JP2002038222A - 残留応力改善方法 - Google Patents

残留応力改善方法

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JP2002038222A
JP2002038222A JP2000226316A JP2000226316A JP2002038222A JP 2002038222 A JP2002038222 A JP 2002038222A JP 2000226316 A JP2000226316 A JP 2000226316A JP 2000226316 A JP2000226316 A JP 2000226316A JP 2002038222 A JP2002038222 A JP 2002038222A
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JP
Japan
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residual stress
stress
laser
pulse
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JP2000226316A
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English (en)
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Masao Itaya
雅雄 板谷
Norihiko Tanaka
徳彦 田中
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20Recycling

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】構造物内部の残留応力を改善する方法を提供す
る。 【解決手段】構造物1の表面上の複数箇所に衝撃2を与
え、この衝撃2により発生する複数の応力波3を前記構
造物1の内部で互いに干渉させることによって前記構造
物内部の残留応力を改善する。又、構造物1の全体ある
いは少くとも衝撃を与える部位を透明な液体中に浸漬
し、前記部位にパルスレーザを照射することによって衝
撃2を与えることもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力産業分野、一
般産業分野等における装置や設備等の構造物におけるき
裂発生を防止し、あるいは既に発生したき裂の進展を抑
制するための残留応力改善方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、構造物表面でのき裂の発生を抑制
する方法としてショットピーニングやレーザピーニング
による残留応力改善方法が実施されている。しかし、こ
れらの従来の方法は、構造物表面近傍の残留応力を改善
することを目的として実施されており、構造物内部の残
留応力を改善することは困難である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の残留応力改善方
法では、その効果が構造物表面に限定されるため、例え
ばはじめから構造物内部に存在していた欠陥からの疲労
現象などによるき裂の発生や進展を抑制することは困難
である。そのため、これら残留応力改善方法の適用され
る範囲も自ずと限定されている。本発明はこのような事
情に基づいてなされたもので、構造物内部の残留応力を
改善する方法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、構造
物の表面上の複数箇所に衝撃を与え、この衝撃により発
生する複数の応力波を前記構造物の内部で互いに干渉さ
せることによって前記構造物内部の残留応力を改善する
構成とする。この発明によれば、応力波による応力が構
造物の構成材料の圧縮の降伏応力を超えることによっ
て、構造物内部の残留応力を改善することができる。
【0005】請求項2の発明は、複数の応力波の干渉に
よって生じる焦点が構造物内の欠陥の先端に位置するよ
うにする構成とする。この発明によれば、欠陥先端の応
力集中を緩和して、欠陥からのき裂の発生や進展を抑制
することができる。
【0006】請求項3の発明は、構造物の全体あるいは
少なくとも衝撃を与える部位を透明な液体中に浸漬し、
前記部位にパルスレーザを照射することによって衝撃を
与える構成とする。この発明によれば、パルスレーザと
いう電気的物理的手段によって空間的時間的に広狭多様
な衝撃を構造物に与えることができる。
【0007】請求項4の発明は、パルスレーザのパルス
幅は10 psecから1 msecであり、レーザの1パルスあた
りのエネルギEJと、パルス時間幅tsと構造物表面での
レーザスポット面積Scm2との間に、106<E/(t×S)<1012
W/cm2の関係がある構成とする。この発明によれば、現
有の技術および材料において最も望ましい衝撃を構造物
に与えることができる。
【0008】請求項5の発明は、構造物表面上の複数箇
所に与える衝撃の時期をずらすことにより、複数の応力
波の焦点の位置を制御する構成とする。この発明によれ
ば、構造物の形状や設置状態から許容される便利な部位
から衝撃点を移動することなく、構造物内の任意の部分
に応力波の焦点をあてることができる。
【0009】請求項6の発明は、構造物表面上の複数箇
所に与える衝撃の時期のずれを連続的に変化させること
により、複数の応力波の焦点を移動させる構成とする。
この発明によれば、構造物内部の広い範囲にわたって残
留応力を改善することができる。
【0010】請求項7の発明は、回転及びまたは平行移
動する反射手段を用いてレーザ光を反射し、構造物表面
の衝撃を与える部位を移動する構成とする。この発明に
よれば、レーザ光発生装置を移動することなく、構造物
内部の広い範囲にわたって残留応力を改善することがで
きる。
【0011】請求項8の発明は、構造物はステンレス鋼
製であり、前記構造物の表面の酸化膜を除去してステン
レス鋼基材層を露出させた後にレーザ光を透過しない被
覆層を形成し、この被覆層の表面にレーザ光を照射する
構成とする。この発明によれば、レーザ光照射時に発生
する熱を被覆層で遮断することにより構造物表面の過度
の温度上昇や溶融を防止し、応力波のみを構造物内部へ
伝達することができる。また、構造物表面の酸化物を除
去して被覆層とステンレス鋼基材の密着性を高め、構造
物内部へ伝達される応力波の減衰を少なくすることがで
きる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の残留応力改善方法
の実施の形態を図面を参照して説明する。図1は本発明
の第1の実施の形態を示す図である。すなわち、構造物
1の表面上の2箇所に衝撃2を与え、これにより発生す
る応力波3が構造物1内部を進行し、ある1点(焦点)
で干渉して強度を強め合い、構造物1の構成材料に塑性
変形を生ぜしめて、残留応力を改善する。
【0013】図2は、本発明の第2の実施の形態を示す
図である。すなわち、構造物1の表面上2箇所において
衝撃2を与えるが、これにより発生する応力波3の焦点
が、内部に存在する欠陥4の先端に位置するよう、衝撃
2を与える位置を設定したものである。これにより、有
害な欠陥からのき裂発生および進展を選択的に抑制する
ことが可能となる。なお、欠陥は必ずしも構造物1内部
に完全に埋没しておらず、一部が構造物1の表面に現れ
ていてもかまわない。
【0014】図3は本発明の第3の実施の形態を示す図
である。すなわち、2台のパルスレーザ発振器5が設置
され、これらパルスレーザ発振器5はレーザ発振の時期
を制御するタイミングコントローラ6に接続されてい
る。また、構造物1は液槽8の中で透明な液体9に浸漬
されている。
【0015】2つのパルスレーザ発振器5はタイミング
コントローラ6により発せられた信号を受けてレーザ光
7を発射し、このレーザ光7が構造物1の表面2箇所に
衝突することにより、構造物1内部に応力波3を発生さ
せる。レーザ光7が構造物1の表面に衝突する際にプラ
ズマを発生するが、透明な液体9はこのプラズマを閉じ
込めて、いわば反力受けの役割を果たして構造物1によ
り高い圧力を与える。構造物1に発生した応力波3は上
記第1および第2の実施の形態におけると同様に構造物
1内部で干渉し残留応力を改善する。
【0016】ここで、パルスレーザのパルス幅は10 pse
cから1 msecとし、レーザの1パルスあたりのエネルギE
ジュールと、パルス時間幅t秒と構造物1表面でのレー
ザスポット面積Scm2との間に、106<E/(t×S)<1012 W/cm
2の関係があるようにするのがよい。
【0017】さらに構造物1の内部に欠陥4が存在する
が、欠陥4の先端から適切な距離の位置にパルスレーザ
発振器5を設置することが困難な場合に、タイミングコ
ントローラ6により、2つのパルスレーザを発振器5発
振するタイミングをずらすことにより、2つの応力波3
の焦点を欠陥4の先端に位置させる。
【0018】すなわち、図3に示すように欠陥4の先端
から一方の衝撃2を与える点までの距離をd1、他方の衝
撃10を与える点までの距離をd2(ただし、d2>d1)、構造
物1中の応力波3の伝播速度をVとすると、衝撃2を与
える時期を衝撃10を与える時期よりも、 t=(d2−d1)/V …(1) で計算される時間tだけ遅らせることにより、欠陥4の
先端で応力波3の干渉を起こさせることができる。
【0019】さらにタイミングコントローラ6により、
2つのパルスレーザ発振器5からレーザ光7を発振する
時期を連続的にずらすことで、2つの応力波3の焦点を
揺動させることにより、パルスレーザ発振器5を移動さ
せることなく、構造物1中の広い範囲にわたり残留応力
を改善することができる。
【0020】さらに、2つの応力波3の振幅が構造物1
を構成する材料の降伏応力の1/2より大きい弾性波と
することで、構造物1の表面には残留応力その他の材質
的変化を与えずに、2つの応力波3が干渉する位置にお
いてのみ残留応力を改善することができる。
【0021】すなわち、それぞれ単独の応力波3の大き
さは弾性範囲内にあるため、この応力波3が通過する部
位には材質的変化を生じないが、2つの応力波3が合成
されるときに構成材料の降伏応力を超えることにより塑
性変形を生じて残留応力を改善することが可能となる。
【0022】また、図には示さないがパルスレーザ発振
器5が移動機構に据え付けられるかあるいは構造物1が
移動機構に据え付けられ、移動することにより衝撃2お
よび他方の衝撃10を与える位置を走査することで、広い
範囲の残留応力を改善することが可能である。この移動
機構は回転または平行移動またはその両方のいずれの動
作をしてもよく、一次元、二次元、三次元のいずれの方
向に動いてもよい。
【0023】さらに、図には示さないが、レーザ光7は
回転または平行移動またはその両方の動作をする鏡によ
り反射された後に、構造物1の表面に照射され、この鏡
の向きあるいは位置を変えることにより衝撃2および他
方の衝撃10を与える位置を走査することで、広い範囲の
残留応力を改善することが可能である。
【0024】図4は本発明の第4の実施の形態を示す図
である。すなわち、構造物1の表面にはレーザ光7を透
過しない被覆層11が形成されており、レーザ光7はこの
被覆層11の表面に照射される。レーザ光7が被覆層11に
衝突する際に、高温、高圧のプラズマを発生するが、被
覆層11が遮熱することにより構造物1を溶融することな
く、応力波3を構造物1へ伝達して内部の残留応力を改
善することができる。ここで、構造物1がステンレス鋼
製である場合には、前処理として酸化膜を除去してステ
ンレス鋼基材層を露出させた後に被覆層11を形成する。
【0025】また、構造物1がステンレス鋼製である場
合に、被覆層11は、Al,Sn,Inの低融点金属、または
W,Mo,Ta,Nb,Ti,Zr,Hfの高融点金属またはPt,A
u,Pdの貴金属から選択された少なくとも一種類からな
り、その被覆層の厚さは低融点金属の場合には、0.05mm
から0.2mm、高融点金属の場合には0.03mmから0.15mm、
貴金属の場合には0.03mmから0.25mmの範囲とするのがよ
い。構造物1がステンレス鋼製以外の材料からなり、被
覆層11が構造物1の材料と同一材料からなる場合には、
被覆層11の厚さは0.2mmから0.25mmの範囲がよい。
【0026】なお、以上の4つの実施の形態において
は、構造物1上の衝撃点が2個の場合を説明したが、こ
の衝撃点は3個以上であってもよい。3個以上の場合
は、応力波3の干渉の焦点を一層正確に位置決めするこ
とができる。また、立体的な構造物1内の任意の部分に
合わせることができる。
【0027】
【発明の効果】本発明の残留応力改善方法によれば、構
造物の内部の残留応力を改善することができ、内部の欠
陥を起点とするき裂の発生、あるいは進展を抑制するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態の残留応力改善方法
を示す模式図。
【図2】本発明の第2の実施の形態の残留応力改善方法
を示す模式図。
【図3】本発明の第3の実施の形態の残留応力改善方法
を示す模式図。
【図4】本発明の第4の実施の形態の残留応力改善方法
を示す模式図。
【符号の説明】
1…構造物、2…衝撃、3…応力波、4…欠陥、5…パ
ルスレーザ発振器、6…タイミングコントローラ、7…
レーザ光、8…液槽、9…透明な液体、10…他方の衝
撃、11…被覆層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // B24C 1/10 B24C 1/10 Z B23K 103:04 B23K 103:04

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 構造物の表面上の複数箇所に衝撃を与
    え、この衝撃により発生する複数の応力波を前記構造物
    の内部で互いに干渉させることによって前記構造物内部
    の残留応力を改善することを特徴とする残留応力改善方
    法。
  2. 【請求項2】 複数の応力波の干渉によって生じる焦点
    が構造物内の欠陥の先端に位置するようにすることを特
    徴とする請求項1記載の残留応力改善方法。
  3. 【請求項3】 構造物の全体あるいは少なくとも衝撃を
    与える部位を透明な液体中に浸漬し、前記部位にパルス
    レーザを照射することによって衝撃を与えることを特徴
    とする請求項1または2記載の残留応力改善方法。
  4. 【請求項4】 パルスレーザのパルス幅は10 psecから1
    msecであり、レーザの1パルスあたりのエネルギEJ
    と、パルス時間幅tsと構造物表面でのレーザスポット
    面積Scm2との間に、106<E/(t×S)<1012 W/cm2の関係が
    あることを特徴とする請求項3記載の残留応力改善方
    法。
  5. 【請求項5】 構造物表面上の複数箇所に与える衝撃の
    時期をずらすことにより、複数の応力波の焦点の位置を
    制御することを特徴とする請求項1ないし4記載の残留
    応力改善方法。
  6. 【請求項6】 構造物表面上の複数箇所に与える衝撃の
    時期のずれを連続的に変化させることにより、複数の応
    力波の焦点を移動させることを特徴とする請求項5記載
    の残留応力改善方法。
  7. 【請求項7】 回転及びまたは平行移動する反射手段を
    用いてレーザ光を反射し、構造物表面の衝撃を与える部
    位を移動することを特徴とする請求項3または4記載の
    残留応力改善方法。
  8. 【請求項8】 構造物はステンレス鋼製であり、前記構
    造物の表面の酸化膜を除去してステンレス鋼基材層を露
    出させた後にレーザ光を透過しない被覆層を形成し、こ
    の被覆層の表面にレーザ光を照射することを特徴とする
    請求項3または4記載の残留応力改善方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013525113A (ja) * 2010-04-16 2013-06-20 メタル インプルーブメント カンパニー エルエルシー 高出力レーザシステムの為のフレキシブルビーム供給システム
JP7408378B2 (ja) 2019-12-25 2024-01-05 株式会社ディスコ ウエーハ生成方法、及びウエーハ生成装置

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Effective date: 20070228