JP2017035712A - Peening processing method and turbine rotor wheel - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、被加工物の表面に対して圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法およびその処理方法を適用したタービンロータホイールに関する。 Embodiments described herein relate generally to a peening method for applying compressive residual stress to a surface of a workpiece and a turbine rotor wheel to which the processing method is applied.
一般に、火力プラント、原子力プラントなどの産業プラントで用いられる構造物や機器の疲労強度向上や応力腐食割れの発生を予防する方法として、被加工物の表面を塑性変形させて圧縮の残留応力を付与するピーニング処理が広く知られている。このピーニング処理の代表的なものとして、ショットピーニングやレーザピーニングがある。 In general, as a method of improving the fatigue strength of structures and equipment used in industrial plants such as thermal power plants and nuclear power plants and preventing the occurrence of stress corrosion cracking, the surface of the workpiece is plastically deformed to give compressive residual stress. The peening process is widely known. Typical peening processes include shot peening and laser peening.
ショットピーニングとは、金属またはセラミック等の硬球(ショット)を高速で被加工物の表面に衝突させ、この被加工物の表面に圧縮応力が残存する圧縮応力部を形成することで、被加工物の表面の硬化、及び耐摩耗性の向上を図る技術である(例えば、特許文献1)。 Shot peening means that a hard ball (shot) such as metal or ceramic collides with the surface of the work piece at a high speed and forms a compressive stress portion where the compressive stress remains on the surface of the work piece. This is a technique for improving the surface hardening and wear resistance (for example, Patent Document 1).
一方、硬球の代わりにレーザビームを用いるレーザピーニング処理は、レーザビームの照射によって被加工物の表面に高圧のプラズマを発生させ、このプラズマが膨張する際の反作用によって被加工物の表面に圧縮応力部を形成する。 On the other hand, the laser peening process using a laser beam instead of a hard sphere generates a high-pressure plasma on the surface of the workpiece by irradiation with the laser beam, and compressive stress is applied to the surface of the workpiece by the reaction when the plasma expands. Forming part.
このレーザピーニング処理では、圧縮応力部を被加工物のより深い部分にまで形成することが可能であるため、ショットピーニング処理以上に被加工物の表面の硬化、及び耐摩耗性の向上が期待できる(例えば、特許文献2)。 In this laser peening process, it is possible to form the compressive stress part to a deeper part of the work piece, so that the surface hardening of the work piece and the improvement of the wear resistance can be expected more than the shot peening process. (For example, patent document 2).
ところで、火力プラント、原子力プラントなどでは高温環境下で使用される機器も多く、例えば図11に示すタービンの出力に影響を与える機器であるタービンロータホイール10がある。 By the way, in a thermal power plant, a nuclear power plant, and the like, there are many devices used in a high temperature environment, for example, there is a turbine rotor wheel 10 which is a device that affects the output of the turbine shown in FIG.
このタービンロータホイール10は、ホイールの周方向にクリスマス状の植込み部11が配設されており、この植込み部11にガスタービンの動翼(図示省略)が接続される。
ガスタービンはその出力により異なるものの運転中に約1300℃まで温度が上昇する。このため、植込み部11の下部に冷却孔12が設けられており、この冷却口12から冷却用ガスをガスタービンの動翼方向に導出することで、運転中のガスタービン動翼の内部が冷却される。
The turbine rotor wheel 10 is provided with a Christmas-like implanted portion 11 in the circumferential direction of the wheel, and a moving blade (not shown) of a gas turbine is connected to the implanted portion 11.
Gas turbines increase in temperature to about 1300 ° C. during operation, depending on their power. For this reason, the cooling hole 12 is provided in the lower part of the implantation part 11, and the inside of the gas turbine moving blade under operation is cooled by deriving the cooling gas from the cooling port 12 in the moving blade direction of the gas turbine. Is done.
この冷却孔12は、角部分が丸く加工されてはいるが、角部分の表面は形状不連続であるため、部分的に応力が高くなる応力集中現象が生じる。このため、結晶粒界の応力腐食酸化現象に起因するホールドタイムクラッキング(Hold Time Cracking)といわれる亀裂が深さ方向に発生するおそれがある。図11(B)は、冷却孔12で亀裂が発生した場合の一例を示すものである。 Although the corners of the cooling holes 12 are rounded, the surface of the corners is discontinuous in shape, so that a stress concentration phenomenon in which the stress partially increases occurs. For this reason, there is a possibility that a crack called hold time cracking (Hold Time Cracking) due to the stress corrosion oxidation phenomenon at the crystal grain boundary may occur in the depth direction. FIG. 11B shows an example when a crack occurs in the cooling hole 12.
冷却孔12での亀裂を防止あるいは発生時期を遅らせるためには、圧縮の高い残留応力を冷却孔の応力集中部に付与することが必要となるが、残留応力は温度による機械的特性の変化により低下するため、高温環境で使用される冷却口12などの機器には、亀裂が発生しやすい方向に圧縮の残留応力を確実に付与する必要がある。 In order to prevent cracks in the cooling holes 12 or delay the generation time, it is necessary to apply a high compressive residual stress to the stress concentration portion of the cooling holes. The residual stress is caused by changes in mechanical properties due to temperature. Therefore, it is necessary to reliably apply a compressive residual stress to a device such as the cooling port 12 used in a high temperature environment in a direction in which cracks are likely to occur.
従来のピーニング処理方法は、高温環境や残留応力が負荷される環境を考慮するのものでは無く、亀裂が発生しやすい方向に圧縮の残留応力を高い精度で付与するものでは無かった。 The conventional peening treatment method does not consider a high-temperature environment or an environment in which residual stress is applied, and does not provide compressive residual stress with high accuracy in a direction in which cracks are likely to occur.
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、被加工物の表面で亀裂が発生しやすい方向に圧縮の高い残留応力を確実に付与することができるピーニング処理方法およびタービンロータホイールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a peening treatment method and a turbine rotor wheel that can reliably apply high compressive residual stress in a direction in which cracks are likely to occur on the surface of a workpiece. The purpose is to provide.
本発明の実施形態に係るピーニング処理方法において、レーザピーニングにより被加工物の表面に圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法であって、前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、前記試験体に対して、第1の走査方向とこの方向に直交する第2の走査方向のレーザ照射密度の比率を変えて前記レーザピーニングを実施する第1ピーニングステップと、前記レーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第1の走査方向及び前記第2の走査方向のそれぞれ評価する評価ステップと、前記第1の走査と前記第2の走査方向の残留応力の比率が0.3から0.7となる前記レーザ照射密度の比率を抽出する抽出ステップと、前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第2の走査方向に設定して、抽出した前記レーザ照射密度の比率で前記レーザピーニングを実施する第2ピーニングステップと、を含むことを特徴とする。 In the peening processing method according to the embodiment of the present invention, a peening processing method for applying compressive residual stress to the surface of the workpiece by laser peening, the preparation step for preparing a specimen of the same material as the workpiece And a first peening step of changing the ratio of the laser irradiation density in the first scanning direction and the second scanning direction perpendicular to the first scanning direction to the test body, and the laser irradiation density. The evaluation step for evaluating the compressive residual stress corresponding to each ratio in the first scanning direction and the second scanning direction, respectively, and the ratio of the residual stress in the first scanning direction to the second scanning direction is 0. An extraction step for extracting a ratio of the laser irradiation density from 3 to 0.7, and a direction in which cracks are likely to occur with respect to the surface of the workpiece, the second scanning direction. Set, characterized in that it comprises a second peening step of performing said laser peening at a ratio of extracted said laser irradiation density, the.
本発明の実施形態に係るピーニング処理方法において、ショットピーニングにより被加工物の表面に圧縮の残留応力を付与するピーニング処理方法であって、前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、前記試験体に対して、第1の噴射方向とこの方向に直交する第2の噴射方向とのショット噴射密度の比率を変えて前記ショットピーニングを実施する第1ピーニングステップと、前記ショット噴射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第1の噴射方向及び前記第2の噴射方向のそれぞれ評価する評価ステップと、前記第1の噴射方向と前記第2の噴射方向の残留応力の比率が0.3から0.7となる前記ショット噴射密度の比率を抽出する評価ステップと、前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第2の噴射方向に設定して、抽出した前記ショット噴射密度の比率で前記ショットピーニングを実施する第2ピーニングステップと、を含むことを特徴とする。 In the peening treatment method according to the embodiment of the present invention, a peening treatment method for imparting compressive residual stress to the surface of the workpiece by shot peening, the preparation step for preparing a specimen of the same material as the workpiece And a first peening step in which the shot peening is performed by changing a ratio of a shot injection density between a first injection direction and a second injection direction perpendicular to the first injection direction with respect to the specimen, and the shot injection An evaluation step for evaluating the compressive residual stress corresponding to each density ratio in each of the first injection direction and the second injection direction, and a ratio of the residual stresses in the first injection direction and the second injection direction. An evaluation step for extracting a ratio of the shot spray density in which 0.3 is 0.7, and a direction in which cracks are likely to occur with respect to the surface of the workpiece. It is set to a second injection direction, and a second peening step of carrying out the shot peening at a ratio of extracted said shot injection density, characterized in that it comprises a.
本発明の実施形態に係るタービンロータホイールは、上記ピーニング処理方法を、タービンロータホイールの周方向に配設されガスタービンの動翼が接続されるクリスマス状の植込み部の下部に形成された冷却口の角部分の表面に施されていることを特徴とする。 In the turbine rotor wheel according to the embodiment of the present invention, the cooling port formed in the lower part of the Christmas-like implantation portion that is arranged in the circumferential direction of the turbine rotor wheel and to which the moving blades of the gas turbine are connected is the above peening method. It is characterized by being applied to the surface of the corner portion of
本発明の実施形態により、被加工物の表面で亀裂が発生しやすい方向に圧縮の高い残留応力を確実に付与することができるピーニング処理方法およびタービンロータホイールが提供される。 The embodiment of the present invention provides a peening treatment method and a turbine rotor wheel that can reliably apply a residual stress with high compression in a direction in which cracks are likely to occur on the surface of a workpiece.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
本実施形態に係るピーニング処理方法は、レーザピーニングを用いて、例えばタービンロータホイールや炉内構造物の配管といった火力、原子力プラントなどの産業プラントで使用される各種機器の表面に対して圧縮の残留応力を付与する被加工物の表面改質方法である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The peening treatment method according to the present embodiment uses laser peening, for example, thermal power such as turbine rotor wheels and piping of reactor internals, and residual compression on the surfaces of various devices used in industrial plants such as nuclear power plants. This is a surface modification method for a workpiece to which stress is applied.
図1は、本実施形態に係るピーニング処理方法のフローチャートを示している。なお、以下では、レーザビームの第1の走査方向をx方向とし、この第1の方向に直交する第2の走査方向をy方向と規定して説明を行う。このx方向は、ピーニングの処理対象となる被加工物に対して任意に設定される。 FIG. 1 shows a flowchart of a peening processing method according to the present embodiment. In the following description, the first scanning direction of the laser beam is defined as the x direction, and the second scanning direction orthogonal to the first direction is defined as the y direction. The x direction is arbitrarily set for a workpiece to be peened.
準備ステップS10では、被加工物と同材料で作製された試験体が複数準備される。被加工物となるタービンロータホイールや原子炉炉内構造物は、主にオールステナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金などで構成されているため、試験体はこれらの材料と同一の材料で作製される。図2(A)は、作製されたブロック状の試験体の1つを例示したものである。 In preparation step S10, a plurality of specimens made of the same material as the workpiece are prepared. Since the turbine rotor wheel and reactor internal structure that are the workpieces are mainly composed of all-stainless stainless steel or nickel-base alloy, the specimen is made of the same material as these materials. . FIG. 2A illustrates one of the produced block-shaped specimens.
第1ピーニングステップS11では、準備した試験体に対して、x方向とy方向の2つの走査方向でレーザピーニングが実施される。なお、x方向は、試験体に対して任意に設定される。 In the first peening step S11, laser peening is performed on the prepared specimen in two scanning directions, the x direction and the y direction. The x direction is arbitrarily set with respect to the specimen.
レーザピーニングは、試験体の表面に水がある状態で、直径が1mm以下のパルスレーザを照射する。このレーザの照射により、蒸発した金属の膨張が水に妨げられることにより金属の表面に衝撃力が働いて表面に圧縮方向の残留応力が付与される。 Laser peening irradiates a pulse laser having a diameter of 1 mm or less with water on the surface of the specimen. By this laser irradiation, the evaporation of the evaporated metal is hindered by water, so that an impact force acts on the surface of the metal and a residual stress in the compression direction is applied to the surface.
なお、使用するレーザとして、波長1064nmのYAGレーザ基本波や波長532nmのYAGレーザを基本波長の1/2にした高調波が適用できる。また、レーザビームのピークパワーは、照射対象の表面において例えば1〜数10GW/cm2となるように設定する。 As a laser to be used, a YAG laser fundamental wave having a wavelength of 1064 nm or a harmonic having a YAG laser having a wavelength of 532 nm made half the fundamental wavelength can be applied. Further, the peak power of the laser beam is set to be, for example, 1 to several tens GW / cm 2 on the surface of the irradiation target.
図2(B)は、x方向とy方向の2つの走査方向で試験体の表面にレーザピーニングを実施する場合のレーザ照射面を示す図であり、図2(C)は、走査されるレーザビームの一例を示している。図2(C)に示されるように、x方向とy方向の2つの走査方向を交互に変更させて、レーザビームが試験体の表面に照射される。 FIG. 2B is a diagram showing a laser irradiation surface when laser peening is performed on the surface of the specimen in two scanning directions of the x direction and the y direction, and FIG. 2C shows the laser to be scanned. An example of a beam is shown. As shown in FIG. 2C, the surface of the specimen is irradiated with the laser beam by alternately changing the two scanning directions of the x direction and the y direction.
第1ピーニングステップS11では、レーザ照射面積を固定して、x方向のレーザ照射密度とy方向のレーザ照射密度との比率を変えて、試験体のそれぞれにレーザピーニングが実施される。これにより、2方向のレーザ照射密度の比率が変更されてレーザピーニングされた複数の試験体が作製される。なお、レーザ照射密度は、例えば単位面積当たりのパルスレーザの照射数で求められる。 In the first peening step S11, laser peening is performed on each of the specimens by fixing the laser irradiation area and changing the ratio of the laser irradiation density in the x direction and the laser irradiation density in the y direction. As a result, a plurality of test bodies that are laser-peened by changing the ratio of the laser irradiation density in the two directions are produced. The laser irradiation density is obtained, for example, by the number of pulse laser irradiations per unit area.
評価ステップS12では、作製された試験体を用いて、レーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力がx方向及びy方向のそれぞれについて評価される。試験体の表面における2方向の残留応力は、X線回折法により測定される。 In the evaluation step S12, the compressive residual stress corresponding to each ratio of the laser irradiation density is evaluated for each of the x direction and the y direction using the manufactured specimen. Residual stress in two directions on the surface of the specimen is measured by X-ray diffraction.
図3は、試験体にレーザピーニング処理後、表面の残留応力をX線回折法で測定した場合の一例を示している。図3に示されるように、2つの走査方向によりレーザピーニングを行った場合、x方向とy方向における残留応力は異なる応力値となる。 FIG. 3 shows an example when the residual stress on the surface is measured by the X-ray diffraction method after the laser peening treatment on the specimen. As shown in FIG. 3, when laser peening is performed in two scanning directions, residual stresses in the x direction and the y direction have different stress values.
なお、図3では、比較例としてショットピーニングにおける残留応力が示されている。ショットピーニングは、多数の鋼球を材料表面に打ち付けて被加工物の表面に圧縮残留応力を付与する処理であり、通常、処理面上におけるx方向とy方向の残留応力はほぼ同じ値となる。 In FIG. 3, residual stress in shot peening is shown as a comparative example. Shot peening is a process in which a large number of steel balls are applied to the surface of a material to give compressive residual stress to the surface of the workpiece. Usually, the residual stress in the x direction and the y direction on the processing surface is almost the same value. .
ここで、x方向とy方向との残留応力が方向により異なる場合、次式(1)に示す相当応力σeqとして応力値を評価することができる。σxはx方向の残留応力を示しており、σyはy方向の残留応力を示している。なお、ショットピーニングのように、x方向の残留応力とy方向の残留応力が同じ場合には、相当応力はx方向及びy方向の残留応力に等しくなる。 Here, when the residual stress in the x direction and the y direction differs depending on the direction, the stress value can be evaluated as the equivalent stress σ eq shown in the following equation (1). σ x indicates the residual stress in the x direction, and σ y indicates the residual stress in the y direction. If the residual stress in the x direction and the residual stress in the y direction are the same as in shot peening, the equivalent stress is equal to the residual stress in the x direction and the y direction.
図4は、上述の式(1)に基づいて計算された、レーザピーニングにより付与されるx方向の残留応力σxとy方向の残留応力σyとの残留応力の比率と、相当応力σeqに対するy方向の残留応力σyの比率を示すグラフである。 FIG. 4 shows the ratio of the residual stress σ x applied by laser peening to the residual stress σ x in the y direction and the residual stress σ y in the y direction, and the equivalent stress σ eq , calculated based on the above equation (1). It is a graph which shows the ratio of residual stress (sigma) y of the y direction with respect to.
図4に示されるように、x方向の残留応力σxとy方向の残留応力σyの比率σx/σyが0.5のときに、相当応力σeqに対するy方向の残留応力σyは最小となる。つまり、相当応力σeqで応力の変化が決定されるため、σx/σyが0.5のときに、y方向における圧縮方向の残留応力σyが最大となる。したがって、σx/σyが0.5となるレーザ照射密度の比率で被加工物にレーザピーニングを行った場合、y方向における圧縮の残留応力σyは最大となる。 As shown in FIG. 4, when the ratio sigma x / sigma y of residual stress sigma y of residual stress sigma x and y direction of the x-direction is 0.5, the residual stress in the y-direction with respect to the equivalent stress sigma eq sigma y Is minimal. That is, since the change in stress is determined by the equivalent stress σ eq , when σ x / σ y is 0.5, the residual stress σ y in the compression direction in the y direction is maximized. Therefore, when laser peening is performed on the workpiece at a ratio of the laser irradiation density at which σ x / σ y is 0.5, the compressive residual stress σ y is maximized in the y direction.
抽出ステップS13では、評価ステップS12におけるレーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力の評価結果から、x方向とy向の残留応力における比率が0.5となるレーザ照射密度の比率が抽出される。なお、最大の効果はσx/σyが0.5となるレーザ照射密度の比率ではあるが図4から判るように0.3から0.7であれば一定の効果が得られることが認められる。 In the extraction step S13, the ratio of the laser irradiation density at which the ratio in the residual stress in the x direction and the y direction becomes 0.5 is extracted from the evaluation result of the compressive residual stress corresponding to each ratio of the laser irradiation density in the evaluation step S12. The Although the maximum effect is the ratio of the laser irradiation density at which σ x / σ y is 0.5, it can be seen that a certain effect can be obtained if 0.3 to 0.7 as can be seen from FIG. It is done.
図5は、x方向とy方向のレーザ照射密度の比率と、x方向とy方向の表面残留応力の比率との関係を評価したグラフである。この評価結果から、x方向とy向の残留応力における比率が0.5となるレーザ照射密度の比率Aを抽出することができる。 FIG. 5 is a graph evaluating the relationship between the ratio of the laser irradiation density in the x direction and the y direction and the ratio of the surface residual stress in the x direction and the y direction. From this evaluation result, it is possible to extract the ratio A of the laser irradiation density at which the ratio in the residual stress in the x direction and the y direction becomes 0.5.
そして、第2ピーニングステップS14では、実際の被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向をy方向に設定して、抽出したレーザ照射密度の比率でレーザピーニングを実施する。 In the second peening step S14, the direction in which cracks are likely to occur is set in the y direction with respect to the actual surface of the workpiece, and laser peening is performed at the ratio of the extracted laser irradiation density.
図6(A)は、タービンロータホイール10(図11参照)の冷却孔12に本実施形態に係るピーニング処理を行う場合を示す図である。図6(B)は、A方向からの矢視図を示している。 FIG. 6A is a diagram illustrating a case where the peening process according to the present embodiment is performed on the cooling hole 12 of the turbine rotor wheel 10 (see FIG. 11). FIG. 6B shows an arrow view from the A direction.
応力集中する冷却孔12の角部で、亀裂が想定される方向をy方向に設定して、抽出ステップS13で抽出したレーザ照射密度の比率でレーザピーニングを実施する。これにより、亀裂が想定される方向に圧縮の高い残留応力が確実に付与される。 At the corner of the cooling hole 12 where the stress is concentrated, the direction in which cracks are assumed is set in the y direction, and laser peening is performed at the ratio of the laser irradiation density extracted in the extraction step S13. Thereby, the residual stress with high compression is reliably provided in the direction in which the crack is assumed.
図7(A)は、炉内構造物の配管13の溶接部14に本実施形態に係るピーニング処理を行う場合を示す図である。図7(B)は、溶接部14の部分拡大図を示している FIG. 7A is a diagram illustrating a case where the peening process according to the present embodiment is performed on the welded portion 14 of the pipe 13 of the furnace internal structure. FIG. 7B shows a partially enlarged view of the welded portion 14.
配管13では、溶接部14に沿って溶接の熱の影響を受ける部位が生じて、配管13の軸方向に沿って応力腐食割れの発生するおそれがある。 In the pipe 13, a part affected by the heat of welding is generated along the welded part 14, and stress corrosion cracking may occur along the axial direction of the pipe 13.
応力腐食割れが想定される部位において、割れが想定される方向をy方向に設定して、抽出ステップS13で抽出したレーザ照射密度の比率でレーザピーニングを実施する。これにより、応力腐食割れが想定される方向に圧縮の高い残留応力が確実に付与される。 In a site where stress corrosion cracking is assumed, the direction in which cracking is assumed is set in the y direction, and laser peening is performed at the ratio of the laser irradiation density extracted in extraction step S13. Thereby, the residual stress with high compression is reliably provided in the direction in which stress corrosion cracking is assumed.
図8は、ブロック状の試験体に本実施形態に係るレーザピーニングをした場合に、加熱処理前後における表面残留応力の時間推移を示す試験結果である。なお、図8では、ショットピーニングをした場合に、加熱処理前後における表面残留応力の時間推移を比較例として示している。 FIG. 8 is a test result showing a time transition of the surface residual stress before and after the heat treatment when the laser-peening according to the present embodiment is performed on a block-shaped test body. In addition, in FIG. 8, when shot peening is performed, the time transition of the surface residual stress before and after the heat treatment is shown as a comparative example.
レーザピーニングでは、x方向の残留応力σxとy方向の残留応力σyは異なる値となり、加熱前(時間0の位置)でy方向の残留応力σyが良好な圧縮値を示しており、加熱後においても高い残留応力が残存していることがわかる。一方、ショットピーニングでは、x方向の残留応力σxとy方向の残留応力σyはほぼ同じとなり、加熱後に両方向ともに圧縮の残留応力は減少する。 In the laser peening, residual stress sigma y of residual stress sigma x and y direction of the x-direction becomes a different value, the residual stress sigma y in the y direction before heating (the position of the time 0) shows a good compression value, It can be seen that high residual stress remains even after heating. On the other hand, in the shot peening, the residual stress sigma y is approximately the same next to the residual stress sigma x and y direction of the x-direction, the residual stress of compression both directions after heating is reduced.
このように、x方向とy方向の2つの方向によりピーニング評価を行い、y方向で圧縮の残留応力が高くなるレーザの照射密度の比率を予め評価する。そして、被加工物の亀裂の発生するおそれのある方向(亀裂の過去データによって求められた方向または解析によって求められた亀裂の発生するおそれのある方向)をy方向に設定して、評価したレーザの照射密度でピーニング処理を行うことで、圧縮の高い残留応力を確実に付与することができる。 In this way, peening is evaluated in two directions, the x direction and the y direction, and the ratio of the irradiation density of the laser that increases the compressive residual stress in the y direction is evaluated in advance. Then, the direction in which there is a possibility of cracking of the workpiece (the direction obtained from past data of the crack or the direction in which cracking may be obtained by analysis) is set in the y direction and evaluated. By carrying out the peening process at an irradiation density of, a highly compressive residual stress can be reliably applied.
なお、ショットピーニングにおいても、被加工物に噴射するショットの噴射密度をx方向とy方向のそれぞれで調整して、レーザピーニングと同様にy方向における圧縮残留応力が高くなるショットの噴射密度の比率を予め評価することで、上述のレーザピーニングと同様の効果を奏することが可能となる。 In shot peening, the ratio of the shot injection density that increases the compressive residual stress in the y direction, as in laser peening, by adjusting the injection density of the shot injected into the workpiece in each of the x and y directions. It is possible to obtain the same effect as the above-described laser peening by evaluating in advance.
具体的には、試験体に対して、x方向とy方向のショット噴射密度の比率を変化させてショットピーニングを実施する。そして、x方向とy方向の残留応力における比率が0.5となるショット噴射密度の比率を抽出する。そして。実際の被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向をy方向に設定して、抽出した噴射密度の比率でショットピーニングを実施する。なお、ショットとしては、直径が0.1mm以下の鋼球を用いることが望ましい。 Specifically, shot peening is performed on the specimen by changing the ratio of the shot injection density in the x direction and the y direction. Then, a ratio of shot injection density at which the ratio of residual stress in the x direction and y direction becomes 0.5 is extracted. And then. Shot peening is performed at the ratio of the extracted jet density, with the direction in which cracks are likely to occur is set in the y direction with respect to the actual surface of the workpiece. As a shot, it is desirable to use a steel ball having a diameter of 0.1 mm or less.
続けて、高温環境下において、加熱処理前後での残留応力の変化を予測する方法について検討する。 Next, a method for predicting changes in residual stress before and after heat treatment in a high-temperature environment will be studied.
図9は、熱処理の温度を上昇させた場合における、表面残留応力とその温度に対する弾性限度(図中実線)を比較したグラフである。レーザピーニングにおける表面残留応力は、相当応力σeqで示している。 FIG. 9 is a graph comparing the surface residual stress and the elastic limit with respect to the temperature (solid line in the figure) when the temperature of the heat treatment is increased. The surface residual stress in laser peening is indicated by equivalent stress σ eq .
図9に示されるように、レーザピーニングにおける相当応力σeqは弾性限度に近い値となっている。つまり、加熱処理前後での残留応力の変化はその温度に対する弾性限度に基づいて予測が可能なことを示している。 As shown in FIG. 9, the equivalent stress σ eq in laser peening is a value close to the elastic limit. That is, the change in the residual stress before and after the heat treatment can be predicted based on the elastic limit with respect to the temperature.
さらに、加熱処理後の残留応力の時間変化を予め計算する方法について説明する。
時間に依存するひずみであるクリープひずみεcの変化を表す式は、単位時間のクリープひずみの変化量dεc/dtが残留応力σ(相当応力)と時間tに依存する下記の式(2)で表される。なお、式(2)の定数n、m、及びAは、被加工物と同一材料の試験体を用いて、この試験体における実際のクリープひずみの時間変化に基づいて導出しておく。
Further, a method for calculating in advance the temporal change of the residual stress after the heat treatment will be described.
The equation representing the change in creep strain ε c , which is a strain dependent on time, is the following equation (2) in which the amount of change in creep strain dε c / dt per unit time depends on the residual stress σ (equivalent stress) and time t: It is represented by Note that the constants n, m, and A in the formula (2) are derived based on the actual change in creep strain over time using a specimen made of the same material as the workpiece.
dεc/dt=Aσntm ・・・式(2) dε c / dt = Aσ n t m (2)
この式から、残留応力の大きさを決定する弾性ひずみεeの減少とクリープひずみεcの増加が等しいとして、下記の式(3)を導出する。さらに、時間で積分して残留応力の変化を計算する。なお、レーザピーニングでは、x方向の残留応力σxとy方向の残留応力σyの比が熱処理前後で変わらないと仮定する。Eはヤング率である。 From this equation, the following equation (3) is derived on the assumption that the decrease in elastic strain ε e that determines the magnitude of residual stress is equal to the increase in creep strain ε c . Furthermore, the change in residual stress is calculated by integration over time. In laser peening, it is assumed that the ratio between the residual stress σ x in the x direction and the residual stress σ y in the y direction does not change before and after the heat treatment. E is Young's modulus.
dσ/dt=Edεe/dt=−Edεc/dt=−EAσntm ・・・式(3) dσ / dt = Edε e / dt = −Edε c / dt = −EAσ n t m (3)
図10は、図8に示す試験結果に、計算式により導出される加熱後の残留応力の時間変化を示す予測結果(図中点線)を外挿したグラフである。図10に示されるように、加熱処理後の残留応力の時間変化をおおよそ予測できることが分かる。このように、高温環境下における圧縮応力の時間変化を予測することで、機器の取替などの保全作業に役立てることができる。 FIG. 10 is a graph obtained by extrapolating the test results shown in FIG. 8 with prediction results (dotted lines in the figure) indicating the temporal change in the residual stress after heating derived from the calculation formula. As shown in FIG. 10, it can be seen that the temporal change in the residual stress after the heat treatment can be roughly predicted. Thus, by predicting the time change of the compressive stress in a high temperature environment, it can be used for maintenance work such as replacement of equipment.
以上述べた本実施形態のピーニング処理によれば、x方向とy方向の2つの方向によりピーニング評価を行い、y方向で圧縮の残留応力が高くなるレーザの照射密度の比率を予め評価する。そして、被加工物の亀裂の発生するおそれのある方向をy方向に設定して、評価したレーザの照射密度でピーニング処理を行うことで、圧縮の高い残留応力を確実に付与することができる。 According to the peening process of the present embodiment described above, peening evaluation is performed in two directions of the x direction and the y direction, and the ratio of the irradiation density of the laser that increases the compressive residual stress in the y direction is evaluated in advance. Then, by setting the direction in which the workpiece may be cracked to the y direction and performing the peening process at the evaluated laser irradiation density, it is possible to reliably apply a high compressive residual stress.
さらに上述したピーニング処理方法を、一例として背景技術で説明したタービンロータホイールの周方向に配設されガスタービンの動翼が接続されるクリスマス状の植込み部の下部に形成された冷却口の角部分深さ方向表面のピーニング処理に採用すれば上述したピーニング処理方法で説明した作用効果を確実に得ることが出来る。 Furthermore, the corner part of the cooling port formed in the lower part of the Christmas-like implantation part which is arrange | positioned in the circumferential direction of the turbine rotor wheel demonstrated in background art as an example, and to which the moving blade of a gas turbine is connected is demonstrated as an example. If it is adopted for the peening treatment on the surface in the depth direction, the effects described in the above peening treatment method can be obtained with certainty.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…タービンロータホイール、11…植込み部、12…冷却孔、13…配管、14…溶接部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Turbine rotor wheel, 11 ... Implanted part, 12 ... Cooling hole, 13 ... Piping, 14 ... Welded part.
Claims (4)
前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、
前記試験体に対して、第1の走査方向とこの方向に直交する第2の走査方向のレーザ照射密度の比率を変えて前記レーザピーニングを実施する第1ピーニングステップと、
前記レーザ照射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第1の走査方向及び前記第2の走査方向のそれぞれ評価する評価ステップと、
前記第1の走査と前記第2の走査方向の残留応力の比率が0.3から0.7となる前記レーザ照射密度の比率を抽出する抽出ステップと、
前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第2の走査方向に設定して、抽出した前記レーザ照射密度の比率で前記レーザピーニングを実施する第2ピーニングステップと、を含むことを特徴とするピーニング処理方法。 A peening treatment method for applying compressive residual stress to the surface of a workpiece by laser peening,
A preparation step of preparing a specimen of the same material as the workpiece;
A first peening step in which the laser peening is performed by changing a ratio of a laser irradiation density in a first scanning direction and a second scanning direction orthogonal to the first scanning direction to the test body;
An evaluation step for evaluating the compressive residual stress corresponding to each ratio of the laser irradiation density in each of the first scanning direction and the second scanning direction;
An extraction step of extracting a ratio of the laser irradiation density at which a ratio of residual stress in the first scan and the second scan direction is 0.3 to 0.7;
A second peening step of setting the direction in which cracks are likely to occur with respect to the surface of the workpiece as the second scanning direction and performing the laser peening at a ratio of the extracted laser irradiation density; A peening processing method comprising:
前記被加工物と同材料の試験体を準備する準備ステップと、
前記試験体に対して、第1の噴射方向とこの方向に直交する第2の噴射方向のショット噴射密度の比率を変えて前記ショットピーニングを実施する第1ピーニングステップと、
前記ショット噴射密度の各比率に対応する圧縮残留応力を前記第1の噴射方向及び前記第2の噴射方向のそれぞれ評価する評価ステップと、
前記第1の噴射方向と前記第2の噴射方向の残留応力の比率が0.3から0.7となる前記ショット噴射密度の比率を抽出する評価ステップと、
前記被加工物の表面に対して、亀裂が発生しやすい方向を前記第2の噴射方向に設定して、抽出した前記ショット噴射密度の比率で前記ショットピーニングを実施する第2ピーニングステップと、を含むことを特徴とするピーニング処理方法。 A peening method for imparting compressive residual stress to the surface of a workpiece by shot peening,
A preparation step of preparing a specimen of the same material as the workpiece;
A first peening step in which the shot peening is performed by changing a ratio of a shot injection density in a second injection direction perpendicular to the first injection direction to the test body;
An evaluation step of evaluating the compressive residual stress corresponding to each ratio of the shot injection density in each of the first injection direction and the second injection direction;
An evaluation step of extracting a ratio of the shot injection density at which a ratio of residual stress in the first injection direction and the second injection direction is 0.3 to 0.7;
A second peening step of setting the direction in which cracks are likely to occur to the surface of the workpiece as the second injection direction and performing the shot peening at a ratio of the extracted shot injection density; A peening processing method comprising:
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