(57)【要約】      （修正有）【課題】  疲労強度に優れた衝撃塑性加工処理方法を提供する。【解決手段】  金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部に衝撃を加え塑性加工させる際に、前記部材において前記溶接部部と反対側の位置を支持または拘束した状態で、前記溶接部に引張応力を付与することを特徴とする疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部に衝撃を加え塑性加工させる際に、前記金属製中空断面部材における前記溶接部と反対側の位置を支持又は拘束した状態で、前記溶接部に引張応力を付与することを特徴とする疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法。
【請求項２】
前記金属製中空断面部材における前記溶接部から少なくとも前記部材の高さ以上離れた位置を支持又は拘束した状態で、当該溶接部に引張応力を付与することを特徴とする請求項１記載の疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法。
【請求項３】
引張応力が前記金属製中空断面部材の降伏応力の10〜80％であることを特徴とする請求項１又は２記載の疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法。
【請求項４】
金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部に衝撃を加え塑性加工させる際に、前記金属製中空断面部材における前記付加物を掴んで、前記溶接部に引張応力を付与することを特徴とする疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法。
【請求項５】
引張応力が前記付加物の降伏応力の10〜80％であることを特徴とする請求項４記載の疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車、家電製品、建築構造物、船舶、橋梁、建設機械、各種プラント等で用いられる鋼、アルミニウム、チタン、マグネシウム等およびこれらの合金の衝撃塑性加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属から成る構造部材は、疲労強度向上などの目的から、その起点となる部分に研削、再溶融、塑性加工などの後処理が施される。塑性加工では特にショットピーニング、レーザーピーニング、超音波衝撃処理、ハンマーピーニング、ワイヤーピーニングなどの衝撃塑性加工が施されることが多い。しかしながら中空断面を有する薄肉部材は剛性が小さいために、図６のように金属製中空断面部材１の外面に溶接を施した溶接部Ｗにショットピーニング等の衝撃塑性を施すと、衝撃加工荷重２により部材１が弾性変形により撓み３を生じる、もしくは図７のように、塑性変形により加工部周辺１２に凹み４を生じる場合があり、十分な疲労強度向上効果が得られない場合がある。この撓みおよび凹みは非常にわずかであるが、衝撃加工の効果を低減させる大きな要因となっている。なお、ここでいう凹みとは、加工部を含む周辺全体１２が加工荷重２により折れ曲がり塑性変形することを意味し、衝撃塑性加工の工具接触部分に生じる凹みとは異なる。
【０００３】
このような中空断面部材の変形防止に関しては、押出し材の剛性を補うために中子を挿入する方法が特許文献１に、また充填物を詰める方法が特許文献２に開示されている。また引張応力側の断面形状を変えた中空形材が特許文献３に開示されている。
【０００４】
またさらに、自動車部材の疲労強度強化方法として部材に曲げ荷重を与えつつ引張応力側にショットピーニングを施す方法が、特許文献４および５に開示されている。
【０００５】
また、中空断面部材ではないが、金属ベルトの疲労強度向上方法として金属板に曲率を与えてショットピーニングを施す方法が特許文献６に、歯車の歯元域に引張応力を発生させた状態で歯元域を狙ってショットピーニングを施す方法が特許文献７にそれぞれ開示されている。
【０００６】
またさらに、特許文献８には、２枚の金属板に機械的拘束を施した後、重ね隅肉溶接し、溶接止端部近傍を超音波衝撃処理する溶接継手の疲労強度向上方法が開示されている。なお、超音波衝撃処理とは、超音波発生機から発生した数十KHzの超音波振動をピン等の工具を介して対象物に押し当てて、塑性変形を与えることにより表面形状の改善および残留応力の緩和・再配置等を行う処理である。
【特許文献１】特開2000-117334号公報
【特許文献２】特開平5-104152号公報
【特許文献３】特開2000-220252号公報
【特許文献４】特開平5-33048号公報
【特許文献５】特開平5-78739号公報
【特許文献６】特開2000-225567号公報
【特許文献７】特開平11-320411号公報
【特許文献８】特開2004-130313号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
開示技術のうち、特許文献１では、中空押出し材の断面剛性の不足を補うため曲げ加工時に中子を挿入する方法が、特許文献２では、中空形材のつぶれを防止するため圧縮応力側と引張応力側に別々の変形抵抗の充填物を充填する方法がそれぞれ開示されている。これらはいずれも中空部分に剛性の高いものを充填する方法であり、材料充填はせず中空部材を挟んで溶接部と反対側を支持または拘束した上で引張応力を付与する、あるいは溶接された付加物を掴んで溶接部に引張応力を付与する本発明の方法とは異なる方法である。
【０００８】
また、特許文献3では、曲げ加工時に引張応力が発生する部分を台形形状になるように突出する中空形材が開示されているが、これも断面形状を変更しない本発明方法とは異なる方法である。
【０００９】
またさらに、特許文献４および５では、自動車用フロントアクスルビームおよびリアアクスルハウジングを対象に疲労強度を向上させることを目的に、部材の両端を支点として部材の上面に設けたスプリングシートに圧縮荷重を与えて部材の下側を引張応力状態にし、この引張応力部にショットピーニングを施す方法が開示されている。この方法は部材に４点曲げ載荷を行い、引張応力の発生する部分を広くショットピーニングすることにより疲労強度を向上させる方法であるのに対し、本発明は中空断面部材の溶接部の撓みや凹みを防ぐ目的から、金属製中空断面部材において溶接部と反対側の位置を支持又は拘束した状態で溶接部に引張応力を発生させる、あるいは溶接された付加物を掴んで溶接部に引張応力を付与しながら衝撃塑性加工を施す方法であり異なる発明である。
【００１０】
またさらに、特許文献６および７では、引張応力を作用させた部分にショットピーニングを施す方法が開示されているが、特許文献６はベルト等金属板、特許文献７では歯車を対象にしており、部材断面および支持位置の点、あるいは溶接部へ適用する点で本発明とは異なる発明である。
【００１１】
特許文献８は、超音波衝撃処理における処理部の拘束方法を開示したものであるが、溶接時の拘束方法に関する技術であり、衝撃塑性加工時の支持部および溶接部への引張応力を規定した本発明の方法とは異なる発明である。
本発明は、疲労強度に優れた中空断面部材の衝撃塑性加工方法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】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の要旨とするところは、
（１）  金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部に衝撃を加え塑性加工させる際に、前記金属製中空断面部材における前記溶接部と反対側の位置を支持又は拘束した状態で、前記溶接部に引張応力を付与することを特徴とする疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法、
（２）  更に、前記金属製中空断面部材において前記溶接部から少なくとも前付加物との溶接部に衝撃を加え塑性加工させる際に、前記金属製中空断面部材における前記溶接部反対側の位置記部材の高さ以上離れた位置を支持又は拘束した状態で、前記溶接部に引張応力を付与すること特徴とする（１）記載の疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法、
（３）  引張応力が前記部材の降伏応力の10〜90％であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法、
（４）金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部に衝撃を加え塑性加工させる際に、前記金属製中空断面部材における前記付加物を掴んで前記溶接部に引張応力を付与することを特徴とする疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法、
（５）引張応力が前記付加物の降伏応力の10〜80％であることを特徴とする上記（４）記載の疲労強度に優れた衝撃塑性加工方法、
にある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の方法は、金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した溶接部に衝撃を加え塑性加工させる時に、溶接部およびその近傍が撓んだり凹んだりすることが無いため、十分な衝撃塑性加工処理を施すことが出来て疲労強度に優れており、その工業的意味は大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明者は、薄肉の金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部を対象に衝撃を加え塑性加工を施す際の加工性について検討を行った。その結果、中空断面部材両端の支持形態にも依存するが、前述の図６に示す撓み３、および図７に示す凹み４が生じる場合があり、これらが衝撃塑性加工の効果を著しく低下させていることが判明した。特にレーザーピーニングや超音波衝撃処理のように狭い領域に大きな荷重が集中する衝撃塑性加工法においては撓み３や凹み４の程度が大きいことが判明した。しかし、一般的に部材の肉厚を増加させることや断面形状を変更させること、また充填物を充填することなどによる撓み・凹みの低減は困難であり、他の方法の検討が必要となった。
【００１５】
解決手段を鋭意検討した結果、弾性変形による撓みを防止するには、図１に示すように中空断面部材１において、中空断面部材１の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部と反対側１３を支持もしくは拘束する方法が有効であることを見出した。ここで支持とは、例えば図1に示すようにブロック状の冶具５等で支えるなどして撓む方向のみの変位を抑えることであり、拘束とは、図５に示すように、治具６の前後の縦部分６ａあるいはマテリアルハンド１1の上下の横部分１１ａ等を用いて少なくとも二方向から支持することにより上下または左右の方向の変位を抑えることである。
【００１６】
また塑性変形による溶接部を含む周辺１２の凹み４の防止については、同じく図１に示すように溶接部Ｗに引張応力７を発生させることが有効であり、引張応力７は加工曲げ荷重による凹み４の抵抗になるだけでなく撓み３の低減にも効果的であることが判明した。引張応力の発生は、部材１に引張荷重もしくは曲げ荷重を与えることにより実現できるが、このうち溶接部Ｗと反対側１３の治具５の支持点を支点とし、溶接部Ｗの両側に冶具８で圧縮荷重を与えることにより、溶接部Ｗに引張応力を与えることができ、その結果、加工部の撓み３と凹み４の両方を抑制できることを見出した。このような三点曲げ形式の載荷では、溶接部Ｗ周辺の引張応力を大きくすることが可能となる。溶接部Ｗと圧縮荷重を与える位置８との間隔９は、金属製中空断面部材１の高さ１０（溶接部Ｗ側の部材表面から反対側の下面までの高さ）より小さいと十分な曲げ変形および表面への引張応力を与えることが出来ないので、少なくとも部材の高さ１０以上離れていると引張応力を効果的に発生できることも見出した。またマテリアルハンド１１等を用いて図２のように中空断面部材１の全体に引張荷重Ｆを与えるなどして表面に一様な引張応力１４を発生させても全く差し支え無い。
【００１７】
また、発生させる引張応力７，１４の大きさについて検討した結果、付加物１５や欠損などの影響を考慮しない溶接部Ｗでの引張応力が部材の降伏応力の10％未満では、効果はさほど大きくないが、部材の降伏応力の80％を超えると、溶接部Ｗは応力集中部であるため、溶接部Ｗの広い領域で塑性変形が開始して、部材の肉厚減少や断面形状の変形を招くため、降伏応力の10〜80％とすることが好ましいことが判明した。撓みや凹みをさらに効果的に抑制するために降伏応力の30〜60％とすることがさらに好ましい。
【００１８】
次に、溶接された付加物１５を掴んで溶接部Ｗに引張応力を与える方法も同様に有効であることを見出した。溶接部Ｗと同じ側には付加物１５が存在し、例えば図３に示す対象例のブラケットのように他の部材をつなぐ目的で接合されているものが多く、実用状態ではこれら付加物１５を介した応力が疲労破壊をもたらす場合が多い。図９のように、この溶接部Ｗと同じ側に存在する付加物１５に引張応力を付与すると溶接部周辺にも引張応力7が生じて持ち上げられるため、金属製中空断面部材１の撓みや加工部周辺の凹みを防ぐことができ、衝撃塑性加工の効果を十分に得ることができる。付加物１５に引張応力を与える方法としては、支持冶具８を用いた上で溶接付加物を直接掴む冶具により引張応力を与えても構わないが、図３および図４のような付加物１５がブラケットの場合には、図１０に示すように、リンク部材１６を付加物１５であるブラケットに挿入して、ピンおよび／またはボルト１７により軸止めし、リンク部材１６に引張応力を与える方法が簡便かつ有効である。付加物１５に与える引張応力の方向は特に限定するものではなく、どの方向でも本発明の効果が得られるが、金属製中空断面部材１が実用の際に付加される荷重方向に近い方向に引張応力を付加することが好ましい。
【００１９】
さらに、溶接された付加物１５を掴んで溶接部Ｗに負荷する引張応力の大きさは、付加物１５の降伏応力の10〜80％とすることが好ましい。これは10%未満の応力では、撓みや凹みを防止する効果は小さいが、80％を超えると付加物の溶接部近傍で塑性変形が顕著になり、付加物の変形や肉厚減少を招くためである。なお、ここでいう引張応力とは、付加物１５に生じる最も大きな引張応力を意味する。
【００２０】
本発明の方法の適用対象部材は特に規定されるものではなく、鋼、アルミニウム、チタニウム、マグネシウム等の金属およびその合金、およびそれらが接合、塑性加工等により中空断面の部材に加工された部分を含む部材であれば、開口部の有無、両端の付加物、部材全体の形状などに関わらず、金属製中空断面部材の外面に溶接を施して固定した付加物との溶接部を有する限り、本発明の方法を適用することが可能である。また溶接継手形式についても特に規定されるものではなく、隅肉溶接、重ね溶接、突き合わせ溶接であっても本発明の方法が適用可能である。溶接に関しても特に溶接条件を制限するものではない。
【００２１】
（実施例）
表１に示す板厚および降伏応力を持つ熱延又は冷延鋼板を用いて、図８に示す形状・寸法（中空部材の高さ寸法５０ｍｍ、巾寸法７０ｍｍ）の中空断面部材を製作し、その上面に同じ材質、板厚のコの字断面の付加物１５を鋼板と同じ強度の溶接材料を用いて炭酸ガスアーク溶接にて隅肉溶接した。これらの試験体のアーク溶接止端について、本発明の方法、すなわち溶接部Ｗの反対側を支持し、かつ溶接部Ｗに引張応力を作用させた状態で表３に示す条件の衝撃塑性加工方法を適用した。また比較のため溶接部と反対側を支持せずに他の部分を支持することにより衝撃塑性加工した試験片も製作した。
【００２２】
さらに図９に示したように、付加物１５にリンク部材１６を挿入してピンで軸止めし、リンク部材１６を介して付加物１５に引張応力を付与した状態で表３の衝撃塑性加工方法を適用した試験片も合わせて製作した。
【００２３】
その後、この中空断面部材１を、同じく図８に示すように溶接部が引張応力となるように三点曲げ載荷による荷重制御疲労試験を、応力比（＝最小荷重／最大荷重）が0.1、室温、大気中の条件で行い、破断寿命が200万回となる表面の公称応力範囲を疲労強度として比較した。
【００２４】
各試験体の疲労強度を同じく表１および表２に示す。
ショットピーニング処理（No.1〜13）の場合を見ると、加工部裏面を支持しないNo.1、２および引張応力が0のNo.3等の比較例に対して、本発明の方法No.4〜13は15%以上疲労強度が向上している。加工部裏面を支持した場合には引張応力が降伏応力の10〜80%の場合（No.5〜7）はさらに大きな疲労強度を示し、このうち30〜60％の場合の本発明例であるNo.6は顕著な疲労強度向上を示した。またさらに、溶接付加物を介して溶接部と同じ側に引張応力を付加した本発明例No.9〜13では、溶接裏面を支持して引張応力を付与した場合よりもより大きな疲労強度を示している。この場合でも引張応力が付加物の降伏応力の10〜80%であるNo.10〜12の場合より大きな疲労強度向上効果を示した。他の衝撃処理方法であるハンマ-ピーニング、ウォータージェットピーニング、レーザーピーニング、超音波衝撃処理においても同様の傾向が認められた。
【００２５】
また、加工部と支持部の距離と部材高さとの関係について見ると、ハンマーピーニングの場合のNo.17、18、20、超音波衝撃処理の場合のNo.66、67、70において、いずれも加工部と支持部の距離が部材高さより小さい場合には疲労強度向上はわずかであるが、部材高さ以上では、より大きな疲労強度を示した。なお、表１，２中の「〃」は、「その直上の行と同じ意」で用いている。
【表１】
2006051540.tif 000003
【表２】
2006051540.tif 000004
【表３】
2006051540.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明における衝撃塑性加工時の三点曲げ載荷の外観図である。
【図２】本発明における衝撃塑性加工時の引張応力載荷の外観図である。
【図３】本発明の適用対象例を示す図である。
【図４】本発明の別の適用対象例を示す図である。
【図５】本発明における衝撃塑性加工時の別の三点曲げ載荷の外観図である。
【図６】従来方法における撓み発生を示す図である。
【図７】従来方法における加工部周辺の凹み発生を示す図である。
【図８】本発明例における疲労試験状況を示す図である。
【図９】本発明における衝撃塑性加工時の他の引張応力載荷の外観図である。
【図１０】本発明における引張応力載荷時のための掴む方法例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    金属製中空断面部材
２    衝撃塑性加工時の荷重
３    部材全体の撓み
４    溶接部周辺の凹み
５    支持冶具
６    拘束冶具
７    引張応力
８    載荷のための支持冶具
９    載荷冶具と加工部の間隔
１０  部材の高さ
１１  載荷のための拘束冶具（マテリアルハンド）
１２  溶接部周辺
１３  溶接部と反対側
１４  部材に一様な引張応力
１５  付加物
１６  リンク部材
１７  ピン（ボルト）
【図１】
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【図２】
2006051540.tif 000007
【図３】
2006051540.tif 000008
【図４】
2006051540.tif 000009
【図５】
2006051540.tif 000010
【図６】
2006051540.tif 000011
【図７】
2006051540.tif 000012
【図８】
2006051540.tif 000013
【図９】
2006051540.tif 000014
【図１０】
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