JP7597143B2

JP7597143B2 - 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

Info

Publication number: JP7597143B2
Application number: JP2023067775A
Authority: JP
Inventors: 芳史高木; 隆洋 ▲崎▼本; 恒久半田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2023-04-18
Publication date: 2024-12-10
Anticipated expiration: 2043-04-18
Also published as: JP2023162132A

Description

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実施して、ある深さ以上まで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。

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、３０ｍｍから１００ｍｍ程度の範囲である。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。

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。ここには、板厚１２ｍｍの溶接継手の母材部に関して、打撃痕と溶接ビード止端部との距離が、０ｍｍ超え３ｍｍ以下となるように形成すること、また、溶接止端部表層の圧縮残留応力の最大値が母材の降伏応力の５０％であることが記載されている。しかしながら、前述のモノパイルに使用されるような板厚が３０ｍｍ以上の鋼板に関する検証はなされていない。

特許第４８９５４０７号公報

ところで、溶接継手部の疲労亀裂は、一般に、溶接止端部の応力集中箇所から板厚方向に発生していくため、板厚方向の圧縮残留応力領域は、疲労亀裂発生寿命に相関があると考えられる。また、モノパイル用鋼板のように板厚が大きくなると、板厚方向に発生する疲労亀裂を抑制するための板厚方向の圧縮残留応力領域が重要となる。つまり、特許文献１では、板厚方向の圧縮残留応力の大きさを定義しておらず、板厚方向に付与された圧縮残留応力領域は明確ではないことから、板厚３０ｍｍ以上の厚肉材の溶接継手における疲労亀裂発生抑制には対応できないという問題があった。

上述のように、表層の圧縮残留応力に着目した従来の母材打撃ハンマーピーニング処理を実施しても、厚肉材による溶接継手の場合に、疲労強度が向上するか否かが不明であった。

すなわち、本発明は、板厚方向の圧縮残留応力領域を規定した母材部の打撃ハンマーピーニング処理を実施して、ある深さ以上まで圧縮残留応力を付与し、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を提供することを目的とする。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を提供することを目的とする。

本発明者らは、厚肉材の突合せ溶接継手を対象に母材部への打撃ハンマーピーニング処理方法による疲労強度向上効果を明らかにするために、種々のハンマーピーニング処理で導入される板厚方向の圧縮残留応力を穿孔法により測定した。それを基に、厚肉材の突合せ溶接継手の疲労亀裂発生抑制に最適な母材部打撃ハンマーピーニング処理の条件を検討した。その結果、厚肉材の突合せ溶接継手の疲労亀裂発生抑制には、溶接止端部近傍における母材部の表層から深さ３ｍｍ以上まで圧縮残留応力を付与させると格段に疲労亀裂発生抑制に寄与することを新たに知見した。

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打撃痕を形成し、圧縮残留応力を前記母材部の表層から深さ（Ｄ_S）が３．０ｍｍ以上の領域に形成させ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打撃痕との距離（Ｌ）が１．０ｍｍ以内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３．０ｍｍ²以上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。

本発明によれば、表層だけでなく板厚方向のある深さ以上まで圧縮残留応力領域が付与されるため、厚肉材の疲労強度向上が可能となり、産業上格段の効果を奏する。

本発明に係るハンマーピーニング処理方法を示す模式図である。穿孔方法による残留応力試験方法を説明する模式図である。４点曲げ疲労試験方法を説明する模式図である。

本発明は、溶接止端部近傍の母材部を連続して打撃し、溶接止端部に圧縮残留応力を導入して溶接継手の疲労強度を向上させる方法である。

以下、本発明の実施態様について、説明する。

［圧縮残留応力を付与させる領域］
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、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、溶接止端部における母材部の表層からの深さ（Ｄ_S）が３．０ｍｍ以上の領域まで圧縮残留応力を付与させることを特徴とするものである。圧縮残留応力の付与が、母材部の表層からの深さ（Ｄ_S）が３．０ｍｍ未満の領域まででは、圧縮残留応力が十分には付与されないので、溶接継手の疲労強度を向上させることができない。好ましくは、母材部の表層から深さ（Ｄ_S）が３．０～５．０ｍｍである。

なお、圧縮残留応力は、ＡＳＴＭＥ８３７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。

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。

上述の母材部の表層から深さ（Ｄ_S）が３．０ｍｍ以上の領域まで圧縮残留応力を付与させるためには、チッパーによる打撃位置と、打撃痕の深さ方向断面積である打撃痕の最大深さと打撃痕の幅との積を、特定の範囲に規定することが重要である。

以下に、図１に基づいて説明する。

まず、溶接止端部３と打撃痕５との距離（Ｌ）が１．０ｍｍ以内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４の先端部で母材１と接する位置までの距離（Ｌ）が１．０ｍｍ以内であることが好ましい。距離（Ｌ）が１．０ｍｍを超えると、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。また、チッパー４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（Ｌ）は、０ｍｍより大きいことが好ましいことから、距離（Ｌ）は、０ｍｍ＜Ｌ≦１．０ｍｍとすることがより好ましい。

次に、打撃痕５の深さ方向断面積である打撃痕５の最大深さ（Ｄ_P）と打撃痕の幅（Ｗ_P）との積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０ｍｍ²以上であることが好ましい。打撃痕５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る。より好ましくは、その積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０～５．０ｍｍ²である。

［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。
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～７２０ＭＰａの範囲が好ましい。

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。

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。

［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。

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、打撃痕５を設ける。その範囲は、前述したように、好ましくは、溶接止端部３と打撃痕５との距離（Ｌ）が１．０ｍｍ以内であり、打撃痕５の最大深さ（Ｄ_P）と幅（Ｗ_P）の積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０ｍｍ²以上である範囲とする。この範囲を打撃することによって、圧縮残留応力を母材部の表層から深さ（Ｄ_S）が３．０ｍｍ以上の領域に形成させることができ、溶接止端部３からの疲労亀裂発生を抑制することができる。この母材部１の表層から深さ（Ｄ_S）が３．０ｍｍ未満では、圧縮残留応力の導入範囲が小さく、溶接止端部３からの疲労亀裂防止効果を発揮することができない。
ここで、好ましくは、残留応力は、－４００～－２００ＭＰａの範囲となるように処理を行う。

［チッパー］
打撃ツールであるチッパー４は、図１に示すように、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５の領域を打撃することが好ましい。チッパー４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、１ｍｍ～１０ｍｍの範囲が好ましい。

このチッパー４は、図示していない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る。例えば、前述の半円柱形の先端を空気圧で作動させて溶接止端部３の近傍を狙って、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。

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

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。

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、ハンマーピーニングを処理したものと処理していないものを作製した。そして、穿孔法による板厚方向の圧縮残留応力を測定し、さらに、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。

［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

［ヤング率、ポアソン比の測定方法］
ヤング率、ポアソン比は、ＡＳＴＭＥ８Ｍ「金属材料の引張試験方法」に準拠して測定した。

［穿孔法による圧縮残留応力測定］
圧縮残留応力は、ＡＳＴＭＥ８３７規格に基づく穿孔法により測定した。この穿孔法は、図２に示すように、まず、試験体の残留応力測定箇所にドリル６で穴を開け、応力解放前の穴径を測り、次に、トレパニングにより応力を解放する。応力解放後に穴径を再度測定し、応力が解放される前後の変形量を評価することで、残留応力を測定するものである。

［４点曲げ疲労試験］
４点曲げ疲労試験方法は、図３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。

それらの測定結果、試験結果を表１に示す。

Ｎｏ．１～５は、本発明例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．６～８は、比較例であって、ハンマーピーニング処理していない場合の溶接ままの試験結果である。

Ｎｏ．１～５のハンマーピーニング処理した場合の試験結果は、溶接ままの試験結果と比較して疲労寿命が３倍以上（疲労設計曲線の１等級向上）となった。また、疲労強度向上に寄与すると考えられる板厚方向の圧縮残留応力領域の測定結果も表１に示す。最大深さと幅の積（Ｄ_P×Ｗ_P）が３．０ｍｍ²以上となる打撃痕を形成することで、表層から深さ３．０ｍｍ以上の領域まで圧縮残留応力が付与された。

一方で、最大深さと幅の積が２．５ｍｍ²となる母材打撃による従来手法のＮｏ．９では、ハンマーピーニング処理していない場合の疲労寿命と比較して１．２倍程度の向上であり、疲労設計曲線の１等級向上には寄与できないレベルであった。

以上のように、本発明は、最大深さと幅の積が３．０ｍｍ²以上となる打撃痕を形成することにより、表層から深さ３．０ｍｍ以上の領域まで圧縮残留応力が付与可能であり、疲労強度向上効果を発揮した。

１母材（母材部）
２溶接金属
３溶接止端部
４チッパー
５打撃痕
６ドリル
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
Ｌ溶接止端部と前記打撃痕との距離
Ｄ_P 打撃痕の最大深さ
Ｗ_P 打撃痕の幅
ｔ板厚
θ チッパーの打撃方向の傾き角度

Claims

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打撃痕を形成し、圧縮残留応力を前記母材部の表層から深さ（Ｄ _Ｓ）が３．０ｍｍ以上の領域に形成させ、前記溶接止端部と前記打撃痕との距離（Ｌ）が１．０ｍｍ以内であり、前記打撃痕の最大深さ（Ｄ_Ｐ）と幅（Ｗ_Ｐ）の積（Ｄ_Ｐ×Ｗ_Ｐ）が３．０ｍｍ^２以上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。
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。