JP2008105050A

JP2008105050A - 残留応力低減方法及びその装置

Info

Publication number: JP2008105050A
Application number: JP2006289726A
Authority: JP
Inventors: Rie Sumiya; 利恵角谷; Tatsuya Kubo; 達也久保; Minoru Obata; 稔小畑; Toshiyuki Saito; 利之斎藤; Takahiro Hayashi; 貴広林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-05-08

Abstract

【課題】溶接の信頼性を確保しつつ安価な残量応力低減方法及び装置を提供する。
【解決手段】溶接施工表面を溶接後に加熱機で加熱した後に冷却機で冷却することにより、溶接構造物の残留応力を低減させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接構造物の残留応力低減方法及びその装置に関する。

一般に、原子炉圧力容器等の構造物は、高温高圧下の環境において溶接箇所又はその近辺で応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生することが知られている。この応力腐食割れは、溶接に起因する残留応力が応力腐食割れの発生やその進展、及び疲労強度の低下を引き起こすものとされている。この残留応力は、溶接によって溶接構造物に熱膨張と塑性ひずみが発生することに起因することが知られており、従来からこの残留応力を低減するためにいろいろな方策がとられていた。

例えば、特許文献１及び２に示されている残留応力低減手段は、溶接電極と冷却ノズルとを隣接配置して一体化した溶接装置を、溶接線に沿って設けたレール上を移動させ、溶接後に冷却材を噴霧することで溶接施工面を急冷して、溶接施工面に発生した引っ張り応力を緩和し、その結果、残留応力を低減させるものである。
特許第３７３２０４０号公報特開２００６−７３０１号公報

上記特許文献１及び２に示されている残留応力低減手段は、溶接施工直後に冷却材で溶接施工面を急冷し、施工表面の残留応力を低減させるものである。その際、溶接施工表面の温度が十分高い間に冷却を行う必要があり、溶接直後に冷却を行わなければならない。そのためには溶接のトーチと冷却機構を極力近づける必要がある。しかしながら、冷却機構を溶接機に近づけると、アーク放電が不安定化するため溶接の信頼性が低くなるという課題があった。また、アーク放電を安定化させるために溶接機を特殊な構造にすることも考えられるが、装置が複雑となり、コストも高くなるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するために、溶接残留応力低減方法およびその装置において、溶接施工表面を溶接後に加熱機で加熱した後に冷却機で冷却することを特徴とする。

本発明は、特殊な溶接機を使用することなく、既存の溶接機に加熱機及び冷却機を併用することにより、溶接の信頼性を確保しつつ、溶接構造物の残留応力を効率的に低減させることができる。

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る残留低減方法が適用される溶接構造物の例として、原子炉圧力容器または炉心シュラウドを例とする板厚４０ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼の円筒構造物１が図示されている。この例では、円筒構造物１は、周方向の溶接部２で相互に溶接される。実際に、円筒構造物1の溶接部２の溶接を行うには、図１（ｂ）に図示の溶接ビードパス４に示すように、例えば２３パスの溶接を行う必要がある。なお、図１（ｂ）は溶接部Ａの拡大断面図で、３は溶接部断面である。

溶接後の施工表面には溶接の熱による膨張収縮により通常は引張の残留応力が生じる。図２は、この残留応力を低減させるための残留応力低減装置の構成を示している。この残留応力低減装置は、溶接機５、加熱機６及び冷却機７からなり、最終のパスである２３パス目の溶接の際に、この装置が用いられる。

本実施の形態では、最終パスの溶接時に、加熱機６と冷却機７が溶接機５の溶接トーチに追随するように、溶接機５と同じレール８に取り付けられる。なお、本実施の形態では加熱機６と冷却機７は一体化されており、溶接機５と同じ移動速度で移動するが、溶接機５と加熱機６と冷却機７を一つの装置として一体化してもよい。また、加熱・冷却時間を考慮して加熱機６と冷却機７との間の間隔を設定して一体化させて良いのはもちろんである。

本実施の形態では、図３に示すように、加熱機６としてガスバーナ１０が用いられているが、図６に示すようにガスバーナ１０の換わりに高周波加熱装置１４を用いてもよい。なお、図中１４ａは高周波発生装置である。

また、実際の溶接の際に、溶接熱が溶接構造物に及ぼす影響範囲は事前試験や予測から、溶融部の上下範囲を区画する溶融線９（２本）からそれぞれ外側に最大１５ｍｍの範囲であったので、図３に示すように加熱範囲がその範囲を含むように少なくとも溶融線９から２０ｍｍの範囲を加熱機６のガスバーナ１０の炎１０ａで加熱するようにした。

さらに、加熱機６による加熱によって、加熱温度が５００℃以上になると材料の鋭敏化等が生じ、また、加熱温度が３００℃以下になると十分な残留応力改善効果が得られないため、加熱部分の温度が３００℃〜５００℃になるように加熱機６の熱量を調整している。

次に、加熱器６によって加熱した直後に、冷却器７によって急激に冷却される。本実施の形態では、冷却材としてドライアイスが用いられ、ノズル７ａを介してドライアイス７ｂが加熱部に吹き付けられる。なお、ドライアイス７ｂによる冷却の代わりに他の冷却手段を用いてもよいことはもちろんである。また、冷却範囲は上記加熱範囲と同じでよい。

なお、本実施の形態では、ガスバーナ１０の炎１０ａが冷却工程に影響しないように、図４に示すように冷却チャンバ１１を設け、ドライアイス７ｂが冷却機７の冷却チャンバ１１で覆われた範囲のみに吹き付けられるようにしている。これにより、ガスバーナ１０からの熱の影響を遮断し、材料表面１ａの温度が十分低下するまで効率的に冷却される。

図５は本発明による溶接後の施工表面の残留応力分布で、溶接中心からの距離をパラメータとして示した図である。図５において、１３は本発明の溶接方法による残留応力分布、１２は通常の溶接方法による残留応力分布である。図５から、溶接近傍の残留応力を比較すると、通常溶接の分布１２では引張残留応力が低減されていないのに対し、本発明に係る溶接方法を用いた場合の残留応力分布１３をみると、引張残留応力が著しく低減していることがわかる。

（ａ）は円筒構造物の概略図、（ｂ）は溶接部Ａの拡大断面図。本発明の実施の形態に係る残留応力低減装置の概略図。本発明の実施の形態に係る加熱機の概略図。本発明の実施の形態に係る加熱機と冷却機の概略図。本発明の実施の形態に係る残留応力分布図。本発明の実施の形態に係る高周波加熱装置の概略図。

符号の説明

１…円筒構造物、１ａ…材料表面、２…溶接部、３…溶接部断面、４…溶接ビードパス、５…溶接機、６…加熱機、７…冷却機、７ａ…ノズル、７ｂ…ドライアイス、８…レール、９…溶融線、１０…ガスバーナ、１０ａ…炎、１１…冷却チャンバ、１２，１３…残留応力分布、１４…高周波加熱装置、１４ａ…高周波発生装置。

Claims

構造物の残留応力を低減させる残留応力低減方法において、溶接施工表面を溶接後に加熱機で加熱した後に冷却機で冷却することを特徴とする残留応力低減方法。
前記加熱は、溶融線から２０ｍｍの範囲にある前記溶接施工表面を３００℃〜５００℃で加熱することを特徴とする請求項１記載の残留応力低減方法。
前記加熱は、ガスバーナ又は高周波加熱により行われることを特徴とする請求項１又は２記載の残留応力低減方法。
前記冷却は、ドライアイスを前記溶接施工表面に噴射することにより行われることを特徴とする前記請求項１乃至３記載の残留応力低減方法。
構造物の残留応力を低減させる残留応力低減装置において、溶接機と、溶接施工表面を溶接後に加熱する加熱機と、前記溶接施工表面を加熱した後冷却する冷却機と、を備えることを特徴とする残留応力低減装置。
前記溶接機と前記加熱機と前記冷却機のうち、少なくとも前記加熱機と前記冷却機を一体化したことを特徴とする請求項５記載の残留応力低減装置。