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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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/20—Recycling
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、母材表面に溶接層を形
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。
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。
【０００２】
【従来の技術】ピーニング処理は部材表面を高硬度を有
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）。
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）。
【０００３】一方、固形物の衝突や切削的作用による摩
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。
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。
【０００４】しかしながら、最近、高温でピーニング処
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）。
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）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、水車機器部
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。
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。
【０００６】本発明の目的は、母材表面に溶接層を形成
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。
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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、表面溶接肉盛
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。
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。
【０００８】上記目的を達成するために、表面肉盛部の
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。
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。
【０００９】さらに、上記のピーニング処理として、鋼
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。
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。
【００１０】また、ピーニング処理にワイヤ法を用いる
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。
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。
【００１１】
【作用】本発明によれば、溶接後の肉盛層表面を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。
〜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。
【００１２】まず、ピーニング温度について示す。材料
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。
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。
【００１３】特に、残留応力の低減と溶接金属の低温割
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。
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。
【００１４】さらに、ショットやワイヤピーニングによ
る処理条件について示す。
る処理条件について示す。
【００１５】まず、ショットやワイヤの材質は通常、常
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。
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。
【００１６】また、ショットピーニングのショット噴射
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。
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。
【００１７】ワイヤピーニングの打撃圧力はあまり低い
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。
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。
【００１８】
（実施例１）以下、本発明における実施例をしめす。組
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。
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。
【００１９】
【表１】
【００２０】なお、上記の合金粉体材料は溶接によっ
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。
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。
【００２１】溶接材料と母材がほぼ同じ熱膨張係数であ
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。
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。
【００２２】その溶接部材の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、残留応力を測定した。
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。
【００２３】また、その溶接部材を室温まで冷却した後
（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。
（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。
【００２４】
【表２】
【００２５】なお、応力測定は肉盛層の両端部と中央部
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。
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。
【００２６】図１に肉盛層表面の残留応力測定結果を示
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。
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。
【００２７】次にショットピーニングの場合、常温では
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。
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。
【００２８】ワイヤピーニングの場合は、上記のものよ
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。
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。
【００２９】ワイヤは、本実施例ではＪＩＳ規格のピア
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。
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。
【００３０】このように、再加熱後の高温ピーニング処
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。
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。
【００３１】すなわち、本実施例によると、約１０（kg
ｆ／mm2 ）以下に残留応力を低減することができる。
ｆ／mm2 ）以下に残留応力を低減することができる。
【００３２】以上のように、残留応力が、従来、おおよ
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。
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。
【００３３】（実施例２）溶接材料より母材の熱膨張係
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。
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。
【００３４】その結果、肉盛溶接後、その部材を常温ま
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。
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。
【００３５】そこで、再肉盛溶接し、その冷却過程の２
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。
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。
【００３６】（実施例３）本発明の主要な構成要素であ
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。
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。
【００３７】図３に示すフランシス水車を製作した。図
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。
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。
【００３８】次に、肉盛溶接後高温でのピーニング処理
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。
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。
【００３９】そこで、これらの部品を組立て図３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。
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。
【００４０】（実施例４）本発明の主要な構成要素であ
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。
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。
【００４１】図８に示すペルトン水車を製作した。図８
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。
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。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、母材表面に溶接層
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。
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。
【図１】肉盛層表面のピーニング温度と残留応力との関
係を示す図である。
係を示す図である。
【図２】母材への溶接肉盛と残留応力測定位置の概要を
示す図である。
示す図である。
【図３】本発明の実施例であるフランシス水車の断面図
を示す図である。
を示す図である。
【図４】図３のＸ方向からみた時の水車ランナの斜視図
を示す。
を示す。
【図５】水と接する水車ランナの作用面側及び反作用面
側を示す。
側を示す。
【図６】本発明の実施例であるフランシス水車のガイド
ベーンを示す。
ベーンを示す。
【図７】本発明の実施例であるフランシス水車のシート
ライナを示す。
ライナを示す。
【図８】本発明の実施例であるペルトン水車の断面図を
示す。
示す。
【図９】本発明の実施例であるペルトン水車のニードル
バルブ周辺部を示す。
バルブ周辺部を示す。
【図１０】本発明の実施例であるペルトン水車のバケッ
トを示す。
トを示す。
１…母材、２…溶接肉盛層、３…ひずみゲージ、４…ク
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。
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。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｂ２４Ｃ 11/00 Ｂ２４Ｃ 11/00 Ｃ
Ｄ
// Ｃ２１Ｄ 7/06 Ｃ２１Ｄ 7/06 Ｚ
(72)発明者 万代 利彦
茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式
会社 日立製作所 日立工場内
(72)発明者 芦沢 康二
東京都千代田区内幸町１丁目１番３号
東京電力株式会社内
(72)発明者 中沢 智
東京都千代田区内幸町１丁目１番３号
東京電力株式会社内
(56)参考文献 特開 平２−230968（ＪＰ，Ａ)
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
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B23K 31/00
B24C 1/10
B24C 11/00
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16175195A JP3386931B2 (ja) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | 水車部材の溶接方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16175195A JP3386931B2 (ja) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | 水車部材の溶接方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0910985A JPH0910985A (ja) | 1997-01-14 |
| JP3386931B2 true JP3386931B2 (ja) | 2003-03-17 |
Family
ID=15741203
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16175195A Expired - Fee Related JP3386931B2 (ja) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | 水車部材の溶接方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3386931B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4189201B2 (ja) | 2002-10-30 | 2008-12-03 | 新日本製鐵株式会社 | 鋼材の溶接継手における熱影響部の靭性向上方法 |
| CN100443242C (zh) * | 2006-11-15 | 2008-12-17 | 四川东风电机厂有限公司 | 大型灯泡贯流式机组机座的焊接及变形控制方法 |
| JP4898720B2 (ja) | 2008-02-14 | 2012-03-21 | 三菱重工業株式会社 | タービン動翼の補修方法 |
| 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 |
-
1995
- 1995-06-28 JP JP16175195A patent/JP3386931B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 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 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0910985A (ja) | 1997-01-14 |
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