特許 7593434 溶接部の疲労亀裂発生抑制方法および溶接継手の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-25

(45)【発行日】2024-12-03

(54)【発明の名称】溶接部の疲労亀裂発生抑制方法および溶接継手の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 31/00 20060101AFI20241126BHJP

【ＦＩ】

B23K31/00 F

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023067776

(22)【出願日】2023-04-18

(65)【公開番号】P2023162133

(43)【公開日】2023-11-08

【審査請求日】2023-11-27

(31)【優先権主張番号】P 2022072180

(32)【優先日】2022-04-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105968

【弁理士】

【氏名又は名称】落合 憲一郎

(72)【発明者】

【氏名】高木 芳史

(72)【発明者】

【氏名】▲崎▼本 隆洋

(72)【発明者】

【氏名】半田 恒久

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１６７６９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－２０２９６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１１３０８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１０８６０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１７５５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３２８７８８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接部の疲労亀裂発生を抑制する方法であって、前記溶接部の溶接ビードに沿って連続的に溶接止端部近傍の母材部を打撃して帯状の打撃痕である第１のレーンを形成し、さらにその外側を打撃して帯状の打撃痕である第２のレーンを形成し、
前記溶接止端部と前記第１のレーンの打撃痕との距離をＬ１とし、前記第１のレーンの打撃痕と前記第２のレーンの打撃痕との距離をＬ２としたときに、０．０ｍｍ＜Ｌ１≦１．０ｍｍ、０．０ｍｍ≦Ｌ２≦２．０ｍｍであり、
前記打撃痕の最大深さ（Ｄ_Ｐ）と幅（Ｗ_Ｐ）の積（Ｄ_Ｐ×Ｗ_Ｐ）が３．０～５．０ｍｍ^２であることを特徴とする溶接部の疲労亀裂発生抑制方法。

【請求項2】

前記溶接部の母材部が板厚３０ｍｍ以上の突合せ溶接継手であることを特徴とする請求項１に記載の溶接部の疲労亀裂発生抑制方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の溶接部の疲労亀裂発生抑制方法を用いて施工されることを特徴とする溶接継手の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接部の疲労亀裂発生抑制方法および溶接継手の製造方法に関する。特に、母材部にハンマーピーニングによる打撃処理を２レーン実施して、大きな圧縮残留応力を付与し、例えば、洋上風力分野のモノパイルにおける溶接部の疲労亀裂の発生を抑制し、疲労強度を向上させる方法に関する。さらに、その方法を用いて施工される溶接継手の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、洋上風力分野では建造コスト低減のため、モノパイル形式が検討されている。また、発電コストを下げ、発電効率を高めるために発電機サイズが大型化し、それを支えるモノパイルも大型化している。このモノパイルに使用する鋼板の板厚は、例えば、３０～１００ｍｍの範囲である。しかしながら、モノパイルを運搬する敷設船の積載量に制限があるため、モノパイルへの高強度材適用による減厚化の需要が高まっている。高強度材適用により、現行の設計応力より高応力設計が可能になるが、その場合モノパイルの突合せ円周溶接部の疲労強度低下が懸念される。

【0003】

溶接部の疲労強度向上技術として、特許文献１には、母材部を打撃するハンマーピーニング方法が開示されている。この特許文献１に記載のハンマーピーニング方法は、打撃痕の最大深さが０．２ｍｍ以上としている。しかしながら、特許文献１の方法では、打撃痕の幅が狭く、打撃痕の深さが深くなるほど打撃痕形成による応力集中のため、打撃痕により疲労亀裂が発生しうるという問題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５９５５７５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の母材の打撃ハンマーピーニング方法は、対象とする溶接継手の板厚の増加とともに打撃痕の深さを際限なく深くすることができるため、打撃痕から疲労亀裂が発生する可能性がある。そこで、疲労亀裂を発生させずに疲労強度を向上させる打撃痕の施工方法を模索した。

【0006】

本発明は、従来の技術の問題点を解消し、疲労亀裂を発生させない打撃痕を２レーン分処理することで、厚肉材の疲労強度を向上させる方法およびその方法を用いて施工される溶接継手の製造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】

【0007】

本発明者らは、前述の目的を達成するため、鋭意検討した。厚肉材の突合せ溶接継手から試験片を採取し、ハンマーピーニング処理により１レーン分の母材打撃を処理した試験片と２レーン分処理した試験片を用いた疲労試験を実施した。それらの疲労試験結果を比較することにより、２レーン分処理した場合の母材打撃ハンマーピーニングにより疲労強度が向上することを新たに知見した。

【0008】

本発明は、かかる知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものであって、本発明の要旨は、次のとおりである。
〔１〕溶接部の疲労亀裂発生を抑制する方法であって、前記溶接部の溶接ビードに沿って連続的に溶接止端部近傍の母材部を打撃して帯状の打撃痕である第１のレーンを形成し、さらにその外側を打撃して帯状の打撃痕である第２のレーンを形成することを特徴とする溶接部の疲労亀裂発生抑制方法。
〔２〕前記〔１〕において、前記溶接止端部と前記第１のレーンの打撃痕との距離をＬ１とし、前記第１のレーンの打撃痕と前記第２のレーンの打撃痕との距離をＬ２としたときに、０．０ｍｍ＜Ｌ１≦１．０ｍｍ、０．０ｍｍ≦Ｌ２≦２．０ｍｍであることを特徴とする溶接部の疲労亀裂発生抑制方法。
〔３〕前記〔１〕または〔２〕において、前記打撃痕の最大深さ（Ｄ_P）と幅（Ｗ_P）の積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０～５．０ｍｍ²であることを特徴とする溶接部の疲労亀裂発生抑制方法。
〔４〕前記〔１〕または〔２〕において、前記溶接部の母材部が板厚３０ｍｍ以上の突合せ溶接継手であることを特徴とする溶接部の疲労亀裂発生抑制方法。
〔５〕前記〔３〕において、前記溶接部の母材部が板厚３０ｍｍ以上の突合せ溶接継手であることを特徴とする溶接部の疲労亀裂発生抑制方法。
〔６〕前記〔１〕または〔２〕に記載の溶接部の疲労亀裂発生抑制方法を用いて施工されることを特徴とする溶接継手の製造方法。
〔７〕前記〔３〕に記載の溶接部の疲労亀裂発生抑制方法を用いて施工されることを特徴とする溶接継手の製造方法。
〔８〕前記〔４〕に記載の溶接部の疲労亀裂発生抑制方法を用いて施工されることを特徴とする溶接継手の製造方法。
〔９〕前記〔５〕に記載の溶接部の疲労亀裂発生抑制方法を用いて施工されることを特徴とする溶接継手の製造方法。

【発明の効果】

【0009】

本発明の２レーン分の母材打撃によれば、１レーン分の母材打撃よりも厚肉材の疲労強度向上が達成でき、産業上格段の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明に係る２レーンのハンマーピーニング処理方法を示す模式図である。

【図2】本発明に係るハンマーピーニング処理に用いるチッパーの先端部分の一例で、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を説明する斜視図である。

【図3】本発明に係るハンマーピーニング処理に用いるチッパーの先端部分の一例で、（ａ）はＸＺ断面、（ｂ）はＹＺ断面の形状を説明する模式図である。

【図4】４点曲げ疲労試験方法を説明する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明は、溶接止端部近傍の母材部を２レーン分連続してチッパーで打撃し、溶接止端部に圧縮残留応力を導入して１レーン分の打撃よりも溶接継手の疲労強度を向上させる方法である。

【0012】

以下、本発明の実施態様について、説明する。

【0013】

［２レーン打撃］
前述したように、本発明は、溶接継手の疲労強度を向上させるために、２レーン分の打撃痕を形成して、溶接止端部近傍に圧縮残留応力を導入するものである。具体的には、溶接部の溶接ビードに沿って連続的に溶接止端部近傍の母材部を打撃して帯状の打撃痕である第１のレーンを形成し、さらにその外側を打撃して帯状の打撃痕である第２のレーンを形成するものである。ここで、溶接止端部と第１のレーンの打撃痕との距離をＬ１とし、第１のレーンの打撃痕と第２のレーンの打撃痕との距離をＬ２としたときに、０．０ｍｍ＜Ｌ１≦１．０ｍｍ、０．０ｍｍ≦Ｌ２≦２．０ｍｍとすることが好ましい。また、打撃痕の最大深さ（Ｄ_P）と幅（Ｗ_P）の積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０～５．０ｍｍ²であることが好ましい。

【0014】

なお、圧縮残留応力は、ＡＳＴＭ Ｅ８３７規格（穿孔法）に基づいて測定される。この穿孔法による残留応力測定とは、試験体に穴を開けて、応力が解放される前後の変形量を評価することで残留応力を求める計測手法である。

【0015】

ここで、残留応力としては、－４００～－２００ＭＰａが疲労亀裂の発生を抑制するには好ましい範囲である。

【0016】

以下に、図１に基づいて説明する。

【0017】

まず、溶接止端部３と第１レーンの打撃痕４との距離（Ｌ１）が０．０ｍｍより大で１．０ｍｍ以下であることが好ましい。すなわち、母材（以下、「母材部」ともいう。）１を突合せ溶接して形成した溶接継手の溶接金属２と母材１との境界である溶接止端部３から打撃ピンであるチッパーの先端部で母材１と接する位置までの距離（Ｌ１）が１．０ｍｍ以下であることが好ましい。距離（Ｌ１）が１．０ｍｍを超えると、第１レーンの打撃痕４が溶接止端部３から離れてしまい、溶接止端部３近傍の圧縮残留応力が導入され難くなり、溶接継手の疲労強度向上とはならないからである。また、チッパーの打撃は、溶接止端部３に当たらないようにするために、距離（Ｌ１）は、０．０ｍｍより大きいことが好ましいことから、距離（Ｌ１）は、０．０ｍｍ＜Ｌ１≦１．０ｍｍとすることが好ましい。

【0018】

なお、ハンマーピーニング処理を手動で行う場合には、事前にマーカーを罫書いておくことが好ましい。

【0019】

次に、第１レーンの打撃痕４の外側を打撃して帯状の第２レーンの打撃痕５を形成する。このときの第１レーンの打撃痕４と第２レーンの打撃痕５との距離（Ｌ２）は、０．０～２．０ｍｍであるのが好ましい。距離（Ｌ２）の場合は、第１レーンの打撃痕４に当たっても構わないので、０．０ｍｍ以上であれば良い。また２．０ｍｍを超えると、第２レーンの打撃痕５が溶接止端部３から離れてしまい、溶接止端部３近傍の圧縮残留応力が導入され難くなり、溶接継手の疲労強度向上とはならないからである。

【0020】

次に、打撃痕４および打撃痕５のどちらも、それぞれの打撃痕の深さ方向断面積である打撃痕の最大深さ（Ｄ_P）と打撃痕の幅（Ｗ_P）との積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０～５．０ｍｍ²であることが好ましい。打撃痕の最大深さ（Ｄ_P）と幅（Ｗ_P）との積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０ｍｍ²未満では、十分な圧縮残留応力の付与ができないからであり、５．０ｍｍ²を超えると、圧痕箇所から疲労亀裂が発生するからである。より好ましくは、その積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０～４．０ｍｍ²である。

【0021】

［溶接継手の製造方法、溶接方法］
次に、本発明の溶接継手の製造方法、溶接方法について具体例を挙げて説明する。

【0022】

母材１となる鋼板の鋼種としては、例えば、ＳＭ４９０が挙げられ、引張強度は４００ＭＰａ～６００ＭＰａの範囲が好ましい。

【0023】

板厚は、本発明の目的であるモノパイル用に適した厚鋼板が対象であり、具体的には、３０ｍｍ以上が好ましい。より好ましくは、５０～１００ｍｍである。

【0024】

その母材を、入熱０．６～１．０ｋＪ／ｍｍの溶接条件で、炭酸ガスを用いたガスシールドアーク溶接により両面多層溶接し、突合せ溶接継手を作製する。

【0025】

［ハンマーピーニング処理方法］
得られた突合せ溶接継手を、ハンマーピーニング処理方法により溶接止端部近傍の母材部１に圧縮残留応力を付与する。

【0026】

上述の溶接継手を形成した後、図１に示すように、溶接止端部３近傍の母材部１を打撃（ピーニング）して、帯状の第１レーンの打撃痕４を形成し、その外側に帯状の第２レーンの打撃痕５を形成する。その範囲は、前述したように、溶接止端部３と第１レーンの打撃痕４との距離（Ｌ１）が０．０ｍｍより大きく１．０ｍｍ以下であり、第１レーンの打撃痕４と第２レーンの打撃痕５との距離（Ｌ２）は、０．０～２．０ｍｍであるのが好ましい。また、それぞれの打撃痕の最大深さ（Ｄ_P）と幅（Ｗ_P）の積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０～５．０ｍｍ²の範囲とすることが好ましい。この範囲を外れると、圧縮残留応力の導入範囲が小さく、溶接止端部３からの疲労亀裂発生防止効果を発揮することができない。ここで、残留応力は、－４００～－２００ＭＰａの範囲となるように処理を行う。

【0027】

［チッパー］
打撃ツールであるチッパーは、４角柱の下端部を半円弧状に湾曲した曲面を呈するものを使用し、その円弧状の曲面で前述の打撃痕の領域を打撃することが好ましい。チッパーの先端部分の形状は、球形、矩形状、あるいはそれに準じた形状のものを用いても構わない。また、その先端部分の厚さ（幅）は、１．０～１０．０ｍｍの範囲が好ましい。

【0028】

チッパーの先端形状の一例を図２および図３に示す。図２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方向を説明する斜視図である。図３（ａ）は、チッパーの先端部が、チッパー進行方向（Ｙ方向）に対して直角となる断面（ＸＺ断面）の図であり、図３（ｂ）は、チッパー進行方向（Ｙ方向）に対して平行となる断面（ＹＺ断面）の図である。ここに示すチッパーの一例では、ＸＺ断面の先端部の厚さ（幅）がａ（ｍｍ）の長さで、曲率半径がｒ（ｍｍ）の円弧状の外周部を有しており、かつＹＺ断面の先端部は、長さｂ（ｍｍ）の蒲鉾形状を有している。上記のＸＺ断面の長さａおよびＹＺ断面の長さｂは、ともに１．０～１０．０ｍｍの範囲が好ましい。さらに、５．０～９．５ｍｍの範囲がより好ましい。また、上記の曲率半径ｒは、１．０～１０．０ｍｍが好ましい。１．０ｍｍ未満の場合、溶接止端部に応力集中が発生し易い変形が形成されやすく、１０．０ｍｍ超の場合、打撃の際のチッパーと溶接止端部との接触面積が大きくなり過ぎ、溶接止端部に十分な圧縮残留応力を導入することが難しくなるからである。

【0029】

このチッパーは、打撃装置と接続しており、この打撃装置は、空気圧または高周波電流や超音波などにより駆動させるものであり、例えば、前述の半円柱形の先端を空気圧で作動させて前述した領域を打撃する方法が好ましい。ここで、打撃頻度（周波数）としては、１００Ｈｚ以下の低周波数とするのが好ましい。

【0030】

また、打撃痕の最大深さ（Ｄ_P）と幅（Ｗ_P）の積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０～５．０ｍｍ²の範囲となるように制御することが好ましい。

【0031】

さらに、チッパーの打撃方向の傾き角度（θ）は、母材表面に対して８０～１００°程度であれば許容されるが、ほぼ垂直の９０°とすることが好ましい。

【実施例】

【0032】

供試材は、ＳＭ４９０Ｂを用いた。板厚は、５０ｍｍとした。その供試材を以下の溶接条件（入熱０．８ｋＪ／ｍｍ）でガスシールドアーク溶接により両面溶接し、突合せ溶接継手を作製した。溶接継手の特性としては、ヤング率Ｅおよびポアソン比ｖを測定した。その突合せ溶接継手から試験片を採取し、１レーン分のハンマーピーニングを処理したものと２レーン分のハンマーピーニングを処理したものを作製した。それぞれの試験片に対して４点曲げ疲労試験を実施した。

【0033】

［ガスシールドアーク溶接の溶接条件］
・シールドガス：ＣＯ₂
・溶接入熱：０．８ｋＪ／ｍｍ、溶接電流：３１０Ａ、溶接電圧：４０Ｖ
・溶接速度：２９．５ｃｍ／ｍｉｎ
・溶接ワイヤ組成：Ｃ：０．０７ｗｔ％、Ｓｉ：０．３７ｗｔ％、Ｍｎ：１．１１ｗｔ％、Ｐ：０．０１３ｗｔ％、Ｓ：０．００９ｗｔ％、Ｍｏ：０．３７ｗｔ％
・溶接ワイヤ径：１．２ｍｍ

【0034】

［ヤング率、ポアソン比の測定方法］
ヤング率、ポアソン比は、ＡＳＴＭ Ｅ８Ｍ「金属材料の引張試験方法」に準拠して測定した。

【0035】

［４点曲げ疲労試験］
４点曲げ疲労試験方法は、図４に示すような疲労試験装置１０を用いて、疲労試験片１１に応力を繰り返し作用させて４点（疲労試験片１１の上側に２つの上側支点１２と下側に２つの下側支点１３）の曲げによる疲労試験を実施した。すなわち、疲労試験装置１０の上方から衝撃を加えて疲労試験片１１が破断するまでの載荷回数（ｃｙｃｌｅｓ）を求めた。なお、公称応力範囲（ＭＰａ）とは、最大応力と最小応力の差分のことである。

【0036】

それらの測定結果、試験結果を表１に示す。

【0037】

【表1】

【0038】

Ｎｏ．１～２は、比較例として１レーン分のハンマーピーニング処理した場合の試験結果であり、Ｎｏ．３～６は、本発明の２レーン分のハンマーピーニング処理した場合の試験結果である。ハンマーピーニングを２レーン分処理した場合の試験結果は、ハンマーピーニングを１レーン分処理した場合の試験結果と比較して疲労寿命が２倍以上（疲労設計曲線の１等級分向上）となった。

【0039】

一方で、最大深さと幅の積が６．０ｍｍ²となる母材打撃による従来手法のＮｏ．７では、打撃痕から疲労亀裂が発生した。

【0040】

さらに、Ｎｏ．８は、打撃痕の深さと幅の積が小さい比較例である。

【0041】

Ｎｏ．９は、打撃痕の深さと幅の積が６．０ｍｍ²と大きい例であるが、２レーン分の打撃処理を行うことで、圧縮残留応力が付与され、若干疲労強度が向上した。

【0042】

以上のように、本発明は、溶接ビードに沿って２レーン分の打撃痕を形成することにより、打撃痕からの疲労亀裂は発生せず、１レーン分の打撃痕による疲労強度向上よりも大きな疲労強度向上効果を発揮した。

【符号の説明】

【0043】

１ 母材（母材部）
２ 溶接金属
３ 溶接止端部
４ 第１レーンの打撃痕
５ 第２レーンの打撃痕
１０ 疲労試験装置
１１ 疲労試験片
１２ 上側支点
１３ 下側支点
１４ 負荷治具
１５ 受け治具
Ｌ１ 溶接止端部と第１レーン打撃痕との距離
Ｌ２ 第１レーン打撃痕と第２レーン打撃痕との距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】