(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】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加圧、好ましくは塑性変形領域をそ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加圧して塑性変形させ、溶接止端部に圧縮の残留応力を導入する。好適には加圧に用いる部材の先端部は、幅が４ｍｍ以上の平坦部を有する略矩形状で、母材表面の止端部から３ｍｍを超えた部位を塑性変形させ、さらに好ましくは加圧する前に、溶接止端部に予め曲率半径が１ｍｍ以上の窪みを形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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加圧して塑性変形させ、溶接止端部に圧縮の残留応力を導入することを特徴とする溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項２】
母材表面の一部を垂直に加圧する際、母材表面の変形が溶接止端部に及ばないように溶接止端部から離れた母材表面の一部を加圧す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】
先端部の加圧方向に垂直な断面形状が略矩形状であって、先端部に幅が４ｍｍ以上の平
坦部を有する加圧部材を用いて、前記母材表面の前記溶接止端部から３ｍｍを超えた部位を塑性変形させることを特徴とする請求項１または２記載の溶接部の疲労強度向上方法。
【請求項４】
塑性変形領域をその一部が重なるように、加圧部位を前記溶接止端部近傍側から漸次外側に移動させるように加圧してゆくことを特徴とする請求項１乃至３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５】
加圧する前に、前記溶接止端部に予め曲率半径が１ｍｍ以上の窪みを形成することを特徴とする請求項１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。
【請求項６】
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を施した溶接継手。
【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１１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１７５５１２号公報
【特許文献２】特開２００６−１５９２９０公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】ＩＭＰＲＯＶＩＮＧ  ＦＡＴＩＧＵＥ  ＳＴＲＥＮＧＴＨ  ＯＦ  ＷＥＬＤＥＤ  ＪＯＩＮＴＳ  ＢＹ  ＨＡＭＭＥＲ  ＰＥＥＮＩＮＧ  ＴＩＧ−ＤＲＥＳＳＩＮＧ：Ｋｅｎｇｏ  ＡＮＡＭＩ，Ｃｈｉｔｏｓｈｉ  ＭＩＫＩ，Ｈｉｄｅｋｉ  ＴＡＮＩ，Ｈａｒｕｈｉｔｏ  ＹＡＭＡＭＯＴＯ，Ｓｔｒｕｃｔｕａｌ  Ｅｎｇ．／Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ  Ｅｎｇ．，ＪＳＣＥ，Ｖｏｌ．１７，ＮＯ．１，５７ｓ−６８ｓ，２０００  Ａｐｒｉｌ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、鋼橋の場合、溶接部が多く、溶接長さも長いため、ハンマーピーニングを複数回行うことは作業者の負担となる場合があって好ましくない。
【００１３】
特許文献１記載の超音波によるピーニング方法は使用する装置が従来の空気圧でチッパーを駆動する装置と比較すると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、鋼橋製造に適用することは難しい。
【００１４】
そこで、本発明は、溶接止端部に変形をもたらして新たに応力集中部を形成させることなく、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加圧して塑性変形させ、溶接止端部に圧縮の残留応力を導入することを特徴とする溶接部の疲労強度向上方法。
２．母材表面の一部を垂直に加圧する際、母材表面の変形が溶接止端部に及ばないように溶接止端部から離れた母材表面の一部を加圧す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．先端部の加圧方向に垂直な断面形状が略矩形状であって、先端部に幅が４ｍｍ以上の平坦部を有する加圧部材を用いて、前記母材表面の前記溶接止端部から３ｍｍを超えた部位を塑性変形させることを特徴とする１または２記載の溶接部の疲労強度向上方法。
４．塑性変形領域をその一部が重なるように、加圧部位を前記溶接止端部近傍側から漸次外側に移動させるように加圧してゆくことを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載の溶接部の疲労強度向上方法。
５．加圧する前に、前記溶接止端部に予め曲率半径が１ｍｍ以上の窪みを形成することを特徴とする１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。
６．１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を施した溶接継手。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、安定して溶接部の疲労強度を向上させることが可能で、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】本発明の原理を説明するためのＦＥＭ解析条件を示す図。
【図３】図２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４】図２の条件によるＦＥＭ解析結果を母材表面の圧縮残留応力分布曲線として示す図。
【図５】図２の条件によるＦＥＭ解析結果を母材表面の圧縮残留応力分布と板表面の変形状態として示す図。
【図６】ｐｒａｎｄｔｌの理論を説明する図。
【図７】本発明の効果を溶接止端部と母材における圧縮残留応力分布で説明する図。
【図８】本発明の他の例を説明する図。
【図９】試験体形状を示す図。
【図１０】疲労試験結果を示す図。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は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加圧して塑性変形させ、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）４から距離ｄ離れた母材１の表面を、母材表面と垂直方向に先端部（平坦部）の幅Ｂのチッパー５で母材表面を加圧して塑性変形（点線で表示）を生じさせる場合を示している。チッパー５による母材表面の加圧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によって行う。
【００２０】
なお、本発明において母材表面に対して垂直に加圧する際の垂直とは、厳密な意味での垂直に限るものではなく、加圧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。
【００２１】
本発明ではチッパー５（幅Ｂ）で母材１の表面を塑性変形させる位置（距離ｄで規定）を、塑性変形により母材１に生じる圧縮残留応力によって止端部４の溶接による引張残留応力が打消され、圧縮残留応力が導入されるように規定する。より好ましくは、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発生する母材表面の変形によって新たな応力集中が生じないように距離ｄを設定する。
【００２２】
なお、チッパー５で母材表面を加圧する前に、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。
【００２３】
図２〜５は、本発明の原理を説明する図で、母材１をチッパー５で母材表面に垂直方向に加圧して塑性変形を生じさせた場合における残留応力分布をＦＥＭ解析によってシミュレートした結果を示す。
【００２４】
図２にＦＥＭ解析条件を示す。ＳＭ４９０Ｙ相当の母材１に、先端部の加圧面（圧縮応力を与える範囲）が４×４（ｍｍ2）の矩形状の平坦部を有するチッパー５で２６ｋＮの荷重を母材表面に垂直方向から与えて塑性変形させた場合について、４分の１対称モデルによる弾塑性解析を行った。
【００２５】
図３〜５は解析結果で、図３は3次元表示した解析結果、図４は母材表面での応力分布、図５は母材表面の変形状態を示す。母材表面における応力分布（図４の曲線ａ）より、加圧した領域は５０ＭＰａ程度の圧縮残留応力で、加圧面の中心から水平方向に４ｍｍ程度はなれた位置（図４の中心からの距離Ｃ）で３５０ＭＰａ程度の圧縮応力の最大値（図４の曲線ａのｂ点）が発生した後、徐々に低下するが、中心から１２ｍｍ程度の位置まで３０ＭＰａ程度の大きな圧縮残留応力が発生していることが認められる。即ち、加圧した領域の端部から、１０ｍｍ程度離れたところまで、３０ＭＰａを超える大きな圧縮残留応力が導入されている。
【００２６】
また、加圧された領域が塑性変形して凹部（残留へこみ量：０．０６ｍｍ）となることで、その周辺は、当該領域の端部から約３ｍｍ幅の区間（中心からは５ｍｍ程度の範囲内）で多少変形する（図５）。
【００２７】
従って、距離ｄは、母材表面における応力分布（図４の曲線ａ）と別途求めた止端部４の溶接残留応力分布を重畳して、止端部４で圧縮残留応力が得られるように、規定すれば良い。より好ましくは、止端部４で圧縮残留応力が得られ、且つ、止端部４に母材表面の変形が導入されて新たな応力集中が生じることを防止するために母材表面が変形した部分の外側となるように距離ｄを設定する。
【００２８】
図２のＦＥＭ解析条件を満足する条件で母材表面を加圧して塑性変形させる場合、安定した疲労強度向上を実現させるためには、距離ｄを３ｍｍ超え、１０ｍｍ以下（幅Ｂの２．５倍以下：本解析では幅Ｂは４ｍｍ）までとすることで、３０ＭＰａを超える比較的大きな圧縮残留応力が導入され（図４）、止端部の形状にも加圧による母材表面の変形の影響が及ばない（図５）。
【００２９】
母材表面をハンマーピーニングによって加圧（打撃）して塑性変形を導入する場合は、チッパーの先端部の平坦部の加圧方向に垂直な断面の形状を矩形状とし、その幅４ｍｍ以上の辺が溶接線に対して直角となるようにして母材表面を略垂直に打撃することが望ましい。チッパーの先端部の平端部の断面形状は、矩形状または矩形の角部にｒを付けた略矩形状とすることが望ましいが、円形、楕円形等の他の形状であってもよい。
【００３０】
なお、母材表面を加圧（打撃）する場合、図５に示す母材表面の変形状態に影響が生じなければ、前述のように厳密に加圧（打撃）方向が母材表面に垂直である必要はない。
【００３１】
前述の図２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、溶接ビード３を備えた構造の溶接止端部４の近傍の母材表面を加圧（打撃）した際の残留応力分布のＦＥＭ解析結果の一例を図７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。
【００３２】
なお、母材表面の一部を打撃、または加圧して塑性変形を付与した場合に、母材表面における前述のような応力分布（図４の曲線ａ）が得られる理由は、ｐｒａｎｄｔｌの理論（非特許文献  金属塑性加工学  加藤健三著  丸善  より図を抜粋）で説明される（図６）。
【００３３】
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，扇型の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。  
【００３４】
本発明によって、母材１の表面の一部に塑性変形を生じさせる場合、図８に示すように圧縮残留応力の最大値（図４の曲線ａで示される圧縮残留応力分布のｂ点での最大圧縮残留応力）が止端部４に導入されるように距離ｄを規定し、塑性変形領域をその一部が重なるように止端部４近傍側から漸次外側に移動させるように加圧してゆくと、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。
【００３５】
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実機のチッパー寸法（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２の解析を行い、母材表面における圧縮残留応力分布（図４の曲線ａ）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止端部４で圧縮残留応力が得られるように、距離ｄを規定すれば良い。
【実施例】
【００３６】
幅１５０ｍｍ×長さ５００ｍｍ×板厚１２ｍｍの母材１（ＳＭ４９０Ｙ）に，７５ｍｍ×５０ｍｍ×板厚１２ｍｍのリブ２（ＳＭ４９０Ｙ）を廻し溶接（ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ，１００％ＣＯ２，２４０Ａ，３０Ｖ，４０ＣＰＭ，１０．８ＫＪ／ｃｍ）にて溶接した試験体に、ハンマーピーニング（ＩＩＷ推薦条件：空気圧約６ｋｇ／ｃｍ２、ハンマー荷重１．７ｋｇ、周波数４３Ｈｚ、移動速度１．２ｍｍ／秒による）を行った後、疲労試験に供した。ハンマーピーニング条件は本発明を適用し、下記の条件（１），（２）で行った。
（１）先端が４ｍｍ角の平坦部を有するチッパーで、溶接止端部から３ｍｍ以内となる領域を除いて、母材表面を垂直に繰り返し打撃し、幅６ｍｍ程度、最大深さ０．１ｍｍ程度の窪み状の塑性変形が生じるように加工した（本発明その１）。
（２）ハンマーピーニングを行う前に、廻し溶接部をグラインダーにより曲率半径１ｍｍ以上の窪みが形成されるように仕上げた後、（１）の条件で打撃した（本発明その２）。
【００３７】
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。比較のため、ハンマーピーニングを行わない溶接まま試験体についても疲労実験を実施した。
【００３８】
図９に試験体の平面図と側面図を、図１０に疲労試験結果を示す。ハンマーピーニング条件（１）を施した継手試験体は、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  鋼構造物の疲労設計指針・同解説  日本鋼構造協会  参照）の３等級程度の疲労強度向上効果が認められた（本発明その１）。また、ハンマーピーニング条件（２）を施した継手試験体は、日本鋼構造協会に示される疲労設計曲線の４等級程度の疲労強度向上効果が認められた（本発明その２）。
【符号の説明】
【００３９】
１    母材
２    リブ
３    溶接ビード
４    溶接止端部
５    チッパー
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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