JPS61246328A - 金属材の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は金属体の誘導加熱処理方法に係り、特に配管溶
接部の内外表面または何れか一方の表面の溶接残留応力
緩和に好適な熱処理方法に関する。

〔発明の背景〕

従来の配管溶接残留応力緩和のための誘導加熱処理とし
て、特許第９５７３２号がある。これは加熱コイルを設
けていない側の表面を冷却しながら誘導加熱を行なうも
のである。これによれば加熱コイルを設けていない側、
即ち、冷却しｔ側の残留応力は緩和されるが、加熱コイ
ルを設けた側の残留応力緩和は全くできないという欠点
があつｔ。

〔発明の目的〕

本発明の目的は溶接部等に存在する引張残留応力を緩和
するための誘導加熱処理方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

一般に、金属表面に圧縮応力を残留させるには内部はで
きるだけ弾性状態のままで表面を機械的または熱的方法
で引張塑性変形させればよい。本発明はこれを効率よく
達成する方法として、誘導加熱コイルを設けた側の表面
全常に冷却しながら金属体内部を誘導加熱することを考
案したものである。この発明は、誘導加熱が金属表面の
熱伝達で行なわれるのではなく、金属自身の内部発熱に
よって行なわれることに着目しｋものである。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例として、配管内面の溶接残留応力を行な
う場合について説明する。

第１図において、管１及び１ａを接続する溶接部２の内
面には誘導加熱用トランス３に接続され元加熱コイル４
が設けられている。この加熱コイル４はそれ自身から管
内面冷却用の冷却剤５を噴出できるようになっている。

トランス３には誘導電流を発生させるための電流供給用
ケーブル６と加熱位置制御用ロッド７が連結して設けて
あり、ケーブル６は電源８につながれている。９は冷却
剤供給用チューブである。管内外面には温度監視用セン
サ１０．ｔｏａが取付けられている。７は加熱位置決め
装置１１に連結されている。チューブ９は冷却剤送給装
置１２に連通連結されている。

さらに、管内表面とトランス３．コイル４の間隙を最適
にするためにガイドローラ１３．１３８がトランス３や
コイル４に設けである。

まず位置決め装置１１とロッド７により溶接部２がほぼ
コイル４の中央に位置するように位置決めを行表い、弁
１４を開き、冷却剤送給装置１２を起動し、冷却剤５金
溶接部２の近傍の管内面に噴出させる。ケーブル６、チ
ューブ９はトランス３、コイル４の位置決めのためにも
柔軟でかつ、たるみを有することが必要である。

位置を決めして冷却金開始したら、電源８及びトランス
３によりコイル４に交流電流全通電する。

通電を行なうとコイル４金セツトされた部分の管１．１
ａには誘導電流が誘起され、管は電気抵抗を有するため
に（誘導電流）”　Ｘ　（を気抵抗）なる熱が発生する
。この電流はコイル４をセットしである側の管内表面が
最も高く、これ’ｅＩｃ＋とすれば内表面からＸだけ管
厚内に入つｔところの電流１．はＩ　ｘ　＝Ｉ　ｃＢ　
ｅ−”δとなる。したがって表面発熱量をＱｃｓとする
とＸにおける発熱量Ｑ、は次式となる。

Ｑ　ｘ　＝　Ｑ　ｃ　ｓ　ｅ−”／Ｊ−−・”（１）こ
こで、δは加熱浸透深さといわれ、次式で示される。

δ＝　５ｏａｏｖ’Ｗ石下　　　　　・・・町□（２）
ここで、μ、ρは管の比透磁本と比抵抗であり。

ｆは３に導かれる電流の周波数である。ステンレス鋼な
どではμ〜１　ρ〜１０−４Ωｍ程度であるからδ−，
５０，３ｆ”となる。

（１）、（２）式よりｆが高いと、すなわち高周波電流
ではＸの増加につれてＱ８は急激に減少し、いわゆる極
く内表面層だけが発熱することになる。例えばｆ＝１０
ＫＨｚでステンレス鋼を加熱すると表面から５■内部の
点では表面発熱量の１５チ程度しか発熱しない。このよ
うな場合には発生した熱の多くは冷却剤５に奪われて、
管の温度は上昇しにくい。しかし、例えばｆ　−２００
Ｈｚとするとｘ＝１０ｍの内部の点でも表面の発熱量の
６０チ程度の発熱と々る。このよう々場合には内表面全
冷却しても内部発熱のために温度が上昇し、外表面は強
制冷却していない九めに内表面工υ高温となる。すなわ
ち、内面では低温、外面では高温となる温度分布が発生
することになる。このために管の内表面には引張ひずみ
が発生する。この引張ひずみが管材料の降伏ひずみを越
えるまで通電を継続する。管内面の引張ひずみが降伏ひ
ずみを越えたか否かの判断は管内外面温度全測定するこ
とによって可能であシ、温度監視用センサ１０゜１０ａ
の検出温度を監視することによって行なわれる。内表面
に引張降伏状ひずみ全発生させるに十分な内、外表面温
度差が発生したら通電を停止する。しかし、管内面の冷
却は継続し、管が完全に冷却したところで冷却剤送給装
置１２を停止し、弁１４金閉じる。次に、加熱位置決め
装置１１によシ管１．１ａからトランス３、コイル４を
取外すとこの処理は終了となる。

本処理で管内面の残留応力が緩和される原理を以下に述
べる。

第２図はこの処理中の加熱コイル４がセットされている
側の管表面（以下コイル側表面）の温度Ｔｃとその反対
側表面（以下、反スイル側表面）の温度Ｔ。及び通電並
びに冷却と時間の関係を示す。通電開始とともにＴｏは
急激に上昇するが。

Ｔｃは強制冷却のために上昇はＴｏ　より少ない。

管の板厚内部温度分布がＴｏとＴｃｆｒ結ぶ直線分布と
すれば管内面に引張降伏ひずみε、１−起させて降伏応
力と同じ圧縮応力を残留させるに必要な温度差ΔＴ、は
。

となる。ここでαは管の線膨張係数、νはポアソン比で
ある。例えばステンレス鋼についてΔＴ。

を求めると、α〜１７Ｘ１０”’１／Ｃ１ν＝０．３、
εｙ〜１．５Ｘ１０”　とするとΔＴ、〜２１２Ｃとな
る。温度差がΔＴ、に到達したところで通電全停止し、
ΔＴ＝０になったところで冷却を停止する。ただし、冷
却は完全に冷却するところ′まで必ずしも行なう必要は
ないが、安全の丸めにΔＴ＝θ″１１で行なうことが望
ましい。

一方、第２図の温度挙動に対応して、応力ひずみ挙動は
第３図の如くになる。加熱コイル側の表面ではこの処理
開始とともに引張りの応力とひずみが発生し、降伏点σ
ア（Ａ点）に達すると応力は増大せずひずみのみが増加
する。これは反コイル側の温度上昇による膨張のために
強制冷却されているコイル側表面が引張られるためであ
る。降伏点に到達後も加熱全継続するとＡ−Ｈの如くひ
ずみが増加する。Ｂ点のひずみが降伏点のひずみεアの
２倍になったところで加熱を停止する。加熱を停止する
と温度が低下するのでそれにつれて応力とひずみも低下
する。しかし、Ｂ−）Ａ−原点のように戻るのではなく
、Ｂ点から弾性的に、す表わちＯ→Ａに平行に低下し、
完全に冷却するとひずみはＯにな夛応力は圧縮降伏応力
に等しい０点になる。一方、反コイル側表面では圧縮応
力と圧縮ひずみが生じ、Ｏ→Ａ１→Ｂ１→Ｃ１の如くに
なる。結局この処理が終了するとコイル側の表面には圧
縮残応力（０点）が１反コイル側の表面には引張応力（
Ｃ１点）が残留することになる。

第３図では熱処理前の応力状態は初期の残留応力はＯと
して原点全出発点とし九〇しかし、溶接部内外面の残留
応力は引張り降伏点と同程度であることが多い。第４図
はこのような場合について示したものである。初期状態
はＰ点（引張シ降伏に一致）にあシ、コイル側の表面で
は熱ひずみは全て塑性ひずみとなシ、ε＝２６アとなる
まで加熱してここから冷却するとＰ−４Ａ−４Ｂ→Ｃと
なり、ξ＝０となってこの処理が終了すると降伏点に等
しい圧縮応力が残留する。引張りの初期残留応力（Ｐ点
）が圧縮残留応力（０点）に緩和される。

一方、反コイル側ではＰ点を起点として圧縮ひずみがＣ
＝−εアの点（Ａ１点）で応力＝０となシ、ε＝−２ε
アの点（Ｂ１点）で加熱を停止すると圧縮の塑性ひずみ
は生じていないからそのＡｔｅ通って元のＰ点に戻る。

すなわち、この場合はコイル側表面ではＰ点から０点に
緩和されるが１反コイル側の表面では往復とも同じ経路
を経てＰ点に戻るので残留応力は元のままである。

第３．４図から分るように、初期残留応力の有無に依ら
ずコイル側の表面は圧縮残留応力となる。

残留応力全引張から圧縮に反転させると疲労破壊、腐食
損傷、腐食疲労破壊、応力腐食割れ等を容易に防止する
ことができる。特に、原子力発電プラントのオーステナ
イトステンレスｍ５Ｕ８３０４配管溶接部では応力腐食
割れに起因するトラブルが実際に生じておシ、これらに
用いるとよい結果が期待される。以上の実施例では冷却
剤全噴射しているが、管内に冷却剤を流動させて行なう
こともできる。

次に第５図は別の実施例を示す。第１図の例と異なると
ころは、管の外面にも冷却剤５ａｉ噴出できる冷却子１
５を供えていることである。この例は冷却材５及び５ａ
ｔ−同時に噴射しながら誘導加熱するところに特徴があ
る。第６図は管の肉厚の内部における発熱分布（Ｈ曲線
）及び温度分布（１曲線）を示す。発熱は加熱コイル側
が高いので加熱コイル側の冷却は反却熱コイル側の冷却
よりも効率よく行なわなければならない。そのためには
冷却材５と５８の流速、冷媒を同一とせずに、熱伝達に
差をもたせるとよい。第６図のＴｃ及びＴｏの温度時間
曲線は第２図のＴ　ｃ　＝　ｔと、Ｔｐのそれは第２図
のｒｆ＋ｏ、、、（と同様になる。加熱コイル側及び反
別熱コイル側の表面の応力ひずみ挙動は第３図の０→Ａ
→Ｂ→Ｃの如くになシ、板厚中心のそれはＯ→Ａ１→Ｂ
ｌ−＋ＣＩの如くになる。

すなわち、本例によれば内外面ともに圧縮残留応力を付
与できることになる。そのために内外面ともに腐食環境
にさらされる場合、内外面ともに繰返し荷重を受ける場
合に強度向上策となる。

上記の例の変形例として、管ではなく、第７図に示すよ
うに板１６の片方に加熱コイル４を設置し、他方に冷却
子１ｓｔ−設けて両面から冷却しながら加熱するもので
ある。効果は第４図の例と同様である。

その他の変形例として第８図に示す。この例は管の内外
面（板の両側）に加熱コイル４．４８？設けて冷却剤５
．５ａで冷却しながら誘導加熱を行危うものである。こ
の場合のそれぞれのコイルによる発熱分布は第９図のＨ
ｔ　、Ｈｚの曲線示す如くであり、全体としてはＨｔ　
とＨｚの和、すなわち曲線Ｈのように板厚中心に対して
対称になるそのため残留応力改善に好適な温度分を容易
に得ることができる。また、内外部の加熱条件を変える
ことによシ、温度分布の調整ができる利点もある。

冷却しつつ加熱することが可能なのは、本発明の基本が
物体の内部発熱に着目していることによる。応用可能な
内部発熱として誘導電流の他に直接通電方式による発熱
方式がある。第１０図はこれを用いた場合の実施例を示
す。残留応力全改善しようとする溶接部２を挾んで通電
用電極１７゜１７ａＩｉ管１．１ａに直接的に取付け、
電極１７゜１７ａは通電用ケーブル１８．１８３にて通
電加熱設備１９と接続されている。この構成において、
まず、管の内外面から冷却子１５ａ、１５１）から冷却
剤５．５ａｋ噴射させて１次に、通電を行なう。通電に
よる管厚内部の電流分布は一様分布となる。そのために
発熱分布は第１１図に示すように一様な分布Ｈとなる。

しかし、表面は冷却されているので内・外表面で低温、
管厚中心部で高温となる温度分布Ｔが発生する。中心温
度と表面温度の差が（３）式を満足すれば内・外表面の
残留応力は圧縮応力に改善させることができる。この発
明の特徴は発熱分布は一様なことであシ、温度差を発生
させ易いことである。

〔発明の効果〕

本発明によれば加熱コイルを設置した側の引張り残留応
力を軽減できるので応力腐食割れや疲労破壊を効果的に
防止することができる。

特に、組み立が完了しｔ配管、あるいは供用中の配管で
加熱コイル及び冷却子の設置が限定的なものに対しても
用いることができ、適用範囲が広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本構成図、第２図は未発明実施中の
温度〜時間曲線図、第３図は本発明の実施中の応力ひず
み挙動図、第４図は第３図を補足する応力ひずみ挙動図
、第５図は本発明の応用例の構成図、第６図は本発明の
応用例の発熱分布と温度分布を示す図、第７図は本発明
の別の応用例を示す図、第８図は本発明の変形例を示す
構成図、第９図は本発明の変形例の発熱分布と温度分布
を示す図、第１０図は本発明のさらに他の変形例を示す
構成図、第１１図は第１０図の例における発熱分布と温
度分布を示す図である。 １．１ａ・・・管、２・・・溶接部、３・・・誘導加熱
用トランス、４　、＋　４８・・・加熱コイル、５，５
ａ・・・冷却剤、１５・・・冷却子。 第　１　巳 コイｌＬ４醍１１ヒ反、コイ１シ４醍りの−ａ月【（４
〔挙動筒４巳 細ＸｐＩｌ＝ｇｌ、Ｙ長すＴ〜省爬；力が゛め１鳴イト
第　Ｓ因 １α　　５ １因

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導加熱コイルを用いた金属材の熱処理において、
   前記加熱コイルを設けた側の金属材表面を静止冷媒また
   は流動冷媒のいずれかによつて冷却しながら、同時に前
   記加熱コイルに通電を行ない、金属材の加熱コイル側表
   面に引張降伏ひずみ以上の引張ひずみを生ぜせしめた後
   に通電のみを停止し、冷却は金属材が完全に冷却するま
   で継続することを特徴とする金属材の熱処理方法。 ２、特許請求の範囲の第１項において、加熱コイルを設
   けていない側に冷却子を設けて金属材表面を加熱コイル
   を設けた側と同様に冷却することを特徴とする金属材の
   熱処理方法。 ３、特許請求の範囲の第１項において、金属材の両面と
   もに加熱コイルを設け両面ともに冷却しながら加熱を行
   なうことを特徴とする金属材の熱処理方法。