JP2005002475A - 機械的に誘導される液体キャビテーションを使用して残留応力を変化させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械的に誘導される液体キャビテーションを使用して、金属面において引張応力を変化させる方法に関する。
【解決手段】 機械的変換器（１０）は液体キャビテーションを誘導して、液体（１４）中に圧力波を発生させ、圧力波は金属面に当たって、局在弾性及び塑性引張微小ひずみを与える。圧力波は、引張応力を減少させるか、又は表面圧縮応力を形成することにより、処理済金属における表面引張応力を変化させる。圧縮波が発生され、金属面に当てられるまでに通過する液体を封じ込めるために変換器の動作面の周囲にブーツ（１６）が設けられ、ブーツは変換器及び処理を受ける表面を密封する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械的に誘導される液体キャビテーションを使用することより金属面における残留引張応力を変化させる方法に関し、特に、機械的に誘導される液体キャビテーションを使用して、金属面において引張応力を減少させるか、又は引張応力を圧縮応力に変換する方法に関する。

従来の溶接工程、並びに研磨、標準機械加工及び放電加工（ＥＤＭ）などの他の表面に影響を及ぼす工程では、通常、金属面、例えば、溶着金属及び熱変質ゾーン（ＨＡＺ）に表面残留応力の引張値が発生するという結果が起こる。それらの引張応力の値は高い場合が多く、材料の降伏強さに近いか、又はそれを超えることさえある。多くの場合、それらの残留応力は影響を受けやすい材料、特に沸騰水型原子炉において冷却材にさらされている材料で応力腐食割れ（ＳＣＣ）につながっていた。引張表面応力の存在が要求される従来の適用用途又は新たな適用用途のいずれかにおいてＳＣＣの始まりを防止するように、そのような溶接部及び他の引張応力の高い領域を処理することが非常に望ましい。

ＳＣＣに加えて、引張表面残留応力は疲労割れが始まる危険も大きくする可能性がある。従来のピーニングハンマ又はショットブラストによる機械的ピーニングは引張表面残留応力（又は０に近いレベルの応力）を高い圧縮性の応力に変化させる周知の方法である。しかし、このような応力の変化は、著しく大きな、望ましくない表面及び表面付近の塑性流れ（冷間加工としても知られている）を伴う。著しく大量の表面冷間加工は、そのような状況になければＳＣＣに対する耐性を有している微小構造でも、苛酷な環境にさらされたときに亀裂を起こしやすくしてしまうため、従来の機械的ピーニングはＳＣＣも発生しやすい数多くの材料で受け入れがたい方法である。

金属部品における表面残留応力を改善するためのいくつかの方法が知られている。引張表面残留応力を減少させる以前の方法の１つは、水中の処理領域の付近にキャビテーションを発生するために超高圧ウォータージェットピーニングを利用する。この領域は、一部又は全体が水中に没した部品に限定されるという大きな欠点を有する。この問題は、水没した（又は内部に水があふれた状態にある）加工表面に対して高圧の水を無制限に流せるようにする必要があることから起こる。超高圧ウォータージェットピーニングの使用によって残留引張表面応力を圧縮応力に変化させるためのこの周知の方法は、局所的に適用される移動性に優れたプロセスであり、水没部品専用として開発された。

ウォータージェットによる応力修正方法はきわめて高価で、かさの大きなポンプ機器及び配管設備を必要とし、ジェットノズルに対して相当に大きな反力を発生する。加えて、波駆動力（ノズルにおけるジェット圧力及び速度）はあらかじめ定められた定数であり、圧力波及び対応するキャビテーションの形成は、単に、ウォータージェット速度の消散の結果として発生する乱流の副産物であるにすぎず、直接にプログラムされるパラメータではないので、キャビテーションを発生する圧力波の希薄周期及び圧縮周期の制御の程度は相対的に不十分である。従って、ウォータージェットピーニングは、実際には、高い機器コスト、複雑な吐き出しシステム、最小限のキャビテーション制御及び低い効率などのマイナスの要因が十分に妥当として受け入れられるような、より重大な用途に限定される。また、要求されるノズルサイズ及び加工面からの離間距離について十分な機器アクセスが存在するような領域にも限定される。

表面残留応力を改善する方法として知られているもう１つの方法は、ハンマ又は高速ショットを繰り返し衝突させることによるピーニングである。しかし、この方法は、機械的衝撃力が激烈であるために、表面及び表面付近の材料の過剰な塑性変形（「冷間加工」としても知られている）を起こしやすい。ピーニングハンマの使用は、不均一な加工面に厳密に適応せず、従って、複数回にわたりハンマを当てても、処理領域に沿って一様な圧縮を与えられないという欠点を有する。ショットブラストの使用は、ショットスカベンジングシステムを使用しても、プロセスが適用される領域においてショットが容易に汚染要因になる可能性があるという欠点を有する。

表面残留応力を改善するための第３の周知の方法は、浸漬されている加工面に向けられるパルスレーザービームを利用し、加工面は集束ビームによりごく局所的に急速に加熱される。「Ｑスイッチ」レーザーパルスは、周囲の液体により自由膨張を抑制される蒸気空洞を形成し、従って、加工面で急速に崩壊して、流体圧縮波を発生し、この圧縮波は波が消散した後に加工面の永久的圧縮を発生させる。レーザーパワーが基板の表面材料及び動作流体の一部、又は好ましくはこの面に塗布されたプロセス被膜を昇華させるにつれて、蒸気の気泡が形成される。この単調な方法は、更に、部品が浸漬されていることを必要とし、通常、有効なレーザー加熱を行うために光学的吸収性を持つ表面皮膜（黒色塗料など）を有していなければならない。この方法は、乾燥した環境で容易に被覆でき、液体中に浸漬し、その後、レーザーにより応力改善処理できる小型の部品に適用されるのが適切である。光学的被膜による加工面の汚染も、応力改善処理中、又は後に部品が使用中に汚染制御環境におかれたときに問題になる恐れがある。従って、機械的に誘導される液体キャビテーションによって金属面における残留引張応力を変化させる必要がある。

本発明の好ましい一実施例によれば、金属面、特に、機械加工又は溶接されて、高い引張応力を有する面において、残留引張応力を減少させるか、又は引張応力を圧縮応力に変換するために、残留引張応力を変化させる方法が提供される。本発明の長期間応力の利点は、応力を変化させるべき金属の表面層と接触している液体の機械的に誘導される音響キャビテーションの累積作用を利用することにより実現される。特に、機械的キャビテーション変換器アセンブリが設けられ、この変換器は、蒸気の気泡が形成されるとき、機械的に誘導される圧力波のために流れ場における局所圧力が飽和圧力より低下させられるような、変換器面の付近の液体の集中キャビテーションをもたらす。従って、熱を加えることなく局所沸騰が起こる。変換器の運動周期の希薄部分の間に形成された気泡は、その後に続く周期の高速圧縮部分の間に急速に崩壊し、その結果、液体中に局在高エネルギー圧縮波を発生させる。それらの波は金属面に向かって進行し、そこで、付近の固体金属面を所定の処理時間の後に局在弾性及び塑性引張微小ひずみを与えるのに十分なほど圧縮させるために必要とされる局所機械的インパルスを発生させる。この局所限定された引張ひずみを生じた表面材料は、変形していない周囲の材料部分により拘束されているため、変形した表面層における微小ひずみの残留する弾性部分は引張応力を減少させており、引張応力は、各々の気泡又は気泡群の崩壊の結果として発生して、加えられる液圧が除去されたときに圧縮応力に変換される。すなわち、延性金属面に対して有効に水撃作用を加えることにより、圧力波の衝撃を受けた部分は引張微小ひずみにより処理済ゾーンで塑性応力を加える。このゾーンは周囲を取り囲んでいる加工面と一体であり且つそれにより機械的に拘束されているため、引張応力は減少し、重要な点として、ゾーンにおける応力の符号は、圧力波から加えられる応力が解放されるときに、必要に応じて引張から圧縮に変化することができる。十分な処理期間の後、処理済ゾーンの下方にある領域は要求される内部力のバランスを維持するために引張状態となる。従って、所定の局所限定領域において、所定の時間にわたり機械的に誘導される多数のキャビテーション気泡が崩壊することの統合効果は、所望の大きさの圧縮表面在留応力をもたらす。応力変化の効果は、それが発生される材料の表面を過剰に変形させることなく加工品の制御された深さまで及び、この点に関して、気泡キャビテーション内破メカニズムにより発生される制御された気泡サイズによって自己制限される。

ある領域を徐々に走査又は横断(traverse)することにより、その領域に沿って応力を変化させるために、キャビテーション変換器アセンブリはきわめて移動性の高い形態で設けられても良い。より大型及び／又は複数の変換器が利用されても良い。所定の材料に対して、実現される圧縮の平均速度及び深さは、変換器の電力レベル、電力振動周波数及び振幅ブースタの使用を含む電力供給プロセスパラメータにより制御される。プロセスの効率に影響を及ぼす変換器パラメータには変換器の数、変換器の表面積、基板離間距離、前進速度、隣接パス重複及び側方振動幅／速度などがある。機械的変換器は浸漬環境で動作されても良いし、あるいは液体封じ込めブーツを具備していても良く、後者の場合、水撃効果がブーツ内に入っている液体を介して局所面へ伝達されることは理解されるであろう。

構造部品における引張表面残留応力の不都合な影響を軽減することにより、構造材料、特に、沸騰水型原子炉環境において高温の酸素化水にさらされる材料の応力腐食割れの始まりを防止できるであろう。特に、沸騰水型原子炉におけるジェットポンプライザブレースから容器溶接部の修理などの、高い疲労デューティにさらされる部品に関しては、疲労割れの始まりも最小限に抑えられる。本発明の方法は、露出面における塑性ひずみを著しく小さくすることによって表面及び表面付近の残留応力を減少させるか、又は圧縮応力に変化させて、表面の最終冷間加工状態を許容しうる程度にし、冷間加工の程度は応力腐食割れの閾値より低くなるように制御される。

本発明による好ましい一実施例においては、金属面における残留引張応力を変化させる方法であって、（ａ）液体中に圧縮波を形成するために液体中に音響キャビテーションを機械的に誘導する過程と、（ｂ）引張応力を減少させるか、又は引張応力を圧縮応力に変換するために、誘導された圧縮波を金属面に当てる過程とから成る方法が開示されている。

本発明による別の好ましい一実施例においては、金属面における残留引張応力を変化させる方法であって、（ａ）超音波変換器を液体中に浸漬する過程と、（ｂ）変換器の動作により圧力波を発生する過程と、（ｃ）キャビテーション気泡を作成するために、金属面に隣接する液体中に飽和圧力以下で局所圧力を誘導する過程と、（ｄ）過程（ｃ）に続いて、金属面における引張応力を減少させるか、又は引張応力を圧縮応力に変換するために、キャビテーション気泡を崩壊させて、金属面に衝突させるように圧力波を誘導する過程とから成る方法が提供されている。

そこで図面、特に図１を参照すると、金属面、例えば、溶接部１２における残留応力レベルを変化させるために液体キャビテーションを発生する、全体を図中符号１０で指示される機械的変換器が示されており、変換器１０は金属面１２に当てられている。変換器１０は周知のどのような種類であっても良く、例えば、超音波溶接用として製造された変換器であっても良い。図示されるように、変換器１０の動作面１４は、応力を変化させるべき面に対向して配置されている。図示されている形態においては、ブーツ１６は変換器１０の動作面１４を包囲し、ブーツ１６の縁部１８は金属面１２と係合している。ブーツは液体２０で満たされており、液体は動作面１４、変換器１０の各部分、ブーツ１６及び金属面により規定される封じ込め空間の内部に維持されている。

動作面１４が金属面１２に対向しているため、変換器１０の動作面１４の振動作用は液体中に繰り返し、高い周波数で気泡を形成し、崩壊させる。この周期的な気泡の形成と崩壊は、図１に２２で示すように、液体中に高エネルギーの局在圧縮負荷を発生させる。それらの負荷は金属面１２に向かって進み、所定の処理時間の後、局在弾性及び塑性引張微小ひずみを与えるのに十分なほどの、金属面１２を圧縮する局所機械的インパルス又は圧力波を発生する。処理されるべき金属面１２は圧力波による衝撃を繰り返し受ける金属面１２を機械的に拘束する未処理の金属により包囲されているため、波が当たるゾーンにおける引張応力は減少され、加えられていた液圧力が除去されると、圧縮応力に変換される。処理済ゾーンの下方に位置する領域は引張状態となり、内部力の必要なバランスを維持する。残留引張応力ゾーンは処理済金属面の下方にあり、処理されるべき部品の表面環境にはさらされていないので、残留引張応力は穏やかである。機械的に誘導される応力は露出表面における著しく小さな塑性ひずみによって圧縮力及び表面付近の残留応力を減少又は提供して、最終的な表面状態を許容しうるものとし、その応力状態を応力腐食割れの閾値応力状態より低くする。キャビテーション圧力波は少なくとも基板の微小降伏強さを超え、好ましくは一般的な引張降伏強さを超えるほど十分に高くなければならないことは理解されるであろう。変換器１０は強度の低い熱処理材料に対して特に有用であるが、他の材料にも同様に利用できるであろう。更に、本発明は図示されるような溶接部における残留金属面の変化に限定されず、残留表面引張応力を変化させることが望まれるどのような延性表面にも適用可能である。

図１に示すように、変換器は移動性に優れ、ある領域に沿って徐々に走査又は横断される。従って、変換器は、例えば、溶接面１２に沿って直線的に変位されても良いし、同じ表面に沿って横方向に振動されても良く、あるいは振動運動と直線運動の組み合わせを使用しても良い。

図２においては、変換器は垂直の金属面２６に当てられている。変換器１０はブーツ１６を含み、ブーツは、図１に関して説明したのと同様に、液体及び金属面２６と並置された変換器の動作面により圧力波を発生させることができるように内部に液体を封じ込めている。本発明の好ましい一実施例に従った応力の変化はどのような種類の加熱も必要とせず、あるいは応力を変化させるべき面の加熱も必要としないことが理解されるであろう。

図３を参照すると、図１の変換器１０が溶接トーチ４０と関連させて示されている。すなわち、変換器１０は、溶接部の残留表面応力を変化させるために、各部品を互いに接合するとき又は溶接材料を追加するときに溶接トーチの動きに従えば良い。図３の実施例では、溶接、並びに応力変化は浸漬環境において、例えば、沸騰水型原子炉の液体減速材環境の中で実行される。圧力波は図３のように変換器が浸漬されている液体から形成されていても良いし、あるいは変換器が浸漬されている液体とは異なる液体から構成されていても良いことは理解されるであろう。後者の場合、図３には破線で示されているブーツ４２が同様に設けられており、２種類の液体を互いに分離する。

図４は、支持体５２に配置された機械的変換器５０を合体させたアレイを示す。図示されている形態においては、オプションである液体排除装置が図中符号５４で概略的に示されており、変換器５０の合体アレイは液体環境の中に配置されていることが理解される。図１の実施例と同様に、合体アレイは溶接部５６に沿って進む。図示されるように、変換器の振動作用は液体中に繰り返し、高い周波数で気泡を形成し、崩壊させて、溶接面５６を圧縮する圧力波を発生し、局在弾性及び塑性引張微小ひずみを与える。変換器のより広い重複パターンによって、溶接部の上方に位置する単一の変換器の場合より１回のパスでより広い領域が処理されることになる。

図５を参照すると、変換器５０は互いに位置がずれていても良いことも理解されるであろう。このように、変換器５０は、密度を高め、従って、溶接面を圧縮する圧力波をより集中させるためにずらして配置されていても良い。

図６（Ａ）〜図６（Ｄ）を参照すると、機械的に誘導される液体キャビテーションを使用して金属面における引張応力を減少させるか、又は圧縮応力に変換するメカニズムが概略的に示されている。図６（Ａ）においては、変換器６０は、溶接部６４および基板６８の熱変質ゾーン６６に圧力を蓄積する進行波６２を発生する。図６Ｂに示すように、圧力波が衰えるにつれて、溶接部６４の表面にキャビテーション気泡７０が形成される。続く圧力波７２によって起こる急速な圧力の上昇はキャビテーション、すなわち、気泡を急激に崩壊させて、溶接部及び溶接部を取り巻いている熱変質ゾーンの表面に強烈な局所衝撃を発生させる。最後に、図６（Ｄ）では、溶接部表面に対する衝撃が溶接部６４の減少された引張応力又は圧縮応力を解放し、その下方に位置する溶接部の領域は引張状態となって、基板及び溶接部の内部におけるバランスを維持する。溶接部の露出面における塑性ひずみは実質的に減少され、その結果、応力腐食割れが起こるのに必要な応力状態に満たない応力状態となる。

本発明を現時点で最も実用的で、好ましい実施例であると考えられるものに関連させて説明したが、本発明は開示された実施例に限定されるべきではなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

金属面に沿って応力を変化させるための液体キャビテーションを誘導する機械的変換器の概略図。 垂直面に適用可能である類似の変換器を明瞭に示すために一部切り欠いた概略図。 浸漬環境における機械的変換器の使用を示す図１に類似する図。 金属面に沿って応力を変化させるための液体キャビテーションを誘導する機械的変換器のアレイを概略的に示す斜視図。 密度を大きくするために変換器を互いに位置をずらして配列した変換器アレイの概略図。 機械的に誘導される液体キャビテーションを使用して金属面における引張応力を減少させるか、又は引張応力を圧縮応力に変換するメカニズムを概略的に示す図。

符号の説明

１０…機械的変換器、１２…金属面、１４…動作面、１６…ブーツ、４０…溶接トーチ、４２…ブーツ、５０…機械的変換器、５２…支持体、５６…溶接部、６０…変換器、６２…進行波、６４…溶接部、６６…熱変質ゾーン、６８…基板、７０…キャビテーション気泡、７２…圧力波

Claims (9)

1. 金属面（１２）における残留引張応力を変化させる方法において、
   （ａ）液体中に圧縮波を形成するために音響キャビテーション（１０）を機械的に誘導する過程と、
   （ｂ）引張応力を減少させるか、又は引張応力を圧縮応力に変換するために、誘導された圧縮波を金属面に当てる過程とから成る方法。
2. 音響キャビテーションを発生する変換器の少なくとも一部を、金属面に当てられるべき局在圧縮波を提供する液体を入れるためのエンベロープの内部に包み込むこと（１６）を含む請求項１記載の方法。
3. 過程（ａ）及び（ｂ）は液体環境（１４）の中に浸漬されて実行される請求項１記載の方法。
4. 音響キャビテーションを発生する変換器の少なくとも一部をその液体又は別の液体を入れるためのエンベロープの内部に包み込むこと（１６）を含む請求項３記載の方法。
5. 音響キャビテーションを発生する変換器（１０）を金属面に沿って直線方向に横断することを含む請求項１記載の方法。
6. 音響キャビテーションを発生する変換器を金属面に対向させて振動させることを含む請求項１記載の方法。
7. 音響キャビテーションを発生する変換器により発生される圧力波を金属面に衝突させるために、変換器の動作面を金属面から離間させ、金属面に対向するように配置することを含む請求項１記載の方法。
8. 過程（ａ）は、圧縮波を発生するために液体中に超音波変換器（１０）を設けることを含む請求項１記載の方法。
9. 過程（ａ）は、圧縮波を発生するために液体中に変換器（５０）のアレイを設けることを含む請求項１記載の方法。

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