JP2012179655A - 溶接継手に圧縮応力を導入する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの溶接止端部を有する溶接継手に圧縮応力を導入する方法を提供する。
【解決手段】溶接継手の溶接止端部を抵抗線で覆い（２０６）、溶接止端部を抵抗線により加熱し、溶接止端部を所定温度まで加熱する（２０８）。更に、溶接止端部を所定時間にわたって、この所定温度に維持する（２１０）。抵抗線を溶接止端部から取り外し（２１２）冷却媒体を用いて溶接止端部を焼入れする（２１４）。焼入れ時には、圧縮応力が溶接止端部に導入される。
【選択図】図３

Description

本明細書に開示の主題は、溶接継手に圧縮応力を導入する方法に関し、特に、溶接継手の溶接止端部に圧縮応力を導入する方法に関する。

疲労は溶接継手によくある故障状態である。溶接継手の亀裂は、溶接継手の溶接止端部から発出する傾向にある。溶接止端部は、溶接金属と母材の間の遷移点における溶接継手の表面上の領域である。溶接止端部では、高応力集中と残留応力が生じるが、これらによって高い疲労が生じる。疲労の一例として、ガスタービンの管と燃料ノズルフランジを接合する溶接継手において発生するものがある。一例では、３０４ステンレス鋼を、管と燃料ノズルフランジに用いる。ガスタービン運転時の燃料の供給状態が変化すると、高周波振動が生じ、管と燃料ノズルに対して繰返し応力が生じることがある。また、溶接継手は、ガスタービンの運転による振動にも曝される。熱衝撃と振動とに絶えず曝されることは、溶接継手の疲労が生じる一因となり得る。

溶接継手の疲労強さ及び耐久性を高める方法は幾つかあるが、これらの各々の方法にはいずれも欠点がある。例えば、一方法として、疲労強度を高めるために、溶接継手にショットピーニングを施す。しかし、ショットピーニングの実施は、小さめの溶接継手又はタービンの或る一定の領域には困難なこともある。別の方法としては、溶接を改善するために、溶接電流、アーク電圧、溶接速度、或いはワイヤの直径又は伸び等の、溶接プロセスパラメータを調節することがある。しかし、場合によっては、様々な理由から、一部の溶接プロセスパラメータを調節できないこともある。別の方法としては、燃料ノズル全体及び燃料ノズルフランジ等のアセンブリ全体を炉内に配置し、焼き鈍す。しかし、燃料ノズルアセンブリ全体の焼鈍しにはコストがかかることがある。

米国特許第６０５９１７５号明細書

そこで、疲労により溶接継手が故障する可能性を減じる費用効果的なプロセスが必要とされている。

本発明の一態様に従って、少なくとも１つの溶接止端部を有する溶接継手に圧縮応力を導入する方法を提供する。この方法は、溶接継手の溶接止端部を抵抗線で覆うステップを含む。この方法は更に、溶接止端部を抵抗線により加熱するステップであって、溶接止端部を所定温度まで加熱するステップを含む。この方法は、溶接止端部を所定時間にわたって所定温度に維持するステップを含む。この方法は、抵抗線を溶接止端部から取り外すステップを含む。この方法は、冷却媒体を用いて溶接止端部を焼入れするステップを含む。焼入れ時には、圧縮応力が溶接止端部に導入される。

図面に関連した以下の記述から、上記その他の利点及び特徴が明らかとなる。

燃料ノズルとフランジを接合する溶接継手の例図である。 溶接止端部において抵抗線で覆われた図１の溶接継手の図である。 溶接止端部に圧縮応力を導入する方法を示す流れ図である。

本明細書の結びの特許請求の範囲において、本発明とみなされる主題に特に注目し、明確にクレームしている。添付図面に関連した以下の記述から、本発明の上記その他の利点及び特徴が明らかとなる。

発明を実施するための形態では、例示目的において、図面を参照しながら本発明の実施形態を、その利点及び特徴と共に説明する。

図１は、溶接継手１０の例図である。図示の実施例において、溶接継手１０は、管２０とフランジ２２を互いに接合しており、管２０とフランジ２２は、ガスタービンアセンブリ（図示せず）の一部分である。なお、図１では、タービンのノズルとフランジを互いに接合する溶接継手１０を示すが、溶接継手１０は別の用途にも使用可能である。溶接継手１０は、２つの溶接止端部３０及び３２を含む。これらの溶接止端部３０、３２は、溶接継手１０の溶接金属３４と母材の間の、溶接継手１０の溶接継手１９の領域を表す。厳密には、溶接止端部３０は、溶接金属３４と管２０の母材３６との間の、溶接継手１０の領域を表す。溶接止端部３２は、溶接金属３４とフランジ２２の母材３８との間の、溶接継手１０の領域を表す。溶接継手１０は、管２０とフランジ２２との溶接時に生じる一連の隆起部３９を含む外面Ｓを有する。一実施形態では、管２０とフランジ２２をアーク溶接により互いに溶接するが、その他の種類の溶接プロセスを用いてもよいことを理解されたい。

溶接止端部３０、３２は、管２０とフランジ２２を互いに溶接することにより生じる。アーク溶接等の溶接プロセスにより溶接止端部３０、３２を生じさせた後、溶接止端部３０、３２を所定温度まで加熱した後、冷却媒体により焼入れする。溶接止端部３０、３２を加熱及び焼入れすることにより、溶接止端部３０、３２に圧縮応力を導入する。具体的に、図２は、抵抗線４０、４２により加熱される溶接継手１０の図である。溶接止端部３０（図１に示す）は、或る長さの電気抵抗線４０で覆われており、溶接止端部３２（図１に示す）は、或る長さの電気抵抗線４２で覆われている。電気抵抗線４０及び４２は、電流制御装置（図示せず）を介して電源に接続される加熱素線である。電気抵抗線４０、４２は、通常、高出力抵抗器及び加熱素子に用いられる何れかの種類の抵抗線である。例えば、抵抗線４０、４２は、ニクロム（登録商標）、又はカンタル合金から成るが、抵抗線４０、４２がその他の種類の合金から成るものであってもよいことを理解されたい。

熱電対５０を一方又は両方の抵抗線４０、４２付近に配置して、溶接止端部３０及び３２の温度を監視することもできる。熱電対５０はデータ収集装置（図示せず）と連通しており、このデータ収集装置を介して、ユーザーが溶接止端部３０及び３２の温度を監視する。溶接止端部３０、３２の温度を監視することにより、溶接止端部３０、３２の温度を確実に所定温度以下にできる。この所定温度とは、引張応力を溶接継手１０に導入する具体的な温度範囲を表す。具体的には、図１〜２の両方を参照すると、溶接継手１０を所定温度まで加熱すると、溶接止端部３０、３２が熱膨張する。溶接止端部３０、３２が熱膨張するにつれて、その周囲の管２０の母材３６とフランジ２２の母材３８とが溶接止端部３０、３２を圧迫する。このように、溶接止端部３０、３２の歪みが、周囲の管２０及びフランジ２２により制限される。したがって、溶接止端部３０、３２が膨張すると、溶接止端部３０、３２における溶接継手１０の材料の弾性限度を超える応力が生じる。その後、溶接止端部３０、３２を所定時間にわたって所定温度に維持する。次に、溶接継手１０を、例えば圧縮空気又は水噴霧等の冷却媒体により、焼入れ又は急速冷却する。圧縮空気は通常、小さめの溶接継手に用いられ、水噴霧は通常、大きめの溶接継手に用いられる。

溶接止端部３０、３２を冷却すると、溶接止端部３０、３２に位置する金属材料が収縮し、それによって引張歪みが生じる。溶接止端部３０、３２を焼入れにより急速に冷却すると、溶接止端部３０、３２の位置に生じる引張歪みが、所定温度まで加熱した時に誘導される圧縮歪みよりも大きくなる。したがって、溶接止端部３０、３２を室温まで冷却する際に、溶接止端部３０、３２に残留歪みが生じる。溶接継手１０は大抵、歪み制御されているので、室温においては歪みがほぼ皆無となる傾向にある。そのため、溶接止端部３０、３２において圧縮応力が生じる。なお、所定温度は、溶接継手１０の材料の弾性限度を超える応力が生じて圧縮降伏へと至る程度の高温でなければならない。溶接止端部３０、３２を加熱後に焼入れすると、溶接止端部３０、３２を正常に冷却できるが、冷却媒体を用いないと、通常は圧縮応力ではなく残留引張応力が溶接止端部３０、３２に導入されるので、実際的には溶接継手１０の疲労寿命が縮むことがある。

一実施例では、管２０及びフランジ２２の各々が、ステンレス鋼合金から成る。この実施形態では、所定温度が、圧縮応力を溶接継手１０に導入するために必要な温度の、約４００°Ｆ〜約５００°Ｆの範囲である。溶接継手１０は、この所定温度に約５分〜約１０分の所定時間にわたって維持される。その後、溶接継手１０は、冷却媒体を用いてほぼ室温になるまで焼入れされる。一実施形態では、溶接継手１０を焼入れする。ステンレス鋼合金について述べたが、溶接継手１０がその他の種類の金属系材料から成るものであってもよいことを理解されたい。この所定温度は、溶接継手１０を構成する個々の材料に応じて、溶接継手１０に導入される圧縮応力を導入できるように相応に調節される。

次に図２を参照すると、溶接止端部３０、３２（図１に示す）がほぼ平滑な輪郭を有するように、溶接継手１０の外面Ｓが研磨されて一連の隆起部３９が実質的に除去されている。外面Ｓの研磨は、溶接継手１０における応力集中を緩和する一助となる。一実施例では、外面Ｓがアングルグラインダにより研磨されるが、溶接継手１０の研磨にその他の装置を用いてもよいことを理解されたい。

これより、溶接継手１０に圧縮応力を導入する方法を説明する。図３は、溶接継手１０に圧縮応力を導入する方法２００を示すプロセスの流れ図である。方法２００は、溶接継手１０を準備するステップ２０２から始まる。再び図１を参照すると、溶接継手１０はタービンアセンブリ（図示せず）の管２０とフランジ２２を互いに接合する。溶接継手１０は、２つの溶接止端部３０及び３２を含む。溶接止端部３０は、溶接金属３４と管２０の母材３６の間の、溶接継手１０の領域を表す。溶接止端部３２は、溶接金属３４とフランジ２２の母材３８の間の、溶接継手１０の領域を表す。溶接継手１０は、管２０とフランジ２２との溶接時に生じる一連の隆起部３９を含む外面Ｓを有する。方法２００は次に、ステップ２０４に進む。

ステップ２０４では、溶接止端部３０、３２の外面Ｓがほぼ平滑な輪郭になるまで研磨する。具体的には、図１を参照すると、一連の隆起部３９を実質的に除去することで、ほぼ平滑な外面Ｓができている。方法２００は次に、ステップ２０６に進む。

ステップ２０６では、溶接止端部３０及び３２を抵抗線４０及び４２で覆う。図１〜２を参照すると、溶接止端部３０が、或る長さの電気抵抗線４０で覆われ、溶接止端部３２が、或る長さの電気抵抗線４２で覆われている。これらの電気抵抗線４０及び４２は、電流制御装置（図示せず）を介して電源に接続される加熱素線である。方法２００は次にステップ２０８に進む。

ステップ２０８では、溶接止端部３０及び３２を所定温度まで加熱する。この所定温度は、溶接継手１０に引張応力を導入可能な、具体的な温度範囲を表す。一実施例では、管２０及びフランジ２２の各々がステンレス鋼合金から成り、所定温度が約４００°Ｆ〜約５００°Ｆの範囲である。方法２００は次にステップ２１０に進む。

ステップ２１０では、溶接止端部３０、３２の温度を熱電対５０により監視する。再び図２を参照すると、溶接止端部３０及び３２の温度を監視するために、１つ以上の熱電対５０を、抵抗線４０、４２の一方又は両方付近に配置する。熱電対５０は、データ収集装置（図示せず）と連通しており、このデータ収集装置を介して、ユーザーは溶接止端部３０及び３２の温度を監視する。溶接止端部３０、３２の温度を監視することにより、溶接止端部３０、３２の温度を確実に所定温度以下にできる。方法２００は次にステップ２１２に進む。

ステップ２１２では、抵抗線４０及び４２を、溶接止端部３０及び３２から取り外す。方法２００は次にステップ２１４に進む。

ステップ２１４では、溶接止端部３０及び３２を冷却媒体により焼入れする。冷却媒体は一般に、金属系材料の焼入れ又は急速冷却に用いる、何れかの種類の媒体である。冷却媒体を用いて、溶接継手１０がほぼ室温になるまで焼入れする。溶接継手１０を焼入れすると、溶接止端部３０、３２が溶接継手１０の周囲の部分により圧迫される。溶接止端部３０、３２が圧迫されることにより、溶接止端部３０、３２に圧縮応力が誘導される。この圧縮応力は、溶接止端部３０、３２の疲労寿命を延ばす。方法２００はこれで終了する。

限られた数の実施形態のみについて本発明を詳説したが、本発明がこうした開示の実施形態に限定されないことは、容易に理解できよう。寧ろ、本発明を改変して、上記しなかった変形、代替、置換、又は等価の構造を幾つでも組み込むことができ、これらも本発明の概念及び範囲に含まれる。また、本発明の種々の実施形態を記述したが、本発明の態様は、記述した実施形態の一部を含むのみであってもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、以上の記述によって限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるとみなされるべきである。

１０ 溶接継手
２０ 管
２２ フランジ
３０、３２ 溶接止端部
３４ 溶接金属
３６ 母材
３８ 母材
３９ 隆起部
４０、４２ 電気抵抗線
５０ 熱電対

Claims (10)

1. 少なくとも１つの溶接止端部を有する溶接継手に圧縮応力を導入する方法であって、
   前記溶接継手の前記少なくとも１つの溶接止端部を抵抗線で覆うステップと、
   前記少なくとも１つの溶接止端部を前記抵抗線により加熱するステップであって、前記少なくとも１つの溶接止端部を所定温度まで加熱するステップと、
   前記少なくとも１つの溶接止端部を所定時間にわたって前記所定温度に維持するステップと、
   前記抵抗線を前記少なくとも１つの溶接止端部から取り外すステップと、
   冷却媒体を用いて前記少なくとも１つの溶接止端部を焼入れするステップであって、焼入れ時に圧縮応力を前記少なくとも１つの溶接止端部に導入するステップとを含む、方法。
2. 前記少なくとも１つの溶接止端部を前記抵抗線で覆う前に、前記溶接継手の外面がほぼ平滑な輪郭になるまで研磨するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 圧縮空気又は水噴霧の少なくとも一方を前記冷却媒体として適用するステップを含む、請求項１記載の方法。
4. 熱電対を用いて前記少なくとも１つの溶接止端部の温度を監視するステップを含み、前記熱電対が前記少なくとも１つの溶接止端部付近に配置される、請求項１記載の方法。
5. 前記少なくとも１つの溶接止端部の前記所定温度を超えたか否かを判断するステップを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記所定温度が約４００°Ｆ〜約５００°Ｆの範囲である、請求項１記載の方法。
7. 前記所定時間が約５分〜約１０分である、請求項１記載の方法。
8. 前記溶接止端部をほぼ室温まで冷却するステップを含む、請求項１記載の方法。
9. 前記溶接継手がステンレス鋼合金から成る、請求項１記載の方法。
10. 少なくとも１つの溶接止端部を有する、ガスタービンエンジンのノズルとフランジとを接合する溶接継手に圧縮応力を導入する方法であって、
    前記溶接継手の外面がほぼ平滑な輪郭になるまで研磨するステップと、
    前記溶接継手の前記少なくとも１つの溶接止端部を抵抗線で覆うステップと、
    前記少なくとも１つの溶接止端部を前記抵抗線により加熱するステップであって、前記少なくとも１つの溶接止端部を所定温度まで加熱するステップと、
    前記少なくとも１つの溶接止端部を所定時間にわたって前記所定温度に維持するステップと、
    熱電対を用いて前記少なくとも１つの溶接止端部の温度を監視するステップであって、前記熱電対を前記少なくとも１つの溶接止端部付近に配置するステップと、
    前記抵抗線を前記少なくとも１つの溶接止端部から取り外すステップと、
    冷却媒体を用いて前記少なくとも１つの溶接止端部を室温まで焼入れするステップであって、焼入れ時に圧縮応力を前記少なくとも１つの溶接止端部に導入するステップとを含む、方法。