JP2008545537A - 残留引張応力軽減のための方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国仮出願第60/688,527号(2005年6月7日出願)を優先して主張するものであり、参照することにより本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般的に金属アセンブリにおける残留引張応力を低減または軽減するための方法およびシステムに関連する。従って、本発明は土木建築工学、機械工学、化学、金属学、および材料化学の分野に関連する。
金属アセンブリは過去数百年にわたり、幅広く使用されている。技術が発達するにつれ、高品質な金属、合金、その他の建設材料が洗練されたビルおよび機械の構築に使用されてきた。当該金属アセンブリの個々の金属部材にある残留応力は、直接その安定性、強度、そして耐久性に影響する。
本発明は、金属アセンブリ材における残留引張応力を軽減する方法を網羅している。当該方法は、基材への第1金属材料の第1表面を固定するためのものを含む。第1金属材料の一部は少なくとも部分的に第1金属材料の所定分を十分に冷却することができる冷却液に囲まれる。この様態での冷却によって、冷却部分を所定の長さへと収縮することになる。第1金属材料の第2表面は第2構造部材に固定される。好適な実施例において、第1金属材料は溶接によって第2金属材に固定される。冷却部分が温まるにつれ、当該部分は膨張し、第1金属材料において、金属アセンブリの残留応力を少なくとも部分的に軽減する作用をする圧縮応力を生じる。
ここに模範となる実施例に関して論及し、それを説明するためにここでは特定の言語を使用する。それにもかかわらず、本発明の範囲がこれによって制限されるものと意図されることはないことが理解される。本発明の特徴、工程段階、ここで説明された材料の改変およびさらなる変更、そして、当技術分野に精通する者および本開示を受領する者には気が付くような、ここで説明された本発明の原理の追加応用は、本発明の範囲内に含まれるものと考慮される。ここで用いられた用語は特定の実施例を説明する目的のためにのみ使用され、制限を意図しないこともまた理解されるべきである。
本発明を説明し主張する中には、以下の用語が使用される。文脈において明確に別の意味で指示されていなければ、単数形は複数指示対象も含む。従って、例えば、「基材」は、1つあるいは1つ以上のかかる基材を含み、「合金」は1つあるいは1つ以上のかかる合金を含む。
本発明は、2つの点または他の材料の間に接着される材料において、残留引張応力を軽減する方法を含んでいる。背景の項目で列挙したように、残留応力は多くの金属アセンブリの中に内在する。例えば、金属被加工物のような溶接した物体は、様々な種類の残留熱応力、および温度変化の関数としての材料の膨張および収縮の結果による歪を有する。多くの金属材料の物理的寸法は、加熱されたときに膨張し、冷却されたときに収縮する。特定の材料における線膨張量は、初期の長さおよび熱膨張係数とともに、温度変化から計算される。熱膨張係数は、通常、温度の単位上昇に対する材料の長さの部分増として定義される。以前に述べたように、溶接物における残留応力の存在は、悪影響を及ぼし、早期の被加工物の破損もしくは欠陥を引き起こすこともある。それ故に本発明の一実施例は、溶接接合における残留応力を減らすことができる方法およびシステムを提供している。本発明は、金属材料の固定に先立って、金属被加工物の一部を熱による圧縮または収縮を用いて、結果として生じる応力に対し補償することにより、金属アセンブリにおける残留引張応力を減らすことに焦点を合わせている。
図4〜図10は、本発明の実験の間に線形で可変の変位変換器から収集されたデータを示す。図11〜図14は、本発明の方法を適用する間に、溶接物の間の別個の場所で収集された温度データを示す。剛構造のフレームは、残留溶接応力を特徴付けるために、一連の実験バッテリーで溶接される。実験バッテリーのそれぞれでは、2つの堅い支柱の間に梁を溶接した。支柱は堅かったが、以下により詳細に示すように一部で屈曲が見られた。接合部のうちの1つを切り取る間に、再び、梁を支柱から切り離すときに寸法を測定した。溶接環境ではデータを収集することは困難であるので、これらすべての取り組みが記録されているわけではない。
Claims (20)
- 拘束アセンブリにおいて残留引張応力を軽減する方法であって、
a)第1の部材の第1の表面を基材に固定する工程と、
b)前記第1の部材の第2の表面を第2の構造部材に取り付けた後、第1の部材の膨張によって、少なくとも部分的に残留引張応力を軽減するような収縮部分を形成する第1の部材の前記部分を収縮するのに十分な冷却液で冷却部分を形成するために、前記第1の部材の一部を冷却する工程であって、前記第1の部材の前記部分は、前記第1の部材の第1の表面と第1の部材の第2の表面との間に配置されており、
c)前記冷却部分を含んでいる第1の部材の第2の表面を第2の構造部材に取り付ける工程と、
を含む、方法。 - 請求項1において、取り付ける工程は、溶接、ボルト締め、はんだ付け、リベット打ち、または接着剤による接着によって実現される方法。
- 請求項2において、取り付ける工程は、溶接によって実現される方法。
- 請求項1において、冷却液は、液体窒素、液体ヘリウム、液体アルゴン、液体酸素、液体二酸化炭素、およびそれらの組み合わせより成る群から選択される方法。
- 請求項4において、冷却液は液体窒素である方法。
- 請求項1において、冷却する工程は、さらに、第1の部材の前記部分を断熱された液体格納容器で取り囲む工程を含む方法。
- 請求項6において、第1の部材は溶接可能な金属より成る方法。
- 請求項7において、第1の部材は、炭素鋼、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼、銅、チタニウム、アルミニウム、スズ、鉄、およびそれらの合金または複合材料より成る群から選択される材料より成る方法。
- 請求項1において、第1の部材の膨張は、残留圧縮応力を引き起こすのに十分である方法。
- 請求項1において、第1の部材の膨張は、前記第1の部材にそりを引き起こすのに十分である方法。
- 請求項1において、第1の金属部材の収縮部分は、第1の金属部材を第2の構造部材に取り付ける前にそりを引き起こす方法。
- 残留引張応力を軽減するためのシステムであって、
a)中に冷却液を保存することができる内容積を有する液体格納容器であって、第1の部材の少なくとも一部を囲むよう構成されている容器と、
b)前記液体格納容器に動作可能なように接続される冷却源であって、前記冷却源は前記冷却液を含んでいる冷却源と、
を備える、システム。 - 前記第1の部材は金属部材であり、さらに、前記第1の金属部材を第2の金属部材に接合できる溶接装置を備える、請求項12に記載のシステム。
- 前記液体格納容器は、側面が開いている外郭構造を持ち、前記第1の部材の前記部分と密着すると、前記内容積を囲み入れる接触型冷却器を含む、請求項12に記載のシステム。
- さらに、前記冷却液の除去を可能にするよう、側面が開いている外郭構造に動作可能なように接続されている冷却液排出口を備える、請求項14に記載のシステム。
- さらに、側面が開いている外郭構造の端と第1の部材の前記部分との間に取り付けられる低温シーリング材を備える、請求項14に記載のシステム。
- 前記液体格納容器は、前記冷却液で第1の部材の前記部分を囲むよう構成される容器を含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記液体格納容器は、さらに、取り替え可能な挿入部分を含み、前記挿入部分が、様々な形状の部材を前記液体格納容器に挿入することができるよう調節可能である、請求項17に記載のシステム。
- さらに、冷却液の使用量を低減するため、前記容器内に空間を占めるよう構成される取り外し可能な充填材を備える、請求項17に記載のシステム。
- 第1の部材は、銅、チタニウム、アルミニウム、炭素鋼、スズ、鉄、およびそれらの合金または複合材料より成る群から選択される溶接可能な材料より成る、請求項12に記載のシステム。
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