焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件及其疲劳强度提高方法.pdf

本发明提供一种焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件及其疲劳强度的提高方法，其特征在于：在上述施工机械的吊杆和臂杆构件的完全焊透焊缝区的焊趾部具有励振打击痕。上述励振打击痕的底部表面的残余应力优选为10MPa以上的残余压缩应力。

1.  一种焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：在施工机械的吊杆和臂杆构件的完全焊透焊缝区的焊趾部具有励振打击痕。

2.  根据权利要求1所述的焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：所述励振打击痕的底部表面的残余应力为10MPa以上的残余压缩应力。

3.  根据权利要求1或2所述的焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：所述励振打击痕的底部表面的钢材晶体粒径为5μm以下。

4.  根据权利要求1～3中任一项所述的焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：所述完全焊透焊缝区的焊趾部包括：构成吊杆和臂杆的上板、侧板、下板的各钢板焊缝区的焊趾部，吊杆和臂杆内补强隔壁钢板与吊杆和臂杆的各钢板焊缝区的焊趾部，轴承部铸造托架与钢板焊缝区的焊趾部，和/或铲斗、臂杆、吊杆的各缸体两端固定部焊缝区的焊趾部。

5.  一种施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其是施工机械的吊杆和臂杆构件的疲劳强度提高方法，其特征在于：对施工机械的吊杆和臂杆的完全焊透焊缝区的焊趾部实施励振打击处理。

6.  根据权利要求5所述的施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其特征在于：所述完全焊透焊缝区的焊趾部包括：构成吊杆和臂杆的上板、侧板、下板的各钢板焊缝区的焊趾部，吊杆和臂杆内补强隔壁钢板与吊杆和臂杆的各钢板焊缝区的焊趾部，轴承部铸造托架与钢板焊缝区的焊趾部，和/或铲斗、臂杆、吊杆的各缸体两端固定部焊缝区的焊趾部。

7.  根据权利要求5或6所述的施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其特征在于：所述励振打击处理的条件是采用在10Hz～50kHz的频率下励振的振动端子，以0.01～4kW的功率实施励振打击。

8.  根据权利要求7所述的施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其特征在于：所述振动端子呈棒状，棒的前端部的断面积为0.01mm²～100mm²。

焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件及其疲劳强度提高方法
技术领域
本发明涉及焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆(boom/arm)构件及其疲劳强度的提高方法。
背景技术
动力铲等施工机械的吊杆和臂杆构件在施工机械的工作中常常承受反复载荷，有必要充分考虑对焊缝区的疲劳强度的安全性。
一般地说，焊缝区的疲劳强度明显低于母材的疲劳强度，作为其理由知道，为人所知的主要原因在于：焊趾部的应力集中，焊趾部的拉伸残余应力场的形成，以及焊接热影响区的晶粒粗大化。
作为其对策，以前使的方法有：通过对焊缝区进行砂轮机处理使焊缝区不发生应力集中的方法，以及将焊接后的吊杆和臂杆构件装入热处理炉进行后热处理即实施所谓的SR处理(消除应力处理)、由此降低焊缝区的拉伸残余应力的方法。
但是，砂轮机处理存在的问题是：不仅工作效率较差，而且其效果很大程度上为操作人员的熟练程度所左右，如过度磨削焊缝区而使接头强度降低等。
另外，为实施SR处理而需要大型的热处理炉，因而所存在的问题是：耗费大量的设备费和操作成本。
另外。特开2003-113418号公报就金属材料的疲劳成为问题的部位提出了一种提高金属材料疲劳寿命的方法，即在进行前处理后，再进行超声波冲击处理，之后进而进行品质保证检查。其中公开了超声波冲击处理使焊趾部以一定曲率发生变形，从而导致应力集中程度的改变。
再者，特开2004-130313号公报提出了一种疲劳强度的提高方法，即采用超声波振动端子对焊接2个重叠的端部所得到的重叠角焊接头的焊趾部附近进行打击。
但是，这些提案尚未就超声波打击处理适用于施工机械的吊杆和臂杆的场所及其条件进行研究。
发明内容
本发明的课题在于：解决上述现有技术的问题，提供一种焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件及其疲劳强度的提高方法。
本发明是为解决上述课题而潜心研讨的结果，是在施工机械的吊杆和臂杆构件的完全焊透焊缝区的焊趾部，采用振动端子设置励振打击痕，藉此提供焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件及其疲劳强度的提高方法，其要点叙述如下：
(1)一种焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：在施工机械的吊杆和臂杆构件的完全焊透焊缝区的焊趾部具有励振打击痕。
(2)根据(1)所述的焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：上述励振打击痕的底部表面的残余应力为10MPa以上的残余压缩应力。
(3)根据(1)或(2)所述的焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：上述励振打击痕的底部表面的钢材晶体粒径为5μm以下。
(4)根据(1)～(3)中任一项所述的焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件，其特征在于：上述完全焊透焊缝区的焊趾部包括：构成吊杆和臂杆的上板、侧板、下板的各钢板焊缝区的焊趾部，吊杆和臂杆内补强隔壁钢板与吊杆和臂杆的各钢板焊缝区的焊趾部，轴承部铸造托架与钢板焊缝区的焊趾部，和/或铲斗、臂杆、吊杆的各缸体两端固定部焊缝区的焊趾部。
(5)一种施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其是施工机械的吊杆和臂杆构件的疲劳强度提高方法，其特征在于：对施工机械的吊杆和臂杆的完全焊透焊缝区的焊趾部实施励振打击处理。
(6)根据(5)所述的施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其特征在于：上述完全焊透焊缝区的焊趾部包括：构成吊杆和臂杆的上板、侧板、下板的各钢板焊缝区的焊趾部，吊杆和臂杆内补强隔壁钢板与吊杆和臂杆的各钢板焊缝区的焊趾部，轴承部铸造托架与钢板焊缝区的焊趾部，和/或铲斗、臂杆、吊杆的各缸体两端固定部焊缝区的焊趾部。
(7)根据(5)或(6)所述的施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其特征在于：上述励振打击处理的条件是采用在10Hz～50kHz的频率下励振的振动端子，以0.01～4kW的功率实施励振打击。
(8)根据(7)所述的施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高方法，其特征在于：上述振动端子呈棒状，棒的前端部的断面积为0.01mm²～100mm²。
附图说明
图1是作为成为本发明对象的施工机械的例子，以立体图表示的动力铲的整体示意图。
图2以立体图示意表示了成为本发明对象的吊杆的结构。
图3以侧视图示意表示了成为本发明对象的臂杆的结构。
图4以剖面图示意表示了适用本发明的臂杆、吊杆焊缝区的一个实例。
图5是以剖面图示意表示了适用本发明的臂杆、吊杆焊缝区的另一个实例。
图6是以剖面图示意表示了适用本发明的臂杆、吊杆焊缝区的又一个实例。
图7是例示本发明所使用的振动端子的图。
图8是例示本发明所使用的振动端子的图。
图9表示与施工机械的吊杆和臂杆相当的箱形的试验体。
具体实施方式
采用图1～图8就本发明的实施方案进行详细的说明。
图1～图3例示了成为本发明对象的施工机械的臂杆和吊杆。图1是作为施工机械的例子、以立体图表示的动力铲的整体示意图，1表示上部旋转体，2表示下部移动体，3表示吊杆，4表示臂杆，5表示铲斗。动力铲每逢进行施工现场的土砂的挖掘和运输等作业时，则由轴力以及弯曲力构成的反复载荷作用于吊杆3和臂杆4上，从而有时在焊缝区产生裂纹而引起疲劳破坏。
图2以立体图示意表示了吊杆的结构，图3以侧视图示意表示了臂杆的结构。在图2以及图3中，6表示上板，7表示侧板，8表示下板，9表示补强隔板，10表示轴承部铸造托架，11表示缸体固定部。正如图2以及图3所示的那样，吊杆和臂杆的结构是箱形结构，其断面成为矩形封闭断面，不仅对轴向变形、而且对弯曲变形也是抗力很强的结构。
图4例示了本发明的臂杆、吊杆构件的断面。在图4中，6表示上板，7表示侧板，8表示下板，12表示焊缝金属，13表示焊趾部，14表示振动端子。
本发明涉及施工机械的吊杆、臂杆构件，其特征在于：在上述吊杆和臂杆构件的完全焊透焊缝区的焊趾部具有励振打击痕。
如图4所示，本发明采用振动端子14打击完全焊透焊缝区的焊趾部13，以致给最容易产生应力集中的焊趾部13赋予励振打击痕，从而使焊趾部13的残余应力成为残余压缩应力，藉此能够使焊缝区的疲劳强度得以提高。
在此，所谓的完全焊透焊缝区如图4所示，是指焊缝金属12遍及成为焊接对象的钢板在板厚方向的整个区域的焊缝区。
在本发明中，之所以使实施励振打击处理的焊缝区成为完全焊透的焊缝区，一个是因为如果不是完全焊透的焊接，则未熔敷部残留在焊接材料焊缝区，以致在其未熔敷部(根部)的前端产生应力集中，从而疲劳裂纹容易从该根部发生和扩展，再一个是因为该根部埋设在焊缝区内部，因而即使从外部实施励振打击处理，也不能将根部前端区域的残余应力由拉伸应力变为压缩应力。
另外，为了使焊缝区的疲劳强度得以提高，上述励振打击痕的底部表面的残余应力优选设定为10MPa以上的残余压缩应力。
此外，在本发明中，虽然不管吊杆、臂杆的材质，但从施工机械中常用的角度考虑，优选的是SS400、SM400、SM490、以及SM570等结构钢。
图5以及图6以剖面图示意表示了适用本发明的吊杆、臂杆的焊缝区具有代表性的实例。在图5以及图6中，8表示下板，9表示补强隔板，12表示焊缝金属，13表示焊趾部，14表示振动端子。图5表示下板8相互之间进行对焊的情况，图6表示下板8与补强隔板9进行T字焊接的情况。
这样，适用本发明的焊趾部只要是如上所述的完全焊透焊缝区即可，也可以是下述焊趾部之中的任一种，这些焊趾部包括：构成吊杆和臂杆的上板、侧板、下板的各钢板焊缝区的焊趾部，吊杆和臂杆内补强隔壁钢板与吊杆和臂杆的各钢板焊缝区的焊趾部，轴承部铸造托架与钢板焊缝区的焊趾部，和/或铲斗、臂杆、吊杆的各缸体两端固定部焊缝区的焊趾部。
图7以及图8是例示本发明所使用的振动端子的图。在图7中，14表示振动端子，15表示振动装置。首先，如图7所示，用振动端子14打击焊趾部的表面。
优选使用振动装置15，一边使振动端子14的端部振动，一边在10Hz～50kHz的频率下，以0.01～4kW的功率对焊趾部的表面实施励振打击。
通过在10Hz～50kHz的频率下，以0.01～4kW的功率实施励振打击，能够使上述励振打击痕的底部表面的残余应力为10MPa以上的残余压缩应力，同时能够使钢材晶体粒径为5μm以下。
关于焊趾部的表面通过打击而使残余应力成为残余压缩应力的机理，是因为采用在10Hz～50kHz的频率下励振的振动端子14，以0.01～4kW的功率进行打击，藉此使焊趾部表面产生塑性流动，从而伴随着打击痕的形成而在其表面附近形成残余压缩应力场。
另外，可以认为微细晶化的机理是，采用在10Hz～50kHz的频率下励振的振动端子14，以0.01～4kW的功率进行打击，藉此使焊趾部表面加工发热，由于在该加工发热不会散失的绝热状态下反复进行打击加工，因而产生与热锻同样的效果。
关于振动端子14的频率的限定理由，之所以将频率设定为10Hz以上，是因为在低于10Hz时，不能获得因打击产生的热的绝热效果；另外，之所以将频率设定为50kHz以下，是因为采用超声波等工业上能够适用的振动装置得到的频率一般为50kHz以下。
之所以将振动端子14的功率设定为0.01kW以上，是因为在低于0.01kW时，打击处理所需要的处理时间过长；之所以设定为4kW以下，是因为即使以超过该值的功率进行打击，其效果也达到饱和，从而导致经济性的降低。
另外，振动端子14为图7所示的棒状，该棒的前端部与被覆金属制品相接触的断面积过小时，则处理时间延长，另一方面，该断面积过大时，则晶体微细化效果并不充分，因而优选设定为0.01mm²～100mm²。
此外，在图7所示的实施方案中，振动端子14为一个，不过，也可以如图8所示那样，设置多个振动端子。
在图8的实施方案中，多个振动端子14成束使用，并使整个成束的振动端子14在上下方向和左右方向同时振动。
因此，为了在上下方向、左右方向各自的方向上产生振动，设置有多个振动装置15。
这样，使振动端子14上下、左右同时振动而打击焊趾部的表面，由此可以抑制织构的形成，并使晶粒等轴化，因而能够使表面层微晶化。
此外，振动端子14也可以以一个的形式在上下左右振动，另外，即便使振动端子旋转或摇动以代替左右振动，也可以得到同样的效果。
实施例
对图9所示的相当于施工机械的吊杆和臂杆的SS400的箱体试验体适用本发明的疲劳强度提高方法，其结果如下所示。在图9中，6表示上板，7表示侧板，8表示下板，12表示焊缝金属。如图9所示，使用上述的1个振动端子对焊缝金属12的焊趾部进行励振打击处理，用X射线-Sin2ψ法测定压痕底部的残余应力，结果与焊道平行方向的残余应力为-251MPa～-431MPa，与焊道垂直方向的残余应力为-85MPa～-286MPa，它们均为残余压缩应力。
另外，励振打击痕的底部表面的钢材晶体粒径的平均值为1.0μm 。
其次，如图9所示，表明在箭头方向施加反复载荷的结果，在进行励振打击前，焊接状态下的疲劳强度(疲劳极限)约为50MPa，而在箱体的外面、内面均对焊趾部进行励振打击处理后，约为110MPa，因而通过适用本发明，施工机械的吊杆和臂杆的疲劳强度提高到2倍以上。
可以认为通过该励振打击处理导致疲劳强度明显提高的原因在于：焊趾部的残余应力变为较大的残余压缩应力，以及因形成打击痕而使焊趾部的曲率半径增大，以致应力集中减小，所以反复载荷导致的疲劳裂纹的发生和扩展的驱动力减小，进而容易产生疲劳裂纹的焊趾部的应力集中区的表面组织实现微细化，从而使裂纹的产生阻力得以提高。
根据本发明，通过对施工机械的吊杆和臂杆构件的完全焊透焊缝区的焊趾部由振动端子设置励振打击痕，可以提供一种焊缝区疲劳强度优良的施工机械的吊杆和臂杆构件及其疲劳强度的提高方法。