(57)【要約】【課題】溶接継手の疲労寿命を向上する。【解決手段】溶接継手１の製造では、まず、第１部材２１と第２部材２２とを溶接して溶接部３が形成される。続いて、溶接部３の溶接止端部３１における所定の対象領域３２に対する表面溶融処理により、対象領域３２の表面が平滑化される。表面溶融処理は、例えばＴＩＧなめ付けである。そして、ボールを対象領域３２の表面に押し付けながら当該表面に沿って連続的に転がすバニシングを行うことにより、対象領域３２に対して圧縮残留応力が付与される。このように、対象領域３２の表面の平滑化により応力集中を低減し、かつ、平滑化された対象領域３２に圧縮残留応力を付与することにより、溶接継手１の疲労寿命を向上することができる。【選択図】図３
2015182130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接継手の製造方法であって、
ａ）第１部材と第２部材とを溶接して溶接部を形成する工程と、
ｂ）前記溶接部の溶接止端部における所定の対象領域に対する表面溶融処理または研削処理により、前記対象領域の表面を平滑化する工程と、
ｃ）前記溶接止端部の前記対象領域に対して圧縮残留応力を付与する工程と、
を備えることを特徴とする溶接継手の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接継手の製造方法であって、
前記ｃ）工程において、ボールまたはローラを前記対象領域の前記表面に押し付けながら前記表面に沿って連続的に転がすことにより、前記対象領域に対して圧縮残留応力が付与されることを特徴とする溶接継手の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の溶接継手の製造方法であって、
前記ｃ）工程において、多数の粒子を前記対象領域に衝突させることにより、前記対象領域に対して圧縮残留応力が付与されることを特徴とする溶接継手の製造方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の溶接継手の製造方法であって、
前記ｂ）工程において、前記表面溶融処理により、前記対象領域の前記表面が平滑化され、
前記表面溶融処理が、ＴＩＧなめ付けであることを特徴とする溶接継手の製造方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接継手の製造方法であって、
前記溶接継手が、ガセット溶接継手であることを特徴とする溶接継手の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の溶接継手の製造方法によって製造されたことを特徴とする溶接継手。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接継手の製造方法および溶接継手に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、道路橋や圧力容器等の大型の鋼構造物には溶接が多用されている。このような構造物において、溶接部の溶接止端部に繰り返し負荷が作用すると、引張残留応力に起因する疲労亀裂が発生する。そこで、ショットピーニングやハンマーピーニングにより、溶接止端部に機械的処理を施して、圧縮残留応力を導入することが行われる。また、超音波衝撃処理（ＵＩＴ処理）や、レーザピーニングによる疲労強度の向上も試みられている（レーザピーニングについて、例えば、特許文献１参照）。なお、非特許文献１では、溶接継手に対する止端部処理法として、ＴＩＧ処理を用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１５３９７７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】穴見  健吾、三木  千寿、「高強度鋼溶接継手部の疲労強度向上〜特に低温層変態溶接棒による付加溶接」、第５５回土木学会年次学術講演会講演概要集、公益社団法人土木学会、２０００年、No.I-A076
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記手法による溶接継手の疲労寿命の向上では不十分な場合があり、溶接継手の疲労寿命を向上する新規な手法が求められている。
【０００６】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、溶接継手の疲労寿命を向上することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、溶接継手の製造方法であって、ａ）第１部材と第２部材とを溶接して溶接部を形成する工程と、ｂ）前記溶接部の溶接止端部における所定の対象領域に対する表面溶融処理または研削処理により、前記対象領域の表面を平滑化する工程と、ｃ）前記溶接止端部の前記対象領域に対して圧縮残留応力を付与する工程とを備える。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶接継手の製造方法であって、前記ｃ）工程において、ボールまたはローラを前記対象領域の前記表面に押し付けながら前記表面に沿って連続的に転がすことにより、前記対象領域に対して圧縮残留応力が付与される。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の溶接継手の製造方法であって、前記ｃ）工程において、多数の粒子を前記対象領域に衝突させることにより、前記対象領域に対して圧縮残留応力が付与される。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の溶接継手の製造方法であって、前記ｂ）工程において、前記表面溶融処理により、前記対象領域の前記表面が平滑化され、前記表面溶融処理が、ＴＩＧなめ付けである。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接継手の製造方法であって、前記溶接継手が、ガセット溶接継手である。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれかに記載の溶接継手の製造方法によって製造されたものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、対象領域の表面の平滑化により応力集中を低減し、かつ、平滑化された対象領域に圧縮残留応力を付与することにより、溶接継手の疲労寿命を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】溶接継手を示す平面図である。
【図２】溶接継手を示す正面図である。
【図３】溶接継手の一部を拡大して示す図である。
【図４】溶接継手を製造する処理の流れを示す図である。
【図５】ＴＩＧなめ付け前の溶接止端部の対象領域近傍の表面形状を示す図である。
【図６】ＴＩＧなめ付け後の溶接止端部の対象領域近傍の表面形状を示す図である。
【図７】バニシング装置の一部を示す図である。
【図８】バニシングを説明するための図である。
【図９】対象領域の表面からの深さと当該深さにおける残留応力値との関係を示す図である。
【図１０】比較例の処理が行われた溶接継手の対象領域近傍における断面の写真である。
【図１１】溶接継手の対象領域近傍における断面の写真である。
【図１２】溶接継手に対する疲労試験により得られるＳ−Ｎ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の一の実施の形態に係る溶接継手１を示す平面図であり、図２は、溶接継手１を示す正面図である。図１および図２では、互いに直交する３方向をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向として矢印にて示している。なお、図１および図２に示す溶接継手１は、後述する疲労試験用の試験体であるため、ベースプレートである第１部材２１において、Ｙ方向における中央部のＸ方向の幅が細くなっているが、実際の溶接継手１では、各構成要素の形状が適宜変更されてよい。
【００１６】
溶接継手１は、第１部材２１と、第２部材２２と、溶接部３とを備える。第１部材２１は金属にて形成され、Ｘ方向およびＹ方向に平行な板状である。第２部材２２も金属にて形成され、Ｙ方向およびＺ方向に平行な板状である。本実施の形態では、第１部材２１および第２部材２２は、同じ種類の金属にて形成され、具体的には、当該金属は高張力鋼（例えば、ＨＴ７８０）である。溶接部３は、後述する溶接処理により形成される溶接ビードであり、溶接中に主として溶加材が溶融凝固したものである。図１および図２に示すように、溶接継手１は、ベースプレートである第１部材２１の（＋Ｚ）側の主面（以下、単に「主面」という。）から突出するように、ガセットプレートである第２部材２２を第１部材２１に対して隅肉溶接したものであり、いわゆる、ガセット溶接継手（面外ガセット溶接継手）である。
【００１７】
図３は、溶接継手１の一部を拡大して示す図であり、第２部材２２のＹ方向の端部近傍を示す。溶接部３は、その表面が第１部材２１の主面と交わる部位、および、その近傍である溶接止端部３１を有する。Ｚ方向に沿って見た場合に、溶接止端部３１は第２部材２２を囲む環状である。図３の溶接継手１では、溶接止端部３１におけるＹ方向の各端部、すなわち、回し溶接にて形成される部分が対象領域３２（図３中にて太い実線にて示す。）として定められている。溶接部３では、対象領域３２を含む領域に対して、後述する表面溶融処理による第１処理痕３３、および、後述するバニシングによる少なくとも１つ（図３では、３個）の第２処理痕３４が形成されている。図３では、第１処理痕３３および第２処理痕３４に向きが異なる平行斜線を付している。
【００１８】
図４は、溶接継手１を製造する処理の流れを示す図である。溶接継手１を製造する際には、まず、第１部材２１の主面上に第２部材２２を直立させた状態で、第１部材２１と第２部材２２とを隅肉溶接して溶接部３（図３参照）が形成される（ステップＳ１１）。本実施の形態におけるステップＳ１１の処理では、高張力鋼用マグ溶接ソリッドワイヤ（例えば、商品名：ＭＧＳ−８０（株式会社神戸製鋼所製））を溶加材として用いたアーク溶接が行われる。溶接部３は、主として当該溶加材が溶融した後、凝固したものである。続いて、溶接部３の溶接止端部３１における対象領域３２に対して表面溶融処理が施され、対象領域３２の表面が平滑化される（ステップＳ１２）。本実施の形態における表面溶融処理は、溶加材を使用しないＴＩＧ溶接により表面を溶融する処理、すなわち、ＴＩＧなめ付けである。ＴＩＧなめ付けにより、図３に示す第１処理痕３３が形成される。
【００１９】
図５および図６は、ＹＺ平面に平行な断面における溶接止端部３１の対象領域３２近傍の表面形状を示す図であり、図５は、ＴＩＧなめ付け前の表面形状を示し、図６は、ＴＩＧなめ付け後の表面形状を示す。図５および図６の横軸はＹ方向の位置を示し、縦軸はＺ方向の位置を示す。ここで、図５および図６のそれぞれの表面形状において、対象領域３２近傍を破線にて示す円弧Ａ１にて近似した場合の当該円弧Ａ１の曲率半径をρ、対象領域３２の底部および傾斜部を破線にて示す２つの直線Ａ２，Ａ３にてそれぞれ近似した場合の当該２つの直線Ａ２，Ａ３がなす角度（すなわち、２つの直線Ａ２，Ａ３により区分される４つの領域のうち円弧Ａ１がおよそ含まれる領域における当該２つの直線Ａ２，Ａ３がなす角度）である開き角度をθとして、対象領域３２における応力集中係数Ｋｔが数１にて求められる。
【００２０】
【数１】
2015182130.tif 000003
【００２１】
図５に示すＴＩＧなめ付け前の対象領域３２では、曲率半径ρは０．６ｍｍ（ミリメートル）であり、開き角度θは１３５度であり、応力集中係数は３．８である。図６に示すＴＩＧなめ付け後の対象領域３２では、曲率半径ρは１２ｍｍであり、開き角度θは１７４度であり、応力集中係数は１．２である。このように、ＴＩＧなめ付けにより、溶接止端部３１の対象領域３２では、応力集中係数が低い表面形状が得られる。換言すると、ＴＩＧなめ付けは、対象領域３２における応力集中を低減する処理である。ステップＳ１２の処理では、応力集中係数が１．５以下となるように、対象領域３２の表面が平滑化されることが好ましい。
【００２２】
続いて、対象領域３２に対して圧縮残留応力が付与される（ステップＳ１３）。具体的には、図７に簡略化して示すバニシング装置８１を用いたバニシングが対象領域３２に対して行われる。バニシング装置８１では、本体８２の先端に設けられた凹部８２１に、例えば直径６ｍｍのボール８３が収容され、凹部８２１内には高圧の液体（例えば、４０ＭＰａ（メガパスカル）に加圧された液体）が保持される。本実施の形態では、本体８２が対象領域３２に対しておよそ９０度の角度にて直立するように、対象領域３２に対する本体８２の姿勢が設定される。なお、ボール８３の直径や材料等については、溶接部３の材料等に合わせて適宜決定されてよい。
【００２３】
図８は、バニシングを説明するための図であり、溶接継手１においてバニシングが行われる領域の平面図である。例えば、図８に示すように、Ｘ方向およびＹ方向に平行な辺を有する矩形の領域にバニシングを施す場合には、ボール８３を対象領域３２の表面に押し付けながら、本体８２がＸ方向に所定の距離だけ、例えば毎分５００ｍｍの速度にて連続的に移動する（図８中にて符号Ｂ１を付す矢印参照）。本体８２が当該距離だけ移動すると、Ｘ方向に垂直なＹ方向に所定の距離、例えば０．２ｍｍだけ本体８２が移動し（図８中にて符号Ｂ２を付す矢印参照）、続いて、Ｘ方向において直前の連続移動とは反対側に本体８２が連続的に移動する（図８中にて符号Ｂ３を付す矢印参照）。上記のようにして、本体８２のＸ方向への連続移動およびＹ方向への間欠移動を繰り返すことにより、対象領域３２の少なくとも一部を含む領域に対してバニシングが施され、圧縮残留応力が付与される。本実施の形態では、上記バニシングを複数の領域に対して繰り返すことにより、図３に示す複数の第２処理痕３４が形成され、対象領域３２の全体に対して圧縮残留応力が付与される。以上の処理により、溶接継手１の製造が完了する。
【００２４】
次に、ステップＳ１３における他の処理例について述べる。本処理例では、ショットピーニング装置が用いられる。ショットピーニング装置は、例えばエアーを用いた直圧式の装置であり、比較的小さい多数の粒子（例えば、鋼球）を対象領域３２に投射して衝突させる。これにより、対象領域３２の全体を含む領域に対して圧縮残留応力が付与される。本実施の形態における粒子の平均粒径は、例えば０．３ｍｍである。なお、ショットピーニング装置における投射速度、あるいは、粒子の粒径や材料等は溶接部３の材料等に合わせて適宜決定されてよい。
【００２５】
ここで、上述の処理により対象領域３２に付与される圧縮残留応力について述べる。図９は、対象領域３２の表面からの深さと、当該深さの位置における残留応力値との関係を示す図である。図９では、対象領域３２に対して、ステップＳ１２におけるＴＩＧなめ付けを行うことなく、ショットピーニングのみを行った比較例の処理の結果も示している。比較例の処理では、図９中に符号Ｃ１を付す線にて示すように、深さが０である表面における圧縮残留応力の大きさ（絶対値）が約２００ＭＰａとなり、深さ２５μｍ近傍において、圧縮残留応力の大きさが約３５０ＭＰａにて最大となる。圧縮残留応力は、深さ約２００μｍにてほぼ０となる。すなわち、圧縮残留応力が生じる圧縮深さは約２００μｍである。ステップＳ１２にてＴＩＧなめ付けを行い、かつ、ステップＳ１３にてショットピーニングを行う場合には、図９中に符号Ｃ２を付す線にて示すように、深さと残留応力値との関係は、比較例の処理とほぼ同じとなる。ショットピーニングにおける各種条件によって、深さと圧縮応力値との関係は変化するが、ショットピーニングでは、圧縮残留応力の大きさの最大値が３００ＭＰａ以上となり、圧縮深さ（圧縮残留応力層の厚さ）が２００μｍ以上となるように、処理条件が設定されることが好ましい。
【００２６】
一方、ステップＳ１２にてＴＩＧなめ付けを行い、かつ、ステップＳ１３にてバニシングを行う場合には、図９中に符号Ｃ３を付す線にて示すように、深さが０である表面における圧縮残留応力の大きさが約８５０ＭＰａとなり、圧縮残留応力は、深さ約１５００μｍにて０となる。このように、バニシングを行うことにより、表面における圧縮残留応力が大きくなるとともに、圧縮深さを大きくすることが可能となる。バニシングにおける各種条件によって、深さと圧縮応力値との関係は変化するが、バニシングでは、圧縮残留応力の大きさの最大値が７００ＭＰａ以上となり、圧縮深さが１３００μｍ以上となるように、処理条件が設定されることが好ましい。
【００２７】
次に、図４の処理により得られる対象領域３２の表面状態について述べる。ここで、ステップＳ１２におけるＴＩＧなめ付けを行うことなく、ニードルの先端（直径３ｍｍの半球形）を対象領域の全体に亘って衝突させるピーニングにより対象領域に対して圧縮残留応力を付与する比較例の処理を行った。比較例の処理が行われた溶接継手の対象領域近傍における断面（溶接止端部に垂直な断面）を光学顕微鏡にて観察すると、図１０の右側に示すように、表面において微小な亀裂が存在する。なお、比較例の処理におけるピーニングでは、対象領域の表面が多数の溝が配列された形状となる。これに対し、ステップＳ１２にてＴＩＧなめ付けを行い、かつ、ステップＳ１３にてバニシングまたはショットピーニングを行う場合には、溶接継手１の対象領域３２近傍における断面を光学顕微鏡にて観察しても、このような亀裂は存在しない。図１１では、ＴＩＧなめ付け、および、バニシングの双方を行った対象領域３２近傍における溶接継手１の断面の光学顕微鏡による写真を示している。
【００２８】
図１２は、試験体として形成された溶接継手１に対する疲労試験により得られるＳ−Ｎ線図である。図１２の縦軸は疲労試験における応力範囲（公称応力範囲）を示し、横軸は破断に至る繰り返し数を示す。疲労試験では、第１部材２１のＹ方向の両端を保持してＹ方向に応力が付与される。疲労試験における繰り返し周波数は１０Ｈｚである。
【００２９】
また、表１は、応力範囲が３５０ＭＰａおよび３００ＭＰａのそれぞれである場合における試験体の破断時の繰り返し数を示す。図１２および表１において、「未処理」はステップＳ１２，Ｓ１３の処理を省いた試験体を示し、「ショット」はＴＩＧなめ付けを行うことなく、ショットピーニングのみを行った試験体を示し、「ＴＩＧ＋ショット」はＴＩＧなめ付け、および、ショットピーニングの双方を行った試験体を示し、「ＴＩＧ＋バニシング」はＴＩＧなめ付け、および、バニシングの双方を行った試験体を示す。なお、表１において「ＴＩＧ」はＴＩＧなめ付けのみを行い、ステップＳ１３の処理を省いた試験体を示し、「ＴＩＧ」に対する繰り返し数は、穴見  健吾、三木  千寿による「高強度鋼溶接継手部の疲労強度向上〜特に低温層変態溶接棒による付加溶接」（第５５回土木学会年次学術講演会講演概要集、公益社団法人土木学会、２０００年、No.I-A076）（非特許文献１）の図６に基づいて、強度等級Ｄとして算出したものである。また、応力範囲が３００ＭＰａである場合における「ＴＩＧ＋バニシング」では、繰り返し回数が５１７５７７２回でも破断に至らなかった。
【００３０】
【表１】
2015182130.tif 000004
【００３１】
表１から明らかなように、ＴＩＧなめ付け、および、ショットピーニングの双方を行った試験体、並びに、ＴＩＧなめ付け、および、バニシングの双方を行った試験体では、ショットピーニングのみを行った試験体、および、ＴＩＧなめ付けのみを行った試験体に比べて破断に至る繰り返し数、すなわち、疲労寿命が向上する。特に、ＴＩＧなめ付け、および、バニシングの双方を行った試験体では、応力範囲が３００ＭＰａである場合に、未処理の試験体に比べて疲労寿命が１００倍以上となる。図１２に示すように、ＴＩＧなめ付け、および、ショットピーニングの双方を行った試験体、並びに、ＴＩＧなめ付け、および、バニシングの双方を行った試験体では、疲労限度が一般社団法人日本鋼構造協会（ＪＳＳＣ）が規定する疲労強度等級（疲労設計曲線）におけるＡ等級を超えており、設計上、母材と同等の疲労強度を有するものとして扱うことが可能となる。
【００３２】
以上に説明したように、溶接継手１の製造方法では、溶接部３の溶接止端部３１における所定の対象領域３２に対する表面溶融処理により、対象領域３２の表面が平滑化され、続いて、溶接止端部３１の対象領域３２に対して圧縮残留応力が付与される。このように、対象領域３２の表面の平滑化により対象領域３２における応力集中を低減し、かつ、平滑化された対象領域３２に圧縮残留応力を付与することにより、溶接継手１の疲労寿命を向上することができる。
【００３３】
また、ステップＳ１２における表面溶融処理が、ＴＩＧなめ付けであることにより、表面溶融処理を容易に行うことが可能となる。さらに、ステップＳ１３の処理では、ボール８３を対象領域３２の表面に押し付けながら当該表面に沿って連続的に転がすバニシング、または、多数の粒子を対象領域３２に衝突させるショットピーニングが行われる。これにより、対象領域３２の表面形状を大きく変化させることなく（応力集中を生じさせる形状とすることなく）、かつ、ハンマーピーニングや超音波衝撃処理等のような微小な亀裂（割れ）を伴う打撃処理を行うことなく、対象領域３２に圧縮残留応力を付与することができ、溶接継手１の疲労寿命を大幅に向上することができる。ステップＳ１３の処理において、バニシングを採用する場合、溶接継手１の疲労寿命を飛躍的に向上することができ、ショットピーニングを採用する場合、圧縮残留応力の付与を容易に行うことが可能となる。なお、バニシングではバニシング装置８１の調整により、また、ショットピーニングでは、ショットピーニング装置の調整により、作業者の技量に依存することなく、圧縮残留応力の付与量を容易に調整することが可能である。
【００３４】
上記溶接継手１の製造では様々な変形が可能である。
【００３５】
対象領域３２の表面の平滑化は、ＴＩＧなめ付け以外に、例えばレーザ光の照射による表面溶融処理（いわゆる、レーザなめ付け）であってもよい。レーザ光の照射による表面溶融処理では、ＴＩＧなめ付けに比べて、作業者間の技量の相違の影響を低減することが可能となる。また、対象領域３２の表面の平滑化が研削処理（グラインディング）により実現されてもよい。この場合も、対象領域３２における応力集中を低減する、すなわち、対象領域３２を応力集中係数が低減された形状とすることが可能となる。
【００３６】
バニシングにて用いられるバニシング装置８１の設計によっては、バニシングにおいて、ローラを対象領域３２の表面に押し付けながら当該表面に沿って連続的に転がすことにより、対象領域３２に対して圧縮残留応力が付与されてもよい。また、ステップＳ１３の処理において、バニシングおよびショットピーニングの双方が行われてもよい。
【００３７】
圧縮残留応力を付与するステップＳ１３では、対象領域３２の表面形状を大きく変化させることなく、かつ、微小な亀裂（割れ）を伴う打撃処理を行うことなく、対象領域３２に圧縮残留応力を付与することができるのであるならば、バニシングおよびショットピーニング以外の処理が行われてもよい。
【００３８】
溶接継手１における第１部材２１および第２部材２２は、高張力鋼以外の金属であってよく、例えば、ＳＭ４９０等の溶接構造用圧延鋼材であってもよい。また、第１部材２１と第２部材２２とが異なる種類の金属であってよい。さらに、溶接部３の形成では、高張力鋼用マグ溶接ソリッドワイヤ以外の溶加材が用いられてよい。
【００３９】
溶接継手１の上記製造手法は、ガセット溶接継手以外の溶接継手（例えば、十字継手）の製造に用いられてよい。また、溶接止端部３１における対象領域３２は、回し溶接にて形成される部分以外であってよい。
【００４０】
上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００４１】
１    溶接継手
３    溶接部
２１    第１部材
２２    第２部材
３１    溶接止端部
３２    対象領域
８３    ボール
Ｓ１１〜Ｓ１３    ステップ
【図１】
2015182130.tif 000005
【図２】
2015182130.tif 000006
【図３】
2015182130.tif 000007
【図４】
2015182130.tif 000008
【図５】
2015182130.tif 000009
【図６】
2015182130.tif 000010
【図７】
2015182130.tif 000011
【図８】
2015182130.tif 000012
【図９】
2015182130.tif 000013
【図１２】
2015182130.tif 000014
【図１０】
2015182130.tif 000015
【図１１】
2015182130.tif 000016