JP2009007609A - 金属部材の補修方法 - Google Patents

Abstract

【課題】金属部材の寿命の延命化。
【解決手段】金属部材１の応力集中部３（例えばすべり帯または孔２の周縁）に金属材料４を配置した後にこの金属材料４を加熱して応力集中部３を再結晶化させる。応力集中部３に亀裂が生じた場合、金属部材１の応力集中部３を加熱して応力収集部３を溶融させ、この溶融した部材によって前記亀裂を閉塞させる。または前記亀裂の先端を加熱して前記先端の近傍を溶融させる。若しくは前記亀裂の先端に金属材料４を充填した後に金属材料４を加熱して前記先端を閉塞させる。前記加熱は波長が２４８〜４００ｎｍであるレーザー光線によって行う。金属材料４は前記レーザー光線の吸収性を有するものが採用される。金属部材１が磁性体である場合、前記加熱は応力集中部３またはその亀裂若しくはこの亀裂の先端に誘導コイルを配置し、このコイルに交流電流を印加することによって行ってもよい。
【選択図】図１

Description

鉄や銅に代表される金属材料を用いた部品に積載、除荷、振動等の繰り返し荷重が作用すると金属疲労により亀裂が発生する。一旦、亀裂が発生すると、亀裂の先端の応力集中により、部品の強度が低下し、損傷などにより製品全体の機能が十分発揮できない場合や製品の損傷、崩壊など重大な事象を招くおそれがある。

本発明は疲労亀裂の発生後に亀裂の先端を加熱または応力集中部（亀裂発生点）を亀裂の発生前に再結晶温度以上で加熱することで繰り返し荷重の損傷を回復させようとする部品の再生及び延命化させる技術に関する。

金属材料の破壊、破損の原因の多くが一般的には金属疲労と言われている。このような金属疲労を防止するために設計時点で許容応力あるいは許容使用回数が精査されているが、疲労寿命は材料の加工履歴、使用中の荷重履歴の影響などの影響因子が多数あるので正確な寿命推定方法はまだ確立していない。

実機による検証試験が行われているが、昨今の製品の開発期間の短縮化や製品の低コスト化で必要以上の信頼性を確保するのが難しくなっており、逆に寿命に見合った低価格な製品も要求されている。このため、不確定要因や過度の使用条件による損傷や規定条件で使用されていた場合でも延命化が要求されている。

そこで、特許文献１には一旦疲労亀裂が発生した場合に亀裂の先端の応力集中を緩和するために亀裂より曲率半径が十分大きい穴あけ工具で亀裂先端に穴を開ける加工を施す方法が開示されている。

特許文献２には亀裂の近傍を接着剤で固化して亀裂の入っている部品の荷重を亀裂先端以外の部分で保持する方法が開示されている。

また、特許文献１〜４には亀裂の先端に金属等の材料を挿入し、溶融、蒸着（スパッタ）、溶射等により亀裂を接合あるいは亀裂の開口部分を埋めて見かけの亀裂開口量を小さくする方法が開示されている。
特開２００４−０７４３９５ 特開２００４−１４１９６６ 特開２００６−１７５５７５ 特開２００７−６２００２５

疲労亀裂の発生は結晶のすべりによる突き出し、入り込みが起点となっていると一般的に説明されている。この結晶の大きさは１×１０^-6ｍ〜１×１０^-4ｍ程度の大きさとなっている。

このため、従来の方法では、加熱部分が大きいため、亀裂の大きさが数ｍｍ〜数ｃｍでないと、健全な部分まで入熱が行われてしまう。また、酸化、焼き鈍しによる加工層の消失など強度低下を起こす領域が広くなってしまう。

さらに、亀裂に異種金属材料や高分子及びセラミックス材料などを充填した場合には亀裂が閉口した場合、充填材がクサビとなり、亀裂の先端への見かけの破壊力学的パラメータ値（応力拡大係数またはＪ積分値）が減少するが、亀裂先端は塑性変形するとき裂の鈍化を招き、充填材が剥離等で欠損した場合は逆に開口量が増大してしまう可能性があり、異種材料での恒久的な対策は難しい。

ここで異種材料を用いている理由としては、通常金属材料で鉄鋼の場合で溶融は１５００℃程度となり、製品の組み立て状態で局所的に加熱する方法がないため、鉄鋼などの母材に対して、溶融温度が低い材料（例えばすず等）を用いて入熱量が少なく且つ全体の製品に熱の影響が及ぼさないように配慮していたためである。

または亀裂を有する部材を有する製品を解体して単純化させた後にスパッタ装置等の加工機に供しなければならない。あるいは、前記部品に電極などを取り付け、ジュール損を利用した加熱または部品若しくは部品の近傍にヒータ等の加熱装置を配置して充填材料を加熱していわゆるロウ付けする方法を採らざるをえない。

そこで、請求項１の金属部材の補修方法は、金属部材の応力集中部に金属材料を配置した後にこの金属材料を加熱して前記応力集中部を再結晶化させる。本発明によれば応力集中部のみが再結晶するので、応力集中部の塑性ひずみが回復し、疲労損傷の発生がなくなり、補修の作業が容易となる。

そして、請求項２の金属部材の補修方法のように、前記応力集中部がすべり帯である場合、このすべり帯に金属材料を配置した後にこの金属材料を加熱するとよい。すべり帯の塑性ひずみが回復し、疲労損傷の発生がなくなる。

また、請求項３の金属部材の補修方法は、金属部材の応力集中部を加熱して前記金属部材を溶融させ、この溶融した部材によって前記応力集中部の亀裂を閉塞させる。本発明によれば金属部材が加熱されることで溶融し、流動性が現れ、この流動性により亀裂が閉塞されるので他材料を供給することなく金属部材を補修ができる。

請求項４の金属部材の補修方法は、金属部材の応力集中部に生じた亀裂の先端を加熱して前記先端の近傍を溶融させる。本発明によれば亀裂部分のみが加熱されて金属材料が溶融して亀裂先端の曲率半径が増大するので亀裂先端の応力集中が緩和して亀裂の進行速度が減速し、金属部材の寿命が延命化する。

請求項５の金属部材の補修方法は、金属部材の応力集中部に生じた亀裂の先端に金属材料を充填した後にこの金属材料を加熱して前記先端を閉塞させる。本発明によれば亀裂先端の応力集中部が除去されるので亀裂先端の応力集中が緩和して亀裂の進行速度が減速し、金属部材の寿命が延命化する。

請求項３〜５の金属部材の補修方法は適宜組み合わせてもよい。このとき、応力集中部の亀裂の先端の微小範囲を前記レーザー光線の照射による溶融によって金属部材を自己溶着させ、亀裂開口量が大きい亀裂の根元部分に金を充填し、この金のみを溶融させ、亀裂全体を溶着させてもよい。または、亀裂の先端を削除し、この削除した部分を金属部材と同種の金属若しくは金、銀、銅あるいはこれらの合金を充填して溶融させてもよい。

請求項１〜５の金属部材の補修方法において、応力集中部への金属材料の配置はメッキ法や蒸着法に例示される方法で行えばよい。前記加熱の方法としてはレーザー光線を用いた方法がある。前記レーザー光線はその波長が２４８〜４００ｎｍであるものがある。そして、前記応力集中部に配置される金属材料としては前記波長のレーザー光線を吸収する金属材料がある。前記レーザー光線を発する光源としては例えばエキシマレーザー、ＹＡＧ−ＦＨＧレーザー、青色レーザーが挙げられる。前記金属材料としては金、銀、銅またはこれらの合金が例示される。前記いずれかの金属材料は前記波長のレーザー光の吸収性に優れるので効率的に加熱できる。

また、補修に供される金属部材が磁性体である場合、前記加熱は、前記レーザー光線を用いた法に代えて、前記応力集中部またはその亀裂若しくはこの亀裂の先端に誘導コイルを配置し、このコイルに交流電流を印加することによって行うとよい。亀裂の先端を覆う程度の微小なコイルに高周波電流が印加されることで、亀裂の先端において局所的に渦電流が発生する。これにより記応力集中部またはその亀裂若しくはこの亀裂の先端が局所的に加熱されて再結晶温度または溶融状態となり、亀裂の先端の材料の塑性ひずみが回復または亀裂等の欠陥が溶着する。

以上の発明によれば、疲労損傷を発生させなくしているので、金属部材の寿命が永久的になり、省資源、省エネルギー及び環境問題に対して寄与できる。また、金属部材を用いた装置や構造物の信頼性が向上する。特に、請求項３〜５の発明によれば、金属部材の応力集中部に亀裂が発生した場合でも、亀裂の進展速度を減速させて金属部材の寿命を延命化できる。

図１は発明の第一の実施形態に係る補修方法（応力集中部の補修）の概略説明図である。

本実施形態の補修方法は亀裂が発生する前に累積した損傷の回復を行う。金属疲労を起こす領域は亀裂発生前では応力集中部（例えば図１に示された金属部材１では孔２の周縁の応力集中部３）のごく限られている部位である。この応力集中部のみを再結晶温度以上（金属材料の場合は例えば融点の１／２程度の温度）に加熱する。再結晶温度以上に加熱することで金属組織が再結晶化し、塑性ひずみが消失し、これまでの疲労の蓄積が無くなり、使用前と同様な特性に回復できる。

具体的な加熱法としてはレーザー光を用いた方法がある。この方法によれば必要最小限の領域を容易に加熱できる。レーザー光による加熱は、通常、切断等の工業的な活用がなされている。レーザー光源としては、例えば、１０６４ｎｍの光を発するＣＯ₂レーザー、近赤外の９００ｎｍの光を発するＹＡＧレーザー、２４８〜４００ｎｍの光を発するＫｒＦエキシマレーザー、ＹＡＧ−ＦＨＧレーザー及び青色レーザーが挙げられる。

ところで、金及び銅の吸光率は５００ｎｍ以下の光の吸収率と８００ｎｍ以上の光の吸収率を比較すると大きな差があり、波長が短いと一般の金属材料よりも吸光率が大きくなることが明らかにされている。さらに、銀については３５０ｎｍ以下の光に対して急激に反射率が低くなり、吸光率が高くなる。

そこで、本実施形態の補修方法ではレーザー光と金属を組み合わせて加熱したい部分を局所的に加熱するようにしている。具体的には補修箇所例えば図１に例示された金属部材１に形成された孔２の応力集中部３に金、銀、銅のいずれかまたはこれらの合金からなる金属材料４をメッキ、蒸着または溶着等によって斜線で示したように配置する。次いで、波長の短い光を発するＫｒＦエキシマレーザー、ＹＡＧ−ＦＨＧレーザー、青色レーザーのいずれかの光源５の光を金属材料４が配置された部分（応力集中部３）のみに照射すれば、応力集中部３を効率的に温度上昇させることが可能となる。これにより応力集中部３を局所的に再結晶温度以上に加熱できるようになるので金属部材１の疲労損傷を防止できる。

金属部材１の応力集中部３は予め応力解析等によって限定できるので、金属部材１の製造時に応力集中部３のみに金属材料４をメッキ、蒸着等によって配置しておけば、光源５のレーザー光を照射できるだけの隙間があればよいので、装置や構造物の解体が不必要となり、メンテナンスが大幅に簡略化する。そして、定期的な加熱作業を繰り返すことにより、常に金属部材１の材料の塑性ひずみが再結晶によって回復するので、金属部材１の寿命が半永久的となる。したがって、装置や構造物の信頼性の確保及び省エネルギー、地球温暖化の防止に寄与できる。

また、本実施形態ではレーザー光の光源５の最適化、加熱時に金属部材１を備えた装置や構造物の解体等の前処理工程が不要となり、メンテナンスに必要な費用、装置が軽減される。特に、金属部材１の応力集中部３は既知であるので、光源５からレーザー光を照射できるように金属部材１の配置を予め決めておけば、金属部材１の加熱時に装置や構造物の分解、組み立て及び移動が不要となる。これによりメンテナンスが短時間化及び省力化される。

図２は発明の第二の実施形態に係る補修方法（亀裂の補修）の概略説明図である。

本実施形態の補修方法では疲労によって孔２の周縁（応力集中部）に亀裂６が生じた金属部材１に対して前述の方法を適用して亀裂６の溶接を行う。金属部材１を構成する材料は溶融温度（例えば鉄鋼では約１５００℃）以上に加熱すると溶融し、流動性が現れる。この特性を利用するために前述のレーザーを用い、特許文献１〜４の補修方法とは異なり、他材料を供給することなく、自材料のみを加熱して溶融させ、自己材料の流動性により亀裂６を閉塞させている。

疲労亀裂が十分大きくなった場合、亀裂を充填させるには体積が大きくなっているので、先行技術に係る特許文献１〜４の補修方法のように材料の補充が必要であった。しかしながら、疲労亀裂は本来結晶１個１個のすべりによって発生するので、亀裂６のような初期段階では亀裂６の開口量も１×１０^-6ｍ程度で材料の補充量は極めて少なくてよい。すなわち、自己溶融のみで亀裂６を閉塞できる。

また、亀裂６の進行速度を減退させるための処置として亀裂６の先端７の曲率半径を大きくするまたは先端７を強化（例えば肉盛り）すればよい。このため、亀裂６の先端７を前述の光源５を用いて直接溶融または先端の鋭い部分を削除すれば、亀裂６の先端７の曲率半径を緩やかにすることができる。

さらに、亀裂６の先端７のみにレーザーの吸光性が良い金属材料４を充填し、この金属材料８が充填された先端７に光源５のレーザー光を照射するとよい。この照射による加熱により金属材料４が溶融して亀裂６の先端７に充填されるので、応力集中の緩和を恒久的に行える。このように金属材料４と波長が短いレーザー光の光線５を組み合わせて用いることにより亀裂６の局所的な加熱が可能となり、亀裂６が発生した後の金属材料１の延命化を容易に行える。

以上のように金属部材１に疲労亀裂が発生した後でも亀裂６の先端７の応力集中に対して自己溶融あるいは金等に例示される比較的波長が短いレーザー光の吸光性の良い金属材料４を用いた局所加熱によって、効率的に加熱、溶融させて亀裂６の先端の曲率半径が緩和される。これにより応力集中が緩和し、亀裂６の進展速度を減速させて寿命を延命化している。したがって、亀裂６が発生した場合でも、継続的に金属部材１を備えた装置や構造物の使用が可能となり、運用の低コスト化、高信頼性が確保される。また、前記装置の延命化が可能となるので適切なリプレイスが可能となる。さらに、従来の方法よりも補修が容易なため、保守費用が低コスト化できる。

尚、第一及び第二の実施形態の補修方法において、金属部材１が磁性体の場合は、加熱法に、レーザー法の代わりに、応力集中部３、亀裂６または亀裂６の先端７に誘導コイルを配置して高周波で交流電流をコイルに与えると、金属部材１に渦電流が発生する。特に、亀裂６の先端７は、金属部材１が磁性体である一方で、亀裂６が空間であり非磁性体と不連続となっているので、磁束の乱れが大きくなり、渦電流が大きく発生し、加熱されやすくなる。この特性が利用されること特に小さな誘導コイルが用いられることで、局所的な加熱が可能となり、先に述べた焼きなまし（再結晶）の効果や部分的な溶融（溶接）が実現する。

発明の第一の実施形態に係る補修方法（応力集中部の補修）の概略説明図。 発明の第二の実施形態に係る補修方法（亀裂の補修）の概略説明図。

符号の説明

１…金属部材
２…孔
３…応力集中部
４…金属材料
５…光源
６…亀裂
７…先端

Claims (11)

1. 金属部材の応力集中部に金属材料を配置した後にこの金属材料を加熱して前記応力集中部を再結晶化させることを特徴とする金属部材の補修方法。
2. 前記応力集中部がすべり帯である場合、このすべり帯に金属材料を配置した後にこの金属材料を加熱することを特徴とする請求項１に記載の金属部材の補修方法。
3. 金属部材の応力集中部を加熱して前記金属部材を溶融させ、この溶融した部材によって前記応力集中部の亀裂を閉塞させることを特徴とする金属部材の補修方法。
4. 金属部材の応力集中部に生じた亀裂の先端を加熱して前記先端の近傍を溶融させることを特徴とする金属部材の補修方法。
5. 金属部材の応力集中部に生じた亀裂の先端に金属材料を充填した後にこの金属材料を加熱して前記先端を閉塞させることを特徴とする金属部材の補修方法。
6. 前記加熱はレーザー光線の照射によって行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の金属部材の補修方法。
7. 前記レーザー光線はその波長が２４８〜４００ｎｍであることを特徴とする請求項６に記載の金属部材の補修方法。
8. 前記金属材料は前記波長のレーザー光線を吸収する金属材料であることを特徴とする請求項７に記載の金属部材の補修方法。
9. 前記レーザー光線を発する光源はエキシマレーザー、ＹＡＧ−ＦＨＧレーザー、青色レーザーのいずれかであることを特徴とする請求項７に記載の金属部材の補修方法。
10. 前記金属材料は金、銀、銅またはこれらの合金であることを特徴とする請求項８に記載の金属部材の補修方法。
11. 前記金属部材が磁性体である場合、前記加熱は前記応力集中部またはその亀裂若しくはこの亀裂の先端に誘導コイルを配置し、このコイルに交流電流を印加することによって行うことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の金属部材の補修方法。

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