WO2020183783A1 - ニードルピーニング方法 - Google Patents

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塩崎　毅
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    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals

Definitions

  • the present invention relates to a needle-peening method, and more particularly to a needle peening method for striking a weld toe of a welded joint that welds a sheet metal. ..
  • the fatigue characteristics (fatigue properties) of the welded part do not improve even if the base metal is increased in strength (high-strengthening), and it is effective to supplement by increasing the plate thickness, so the suspension circumference It is an obstacle to reducing the wall thickness of steel members used for parts. Therefore, various techniques for improving the fatigue characteristics of the welded portion have been implemented for the purpose of reducing the wall thickness.
  • the radius of curvature of the tip radius of the hammer tip or the tip of the striking pin is the welding toe end (welding surplus toe end). Since it is too large compared to the radius of curvature, the plastic flow of the material to be hit causes folding defects (overlapping defects) at the weld toe, and fatigue starting from the fold defect at the weld toe. There was a problem that fracture occurred and the fatigue characteristics were not sufficiently improved.
  • Patent Document 3 proposes a needle peening method in which a pin having a tip radius of 1.0 mm or more and 2.0 mm or less is used to prevent the occurrence of overlapping flaws caused by plastic flow of metal due to the impact of the pin. ing. Further, Patent Document 4 proposes a needle peening method for preventing a fold defect at a weld toe from the relationship between the shape of a weld metal portion and the tip radius of a vibration terminal (vibration pin). In addition, a method of grinding the weld toe using a grinder as a pretreatment has been proposed.
  • Patent Document 5 states that a predetermined angle from the welding direction is provided at intervals so that the raised edges of the impact marks formed by needle peening overlap.
  • a method has been proposed in which a striking process is performed with a plurality of pins that are held in parallel and fixed in parallel to increase the residual stress to be introduced.
  • the occurrence of a fold flaw can be suppressed based on the relational expression between the tip radius of the striking pin (vibration terminal) and the shape of the weld toe, but for example, the curvature of the weld toe.
  • the flank angle is required to be 15 degrees or less.
  • the typical value of the flank angle is about 60 degrees, there is a problem that the method proposed in Patent Document 4 cannot be applied to most welded joints using a thin steel plate as a base material. ..
  • the tip radius of the striking pin is large, the driving force required to apply pressure to apply plastic deformation becomes large, so a striking with a tip radius of 1.0 mm or more against a high-strength material.
  • an air-driven type Patent Document 2
  • an ultrasonic type Patent Document 3 and Patent Document 5
  • the tip radius of the striking pin is small, it is possible to suppress the occurrence of a fold flaw 47 at the weld toe as shown in FIG. 10, but the dent end is broken near the weld toe. Fatigue 49 may occur, which may be the starting point of fatigue fracture.
  • a fold flaw 49 of the hit end continuous in the welding direction is formed.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and to provide a needle peening method capable of alleviating stress concentration at a weld toe and preventing the occurrence of fold flaws. The purpose.
  • the needle peening method according to the present invention is a needle peening method in which a striking pin is used to apply a striking force to a weld toe of a welded joint in which two thin metal plates are welded and joined, and the striking pin is the tip thereof.
  • the radius of curvature in the cross section perpendicular to the welding direction of the portion is 0.05 mm or more and less than 1.00 mm, and one or more of the striking pins are vibrated in the central axis direction, and one rotation axis parallel to the central axis is formed.
  • the central axis of the striking pin is offset from the rotation axis and rotated, or with a plurality of striking pins, the striking pin is rotated with a rotation axis and moved along the welding direction to stop welding. Hit the edge.
  • the plurality of striking pins are arranged in the radial direction about the rotation axis.
  • the plurality of striking pins are arranged in the circumferential direction about the rotation axis.
  • the present invention it is possible to suppress the occurrence of fold flaws at the weld toe, flatten the weld ripple at the weld toe, and improve the fatigue characteristics of the welded joint.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a needle peening method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating another aspect of the needle peening method according to the embodiment of the present invention (No. 1).
  • FIG. 3 is a diagram illustrating another aspect of the needle peening method according to the embodiment of the present invention (No. 2).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating another aspect of the needle peening method according to the embodiment of the present invention (No. 3).
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of an arrangement of striking pins in the needle peening method according to the embodiment of the present invention (No. 1).
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of an arrangement of striking pins in the needle peening method according to the embodiment of the present invention (No. 2).
  • FIG. 7 is a diagram illustrating processing by the needle peening method according to the present invention in Examples.
  • FIG. 8 is a graph showing the fatigue test results in the examples.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the radius of curvature of the tip of the striking pin and the number of cycles in the fatigue test according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a problem of the conventional needle peening method.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a fold defect generated by a conventional needle peening method.
  • the radius of curvature of the weld toe is as small as 1.0 mm or less, it has been considered difficult to sufficiently relieve stress concentration due to its sharp shape. Therefore, in order to alleviate stress concentration by striking the weld toe with the striking pin, the radius of curvature in the cross section of the tip of the striking pin perpendicular to the welding direction is increased to some extent, for example, the welding toe. It was thought that it was necessary to make it greater than or equal to the radius of curvature of the part.
  • FIGS. 10 and 11 there is a possibility that a fold flaw 47 of the weld toe may occur due to the plastic flow of the material. ..
  • the shape of the weld toe is relaxed without causing a fold flaw in the weld toe with a radius of curvature of 1.0 mm or less, and further, the weld toe is further relaxed.
  • the method of flattening the welding ripple in the part was enthusiastically studied.
  • FIGS. 1 to 6 by taking a lap fillet welded joint as an example.
  • elements having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals to omit duplicate description.
  • the featured parts may be enlarged for convenience, but the dimensions and ratios of the respective components are the same as the actual ones. Not necessarily.
  • a weld bead in a welded joint 11 in which two metal thin plates 13 and a metal thin plate 15 are welded and joined by using a striking pin 1 is used.
  • ) 17 is applied to the weld toe portion 19, and one striking pin 1 is vibrated in the direction of the central axis, and the striking is performed while rotating around the rotation axis offset parallel to the central axis.
  • the pin 1 is moved along the welding direction to hit the weld toe portion 19.
  • the tip portion 1a of the striking pin 1 has a radius of curvature of 0.05 mm or more and less than 1.00 mm in a cross section perpendicular to the welding direction.
  • the rotation axis is set offset from the central axis of the striking pin 1.
  • the plastic deformation region in the plate thickness direction due to striking is about 0.05 mm on the surface layer of the processed portion in the welded joint 11. ..
  • the strain gradient in the thickness direction becomes large, a large compressive residual stress is locally obtained on the surface of the work piece, and the fatigue strength is improved.
  • the plastic deformation region in the plate thickness direction is as shallow as about 0.05 mm, the plate warping (warping of sheet) due to the needle peening process is suppressed.
  • the striking pin 1 has a small radius of curvature of 0.05 mm or more and less than 1.00 mm at the tip portion 1a. Therefore, the contact area of the welded joint 11 with the work piece is reduced, and the striking load applied to the striking pin 1 for generating a pressure that causes plastic deformation on the surface layer of the welded joint 11 can be reduced. ..
  • the conventional pneumatic peening and ultrasonic peening it is possible to reduce the size of the tool for impact machining, and it is possible to improve workability and productivity.
  • the peening processing width can be widened by rotating the striking pin around the offset rotation axis, the weld toe end can be widened even in a welded joint of a weld bead having an unstable shape or a curved shape. It is possible to perform construction that reliably hits the part.
  • the striking pin is rotated to strike, at least the range of the portion to be impacted may be about 0.5 mm on the welding bead side and the base metal side, centering on the welding toe.
  • the fatigue characteristics of a welded joint formed by welding a high-strength material can be easily and dramatically improved. Then, the effects obtained by the present invention can be fully enjoyed for the automobile parts that are required to achieve both thinning and improvement of fatigue characteristics.
  • one striking pin 1 is striking while rotating, but as another aspect of the present invention, as illustrated in FIGS. 2 to 4, a plurality of striking pins 1 are used. While vibrating in the direction of the central axis, a plurality of striking pins 1 are moved along the welding direction while rotating around one rotation axis parallel to the central axis to strike the welding toe portion 19 of the welding bead 17. It may be a thing.
  • FIG. 2 shows the three striking pins 1 arranged in the radial direction centered on the rotation axis
  • FIG. 3 shows the three striking pins 1 arranged in the circumferential direction centered on the rotation axis. is there.
  • FIG. 4 shows a plurality of striking pins 1 bundled at positions offset from the rotation axis.
  • FIG. 5 shows an arrangement when a plurality of striking pins 1 are arranged in the radial direction centered on the rotation axis
  • FIG. 6 shows an arrangement when a plurality of striking pins 1 are arranged in the circumferential direction centered on the rotation axis.
  • a specific example of an array is shown.
  • the axis of rotation is from any of the central axes of the plurality of striking pins 1 as shown in FIGS. 2 to 4 and 5 (a) and 6 (a) described above. Also does not need to be offset, and may be aligned with the central axis of any one of the plurality of striking pins 1 as shown in FIGS. 5 (b), 5 (c) and 6 (b).
  • the striking area can be expanded and the processing speed (peening speed) can be increased without increasing the striking load applied to the striking pins 1. .. Further, as shown in FIG. 4, by rotating the bundle of the striking pins 1 at the same time, the processing efficiency (efficiency of peening) can be further improved.
  • the shape of the tip portion 1a of the striking pin 1 is not particularly limited as long as the radius of curvature in the cross section perpendicular to the welding direction is 0.05 mm or more and less than 1.00 mm, and the shape of the tip portion 1a is, for example, hemispherical. ), Semi-elliptical, semi-cylindrical, abbreviated semi-cylindrical, etc. can be used.
  • the welded joint 11 in the above description is for a lap fillet welded joint in which two thin metal plates 13 and 15 are lap filledet welded.
  • the present invention is not limited to those targeting the weld toe of a lap fillet welded joint, and fillet such as a T-joint or a cruciform joint. It may be a welding) joint, a butt welding joint, or the like.
  • the welding method of the welded joint is not limited to arc welding, and the present invention can be applied to a weld toe formed by any welding method.
  • the metal thin plate used as the base material of the welded joint is not particularly limited as long as it is a thin plate.
  • the needle peening process was performed according to the procedure shown below.
  • the welded joint 21 having the positioning pin hole 33 is fixed by the jig 31.
  • the striking pin 1 is vibrated by an electromagnetic tool installed at the tip of a robot arm (not shown), and the striking pin 1 is rotated and moved along the welding direction of the welded joint 21.
  • the welding start portion 27a of the welding bead 27 is set as the peening processing start position
  • the welding end portion 27b is set as the peening processing end position. Welded in.
  • the first welded joint 21 is needle peened.
  • the second welded joint 21 was replaced with a needle peening process under the condition of teaching to the first welded joint 21.
  • the fatigue test pieces were collected from each of the one welded joint 21 subjected to the needle peening treatment and the welded joint not subjected to the needle peening treatment as a comparison, and a plane bending fatigue test was carried out.
  • the fatigue test conditions were such that the repetition frequency was 15 Hz and the stress ratio (ratio of the minimum and maximum values of stress applied to the fatigue test piece) was 0 (pulsating). Then, the number of cycles in which stress was applied to the fatigue test piece until fatigue cracks were generated was measured, and when the number of cycles reached 3 ⁇ 10 6 , the test was terminated and set as the fatigue limit.
  • Nos. 1 to 3 shown in Table 2 are for the needle peening processing conditions according to the example of the present invention, and are the moving speed and the turning radius of one striking pin 1 (the central axis and the rotating axis of the striking pin 1). The offset distance) and the number of rotations are changed, and No. 4 is a needle peening processing condition for hitting the weld toe without offsetting or rotating one hitting pin for comparison.
  • FIG. 8 shows the fatigue test results.
  • the horizontal axis is the number of cycles in which fatigue cracks are generated by repeatedly applying stress to the fatigue test piece (fatigue life), and the vertical axis is the difference between the applied stress range (maximum stress and minimum stress (0 MPa)). ).
  • the result was that the fatigue life (fatigue life) varied widely.
  • No. 1 to No. 3 according to the examples of the present invention showed almost the same fatigue life in each stress range, and the fatigue life was longer than that of the comparative example in each stress range, which was a good result.
  • the frequency of the striking pin is 100 Hz
  • the moving speed is 80 cm / min
  • the radius of gyration (the offset distance between the central axis of the striking pin closest to the axis of rotation and the axis of rotation) is 2 mm
  • the number of rotations is 7.5 times / s.
  • the radius of curvature in the cross section perpendicular to the welding direction of the tip of the striking pin was changed within the range of 0.03 mm to 1.00 mm.
  • the repetition frequency is 15 Hz
  • the load stress range is 650 MPa
  • the stress ratio is 0 (one-sided swing)
  • the number of cycles in which stress is applied until fatigue cracks occur in the fatigue test piece is measured, and the number of cycles is 3 ⁇ 10 6 . It was set as the fatigue limit.
  • a cross section perpendicular to the welding direction of the weld toe is photographed to observe the presence or absence of fold flaws due to the impact of the impact pin and the wear of the tip of the impact pin due to the impact. Welded and evaluated. Table 3 shows the radius of curvature of the tip of the striking pin, the occurrence of fold defects, the wear of the tip of the striking pin, and the overall evaluation results.
  • the radius of curvature of the tip portion was 1.00 mm, which was larger than the radius of curvature of the weld toe, so that a crease was observed at the weld toe.
  • FIG. 9 shows the results of the fatigue life of the fatigue test piece subjected to needle peening treatment with a striking pin having a tip portion having a radius of curvature shown in Table 3.
  • the tip of the striking pin was so worn that the needle peening process could not be continued, and the number of fatigue test pieces required for evaluation could not be collected.
  • the radius of curvature of the tip portion is 1.00 mm, which is larger than the preferable range of the present invention. Therefore, as shown in Table 3 above, a crease occurs at the weld toe. Te, fatigue cracking has occurred in the number 1 ⁇ 10 5 ⁇ 1.4 ⁇ 10 about 5 cycles.
  • the fatigue life was better than that of No. 16 according to the comparative example, with the number of cycles being 2 ⁇ 10 5 to 10 ⁇ 10 5 .
  • the radius of curvature of the tip portion increases within the range of 0.05 mm to less than 1.00 mm, the compressive residual stress acting on the impact mark bottom formed by the impact of the impact pin becomes stronger, so that the fatigue life tends to be further improved. I got some results.
  • Example 3 (Effect of striking pin arrangement, number, turning radius)> Further, for the welded joint manufactured under the welding conditions shown in Table 1, the radius of curvature of the tip of the striking pin is set to 0.3 mm, and the arrangement of striking pins, the number of striking pins, and the radius of gyration are changed to perform needle peening processing. Then, a plane bending fatigue test of the fatigue test piece after the treatment was performed at a repetition frequency of 15 Hz, a load stress of 650 MPa, and a stress ratio of 0 (one-sided swing) to evaluate the fatigue life. In the needle peening process, the frequency of the striking pin was 100 Hz, the moving speed was 80 cm / min, and the rotation speed was 7.5 times / s.

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Abstract

本発明に係るニードルピーニング方法は、打撃ピン１を用いて、２枚の金属薄板１３、１５を溶接接合する溶接継手１１の溶接止端部１９に打撃を付与するニードルピーニング方法であって、打撃ピン１は、その先端部１ａの溶接方向に垂直な断面における曲率半径が、0.05mm以上1.00mm未満であり、一つ又は複数の打撃ピン１を中心軸方向に振動させるとともに、該中心軸に平行な一つの回転軸を中心に一つの打撃ピン１ではその中心軸を回転軸からオフセットさせて回転させ、又は、複数の打撃ピン１では回転軸で回転させて、溶接方向に沿って移動させ、溶接止端部１９を打撃する。

Description

ニードルピーニング方法
　本発明は、ニードルピーニング（needle-peening）方法に関し、特に、金属薄板（sheet　metal）を溶接（welding）する溶接継手（welded　joint）の溶接止端部（weld　toe）を打撃するニードルピーニング方法に関する。
　一般に、自動車の（automotive）足回り部品（suspension　part）の多くは、薄鋼板（steel　sheet）からなる各鋼部材（steel　parts）が溶接継手によって接合（joining）されている。また、足回り部品には自動車が走行（driving）中に繰り返し荷重（load）がかかるため疲労破壊（fatigue）が生じる可能性がある。このような疲労破壊は溶接部（weld）で発生しやすいことが知られており、そのほとんどは、溶接方向に平行なき裂（crack）を原因とする破壊モード（fracture　mode）である。この破壊モードは、溶接方向に平行な方向の曲げモーメント（bending　moment）荷重、すなわち溶接方向に垂直な応力により引き起こされる破壊モードである。そして、溶接部の疲労特性（fatigue　properties）は母材（base　metal）を高強度化（high-strengthening）しても向上せず、板厚増で補うのが効果的であるために、足周り部品に用いられる鋼部材の薄肉化（reducing　the　wall　thickness）の障害となっている。そのため、薄肉化を図る目的でこれまで、溶接部の疲労特性を向上させる種々の技術が実施されてきた。
　疲労破壊の多くは、溶接部の中でも溶接止端部で発生し、その主な要因は、溶接止端部における応力集中（stress　concentration）と、溶接による引張残留応力（tensile　residual　stress）であることが知られている。そこで、この問題を解決するため、溶接止端部の形状を変形させて応力集中を緩和し、同時に塑性変形（plastic　deformation）による圧縮残留応力（compressive　residual　stress）を付与する方法として、振動したハンマチップ（hammer　tip）又は打撃ピン（peening　pin）で溶接止端部を打撃するニードルピーニング処理が実施されてきた（特許文献１及び特許文献２）。しかし、特許文献１及び特許文献２に開示されている方法においては、ハンマチップの先端半径又は打撃ピンの先端の曲率半径（radius　of　curvature）が溶接止端部（溶接余盛止端部）の曲率半径に比べ大きすぎるため、打撃される材料の塑性流動（plastic　flow）により溶接止端部に折れ込み疵（overlapping　defects）が発生し、当該溶接止端部の折れ込み疵を起点とする疲労破壊が生じて疲労特性が十分に向上しないという問題があった。
　このため、特許文献３においては、先端半径が1.0mm以上2.0mm以下のピンを用い、ピンの衝撃により金属が塑性流動して生じるオーバーラップ状の疵の発生を防止するニードルピーニング方法が提案されている。また、特許文献４においては、溶接金属部の形状と振動端子（vibration　pin）の先端半径との関係から、溶接止端部における折れ込み疵を防止するニードルピーニング方法が提案されている。加えて、前処理としてグラインダを用いて溶接止端部を研削する方法が提案されている。
　さらに、ニードルピーニングによって導入される圧縮残留応力をより大きくするために、特許文献５には、ニードルピーニングによって形成される打撃痕の盛り上がり縁が重複するように、間隔を開けて溶接方向から所定角度を持たせて並列させ固定したままの複数のピンで打撃処理を行い、導入される残留応力を増大させる方法が提案されている。
特許第３００２２２９号公報 特開２０１４－００８５０７号公報 特許第４８３７４２８号公報 特開２０１３－７１１４０号公報 特開２００６－１６７７２４号公報
　自動車の足周り部品の多くは、板厚が0.8mm以上3.5mm以下の薄鋼板を母材として溶接継手によって接合されたものであり、このような薄鋼板の溶接継手における溶接止端部の曲率半径は約0.2～1.0mmである。そのため、薄鋼板の溶接継手に特許文献３に提案されている方法を適用すると、たとえ先端半径が1.0mmの打撃ピンを用いて打撃したとしても、図１０に示すように、溶接止端部の折れ込み疵４７が発生する危険性が高かった。
　また、特許文献４に提案された方法では、打撃ピン（振動端子）の先端半径と溶接止端部形状の関係式に基づいて折れ込み疵の発生が抑制できるが、例えば溶接止端部の曲率半径が0.3mmの溶接継手に対しては、フランク角度（flank　angle）が15度以下であることが要求される。しかしながら、フランク角度の典型的な値が60度程度であることを考慮すると、特許文献４に提案された方法は、薄鋼板を母材とする大部分の溶接継手には適用できない問題があった。
　また、打撃ピンの先端半径が大きいと、塑性変形を加えるための圧力を与えるのに必要な駆動力は大きくなるため、高強度材（high-strength　material）に対して先端半径1.0mm以上の打撃ピンを使用した場合、エア駆動式（特許文献２）や超音波式（特許文献３、特許文献５）などの高価で大型の装置を使用する必要があった。これに対し、打撃ピンの先端半径が小さいと、図１０に示すような溶接止端部の折れ込み疵４７の発生を抑制することはできるが、溶接止端部の近くに打撃痕端の折れ込み疵４９が発生し、疲労破壊の起点となる場合がある。特に、溶接方向に沿って溶接止端部を打撃すると、溶接方向に連続した打撃痕端の折れ込み疵４９が形成される。
　このような溶接方向に連続した打撃痕端の折れ込み疵４９に対して直交する方向に荷重が作用する場合、疲労の繰り返し引張応力（tensile　stress）の方向に対して直交する方向に連なる切欠きとみなすことができる。そして、このような切欠きは、他の方向（例えば、引張応力方向に平行な方向）に連なる切欠きに比べ、該切欠きの底部に発生する応力が高くなるため、き裂の発生と進展を促進する。このことから、溶接方向に直交する方向に作用する荷重が溶接止端部に負荷された際、溶接方向に並行して打撃痕端の折れ込み疵４９が形成されると、打撃ピンの打撃による疲労特性の向上を妨げてしまうという問題があった。
　このような問題は、打撃痕の盛り上がり縁が重複するように複数のピンで打撃処理を行う特許文献５に提案された方法においても見られ、溶接方向に垂直な応力に対してき裂進展を抑制できない問題があった。
　本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、溶接止端部の応力集中を緩和するともに折れ込み疵の発生を防止することができるニードルピーニング方法を提供することを目的とする。
　本発明に係るニードルピーニング方法は、打撃ピンを用いて、２枚の金属薄板を溶接接合する溶接継手の溶接止端部に打撃を付与するニードルピーニング方法であって、前記打撃ピンは、その先端部の溶接方向に垂直な断面における曲率半径が、0.05mm以上1.00mm未満であり、一つ又は複数の前記打撃ピンを中心軸方向に振動させるとともに、該中心軸に平行な一つの回転軸を中心に一つの前記打撃ピンでは当該打撃ピンの中心軸を回転軸からオフセットさせて回転させ、又は、複数の前記打撃ピンでは回転軸で回転させて、溶接方向に沿って移動させ、前記溶接止端部を打撃する。
　複数の前記打撃ピンは、前記回転軸を中心とする径方向に配列されているとよい。
　複数の前記打撃ピンは、前記回転軸を中心とする周方向に配列されているとよい。
　本発明によれば、溶接止端部における折れ込み疵の発生を抑制し、かつ溶接止端部における溶接リップルを平坦にすることができ、溶接継手の疲労特性を向上させることができる。
図１は、本発明の実施の形態に係るニードルピーニング方法を説明する図である。 図２は、本発明の実施の形態に係るニードルピーニング方法の他の態様を説明する図である（その１）。 図３は、本発明の実施の形態に係るニードルピーニング方法の他の態様を説明する図である（その２）。 図４は、本発明の実施の形態に係るニードルピーニング方法の他の態様を説明する図である（その３）。 図５は、本発明の実施の形態に係るニードルピーニング方法における打撃ピンの配列の例を示す図である（その１）。 図６は、本発明の実施の形態に係るニードルピーニング方法における打撃ピンの配列の例を示す図である（その２）。 図７は、実施例において、本発明に係るニードルピーニング方法による処理を説明する図である。 図８は、実施例において、疲労試験結果を示すグラフである。 図９は、実施例に係る疲労試験おいて、打撃ピンの先端部の曲率半径とサイクル数の関係を示すグラフである。 図１０は、従来のニードルピーニング方法の問題点を説明する図である。 図１１は、従来のニードルピーニング方法により発生する折れ込み疵を説明する図である。
　従来、溶接止端部の曲率半径が1.0mm以下と小さい場合、その鋭利な形状から、応力集中を十分に緩和することは難しいとされていた。そのため、打撃ピンにより溶接止端部を打撃することで応力集中を緩和するためには、該打撃ピンの先端部の溶接方向に垂直な断面における曲率半径をある程度大きくして、例えば、溶接止端部の曲率半径以上にする必要があると考えられていた。しかしながら、溶接止端部よりも大きな曲率半径を有する打撃ピンで打撃すると、図１０及び図１１に示すように、材料の塑性流動によって溶接止端部の折れ込み疵４７が発生するおそれがあった。
　その一方で、溶接止端部の曲率半径よりも小さな曲率半径の打撃ピンを用いて溶接止端部を溶接方向に沿って打撃すると、図１０に示すように、溶接止端部の近くに打撃痕端の折れ込み疵４９が連続的に形成され、これを起因として疲労特性が低下する場合があった。
　そこで、発明者らは、溶接継手が疲労破壊に至る原因を詳細に調査し直した結果、溶接時に溶接止端部に生成される溶接リップル（welding　ripple）と呼ばれる0.05mm以下の微小な凹凸が疲労特性を悪化させることを突き止めた。特に、引張強度（tensile　strength）が780MPa級（MPa　grade）以上の高強度材では、溶接止端部の応力集中による疲労強度低下の影響が大きいため、この応力集中を緩和することで疲労特性向上の効果が大きくなることを見い出した。
　そこで、打撃ピンにより溶接止端部を打撃するに際し、曲率半径1.0mm以下の溶接止端部に対して折れ込み疵を発生させずに溶接止端部の形状を緩和し、さらには溶接止端部における溶接リップルを平坦化する方法を鋭意検討した。
　その結果、溶接止端部の曲率半径よりも小さな曲率半径の打撃ピンを、その中心軸からオフセットした回転軸を中心に回転させながら溶接方向に沿って溶接止端部を打撃することで、溶接止端部の折れ込み疵と打撃痕端の折れ込み疵の双方の発生を抑止しつつ溶接止端部の溶接リップルを平坦化することができ、十分な疲労特性の向上と生産性の向上を実現できるという知見を得た。
　以下、本発明の実施の形態に係るニードルピーニング方法について、重ね隅肉溶接継手を例に図１～図６に基づいて説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能や構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、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拡大して示されている場合があるが、各構成要素の寸法や比率などが実際と同じであるとは限らない。
　本実施の形態に係るニードルピーニング方法は、図１に一例として示すように、打撃ピン１を用いて、２枚の金属薄板１３及び金属薄板１５を溶接接合する溶接継手１１における溶接ビード（weld　bead）１７の溶接止端部１９に打撃を付与するものであって、一つの打撃ピン１を中心軸方向に振動させるとともに、該中心軸に平行でオフセットさせた回転軸を中心に回転させながら打撃ピン１を溶接方向に沿って移動させ、溶接止端部１９を打撃するものである。
　本実施の形態において、打撃ピン１の先端部１ａは、溶接方向に垂直な断面における曲率半径が0.05mm以上1.00mm未満である。先端部１ａの曲率半径をこの範囲とすることで、打撃したときの先端部１ａの摩耗の影響を受けずに溶接止端部１９の微小凹凸形状を緩和することができ、さらには、打撃による溶接止端部１９での折れ込み疵の発生を防止することができる。
　そして、図１に示すように一つの打撃ピン１で打撃する場合、回転軸は、打撃ピン１の中心軸とオフセットして設定されている。
　このように、打撃ピン１の中心軸とオフセットされた回転軸を中心として打撃ピン１を回転させることで、打撃加工幅を広げて溶接止端部１９の周辺一体が打撃加工され、溶接止端部１９における溶接リップルを平坦化することができる。これにより、特許文献４に提案されているようなグラインダ等での前処理が不要となる。
　また、先端部１ａの曲率半径が上記範囲内に設定された打撃ピン１においては、打撃による板厚方向の塑性変形域は溶接継手１１における被加工部位（processed　portion）の表層0.05mm程度となる。これにより、板厚（thickness）方向のひずみ勾配（strain　gradient）が大きくなり、被加工部位の表面において局所的に大きな圧縮残留応力が得られ、疲労強度が向上する。これに加え、板厚方向の塑性変形域が0.05mm程度と浅いことから、ニードルピーニング処理による板反り（warping　of　sheet）が抑制される。
　さらに、従来技術においては曲率半径が1.00mm以上の打撃ピンが用いられていたが、本実施の形態に係る打撃ピン１は、その先端部１ａの曲率半径が0.05mm以上1.00mm未満と小さい。このため、溶接継手１１における被加工部位との接触面積が小さくなり、溶接継手１１の表層に塑性変形を起こす圧力を生み出すための打撃ピン１に与える打撃荷重（peening　load）を小さくすることができる。これにより、従来のエア式ピーニングや超音波式ピーニングと比べて、打撃加工するための工具の小型化が可能となり、作業性や生産性の向上を実現できる。
　その上、本発明においては、打撃ピンをオフセットした回転軸周りに回転させることでピーニング加工幅を広げることができるため、不安定な形状や曲線状の溶接ビードの溶接継手においても、溶接止端部を確実に打撃する施工が可能となる。なお、打撃ピンを回転させて打撃するに際し、少なくとも打撃させるべき部位の範囲が溶接止端部を中心として溶接ビード側及び母材側にそれぞれ0.5mm程度であればよい。
　パラメーを設定するための指針として、打撃ピン振動の周波数（frequency）をfH[1/s]、回転数をf[1/s]、回転半径（オフセット距離）をr[mm]とすると、以下の関係を満たすとよい。
　0.5／2πr≦f／fH≦2.0／2πr
　また、移動速度をv[mm/s]とすると、以下の関係を満たすとよい。
　0.25f≦v≦2.5f
　以上、本発明によれば、高強度材を溶接接合してなる溶接継手の疲労特性を容易かつ劇的に向上させることができる。そして、薄肉化と疲労特性向上の両立を求められる自動車部品（automotive　parts）について、本発明により得られる効果を十分に享受することができる。
　なお、上記の説明は、一つの打撃ピン１を回転させながら打撃するものであったが、本発明の他の態様としては、図２～図４に例示するように、複数の打撃ピン１を中心軸方向に振動させるとともに、その中心軸に平行な一つの回転軸を中心に回転させながら複数の打撃ピン１を溶接方向に沿って移動させ、溶接ビード１７の溶接止端部１９を打撃するものであってもよい。
　図２は、３つの打撃ピン１が、回転軸を中心とする径方向に配列させたもの、図３は、３つの打撃ピン１が、回転軸を中心とする周方向に配列させたものである。図４は、複数の打撃ピン１を、回転軸からオフセットした位置で束ねたものである。
　図５に、複数の打撃ピン１を回転軸を中心とする径方向に配列させた場合の配列、図６に、複数の打撃ピン１を回転軸を中心とする周方向に配列させた場合の配列、の具体例を示す。複数の打撃ピン１を回転させる場合、回転軸は、前述の図２～図４や、図５（ａ）及び図６（ａ）に示すように、複数の打撃ピン１のいずれの中心軸からもオフセットさせることを要するものではなく、図５（ｂ）、（ｃ）及び図６（ｂ）に示すように、複数の打撃ピン１のうちいずれか一つの中心軸と一致させてもよい。
　このように、複数の打撃ピン１を配列し回転させて打撃することで、打撃ピン１に与える打撃荷重を大きくさせずに、打撃面積を拡大するとともに加工速度（peening　speed）を高めることができる。さらには、図４に示すように、打撃ピン１の束を同時に回転させることで、加工効率（efficiency　of　peening）をさらに高めることができる。
　なお、打撃ピン１の先端部１ａの形状は、溶接方向に垂直な断面における曲率半径が0.05mm以上1.00mm未満であれば特に限定されず、先端部１ａの形状としては例えば、半球形（hemispherical）、半楕円形（semi-elliptical）、半円筒形（semi-cylindrical）、略蒲鉾型（abbreviated　semi-cylindrical）などのものを用いることができる。
　なお、上記の説明における溶接継手１１は、２枚の金属薄板１３、１５を重ね隅肉溶接（lap　fillet　welding）した重ね隅肉溶接継手についてのものであった。もっとも、本発明は、重ね隅肉溶接継手の溶接止端部を対象とするものに限定されるものではなく、Ｔ継手（T-joint）や十字継手（cruciform　joint）などの隅肉溶接（fillet　welding）継手や、突き合せ溶接（butt　welding）継手などであってもよい。また、溶接継手の溶接方法についても、アーク溶接（arc　welding）に限らず、いずれの溶接方法により形成した溶接止端部にも本発明を適用することができる。さらには、溶接継手の母材に用いる金属薄板についても、薄板であればその材質（material）は特に問わない。
　本発明の作用効果について確認するための実験を行ったので、これについて以下に説明する。本実施例では、２枚の薄鋼板を重ね隅肉アーク溶接した溶接継手における溶接ビードの溶接止端部について、回転させながら打撃する打撃ピンを用いてニードルピーニング処理を行った。次いで、該ニードルビーニング処理した溶接継手、及び、比較としてニードルピーニング処理を行っていない溶接継手から疲労試験片（fatigue　specimen）を採取し、平面曲げ疲労試験（plane　bending　fatigue　test）を実施して疲労強度（fatigue　strength）を評価した。具体的な手順及び条件は以下のとおりである。
　まず、板厚2.9mm、引張強度980MPa級の熱延鋼板（hot-rolled　steel　sheet）から300×140mmの２枚の薄鋼板２３、２５を切り出した。そして、薄鋼板２３、２５を治具（jig）で固定して重ね隅肉アーク溶接し、溶接継手２１を作製した（図７参照）。溶接条件を表１に示す。なお、溶接継手２１の溶接止端部２９の曲率半径は、0.2mm～0.8mmであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本実施例では、以下に示す手順によりニードルピーニング処理を行った。まず、図７に示すように、位置決めピン孔３３を有する溶接継手２１を治具３１で固定する。そして、ロボットアーム（図示なし）の先端に設置した電磁式工具により打撃ピン１を振動させるとともに、打撃ピン１を回転させながら溶接継手２１の溶接方向に沿って移動させる。
　ロボットアームにより打撃ピン１を移動させるに際し、まず、一枚目の溶接継手２１を用い、溶接ビード２７の溶接開始部２７ａをピーニング加工開始位置、溶接終端部２７ｂをピーニング加工終了位置とし、ロボットアームにティーチングを実施した。
　次いで、そのティーチングに基づき、一枚目の溶接継手２１をニードルピーニング処理する。続いて、２枚目の溶接継手２１に入れ替えて、一枚目の溶接継手２１にティーチングした条件のままニードルピーニング処理を行った。この作業を繰り返して、溶接条件及びニードルピーニング条件が同一である溶接継手２１を合計５枚作製した。
　このようにニードルピーニング処理した１枚の溶接継手２１及び比較としてニードルピーニング処理していない溶接継手から各１枚あたり４本の疲労試験片を採取し、平面曲げ疲労試験を実施した。疲労試験条件は、繰り返し周波数を15Hz、応力比（stress　ratio）（疲労試験片に負荷する応力の最小値と最大値との比）を0（片振り（pulsating））とした。そして、疲労試験片に疲労亀裂が発生するまでの応力を負荷するサイクル数を測定し、サイクル数が3×106に到達したときに試験を打ち切り、疲労限（fatigue　limit）とした。
＜実施例１、回転軸からのオフセットと回転数の影響＞
　作製した溶接継手２１の溶接止端部２９に、溶接方向に垂直な断面における曲率半径が0.3mmの先端部１ａを有する一つの打撃ピン１を電磁式工具により100Hzで振動させ、ニードルピーニング処理を行った。ニードルピーニング処理条件を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示すNo.1～No.3は、本発明例に係るニードルピーニング処理条件のものであり、一つの打撃ピン１の移動速度、回転半径（打撃ピン１の中心軸と回転軸とのオフセット距離）及び回転数を変更したものである、また、No.4は、比較対象として、一つの打撃ピンをオフセットも回転もさせずに溶接止端部を打撃するニードルピーニング処理条件である。
　図８に、疲労試験結果を示す。図８において、横軸は、疲労試験片に繰り返し応力を負荷して疲労亀裂が発生したサイクル数（疲労寿命）、縦軸は、負荷する応力の範囲（最大応力と最小応力（0MPa）の差）である。打撃ピンをオフセットも回転もさせずに打撃した比較例に係るNo.4では、疲労寿命（fatigue　life）のばらつきが多い結果であった。これに対し、本発明例に係るNo.1からNo.3は、各応力範囲においてほぼ同じ疲労寿命を示し、いずれの応力範囲においても比較例よりも疲労寿命が長い良好な結果であった。
＜実施例２、打撃ピン先端部の曲率半径の影響＞
　次に、表１に示した溶接条件で作製した溶接継手に対して、図５（ａ）に示す３つの打撃ピンを回転軸を中心とする径方向に配列させ、打撃ピンの先端部の曲率半径を変更してニードルピーニング処理した疲労試験片の平面曲げ疲労試験を行い、疲労寿命を評価した。ニードルピーニング処理において、打撃ピンの振動数を100Hz、移動速度を80cm/min、回転半径（回転軸に最も近い打撃ピンの中心軸と回転軸のオフセット距離）を2mm、回転数を7.5回/sとし、打撃ピンの先端部の溶接方向に垂直な断面における曲率半径を0.03mm～1.00mmの範囲内で変更した。
　そして、繰り返し周波数を15Hz、負荷応力範囲を650MPa、応力比を0（片振り）とし、疲労試験片に疲労亀裂が発生するまで応力を負荷するサイクル数を測定し、サイクル数3×106を疲労限とした。さらに、ニードルピーニング処理した後の溶接止端部の溶接方向に垂直な断面を撮影し、打撃ピンの打撃による折れ込み疵の発生の有無と、打撃による打撃ピン先端部の摩耗（wear）を観察し評価した。表３に、打撃ピンの先端部の曲率半径と、折れ込み疵の発生、打撃ピンの先端部の摩耗、及びこれらを総合した評価結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３より、比較例に係るNo.11においては、先端部の曲率半径が0.03mmであり溶接止端部における折れ込み疵の発生は見られなかったものの、先端部の摩耗が激しかったために溶接方向に沿って十分に打撃することができず、疲労試験に供する疲労試験片を採取することができなかった。
　また、比較例に係るNo.16においては、先端部の曲率半径が1.00mmと溶接止端部の曲率半径に比べて大きいため、溶接止端部に折れ込み疵の発生が見られた。
　これに対し、先端部の曲率半径が本発明の範囲内であるNo.12～No.15においては、溶接止端部における折れ込み疵の発生が見られず、かつ、打撃ピンの先端部の摩耗の程度も十分に小さくて良好であった。
　図９に、表３に示す曲率半径の先端部を有する打撃ピンでニードルピーニング処理した疲労試験片の疲労寿命の結果を示す。
　前述のとおり、表３のうちNo.11においては、打撃ピン先端部の摩耗が大きくてニードルピーニング処理を続行できず、評価に必要な本数の疲労試験片が採取できなかった。比較例に係るNo.16においては、先端部の曲率半径が1.00mmであり本発明の好適範囲よりも大きいため、前掲した表３に示すように、溶接止端部に折れ込み疵が発生して、サイクル数1×105～1.4×105程度で疲労亀裂が発生した。
　これに対し、本発明例に係るNo.12～No.15においては、比較例に係るNo.16よりも疲労寿命がサイクル数2×105～10×105と良好な結果であった。そして、0.05mm～1.00mm未満の範囲内で先端部の曲率半径が大きくなると、打撃ピンの打撃により形成される打撃痕底に作用する圧縮残留応力が強くなるため、疲労寿命がより向上する傾向にある結果が得られた。
＜実施例３（打撃ピンの配列、本数、回転半径の影響）＞
　さらに、表１に示した溶接条件で作製した溶接継手に対して、打撃ピンの先端部の曲率半径を0.3mmとして、打撃ピンの配列、打撃ピンの本数、回転半径を変更してニードルピーニング処理し、処理後の疲労試験片の平面曲げ疲労試験を、繰り返し周波数15Hz、負荷応力650MPa、応力比0（片振り）で行い、疲労寿命を評価した。ニードルピーニング処理において、打撃ピンの振動数を100Hz、移動速度を80cm/min、回転数を7.5回/sとした。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４より、打撃ピンの配列を回転軸の径方向としたNo.21～No.24、打撃ピンの配列を回転軸の周方向としたNo.25とNo.26ともに、折れ込み疵は発生しなかった。又、疲労強度は、図８に示す従来の打撃ピンを回転させないNo.4のサイクル数の平均値が約1.5×105であったのに対して、本発明例のNo.21～No.26は、いずれもサイクル数の平均値が高くて、疲労寿命の良好な結果が示された。
　また、回転中心に最も近い打撃ピンの中心軸と回転軸とのオフセット距離である回転半径を変更したNo.21～No.23の疲労寿命はほぼ同じであり、いずれの条件でも良好な結果であった。
　本発明によれば、溶接止端部の応力集中を緩和するともに折れ込み疵の発生を防止することができるニードルピーニング方法を提供することができる。
　１　打撃ピン
　１ａ　先端部
　１１　溶接継手
　１３、１５　金属薄板
　１７　溶接ビード
　１９　溶接止端部
　２１　溶接継手（実施例）
　２３、２５　薄鋼板
　２７　溶接ビード
　２９　溶接止端部
　３１　治具
　３３　位置決めピン孔
　４１　打撃ピン
　４３　薄鋼板
　４５　溶接金属
　４７　溶接止端部の折れ込み疵
　４９　打撃痕端の折れ込み疵

Claims (3)

  1. 　打撃ピンを用いて、２枚の金属薄板を溶接接合する溶接継手の溶接止端部に打撃を付与するニードルピーニング方法であって、
    　前記打撃ピンは、その先端部の溶接方向に垂直な断面における曲率半径が、0.05mm以上1.00mm未満であり、
    　一つ又は複数の前記打撃ピンを中心軸方向に振動させるとともに、該中心軸に平行な一つの回転軸を中心に一つの前記打撃ピンでは当該打撃ピンの中心軸を回転軸からオフセットさせて回転させ、又は、複数の前記打撃ピンでは回転軸で回転させて、溶接方向に沿って移動させ、前記溶接止端部を打撃する、ニードルピーニング方法。
  2. 　複数の前記打撃ピンは、前記回転軸を中心とする径方向に配列されている、請求項１に記載のニードルピーニング方法。
  3. 　複数の前記打撃ピンは、前記回転軸を中心とする周方向に配列されている、請求項１又は２に記載のニードルピーニング方法。
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