JP6123461B2 - 超音波衝撃処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接部を有する鋼構造物、例えば、自動車、家電・重電分野などの部品等に利用する溶接止端部の疲労強度の向上を図る超音波衝撃処理方法に関する。

溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に繰返し荷重が作用すると、疲労き裂が発生して破壊に至ることがある。このような溶接止端部の疲労破壊を克服する方法の一つとして、溶接部等の疲労強度の向上を目的とする超音波衝撃処理が知られている。

例えば、超音波衝撃処理を溶接部及び機械加工穴に適用して疲労強度を向上させる方法が特許文献１に開示されている。また、突合せ溶接継手の溶接止端部近傍を超音波打撃処理して突合せ溶接継手の疲労強度を向上させる方法が、本発明者らによる特許文献２に開示されている。

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、塑性変形により表面形状を改善しつつ、同時に、表面近傍の残留応力の改善を行う処理である。

しかし、溶接止端部に超音波衝撃処理を施した溶接構造物において、溶接止端部に繰返し作用する荷重が小さい場合には、超音波衝撃処理により大きな疲労強度の向上効果が得られるが、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合には、超音波衝撃処理による疲労強度の向上効果が十分に得られない場合がある。

米国特許第６３３８７６５号明細書 特開２０１０−１４２８７０号公報

本発明は、従来技術の現状に鑑み、鋼構造物の溶接止端部に超音波衝撃処理を施す際、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合においても、溶接止端部の疲労特性を向上させることを課題とし、該課題を解決する超音波衝撃処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するため、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合に、超音波衝撃処理による疲労強度の向上効果が十分に得られない場合があることの原因を鋭意検討し、次のことを突き止めた。

即ち、溶接止端部には、溶接によって生じた、溶接止端部の表面から内部に及ぶ引張残留応力が存在している。その状態の溶接止端部に超音波衝撃処理を施すと、溶接止端部の表面では、引張残留応力が圧縮残留応力に変化するが、内部では、超音波衝撃処理前よりも高い引張残留応力に変化する。

そして、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きいと、内部から降伏が始まる。内部から始まった降伏が、表面の圧縮残留応力を低減し、また、場合によっては、引張残留応力に変化させる。このことが、溶接止端部の疲労特性が十分に向上しない原因である。

本発明者らは、溶接止端部に超音波衝撃処理を施す前に、溶接部を焼鈍すると、超音波衝撃処理後の内部の大きな引張残留応力が低減し、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合にも、表面の圧縮残留応力が低下せず、溶接止端部の疲労強度が著しく向上することを突き止めたが（特願２０１２−０２８２４４号）、さらに、溶接部に、焼鈍を施す替わりに荷重を負荷しても、同様の効果が得られることを突き止めた。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下の通りである。

（１）溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に超音波衝撃処理を施して、該溶接止端部の疲労強度を改善する超音波衝撃処理方法において、（ｉ）上記溶接止端部に荷重を負荷する工程と、（ii）荷重を負荷した後、荷重を解除し、溶接止端部に超音波衝撃処理を施す工程からなり、
前記荷重を負荷する工程において、負荷する荷重Ｃ［ＭＰａ］が、下記式（１）を満たすことを特徴とする超音波衝撃処理方法。
０．３×Ａ≦Ｃ≦Ａ ・・・（１）
Ａ：鋼構造物を構成する鋼材の降伏強度ＹＰ［ＭＰａ］
（２）前記荷重を負荷する工程が、前記鋼構造物の溶接部を中心に配置し、前記鋼構造物の両端の溶接されていない部分を掴んで前記鋼構造物の全体に引張−引張の荷重負荷を行うものであることを特徴とする前記（１）に記載の超音波衝撃処理方法。

本発明によれば、溶接部を有する鋼構造物において、溶接止端部に超音波衝撃処理を行う前に荷重を負荷し解除することにより、超音波衝撃処理後の溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合でも、溶接止端部の疲労強度が著しく向上する。

超音波衝撃処理（ＵＩＴ）の有りと無しの試験体についての、溶接止端部の表面からの深さに対する残留応力分布を示す図である（縦軸において、−は圧縮残留応力、＋は引張残留応力）。 溶接止端部にそのまま超音波衝撃処理を施した場合と、溶接後荷重を負荷した後、荷重を解除して超音波衝撃処理を施した場合における、溶接止端部の表面からの深さ方向における残留応力分布を示す図である。 各種試験条件における十字溶接継手の疲労試験による寿命評価結果を示す図である。

本発明者らは、溶接後、溶接止端部に超音波衝撃処理を施したにもかかわらず、処理後の溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きいために、溶接止端部の疲労強度が十分に改善されない場合について、次のような実験を行って、溶接止端部の表面から内部の応力状態を詳細に調査し、溶接止端部の疲労強度が十分に改善されない理由を検討した。

板厚１６ｍｍの溶接用圧延鋼板ＳＭ４９０（降伏強度ＹＰ＝３４５ＭＰａ、引張強度＝５３１ＭＰａ）を供試材とし、これらの鋼板を溶接した十字溶接継手について、溶接止端部への超音波衝撃処理の有りと無しの試験体をそれぞれ用意し、それぞれの試験体について、溶接止端部に繰返し作用する荷重を負荷して疲労試験を行った。

溶接継手の疲労特性は、溶接止端部にき裂が生じるまで加えた荷重の繰返し回数で評価した。そして、表面から内部の応力状態を、中性子回折法を用いて測定した。

図１に、超音波衝撃処理（ＵＩＴ）の有りと無しの試験体についての、溶接止端部の表面からの深さに対する応力分布を示す。図１において、横軸は溶接止端部における表面からの深さDepth［ｍｍ］、縦軸は疲労強度を考える上で重要となる溶接に沿った方向に垂直な方向の応力σＴ［ＭＰａ］である。

×は超音波衝撃処理（ＵＩＴ）無しの場合の応力分布を示し、●は超音波衝撃処理有りの場合の応力分布を示す。なお、図１の縦軸において、−は圧縮残留応力を示し、＋は引張残留応力を示す。図１より、深さ３〜８ｍｍにおいては、溶接ままの溶接継手よりも超音波衝撃処理を施した溶接継手の方が、溶接止端部の内部における引張残留応力が高いことが解る。

このことから、溶接止端部に超音波衝撃処理を施すと、溶接止端部内部の引張残留応力が高くなることが、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合に、溶接止端部の疲労強度が改善されない原因であるとの結論に達した。

そこで、溶接止端部に超音波衝撃処理を施しても、溶接止端部内部の引張残留応力が高くならないようにする方法について、さらに実験を行って検討した。その結果、溶接後に溶接継手に荷重を負荷し、その後、荷重を解除して溶接止端部に超音波衝撃処理を施すと、溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合でも、超音波衝撃処理後の溶接継手においては、溶接止端部の疲労強度が、溶接ままの溶接継手よりも大きく改善されることが判明した。

図１を作成した実験と同様に作製した十字継手について、超音波衝撃処理を、溶接止端部に荷重を負荷した後、荷重を解除して施した試験体と、荷重を負荷することなく超音波衝撃処理した試験体を用意し、それぞれの試験体について、溶接止端部に繰返し作用する荷重を負荷して疲労試験を行い、表面から内部への応力分布を測定した。

図２に、超音波衝撃処理前に荷重を負荷した試験体と荷重を負荷しなかった試験体についての、溶接止端部の表面からの深さに対する応力分布を示す。図２において、超音波衝撃処理前の溶接継手に負荷した荷重は、用いた鋼材の降伏強度３４５ＭＰａの０．３倍、即ち、１０３．５ＭＰａである。

図２において、●は、溶接後荷重を負荷しないで超音波衝撃を施した場合の応力分布を示し、○は、溶接後に荷重を負荷した後、荷重を解除して超音波衝撃処理を施した場合の応力分布を示す。

図２から、溶接後に荷重を負荷した後、荷重を解除して超音波衝撃処理を施すと、溶接ままの溶接継手に超音波衝撃処理を施した溶接継手において見られる現象、即ち、溶接止端部の内部の引張残留応力が高くなる現象が生じなかったことが解る。これは、溶接後、溶接止端部に荷重を負荷することにより、溶接によって生じた残留応力が低減したことによると推察される。

以上のように、溶接部の溶接止端部に荷重を負荷した後、荷重を解除して溶接止端部に超音波衝撃処理を施すと、溶接構造物の溶接部に繰返し作用する荷重が大きい場合でも、溶接止端部の疲労強度が著しく向上する。その際の超音波衝撃処理や荷重負荷の好ましい条件について、さらに説明する。

超音波衝撃処理により溶接止端部の疲労強度を著しく改善するためには、溶接止端部内部の残留応力を改善する必要がある。また、溶接止端部において、溶接ビードと母材との境界に形成されている谷線が、超音波衝撃処理による処理溝の形成によって消えた状態になることが好ましい。このため、超音波衝撃処理を施す溶接止端部の範囲は、上記谷線を境にして、溶接金属側０〜１．５ｍｍで、母材側０〜１．５ｍｍが好ましい。

超音波衝撃処理の打撃条件は特に制限されないが、例えば、共振周波数２７ｋＨｚ、振幅３０μｍ、ピン直径φ５ｍｍ、ピン先端曲率半径３．０ｍｍ、処理速度３０ｃｍ／分（後述の実施例で採用）が好ましい。

超音波衝撃処理前の溶接止端部に負荷する荷重Ｃ［ＭＰａ］は、下記式（１）を満たすことが望ましい。
０．３×Ａ≦Ｃ＜Ｂ ・・・（１）
Ａ：鋼構造物を構成する鋼材の降伏強度ＹＰ［ＭＰａ］
Ｂ：鋼構造物を構成する鋼材の引張強度ＴＳ［ＭＰａ］

例えば、用いる鋼材の降伏強度ＹＰが３４５ＭＰａ、引張強度ＴＳが５３１ＭＰａの場合、荷重Ｃ［ＭＰａ］は、１０３．５ＭＰａ≦荷重Ｃ［ＭＰａ］＜５３１ＭＰａを満たすことが望ましい。

溶接止端部に負荷する荷重Ｃ［ＭＰａ］が、鋼材の降伏強度の０．３倍未満であると、溶接後に、鋼材の降伏強度の０．３倍以上の荷重を負荷しても、溶接によって生じた残留応力が低減しない。荷重Ｃ［ＭＰａ］が鋼材の引張強度を超えると、鋼材が破断するので、荷重Ｃは、鋼材の引張強度未満とする。なお、特許請求の範囲では、荷重Ｃの上限を、実施例で効果の確認されている鋼材の降伏強度とした。

荷重の負荷方法は、特に制限されない。例えば、疲労試験と同様の荷重負荷を１サイクルのみ行う（後述の実施例で採用）。即ち、軸力に引張−引張の荷重負荷とし、応力比Ｒ＝０．１、応力範囲ΔＳ＝応力履歴中の最大応力σmax＝負荷する荷重Ｃ、周波数１０Ｈｚの条件で、１サイクルのみ負荷する。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
十字溶接継手を下記鋼材で作製し、各種条件下で疲労試験を行い、十字溶接継手の寿命を評価した。

５０ｋ鋼（ＳＭ４９０、降伏強度ＹＰ＝３４５ＭＰａ、引張強度ＴＳ＝５３１ＭＰａ）の、板厚１６ｍｍ×幅１００ｍｍ×長さ７００ｍｍの鋼板の両面中央に、同鋼の板厚１６ｍｍ×幅１００ｍｍ×高さ４０ｍｍの縦板を荷重非伝達十字継手形状に配置し、ＳＭＡＷ：被覆アーク溶接（５０ｋ鋼用溶材ＪＩＳ Ｚ ３２１１ Ｄ４３１６）、又は、ＦＣＡＷ：フラックス入りアーク溶接（５０ｋ鋼用ＪＩＳ Ｚ ３３１３ ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ）、シールドガス：炭酸ガス、予熱なし、入熱１５〜２０ｋＪ／ｃｍ²の条件にて、脚長７ｍｍにて隅肉溶接して十字溶接継手を作製し、供試体とした。

供試体６体の溶接止端部に荷重を負荷した。荷重の負荷は、疲労試験と同様に１サイクルのみとした。即ち、軸力に引張−引張の荷重負荷とし、応力比Ｒ＝０．１、応力範囲ΔＳ＝応力履歴中の最大応力σmax＝掛ける荷重Ｃ、周波数１０Ｈｚの条件で、１サイクルのみの荷重負荷とした。

例えば、供試体の溶接部を中心に配置し、供試体の両端の溶接されていない部分を掴んで供試体の全体に引張−引張の荷重負荷を行えば、溶接止端部において、荷重負荷の方向に垂直な断面において、同じ荷重を負荷したことになり、溶接止端部に一定の荷重を負荷したことになる。即ち、供試体の全体に引張−引張の荷重を負荷すれば、溶接止端部を含む任意の垂直な断面に同様の荷重を負荷することになるので、溶接止端部全体に荷重を負荷することになる。

荷重条件は、鋼材の降伏強度３４５ＭＰａの０．１倍、０．３倍、０．５倍、１倍の４条件である。即ち、荷重Ｃが、３４．５ＭＰａ（１体），１０３．５ＭＰａ（２体），１７２．５ＭＰａ（１体），３４５ＭＰａ（１体）である。さらに、１体に対しては、降伏強度を超える５８４ＭＰａの荷重Ｃを負荷した。

溶接ままの供試体３体と、３４．５ＭＰａ、１０３．５ＭＰａ、１７２．５ＭＰａ、３４５ＭＰａの荷重を負荷した供試体４体の溶接止端部に超音波衝撃処理を施した。処理条件は、共振周波数２７ｋＨｚ、振幅３０μｍ、ピン直径φ５ｍｍ、ピン先端曲率半径３．０ｍｍで、処理速度は３０ｃｍ／分とし、溶接止端部の谷線を処理溝の形成により完全に消去した。

溶接ままの供試体７体、溶接ままの供試体に荷重を負荷せず超音波衝撃処理を施した試験体３体、溶接ままの供試体に荷重のみを負荷し超音波衝撃処理を施さなかった試験体１体、及び、溶接ままの供試体に荷重を負荷した後超音波衝撃処理を施した試験体４体の、合計１５の供試体及び試験体について疲労試験を行った。

疲労試験は、軸力の引張−引張の試験とし、応力範囲ΔＳ＝８０〜２８０ＭＰａ、応力比Ｒ＝０．１、周波数１０Ｈｚの条件にて、試験体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎを測定して評価した。なお、降伏強度を超える５８４ＭＰａの荷重Ｃを負荷した試験体は破断したので、疲労試験は行わなかった。

表１に、疲労試験体の作製条件、及び、疲労寿命を示す。図３に、疲労試験の結果を示す。図３において、横軸は試験体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎ、縦軸は疲労試験における応力範囲ΔＳを示す。

表１中、試験Ｎｏ１〜７（比較例1〜７）に、溶接ままの応力比Ｒ＝０．１での疲労試験結果を示し、図３に、繰返し寿命回数Ｎと応力範囲ΔＳの関係を□で示す。応力範囲ΔＳが小さければ繰返し寿命回数Ｎが大きく、ΔＳが大きくなるとＮが小さくなるという傾向が得られている。

試験Ｎｏ８〜１０（比較例８〜１０）に、溶接後に超音波衝撃処理を施した場合における応力比Ｒ＝０．１での疲労試験結果を示し、図３に、繰返し寿命回数Ｎと応力範囲ΔＳの関係を◆で示す。

応力比Ｒ＝０．１で、溶接後に超音波衝撃処理を施した場合、応力範囲ΔＳが２２０ＭＰａのＮｏ８（比較例８）、及び、応力範囲ΔＳが２５０ＭＰａのＮｏ９（比較例９）では、繰返し寿命回数Ｎが、それぞれ、２３０４９５６回、及び、１６７９１８３回であり、超音波衝撃処理を施していない場合で疲労試験条件が同じ試験Ｎｏ５及びＮｏ６（比較例５及び比較例６、それぞれ、応力範囲ΔＳが２２０ＭＰａ及び２５０ＭＰａで、繰返し寿命回数Ｎが９３２８９回及び６５８５１回）に比べ、疲労強度は大きく向上している。

応力範囲ΔＳが２８０ＭＰａと大きい試験Ｎｏ１０（比較例１０）は、疲労寿命、即ち、試験体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎは１９０６２３回であり、超音波衝撃処理を施していない溶接ままの条件で、疲労試験条件、即ち、疲労試験における応力範囲ΔＳが同じ試験Ｎｏ５及び試験Ｎｏ６（比較例５及び比較例６）に比べ、あまり向上していない。

図３において、溶接ままの比較例１〜７（試験Ｎｏ１〜７）の試験体が破断するまでの繰返し寿命回数Ｎが、ΔＳの増加に伴い線形的に減少していることから、超音波衝撃処理を施した場合でも、比較例８及び比較例９の延長線上に比較例１０が位置してもよいはずであるが、応力範囲ΔＳが２８０ＭＰａに増大した比較例１０の場合、繰返し寿命回数Ｎは、比較例８及び比較例９の延長線に乗らず、１９０６２３回と大きく減少している。

これは、応力範囲ΔＳが比較例９の２５０ＭＰａから比較例１０の２８０ＭＰａに増大すると、溶接止端部の内部深くに存在する残留応力が疲労を与えることが原因であると推察される。荷重を負荷せずに超音波衝撃処理した場合、図１に示す残留応力分布の通り、深い位置（３〜８ｍｍ）に、大きな引張残留応力が生じているので、疲労試験において応力範囲ΔＳを増大した場合、溶接止端部の内部深くに存在する残留応力が疲労の原因となり、繰返寿命回数Ｎが減少したと推察される。

表１中、試験Ｎｏ１３〜１５（発明例１〜３）に、溶接後、試験体に引張荷重を負荷した後、荷重を解除して超音波衝撃処理を施した場合における応力比Ｒ＝０．１での疲労試験結果を示し、図３に、応力範囲ΔＳと繰返し寿命回数Ｎの関係を●（発明例１〜３）で示す。

表１中、試験Ｎｏ１３〜１５（発明例１〜３）は、荷重負荷の有無以外の試験条件が、試験Ｎｏ１０（比較例１０）と同一である。荷重を負荷しないで超音波衝撃処理を施した試験Ｎｏ１０（比較例１０）の繰返し寿命回数Ｎが１９０６２３回であるに対し、試験Ｎｏ１３〜１５（発明例１〜３）は、繰返し寿命回数Ｎが、９６０１８７回（発明例１）、１１１６４０４回（発明例２）、８３０１６８回（発明例３）である。

即ち、溶接後、荷重を負荷し、荷重を解除した後、超音波衝撃処理を施した発明例では、溶接後そのまま超音波衝撃処理を施した試験Ｎｏ１０（比較例１０）に比べ、疲労寿命が大きく向上している。

表１中、試験Ｎｏ１１（比較例１１）に、溶接後、試験体に、鋼材の降伏強度（３４５［ＭＰａ］）の０．３倍の引張り荷重、即ち、１０３．５ＭＰａの引張り荷重を負荷した後、超音波衝撃処理を施さなかった場合における応力比Ｒ＝０．１での疲労試験結果を示し、図３に、応力範囲ΔＳと繰返し寿命回数Ｎの関係を、▲（比較例１１）で示す。

表１中、試験Ｎｏ１２（比較例１２）に、溶接後、試験体の溶接止端部において、荷重を負荷する方向に垂直な断面における荷重Ｃ［ＭＰａ］が、Ｃ＝０．１×Ａ（Ａ：鋼材の降伏強度ＹＰ［ＭＰａ］）を満たす引張り荷重Ｃを負荷した後、超音波衝撃処理を施した場合における応力比Ｒ＝０．１での疲労試験結果を示し、図３に、応力範囲ΔＳと繰返し寿命回数Ｎの関係を、▼（比較例１２）で示す。

試験Ｎｏ１１（比較例１１）及び試験Ｎｏ１２（比較例１２）は、荷重負荷の有無及び、超音波衝撃処理の有無以外の試験条件が、試験Ｎｏ７（比較例７）、試験Ｎｏ１０（比較例１０）、及び、試験Ｎｏ１３〜１５（発明例１〜３）と同一である。

溶接後、発明例の条件で荷重を負荷した後、超音波衝撃処理を施した試験Ｎｏ１３〜１５（発明例１〜３）は、溶接ままの試験Ｎｏ７（比較例７）、溶接後に荷重を負荷した試験Ｎｏ１１（比較例１１）、溶接後、発明例の条件を外れる条件で荷重を負荷した後、超音波衝撃処理を施した試験Ｎｏ１１（比較例１２）、溶接後そのまま超音波衝撃処理を施した試験Ｎｏ１０（比較例１０）と比べ、疲労寿命が大きく向上している。

試験Ｎｏ１６（比較例１３）に、溶接後、試験体に、鋼材の引張強度（５３１ＭＰａ）の１．１倍、即ち、５８４ＭＰａの引張り荷重を負荷した場合の結果を示す。この試験においては、荷重が引張強度（５３１ＭＰａ）を超えたところで試験体が破断した。

前述したように、本発明によれば、溶接部を有する鋼構造物において、溶接止端部に超音波衝撃処理を行う前に荷重を負荷し解除することにより、超音波衝撃処理後の溶接止端部に繰返し作用する荷重が大きい場合でも、溶接止端部の疲労強度が著しく向上する。よって、本発明は、溶接部の疲労破壊が問題となる鋼構造物の製造・建造産業において利用可能性が高いものである。

Claims (2)

1. 溶接部を有する鋼構造物の溶接止端部に超音波衝撃処理を施して、該溶接止端部の疲労強度を改善する超音波衝撃処理方法において、
   （ｉ）上記溶接止端部に荷重を負荷する工程と、
   （ii）荷重を負荷した後、荷重を解除し、溶接止端部に超音波衝撃処理を施す工程
   からなり、
   前記荷重を負荷する工程において、負荷する荷重Ｃ［ＭＰａ］が、下記式（１）を満たすことを特徴とする超音波衝撃処理方法。
   ０．３×Ａ≦Ｃ≦Ａ ・・・（１）
   Ａ：鋼構造物を構成する鋼材の降伏強度ＹＰ［ＭＰａ］
2. 前記荷重を負荷する工程が、前記鋼構造物の溶接部を中心に配置し、前記鋼構造物の両端の溶接されていない部分を掴んで前記鋼構造物の全体に引張−引張の荷重負荷を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波衝撃処理方法。

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