WO2012164774A1

WO2012164774A1 - 溶接継手

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Publication number: WO2012164774A1
Application number: PCT/JP2011/078223
Authority: WO
Inventors: 森影　康; 聡伊木; 栗原　康行; 浩文大坪; 土居　真
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2013-11-30

Abstract

鋼橋など優れた疲労特性が要求される鋼構造物に好適な、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効力を導入し疲労強度を向上させた溶接継手を提供する。具体的には、鋼材の溶接継手であって、ハンマーピーニング又は超音波衝撃処理の振動端子によって溶接ビードに沿って鋼材表面に連続形成された打撃痕を有し、振動端子は、その先端部に、進行方向直角断面の頂部が曲率半径１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状で、又は、進行方向直角断面の頂部が０．１ｍｍ以下の直線部の両端に曲率半径０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の面取り部を有し、又は、進行方向直角断面の頂部が短径が１ｍｍ以上の楕円形の長径側の円弧状で、進行方向に長さ１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有し、打撃痕は、振動端子によって、溶接止端より母材側に４ｍｍまで、好ましくは０．５～４ｍｍの領域に、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満に形成する。

Description

溶接継手

　本発明は、鋼橋（ｓｔｅｅｌ　ｂｒｉｄｇｅ）など優れた疲労特性（ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ）が要求される鋼構造物（Ｓｔｅｅｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）に好適な溶接継手（ｗｅｌｄ　ｊｏｉｎｔ）で、溶接部に新たな応力集中部（ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｚｏｎｅ）となる変形を与えずに圧縮残留応力（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ）を導入し疲労強度（ｆａｔｉｇｕｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ）を向上させたものに関する。

　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（ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ）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したり、設計製作面からの溶接品質（ｗｅｌｄ　ｑｕａｌｉｔｙ）の向上が重要である。

　溶接部は、割れ（ｃｒａｃｋ）などの欠陥が存在したり、止端（ｔｏｅ）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（ｗｅｌｄ　ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｓｔｒｅｓｓ）の影響が重畳して疲労ノッチ（ｆａｔｉｇｕｅ　ｎｏｔｃｈ）が発生しやすく、疲労破壊（ｆａｔｉｇｕｅ　ｆｒａｃｔｕｒｅ）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。

　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、溶接止端の近傍を超音波振動（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）しながら打撃して塑性変形（ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）させる加工装置で、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（ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｓｋｉｌｌ）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。

　特許文献２は、レーザ衝撃ピーニング方法（ｌａｓｅｒ　ｓｈｏｃｋ　ｐｅｅｎｉｎｇ）に関し、レーザ光源（ｌａｓｅｒ　ｓｏｕｒｃｅ）からのパルスレーザビーム（ｐｕｌｓｅｄ　ｌａｓｅｒ　ｂｅａｍ）を使用して、表面の薄層もしくはプラズマ（ｐｌａｓｍａ）を形成する表面のコーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）を瞬間的に気化させてその爆発力（ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ　ｐｏｗｅｒ）により表面の一部に局所的に圧縮力（ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ）を発生させる方法で、ガスタービンエンジン（ｇａｓ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｅｎｇｉｎｅ）のファン動翼（ｆａｎ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｂｌａｄｅ）に圧縮残留応力を導入させることが記載されている。

　特許文献３は、溶接継手の疲労特性改善の打撃処理方法及びその装置に関し、先端が特定寸法の打撃ピン（ｉｍｐａｃｔ　ｐｉｎ）を用いて、溶接止端に打撃痕（ｉｍｐａｃｔ　ａｒｅａ）による特定寸法の溝部が形成されるように鋼板表面を圧縮して溶接部に圧縮残留応力を導入することが記載されている。

　非特許文献１は、ハンマーピーニング（ｈａｍｍｅｒ　ｐｅｅｎｉｎｇ）及びＴＩＧ処理（ｔｕｎｇｓｔｅｎ　ｉｎｅｒｔ　ｇａｓ　ｄｒｅｓｓｉｎｇ）による高強度鋼（Ｈｉｇｈ　Ｔｅｎｓｉｌｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　Ｓｔｅｅｌ）（ＳＭ５７０）の溶接継手部の疲労強度の向上法に関し、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。

　通常、ハンマーピーニングは、作業者が手持ちのピーニング装置を溶接止端にチップ先端（ｔｉｐ）（チップは振動端子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）とも称す）、チッパー（ｔｉｐｐｅｒ）とも言う）が斜め上方から当たるように持って、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を行い作業負荷を軽減している。

　そのため、図１３に示す母材１にリブ（ｒｉｂ）２を直立させた面外ガセット継手（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ　ｇｕｓｓｅｔ　ｗｅｌｄｅｄ　ｊｏｉｎｔ）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に応力集中箇所となる深い溝（打撃痕）が形成され、溶接ビード３の先端部から疲労き裂（ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋ）７が発生する場合がある。

　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（ｇｒｉｎｄｅｒ）で溶接止端の一部を予め研削すると疲労ノッチ（ｆａｔｉｇｕｅ　ｃｒａｃｋ）（疲労き裂とも称す）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。

特開２００６−１７５５１２号公報特開２００６−１５９２９０公報特開２０１０−２９８９７号公報

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）

　ところで、溶接構造物を製造する際、作業環境（ｗｏｒｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ）、作業能率（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）および溶接継手性能（ｗｅｌｄ　ｊｏｉｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を考慮した溶接方法が選定され、溶接部の疲労強度の向上のため、特許文献１等に記載の溶接部の疲労強度の向上方法が施されるが、疲労特性（ｆａｔｉｇｕｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ）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の向上方法を選定することが可能となる。

　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、疲労き裂の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が、実構造物に適用した場合に当該溶接部を得るための装置の入手困難性や施工能率が懸念される。また、特許文献３記載の打撃処理方法は、ピン先端の曲率半径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、打撃ピンが打撃中に溶接金属に触れない範囲までの母材の金属材料の表面に打撃痕を与えるものであるが、効率的に圧縮残留応力を導入するのは困難である。

　また、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（ａｉｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ）でチップ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、鋼橋の製造に適用することは難しい。

　そこで、本発明は、上記課題を解決するため、疲労特性に優れた溶接継手を提供することを目的とする。

　本発明者らは溶接継手の疲労強度を向上させるため、特に疲労き裂が発生しやすい止端部の溶接による引張残留応力を軽減させる方法について鋭意検討し、ハンマーピーニングによる打撃痕を溶接止端より母材側に離した場合に、打撃による最大の圧縮残留応力を溶接止端に導入することが可能なことを見出した。本発明は上記知見をもとに更に検討を加えてなされたもので、すなわち、本発明は
１．ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理された、鋼材の溶接継手であって、振動端子によって溶接ビードに沿って鋼材表面に連続形成された打撃痕を有し、前記振動端子（ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、その先端部が、進行方向の直角断面の頂部（ｃｒｏｗｎｉｎｇ）が曲率半径（ｃｕｒｖａｔｕｒｅ　ｒａｄｉｕｓ）：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状で、進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有し、前記打撃痕は、前記振動端子によって、打撃痕の端が、溶接止端より溶接止端側の打撃痕の端が母材側に４ｍｍまでの領域において形成され、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満に形成されたことを特徴とする溶接継手。
２．前記振動端子は、その先端部が、進行方向の直角断面の頂部が３ｍｍ以下の直線部の両端に曲率半径０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の面取り部（ｃｈａｍｆｅｒ）を有し、進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有することを特徴とする１記載の溶接継手。
３．前記振動端子は、その先端部が、進行方向の直角断面の頂部が短径（ｍｉｎｏｒ　ａｘｉｓ）が１ｍｍ以上の楕円形の長径（ｍａｊｏｒ　ａｘｉｓ）側の円弧状で、進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有することを特徴とする１記載の溶接継手。
４．前記打撃痕（ｉｍｐａｃｔ　ａｒｅａ）は、前記振動端子によって、打撃痕の端が、溶接止端より母材側に０．５ｍｍ離れた位置から４ｍｍまでの領域に形成することを特徴とする１乃至３のいずれか一つに記載の溶接継手。

　本発明によれば、溶接部の疲労強度に優れた溶接継手が得られ、産業上、極めて有用である。

本発明に係る溶接継手により疲労特性が向上する原理を説明する概略図。本発明に係る溶接継手の打撃に用いる振動端子のＸ、Ｙ、Ｚ方向を説明する図本発明に係る溶接継手の打撃に用いる振動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。本発明に係る溶接継手の打撃に用いる他の振動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。本発明に係る溶接継手の打撃に用いる他の振動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。種々の先端部の形状を有する振動端子の効果を示す図で、（ａ）は先端部の形状、（ｂ）はＦＥＭ解析結果によるＸ方向の残留応力と変形部中央からの距離の関係を示す図。溶接止端と打撃痕の位置関係を示す平面図。実施例の試験体の平面図。実施例（（ａ）は先端部の形状、（ｂ）は振動端子の形状と残留応力測定結果を示す図）。実施例に用いた２体の溶接継手の寸法形状及び打撃痕の測定位置を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図。２体の溶接継手について、図１０（ａ）に示す回し溶接部近傍の断面形状が得られる位置（長さ７５ｍｍのリブ（ｒｉｂ）の長さ方向の端部の位置）で、溶接金属から母材にかけてレーザ変位計（ｌａｓｅｒ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ）を用いて０．５ｍｍピッチで測定した断面の履歴を示す図で、（ａ）、（ｂ）は各溶接継手での測定結果を示す。図１１（ａ）、（ｂ）に溶接部の断面形状を示した２体の溶接継手の疲労試験結果を示す図。ハンマーピーニングにより止端に生じる欠陥を説明する図。

　本発明は鋼材の溶接継手であって、溶接金属や溶接止端を除いた、溶接止端周辺の鋼材表面に、溶接ビードに沿って打撃痕を連続形成することによって、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。以下の説明において止端（溶接止端ということもある。）は部材の面と溶接金属の表面との交線とする（図解溶接用語辞典日刊工業昭和４６年９月２０日第４版）。

　図１は本発明に係る溶接継手により疲労特性が向上する原理を説明するための概略図で、母材１にリブ２を廻し溶接で溶接した溶接継手の側面図を示す。溶接ビード３の止端４から距離ｄ離れた母材１の表面が、母材表面と垂直方向に幅Ｂのチップ（図示しない）で母材表面が加圧されて塑性変形（点線で表示）を生じた打撃痕となっている。

　母材１の表面において打撃痕の位置（止端４から打撃痕の端までの距離ｄで規定）は、幅Ｂのチップにより打撃痕を形成する際、母材１に生じる圧縮残留応力が止端４の溶接による引張残留応力を打消して、その結果、止端４が圧縮残留応力を有するように、規定する。打撃痕の端が止端に接して形成される場合（距離ｄ＝０）でも圧縮残留応力を止端に導入することが可能なため本発明範囲内とする。なお、打撃痕は、打撃痕の表面のＺ座標が、母材の表面を０とした場合、マイナスの範囲を言う。また、打撃痕の端は，打撃痕の表面のＺ座標が、母材の表面と同じＺ座標となった位置と定義する。

　本発明に係る溶接継手では、止端４での引張残留応力に及ぼす、打撃痕を形成する際に母材１に生じる圧縮残留応力の影響の指標として、母材表面を加圧して、母材表面に打撃痕を形成するために用いる振動端子の形状と、溶接止端より母材側の領域における打撃痕の最大深さを用いる。尚、本発明に係る溶接継手では、溶接止端を含めて溶接ビードを打撃しないことを原則とするが、作業開始直前および直後の調整などで溶接ビード（ｗｅｌｄ　ｂｅａｄ）に塑性変形（ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を与えない程度に一時的に打撃することは差し支えない。

　図３~５に振動端子の先端の形状を示す。図２はこれらの図におけるＸ方向、Ｙ方向を説明する図で、Ｘ方向は打撃の進行方向と直角方向、Ｙ方向は打撃の進行方向とする。

　図３に示す振動端子は、振動端子の先端部が、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、頂部に曲率半径（ｒ）：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状の外周部を有し（図３（ａ））、進行方向と垂直方向（Ｘ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さ（ａ），進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さ（ｂ）を有する、半円柱形状（ｈａｌｆ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｓｈａｐｅ）のものである（図３（ｂ））。

　頂部に円弧状の外周部を有する振動端子の場合、円弧の曲率半径が１ｍｍ未満では止端に応力集中部となる変形が形成される可能性があり、一方、１０ｍｍ超えの場合は接触面積が大きくなり、止端に十分な圧縮残留応力を付与することができないため、曲率半径（ｒ）：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下とする。

　図４は、本発明の他の例に係る振動端子の形状を示し、振動端子の先端部が、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、頂部に３ｍｍ以下の直線部ａの両端に曲率半径（ｒ）０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の面取り部を備えた外周部を有し（図４（ａ））、進行方向と垂直方向（Ｘ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さ（ｃ），進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さ（ｂ）を有する半円柱形状のものである（図４（ｂ））。本発明例の振動端子の先端は平坦な矩形部となっている。

　頂部の一部に直線部ａのある外周部を有する振動端子の場合、その両側に打撃によるき裂発生を防止するため面取り部を設けることが必要となる。面取り部の曲率半径（ｒ）が０．１ｍｍ未満では、面取り部により止端に応力集中部となる変形が形成される可能性があり、一方、２ｍｍを超えると接触面積が大きくなり、止端に十分な圧縮残留応力を付与することができないため、曲率半径０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の面取り部とする。

　面取り部によっても、圧縮残留応力が付与されるので、矩形部の直線部ａの長さは３ｍｍ以下とする。矩形部の直線部ａの長さが３ｍｍ超えの場合、止端に応力集中部となる変形が形成される。

　図４に示した振動端子は、振動端子の先端に矩形部を有するので、先端が球状や円弧状のものに比べて、より少ない打撃回数で同一箇所を繰返し打撃することが可能で、能率良く、安定して深い打撃痕形状が得られる。

　図５は、本発明の他の例に係る振動端子の形状を示し、振動端子の先端部が、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、頂部に楕円形長径側の円弧状の外周部を有し、前記楕円形の短径（ｒ１）が１ｍｍ以上で（図５（ａ））、進行方向と垂直方向（Ｘ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さ（ａ）、進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有する半円柱形状に形成されたものである（図５（ｂ））。

　頂部に楕円形の長径側の円弧状の外周部を有する振動端子の場合、楕円形の短径（ｒ１）が１ｍｍ未満では長径側の円弧状の外周部による打撃で、止端に応力集中部となる変形が形成されるため、楕円形の短径（ｒ１）は１ｍｍ以上とする。

　図３~５に示した振動端子はいずれも進行方向と垂直方向（Ｘ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有し、進行方向（Ｙ方向）に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有する。

　１ｍｍ未満の長さでは、止端に圧縮残留応力を付与することが出来ず、一方、１０ｍｍ超えの長さの場合は、止端に応力集中部となる変形が形成されるため、１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下とする。

　図６に振動端子の先端部の形状が圧縮残留応力に及ぼす影響を調査した結果を示す。先端部が、図６に示す（１）（図の丸数字１を指し、以下同じとする）、（２）、（３）、（４）の形状の振動端子モデルを用い、母材（平板、降伏強さ２９４ＭＰａ・引張強さ４４５ＭＰａの１２ｍｍ厚鋼板）表面に対して振動端子の中心軸が垂直となるようにして、振動端子モデルに負荷を与えて母材を０．１ｍｍ押し込み、母材表面側に打撃痕（凹形状）の変形を与えた後、負荷を解除した場合をシミュレートして応力分布をＦＥＭ解析で求めたものである。図６（ｂ）の横軸は、打撃痕の端からの距離、縦軸は残留応力を示す。

　（１）、（２）の振動端子は先端部の頂部がＸＺ断面（打撃進行方向に直角な断面）において、半径４．５ｍｍの円弧状の外周部を有し、ＹＺ断面（打撃進行方向の断面）の長さを１の振動端子は９ｍｍ、（２）の振動端子は４ｍｍとした。

　（３）の振動端子は、先端部が、ＸＺ断面（打撃進行方向に直角な断面）において、頂部に１ｍｍの直線部の両端に曲率半径０．５ｍｍの面取り部を備えた外周部を有し、ＹＺ断面（打撃進行方向の断面）の長さを９ｍｍとした。（４）の振動端子は先端部が曲率半径３ｍｍの半球状とした。

　図６より、振動端子（（１）、（２）、（３））の場合、先端部が半球状の振動端子（（４））よりも、打撃痕の端から離れた位置でも大きな圧縮残留応力を付与することが可能で、より効率的に止端の残留応力（引張残留応力）を軽減することが可能である。特にその先端に矩形部を有する（３）の振動端子では、最も圧縮残留応力が大きく、先端が球状や円弧状のものに比べて、より少ない打撃回数で同一箇所を繰返し打撃することが可能で、能率良く、安定して深い打撃痕形状が得られる。

　図６より、ＸＺ断面の形状が異なる振動端子（（１）、（２）は半径４．５ｍｍの円弧状、（３）は頂部に１ｍｍの直線部の両端に曲率半径０．５ｍｍの面取り部）のいずれでも、打撃痕（変形部）の端から約１ｍｍ離れた位置で大きな圧縮残留応力が発生している。

　また、図６より、先端部が半球状の振動端子（（４））の場合、打撃痕の端から４ｍｍ離れた位置で圧縮残留応力が導入されなくなるが、（１）、（２）、（３）の振動端子の場合、打撃痕の端から４ｍｍ離れた位置においても１００~２００ＭＰａ程度の圧縮残留応力を導入することが可能である。従って、溶接止端側の打撃痕の端（あるいは、振動端子の溶接止端側の端部）がＸ方向（図２で定義する）で溶接止端より母材側に０．５ｍｍ離れた位置から４ｍｍまでの領域に位置するように形成することが好ましい。特に、圧縮残留応力の大きい範囲を考慮すると、振動端子の溶接止端側の端部がＸ方向（図２で定義する）で溶接止端より母材側に０．５ｍｍ離れた位置から２ｍｍまでの領域に形成することが好ましい。但し、打撃痕（変形部）の端でも圧縮残留応力（−５０ＭＰａ程度）が発生しているので、本発明は溶接止端側の打撃痕の端が溶接止端より母材側に４ｍｍまでの領域になるように、打撃痕を形成するものとする。

　（１）、（２）、（３）の振動端子の先端部を、進行方向直角断面（ＸＺ断面）の頂部が短径が１ｍｍ以上の楕円形における長径側の円弧状とするとより圧縮残留応力が広い範囲で分布して好ましい。

　打撃時は、振動端子先端の長辺側を止端に平行に打撃するのが好ましい。止端に平行な部分が長くなるほど、圧縮残留応力が広い範囲で分布するからである。

　打撃痕は、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満とする。底部までの最大深さが０．０３ｍｍ未満の場合は、止端に十分な圧縮残留応力を付与することができず、０．５０ｍｍ以上では打撃痕周辺の塑性変形が過大となり新たな応力集中源となる可能性があるためである。上記打撃痕深さの範囲内であれば、母材強度が変化しても、溶接止端の引張残留応力を軽減する圧縮残留応力と、打撃痕から離れた位置で圧縮残留応力が最大値となる分布状態が得られる。

　尚、本発明に係る溶接継手では、溶接止端を含めて溶接ビードを打撃しないように、振動端子の先端部の形状と溶接止端より溶接止端側の打撃痕の端が母材側に４ｍｍまでの位置になるように、より好ましくは溶接止端側の打撃痕の端が溶接止端より母材側に２ｍｍまでの領域内になるように打撃痕を形成する位置を適宜組み合わせる。

　例えば、（１）、（２）の振動端子の場合、打撃痕中心（ＸＺ断面の幅中心）を溶接止端より母材側に０．５ｍｍの位置に打撃痕を形成しようとすると、振動端子の幅が９ｍｍのままでは振動端子の一部が溶接止端より溶接金属側となり溶接止端を覆うようになる。

　このような場合，溶接止端形状によっては振動端子が溶接止端を打撃することになるので，頂部の形状を保ったまま、図３のように頂部付近で幅をつめることも有用である。溶接止端より溶接止端側の打撃痕の端が母材側に４ｍｍまでの位置になるように、より好ましくは溶接止端側の打撃痕の端が溶接止端より母材側に２ｍｍまでの領域内で、溶接止端を打撃しない位置を選定して溶接止端に沿って連続的に打撃する。

　図７は溶接止端４と打撃痕６の位置関係を示す平面図で、本発明は、溶接止端側の打撃痕６の端が溶接止端４から母材１側に４ｍｍ以内であれば溶接止端４との距離によらず圧縮残留応力を溶接止端４に導入できるので、溶接方向における溶接止端４の形状に沿うことなく、当該範囲内に直線状に打撃痕６を形成することが可能で作業能率が向上する。（図７の訂正要）

　溶接止端から溶接止端側の打撃痕の端が母材側に４ｍｍ離れた位置を打撃する場合は、施工直前に打撃面に接した振動端子先端の溶接止端側の辺を母材側に４ｍｍ離れた位置として打撃するので、打撃痕は母材側に４ｍｍより更に母材側に形成されることになる。このように、打撃痕が母材側に４ｍｍから更に打撃痕の幅だけ母材側に形成されても本発明の作用効果は損なわれない。

　また、図６に示す関係を本発明範囲内で種々に押し込み量を変えた場合について予め求めておくと、実作業で打撃痕を形成する打撃力の調整と打撃する位置の選定が容易となり好ましい。

　振動端子５で母材表面を加圧する前に、止端４と母材１の境界部にグラインダ研削などでｒ部を設けると母材表面の変形を止端４に及ばさずに、より大きな圧縮残留応力を止端４に導入させることが可能で好ましい。打撃痕は、互いが一部または全てが重なるように複数回の打撃によって形成することが好ましい。また、本発明による作用効果は、ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理のいずれであっても得られる。

　頂部の一部が扁平（直線部）で、その両側に打撃によるき裂発生を防止するため面取り部を有する振動端子（以下、先端形状Ａの振動端子（本発明例））と、先端部が半球状の振動端子（以下、先端形状Ｂの振動端子（比較例））を用いて、幅１５０ｍｍ×長さ３００ｍｍ×板厚１２ｍｍの母材（ＳＭ４００）に、ハンマーピーニング（空気圧約６ｋｇ／ｃｍ^２、周波数９０Ｈｚ、移動速度０．２５ｍｍ／秒による）を振動端子を垂直に繰り返し打撃して行った（図８）。

　試験片はＸ線による残留応力測定に供した。Ｘ線を用いた残留応力測定は、ビーム径１ｍｍφで行った。図９に振動端子の形状と残留応力測定結果を示す。本発明例の先端形状Ａの振動端子は、残留応力が定常状態（約−１２０ＭＰａ）に比べて１２５％以上圧縮側（−１５０ＭＰａより低い値）となっている範囲が約４ｍｍあるが、比較例の先端形状Ｂの振動端子では、残留応力が圧縮側定常状態（約−８０ＭＰａ）に比べて１２５％以上圧縮側（−１００ＭＰａより低い値）となっている範囲が約１．５ｍｍと狭くなっている。

　次に、溶接継手を作成し、本発明法によりハンマーピーニングを施した後、疲労試験を実施した。図１０は溶接継手の寸法形状及び打撃痕の測定位置を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示す。溶接継手は、２８０Ａ−３２Ｖ−２５ｃｐｍの溶接条件にて２体を作製した。

　各溶接継手に対して、先述の本発明例の先端形状Ａの振動端子を用いて、ハンマーピーニング（空気圧約６ｋｇ／ｃｍ^２、周波数９０Ｈｚ、移動速度０．２５ｍｍ／秒による）を振動端子を垂直に繰り返し打撃して行い、打撃痕の寸法を測定した。

　打撃痕の寸法は、図１０（ａ）に示すように回し溶接部近傍の断面形状が得られる位置（長さ７５ｍｍのリブの長さ方向の端部の位置）で、溶接金属から母材にかけてレーザ変位計を用いて０．０５ｍｍピッチで測定した。

　図１１（ａ）、（ｂ）に２体の各溶接継手で得られた溶接部およびその近傍の断面形状をそれぞれ示す。各溶接継手について，疲労試験（周波数３~５Ｈｚ）を行った結果を図１２に示す。本発明例の先端形状Ａの振動端子を使ったものは，溶接ままの継手（図中、比較例）に比べて疲労寿命の向上が見られた。
　なお，図１２には，日本鋼構造協会（Ｊａｐａｎ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＪＳＳＣ）による疲労設計曲線（疲労強度等級ＪＳＳＣ−Ａ、ＪＳＳＣ−Ｃ、ＪＳＳＣ−Ｄ、ＪＳＳＣ−Ｅ、ＪＳＳＣ−Ｆ）も示した。今回用いた角回し溶接継手の疲労強度等級はＦ等級である。

　１　　母材
　２　　リブ
　３　　溶接ビード
　４　　止端
　５　　チッパー
　６　　打撃痕
　７　　疲労亀裂

Claims

　ハンマーピーニングまたは超音波衝撃処理された、鋼材の溶接継手であって、振動端子によって溶接ビードに沿って鋼材表面に連続形成された打撃痕を有し、前記振動端子は、その先端部が、進行方向直角断面の頂部が曲率半径：１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の円弧状で、進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有し、前記打撃痕は、前記振動端子によって、溶接止端より溶接止端側の打撃痕の端が母材側に４ｍｍまでの領域において形成され、最大深さが０．０３ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満に形成されたことを特徴とする溶接継手。
　前記振動端子は、その先端部が、進行方向直角断面の頂部が３ｍｍ以下の直線部の両端に曲率半径０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の面取り部を有し、進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有することを特徴とする請求項１記載の溶接継手。
　前記振動端子は、その先端部が、進行方向直角断面の頂部が短径が１ｍｍ以上の楕円形の長径側の円弧状で、進行方向に１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の長さを有することを特徴とする請求項１記載の溶接継手。
　前記打撃痕は、前記振動端子によって、打撃痕の端が、溶接止端より母材側に０．５ｍｍ離れた位置から４ｍｍまでの領域に形成する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継手。