(57)【要約】【課題】ハンマーピーニングに用いて好適な、鋼橋など鋼構造物における溶接部の疲労強度を、溶接部に新たな応力集中部となる変形を与えずに圧縮残留応力を導入して向上させる疲労強度向上方法を提供する。【解決手段】打撃面が面取りされた平坦な形状のチッパーで溶接止端部から離れた母材表面の一部を、母材表面に対して垂直に打撃、好ましくは打撃による塑性変形領域の一部が重なるように止端部近傍側から漸次外側に移動させるように打撃して塑性変形させ、溶接止端部に圧縮の残留応力を導入する。窪み特性値（最大深さと幅の積）（ｍｍ２）が所定の値を有する帯状の塑性変形領域を溶接止端部に接して形成する場合は、チッパーの打撃面の平坦部周囲の面取り部で溶接止端部を、前記平坦部で母材を打撃する。打撃に用いるチッパーの打撃面の幅Ｂとした場合、母材表面の止端部からＢ／４以内の部位を打撃して塑性変形させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部の溶接止端部近傍にチッパーの打撃による複数の打撃痕からなる帯状の塑性変形領域を形成して疲労強度を向上させる溶接部の疲労強度向上方法であって、前記チッパーの先端部の打撃面は平坦部と前記平坦部に沿った面取り部を有し、前記溶接止端部と前記打撃面の溶接止端部側との距離が前記打撃面の幅の１／４以内となるように前記溶接止端部近傍を打撃して窪み特性値（最大深さと幅の積）（ｍｍ２）が所定の値を有する帯状の塑性変形領域を母材に形成する際、前記帯状の塑性変形領域を溶接止端部に接して形成する場合は、前記打撃面の平坦部周囲の面取り部で溶接止端部を、前記平坦部で母材を打撃することを特徴とする溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項２】
前記打撃面の幅が４ｍｍ以上で、前記溶接止端部と前記打撃面の溶接止端部側との距離が１ｍｍ以内であることを特徴とする請求項１記載の溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項３】
前記帯状の塑性変形領域における窪み特性値（最大深さと幅の積）（ｍｍ２）が前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．７ｍｍ２以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．８ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項２記載の溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項４】
前記帯状の塑性変形領域における最大深さが前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．１９ｍｍ以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．２２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項５】
チッパーによる打撃が打撃周期８０Ｈｚ以上で溶接止端部に沿って移動速度１０ｃｍ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする請求項２乃至４のいづれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項６】
溶接止端部に沿って打撃線を設定し、当該打撃線上近傍を複数回打撃して帯状の塑性変形領域を形成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項７】
溶接部が隅肉溶接継手であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法を施した溶接継手。
【請求項９】
溶接止端部近傍を、先端部の打撃面に平坦部と前記平坦部に沿った面取り部を有するチッパーで前記打撃面に垂直方向に複数回打撃して形成した帯状の塑性変形領域を有する隅肉溶接継手であって、
前記打撃面の溶接止端部（線）と直角の辺の長さをＢ（ｍｍ）とした場合、前記帯状の塑性変形領域の溶接止端部側が前記溶接止端部から母材側にＢ／４（ｍｍ）以内となるように母材を打撃して帯状の塑性変形領域を形成した隅肉溶接継手。
【請求項１０】
前記打撃面の辺の長さが４ｍｍ以上で、前記帯状の塑性変形領域の溶接止端部側が前記溶接止端部から母材側に１ｍｍ以内で、
前記帯状の塑性変形領域における最大深さが
前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．１９ｍｍ以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．２２ｍｍ以上で、
前記帯状の塑性変形領域における最大深さと幅の積が前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．７ｍｍ２以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．８ｍｍ２以上であることを特徴とする請求項９記載の隅肉溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼橋など鋼構造物における溶接部の疲労強度を、溶接部に新たな応力集中部となる変形を与えずに圧縮残留応力を導入し向上させる疲労強度向上方法および該方法を施した溶接継手に関し、ハンマーピーニングに用いて好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼橋の老朽化に伴い腐食や疲労に伴う損傷事例の報告が増加している。疲労損傷の防止には検査体制の確立とともに、通過車両などの作用外力を軽減したり、設計製作面からの溶接品質の向上が重要である。
【０００３】
溶接部は、割れなどの欠陥が存在したり、溶接止端部（溶接止端と記載することもある）の形状が不適で応力集中部となると、繰り返し応力に溶接残留応力の影響が重畳して疲労亀裂が発生しやすく、疲労破壊をもたらす場合があるため、その防止のため種々の観点からの提案がなされている。
【０００４】
特許文献１は、溶接部の疲労強度向上方法およびそれを用いた溶接構造物に関し、溶接止端部の近傍を超音波振動する打撃装置で塑性変形させる際、所定の打撃条件で特定寸法の溝を加工することで、短時間でかつ作業者の熟練度に依存しないで安定して疲労強度を向上させることが記載されている。
【０００５】
特許文献２は、レーザ衝撃ピーニング方法に関し、レーザ光源からのパルスレーザビームを使用して、表面のコーティングを瞬間的に気化させてその爆発力により表面の一部に局所的に圧縮力を発生させる方法で、ガスタービンエンジンのファン動翼に圧縮残留応力を導入させることが記載されている。
【０００６】
非特許文献１は、ハンマーピーニング及びＴＩＧ処理による高強度鋼（ＳＭ５７０）の溶接継手部の疲労強度向上法に関し、ハンマーピーニングを施すと疲労強度が低下する場合があるため、溶接止端部の応力集中や残留応力を低減させる新たなハンマーピーニング法について検討した結果が記載されている。
【０００７】
通常、ハンマーピーニングは、作業者がピーニング装置のチッパーを手で持って、溶接止端部にチッパー先端が斜め上方から当たるようにし、ピーニング装置の荷重を溶接止端部に預けるようにして作業を行い作業負荷を軽減している。
【０００８】
そのため、図２７に示す母材１にリブ２を直立させた面外ガセット継手にハンマーピーニングを施した場合、ピーニング装置のチッパー５の先端により溶接止端部に応力集中箇所となる深い溝６が形成され、溶接ビード３の先端部から疲労亀裂７が発生する場合がある。
【０００９】
非特許文献１にはハンマーピーニングの前にグラインダで溶接止端部の一部を予め研削すると疲労亀裂の発生防止に有効であることが紹介され、ハンマーピーニングを３パス程度の複数回行うことを提案している。
【００１０】
また、特許文献３には、溶接止端部に応力集中箇所となる深い溝が形成されないように、先端部が曲面の打撃ピンを用い、溶接ビードの止端から打撃中心までの距離が打撃ピンの先端曲率半径の２．５倍未満となる母材表面に、特定寸法の残留塑性変形が生じるように、ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理を施す突合せ溶接継手の疲労特性改善方法が記載されている（図２８）。
【００１１】
特許文献４には溶接継手の疲労特性改善打撃処理方法として、溶接ビードの止端付近の母材金属材料表面に、打撃ピンを押し付けながら溶接線方向に相対的に移動操作させてハンマーピーニング処理又は超音波衝撃処理を施す際、前記打撃ピンとして、先端曲率半径Ｒが金属材料の厚さの１／２以下かつ２〜１０ｍｍの打撃ピンを用い、前記溶接ビードの止端から打撃処理位置の中心までの距離が、前記打撃ピンの先端曲率半径Ｒの２．５倍以内とすることが記載されている。
【００１２】
更に、特許文献４には、前記打撃ピンが打撃処理中に溶接金属に触れない範囲までの母材金属材料表面に、前記打撃ピンによって、打撃痕の溝深さが、０．１〜２ｍｍ、該打撃ピンの先端曲率半径Ｒ以下、かつ前記金属材料の厚さの１／１０以下であり、打撃痕の幅が、１．５〜１５ｍｍ、かつ前記溝深さの５倍以上である残留塑性変形が生じるように、ハンマーピーニング又は超音波衝撃処理を施すことも記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１記載の超音波によるピーニング方法は、従来の空気圧でチッパーを駆動する装置と比較すると使用する装置が高価で入手も困難である。特許文献２記載のレーザ衝撃ピーニング方法は、素材の前処理が必要で、且つ装置が高価で大きくガスタービン分野以外に適用することは難しい。特許文献３記載の超音波打撃処理を用いた加工方法のように、溶接止端部から微小な距離だけ離れた位置を保ちつつ溶接止端部に沿って処理することは、熟練者でなければ困難である、という問題がある。このような問題は、溶接線長さが長く、溶接止端部が溶接線方向に直線でなく幅１ｍｍ程度をもって蛇行することが多い、鋼橋など大型構造物の場合に特に顕著となる。  尚、特許文献４は、チッパーの先端が曲率半径Ｒを有する形状とすることを必須用件としたものであり、溶接ビードの止端から打撃処理位置の中心までの距離が、先端曲率半径Ｒの関数で規定されるなど現在利用されているハンマーピーニング法に容易に適用できず汎用性に乏しい。
【００１４】
そこで、本発明は、応力集中源となるような深い溝状の打撃痕を形成せず、圧縮残留応力を広範囲に導入できるチッパーを用いてハンマーピーニングを行い、溶接止端部における溶接残留応力を低減させて疲労強度を向上させる溶接部の疲労強度向上方法および溶接継手を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の課題は以下の手段で達成可能である。
１．溶接部の溶接止端部近傍にチッパーの打撃による複数の打撃痕からなる帯状の塑性変形領域を形成して疲労強度を向上させる溶接部の疲労強度向上方法であって、前記チッパーの先端部の打撃面は平坦部と前記平坦部に沿った面取り部を有し、前記溶接止端部と前記打撃面の溶接止端部側との距離が前記打撃面の幅の１／４以内となるように前記溶接止端部近傍を打撃して窪み特性値（最大深さと幅の積）（ｍｍ２）が所定の値を有する帯状の塑性変形領域を母材に形成する際、前記帯状の塑性変形領域を溶接止端部に接して形成する場合は、前記打撃面の平坦部周囲の面取り部で溶接止端部を、前記平坦部で母材を打撃することを特徴とする溶接部の疲労強度向上方法。
２．前記打撃面の幅が４ｍｍ以上で、前記溶接止端部と前記打撃面の溶接止端部側との距離が１ｍｍ以内であることを特徴とする１記載の溶接部の疲労強度向上方法。
３．前記帯状の塑性変形領域における窪み特性値（最大深さと幅の積）（ｍｍ２）が前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．７ｍｍ２以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．８ｍｍ２以上であることを特徴とする２記載の溶接部の疲労強度向上方法。
４．前記帯状の塑性変形領域における最大深さが前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．１９ｍｍ以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．２２ｍｍ以上であることを特徴とする２または３に記載の溶接部の疲労強度向上方法。
５．チッパーによる打撃が打撃周期８０Ｈｚ以上で溶接止端部に沿って移動速度１０ｃｍ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする２乃至４のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法。
６．溶接止端部に沿って打撃線を設定し、当該打撃線上近傍を複数回打撃して帯状の塑性変形領域を形成することを特徴とする１乃至５のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法。
７．溶接部が隅肉溶接継手であることを特徴とする１乃至６のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法。
８．１乃至６のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法を施した溶接継手。
９．溶接止端部近傍を、先端部の打撃面に平坦部と前記平坦部に沿った面取り部を有するチッパーで前記打撃面に垂直方向に複数回打撃して形成した帯状の塑性変形領域を有する隅肉溶接継手であって、
前記打撃面の溶接止端部（線）と直角の辺の長さをＢ（ｍｍ）とした場合、前記帯状の塑性変形領域の溶接止端部側が前記溶接止端部から母材側にＢ／４（ｍｍ）以内となるように母材を打撃して帯状の塑性変形領域を形成した隅肉溶接継手。
１０．前記打撃面の辺の長さが４ｍｍ以上で、前記帯状の塑性変形領域の溶接止端部側が前記溶接止端部から母材側に１ｍｍ以内で、
前記帯状の塑性変形領域における最大深さが
前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．１９ｍｍ以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．２２ｍｍ以上で、
前記帯状の塑性変形領域における最大深さと幅の積が
前記溶接部に負荷される公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．７ｍｍ２以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．８ｍｍ２以上であることを特徴とする９記載の隅肉溶接継手。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、溶接止端部にノッチ状の欠陥を生じさせることなく溶接止端部近傍をハンマーピーニングして溶接部の疲労強度を向上させることが可能で、１．疲労等級がＤ等級からＡ等級に飛躍的に向上する。２．溶接止端部および母材の両方が打撃可能で、母材表面のみを打撃しなければならないという施工上の制約がないため、廻し溶接部などの施工が容易となり、適用構造、適用部位の制限を受けにくい。という効果が得られ、産業上、極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明を説明するための模式図。
【図２】チッパー先端部の形状を説明する図。
【図３】ｐｒａｎｄｔｌの理論を説明する図。
【図４】本発明の原理を説明するためのＦＥＭ解析条件を示す図。
【図５】図４の条件によるＦＥＭ解析結果を３次元残留応力分布として示す図。
【図６】図４の条件によるＦＥＭ解析結果を板厚方向断面で示す図（先端部に平坦部を有するチッパーの場合）
【図７】図４の条件によるＦＥＭ解析結果を板厚方向断面で示す図（先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合）
【図８】４分の１対称モデルによる板厚方向断面における残留応力の大きさと打撃中心からの距離との関係を示す図（先端部に平坦部を有するチッパー（角型）と先端部に半球部を有するチッパー（丸型）の場合）。
【図９】本発明の効果を溶接止端部近傍における圧縮残留応力分布で説明する図。
【図１０】試験体形状を示す図で（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図。
【図１１】疲労試験結果を示す図。
【図１２】１５０ＭＰａ破断回数を塑性変形領域の窪み特性値（最大深さ×幅）（ｍｍ２）で整理した結果を示す図（実施例１）。
【図１３】２５０ＭＰａ破断回数を塑性変形領域の窪み特性値（最大深さ×幅）（ｍｍ２）で整理した結果を示す図（実施例１）。
【図１４】塑性変形領域の窪み特性値（最大深さ×幅）（ｍｍ２）と溶接止端部の最大残留応力との関係を示す図。
【図１５】１５０ＭＰａ破断回数を塑性変形領域の最大深さで整理した結果を示す図（実施例１）。
【図１６】２５０ＭＰａ破断回数を塑性変形領域の最大深さで整理した結果を示す図（実施例１）。
【図１７】最も発生応力の大きいリブ２の端部における塑性変形領域で計測した窪み特性値（最大深さ×幅）（ｍｍ２）と実際の断面積の関係を示す図。
【図１８】２５０ＭＰａ破断回数を塑性変形領域の溶接止端部側の端部から溶接止端部までの距離（止端距離）で整理した結果を示す図（実施例２）。
【図１９】実施例３で用いた隅肉溶接により溶接した残留応力測定試験体の形状を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図を示す図。
【図２０】溶接止端からチッパー端部までの距離が０ｍｍの場合のＸ方向残留応力分布図で（ａ）は先端部に平坦部を有する角型チッパーの場合、（ｂ）は先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合を示す図。
【図２１】溶接止端からチッパー端部までの距離が１ｍｍの場合のＸ方向残留応力分布図で（ａ）は先端部に平坦部を有する角型チッパーの場合、（ｂ）は先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合を示す図。
【図２２】溶接止端からチッパー端部までの距離が２ｍｍの場合のＸ方向残留応力分布図で（ａ）は先端部に平坦部を有する角型チッパーの場合、（ｂ）は先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合を示す図。
【図２３】溶接止端からチッパー端部までの距離が３ｍｍの場合のＸ方向残留応力分布図で（ａ）は先端部に平坦部を有する角型チッパーの場合、（ｂ）は先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合を示す図。
【図２４】溶接止端からチッパー端部までの距離が４ｍｍの場合のＸ方向残留応力分布図で（ａ）は先端部に平坦部を有する角型チッパーの場合、（ｂ）は先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合を示す図。
【図２５】ハンマーピーニング時に、残留応力測定試験体の打撃面の溶接止端部側の端部から溶接止端部まで離した距離Xが０mm，１mm，２mm，３mm，４mmの場合におけるＸ方向最小残留応力（最大圧縮残留応力）に関する角型チッパーの場合と丸型チッパーの場合とを比較する図。
【図２６】ハンマーピーニング時に溶接止端部から離した距離Xと試験体との位置関係を示す側面図。
【図２７】従来のハンマーピーニングによる溶接止端部の損傷例を示す図。
【図２８】従来技術（特許文献３）を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は溶接止端部近傍をチッパー（打撃ピンという場合がある）で連続的に打撃し、特定の領域に所定の寸法の帯状の塑性変形領域を形成することで、溶接止端部に圧縮の残留応力を導入して溶接継手の疲労強度を向上させることを特徴とする。
【００１９】
図１は本発明を説明する概念図で、母材１にリブ２を廻し溶接で溶接した部材の側面図において、溶接ビード３の溶接止端部（以下、止端部という場合がある。）４から特定距離Ｂ／４だけ離れて幅Ｂの塑性変形（点線で表示）を母材１の表面に生じさせた場合を示している。
【００２０】
本発明では塑性変形領域に生じる圧縮残留応力が、溶接止端部４の引張残留応力を打消し、更に溶接止端部４に圧縮残留応力が導入されるように、面圧をかけて塑性変形させた領域と溶接止端部との距離を塑性変形させた領域の幅Ｂの１／４以内となるように規定する。
【００２１】
塑性変形させる領域の幅Ｂは、止端部４に圧縮残留応力が導入され、且つ、止端部４に、母材１の表面を塑性変形させたことにより新たな応力集中源となる変形が生じないように設定する。
【００２２】
母材１の表面を塑性変形させる場合は、プレス装置または繰り返し衝撃的な打撃を与える装置を用いる。以下の説明は、母材１の表面をハンマーピーニング装置のチッパー５で打撃する場合について行い、チッパー５の先端部の打撃面は平坦部と前記平坦部に沿った面取り部を有するものとする。
【００２３】
図２でチッパー５の先端部の形状を説明する。図２は、チッパーを側面方向から見た側面図である。打撃面は正方形で、溶接止端部（線）に直角となる一辺の長さをチッパー５の先端のテーパー部５１、テーパー部５２の延長線と平坦部５３の延長線の交点α１、α２間の長さＬ２とする。長さＬ２は平坦部５３の一辺の長さＬ１とＲ面取り部の半径Ｒの２倍を加算した値と略等しく、本発明では幅Ｂとする。
【００２４】
チッパー５で母材１の表面を打撃する場合、溶接止端部からチッパー５の打撃面の溶接止端部側までの距離が、チッパー５の打撃面の幅Ｂの１／４以内となるように打撃する。図２に示した先端部の形状を有するチッパー５で母材１の表面を打撃した場合、当該打撃により塑性変形する領域の幅は打撃面の平坦部の幅と略等しい。
【００２５】
本発明において母材表面に対して垂直に打撃する際の垂直とは、厳密な意味での垂直に限るものではなく、打撃方向の傾き角が母材表面に対して８０〜１００°程度までであれば許容されるが、９０°とすることが望ましい。
【００２６】
チッパー５で母材表面を打撃する前に、止端部４と母材１の境界部にグラインダ研削などで窪み（ｒ部）、好ましくは曲率半径が１ｍｍ以上の窪み（ｒ部）を設けると母材表面の変形を止端部４に及ばさずに、より大きな圧縮残留応力を止端部４に導入させることが可能で好ましい。
【００２７】
なお、母材表面の一部を打撃して塑性変形させた領域を形成した場合に、当該領域より離れている溶接止端部に圧縮応力が付与される理由は、図３に示したｐｒａｎｄｔｌの理論（非特許文献２より図を抜粋）で説明される。
【００２８】
平板に圧縮応力ｑを導入すると、その直下に鋭角が４５°である直角三角形ＡＢＣ、扇形のＡＤＣ、ＢＣＥで示される、すべり線が発生する。その結果、圧縮応力を与えた長さと同じ長さの斜辺からなる直角三角形ＡＤＦ、ＢＥＧに外側に押し出す力が作用し、圧縮応力が除荷された後も圧縮残留応力として板に作用する。
【００２９】
［チッパー先端部の形状および打撃位置］
本発明では、チッパーの先端部の打撃面を周囲を面取りした平坦な形状とする。図４〜９に、チッパー先端部の形状が母材の残留応力分布に及ぼす影響をＦＥＭ解析によってシミュレートした結果を示す。ＦＥＭ解析条件は、以下のとおりとした。
【００３０】
チッパー５にて最大２６ｋＮの荷重を変位１ｍｍで、母材１表面に垂直方向から与えて、母材１を塑性変形させた。母材１は、大きさ：２００ｍｍ×２００ｍｍ、板厚：１２ｍｍ、材質：ＳＭ４９０Ｙ相当とした。一方、チッパー５は、高さ：１３５ｍｍ、先端部以外のチッパー部（一般部）：９ｍｍ角とした。なお、チッパー５の先端部の打撃面は、正方形の場合と丸型の場合それぞれについて解析した。チッパー５の先端部の打撃面の形状は、正方形の場合が４×４（ｍｍ２）の正方形で面取りのない完全な平坦とし、丸型の場合が直径４ｍｍの半球状とした。さらにチッパー５の先端部の打撃面は、母材１に圧縮応力を与える範囲に相当するとした。
【００３１】
図４は、ＦＥＭ解析を行う上でのメッシュ形状の例を示す。４分の１対称モデルによる弾塑性解析を行うとした為、母材１の大きさとチッパー５の先端部の打撃面の寸法は半分となっている。
【００３２】
図５に得られた残留応力の３次元分布の概要の一例として打撃面が４×４（ｍｍ２）の正方形のチッパー５の場合について示す。図６、７は残留応力分布の概要を板厚方向断面の２次元で表示したもので、図６は打撃面が４×４（ｍｍ２）の正方形のチッパー５の場合、図７は打撃面が丸型のチッパー５の場合を示す。図６、７より、打撃面が４×４（ｍｍ２）の矩形状のチッパー５の場合、打撃面が丸型のチッパー５の場合と比較して、母材内に広く圧縮残留応力が分布し、その値も大きい。
【００３３】
図８に、上記ＦＥＭ解析結果から得られた、板厚方向に平行な母材１の断面における残留応力の大きさと打撃中心からの距離との関係を示す。図８において、Ｘ＝０ｍｍが打撃中心位置、Ｘ＝２ｍｍ上の点線が打撃面の端部位置に相当する。
【００３４】
図８に太い実線で示した打撃面が正方形のチッパー５の場合、打撃した領域には圧縮残留応力が発生し、打撃中心から離れるに従って増大し、打撃中心から水平方向に３〜４ｍｍ程度はなれた図８にｂ領域として示した位置で４００ＭＰａ程度の最大値が発生している。その後、徐々に低下するが、打撃した領域の端部から、９ｍｍ程度離れたところまで、１００ＭＰａを超える大きな圧縮残留応力が発生している。
【００３５】
打撃面の幅（Ｂ）が４ｍｍ、即ち、図８において打撃中心からの距離２ｍｍの位置の場合、溶接止端部から打撃面の溶接止端部側までの距離を１〜２ｍｍとして母材を打撃すると、略最大の圧縮残留応力を溶接止端部に導入することが可能である。
【００３６】
一方、図８に細い実線で示した打撃面が丸型のチッパー５の場合、打撃面の中心近傍には引張残留応力が発生し、圧縮応力は、打撃面の中心から水平方向に３ｍｍ程度はなれた図８にａ領域として示した位置で最大値３５０ＭＰａ程度が発生する。１００ＭＰａを超える大きな圧縮残留応力は、打撃した領域の端部から、６．５ｍｍ程度離れたところまでで、打撃面が平坦なチッパー５と比較して、母材に圧縮残留応力が導入される領域は小さい。
【００３７】
図６〜８に示す結果より、本発明ではチッパー先端部の打撃面を平坦な形状（ハンマーピーニングを容易とするため、面取りを施す）とし、溶接止端部から打撃面の溶接止端部側までの距離を打撃面幅（Ｂ）の１／４以内とする。
【００３８】
平坦部の周囲を面取りすることによりチッパーの打撃による塑性変形領域を溶接止端部に接して形成する場合、打撃面の面取りされた部分が溶接止端部を打撃し、平坦部が溶接止端部に接した母材を打撃する。面取りされた部分が溶接止端部を打撃するので、溶接止端部にノッチ状の欠陥を生じさせることなく溶接止端部に接して塑性変形領域が形成される。尚、面取りは角を切り落とすＣ面取りでも半径Ｒの曲率で角部を丸めるＲ面取りのいずれでも良いが、Ｃ面取りの場合は辺長さ０．５ｍｍ以下、Ｒ面取の場合は０．５ｍｍＲ以下とすることが望ましい。
【００３９】
図５には、平板状の母材表面を加圧し塑性変形させた際のＦＥＭ解析結果を示したが、溶接止端部４の近傍の母材表面を加圧（打撃）した際の残留応力分布をＦＥＭ解析で求めた結果の一例を図９に示す。圧縮残留応力分布は、溶接ビード３が存在しても平板の場合と同様な分布形態、大きさを示すことがわかる。
【００４０】
以上より、本発明では、溶接止端部近傍にチッパーの打撃による複数の打撃痕からなる帯状の塑性変形領域を形成する場合、打撃におけるチッパーの移動方向を示す打撃線（チッパーの打撃面の溶接止端部側の位置で表す）は、溶接止端部と打撃線との距離がチッパーの打撃面の幅の１／４以内となるように設定する。
【００４１】
この際、打撃による塑性変形領域の一部が重なるように止端部４近傍側から漸次外側に打撃線を設定すると、変動の小さな圧縮残留応力分布が得られ、より安定して疲労強度を向上させることが可能である。
【００４２】
ハンマーピーニングに本発明を適用する場合、ハンマーピーニング装置のチッパーの先端部の寸法（幅Ｂ）と加圧力、母材特性（鋼橋の場合、ＳＳ４００〜ＳＭ５７０が用いられ、降伏応力２１５Ｎ／ｍｍ２〜４５０Ｎ／ｍｍ２となる）を用いて図４の解析を行い、母材表面における圧縮残留応力分布（図８）を求め、予め求めておいた止端部４の溶接残留応力分布に重畳させた場合に当該止端部４で最も大きな圧縮残留応力が得られるように、溶接止端部からチッパーの溶接止端部側までの距離をＢ／４以内で規定すれば良い。なお、本発明において、チッパーの打撃面の形状は面取り加工された平坦部を有していれば良く正方形に限定されない。
【００４３】
本発明を実施する場合、チッパー先端部の形状が損なわれた時点で新しいチッパーに交換する。先端を焼き入れし硬度を増したチッパーを用いることが望ましい。
【実施例１】
【００４４】
幅１５０ｍｍ×長さ５００ｍｍ×板厚１２ｍｍで材質がＳＭ４９０Ｙの母材１に、幅７５ｍｍ×高さ５０ｍｍ×板厚１２ｍｍで材質がＳＭ４９０Ｙのリブ２を廻し溶接にて溶接して試験体とした。廻し溶接条件は、ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ、１００％ＣＯ２、２４０Ａ、３０Ｖ、４０ＣＰＭ、１０．８ｋＪ／ｃｍとした。一方、チッパーは、０．５ｍｍＲのＲ面取り加工され平坦部が３ｍｍ角の略平坦形状の、４ｍｍ角の打撃面を先端部に有するものを使用した。そして、上記試験体の母材１表面を溶接線に沿って垂直に繰り返し打撃し、ハンマーピーニング処理を行った。打撃の際、上記試験体の溶接止端部から上記チッパーによる打撃面の溶接止端部側の端部までの距離は、１ｍｍとした。その後、疲労試験に供した。
【００４５】
図１０に試験体の平面図と側面図を示す。ハンマーピーニングは図示した試験体において溶接残留応力が大きい領域であるリブ２の長手方向の端部を取り囲むＵ字状の領域を、溶接部に沿ってリブの一方の側面から他方の側面に向かって同一打撃線上を連続打撃することを１〜８回（偶数回の場合は往復）行った。
【００４６】
ハンマーピーニングの条件は、チッパーによる打撃を打撃周期９０±１０Ｈｚ、溶接線方向に移動速度１０ｃｍ／ｍｉｎ以下とし、ＩＩＷ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｗｅｌｄｉｎｇ）推薦条件のうち空気圧約６ｋｇ／ｃｍ２、ハンマー荷重１．７ｋｇを変化させ、１回の打撃による打撃痕の寸法を変化させた。
【００４７】
塑性変形領域の寸法は、図示した試験体で最も発生応力の大きいリブ２の先端部（廻し溶接部）においてリブ２の板厚中心線の延長線上の塑性変形領域をレーザ変位計で測定し、塑性変形領域の形状を示す特性値として塑性変形領域における最大深さ×幅で定義される窪み特性値（単位はｍｍ２）を求めた。また、最大深さは、母材の平坦な表面を基準とする窪み部分の最大値とする。複数回打撃した場合、レーザ変位計による測定は、個々の打撃痕の一部が重畳した、塑性変形領域の断面形状を測定することになる。また、溶接止端部の最大残留応力をＸ線回析法によって測定した。
【００４８】
比較のため、溶接後、ハンマーピーニングを行わない試験体も作成して、疲労試験に供した。疲労試験は、試験体に対して、母材１の両端をチャッキングし、リブ２の長手方向に繰返し応力を与えて行った。
【００４９】
図１１に打撃線上を端から端まで移動する回数が実際の施工を想定した３、４回の場合の疲労試験結果を、溶接ままの場合と比較して示す。ハンマーピーニングを施した試験体はＣ等級ライン以上で、溶接まま試験体に比べ、日本鋼構造協会に示される疲労設計曲線（非特許文献３参照）の３等級程度の疲労強度向上効果が認められた。
【００５０】
表１と図１２に母材に作用する公称応力範囲が１５０ＭＰａの場合の破断回数を、表２と図１３に公称応力範囲が２５０ＭＰａの場合の破断回数を、塑性変形領域の窪み特性値（ｍｍ２）で整理した結果を示す。なお、公称応力範囲は、載荷軸方向荷重を溶接部母材の断面積で除した応力値が繰返し載荷における応力範囲（応力の片振幅の２倍）、を意味する。
【００５１】
溶接まま（窪み特性値が０ｍｍ２の場合）の試験結果に対し、公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は０．７ｍｍ２以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は０．８ｍｍ２以上で、疲労強度が２等級向上したＣ等級ライン以上となる。
【００５２】
表３と図１４に塑性変形領域の窪み特性値（ｍｍ２）と溶接止端部の最大圧縮残留応力との関係を示す。溶接止端部の最大圧縮残留応力は窪み特性値（ｍｍ２）によって整理され、窪み特性値（ｍｍ２）が大きくなると低下することが認められる。
【００５３】
【表１】
2014014831.tif 000003
【００５４】
【表２】
2014014831.tif 000004
【００５５】
【表３】
2014014831.tif 000005
【００５６】
図１５に表１の１５０ＭＰａ破断回数を塑性変形領域の最大深さで整理した結果を、図１６に表２の２５０ＭＰａ破断回数を塑性変形領域の最大深さで整理した結果を示す。溶接ままの試験結果（打撃痕最大深さ０．００ｍｍの場合）に対し、公称応力範囲が１５０ＭＰａ以下の場合は最大深さ０．１９ｍｍ以上、公称応力範囲が２５０ＭＰａ以下の場合は最大深さ０．２２ｍｍ以上で、疲労強度が２等級向上したＣ等級ライン以上となる。疲労強度の等級は、上述の日本鋼構造協会に示される疲労設計曲線による。
【００５７】
尚、図１７に示すように最も溶接残留応力の大きいリブ２の先端部（廻し溶接部）における塑性変形領域で計測した窪み特性値（最大深さ×幅）と実際の窪みの断面積との間には、良好な比例関係が認められた。図中の回数は打撃線上を端から端まで移動する回数を示す。
【実施例２】
【００５８】
実施例１と同じ方法で作成した試験体を６体準備し、４ｍｍ角の打撃面を有するチッパーで、塑性変形領域の溶接止端部側の端部から溶接止端部までの距離が０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍのいずれかとなるようにハンマーピーニングを行った後、疲労試験に供した。
【００５９】
ハンマーピーニングは母材表面を溶接線に沿って垂直に繰り返して打撃し、窪み特性値（最大深さ×幅）０．８ｍｍ２以上、最大深さ０．２０ｍｍ以上の塑性変形領域を形成するように条件を調整した。ハンマーピーニングの打撃線の設定および塑性変形領域の寸法の計測は、実施例１に準じた。塑性変形領域の溶接止端部側の端部から溶接止端部までの距離が０ｍｍの場合、溶接止端部はチッパーの面取りされた部分で打撃されたが、ノッチ状の欠陥は発生しなかった。疲労試験は実施例１と同条件で行った。
【００６０】
図１８に２５０ＭＰａ破断回数を溶接止端部と塑性変形領域との距離（止端距離）で整理した結果を示す。溶接止端部と塑性変形領域との距離が打撃面の幅の１／４以内で本発明例となる塑性変形領域の溶接止端部側の端部から溶接止端部までの距離を０ｍｍ、１ｍｍとした試験体では優れた疲労特性が得られている。
【００６１】
ハンマーピーニングの場合、チッパーの打撃面と塑性変形領域の大きさはほぼ等しいので、溶接止端部とチッパーの打撃面の溶接止端部側との距離を２ｍｍ以上離して、母材のみを打撃した場合には、非特許文献２より算定される疲労等級がＤ等級であるのに対して、本発明による施工方法である、溶接止端部とチッパーの打撃面の溶接止端部側との距離を１ｍｍ以内として、溶接止端部と母材の境界部および母材の両方を打撃した場合には、疲労等級がＡ等級となり、溶接継手部の疲労強度が飛躍的に向上する。
【実施例３】
【００６２】
幅１５０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ×板厚１２ｍｍで材質がＳＭ４００の母材１に、幅１５０ｍｍ×高さ５０ｍｍ×板厚１２ｍｍでＳＭ４００Ａのリブ２を隅肉溶接にて溶接して残留応力測定試験体とした。隅肉溶接条件は、ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ、１００％ＣＯ２、２４０Ａ、３０Ｖ、４０ＣＰＭ、１０．８ｋＪ／ｃｍとした。一方、チッパーは、先端部の打撃面が０．５ｍｍＲのＲ面取り加工され平坦部が３ｍｍ角の略平坦形状の４ｍｍ角を有するもの、または、先端部の打撃面が直径４ｍｍの半球を有するものを使用した。そして、上記残留応力測定試験体の母材１表面を溶接線に沿って垂直に繰り返し打撃し、ハンマーピーニング処理を行った。打撃の際、上記残留応力測定試験体の溶接止端部から上記各チッパーによる打撃面の溶接止端部側の端部までの距離は、０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのいずれかとした。その後、残留応力測定に供した。
【００６３】
図１９は残留応力測定試験体の形状を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図を示す。ハンマーピーニングは図示した試験体においてリブの溶接止端両側を、溶接部に沿って直線状の連続打撃を複数回行った。
【００６４】
ハンマーピーニングの条件は、チッパーによる打撃を打撃周期９０±１０Ｈｚ、溶接線方向に移動速度１０ｃｍ／ｍｉｎ以下とし、打撃痕深さ０．１５ｍｍ以上になるように、略平坦形状の４ｍｍ角の打撃面を有するチッパーの場合５回、直径４ｍｍの半球の打撃面を有するチッパーの場合２回の打撃を行った。
【００６５】
打撃による塑性変形領域の寸法は、残留応力計測ラインおよびその前後１０ｍｍの位置の合計３切断面においてレーザ変位計で測定した。そして、３切断面の打撃痕の最大深さの平均値を各試験体における最大深さ、また同じ３切断面の打撃痕幅の平均値を各試験体における幅とした。さらに参考のため、最大深さ×幅を併記した。残留応力測定試験体と最大深さとの関係を表４に示す。
【００６６】
【表４】
2014014831.tif 000006
【００６７】
また、溶接止端部の最大残留応力をＸ線回析法によって測定した。表５に先端部に平坦部を有する角型チッパー（単に角型チッパーという場合がある）を用いた試験体の残留応力分布を、表６に先端部に半球部を有する丸型チッパー（単に丸型チッパーという場合がある）を用いた試験体の残留応力分布を示す。Ｘ方向残留応力は約−１００ＭＰａあるいは溶接止端からの距離が約１０ｍｍを満たす位置まで測定した。試験体によって残留応力の測定位置および測定結果が異なるため、表５、６中には空欄が生じている。
また図２０〜図２４に残留応力測定結果（溶接止端からチッパー端部までの距離が０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの場合のＸ方向残留応力分布図）を示す。
【００６８】
各図において（ａ）は先端部に平坦部を有する角型チッパーの場合、（ｂ）は先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合を示す。
【００６９】
【表５】
2014014831.tif 000007
【００７０】
【表６】
2014014831.tif 000008
【００７１】
ハンマーピーニング時における残留応力測定試験体の打撃面の溶接止端部側の端部から溶接止端部までの距離Xと、Ｘ方向最小残留応力（最大圧縮残留応力）との関係を表７に示す。また図２５に、残留応力測定試験体の打撃面の溶接止端部側の端部から溶接止端部まで、ハンマーピーニング時に離した距離Xが、０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍの場合におけるＸ方向最小残留応力（最大圧縮残留応力）を、先端部に平坦部を有する角型チッパーと先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合とを比較して示す。図２６は、上記距離Xと試験体との位置関係を示した側面図である。
【００７２】
【表７】
2014014831.tif 000009
【００７３】
図２０〜２４および図２５より、先端部に平坦部を有する角型チッパーを用いてハンマーピーニングを行った残留応力測定試験体の溶接止端近傍の圧縮残留応力は、先端部に半球部を有する丸型チッパーを用いてハンマーピーニングを行った残留応力測定試験体の溶接止端近傍の圧縮残留応力と比較して、打撃面の溶接止端部側の端部から溶接止端部までの距離が０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのいずれにおいても、打撃痕の最大深さが小さいにもかかわらず、圧縮残留応力が大きい。
【００７４】
例えば、図２２の（ａ）と（ｂ）とを溶接止端近傍の圧縮残留応力で比較すると、先端部に平坦部を有する角型チッパーの場合は先端部に半球部を有する丸型チッパーの場合の約２倍となっている。このことは、打撃痕形状と残留応力との関係が先端部に平坦部を有する角型チッパーと先端部に半球部を有する丸型チッパーとで異なることを意味している。すなわち、所定の残留応力を溶接止端近傍に導入するためには、平坦部を有する角型チッパーによる溶接止端部の打撃痕の形状に関する管理値は半球部を有する丸型チッパーによる溶接止端部の打撃痕の形状に関する管理値と異なり、新たな管理指標である窪み特性値（最大深さと幅の積）での管理が必要となる。
【符号の説明】
【００７５】
１    母材
２    リブ
３    溶接ビード
４    溶接止端部
５    チッパー
５１、５２  テーパー部
５３  平坦部
６    溝
７    疲労亀裂
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７６】
【特許文献１】特開２００６−１７５５１２号公報
【特許文献２】特開２００６−１５９２９０号公報
【特許文献３】特開２０１０−１４２８７０号公報
【特許文献４】特開２０１０−２９８９７号公報
【非特許文献】
【００７７】
【非特許文献１】ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ  ＦＡＴＩＧＵＥ  ＳＴＲＥＮＧＴＨ  ＯＦ  ＷＥＬＤＥＤ  ＪＯＩＮＴＳ  ＢＹ  ＨＡＭＭＥＲ  ＰＥＥＮＩＮＧ  ＡＮＤ  ＴＩＧ−ＤＲＥＳＳＩＮＧ：Ｋｅｎｇｏ  ＡＮＡＭＩ、Ｃｈｉｔｏｓｈｉ  ＭＩＫＩ、Ｈｉｄｅｋｉ  ＴＡＮＩ、Ｈａｒｕｈｉｔｏ  ＹＡＭＡＭＯＴＯ、Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ  Ｅｎｇ．／Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ  Ｅｎｇ．、ＪＳＣＥ、Ｖｏｌ．１７、ＮＯ．１、５７ｓ−６８ｓ、２０００  Ａｐｒｉｌ）
【非特許文献２】加藤健三著：金属塑性加工学、丸善、ｐｐ．７４−７６
【非特許文献３】日本鋼構造協会：鋼構造物の疲労設計指針・同解説、ｐｐ．１−１８、１９９３年．
【図１】
2014014831.tif 000010
【図２】
2014014831.tif 000011
【図３】
2014014831.tif 000012
【図８】
2014014831.tif 000013
【図１０】
2014014831.tif 000014
【図１１】
2014014831.tif 000015
【図１２】
2014014831.tif 000016
【図１３】
2014014831.tif 000017
【図１４】
2014014831.tif 000018
【図１５】
2014014831.tif 000019
【図１６】
2014014831.tif 000020
【図１７】
2014014831.tif 000021
【図１８】
2014014831.tif 000022
【図１９】
2014014831.tif 000023
【図２０】
2014014831.tif 000024
【図２１】
2014014831.tif 000025
【図２２】
2014014831.tif 000026
【図２３】
2014014831.tif 000027
【図２４】
2014014831.tif 000028
【図２５】
2014014831.tif 000029
【図２６】
2014014831.tif 000030
【図２７】
2014014831.tif 000031
【図２８】
2014014831.tif 000032
【図４】
2014014831.tif 000033
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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