金属板の幅移行部の 狭幅側コーナーから圧痕までの材軸方向の距離である。
表 3
Figure imgf000034_0001
また、 圧痕 3 8 の面積を 0. 1 6 t 2以上 4 t 2以下、 圧縮歪の量 を板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下としたのは （ 7 ) に記 載の発明の場合と同様の理由である。
( 7 ) に記載の発明と （ 8 ) に記載の発明の効果を比較すると、 ( 7 ) に記載の発明の方が疲労き裂発生防止の効果が大きく、 不都 合がなければ （ 8 ) に記載の発明より も （ 7 ) に記載の発明を適用 することが望ましい。 また、 （ 7 ) に記載の発明と （ 8 ) に記載の 発明は組み合わせて用いることも可能であり、 組み合わせた場合、 疲労き裂発生防止効果はさ らに高まる。 さ らに、 圧縮予歪は大きい ほど効果が高いが、 何らかの理由により、 個々の圧痕の歪量が低く 限定される場合には、 （ 7 ) に記載の発明と （ 8 ) に記載の発明を 組み合わせて用いることが特に有効である。
次に、 （ 9 ) に記載の発明は、 図 2 7 に示すように、 複数の幅を 有する板厚 t の長尺異幅金属板 3 9 の、 材軸方向応力に対して応力 集中部 4 2 となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の金厲板端 面を広幅側に延長した基準線の位置に、 金属板 3 9 と金厲板 4 0 の 突き合わせ溶接による溶接部 4 1 を有することを特徴とする。
前記基準線の位置に、 金属板 3 9 と金属板 4 0 の突き合わせ溶接 による溶接部 1 1 を有することと したのは、 該溶接部の端部は応力 集中部 4 2 となる上に引張の溶接残留応力が生じていることが多い ために、 本発明の効果が極めて大きいと考えられるためである。 次に、 （ 1 0 ) に記載の発明は、 図 2 7 に示すような溶接部より 外側の金属板 4 0 は、 溶接部 4 1 よ り内側の金属板 3 9より、 高強 度であり、 かつ、 板厚が内側金属板 3 9 の板厚の 9 5 %以上である ことを特徴とする。
外側の金属板 4 0 は、 内側の金属板 3 9 より、 高強度であり、 か つ、 板厚が内側金属板の板厚の 9 5 %以上と限定したのは、 外側の 金厲板 4 0の強度が低い、 または、 薄い場合には外側の金厲板部に 圧痕を配置しても、 応力集中部に圧縮応力を発生させることが極め て困難であるためである。
圧痕 3 8 をつけるための圧縮負荷の回数は、 所定の歪範囲になる まで複数回押してよく 、 ポンチの大きさと強度の関係から圧縮負荷 装置の負荷荷重が十分取れない場合は、 ポンチの位置をずら しなが ら所定の歪負荷範囲になるまで複数回圧縮負荷を与えることで同様 の効果が得られる。
圧縮予歪処理を行うためのポンチの形状と しては、 本発明の範囲 で圧縮予歪処理ができれば、 矩形、 円形等の形状に拘わらず本発明 の効果が得られる。 なお、 ポンチ 3 5の先端の角部が応力集中源と なり疲労強度が低下する懸念については、 圧縮予歪部直下は圧縮残 留応力が最も高くなるので疲労き裂が発生する可能性は極めて低い 。 したがって、 ポンチ先端の角部を滑らかにする必要はないが、 作 業の安全上、 面取りや曲率半径 Rを付けても本発明の効果には何ら 影響を及ぼすことはない。
また、 本発明の疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金属板 部材に相当する面外ガセッ ト溶接継手を用いて、 建築、 造船、 橋梁
、 建設機械、 海洋構造物、 m動車などの溶接構造物を建造すること により、 疲労特性に優れた金属製構造物を提供することができる。 また、 圧縮予歪を与える面積は大きいほうが効果が高いが面積に 応じて予歪を与えるための荷重も大きくする必要が生じるため、 圧 縮負荷装置の能力に合わせて適当な面積を選ぶことが重要である。 実施例
以下、 実施例により、 本発明をさ らに具体的に説明する。
(実施例 1 )
( 1 ) 、 （ 4 ) 、 （ 5 ) に記載の本発明の疲労き裂発生 · 進展抑 止特性に優れた金属部品または金属製構造物の実施例を表 4から表 5、 および、 図 4 ( a ) 、 図 4 ( b ) および図 5 を用いて説明する 表 4は、 本実施例に用いた主板 1 の J I S規格 （ J I S G 3 1 0 6準拠） .、 板厚、 強度を示す。 なお、 リ ブ板 2 は、 J I S G 3 1 0 6 に準拠した S M 4 9 0の板厚 1 2 m mを用いた。 表 4
Figure imgf000037_0001
表 5 は、 前述の A鋼〜 C鋼からなる鋼板の面外ガセッ 卜溶接継手 の止端部から離れた位置を種々の条件で板厚方向圧縮予歪を付与し た面外ガセッ ト溶接継手において、 残留応力測定結果、 および疲労 試験結果を示す。
表 5
Figure imgf000038_0001
*ポンチが座屈したため処理できず 図 4 ( a ) 、 図 4 ( b ) は、 本実施例に用いた面外ガセッ ト溶接 継手を示す図である。 溶接は、 J I S Z 3 3 1 2 に準拠した Y G W 1 1 の 1 . 2 m m径のソ リ ッ ドワイヤを用いて、 予熱を室温、 入 熱を 1 . 5 k J c mの C〇 2溶接を行った。 なお、 脚長は 6 〜 1 0 mmとなるように管理した。
図 5は、 角形のポンチ 7 を用いて板厚方向圧縮予歪の付与要領を 示す図である。 板厚方向圧縮予歪処理は、 幅 bがそれぞれ 1 m m、 5 mm、 1 2 mm、 長さ L力 それぞれ 3 0 mm、 5 mm、 5 0 mm の 3種類のポンチを用いて実施した。
図 6は図 5 と同じ形状を持つ試験体であるが、 ポンチの形を丸形 8に変更し、 圧縮歪の影響を調べたものである。
疲労試験条件は以下の通り と した。
• 荷重負荷方式 ： 軸引張、
• 応力比 ： 0. 1、
• 環境 ： 室温大気中、 ■
• 試験応力範 ffl ： 1 5 0 M P a
残留応力は、' 回し溶接止端部 4から 0. 5 m m離れた位置を X線 s i n 2 ゆ法により測定した。 .
N o . 1 、 N o . 1 2、 N o . 2 3は、 比較例であって、 圧縮予 歪処理を行わなかったので、 回し溶接止端部 4の残留応力は引張残 留応力となるので疲労寿命は短くなつている。
N o . 2、 N o . 3、 N o . 1 3、 N o . 1 4、 N o . 2 4、 N o . 2 5は、 比較例であって、 回し距離 s と圧縮予歪量は本発明耍 件を満たしているが、 長さ bと長さ L力 本発明要件を満たしてお らず、 回し溶接止端部の残留応力の低減効果が小さかったため、 疲 労寿命はあまり改善しなかった。
N o . 4、 N o . 5、 N o . 1 5、 N o . 1 6、 N o . 2 6、 N o . 2 7は、 比較例であって、 長さ bと長さ Lと圧縮予歪量は、 本 発明要件を満たしているが、 距離 sが本発明要件を満たしておらず 、 回し溶接止端部の残留応力の低減効果が小さかったため、 疲労寿 命はあま り改善しなかった。 ' N o . 6、 N o . 7 、 N o . 1 7 、 N o . 1 8、 N o . 2 8 、 N o . 2 9 は、 比較例であって、 距離 s と長さ b と長さ Lは、 本発明 耍件を満たしているが、 圧縮予歪量が本発明要件を満たしておらず 、 回し溶接止端部の残留応力の低減効果が小さかったため、 疲労寿 命はあまり改善しなかった。
N o . 8、 N o . 9、 N o . 1 9、 N o . 2 0 、 N o . 3 0、 N o . 3 1 は、 比較例であって、 長さ b と長さ Lは、 本発明要件を満 たしているが、 距離 s と圧縮予歪量が本発明要件を満たしておらず 、 回し溶接止端部の残留応力の低減効果が小さかったため、 疲労寿 命はあまり改善しなかった。
N o . 1 0 、 N o . 1 1 、 N o . 2 1 、 N o . 2 2 、 N o . 3 2 、 N o . 3 3 は、 本発明例であって、 本発明要件を全て満足した圧 縮予歪処理を行ったため、 回し溶接止端部 4の残留応力を大幅に低 減できたので、 疲労寿命は大幅に向上した。
N o . 1 0 ' は N o . 1 0 の圧縮歪を大きく したもので、 本発明 の範囲である。 この試験片では、 疲労寿命は長くなつたものの N O . 1 0 ほどの効果は見られなかった。 Lが大きい場合には大きな圧 縮歪を与えると効果が低下することが確認された。
N o . 3 4から N o . 3 8 は丸形のポンチを使った実施例であり いずれも本発明の用件を満たしている。 N o . 3 3 までの試験の多 く は角形の Lが大きなポンチを使用 したがこれらは断面の小さい丸 形のポンチに比べて所定の圧縮歪を付与するのに大きな.荷重が必要 であった。 断面の小さい丸形ポンチではいずれもよい疲労特性が得 られており、 比較的圧縮歪が大きい条件で長い疲労寿命が得られた 次に本発明の （ 2 ) 、 （ 3 ) 、 （ 4 ) 及び （ 6 ) に関する実施例 を示す。 (実施例 2 )
図 1 5のリ ブ板付き鋼板の疲労き裂発生試験を行った。 使用 した 鋼板は主板 1 4が板厚 2 4 m mで降伏応力が 4 0 0 M P aの溶接構 造用鋼板であり、 リ ブ板 1 5が板厚 1 0 mmで降伏応力が 3 8 0 M P aの溶接構造用鋼板である。 リ ブ板 1 5の取り付け溶接 1 6は 4 9 0 M P a級の強度を持つ材料を用いて C〇 2溶接によ りおこなつ た。 試験片 F 1〜試験片 F 5は本発明を適用 した試験体であり、 圧 縮負荷部の寸法を表 6 に示した。 また、 圧縮予歪量は 2. 5 %と し た。 試験片 F 0は本発明を適用 していない試験片である。 どの試験 片についても、 リ ブ板は同じ条件で隅肉溶接を行い、 脚長を 5 mm とし、 溶接部断面を調査したところ、 のど厚 3. 5 mmを確保した 表 6
Figure imgf000041_0001
負荷した荷璽は、 部材の降伏荷重の 1 / 4を中心に主板端部での 応力振幅が降伏応力の 1 4となる繰り返し荷重を 1周期が 1秒間 に 1 0回となるようあたえ、 溶接 トウ部 1 7 に生じる疲労き裂長さ が 1 0 mmとなった場合の繰り返し負荷の周期数を実験的にもとめ た。
実験の結果、 試験片 F 0は 1 X 1 06回程度の繰り返し負荷周期 で所定の疲労き裂が生じた。 それに対し、 本発明の試験体において は、 試験片 F 1 は 5 X 1 06回、 試験片 F 5は 7 X 1 06回で所定の き裂が見られたものの、' 試験片 F 2 , F 3 , F 4では 1. 5 X 1 0 7回でも疲労き裂が発生しなかった。 このことから、 疲労き裂の発 生に対しては 5倍程度以上の性能が得られるものと考えられる。 (実施例 3 )
道路の照明などに用いられる鋼管ポールは風による繰り返し曲げ 荷重を受ける。 また、 鋼管ポールの基部は補強のためリ ブ板が取り 付けられていることがあり、 リブの端部は溶接による残留応力と風 による繰り返し荷重とが重畳することにより、 リ ブ板によるポール 側の応力集中部に疲労き裂が発生することがある。 そこで、 図 1 6 に示す直径 1 7 c m m、 管厚 t ,は 6 m mの鋼管ポール 1 9 の実大 モデルを作製した。 前記モデルの基部はベースプレー 卜 1 8 にリ ブ 板 2 1 を用いて、 溶接で取り付け、 リ ブ板 2 1 の円柱ポール 1 9側 に本発明を適用 した。 リ ブ板 2 1 の厚み t 2は 6 m mであり、 8枚 を完全とけ込み溶接で取り付けた。
本発明を適用 した鋼管ポールモデルと リブ板溶接ままの通常の鋼 管ポールモデルを作製し、 両振りの繰り返し曲げ試験を行い、 疲労 き裂の発生特性を比較した。
圧縮予歪部 2 0 の寸法は図 7 に示した各部の寸法で示すと、 aが 6 m m , d力 s 1 2 m m、 e力 2 m m、 k力 1 2 m m、 h力 2 5 m m である。 載荷条件は基部の応力振幅が 1 6 0 M P a となるよう両振 り試験を行った。
実験の結果、 通常の鋼管ポールモデルでは 7 X 1 0 5回で応力集 中部 2 2から実施例 2で用いた疲労き裂評価基準である疲労き裂長 さ 1 0 m mに達したものの、 本発明を適用 したモデルでは疲労き裂 が確認できなかつた。 本発明を適用したモデルではさ らに 1 X 1 0 7回まで繰り返し載荷を行ったところで、 疲労き裂が 1 0 m mに達 し、 本発明の有効であることが確認できた。
(実施例 4 ) ' ( 7 ) に記載の発明に係る疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた 異幅金厲板部材の実施例について図 2 8、 図 2 9 を用いて説明する 本実施例に.用いた金厲板は、 J I S規格 G 3 1 0 6 の S M 4 9 0 B鋼であり、 板厚は 1 2 m m、 降伏応力は 3 3 0 M P a、 引張強さ は 5 5 0 M P aであった。
図 2 8 は、 実施例に用いた試験体 4 3 の形状および寸法を示して いる。 図 2 8の矢印は引張負荷の方向を示しており、 試験体 4 3 に 本実施例で与えた負荷は 1 0 H z の正弦波形を持つ繰返し荷重であ り、 試験体端部において最大応力が 1 5 0 M P a、 最小応力が 1 5 M P a とした。 ·
また、 図 2 8 に示した四角印は圧痕 4 4 を示しており、 圧縮予歪 の効果を確認するために応力集中部 4 5 を基準にいくつかの位置に 圧縮予歪を与えた試験体を準備レた。 図 2 9 に圧縮処理を行わない 場合の試験体の疲労寿命 N f 。と処理を行なった場合の疲労寿命 N f の比 N f Z N f 。を圧縮予歪の位置と圧痕の大きさ ごとに示す。 なお、 図 2 8 において、 X 1 は金属板の狭幅側の幅方向端面から圧 痕までの距離、 y 1 は金属板の幅移行部の狭幅側コーナーから圧痕 まで材軸方向の距離を示す。 本実施例の範囲内では、 圧縮予歪が大 きいほうが効果も大きいことが分かる。 圧縮予歪の大きさが小さ く 、 応力集中部 4 5から離れている試験体でも、 本発明の範囲内では 、 その効果が小さ くなつているものの疲労寿命の改善が見られた。 なお、 距離 x l が ( = 3 m m ) より小さい場合、 試験体の取 り扱い上、 圧縮処理が難しいだけでなく、 例え圧縮処理が可能であ つたと しても、 圧痕による塑性域が端部に到達してしまい十分な圧 縮歪が作用 しないことがあり、 また、 距離 X 1 = 0 m mの場合、 部 材の端部の圧痕が、 新たな応力集中部となるため有効ではないこと から、 実験水準には加えなかった。 また、 距離 y 1 力 t 4 ( = 3 m m ) より小さい場合、 応力集中部 4 5 に引張の残留応力が発生す ることがあり、 疲労寿命が短くなると考えられるため、 この場合も 実験水 Φには加えなかつた。
(実施例 5 )
( 8 ) に記載の発明に係る疲労き裂発生 ， 進展抑止特性に優れた 異幅金属板部材の実施例について図 3 0 、 図 3 1 を用いて説明する 本実施例に用いた金属板は、 J I S規格 G 3 1 0 6 の S M 4 9 0 B鋼であり、 板厚は 1 2 m m、 降伏応力は 3 3 0 M P a、 引張強さ は 5 5 0 M P aであった。
図 3 0 は、 実施例に用いた試験体 4 6 の形状および寸法を示して いる。 図 3 0の矢印は引張負荷の方向を示しており、 試験体 4 6 に 本実施例で与えた負荷は 1 0 H z の正弦波形を持つ繰返し荷重であ り、 試験体端部において最大応力が 1 5 0 M P a、 最小応力が 1 5 M P a とした。
また、 図 3 0 に示した四角印は圧痕 4 7 を示しており、 圧縮予歪 の効果を確認するために応力槃中部 4 8 を基準にいくつかの位置に 圧縮予歪を与えた試験体を準備した。 図 3 1 に処理を行わない場合 の試験体の疲労寿命 N f 。と処理を行なった場合の疲労寿命 N の 比 N f / N f 。を圧縮予歪の位置と圧痕の大きさ ごとに示す。 なお 、 図 3 0 において、 X 2 は金属板の狭幅側の幅方向端面を延長する 基準線から圧痕までの距離、 y 2 は金属板の幅移行部の狭幅側コー ナ一から圧痕までの材軸方向の距離である。 本実施例の範囲内では 、 圧縮予歪が大きいほうが効果も大きいことが分かる。 圧縮予歪の 大きさが小さ く、 応力集中部 4 8から離れている試験体でも、 本発 明の範囲内では、 その効果が小さくなつているものの疲労寿命の ¾ 善が見られた。 なお、 距離 X 2が 0 mmより小さい場合、 応力集中 部 4 8に引張の残留応力が発生することがあり、 疲労寿命が短くな ると考えられるため、 実験は行わなかった。 また、 距離 y 2が t Z 4 (= 3 mm) より小さい場合、 試験体の取り扱い上、 圧縮処理が 難しいだけでなく、 例え圧縮処理が可能であったと しても、 圧痕に よる塑性域が端部に到達してしまい十分な圧縮歪が作用 しないこと があり、 また、 y 2 = 0 m mの場合、 部材の端部の圧痕が、 新たな 応力集中部となるため有効ではないことから、 実験水準には加えな 力、つた。
(実施例 6 )
( 9 ) に記載の発明に係る、 突き合わせ溶接による溶接部を有す る疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金属板部材の実施例を 図 3 2、 図 3 3 を用いて説明する。
本実施例に用いた試験体の金属板 4 9および金属板 5 0は共に J I S規格 G 3 1 0 6の S M 4 9 0 B鋼であり、 板厚は 1 2 mm、 降 伏応力は 3 3 0 M P a、 引張強さは 5 5 0 M P aであった。 また、 溶接金属 5 1 の降伏応力は 3 2 5 M P a、 引張強さは 5 6 0 M P a でありほぼ鋼板と同等であった。
図 3 2は、 実施例に用いた試験体 5 2の形状および寸法を示して いる。 図 3 2の矢印は引張負荷の方向を示しており、 試験体 5 2 に 本実施例で与えた負荷は 1 0 H z の正弦波形を持つ繰返し荷重であ り、 試験体端部において最大応力が 1 5 0 M P a、 最小応力が 1 5 M P aと した。
本実施例に用いた溶接は、 J I S規格 Z 3 3 1 2の Y G W 1 1 の 1 . 2 m m径のソ リ ッ ドワイヤを用いて、 予熱を室温、 入熱を 1 . 7 k J / c mとする C〇 2溶接を行った。 また、 図 3 2に示した四角 印は圧痕 5 3 を示しており、 圧縮予歪の効果を確認するために応力 集中部 5 4を基準にいくつかの位置に圧縮予歪を与えた試験体を準 備した。
図 3 3に処理を行わない場合の試験体の疲労寿命 N f 。と処理を 行なつだ場合の疲労寿命 N f の比 N f /N f 。を圧縮予歪の位置と 圧痕の大きさ ごとに示す。 なお、 図 3 2において、 x 3は、 金属板 の狭幅側の幅方向端面から圧痕までの距離、 y 3は金属板の幅移行 部の狭幅側コーナーから圧痕までの材軸方向の距離を示す。 本実施 例の範囲内では、 圧縮予歪の大きいほうが効果も大きいことが分か る。 圧縮予歪の大きさが小さ く、 応力集中部 2 4から離れている試 験体でも、 本発明の範囲内ではその効果が小さ くなつているものの 疲労寿命が延長した。
(実施例 7 )
( 1 0 ) に記載の発明に係る、 突き合わせ溶接による溶接部を有 する疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金属板部材であって 、 溶接によって取り付けた金属板 5 5 と金厲板 5 6の板厚や強度が 異なる場合の実施例を表 7および図 3 4を用いて説明する。
本実施例に用いた金属板 5 5は、 J I S規格 G 3 1 0 6の S M 4 9 0 B鋼であり、 その板厚は 1 2 mm、 降伏応力は 3 3 0 P a、 引張強さは 5 5 0 M P aであった。 また、 金属板 5 6 と しては、 J I S規格 G 3 1 0 6の S M 4 0 0 B鋼または S M 4 9 0 B鋼である 、 表 7 に示す強度、 板厚 （ t 4) の異なる鋼板を 5種類準備した。 そのうちの板厚は 9 mmから 1 2 mmであり、 その強度レベルは、 降伏応力 2 5 0 M P a、 引張強さ 4 8 O M P aの低めのものから、 降伏応力 3 3 0 P a、 引張強さ 5 5 O M P aの高めのものまでで あった。 また、 溶接金属 5 7の降伏応力は 3 2 5 M P a、 引張強さ は 5 6 0 M P aでありほぼ鋼板と同等であった。
図 3 4は実施例に用いた試験体 5 9の形状および寸法を示してい る。 図 3 4の矢印は引張負荷の方向を示しており、 試験体 5 9 に本 実施例で与えた負荷は 1 0 H z の正弦波形を持つ繰返し荷重であり 、 試験体端部において最大応力が 1 5 0 M P a、 最小応力が 1 5 M P a とした。
また、 図 3 4に示した四角印は 1 O m m四方の圧痕 5 8 を示して おり、 金属板 5 6 の厚みと強度の効果を確認するために圧痕位置を 固定し、 疲労試験を行った。 表 7 に、 その疲労試験結果を示す。 金 属板 5 6 の強度の低い試験片 D 1 0 — 1 と強度が同じでも板厚の薄 い D 1 0 — 5 については圧痕の効果が見られなかった。 また、 金属 板 5 6の厚みがわずかに薄い試験片 D 1 0 — 4は、 効果はあるもの のやや少なくなっていた。
表 7
Figure imgf000048_0001
産業上の利用可能性
本発明によれば、 疲労強度の優れた面外ガセッ ト溶接継手を効率 的に得ることができるため、 建築 、 造船 、 橋梁 、 建設機械 、 海洋構 造物などの溶接構造物を建造するに際し 、 本発明を適用 して 、 疲労 強度に優れた溶接構造物を有利に提供することができ、 また を用いずに作製した同様の形状の金属部材ゃ構造部材においても疲 労強度の向上が期待できる。
また、 金属部材ゃ金属製構造物の表面であつて、 金属製 ブの長 さ方向端部と交わる応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残留応力 を発生させることにより、 該応力集中部からの疲労き裂の発生と進 展を抑制することができる。
また、 疲労き裂の発生および進展が問題となる複数の幅を有する 長尺異幅金属板部材およびこの長尺異幅金属板部材を用いた金属製 構造物であって、 金属板の幅が急に狭くなつた側の材軸方向応力に 対する応力集中部に簡易な方法で予め圧縮の残留応力を発生させる ことにより、 該応力集中部および該応力集中部の軽微な欠陥からの 疲労き裂の発生と進展を抑制することができる。

Claims

1. 厚み t ,の金属製の主板または主管から、 長さ 1 、 高さ h、 厚み t 2の板状の金属製リブが突き出た形状を有する金厲部材であ つて、 前記主板または主管と前記リ ブの交差するリ ブ板端部から外 部最大引張応力方向と平行な距離 s が t 2 / 4以上 4 X t 2以下であ 請
る前記主板または主管上の位置に、 該位置から外部最大引張応力方 向と平行な長さ bが t 2ノ 4以上 4 X t 2以下、 該位置を中心と して 外部最大引張応力方向と垂直方向のの- 長さ Lが t 2Z 2以上 （ 5 Z 8 ) W以下である、 板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5.%以下の圧痕 を有し、 該圧痕により、 前記主板または主管とリ ブ板が交差する リ 囲
ブ板端部に圧縮残留応力が働いていることを特徴とする リブ端部か ら主板または主管への疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた金属部 材。 ただし、 Wは、 主板の幅又は主管の外周長である。
2. 厚み t ,の金属製の主板または主管の表面に、 長さ 1、 高さ h 、 厚み t 2の板状の金属製リ ブが突き出た形状を有する金属部材で あって、 該リ ブの厚み t 2が 1 m m以上、 高さ hが 3 t 2以上であり 、 該リ ブの長さ方向の端部にリ ブの厚み方向に圧縮予歪部を形成し た金属部材であって、 該圧縮予歪部は、 板厚方向圧縮歪が 0. 5 % 以上 2 5 %以下であり、 リ ブ面上に占める面積 pが 0. 6 7 t 2 2以 上であり、 リ ブ長さ方向寸法 kが 0. 5 t 2以上 3 ( t 2 · t , ) 0 5 以下であり、 リ ブ高さ方向寸法 dが 0. 5 t 2以上 0. 5 h以下で あり、 その重心位置と前記主板または主管との距離 aが 0. 5 h以 下かつ 3 t 2以下であり、 その端部から リ ブ長さ方向端部までの距 離 eがリ ブの厚み t 2より小さいものであり、 さ らに、 該圧縮予歪 により、 前記リ ブの長さ方向端部であって、 前記主板または主管と 交差する部分に、 圧縮残留応力が働いていることを特徴とする、 リ ブ端部から主板または主管への疲労き裂の発生 · 進展抑止特性に優 れた金属部材。
3. 前記リ ブが溶接により前記主板または主管に接合されており 、 リ ブおよび溶接部の降伏強度が主板または主管の降伏強度の 9 5 %以上であり、 リ ブの引張強度が主板または主管の引張強度より大 きく 、 リブの溶接部がリ ブ端部から 2 h以上の距離に亘つてのど厚 が 0. 5 t 2以上であることを特徴とする、 請求項 2 に記載の疲労 き裂発生 · 進展抑止特性に優れた金属部材。
4. 請求項 1〜 3のいずれかに記載の金属部材を有することを特 徴とする疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた金属製構造物。
5. 厚み t ,の金属製の主板または主管の表面に、 長さ 1 、 高さ h、 厚み t 2の板状の金属製リブを形成した後、 板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下の圧痕を、 前記主板または主管と前記リ ブ の交差する リ ブ板端部から外部最大引張応力方向と平行な距離 s が t 2 / 4以上 4 X t 2以下である主板または主管上の位置に、 該位置 から外部最大引張応力方向と平行な長さ bが t 2 / 4以上 4 X t 2以 下、 該位置を中心と して外部最大引張応力方向と垂直方向の長さ L が t 2Z 2以上 （ 5 Z 8 ) W以下となる寸法で形成することを特徴 とする リ ブ端部から主板または主管への疲労き裂発生 · 進展抑止特 性に優れた金厲部材の製造方法。 ただし、 Wは、 主板の幅又は主管 の外周長である。
6. 厚み t ,金属製の主板または主管の表面に、 厚み t 2が l mm 以上、 高さ hが 3 t 2以上で、 長さ 1 の板状の金属性リブを形成し た後、 リ ブの板厚方向圧縮歪が 0. 5 %以上 2 5 %以下の圧縮予歪 部 3 を、 そのリ ブ長さ方向寸法 kが 0. 5 t 2以上 3 ( t 2 · t , ) 0 • 5以下であり、 リブ高さ方向寸法 dが 0. 5 t 2以上 0. 5 h以下 であり、 そのリ ブ面上に占める面積 pが 0. 6 7 t 2 2以上であるよ うな圧痕形状で、 その重心位置と前記主板または主管との距離 aが 0 . 5 h以下かつ 3 t 2以下であり、 その端部から リ ブ長さ方向端 部までの距離 eがリ ブの厚み t 2より小さい位置に形成することを 特徴とする、 疲労き裂の発生 · 進展抑止特性に優れた金厲部材の製 造方法。
7 . 複数の幅を有する板厚 t の長尺異幅金属板の材軸方向応力に 対して応力集中部となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の材 軸方向に t 4以上 3 t 以下の範囲で、 且つ、 狭幅側の金属板の幅 方向端面から t 4以上 3 t 以下の範囲に囲まれた領域に、 面積が 0 . 1 6 t 2以上 4 t 2以下の圧痕を有し、 該圧痕の板厚方向圧縮歪 が 0 . 5 %以上 2 5 %以下であることを特徴とする疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金厲板部材。
8 . 複数の幅を有する板厚 t の長尺異幅金属板の材軸方向応力に 対して応力集中部となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の金 厲板端面を広幅側に延長した基準線の方向に t 4以上 3 t 以下の 範西で、 かつ、 該基準線から外側に 3 t 以下の範囲に囲まれた領域 に、 面積が 0 . 1 6 t 2以上 4 t 2以下の圧痕を有し、 該圧痕の板厚 方向圧縮歪が 0 . 5 %以上 2 5 %以下であることを特徴とする疲労 き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金属板部材。
9 . 複数の幅を有する板厚 t の長尺異幅金厲板の材軸方向応力に 対して応力集中部となる幅移行部の狭幅側コーナーから狭幅側の金 厲板端面を広幅側に延長した基準線の位置に、 金属板の突き合わせ 溶接による溶接部を有することを特徴とする請求項 7 または 8 に記 載の疲労き裂発生 · 進展抑止特性に優れた異幅金属板部材。
1 0 . 前記溶接部より外側の金属板は、 前記溶接部より内側の金 厲板より高強度であり、 かつ、 板厚が内側金属板の板厚の 9 5 %以 上であることを特徴とする請求項 9 に記載の疲労き裂発生 · 進展'抑 止特性に優れた異幅金属板部材。
1 1 . 請求項 7 〜 1 0 のいずれかに記載の異幅金属板部材を有す ることを特徴とする疲労き裂発生 ， 進展抑止特性に優れた金属製構 造物。
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