JPH09308985A - 残留応力低減方法 - Google Patents

残留応力低減方法

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JPH09308985A
JPH09308985A JP12561296A JP12561296A JPH09308985A JP H09308985 A JPH09308985 A JP H09308985A JP 12561296 A JP12561296 A JP 12561296A JP 12561296 A JP12561296 A JP 12561296A JP H09308985 A JPH09308985 A JP H09308985A
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coolant
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高裕 太田
Risuke Nayama
理介 名山
Seiji Asada
誠治 朝田
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  • General Induction Heating (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 任意場所の残留応力を確実に、かつ速やかに
低減することのできる管継手溶接部の残留応力低減方法
を提供すること。 【解決手段】 管継手溶接部近傍を高周波加熱により均
一に加熱し、その後、残留応力を低減しようとする側の
面を冷却する残留応力低減方法において、高周波加熱コ
イルを加熱時に冷却水を流す冷却水流路と冷却時に冷却
剤を流し冷却部に冷却剤を噴射・冷却する冷却剤流路と
を備えた加熱・冷却コイルとし、所定の温度以上に加熱
後、前記加熱・冷却コイルから冷却剤を残留応力を低減
させたい場所に噴射・急冷することを特徴とする管継手
溶接部の残留応力低減方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は管継手溶接部の引張
残留応力の低減・除去方法に関する。
【0002】
【従来の技術】管継手では内外面とも溶接部近傍に引張
の残留応力が発生し、応力腐食割れ(SCC)等が起こ
るため、これを改良する種々の方法が試みられてきた。
例えば、表面に鋼球を打ちつけ表層に塑性変形域を発生
させることにより圧縮の残留応力を負荷するショットピ
ーニングや、外面加熱・内面冷却をすることにより管内
面に引張塑性歪を発生させ、残留応力を低減する方法な
どが提案されている。また、管継手溶接部近傍を均一に
加熱し、その後、残留応力を軽減しようとする側の面を
冷却することにより管継手溶接部の引張残留応力を除去
する加熱・急冷法も提案されている(特開昭57−58
991号公報)が、この方法の場合も、通常は、加熱熱
源としてガスバーナあるいは高周波加熱装置を、冷却治
具としては別設置の冷却治具が用いられていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】前記方法のうち、ショ
ットピーニングについては、管内面への施工が難しく、
かつ内面への汚染の恐れがあるため、適用範囲が限定さ
れるという問題があった。また、外面加熱・内面冷却方
法では残留応力の低減効果が内面のみに限定されるう
え、内面を冷却しながら加熱する必要があるため、大き
な加熱電源が必要であった。さらに、前記の加熱・急冷
法では加熱電源としてガスバーナを用いる場合には、温
度コントロールが難しく、施工性が極めて悪かった。ま
た、鏡板に溶接された管台の加熱では表面からの加熱と
なるため、残留応力低減に必要な温度分布が得られ難か
った。また、高周波加熱装置を用いる場合には、加熱コ
イルと冷却治具が必要であり、急速な冷却がむずかしい
こと、工数がかかること等の問題があった。
【0004】本発明は以上のような従来技術における問
題点を解決し、任意場所の残留応力を確実に、かつ速や
かに低減することのできる方法を提供しようとするもの
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため次の構成を採るものである。 (1)管継手溶接部近傍を高周波加熱により均一に加熱
し、その後、残留応力を低減しようとする側の面を冷却
する残留応力低減方法において、高周波加熱コイルを加
熱時に冷却水を流す冷却水流路と冷却時に冷却剤を流し
冷却部に冷却剤を噴射・冷却する冷却剤流路とを備えた
加熱・冷却コイルとし、所定の温度以上に加熱後、前記
加熱・冷却コイルから冷却剤を残留応力を低減させたい
場所に噴射・急冷することを特徴とする管継手溶接部の
残留応力低減方法。
【0006】(2)前記加熱・冷却コイルの巻き数を、
管継手溶接部近傍内外面の被加熱材の熱容量に応じて調
整することを特徴とする前記(1)の残留応力低減方
法。 (3)前記加熱・冷却コイルに流す誘導電流の浸透深さ
が、管の厚さ以上となるように高周波電源の周波数を設
定することを特徴とする前記(1)又は(2)の残留応
力低減方法。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の方法を用いることによ
り、以下のような作用が望める。部材を均熱、若しくは
表面から残留応力を低減したい深さよりも十分な深さま
で加熱後、残留応力を低減したい面を急冷することによ
り、表面に引張応力が発生し、引張の塑性変形が起こ
る。その後、管の厚さ中央部が温度低下を始めると表面
近傍は既に温度が低下しているので収縮しないため、次
第に応力は圧縮側に転じ、最後には冷却側は圧縮の残留
応力が生じるか、若しくは引張の残留応力が緩和され
る。また、冷却面を管の内外面とすることにより、内面
・外面ともに残留応力を低減できる。これにより、耐S
CC性が向上する。
【0008】本発明の方法において管継手溶接部近傍と
は、溶接時の残留応力が引張となる領域を意味し、ま
た、急冷とは、管の厚さ方向の内外の温度差により、施
工部に塑性歪みが生じるような冷却速度を意味する。
【0009】加熱電源として、高周波誘導加熱を用いる
ことにより、肉厚の管に対しても周波数を適切に設定す
ることにより、管の厚さ内部からも発熱を起こされるた
め、管の厚さ内を均一に加熱することが可能となる。ま
た、本方法では加熱部に温度勾配をつける必要がないた
め、特に大容量の加熱装置は必要としない。ここで言う
適切な周波数とは以下の式で示される誘導電流の浸透深
さが管の厚さ以上となる周波数である。
【数1】 浸透深さ=503×{ρ/(μ・f)}1/2 (m) ここで、ρは被加熱材の抵抗率(Ω・m)、μは透磁
率、fは周波数(Hz)を示している。
【0010】本発明においては、加熱コイルを加熱時に
冷却水を流す冷却水流路と冷却時に冷却剤を流し冷却部
に冷却剤を噴射・冷却する冷却剤流路とを備えた加熱・
冷却コイルとし、冷却水流路には加熱中常にコイルを冷
却するための冷却水を流しておく。冷却剤流路には急冷
したい面に対している部分に穴をあけておき(若しくは
ノズルをつけて置き)、加熱後の急冷時に冷却剤(通常
は水)を流すことにより、当該部に冷却剤を噴射・急冷
する。このようなコイルとすることにより加熱と急冷は
一つのコイルで可能であるため、速やかな急冷が可能と
なった。これにより、残留応力の低減が確実に行えると
ともに、施工性が向上した。また、加熱・冷却コイルの
位置と電源電力をコントロールすることにより、加熱状
況を再現できるため、温度コントロールも精度良く行え
るようになり、工法の信頼性が向上した。
【0011】このような冷却水流路と冷却剤流路を備え
た加熱・冷却コイルの例を図2に示す。図2の加熱・冷
却コイル1は管A及び管Bをろう付けにより接合し、耐
熱性絶縁テープ2で被覆した2連管構造で、一方の管A
にはコイルを冷却するための冷却水を加熱中常に流し、
他方の管Bには急冷したい面に対している部分に管壁穴
3が開けられ、加熱後の急冷時に冷却剤を流すことによ
り、当該部に冷却剤を噴射・急冷できるように構成され
ている。なお、管Bも加熱コイルの機能を有しており、
加熱時には管Aの冷却水により冷却されている。
【0012】例えば、本発明の方法により厚板の容器に
貫通溶接されている管の溶接部近傍の残留応力を低減し
ようとする場合、厚板の内部の部分と、厚板外の部分で
は加熱部の熱容量に大きな差があるため、巻き数の均一
なコイルを用いた加熱方法では厚板外の部分が加熱さ
れ、厚板の内部の部分は温度があまり上昇せず、均一な
加熱が望めない。そこで、コイルの巻き数を調整し、熱
容量の多い部分にはコイルを密に設置し、熱容量の少な
い部分にはコイルを粗に、あるいは設置しないことによ
り、均一な加熱が達成できる。その後、急冷することに
より、各場所で均一な残留応力の低減が可能となる。
【0013】また、誘導電流の浸透深さが管の厚さ以上
となるように高周波電源の周波数を設定することによ
り、管の厚さ全体にわたって均一な加熱を行うことがで
きる。
【0014】
【実施例】以下実施例により本発明の方法をさらに具体
的に説明する。この例では板厚160mmの鏡板に45
°の角度を持って溶接された管台(外径100mm、板
厚15mm)へ本発明の残留応力低減法を適用した。図
1に溶接部近傍の断面図を示す。鏡板4は低合金鋼で、
表面にはステンレス鋼(クラッド)6が厚さ約5mmで
肉盛りされている。また、管台5はインコネル合金であ
るため、溶接部に予めインコネル合金を肉盛り溶接しイ
ンコネル合金肉盛溶接部7を形成させている。ステンレ
ス鋼6及びインコネル合金を肉盛り溶接後、鏡板4につ
いて600℃で応力除去焼鈍を行っている。管台5の溶
接は応力除去焼鈍後に実施した。
【0015】以上の条件から、溶接部8に本発明の残留
応力低減法を適用する場合、最高加熱温度は応力除去焼
鈍温度(この場合600℃)以下にする必要があり、最
高加熱温度を500℃とした。
【0016】また、溶接により残留応力が引張となって
いるのは溶接部8の前後50mmの範囲であるため、こ
の範囲を適当な温度に加熱する必要がある(図1の加熱
対象範囲9)。一方、管台5の上部では加熱を実施した
い範囲が管台5のみであるのに対して、下部では管台5
と鏡板4の両者となるため、熱容量に大きな差が生じ
る。また、加熱したい領域(加熱対象範囲9)も45°
程度の傾きを持って分布することになる。
【0017】そこで、加熱コイル1には図1に示すよう
な、管台5の内外部に巻き付けるようなコイルとし、か
つ、熱容量の変化を考慮して、内面のコイルの形状と位
置を決定した。すなわち、熱容量の少ない管台5上部に
は内面コイルを設置せず、管台5下部に集中的に設置す
ることにした。加熱・冷却コイル1は図2に示したよう
な管A及びBの2連管構造とし、一方の管Aにはコイル
を冷却するための冷却水を加熱中常に流しておく。他方
の管Bには管台5の内面及び溶接ビード部に対している
部分に穴をあけておき、加熱後の急冷時に冷却剤を流す
ことにより、当該部に冷却剤を噴射・急冷するようにし
た。
【0018】また、加熱用の高周波電源の周波数は管台
5の厚さ15mmと材質(ρ=1μΩ・m、μ=1.
0)を考慮して、1kHzとした。この周波数での浸透
深さは約16mmとなり、管台5の厚さ全域に渦電流が
発生する。図1の加熱・冷却コイル1を用いて、管台5
の溶接部内面の前後50mmを350℃〜500℃に、
溶接ビード部を約400℃〜500℃に加熱できた。ま
た管台5の厚さ内外面の温度差も50℃以内であること
を確認できた。
【0019】加熱時は均熱に加熱するため、加熱・冷却
コイル1を図1の位置に設置したが、残留応力を低減さ
せたい位置とコイルの位置がずれているため、コイルの
位置を急冷する位置に合わせるために加熱・冷却コイル
1を50mm上昇させ、管Bに冷却水を流して内外面を
水冷した。冷却水の流量は約45リットル/minであ
る。内外面を急冷(約350℃/sec)した場合の残
留応力分布を図3及び図4に示す。内外面ともに残留応
力が大きく低減していることがわかる。以上のように本
発明の方法を用いることにより、不均一な形状の溶接部
に対しても残留応力を確実に、かつ、迅速に低減させる
ことができる。
【0020】
【発明の効果】本発明の残留応力低減方法を用いること
により、以下のような効果がある。 施工面の残留応力を確実に低減できるため、耐SCC
性や疲労強度を向上できる。しかも、施工温度を材料の
組織変化を及ぼさない温度とできるので、いずれの場所
にも悪影響はない。 加熱コイルと冷却治具が同じであるため、施工方法が
極めて簡易となった。このため、施工時間を短くするこ
とができた。 加熱に高周波電源を用いるので、加熱温度の制御が容
易になった。また、加熱時にいかなる場所の冷却も必要
でないため、加熱電源に高価な大容量電源は必要でな
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における溶接部近傍の断面図。
【図2】本発明で使用する冷却水流路と冷却剤流路を備
えた加熱・冷却コイルの1例を示す断面図。
【図3】本発明の実施例における残留応力分布図。
【図4】本発明の実施例における残留応力分布図。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 管継手溶接部近傍を高周波加熱により均
    一に加熱し、その後、残留応力を低減しようとする側の
    面を冷却する残留応力低減方法において、高周波加熱コ
    イルを加熱時に冷却水を流す冷却水流路と冷却時に冷却
    剤を流し冷却部に冷却剤を噴射・冷却する冷却剤流路と
    を備えた加熱・冷却コイルとし、所定の温度以上に加熱
    後、前記加熱・冷却コイルから冷却剤を残留応力を低減
    させたい場所に噴射・急冷することを特徴とする管継手
    溶接部の残留応力低減方法。
  2. 【請求項2】 前記加熱・冷却コイルの巻き数を、管継
    手溶接部近傍内外面の被加熱材の熱容量に応じて調整す
    ることを特徴とする請求項1に記載の残留応力低減方
    法。
  3. 【請求項3】 前記加熱・冷却コイルに流す誘導電流の
    浸透深さが、管の厚さ以上となるように高周波電源の周
    波数を設定することを特徴とする請求項1又は2に記載
    の残留応力低減方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005320626A (ja) * 2004-04-06 2005-11-17 Hitachi Ltd 熱処理方法及びその装置
JP2011510165A (ja) * 2007-12-17 2011-03-31 マイクロ モーション インコーポレイテッド 導管・ブレース組立体のストレスを減らす方法

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