JP3386931B2 - 水車部材の溶接方法 - Google Patents
水車部材の溶接方法Info
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Description
成する水車部材の溶接方法に係り、特に、表面溶接肉盛
部の溶接割れ及び残留応力を低減するために、溶接後の
最終肉盛層表面を所定温度でピーニング処理する溶接方
法に関する。さらに、高硬度溶接材料による肉盛層の低
温割れ等を防止するため、水車部材用溶接継手部等の疲
労強度向上に寄与するとともに、溶接割れ性が大きいた
めに使用が抑制されている高硬度溶接材料の適用拡大に
大きく貢献できる。
する鋼線で叩いたり、鋼やセラミックス等の高硬度ショ
ットを衝突させたりする方法であるが、鋼材の表面硬さ
を上昇させると共に表面層に圧縮残留応力を与えて疲労
強度を向上するため、機械部品の疲労強度増大策とし
て、工業的に広く用いられている技術である(例えば、
日本機械学会編:金属材料疲労強度の設計試料(198
4))。また、これらのピーニング処理は溶接層表面の
残留応力の緩和などにも利用され、さらに、最近では、
広い面積の表面応力を容易に圧縮応力に変えることか
ら、オーステナイト系ステンレス鋼の応力腐食割れ防止
にも有効な技術とされている(例えば、IRONAGE,novem
ber 22(1973)51)。
耗やキャビテーションによる壊食等に対する耐エロージ
ョン性を向上させるため、母材表面に高硬度溶接材料に
よる被覆層を形成させる場合、その溶接材料の溶接性に
も影響するが、溶接後の冷却途中等の肉盛層に溶接割れ
及び低温割れが発生しやすくなる。また、溶接継手部や
表面肉盛材に、特に、母材より熱膨張係数が小さい溶接
材料を用いる場合はそれらの拘束力等により溶接部に非
常に高い引張応力が発生し、部材が変形したり、肉盛層
に割れを発生する確率が高くなるとともに、その表面加
工性にも影響を及ぼす。そのため、特に、溶接肉盛部に
発生する残留応力を低下させる目的で、溶接肉盛後の溶
接継手部や表面肉盛材表面をピーニング処理されてい
る。さらに、浸炭鋼の疲労強度向上を目的に、ピーニン
グ処理⇒焼戻し処理⇒ピーニング処理を実施する2段ピ
ーニング法が特開昭61−79719 号公報や特開平6−14578
5 号公報等に開示されている。なお、これらのピーニン
グ処理は常温において施工することが主流となってい
る。
理を行うことにより、鋼材表面での再結晶と鍛錬効果に
よって均質で非常に安定な組織が得られることから、こ
れらに関する研究結果が報告されている(例えば、中
村,原田,牧,伊藤,星野,藤村:第42回塑加連講論
(1991)173,中村,原田,牧,武:日本機械学
会岐阜講論(1994)159)。
材の耐エロージョン性を向上するため、母材にマルテン
サイト系ステンレス鋼の13Cr鋼を供し、その表面に
マトリックスの硬さがビッカース硬さで350〜500
HVとなり、かつ、そのマトリックス中にCr炭化物を
析出させるオーステナイト系合金と炭化物系セラミック
スSiCとの複合粉体溶接材料による肉盛層を、プラズ
マ溶接法によって形成させたところ、溶接後の冷却途中
約200℃において肉盛層に割れすなわち低温割れが発
生するとともに、肉盛層表面には非常に高い引張応力が
残留し、表面加工性にも問題を及ぼすことが知られた。
そこで、上記の従来技術を考慮し、溶接肉盛後、肉盛層
表面をピーニング処理したところ、割れは防止できない
ものの、肉盛表面層の残留応力は低くなり、かつ、表面
加工性も容易になることが明らかとなった。
する水車部材の溶接方法において、溶接後の最終肉盛層
表面を100〜600℃の温度でピーニング処理し、こ
れらの溶接材料を実機部材表面に適用するにあたり、そ
の部材の疲労強度の向上をより改善するために、肉盛層
表面に残留する応力をより低め、さらに、特に耐エロー
ジョン性を付与するために用いられる高硬度溶接材料の
肉盛層に発生しやすい低温割れ等の欠陥を抑制すること
にある。
部の最終肉盛表面層を100〜600℃の温度でピーニ
ング処理し、肉盛層の溶接割れ及び表面残留応力を低減
する水車部材の溶接方法を提供するものである。
溶接部材において、その肉盛溶接部材を常温まで冷却後
の再加熱過程あるいは肉盛溶接後の冷却過程のいずれか
の100〜600℃の温度で、最終肉盛層表面を径が1
〜3mmを有する鋼やセラミックス製のショット粒又は鋼
製のワイヤを用いてピーニング処理をしたものである。
やセラミックス製によるショット法を用いる場合は、処
理部材より硬度が高いショット粒を角度80〜100
度,速度10〜30m/sで噴射させることが好まし
い。
場合は、処理部材より硬度が高い鋼製ワイヤを供し、圧
力4〜8Mpaで処理部材表面に打撃を与えることがよ
り効果的である。
〜600℃の温度でピーニング処理することによって、
常温によるピーニング処理よりも残留応力を低減できる
とともに、高硬度材料の低温割れを抑制することができ
る。なお、前記温度でのピーニング処理が、残留応力の
軽減および高硬度肉盛層の低温割れ防止に有効である原
因は明らかでないが、次のように推定される。
表面へのショットの衝突やワイヤの打撃等によるピーニ
ング処理はその表面層のみを塑性膨張させ圧縮応力を残
留させることにある。しかし、前記温度での金属材料は
一般に、常温に比べ強度,硬さは低く、伸び,絞り等の
延性・靭性は高くなるため、表面に外力を加えることに
より、塑性ひずみの導入および変形しやすくなる。その
ため、前記温度でピーニング処理を施すと、表面には常
温ピーニング処理より低い圧縮応力が負荷されるものと
思われる。しかし、ピーニング処理温度が100℃以下
では圧縮応力を負荷する効果はあるものの、溶接後の冷
却途中である200〜300℃以下の温度域で生ずる溶
接金属の低温割れには効果を示さない。また、ピーニン
グ処理温度が600℃以上では応力緩和が多く、かつそ
の後の冷却による母材との熱膨張差が働くためその効果
が小さくなる。そのため、溶接部材表面の残留応力低減
のみを目的とする場合はその部材を常温まで冷却し、1
00〜600℃に再加熱してピーニング処理を加えるこ
とが好ましい。一方、高硬度溶接金属に見られる低温割
れ防止を図ることのみを目的とする場合は溶接後の冷却
過程100〜600℃温度域におけるピーニング処理の
負荷が有効となる。ただし、この場合は残留応力の低減
と溶接金属の低温割れ防止の両方に効果を発揮する。
れ防止の両方の効果を発揮するためには200〜300
℃が好ましい。
る処理条件について示す。
温処理で用いられている鋼およびセラミック製で発揮で
きるが、ワイヤの場合は坑折強度が要求されるため、鋼
製が効果的である。一方、ショット粒やワイヤの硬さは
その硬度が高いほど材料表面に及ぼす加工能(衝撃,打
撃)が大きくなるため好ましいが、低い場合は表面応力
を圧縮応力側に移行させる十分な作用力として働かな
い。従って、特に、鋼製ショットとワイヤの硬さは溶接
肉盛表面等処理部材より硬いことが必要である。次に、
ショットとワイヤの径について示す。ショットピーニン
グの場合のショット粒(平均粒径)が1mm以下と小さい
場合は、材料表面に与える加工能(衝撃,打撃)が小さ
いため、圧縮側応力値や表面層下に十分な力が作用しな
い。3mm以上の場合は、処理表面層は平滑化されやすい
が、肉盛層表面等凹部への作用効果が小さくなり表面に
均一な加工能を与えなくなる。一方、ワイヤピーニング
の場合、そのワイヤ径による効果はショットピーニング
のショット粒と同じ作用を示すが、特に、径が1mm以下
と小さい場合は、処理表面層の捲れ等を積層した変質層
が生じ、応力は開放されるものの金属層としての機能を
有しない処理表面層が生じやすい。
速度は10m/s以下では材料表面に与えるエネルギー
が十分作用せず、30m/s以上では作用力は増加する
ものの、衝突角度にもよるが、処理部材表面に切削的摩
耗損傷による減肉等の問題が生じる。その問題を防ぐた
めには衝突角度を約90度にする必要があり、このため
角度80〜100度の領域以外ではショット噴射力によ
る運動エネルギーが残留応力を低減する十分な作用力と
して発揮させることはできない。
場合は効果が低く、あまり高いと過剰な作用力となるた
め材料表面の特性に効果的ではない。従って、装置仕様
にもよるが、4〜8Mpaの範囲内での打撃力が効果的
に作用する。
成が重量比で、C:1.45% ,Si:3.85%,M
n:7.52%,Ni:3.75%,Cr:16.8%,
Co:5.98%,Mo:1.51%,N:0.16% ,
Fe:残からなる合金粉体溶接材料を粉体プラズマ溶接
装置により水車部材に肉盛した結果に基づき説明する。
表1に粉体プラズマ溶接条件を示す。
て、ビッカース硬さで350〜400HVを有するマト
リックス中に、Crを主とする炭化物を析出した混合組
織の肉盛層を呈する。
る場合の肉盛層表面残留応力に及ぼす高温ピーニング処
理の効果について検討した。図2に水車部材としての母
材への溶接肉盛と残留応力測定位置の概要を示す。母材
1には板厚50mm,幅100mm,長さ200mmを有する
SUS304(18Cr−8Ni鋼)を供し、その表面
中央部長手方向に1ビード(長さ150mm,幅18mm)
一層盛(厚さ3mm)の肉盛溶接層2を設けた。
約200℃の温度の際に、高温ワイヤピーニング処理を
実施し、残留応力を測定した。
(1)常温及び再加熱処理のみ,(2)常温及び再加熱
高温ショットピーニング処理,(3)常温及び再加熱高
温ワイヤピーニング処理と3通りにおける残留応力を測
定した。測定時の再加熱処理及び高温ピーニング処理
は、200℃,400℃および600℃で実施した。こ
の際のピーニング処理条件を表2に示す。
の3ケ所にひずみゲージ3を貼付け、切断法により、肉
盛層表面のみの残留応力を求めた。
す。図より明らかなように、常温及び再加熱処理のみ
で、ピーニングしていないものは、常温ピーニング又は
高温ピーニングしているものより残留応力が高く、また
加熱温度が高くなるに伴い残留応力は低減している。
ショットピーニングを実施しないものと比べ残留応力が
低減しており、高温ショットピーニングを実施したもの
は、温度の増加に伴い、さらに、残留応力が低減してい
る。
り、さらに残留応力が低減している。常温ではワイヤピ
ーニングを実施しないものと比べ残留応力が低減してお
り、高温ワイヤピーニングを実施したものは、温度の増
加に伴い、さらに残留応力が低減している。また、溶接
後の冷却過程中である約200℃の温度の際に、高温ワ
イヤピーニング処理を実施した場合にも同様に残留応力
が低減している。
ノ線を使用した。その組成は、C:0.6〜0.9,S
i:0.12〜0.32,Mn:0.8〜0.9,P:<0.
025 ,S:<0.025,Cu:<0.2及び残部Feで
あり、約HV300程度の物を用いた。
理表面層の残留応力は溶接後の常温ピーニング処理材に
比べ、ピーニング処理温度が高くなるほど低くなってい
る。また、溶接後の冷却中に処理した表面残留応力は、
溶接後に常温まで冷却し、再加熱処理した部材表面より
効果は少ないものの、常温ピーニング処理材よりは残留
応力が低減している。
f/mm2 )以下に残留応力を低減することができる。
そ20〜35kgf/mm2 であったものをおおよそ−15
〜10kgf/mm2 に低減でき、溶接層の疲労強度の向上
ができた。
数が小さい場合について、高温ピーニング処理を実施
し、母材には水車部材として用いられるSUS403(13C
r鋼)を供した。溶接肉盛方法は、実施例1と同じ条件
とした。
で冷却中、約150〜200℃の温度に達した時に、肉
盛層に割れが発生した。
00℃に達した温度でワイヤピーニング処理を施した。
その結果、溶接肉盛層には割れは観察されなかつた。以
上のことにより、高温でのピーニング処理は溶接材料の
低温割れ防止にも有効に作用することが明らかである。
る肉盛層表面への高温ピーニング処理をフランシス水車
で実施した例を示す。
3は水車の断面図、図4は図3のX方向からみた時のラ
ンナの斜視図を示す。本水車の動翼である水車ランナ本
体はクラウン4,シュラウド5,羽根6,ランナコーン
7,ガイドベーン8,ステーベーン9,ランナライナ1
0及びシートライナ11を主体に構成されているが、特
に河川水と接する機器部材表面に耐エロージョン性を有
する肉盛溶接層が設けられる。そこで、水車を構成する
各機器部材表面に前述した粉体溶接材料による肉盛層
(ビッカース硬さでHV約400)を形成させ、その溶
接部に適用した。なお、この肉盛層を形成させるための
問題点は母材と溶接材料の熱膨張係数の違いによる肉盛
部の割れ発生にある。
を適用した機器部材について示す。図5(a)は、水と
接する水車ランナの作用面側(図3のP)羽根6の両端
入口部、図5(b)は水車ランナの反作用面側(図4の
R)羽根6の両端入口部と出口外側(図5のE)、図6
はガイドベーン8及び、図7はシートライナ11であ
る。その処理方法は羽根を5Ni−13Cr鋼、ガイド
ベーン8とシートライナ11を13Cr鋼のマルテンサ
イト系ステンレス鋼製とし、その表面に実施例1に示す
合金粉体を用い、表1のプラズマ溶接条件によって溶接
肉盛層2を形成させ、その冷却過程の250〜300℃
の温度領域でワイヤピーニング処理を表2の条件で付加
して常温まで冷却した。その後、肉盛表面層を機械加工
した。また、図8に関する各ライナ類にも同様に肉盛層
を形成し、ワイヤピーニング処理を施し、機械加工によ
る仕上げを行った。その結果、溶接層には割れ等の異常
が認められず疲労強度が向上した良質な部品が得られ
た。
水車を製作した。この水車を土砂を含む河川水を利用す
る水力発電所で実機運転したところ、良好な耐エロージ
ョン性を示し、従来より疲労強度が優れた水車を製造で
きた。
る肉盛層表面への高温ピーニング処理をペルトン水車で
実施した例を示すが、本発明はこれに限定されない。
は、水車の断面図を示すが、本水車のエロージョン損傷
による対策が重要なのは導入される河川水の流量を調整
するニードルバルブを構成するニードル12の先端部外
周面とノズル13の先端部内周面及びその噴流水を受け
るバケット14の内周面である。そこで、この機器部材
をマルテンサイト系ステンレス鋼、すなわちニードル1
2とノズル13を13Cr鋼、バケット14を5Ni−13
Cr鋼製とし、その表面に実施例1に示す合金粉体を供
し、表1のプラズマ溶接条件によって溶接肉盛層2を形
成し、その冷却過程の250〜300℃の温度領域でワ
イヤピーニング処理を表2の条件で付加して常温まで冷
却した。その後、肉盛り表面層を機械加工による仕上げ
を行った。その結果、溶接層には割れ等の異常が認めら
れず疲労強度が向上した良質な部品が得られた。図9と
図10にその状況概要を示す。次に、これらの部品を組
立て図8に示す水車を製作した。この水車を土砂を含む
河川水を利用する水力発電所での実機運転したところ、
実施例3と同様、従来の材料技術より優れた水車が製造
できた。
を形成する水車部材の溶接方法において、溶接後の最終
肉盛層表面を100〜600℃の温度でピーニング処理
することにより、肉盛部材表面に生ずる残留応力を低減
することができた。さらに、高硬度溶接材料による肉盛
層の低温割れ等を防止するため、回転機器部材用溶接継
手部等の疲労強度向上に寄与するとともに、溶接割れ性
が大きいために使用が抑制されている高硬度溶接材料の
適用拡大に大きく貢献できる。
係を示す図である。
示す図である。
を示す図である。
を示す。
側を示す。
ベーンを示す。
ライナを示す。
示す。
バルブ周辺部を示す。
トを示す。
ラウン、5…シュラウド、6…羽根、7…ランナコー
ン、8…ガイドベーン、9…ステーベーン、10…ラン
ナライナ、11…シートライナ、12…ニードル、13
…ノズル、14…バケット。
Claims (6)
- 【請求項1】母材表面に肉盛溶接層を形成する水車部材
の溶接方法において、溶接後の最終肉盛層表面を100
〜600℃の温度でピーニング処理することを特徴とす
る水車部材の溶接方法。 - 【請求項2】請求項1に記載の前記ピーニング処理を、
肉盛溶接後の冷却過程で前記100〜600℃の温度で
行うことを特徴とする水車部材の溶接方法。 - 【請求項3】請求項1に記載の前記ピーニング処理を、
肉盛溶接部材を常温まで冷却後の再加熱過程で前記10
0〜600℃の温度で行うことを特徴とする水車部材の
溶接方法。 - 【請求項4】請求項1に記載のピーニング処理は、鋼ま
たはセラミックス製のショットあるいはワイヤのいずれ
かによる施工であることを特徴とする水車部材の溶接方
法。 - 【請求項5】鋼またはセラミックス製のショットは肉盛
層より硬度が高くかつ粒径が1〜3mmの球状物とし、処
理部材表面と前記球状物の噴射方向とのなす角度が80
〜100°、噴射速度が10〜30m/sにて前記処理
部材表面へ噴射することを特徴とする請求項4に記載の
水車部材の溶接方法。 - 【請求項6】ワイヤは処理部材より硬度が高くかつ1〜
3mm径を有する鋼製とし、圧力4〜8MPaにて前記処
理部材表面に打撃を与えることを特徴とする請求項4に
記載の水車部材の溶接方法。
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JP16175195A JP3386931B2 (ja) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | 水車部材の溶接方法 |
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JP16175195A JP3386931B2 (ja) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | 水車部材の溶接方法 |
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JPH0910985A JPH0910985A (ja) | 1997-01-14 |
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Family
ID=15741203
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP16175195A Expired - Fee Related JP3386931B2 (ja) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | 水車部材の溶接方法 |
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CN104400184B (zh) * | 2014-12-08 | 2016-06-29 | 中国南方电网有限责任公司调峰调频发电公司 | 一种Cr13型蓄能电站顶盖抗磨板焊接修复方法 |
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1995
- 1995-06-28 JP JP16175195A patent/JP3386931B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Title |
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蓮井 淳・森垣 脩,現代溶接技術大系<第15巻>,日本,産報出版株式会社,1980年1月23日,P.83−85 |
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JPH0910985A (ja) | 1997-01-14 |
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