打撃端子およびハンマーピーニング処理方法並びにそれを用いた溶接継手
【課題】ハンマーピーニング処理を施して、溶接継手部の疲労強度向上を図るための方法を提供する。
【解決手段】打撃端子として、その先端部が該端子の進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを持ち、かつその進行方向に対する直角断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状になる端子を用いて打撃を付加し、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる領域である溶接止端部に対して打撃痕を形成する。
【解決手段】打撃端子として、その先端部が該端子の進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを持ち、かつその進行方向に対する直角断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状になる端子を用いて打撃を付加し、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる領域である溶接止端部に対して打撃痕を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼橋などの優れた疲労特性が要求される鋼構造物に好適な溶接継手を形成するための、打撃端子およびハンマーピーニング処理方法並びにそれを用いた溶接継手に関するものであって、溶接止端部の形状改善により応力集中を緩和させて、上記溶接継手部の疲労強度の向上を図るものである。
【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。これらの防止には、まず検査体制を確立することが必要であるが、特に、疲労損傷の場合は、通過車両などの作用外力を軽減するだけでは足りずに、設計製作面からの溶接品質の向上が重要である。
【０００３】
また、溶接部は、割れなどの欠陥が存在して溶接止端の形状が不適切な場合に、応力集中が生じやすい。その結果、繰り返し応力と溶接残留応力の影響とが重畳して疲労ノッチが発生し、疲労破壊をもたらす場合がある。そこで、疲労破壊の防止のために、種々の観点から提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、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、溶接止端の近傍を超音波振動しながら打撃して塑性変形させる加工装置を用いて、特定寸法の溝を所定の打撃条件で加工することで、高速に、作業者の熟練度に依存しなくとも安定して溶接構造物の疲労強度を向上させられる技術が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、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、表面の薄層もしくはプラズマを形成する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することが記載されている。
【０００６】
特許文献３には、溶接継手の疲労特性改善打撃処理方法およびその装置に関する技術が記載され、特に、先端が特定寸法の打撃ピンを用い、溶接止端近傍に対して打撃痕を形成することにより、特定寸法の溝部を形成するように鋼板表面を圧縮することで、溶接部に圧縮残留応力を導入する技術が記載されている。
【０００７】
通常、ハンマーピーニングは、ピーニング装置を作業者が溶接止端に対してチップ先端（打撃端子とも言う）を斜め上方から当てるように持ち、ピーニング装置の荷重を溶接止端に預けるようにして作業することで作業負荷を軽減している。
【０００８】
そのため、図１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対してハンマーピーニング処理を施した場合、ピーニング装置の打撃端子５の先端により溶接止端４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の先端部から疲労き裂７が発生する場合があった。
【０００９】
他方、非特許文献１には、ハンマーピーニングおよびＴＩＧ処理による高強度鋼（ＳＭ５７０）の溶接継手部の疲労強度向上に関し、ハンマーピーニングを施した場合に、上述したような疲労き裂が発生して溶接部の疲労強度が低下する問題に対し、溶接止端の応力集中や残留応力を低減させるための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。
【００１０】
すなわち、ハンマーピーニングを施す前に、グラインダで溶接止端の一部を予め研削することおよびハンマーピーニングを３パス程度の複数回行うことが疲労ノッチの発生防止に有効であると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【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２０１０−２９８９７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【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）
【非特許文献２】図解溶接用語辞典、日刊工業、昭和４６年９月２０日第４版53頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
溶接構造物を製造する際には、作業環境、作業能率および溶接継手性能を考慮した溶接方法が選定され、溶接部の疲労強度向上のため、上掲した特許文献１等に記載の溶接部の疲労強度向上方法が施される。また、疲労特性に優れた溶接継手の特徴が明確であれば、溶接方法の選定と同様に最適な疲労強度向上方法を選定することが可能となる。
【００１４】
しかしながら、特許文献１記載の超音波によるハンマーピーニング方法は、使用する装置が従来の空気圧で端子を駆動する装置と比較すると、高価でしかも入手が困難であるという問題がある。
また、特許文献２記載のレーザ衝撃ハンマーピーニング方法は、素材の前処理が必要で、かつ装置が高価で大きいため、鋼橋の製造に適用することは難しいという問題がある。
【００１５】
他方、特許文献３には、耐疲労特性に優れた溶接構造物が記載され、疲労き裂発生危険部の溶接部として好ましい溶接部が開示されているものの、実構造物に適用した場合、当該溶接部を得るための装置は入手困難であり、施工能率の点でも問題が残っている。また、特許文献３記載の打撃処理方法は、先端曲率半径が、金属材料の厚さの１／２以下でかつ２〜１０ｍｍの打撃ピンを用い、打撃ピンが打撃中に溶接金属に触れない範囲で、母材金属材料表面に打撃痕を与えるものであるが、打撃端子先端が半球状のため、打撃回数が数多く必要であり、溶接継手部に対して効率的に圧縮残留応力を導入するのは困難である。
【００１６】
さらに、非特許文献１に記載の技術であっても、予め研削することを要し、またハンマーピーニングを複数回行うことなど、施工能率の点で問題が残っている。
【００１７】
本発明は、上記した現状に鑑み開発されたもので、ハンマーピーニング処理を施して、溶接継手部の疲労強度向上を図るための打撃端子およびそれを用いる方法およびその方法を用いた疲労強度特性に優れる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】
【００１８】
発明者らは、溶接継手の疲労強度を向上させるために、特に疲労き裂が発生しやすい溶接止端部についてその特性を鋭意検討した。その結果、溶接止端部の応力集中を低減させると同時に溶接による引張残留応力を軽減させる手段、すなわちハンマーピーニング処理による打撃端子の形状を略蒲鉾形状にすることで、空気圧振動方式の簡単な装置であっても止端部形状の改善と溶接部への圧縮残留応力の導入とを同時に実現できることを見出した。
本発明は、上記した知見に基づきなされたものである。
【００１９】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．空気圧振動方式を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理を行うための打撃端子であって、
上記打撃端子の先端部が、該打撃端子の進行方向における長さ：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であって、かつその進行方向に直角な断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状であることを特徴とする打撃端子。
【００２０】
２．前記打撃端子の先端部における直角な断面が、楕円形の長径を軸とした楕円弧状であって、該楕円形の短径が１ｍｍ以上であることを特徴とする前記１に記載の打撃端子。
【００２１】
３．空気圧振動方式の打撃端子を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理方法において、
上記打撃端子として、その先端部が該端子の進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを持ち、かつその進行方向に対する直角断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状になる端子を用いて打撃を付加し、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる領域である溶接止端部に対して打撃痕を形成することを特徴とするハンマーピーニング処理方法。
【００２２】
４．前記打撃端子を用いて打撃を付加するに際し、その打撃角度を母材の表面に対して６０°±２０°の範囲とすることを特徴とする前記３に記載のハンマーピーニング処理方法。
【００２３】
５．前記打撃端子の進行方向に対する直角断面で、該打撃端子の先端部を、楕円形の長径を軸とした楕円弧状とし、該楕円形の短径を１ｍｍ以上としたことを特徴とする前記３または４に記載のハンマーピーニング処理方法。
【００２４】
６．前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする前記３〜５のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法。
【００２５】
７．前記３〜６のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法によって、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる溶接止端部に打撃を付加された溶接継手であって、
上記打撃により形成された打撃痕の曲率半径が２ｍｍ以上であることを特徴とする溶接継手。
【００２６】
８．前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする前記７に記載の溶接継手。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、フラックスチッパーのように、従来の空気圧により端子を駆動する装置であっても、溶接止端部に効果的な打撃処理を行うことができる。すなわち、容易に溶接部の疲労強度改善効果が得られ、産業上、極めて有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ハンマーピーニングにおいて、溶接止端に生じる欠陥を説明する図である。
【図２】本発明に係る溶接継手により止端形状が改善される原理を説明する概略図である。
【図３】本発明に係る溶接継手の打撃に用いる打撃端子のＸ、Ｙ、Ｚ方向を説明する図である。
【図４】本発明に係る溶接継手の打撃に用いる打撃端子を説明する図で（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面の形状を示す図である。
【図５】本発明に係る溶接継手の打撃に用いる他の打撃端子を説明する図で（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面の形状を示す図である。
【図６】(ａ)〜（ｂ）は、廻し溶接を施した角回し溶接継手を示す図である。
【図７】止端形状のプロファイルを示す図である。
【図８】破断に至るまでの応力載荷回数と、応力範囲との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を模式的に示している。そのために、各構成要素の寸法比率などが実際と異なる場合がある。
【００３０】
本発明は、溶接ビードの溶接止端部に、打撃端子（以下、単に端子ともいう）を押し付けながら、打撃端子を溶接線方向に移動操作する、いわゆるハンマーピーニング処理を施すことによって、溶接継手部の疲労強度を改善する方法を提供するものである。
なお、本発明の説明において、止端または溶接止端は、母材の面と溶接金属の表面との交線を意味する（非特許文献２参照）。
【００３１】
本発明で対象とする母材、リブおよび溶接金属は、従来公知の溶接継手に用いられているものであれば、そのいずれもが適用できる。また、一つの部材に他の部材を溶接して取り付けた溶接継手に対して、本発明は幅広く適用することが可能であるが、その使用箇所の構造や負荷状況などから、疲労き裂が発生し易い溶接部および溶接ビードを有する溶接継手を対象とすれば、本発明の効果が一段と発揮される。なお、上記した溶接部等は、例えば、橋梁においては橋桁と橋脚との溶接部、船舶においては船側の縦通肋骨部材と側板との溶接部などが挙げられる。
【００３２】
図２は、本発明に係るハンマーピーニング処理方法によって疲労特性が向上する原理を説明するための概略図であり、母材１に、リブ２を廻し溶接で溶接した際の溶接継手部を、溶接線方向に対して垂直な断面で示した図である。同図より、溶接ビード３の止端４に対して、所定の角度で端子を押し付けることによって、母材および溶接金属が加圧されて塑性変形（図中、点線で表示）を生じた打撃痕８となっていることが分かる。
【００３３】
図３は、Ｘ方向が打撃の進行方向と直角な方向（溶接線方向に直角な方向）、Ｙ方向が打撃の進行方向（溶接線方向に平行な方向）と定義した場合のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を説明する図であり、以下に説明するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向はこの定義に従っている。
【００３４】
図４および５に、本発明に従う打撃端子の先端の形状を示す。
本発明における打撃端子は、図４に示すように、打撃端子の先端部が、進行方向（Ｙ方向）に対して直角となる断面（ＸＺ断面）において、ａ１ｍｍの長さを有する頂部に、曲率半径（ｒ１）：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状の外周部（図４（ａ））を有するものであって、かつ進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さｂ１ｍｍを有する略蒲鉾形状（図４（ｂ））のものである。なお、上記の長さａ１は、５〜９．５ｍｍの範囲が好適である。これは、母材および止端側の広い範囲に打撃することができ、溶接部における止端形状の平滑化に有利だからである。
【００３５】
上記の曲率半径（ｒ１）は、１ｍｍ未満の場合、止端に応力集中が発生し易い変形が形成される。一方、１０ｍｍ超の場合、打撃の際の打撃端子と止端部との接触面積が大きくなり過ぎ、止端部に十分な圧縮残留応力を導入することができない。従って、曲率半径（ｒ１）は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする。
【００３６】
図５は、本発明の他の例に係る打撃端子の形状を示している。同図に示したように、打撃端子の先端部は、進行方向（Ｙ方向）に対して直角となる断面（ＸＺ断面）において、頂部に楕円形の長径（ｒ３）を軸として長さａ２ｍｍの楕円弧状の外周部を有し、楕円形の短径（ｒ２）を１ｍｍ以上（図５（ａ））とし、図４に示した端子と同じく、進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さｂ２ｍｍを有する略蒲鉾形状に形成されたものである（図５（ｂ））。なお、上記の長さａ２は、５〜９．５ｍｍの範囲が好適である。これは、母材および止端側の広い範囲に打撃することができ、溶接部における止端形状の平滑化に有利だからである。
【００３７】
上記の楕円弧状の外周部を有する打撃端子の場合、楕円形の短径（ｒ２）が１ｍｍ未満では、止端部に応力集中部が発生する変形が形成されるため、楕円形の短径（ｒ２）は１ｍｍ以上とする。なお、その上限に特段の制限はないが、２ｍｍ程度が好ましい。
また、楕円形の長径（ｒ３）は、８ｍｍを越えると溶接止端に打撃することが困難になるため、短径より大きく、６ｍｍ程度までが好ましい。
【００３８】
図４および５に示した打撃端子は、上述したように、いずれも進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さｂ１およびｂ２を有している。そのそれぞれが１ｍｍ未満の長さでは、止端に圧縮残留応力を効果的に付与することが出来ないだけでなく、打撃端子にかかる力が大きくなるため先端が潰れやすくなって、頻繁に先端の交換が必要となる。一方、１０ｍｍ超の長さでは、止端に応力集中部が発生する変形が形成されるだけでなく、止端部に効果的な打撃を付加するために大きな力が必要となるので、大規模な打撃装置になってしまう。従って、ｂ１およびｂ２はそれぞれ１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲とする。
また、ｂ１およびｂ２は、ａ１およびａ２と同じかより小さいことが好ましい。これは、打撃端子の接触面積が過度に大きくなると、単位面積あたりにかかる力が弱くなって安定した形状が得られにくいからである。
【００３９】
本発明では、母材の表面に対して６０°±２０°の角度で、溶接止端部に対し打撃を付加することが重要である。
というのは、８０°を超えた場合には、溶接金属に対して効果的な打撃を付加することが若干困難となり、一方、４０°に満たないと、母材に対して効果的な打撃を付加することができないおそれが招来するからである。
【００４０】
本発明において、打撃角度を調整する方法は、従来公知の方法によることができるが、例えば、打撃開始直前に６０度の頂角を持ち、上記Ｙ方向に一定の厚みのある板を母材上に置き、その上にフラックスチッパーを載置して角度を確認してから打撃すれば良い。また、角度を任意に変えられる台に載置したり、透明プラスチック製の分度器を脇に置いて共同作業者に目視で確認してもらったりしながら、打撃することもできる。
ただし、打撃中の目視による確認は、困難であり、危険も伴うことから、打撃開始時に、打撃端子の先端を打撃位置に接触させた状態で、角度の目視確認をすれば問題はない。
すなわち、角度の確認については一連の作業のうち、初回の打撃の際に範囲内に入っていることを確認できればよい。これは、作業者本人が確認することが困難であることと、全ての作業中に確認することは非効率であるという理由からである。
【００４１】
また、本発明では、１箇所の溶接部に対して１回の打撃でも、十分に溶接継手の疲労強度を向上させることができるが、止端部内で、打撃する角度を、上記した角度の範囲内で適宜変えることができる。例えば、母材側の打撃の際には、６０°より大きな角度で打撃し、ついで止端近傍に対しては６０°程度、さらに溶接金属側では、６０°より小さな角度で打撃をすることができる。なお、打撃の開始は、母材側からでも溶接金属側からでも行うことができる。また、本発明では、複数回、打撃施工処理をするうちの、少なくとも１回が溶接止端にかかっていればよく、その他の打撃は、母材または溶接金属側のいずれかへの打撃となってしまってもよい。ただし、その結果として、母材、溶接金属の双方に打撃痕が形成されていることが必要である。
【００４２】
本発明において、溶接止端部は、溶接止端を挟んで打撃痕が形成されている母材と溶接金属にわたる領域を意味する。また、その範囲は、溶接止端を基準にして打撃痕の終点（縁）までの長さを測定し、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域とすることが好ましい。というのは、それぞれが２ｍｍに満たない場合は、溶接継手部の疲労強度の改善が十分に達成されないおそれがあるからである。
なお、その上限に特段の制限はないが、溶接金属側では、８ｍｍ程度であり、一方、母材側では、１０ｍｍ程度である。
【００４３】
本発明では、上述したようなそれぞれのハンマーピーニング処理条件によって、溶接止端部に打撃を付加して、溶接継手部の疲労強度を改善した溶接継手を形成する。
その際に、上記打撃により形成された打撃痕の曲率半径を、２ｍｍ以上とすることが本発明では必須である。
というのは、打撃痕の曲率半径が２ｍｍに満たないと、打撃の付加による応力集中緩和の効果が十分に得られないからである。なお、その上限に特段の制限はないが、溶接部の脚長を越えない程度が好ましい。
【００４４】
また、本発明に従う溶接継手は、前述したように、その溶接止端部が、溶接止端を基準にして溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたっていることが好ましい。
【００４５】
本発明に用いる打撃端子は、前述した形状以外、従来公知の打撃端子を用いることができるが、例えば、工具鋼など、引張強さが１０００ＭＰａ以上のものを挙げることができる。
【００４６】
本発明に用いる打撃の装置は、従来公知の溶接部の打撃用装置を用いることができるが、フラックスチッパーのように、従来の空気圧で端子を駆動する装置を用いると、設備に要するコストが低減できるために望ましい。
【実施例１】
【００４７】
端子の先端部を、ＸＺ断面（端子の進行方向に直角な断面）において、頂部の曲率半径を４．５ｍｍとし、ＹＺ断面（端子の進行方向の断面）の長さを５ｍｍとした打撃端子と、ＸＺ断面（端子の進行方向に直角な断面）において、長径：６ｍｍ、短径：３ｍｍとして、長径を軸にした楕円弧状とし、ＹＺ断面（端子の進行方向の断面）の長さを９ｍｍとした打撃端子と、端子の先端部を曲率半径が１．５ｍｍの半球状である打撃端子とをそれぞれ準備した。また、図６（ａ）に示す平行部幅：１５０ｍｍ×長さ：５００ｍｍ×板厚：１２ｍｍの母材１（ＳＭ４９０Ｙ）に、７５ｍｍ×５０ｍｍのリブ２（ＳＭ４９０Ｙ）に廻し溶接３（ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ、１００％ＣＯ２、２４０Ａ−３０Ｖ−４０ＣＰＭ、１０．８ＫＪ／ｃｍ）を施した角回し溶接継手を準備した。
ついで、上記溶接継手の止端に、上記打撃端子によるハンマーピーニングを、空気圧：約６ｋｇ／ｃｍ２、周波数：９０Ｈｚの各条件を固定条件とし、母材に対する打撃の角度（以下、打撃角度という）を４５〜７０°（度）の範囲内で施した。なお、打撃角度は、打撃開始直前に、透明プラスチック製の分度器を脇に置いて、共同作業者に目視で確認してもらった。
表１に、試験No.と上記の端子形状、打撃角度をそれぞれ示す。
【００４８】
ハンマーピーニング処理した後の溶接継手の止端半径を、シリコンゴムキャスティングにより実測した。
また、破断回数（応力範囲：２００ＭＰａ）は、図６（ａ）に示した試験体を用いて、疲労試験機に母材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（応力比：０．１，周波数：５〜１０Ｈｚ）を与えることにより求めた。なお、本発明では、破断回数が応力範囲：２００ＭＰａにおいて１０６回を超えていることが良好であるとした。
さらに、上記打撃端子による打撃痕の領域（溶接止端部）の大きさを測定した。具体的には、デジタルノギスを用い、リブ端を基準として、打撃前に予めリブ端−溶接止端の距離を測定しておき、打撃後に再びリブ端を基準として、打撃痕の縁までの距離を、溶接金属側、母材側でそれぞれ測定した。その後、溶接止端から打撃痕の縁までの距離を溶接金属側、母材側で差分をとることによりそれぞれ求めた。
打撃痕の曲率半径（止端半径）、破断回数（応力範囲：２００ＭＰａ）および溶接止端部の範囲の測定結果を、表１にそれぞれ併記する。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１より、本発明の端子形状を用いて、母材の表面に対する角度を６０°±２０°とした場合は、いずれも打撃痕の曲率半径が２ｍｍ以上となった。また、破断試験においては、溶接部が破断する前に、試験体（母材）のチャッキング部が破断してしまったが、溶接部の破断までの回数はいずれも、応力範囲：２００ＭＰａにおいて、少なくとも１０６回を超えていることが分かる。一方、処理なしは、応力が引張応力となっており、曲率半径：１．５ｍｍの半球状の端子を用いた場合は、処理なしに比べれば打撃痕の曲率半径が大きくなっているものの、溶接部の破断回数に劣っていることが認められた。打撃端子の先端が半球形状のものでは、先端の強度が十分ではなく、打撃時に母材に圧縮の残留応力を十分導入することができない。また、打撃後に１．５ｍｍの半球状の端子の先端は潰れていた。
【００５１】
また、本発明と溶接ままの止端形状のプロファイルを図７に示す。同図より、本発明に従う溶接止端部は、溶接ままに比べると止端部の形状がなめらかになっていることが分かる。従って、本発明は、形状改善効果によって、上記した応力集中緩和の効果が発現していることが分かる。
【００５２】
続いて、図６（ｂ）に示す母材１の代わりに母材１´を使用し、平行部幅：１００〜１５０ｍｍ×長さ：７００ｍｍ×板厚：１６ｍｍの母材１´（ＳＭ４９０Ｙ）に、７５ｍｍ×５０ｍｍのリブ２（ＳＭ４９０Ｙ）に廻し溶接３（ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ、１００％ＣＯ２、２４０Ａ−３０Ｖ−４０ＣＰＭ、１０．８ＫＪ／ｃｍ）を施した角回し継手についても疲労試験を行った。
発明例については、打撃端子の先端半径：４．５ｍｍ，３ｍｍおよび１．５ｍｍの３種類、長さ：３ｍｍ，５ｍｍおよび９ｍｍの３種類を準備した。一方、比較例として、グラインダ処理を施したもの（比較例Ａシリーズ）と溶横後の処理を行わなかったもの（溶接まま、比較例Ｂシリーズ）の疲労試験を行った。
試験結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
本破断に至るまでの応力載荷回数と、応力範囲との関係を図８に示す。同図および表２より、応力範囲が２５０ＭＰａ以下で、本発明に従う場合、JSSC（日本鋼構造協会）の設計曲線のＣ等級を十分に満足していることが分かる。特に、打撃端子の先端が曲率半径：１．５ｍｍのものについても十分な疲労寿命が得られており、これは、先端が半球形状のものに比べて、十分な長さを有しているため、先端の強度が高く、止端部に十分な圧縮残留応力を導入できるからである。一方、比較例ＡシリーズではＤ等級程度、また比較例ＢシリーズではＥ等級程度となっていた。従って、本発明に従うことにより、溶接ままの継手よりも２等級以上向上し、さらに従来のグラインダ処理よりも１等級以上向上していることが分かる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１´ 母材
２ リブ
３ 溶接金属（ビード）
４ 止端
５ 打撃端子（チッパー）
６ 溝
７ 疲労き裂
８ 打撃痕
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼橋などの優れた疲労特性が要求される鋼構造物に好適な溶接継手を形成するための、打撃端子およびハンマーピーニング処理方法並びにそれを用いた溶接継手に関するものであって、溶接止端部の形状改善により応力集中を緩和させて、上記溶接継手部の疲労強度の向上を図るものである。
【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。これらの防止には、まず検査体制を確立することが必要であるが、特に、疲労損傷の場合は、通過車両などの作用外力を軽減するだけでは足りずに、設計製作面からの溶接品質の向上が重要である。
【０００３】
また、溶接部は、割れなどの欠陥が存在して溶接止端の形状が不適切な場合に、応力集中が生じやすい。その結果、繰り返し応力と溶接残留応力の影響とが重畳して疲労ノッチが発生し、疲労破壊をもたらす場合がある。そこで、疲労破壊の防止のために、種々の観点から提案がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、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、溶接止端の近傍を超音波振動しながら打撃して塑性変形させる加工装置を用いて、特定寸法の溝を所定の打撃条件で加工することで、高速に、作業者の熟練度に依存しなくとも安定して溶接構造物の疲労強度を向上させられる技術が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、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、表面の薄層もしくはプラズマを形成する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することが記載されている。
【０００６】
特許文献３には、溶接継手の疲労特性改善打撃処理方法およびその装置に関する技術が記載され、特に、先端が特定寸法の打撃ピンを用い、溶接止端近傍に対して打撃痕を形成することにより、特定寸法の溝部を形成するように鋼板表面を圧縮することで、溶接部に圧縮残留応力を導入する技術が記載されている。
【０００７】
通常、ハンマーピーニングは、ピーニング装置を作業者が溶接止端に対してチップ先端（打撃端子とも言う）を斜め上方から当てるように持ち、ピーニング装置の荷重を溶接止端に預けるようにして作業することで作業負荷を軽減している。
【０００８】
そのため、図１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対してハンマーピーニング処理を施した場合、ピーニング装置の打撃端子５の先端により溶接止端４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の先端部から疲労き裂７が発生する場合があった。
【０００９】
他方、非特許文献１には、ハンマーピーニングおよびＴＩＧ処理による高強度鋼（ＳＭ５７０）の溶接継手部の疲労強度向上に関し、ハンマーピーニングを施した場合に、上述したような疲労き裂が発生して溶接部の疲労強度が低下する問題に対し、溶接止端の応力集中や残留応力を低減させるための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。
【００１０】
すなわち、ハンマーピーニングを施す前に、グラインダで溶接止端の一部を予め研削することおよびハンマーピーニングを３パス程度の複数回行うことが疲労ノッチの発生防止に有効であると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【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２０１０−２９８９７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【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）
【非特許文献２】図解溶接用語辞典、日刊工業、昭和４６年９月２０日第４版53頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
溶接構造物を製造する際には、作業環境、作業能率および溶接継手性能を考慮した溶接方法が選定され、溶接部の疲労強度向上のため、上掲した特許文献１等に記載の溶接部の疲労強度向上方法が施される。また、疲労特性に優れた溶接継手の特徴が明確であれば、溶接方法の選定と同様に最適な疲労強度向上方法を選定することが可能となる。
【００１４】
しかしながら、特許文献１記載の超音波によるハンマーピーニング方法は、使用する装置が従来の空気圧で端子を駆動する装置と比較すると、高価でしかも入手が困難であるという問題がある。
また、特許文献２記載のレーザ衝撃ハンマーピーニング方法は、素材の前処理が必要で、かつ装置が高価で大きいため、鋼橋の製造に適用することは難しいという問題がある。
【００１５】
他方、特許文献３には、耐疲労特性に優れた溶接構造物が記載され、疲労き裂発生危険部の溶接部として好ましい溶接部が開示されているものの、実構造物に適用した場合、当該溶接部を得るための装置は入手困難であり、施工能率の点でも問題が残っている。また、特許文献３記載の打撃処理方法は、先端曲率半径が、金属材料の厚さの１／２以下でかつ２〜１０ｍｍの打撃ピンを用い、打撃ピンが打撃中に溶接金属に触れない範囲で、母材金属材料表面に打撃痕を与えるものであるが、打撃端子先端が半球状のため、打撃回数が数多く必要であり、溶接継手部に対して効率的に圧縮残留応力を導入するのは困難である。
【００１６】
さらに、非特許文献１に記載の技術であっても、予め研削することを要し、またハンマーピーニングを複数回行うことなど、施工能率の点で問題が残っている。
【００１７】
本発明は、上記した現状に鑑み開発されたもので、ハンマーピーニング処理を施して、溶接継手部の疲労強度向上を図るための打撃端子およびそれを用いる方法およびその方法を用いた疲労強度特性に優れる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】
【００１８】
発明者らは、溶接継手の疲労強度を向上させるために、特に疲労き裂が発生しやすい溶接止端部についてその特性を鋭意検討した。その結果、溶接止端部の応力集中を低減させると同時に溶接による引張残留応力を軽減させる手段、すなわちハンマーピーニング処理による打撃端子の形状を略蒲鉾形状にすることで、空気圧振動方式の簡単な装置であっても止端部形状の改善と溶接部への圧縮残留応力の導入とを同時に実現できることを見出した。
本発明は、上記した知見に基づきなされたものである。
【００１９】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
１．空気圧振動方式を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理を行うための打撃端子であって、
上記打撃端子の先端部が、該打撃端子の進行方向における長さ：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であって、かつその進行方向に直角な断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状であることを特徴とする打撃端子。
【００２０】
２．前記打撃端子の先端部における直角な断面が、楕円形の長径を軸とした楕円弧状であって、該楕円形の短径が１ｍｍ以上であることを特徴とする前記１に記載の打撃端子。
【００２１】
３．空気圧振動方式の打撃端子を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理方法において、
上記打撃端子として、その先端部が該端子の進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを持ち、かつその進行方向に対する直角断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状になる端子を用いて打撃を付加し、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる領域である溶接止端部に対して打撃痕を形成することを特徴とするハンマーピーニング処理方法。
【００２２】
４．前記打撃端子を用いて打撃を付加するに際し、その打撃角度を母材の表面に対して６０°±２０°の範囲とすることを特徴とする前記３に記載のハンマーピーニング処理方法。
【００２３】
５．前記打撃端子の進行方向に対する直角断面で、該打撃端子の先端部を、楕円形の長径を軸とした楕円弧状とし、該楕円形の短径を１ｍｍ以上としたことを特徴とする前記３または４に記載のハンマーピーニング処理方法。
【００２４】
６．前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする前記３〜５のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法。
【００２５】
７．前記３〜６のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法によって、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる溶接止端部に打撃を付加された溶接継手であって、
上記打撃により形成された打撃痕の曲率半径が２ｍｍ以上であることを特徴とする溶接継手。
【００２６】
８．前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする前記７に記載の溶接継手。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、フラックスチッパーのように、従来の空気圧により端子を駆動する装置であっても、溶接止端部に効果的な打撃処理を行うことができる。すなわち、容易に溶接部の疲労強度改善効果が得られ、産業上、極めて有用な技術である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】ハンマーピーニングにおいて、溶接止端に生じる欠陥を説明する図である。
【図２】本発明に係る溶接継手により止端形状が改善される原理を説明する概略図である。
【図３】本発明に係る溶接継手の打撃に用いる打撃端子のＸ、Ｙ、Ｚ方向を説明する図である。
【図４】本発明に係る溶接継手の打撃に用いる打撃端子を説明する図で（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面の形状を示す図である。
【図５】本発明に係る溶接継手の打撃に用いる他の打撃端子を説明する図で（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面の形状を示す図である。
【図６】(ａ)〜（ｂ）は、廻し溶接を施した角回し溶接継手を示す図である。
【図７】止端形状のプロファイルを示す図である。
【図８】破断に至るまでの応力載荷回数と、応力範囲との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を模式的に示している。そのために、各構成要素の寸法比率などが実際と異なる場合がある。
【００３０】
本発明は、溶接ビードの溶接止端部に、打撃端子（以下、単に端子ともいう）を押し付けながら、打撃端子を溶接線方向に移動操作する、いわゆるハンマーピーニング処理を施すことによって、溶接継手部の疲労強度を改善する方法を提供するものである。
なお、本発明の説明において、止端または溶接止端は、母材の面と溶接金属の表面との交線を意味する（非特許文献２参照）。
【００３１】
本発明で対象とする母材、リブおよび溶接金属は、従来公知の溶接継手に用いられているものであれば、そのいずれもが適用できる。また、一つの部材に他の部材を溶接して取り付けた溶接継手に対して、本発明は幅広く適用することが可能であるが、その使用箇所の構造や負荷状況などから、疲労き裂が発生し易い溶接部および溶接ビードを有する溶接継手を対象とすれば、本発明の効果が一段と発揮される。なお、上記した溶接部等は、例えば、橋梁においては橋桁と橋脚との溶接部、船舶においては船側の縦通肋骨部材と側板との溶接部などが挙げられる。
【００３２】
図２は、本発明に係るハンマーピーニング処理方法によって疲労特性が向上する原理を説明するための概略図であり、母材１に、リブ２を廻し溶接で溶接した際の溶接継手部を、溶接線方向に対して垂直な断面で示した図である。同図より、溶接ビード３の止端４に対して、所定の角度で端子を押し付けることによって、母材および溶接金属が加圧されて塑性変形（図中、点線で表示）を生じた打撃痕８となっていることが分かる。
【００３３】
図３は、Ｘ方向が打撃の進行方向と直角な方向（溶接線方向に直角な方向）、Ｙ方向が打撃の進行方向（溶接線方向に平行な方向）と定義した場合のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向を説明する図であり、以下に説明するＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向はこの定義に従っている。
【００３４】
図４および５に、本発明に従う打撃端子の先端の形状を示す。
本発明における打撃端子は、図４に示すように、打撃端子の先端部が、進行方向（Ｙ方向）に対して直角となる断面（ＸＺ断面）において、ａ１ｍｍの長さを有する頂部に、曲率半径（ｒ１）：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状の外周部（図４（ａ））を有するものであって、かつ進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さｂ１ｍｍを有する略蒲鉾形状（図４（ｂ））のものである。なお、上記の長さａ１は、５〜９．５ｍｍの範囲が好適である。これは、母材および止端側の広い範囲に打撃することができ、溶接部における止端形状の平滑化に有利だからである。
【００３５】
上記の曲率半径（ｒ１）は、１ｍｍ未満の場合、止端に応力集中が発生し易い変形が形成される。一方、１０ｍｍ超の場合、打撃の際の打撃端子と止端部との接触面積が大きくなり過ぎ、止端部に十分な圧縮残留応力を導入することができない。従って、曲率半径（ｒ１）は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする。
【００３６】
図５は、本発明の他の例に係る打撃端子の形状を示している。同図に示したように、打撃端子の先端部は、進行方向（Ｙ方向）に対して直角となる断面（ＸＺ断面）において、頂部に楕円形の長径（ｒ３）を軸として長さａ２ｍｍの楕円弧状の外周部を有し、楕円形の短径（ｒ２）を１ｍｍ以上（図５（ａ））とし、図４に示した端子と同じく、進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さｂ２ｍｍを有する略蒲鉾形状に形成されたものである（図５（ｂ））。なお、上記の長さａ２は、５〜９．５ｍｍの範囲が好適である。これは、母材および止端側の広い範囲に打撃することができ、溶接部における止端形状の平滑化に有利だからである。
【００３７】
上記の楕円弧状の外周部を有する打撃端子の場合、楕円形の短径（ｒ２）が１ｍｍ未満では、止端部に応力集中部が発生する変形が形成されるため、楕円形の短径（ｒ２）は１ｍｍ以上とする。なお、その上限に特段の制限はないが、２ｍｍ程度が好ましい。
また、楕円形の長径（ｒ３）は、８ｍｍを越えると溶接止端に打撃することが困難になるため、短径より大きく、６ｍｍ程度までが好ましい。
【００３８】
図４および５に示した打撃端子は、上述したように、いずれも進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さｂ１およびｂ２を有している。そのそれぞれが１ｍｍ未満の長さでは、止端に圧縮残留応力を効果的に付与することが出来ないだけでなく、打撃端子にかかる力が大きくなるため先端が潰れやすくなって、頻繁に先端の交換が必要となる。一方、１０ｍｍ超の長さでは、止端に応力集中部が発生する変形が形成されるだけでなく、止端部に効果的な打撃を付加するために大きな力が必要となるので、大規模な打撃装置になってしまう。従って、ｂ１およびｂ２はそれぞれ１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下の範囲とする。
また、ｂ１およびｂ２は、ａ１およびａ２と同じかより小さいことが好ましい。これは、打撃端子の接触面積が過度に大きくなると、単位面積あたりにかかる力が弱くなって安定した形状が得られにくいからである。
【００３９】
本発明では、母材の表面に対して６０°±２０°の角度で、溶接止端部に対し打撃を付加することが重要である。
というのは、８０°を超えた場合には、溶接金属に対して効果的な打撃を付加することが若干困難となり、一方、４０°に満たないと、母材に対して効果的な打撃を付加することができないおそれが招来するからである。
【００４０】
本発明において、打撃角度を調整する方法は、従来公知の方法によることができるが、例えば、打撃開始直前に６０度の頂角を持ち、上記Ｙ方向に一定の厚みのある板を母材上に置き、その上にフラックスチッパーを載置して角度を確認してから打撃すれば良い。また、角度を任意に変えられる台に載置したり、透明プラスチック製の分度器を脇に置いて共同作業者に目視で確認してもらったりしながら、打撃することもできる。
ただし、打撃中の目視による確認は、困難であり、危険も伴うことから、打撃開始時に、打撃端子の先端を打撃位置に接触させた状態で、角度の目視確認をすれば問題はない。
すなわち、角度の確認については一連の作業のうち、初回の打撃の際に範囲内に入っていることを確認できればよい。これは、作業者本人が確認することが困難であることと、全ての作業中に確認することは非効率であるという理由からである。
【００４１】
また、本発明では、１箇所の溶接部に対して１回の打撃でも、十分に溶接継手の疲労強度を向上させることができるが、止端部内で、打撃する角度を、上記した角度の範囲内で適宜変えることができる。例えば、母材側の打撃の際には、６０°より大きな角度で打撃し、ついで止端近傍に対しては６０°程度、さらに溶接金属側では、６０°より小さな角度で打撃をすることができる。なお、打撃の開始は、母材側からでも溶接金属側からでも行うことができる。また、本発明では、複数回、打撃施工処理をするうちの、少なくとも１回が溶接止端にかかっていればよく、その他の打撃は、母材または溶接金属側のいずれかへの打撃となってしまってもよい。ただし、その結果として、母材、溶接金属の双方に打撃痕が形成されていることが必要である。
【００４２】
本発明において、溶接止端部は、溶接止端を挟んで打撃痕が形成されている母材と溶接金属にわたる領域を意味する。また、その範囲は、溶接止端を基準にして打撃痕の終点（縁）までの長さを測定し、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域とすることが好ましい。というのは、それぞれが２ｍｍに満たない場合は、溶接継手部の疲労強度の改善が十分に達成されないおそれがあるからである。
なお、その上限に特段の制限はないが、溶接金属側では、８ｍｍ程度であり、一方、母材側では、１０ｍｍ程度である。
【００４３】
本発明では、上述したようなそれぞれのハンマーピーニング処理条件によって、溶接止端部に打撃を付加して、溶接継手部の疲労強度を改善した溶接継手を形成する。
その際に、上記打撃により形成された打撃痕の曲率半径を、２ｍｍ以上とすることが本発明では必須である。
というのは、打撃痕の曲率半径が２ｍｍに満たないと、打撃の付加による応力集中緩和の効果が十分に得られないからである。なお、その上限に特段の制限はないが、溶接部の脚長を越えない程度が好ましい。
【００４４】
また、本発明に従う溶接継手は、前述したように、その溶接止端部が、溶接止端を基準にして溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたっていることが好ましい。
【００４５】
本発明に用いる打撃端子は、前述した形状以外、従来公知の打撃端子を用いることができるが、例えば、工具鋼など、引張強さが１０００ＭＰａ以上のものを挙げることができる。
【００４６】
本発明に用いる打撃の装置は、従来公知の溶接部の打撃用装置を用いることができるが、フラックスチッパーのように、従来の空気圧で端子を駆動する装置を用いると、設備に要するコストが低減できるために望ましい。
【実施例１】
【００４７】
端子の先端部を、ＸＺ断面（端子の進行方向に直角な断面）において、頂部の曲率半径を４．５ｍｍとし、ＹＺ断面（端子の進行方向の断面）の長さを５ｍｍとした打撃端子と、ＸＺ断面（端子の進行方向に直角な断面）において、長径：６ｍｍ、短径：３ｍｍとして、長径を軸にした楕円弧状とし、ＹＺ断面（端子の進行方向の断面）の長さを９ｍｍとした打撃端子と、端子の先端部を曲率半径が１．５ｍｍの半球状である打撃端子とをそれぞれ準備した。また、図６（ａ）に示す平行部幅：１５０ｍｍ×長さ：５００ｍｍ×板厚：１２ｍｍの母材１（ＳＭ４９０Ｙ）に、７５ｍｍ×５０ｍｍのリブ２（ＳＭ４９０Ｙ）に廻し溶接３（ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ、１００％ＣＯ２、２４０Ａ−３０Ｖ−４０ＣＰＭ、１０．８ＫＪ／ｃｍ）を施した角回し溶接継手を準備した。
ついで、上記溶接継手の止端に、上記打撃端子によるハンマーピーニングを、空気圧：約６ｋｇ／ｃｍ２、周波数：９０Ｈｚの各条件を固定条件とし、母材に対する打撃の角度（以下、打撃角度という）を４５〜７０°（度）の範囲内で施した。なお、打撃角度は、打撃開始直前に、透明プラスチック製の分度器を脇に置いて、共同作業者に目視で確認してもらった。
表１に、試験No.と上記の端子形状、打撃角度をそれぞれ示す。
【００４８】
ハンマーピーニング処理した後の溶接継手の止端半径を、シリコンゴムキャスティングにより実測した。
また、破断回数（応力範囲：２００ＭＰａ）は、図６（ａ）に示した試験体を用いて、疲労試験機に母材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（応力比：０．１，周波数：５〜１０Ｈｚ）を与えることにより求めた。なお、本発明では、破断回数が応力範囲：２００ＭＰａにおいて１０６回を超えていることが良好であるとした。
さらに、上記打撃端子による打撃痕の領域（溶接止端部）の大きさを測定した。具体的には、デジタルノギスを用い、リブ端を基準として、打撃前に予めリブ端−溶接止端の距離を測定しておき、打撃後に再びリブ端を基準として、打撃痕の縁までの距離を、溶接金属側、母材側でそれぞれ測定した。その後、溶接止端から打撃痕の縁までの距離を溶接金属側、母材側で差分をとることによりそれぞれ求めた。
打撃痕の曲率半径（止端半径）、破断回数（応力範囲：２００ＭＰａ）および溶接止端部の範囲の測定結果を、表１にそれぞれ併記する。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１より、本発明の端子形状を用いて、母材の表面に対する角度を６０°±２０°とした場合は、いずれも打撃痕の曲率半径が２ｍｍ以上となった。また、破断試験においては、溶接部が破断する前に、試験体（母材）のチャッキング部が破断してしまったが、溶接部の破断までの回数はいずれも、応力範囲：２００ＭＰａにおいて、少なくとも１０６回を超えていることが分かる。一方、処理なしは、応力が引張応力となっており、曲率半径：１．５ｍｍの半球状の端子を用いた場合は、処理なしに比べれば打撃痕の曲率半径が大きくなっているものの、溶接部の破断回数に劣っていることが認められた。打撃端子の先端が半球形状のものでは、先端の強度が十分ではなく、打撃時に母材に圧縮の残留応力を十分導入することができない。また、打撃後に１．５ｍｍの半球状の端子の先端は潰れていた。
【００５１】
また、本発明と溶接ままの止端形状のプロファイルを図７に示す。同図より、本発明に従う溶接止端部は、溶接ままに比べると止端部の形状がなめらかになっていることが分かる。従って、本発明は、形状改善効果によって、上記した応力集中緩和の効果が発現していることが分かる。
【００５２】
続いて、図６（ｂ）に示す母材１の代わりに母材１´を使用し、平行部幅：１００〜１５０ｍｍ×長さ：７００ｍｍ×板厚：１６ｍｍの母材１´（ＳＭ４９０Ｙ）に、７５ｍｍ×５０ｍｍのリブ２（ＳＭ４９０Ｙ）に廻し溶接３（ワイヤーＭＸＺ２００−１．２Φ、１００％ＣＯ２、２４０Ａ−３０Ｖ−４０ＣＰＭ、１０．８ＫＪ／ｃｍ）を施した角回し継手についても疲労試験を行った。
発明例については、打撃端子の先端半径：４．５ｍｍ，３ｍｍおよび１．５ｍｍの３種類、長さ：３ｍｍ，５ｍｍおよび９ｍｍの３種類を準備した。一方、比較例として、グラインダ処理を施したもの（比較例Ａシリーズ）と溶横後の処理を行わなかったもの（溶接まま、比較例Ｂシリーズ）の疲労試験を行った。
試験結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
【００５４】
本破断に至るまでの応力載荷回数と、応力範囲との関係を図８に示す。同図および表２より、応力範囲が２５０ＭＰａ以下で、本発明に従う場合、JSSC（日本鋼構造協会）の設計曲線のＣ等級を十分に満足していることが分かる。特に、打撃端子の先端が曲率半径：１．５ｍｍのものについても十分な疲労寿命が得られており、これは、先端が半球形状のものに比べて、十分な長さを有しているため、先端の強度が高く、止端部に十分な圧縮残留応力を導入できるからである。一方、比較例ＡシリーズではＤ等級程度、また比較例ＢシリーズではＥ等級程度となっていた。従って、本発明に従うことにより、溶接ままの継手よりも２等級以上向上し、さらに従来のグラインダ処理よりも１等級以上向上していることが分かる。
【符号の説明】
【００５５】
１，１´ 母材
２ リブ
３ 溶接金属（ビード）
４ 止端
５ 打撃端子（チッパー）
６ 溝
７ 疲労き裂
８ 打撃痕
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気圧振動方式を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理を行うための打撃端子であって、
上記打撃端子の先端部が、該打撃端子の進行方向における長さ：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であって、かつその進行方向に直角な断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状であることを特徴とする打撃端子。
【請求項２】
前記打撃端子の先端部における直角な断面が、楕円形の長径を軸とした楕円弧状であって、該楕円形の短径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の打撃端子。
【請求項３】
空気圧振動方式の打撃端子を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理方法において、
上記打撃端子として、その先端部が該端子の進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを持ち、かつその進行方向に対する直角断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状になる端子を用いて打撃を付加し、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる領域である溶接止端部に対して打撃痕を形成することを特徴とするハンマーピーニング処理方法。
【請求項４】
前記打撃端子を用いて打撃を付加するに際し、その打撃角度を母材の表面に対して６０°±２０°の範囲とすることを特徴とする請求項３に記載のハンマーピーニング処理方法。
【請求項５】
前記打撃端子の進行方向に対する直角断面で、該打撃端子の先端部を、楕円形の長径を軸とした楕円弧状とし、該楕円形の短径を１ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項３または４に記載のハンマーピーニング処理方法。
【請求項６】
前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法。
【請求項７】
前記請求項３〜６のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法によって、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる溶接止端部に打撃を付加された溶接継手であって、
上記打撃により形成された打撃痕の曲率半径が２ｍｍ以上であることを特徴とする溶接継手。
【請求項８】
前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする請求項７に記載の溶接継手。
【請求項１】
空気圧振動方式を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理を行うための打撃端子であって、
上記打撃端子の先端部が、該打撃端子の進行方向における長さ：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であって、かつその進行方向に直角な断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状であることを特徴とする打撃端子。
【請求項２】
前記打撃端子の先端部における直角な断面が、楕円形の長径を軸とした楕円弧状であって、該楕円形の短径が１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の打撃端子。
【請求項３】
空気圧振動方式の打撃端子を用い、溶接止端部に打撃を付加することによって溶接継手部の疲労強度向上を図るハンマーピーニング処理方法において、
上記打撃端子として、その先端部が該端子の進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを持ち、かつその進行方向に対する直角断面での曲率半径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状になる端子を用いて打撃を付加し、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる領域である溶接止端部に対して打撃痕を形成することを特徴とするハンマーピーニング処理方法。
【請求項４】
前記打撃端子を用いて打撃を付加するに際し、その打撃角度を母材の表面に対して６０°±２０°の範囲とすることを特徴とする請求項３に記載のハンマーピーニング処理方法。
【請求項５】
前記打撃端子の進行方向に対する直角断面で、該打撃端子の先端部を、楕円形の長径を軸とした楕円弧状とし、該楕円形の短径を１ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項３または４に記載のハンマーピーニング処理方法。
【請求項６】
前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法。
【請求項７】
前記請求項３〜６のいずれかに記載のハンマーピーニング処理方法によって、溶接止端を挟んで母材と溶接金属にわたる溶接止端部に打撃を付加された溶接継手であって、
上記打撃により形成された打撃痕の曲率半径が２ｍｍ以上であることを特徴とする溶接継手。
【請求項８】
前記溶接止端部が、溶接止端を挟んで、溶接金属側に２ｍｍ以上でかつ母材側に２ｍｍ以上の領域にわたることを特徴とする請求項７に記載の溶接継手。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２８７３２（Ｐ２０１２−２２８７３２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９１９０４（Ｐ２０１２−９１９０４）
【出願日】平成２４年４月１３日（２０１２．４．１３）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月１３日（２０１２．４．１３）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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