JP4015508B2 - 表面処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部材に残留する応力を低減する際に用いることのできる表面処理方法に関し、特にワイヤ束を材料の表面に衝突させることによって当該材料の表面の応力状態を改変する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造部材の表面応力状態を改変し、あるいは高硬度化する手法としては、ピーニング技術がよく知られている。その中でも、ショットピーニングは代表的なピーニング技術として多用されている。ところが、ショットピーニングは所定の硬度を有する砥粒を処理対象物に高速度で衝突させるため、粉塵を発生させるとともに、その砥粒を回収する必要がある。用途によっては、砥粒の回収が困難な場合もあり、かつ砥粒の残留を望まない場合がある。
ショットピーニングを適用できない用途に対する技術として、ワイヤ束を材料の表面に衝突させるワイヤピーニング法が知られている。ワイヤピーニングについては、例えば、特公昭３８−１４４５号公報、特開昭５４−１４２６８８号公報、特開昭６０−１２７９２８号公報および特開平６−１５５１７２号公報に開示されている。
【０００３】
特開平６−１５５１７２号公報は、原子炉の炉内構造機器や一次系機器における溶接部近傍へのワイヤピーニングの適用を開示している。原子炉の炉内構造機器や一次系機器は、使用中に、その溶接部近傍において粒界割れ型の応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生するおそれがある。溶接による引張残留応力はこのＳＣＣの発生に大きく影響を与えることから、特開平６−１５５１７２号公報ではこの溶接部分の引張残留応力を圧縮応力に改変するための手段としてワイヤピーニングを用いている。特に、特開平６−１５５１７２号公報では、処理対象物に対して最適強度のピーニングを施すために、ワイヤの直径を２ｍｍ以下とすることを提案している。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭３８−１４４５号公報（第１頁、第１図）
【特許文献２】
特開昭５４−１４２６８８号公報（第２頁、第１図、第２図）
【特許文献３】
特開昭６０−１２７９２８号公報（第１頁、第１図）
【特許文献４】
特開平６−１５５１７２号公報（第１頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等も、ワイヤピーニングを用いた引張残留応力の圧縮応力への改変に関する検討を行った。その結果、諸条件を調整することにより、ワイヤピーニングによってＳＣＣの発生を十分に抑制することができることを確認した。ところが、ワイヤピーニングを施した後に処理対象物の耐食性を観察したところ、処理対象物を構成する材料としては予期せぬ腐食が発生することが確認された。つまり、ワイヤピーニングを施すことによって耐食性の劣化を招くことがあることを知見した。
そこで本発明は、処理対象物の耐食性の劣化を防止することのできる表面処理方法の提供を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者はワイヤピーニングを施すことによる耐食性の劣化の原因について検討した。その結果、腐食した部位に処理対象物とは異なる微小粒が付着していることを確認した。その微小粒について調査したところ、ワイヤピーニング装置を構成するワイヤと同一材質であることから、ピーニング時に処理対象物に衝突したワイヤの先端が衝突の衝撃によって剥離し、その剥離片が処理対象物に付着したものと考えられる。そして、ワイヤを構成する材料が処理対象物よりも耐食性が劣っていたために、付着した微小粒が腐食し、耐食性に優れるはずの処理対象物も、微小粒の腐食に引きずられて腐食が発生したのである。
【０００７】
そこで本発明は、ピーニング装置に用いるワイヤを耐食性の優れる材料で構成することを提案する。すなわち本発明の表面処理方法は、処理対象物に複数のワイヤの先端部を繰り返し衝突させ、ワイヤが繰り返し衝突された処理対象物の所定部位の応力状態を改変する表面処理方法であって、処理対象物を構成する材料と同等以上の耐食性を有する非磁性金属材料でワイヤを構成し、所定の条件で処理対象物に複数のワイヤの先端部を繰り返し衝突させた後に、処理対象物に渦流探傷検査を行うことを特徴する。
【０００８】
本発明の表面処理方法によれば、処理対象物に複数のワイヤの先端部を繰り返し衝突させるので、処理対象物の所定部位の応力状態を改変することができる。例えば、処理対象物の所定部位を引張応力から圧縮応力に改変することができるし、あるいは引張応力を消滅させることもできる。応力状態の改変は、ワイヤを繰り返し衝突させる諸条件によって調整することができる。また、ワイヤの径も応力状態の改変に影響を与えるが、１〜５ｍｍの範囲で選択すればよい。
【０００９】
また本発明の表面処理方法は、処理対象物を構成する材料と同等以上の耐食性を有する材料でワイヤを構成するので、繰り返し衝突によってワイヤの一部が処理対象物に付着しても、処理対象物の耐食性を低下させることはない。ここで、同等以上、であるから、耐食性が処理対象物と同等の材料をワイヤとして用いることができる。この典型例として、ワイヤを処理対象物と実質的に同一の材料で構成することが掲げられる。処理対象物と同一の材料であれば、処理対象物に付着したとしても、当該部位に実質的な変化が生じないからである。なお、実質的にとは、化学組成が完全に一致することを意味しない。ステンレス鋼であれば、同じＪＩＳの規格範囲内の化学組成を有していれば、それらは実質的に同一の材料ということができる。
【００１０】
本発明の表面処理方法は、ワイヤの処理対象物への繰り返し衝突が終了した後には、当該部位について渦流探傷検査（Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｅｓｔ）を行う。当該部位にき裂等が生じていないかを非破壊検査の一種である渦流探傷検査で確認するためである。このとき、ワイヤが磁性材料で構成されていると、後述するように、検査結果に擬似信号が発生するおそれがある。そこで、渦流探傷検査を行うことを前提とする本発明は、ワイヤを非磁性金属材料で構成する。
【００１１】
本発明の表面処理方法は、処理対象物が液体中、例えば水中に配設されている場合にも適用することができる。例えば、原子炉の炉内構造、配管内部が該当する。この場合、ワイヤを繰り返し衝突している周囲に吸引力を作用させることが望ましい。ワイヤの繰り返し衝突によって、処理対象物表面からスケール等の塵埃が発生する。これら塵埃を放置しておくことが望ましくない場合、あるいは当該部位を遠隔操作によるカメラで監視する場合に塵埃が当該部位を隠してしまう場合がある。そこで、ワイヤを繰り返し衝突している周囲に吸引力を作用させることにより、塵埃を除去しようというものである。塵埃とともに液体（典型的には水）も吸引されるが、塵埃をフィルタ等で取り除いた後の水は再利用することができる。
【００１２】
本発明の表面処理方法において、１３重量％以上のＣｒを含有する耐食性合金でワイヤを構成すれば、ワイヤの先端部を繰り返し衝突させた際に処理対象物にワイヤからの剥離物が付着しても、剥離物自体の耐食性が高いために、後に処理対象物の耐食性を劣化させることがない。
【００１３】
本発明において、前記ワイヤを構成する耐食性合金としては、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基超合金を用いるのが望ましい。
１３重量％以上のＣｒを含有する耐食性合金は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金およびＣｏ合金を含む。Ｆｅ基合金は、さらに、ステンレス鋼とＦｅ基の超合金に分類することができる。Ｆｅ基合金の中では、コスト的な点を考慮すると、ステンレス鋼が望ましい。
ステンレス鋼はまた、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼に分類することができる。この中では、オーステナイト系ステンレス鋼が最も耐食性に優れていることから、本発明ではオーステナイト系ステンレス鋼をワイヤの構成材料として用いるのが望ましい。オーステナイト系ステンレス鋼としては、公知のＪＩＳ ＳＵＳ３０４（Ｃｒ：１８〜２０重量％）、３１６（Ｃｒ：１６〜１８重量％）等を用いることができる。
Ｆｅ基超合金としては、ＪＩＳ ＮＣＦ８００（Ｃｒ：２１重量％）、８２５（Ｃｒ：２１重量％）等のＦｅ基超合金を用いることができる。
Ｎｉ基合金としては、ＪＩＳ ＮＣＦ６００（Ｃｒ：１６重量％）、ＮＣＦ６９０（Ｃｒ：２９重量％）、ＮＣＦ７５０（Ｃｒ：１５重量％）等のＮｉ基超合金を用いることができる。
【００１４】
本発明にかかるワイヤとして、以上のように１３重量％以上を含有する耐食性合金を用いるが、この耐食性合金は非磁性材料であることを前提とする。ワイヤを繰り返し衝突させた後に、当該箇所の検査として渦流探傷検査を行うことを考慮するためである。つまり、ワイヤを繰り返し衝突させた後に、ワイヤの一部が処理対象物に付着することは前述のとおりであるが、この付着物が磁性体であると、それが原因となって探傷結果に擬似信号が発生することが危惧されるためである。
上述したオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ ３０４、３１６は非磁性材料であるが、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ ４２０Ｊ１およびフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ ４３０は磁性を有している。したがって、渦流探傷検査を行うことを考慮すると、ＳＵＳ ４２０Ｊ１およびＳＵＳ ４３０は本発明のワイヤ材としては適さない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の表面処理方法に用いることのできるピーニング装置１を示す断面図である。
ピーニング装置１は、コンプレッサ２０から送られる作動用エアによって駆動するエアシリンダタイプの装置である。
図１に示すように、ピーニング装置１は、ケーシング２を有し、このケーシング２には作動用エアが流入する流入口２１ａを備えた上シール２１と上シール２１から所定の間隔を隔てる下シール２２とが配設されている。図１に示すように、下シール２２には後述するピストン４が摺動するピストン保持孔２２ａが穿孔されている。ケーシング２には、下シール２２から所定の間隔を隔ててワイヤガイド６が配設されている。ワイヤガイド６には、後述するピーニングワイヤ５が挿入されるガイド孔６ａがピーニングワイヤ５に対応して穿孔されている。
【００１６】
ケーシング２、上シール２１および下シール２２によって形成される空間内には、シリンダ３が配設されている。ケーシング２とシリンダ３との間には、図１に示すように、所定の間隙が設けてある。シリンダ３内には、シリンダ３内を摺動しながら昇降するピストン４が配設されている。
ピストン４には、その鉛直方向に延設される第１のエア流通路４１と、第１のエア流通路４１に連通しかつ水平方向に延設される第２のエア流通路４２が設けてある。
【００１７】
ピストン４の下方には、複数のピーニングワイヤ５が配設されている。ピーニングワイヤ５は、ケーシング２の下部に配設されたワイヤガイド６により水平方向の移動が拘束されるが、鉛直方向への移動は可能である。ピーニングワイヤ５は、フェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４３０製で直径が３ｍｍの棒状部材である。このピーニングワイヤ５は、冷間引き抜き加工が施されたものであり、ばね鋼ということができる。
【００１８】
次に、ピーニング装置１の動作について図１および図２に基づいて説明する。なお、ピーニング装置１は、水中に配設されている処理対象物１０に対してピーニング処理を施すものである。
図１はピストン４が最下端まで下降してピーニングワイヤ５を押圧することにより処理対象物１０にピーニング処理を施した状態を示している。図２はピストン４が最上端まで上昇した状態を示している。図２の状態では、ピーニングワイヤ５は処理対象物１０に単に接触しているだけで実質的には作用していない。なお、本発明においては、このような事象をも繰り返し衝突の概念に含むものとする。
【００１９】
図１の状態では、ピストン４の第２のエア流通路４２が下シール２２によって閉塞されている。したがって、コンプレッサ２０から供給される作動用エアはケーシング２とシリンダ３との間を通り、ピストン４を下方から押圧する。そのために、ピストン４はシリンダ３内を上昇する。
ピストン４がシリンダ３内を上昇し続けると、図２に示すように、ピストン４の第２のエア流通路４２はケーシング２内の空間と連通する。そうすると、コンプレッサ２０から供給される作動用エアは、ケーシング２とシリンダ３との間を通過した後に、第２のエア流通路４２に流入する。第２のエア流通路４２と第１のエア流通路４１とは連通しているから、第２のエア流通路４２に流入した作動用エアはシリンダ３とピストン４との間に形成される空間内に流入する。当該空間内に流入した作動用エアは、その瞬間からピストン４を下方に押圧する。そのため、ピストン４は降下してピーニングワイヤ５を打撃する。その状態が、図１に示される状態である。
以上のように、ピーニング装置１は、コンプレッサ２０からの作動用エアの供給を受けている期間中、図１の状態と図２の状態とを繰り返すことにより、ピーニングワイヤ５に打撃力を繰り返し付与する。ピーニングワイヤ５は、この打撃力によって、処理対象物１０に繰り返して衝突して、処理対象物１０の表面における応力状態を改変する。このとき、処理対象物１０の表面を硬化させることもできる。
【００２０】
処理対象物１０は、ＪＩＳ ＳＵＳ３１６を溶接した部材であり、図１および図２中の符号１１で示す部分が溶接ビード部を示している。溶接ビード部１１の溶接線は、図１および図２の奥行き方向に延設しているものとする。
ピーニング装置１に作動用エアを供給してピストン４を数百Ｈｚで駆動しつつ、溶接線方向に約２０ｍｍ／ｍｉｎで移動してピーニング処理することにより、溶接ビード部１１の応力状態を改変した。なお、ピーニング処理前の溶接ビード部１１には、溶接時に生じた引張り応力が残留している。ピーニング処理後の溶接ビード部１１の応力状態を観察した結果の一例を図３に示す。図３に示すように、表面からおよそ３ｍｍまでの深さの範囲では圧縮応力が付与されている一方、およそ３ｍｍを超える深さでは引張応力が付与されている。上述したように、溶接ビード部１１には引張残留応力が存在していたが、本発明によるピーニング処理によって、表面から所定の深さまでは圧縮応力に改変することができた。
【００２１】
以上説明したピーニング処理を施すことにより、溶接ビード部１１の表面近傍を押し伸ばすような塑性歪が導入され、溶接ビード部１１の表面近傍を引張残留応力から圧縮残留応力に改変させることができる。その結果、ＳＣＣの発生を抑制することができる。
また、ピーニングワイヤ５が耐食性に優れるＳＵＳ４３０から構成されているため、ピーニングワイヤ５の一部が剥離して溶接ビード部１１表面に付着したとしても、その部分から腐食が発生することはない。また、ピーニングワイヤ５は、冷間引抜が施されて強度が向上されたばね鋼であるため、溶接ビード部１１に繰り返し衝突したとしても、ピーニングワイヤ５の損傷を小さくできる。さらに、ピーニングワイヤ５は可撓性を有しているため、表面が複雑な形状をなしている溶接ビード部１１に対するピーニング処理時にその形状に応じて撓むことにより、ピーニング処理を効果的に行うことができる。
【００２２】
以上の実施の形態では、ピーニングワイヤ５としてＳＵＳ４３０を用いた例について述べたが、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６、Ｎｉ基超合金であるＮＣＦ６９０によって構成されたピーニングワイヤ５によっても同様のピーニング効果を得ることができることを確認した。
ピーニングワイヤ５をＳＵＳ３１６、ＮＣＦ６９０で構成した例について、ピーニング処理後に、渦流探傷検査を実施したところ、検査過程で擬似信号を観察することはなかった。このように、ピーニングワイヤ５として常磁性体（非磁性体）であるＳＵＳ３１６、ＮＣＦ６９０を用いると、ピーニング処理面に当該材料が付着したとしても渦流探傷検査における擬似信号の発生要因とならず、非破壊検査の精度を向上することができる。
【００２３】
次に、本発明の表面処理方法に用いることのできる他のピーニング装置５０について説明する。
図４にピーニング装置５０を示している。ピーニング装置５０がピーニング装置１と異なる点は、吸引ノズル６０を備えている点である。他の構成はピーニング装置１と同様であるため、ピーニング装置１と同様の構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２４】
ピーニング装置５０は２基の吸引ノズル６０を備えている。吸引ノズル６０は２基に限定されるものではなく、１基または３基以上配設することもできる。吸引ノズル６０には、吸引管６１を介して吸引ポンプ６２が接続されている。さらに、吸引ポンプ６２には吸引管６３を介して浄化装置６４が接続されている。浄化装置６４は、例えば図示しないフィルタを備え、このフィルタで吸引ノズル６０から吸引された水とそれに含まれていた異物を分離する。異物が除去され浄化された水は吸引管６５を介して循環させることができる。
【００２５】
コンプレッサ２０から作動用エアを供給してピーニング処理を実施している期間中、吸引ポンプ６２を作動させて、吸引ノズル６０によってピーニング処理が実施されている周囲の水を吸引する。ピーニングワイヤ５が溶接ビード部１１に繰り返し衝突する際に、溶接ビード部１１およびその周囲の表面に存在するスケール等の塵埃が浮遊して、水を汚してしまう。また、ピーニング処理を遠隔操作で行う場合には当該部位をカメラで撮影しながら操作を行うが、水質の悪化は当該部位の明瞭な撮影を困難にし、円滑な遠隔操作の妨げとなる。吸引ノズル６０による水の吸引は、この浮遊する塵埃を取り除いて水の水質悪化を防止するとともに、円滑な遠隔操作を確保することができる。
【００２６】
ピーニング装置５０によれば、以上のような水質悪化を防止することができるとともに、ピーニング装置１と同様に、溶接ビード部１１の表面近傍を引張応力から圧縮応力に改変させることができる。その結果、ＳＣＣの発生を抑制することができる。また、ピーニングワイヤ５が耐食性に優れるＳＵＳ４３０から構成されているため、ピーニングワイヤ５の一部が剥離して溶接ビード部１１表面に付着したとしても、その部分から腐食が発生することはない。また、ピーニングワイヤ５は、冷間引抜が施されて強度が向上されたばね鋼であるため、溶接ビード部１１に繰り返し衝突したとしても、その損傷を小さくできる。さらに、ピーニングワイヤ５は可撓性を有しているため、表面が複雑な形状をなしている溶接ビード部１１に対するピーニング処理時にその形状に応じて撓むことにより、ピーニング処理を効果的に行うことができる。
【００２７】
以上では、比較的幅の狭い溶接ビード部１１にピーニング処理を施す例について説明したが、ここでは溶接ビード部１１および溶接による熱影響部の幅が広い場合のピーニング処理について説明する。
【００２８】
図５は、ピーニング装置１（または５０でもよい）を用いて幅広の溶接ビード部１１およびその周囲の熱影響部１１ａにピーニング処理を施す様子を示している。溶接ビード部１１のみならず、熱影響部１１ａにも溶接に伴う引張応力が残留しているため、ピーニング処理はこの熱影響部１１ａに対しても施す必要がある。一方で、溶接ビード部１１および熱影響部１１ａの幅がピーニング装置１に比べて大きい場合、１度の施工でピーニング処理を完了することができない。
【００２９】
そこで図５に示すように、熱影響部１１ａからピーニング処理を開始して溶接線方向にピーニング装置１を移動させる（図中、１回目）。溶接線の長さＬ分だけピーニング装置１を移動した後に、溶接線と直角方向にピーニング装置１を移動させた後に、再度溶接線方向にピーニング装置１を移動させてピーニング処理を行う（図中、２回目）。この処理を複数回（図では４回）繰り返すことにより、溶接ビード部１１および熱影響部１１ａに対する全てのピーニング処理を完了する。
ここで、このピーニング処理において、先行するピーニング処理（例えば、１回目）により処理が施された領域と後続するピーニング処理（例えば、２回目）により処理が施された領域とが重なるように溶接線と直角方向への移動を行う。ピーニング処理が施されない領域が生ずるのを防止するためである。
【００３０】
図５では溶接線方向にピーニング装置１を移動しつつピーニング処理を行う方法について示したが、図６に示すように溶接線と直角方向にピーニング装置を移動しつつピーニング処理を行うこともできる。ただし、図６に示す方法に比べて図５に示す方法の方がピーニング装置１を折り返す回数が少ないため合計の処理時間を短くできる利点がある。
また、図５，６では平板状の処理対象物について説明したが、例えば、配管同士を突き合わせ溶接した処理対象物の場合には、配管内ピーニング装置１を螺旋状に移動させつつピーニング処理を施すこともできる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐食性の高い合金でワイヤを構成しているので、ピーニング処理を行った際に処理対象物にワイヤからの剥離物が付着しても、剥離物自体の耐食性が高いために、後に処理対象物の耐食性を劣化させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表面処理方法に用いることのできるピーニング装置の構成を示す断面図であり、ピストン下降時を示している。
【図２】 本発明の表面処理方法に用いることのできるピーニング装置の構成を示す断面図であり、ピストン上昇時を示している。
【図３】 ピーニング処理を施した後の応力状態を示す図である。
【図４】 本発明の表面処理方法に用いることのできる他のピーニング装置の構成を示す断面図である。
【図５】 ピーニング施工方法の他の例を示す図である。
【図６】 ピーニング施工方法の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１，５０…ピーニング装置、２…ケーシング、３…シリンダ、４…ピストン、５…ピーニングワイヤ、６…ワイヤガイド、６ａ…ガイド孔、２１…上シール、２１ａ…流入口、２２…下シール、２２ａ…ピストン保持孔、４１…第１のエア流通路、４２…第２のエア流通路、６０…吸引ノズル、６１，６３，６５…吸引管、６２…吸引ポンプ、６４…浄化装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部材に残留する応力を低減する際に用いることのできる表面処理方法に関し、特にワイヤ束を材料の表面に衝突させることによって当該材料の表面の応力状態を改変する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
構造部材の表面応力状態を改変し、あるいは高硬度化する手法としては、ピーニング技術がよく知られている。その中でも、ショットピーニングは代表的なピーニング技術として多用されている。ところが、ショットピーニングは所定の硬度を有する砥粒を処理対象物に高速度で衝突させるため、粉塵を発生させるとともに、その砥粒を回収する必要がある。用途によっては、砥粒の回収が困難な場合もあり、かつ砥粒の残留を望まない場合がある。
ショットピーニングを適用できない用途に対する技術として、ワイヤ束を材料の表面に衝突させるワイヤピーニング法が知られている。ワイヤピーニングについては、例えば、特公昭３８−１４４５号公報、特開昭５４−１４２６８８号公報、特開昭６０−１２７９２８号公報および特開平６−１５５１７２号公報に開示されている。
【０００３】
特開平６−１５５１７２号公報は、原子炉の炉内構造機器や一次系機器における溶接部近傍へのワイヤピーニングの適用を開示している。原子炉の炉内構造機器や一次系機器は、使用中に、その溶接部近傍において粒界割れ型の応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生するおそれがある。溶接による引張残留応力はこのＳＣＣの発生に大きく影響を与えることから、特開平６−１５５１７２号公報ではこの溶接部分の引張残留応力を圧縮応力に改変するための手段としてワイヤピーニングを用いている。特に、特開平６−１５５１７２号公報では、処理対象物に対して最適強度のピーニングを施すために、ワイヤの直径を２ｍｍ以下とすることを提案している。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭３８−１４４５号公報（第１頁、第１図）
【特許文献２】
特開昭５４−１４２６８８号公報（第２頁、第１図、第２図）
【特許文献３】
特開昭６０−１２７９２８号公報（第１頁、第１図）
【特許文献４】
特開平６−１５５１７２号公報（第１頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等も、ワイヤピーニングを用いた引張残留応力の圧縮応力への改変に関する検討を行った。その結果、諸条件を調整することにより、ワイヤピーニングによってＳＣＣの発生を十分に抑制することができることを確認した。ところが、ワイヤピーニングを施した後に処理対象物の耐食性を観察したところ、処理対象物を構成する材料としては予期せぬ腐食が発生することが確認された。つまり、ワイヤピーニングを施すことによって耐食性の劣化を招くことがあることを知見した。
そこで本発明は、処理対象物の耐食性の劣化を防止することのできる表面処理方法の提供を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者はワイヤピーニングを施すことによる耐食性の劣化の原因について検討した。その結果、腐食した部位に処理対象物とは異なる微小粒が付着していることを確認した。その微小粒について調査したところ、ワイヤピーニング装置を構成するワイヤと同一材質であることから、ピーニング時に処理対象物に衝突したワイヤの先端が衝突の衝撃によって剥離し、その剥離片が処理対象物に付着したものと考えられる。そして、ワイヤを構成する材料が処理対象物よりも耐食性が劣っていたために、付着した微小粒が腐食し、耐食性に優れるはずの処理対象物も、微小粒の腐食に引きずられて腐食が発生したのである。
【０００７】
そこで本発明は、ピーニング装置に用いるワイヤを耐食性の優れる材料で構成することを提案する。すなわち本発明の表面処理方法は、処理対象物に複数のワイヤの先端部を繰り返し衝突させ、ワイヤが繰り返し衝突された処理対象物の所定部位の応力状態を改変する表面処理方法であって、処理対象物を構成する材料と同等以上の耐食性を有する非磁性金属材料でワイヤを構成し、所定の条件で処理対象物に複数のワイヤの先端部を繰り返し衝突させた後に、処理対象物に渦流探傷検査を行うことを特徴する。
【０００８】
本発明の表面処理方法によれば、処理対象物に複数のワイヤの先端部を繰り返し衝突させるので、処理対象物の所定部位の応力状態を改変することができる。例えば、処理対象物の所定部位を引張応力から圧縮応力に改変することができるし、あるいは引張応力を消滅させることもできる。応力状態の改変は、ワイヤを繰り返し衝突させる諸条件によって調整することができる。また、ワイヤの径も応力状態の改変に影響を与えるが、１〜５ｍｍの範囲で選択すればよい。
【０００９】
また本発明の表面処理方法は、処理対象物を構成する材料と同等以上の耐食性を有する材料でワイヤを構成するので、繰り返し衝突によってワイヤの一部が処理対象物に付着しても、処理対象物の耐食性を低下させることはない。ここで、同等以上、であるから、耐食性が処理対象物と同等の材料をワイヤとして用いることができる。この典型例として、ワイヤを処理対象物と実質的に同一の材料で構成することが掲げられる。処理対象物と同一の材料であれば、処理対象物に付着したとしても、当該部位に実質的な変化が生じないからである。なお、実質的にとは、化学組成が完全に一致することを意味しない。ステンレス鋼であれば、同じＪＩＳの規格範囲内の化学組成を有していれば、それらは実質的に同一の材料ということができる。
【００１０】
本発明の表面処理方法は、ワイヤの処理対象物への繰り返し衝突が終了した後には、当該部位について渦流探傷検査（Ｅｄｄｙ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｅｓｔ）を行う。当該部位にき裂等が生じていないかを非破壊検査の一種である渦流探傷検査で確認するためである。このとき、ワイヤが磁性材料で構成されていると、後述するように、検査結果に擬似信号が発生するおそれがある。そこで、渦流探傷検査を行うことを前提とする本発明は、ワイヤを非磁性金属材料で構成する。
【００１１】
本発明の表面処理方法は、処理対象物が液体中、例えば水中に配設されている場合にも適用することができる。例えば、原子炉の炉内構造、配管内部が該当する。この場合、ワイヤを繰り返し衝突している周囲に吸引力を作用させることが望ましい。ワイヤの繰り返し衝突によって、処理対象物表面からスケール等の塵埃が発生する。これら塵埃を放置しておくことが望ましくない場合、あるいは当該部位を遠隔操作によるカメラで監視する場合に塵埃が当該部位を隠してしまう場合がある。そこで、ワイヤを繰り返し衝突している周囲に吸引力を作用させることにより、塵埃を除去しようというものである。塵埃とともに液体（典型的には水）も吸引されるが、塵埃をフィルタ等で取り除いた後の水は再利用することができる。
【００１２】
本発明の表面処理方法において、１３重量％以上のＣｒを含有する耐食性合金でワイヤを構成すれば、ワイヤの先端部を繰り返し衝突させた際に処理対象物にワイヤからの剥離物が付着しても、剥離物自体の耐食性が高いために、後に処理対象物の耐食性を劣化させることがない。
【００１３】
本発明において、前記ワイヤを構成する耐食性合金としては、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基超合金を用いるのが望ましい。
１３重量％以上のＣｒを含有する耐食性合金は、Ｆｅ基合金、Ｎｉ基合金およびＣｏ合金を含む。Ｆｅ基合金は、さらに、ステンレス鋼とＦｅ基の超合金に分類することができる。Ｆｅ基合金の中では、コスト的な点を考慮すると、ステンレス鋼が望ましい。
ステンレス鋼はまた、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼およびマルテンサイト系ステンレス鋼に分類することができる。この中では、オーステナイト系ステンレス鋼が最も耐食性に優れていることから、本発明ではオーステナイト系ステンレス鋼をワイヤの構成材料として用いるのが望ましい。オーステナイト系ステンレス鋼としては、公知のＪＩＳ ＳＵＳ３０４（Ｃｒ：１８〜２０重量％）、３１６（Ｃｒ：１６〜１８重量％）等を用いることができる。
Ｆｅ基超合金としては、ＪＩＳ ＮＣＦ８００（Ｃｒ：２１重量％）、８２５（Ｃｒ：２１重量％）等のＦｅ基超合金を用いることができる。
Ｎｉ基合金としては、ＪＩＳ ＮＣＦ６００（Ｃｒ：１６重量％）、ＮＣＦ６９０（Ｃｒ：２９重量％）、ＮＣＦ７５０（Ｃｒ：１５重量％）等のＮｉ基超合金を用いることができる。
【００１４】
本発明にかかるワイヤとして、以上のように１３重量％以上を含有する耐食性合金を用いるが、この耐食性合金は非磁性材料であることを前提とする。ワイヤを繰り返し衝突させた後に、当該箇所の検査として渦流探傷検査を行うことを考慮するためである。つまり、ワイヤを繰り返し衝突させた後に、ワイヤの一部が処理対象物に付着することは前述のとおりであるが、この付着物が磁性体であると、それが原因となって探傷結果に擬似信号が発生することが危惧されるためである。
上述したオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ ３０４、３１６は非磁性材料であるが、マルテンサイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ ４２０Ｊ１およびフェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ ４３０は磁性を有している。したがって、渦流探傷検査を行うことを考慮すると、ＳＵＳ ４２０Ｊ１およびＳＵＳ ４３０は本発明のワイヤ材としては適さない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の表面処理方法に用いることのできるピーニング装置１を示す断面図である。
ピーニング装置１は、コンプレッサ２０から送られる作動用エアによって駆動するエアシリンダタイプの装置である。
図１に示すように、ピーニング装置１は、ケーシング２を有し、このケーシング２には作動用エアが流入する流入口２１ａを備えた上シール２１と上シール２１から所定の間隔を隔てる下シール２２とが配設されている。図１に示すように、下シール２２には後述するピストン４が摺動するピストン保持孔２２ａが穿孔されている。ケーシング２には、下シール２２から所定の間隔を隔ててワイヤガイド６が配設されている。ワイヤガイド６には、後述するピーニングワイヤ５が挿入されるガイド孔６ａがピーニングワイヤ５に対応して穿孔されている。
【００１６】
ケーシング２、上シール２１および下シール２２によって形成される空間内には、シリンダ３が配設されている。ケーシング２とシリンダ３との間には、図１に示すように、所定の間隙が設けてある。シリンダ３内には、シリンダ３内を摺動しながら昇降するピストン４が配設されている。
ピストン４には、その鉛直方向に延設される第１のエア流通路４１と、第１のエア流通路４１に連通しかつ水平方向に延設される第２のエア流通路４２が設けてある。
【００１７】
ピストン４の下方には、複数のピーニングワイヤ５が配設されている。ピーニングワイヤ５は、ケーシング２の下部に配設されたワイヤガイド６により水平方向の移動が拘束されるが、鉛直方向への移動は可能である。ピーニングワイヤ５は、フェライト系ステンレス鋼であるＳＵＳ４３０製で直径が３ｍｍの棒状部材である。このピーニングワイヤ５は、冷間引き抜き加工が施されたものであり、ばね鋼ということができる。
【００１８】
次に、ピーニング装置１の動作について図１および図２に基づいて説明する。なお、ピーニング装置１は、水中に配設されている処理対象物１０に対してピーニング処理を施すものである。
図１はピストン４が最下端まで下降してピーニングワイヤ５を押圧することにより処理対象物１０にピーニング処理を施した状態を示している。図２はピストン４が最上端まで上昇した状態を示している。図２の状態では、ピーニングワイヤ５は処理対象物１０に単に接触しているだけで実質的には作用していない。なお、本発明においては、このような事象をも繰り返し衝突の概念に含むものとする。
【００１９】
図１の状態では、ピストン４の第２のエア流通路４２が下シール２２によって閉塞されている。したがって、コンプレッサ２０から供給される作動用エアはケーシング２とシリンダ３との間を通り、ピストン４を下方から押圧する。そのために、ピストン４はシリンダ３内を上昇する。
ピストン４がシリンダ３内を上昇し続けると、図２に示すように、ピストン４の第２のエア流通路４２はケーシング２内の空間と連通する。そうすると、コンプレッサ２０から供給される作動用エアは、ケーシング２とシリンダ３との間を通過した後に、第２のエア流通路４２に流入する。第２のエア流通路４２と第１のエア流通路４１とは連通しているから、第２のエア流通路４２に流入した作動用エアはシリンダ３とピストン４との間に形成される空間内に流入する。当該空間内に流入した作動用エアは、その瞬間からピストン４を下方に押圧する。そのため、ピストン４は降下してピーニングワイヤ５を打撃する。その状態が、図１に示される状態である。
以上のように、ピーニング装置１は、コンプレッサ２０からの作動用エアの供給を受けている期間中、図１の状態と図２の状態とを繰り返すことにより、ピーニングワイヤ５に打撃力を繰り返し付与する。ピーニングワイヤ５は、この打撃力によって、処理対象物１０に繰り返して衝突して、処理対象物１０の表面における応力状態を改変する。このとき、処理対象物１０の表面を硬化させることもできる。
【００２０】
処理対象物１０は、ＪＩＳ ＳＵＳ３１６を溶接した部材であり、図１および図２中の符号１１で示す部分が溶接ビード部を示している。溶接ビード部１１の溶接線は、図１および図２の奥行き方向に延設しているものとする。
ピーニング装置１に作動用エアを供給してピストン４を数百Ｈｚで駆動しつつ、溶接線方向に約２０ｍｍ／ｍｉｎで移動してピーニング処理することにより、溶接ビード部１１の応力状態を改変した。なお、ピーニング処理前の溶接ビード部１１には、溶接時に生じた引張り応力が残留している。ピーニング処理後の溶接ビード部１１の応力状態を観察した結果の一例を図３に示す。図３に示すように、表面からおよそ３ｍｍまでの深さの範囲では圧縮応力が付与されている一方、およそ３ｍｍを超える深さでは引張応力が付与されている。上述したように、溶接ビード部１１には引張残留応力が存在していたが、本発明によるピーニング処理によって、表面から所定の深さまでは圧縮応力に改変することができた。
【００２１】
以上説明したピーニング処理を施すことにより、溶接ビード部１１の表面近傍を押し伸ばすような塑性歪が導入され、溶接ビード部１１の表面近傍を引張残留応力から圧縮残留応力に改変させることができる。その結果、ＳＣＣの発生を抑制することができる。
また、ピーニングワイヤ５が耐食性に優れるＳＵＳ４３０から構成されているため、ピーニングワイヤ５の一部が剥離して溶接ビード部１１表面に付着したとしても、その部分から腐食が発生することはない。また、ピーニングワイヤ５は、冷間引抜が施されて強度が向上されたばね鋼であるため、溶接ビード部１１に繰り返し衝突したとしても、ピーニングワイヤ５の損傷を小さくできる。さらに、ピーニングワイヤ５は可撓性を有しているため、表面が複雑な形状をなしている溶接ビード部１１に対するピーニング処理時にその形状に応じて撓むことにより、ピーニング処理を効果的に行うことができる。
【００２２】
以上の実施の形態では、ピーニングワイヤ５としてＳＵＳ４３０を用いた例について述べたが、オーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６、Ｎｉ基超合金であるＮＣＦ６９０によって構成されたピーニングワイヤ５によっても同様のピーニング効果を得ることができることを確認した。
ピーニングワイヤ５をＳＵＳ３１６、ＮＣＦ６９０で構成した例について、ピーニング処理後に、渦流探傷検査を実施したところ、検査過程で擬似信号を観察することはなかった。このように、ピーニングワイヤ５として常磁性体（非磁性体）であるＳＵＳ３１６、ＮＣＦ６９０を用いると、ピーニング処理面に当該材料が付着したとしても渦流探傷検査における擬似信号の発生要因とならず、非破壊検査の精度を向上することができる。
【００２３】
次に、本発明の表面処理方法に用いることのできる他のピーニング装置５０について説明する。
図４にピーニング装置５０を示している。ピーニング装置５０がピーニング装置１と異なる点は、吸引ノズル６０を備えている点である。他の構成はピーニング装置１と同様であるため、ピーニング装置１と同様の構成部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２４】
ピーニング装置５０は２基の吸引ノズル６０を備えている。吸引ノズル６０は２基に限定されるものではなく、１基または３基以上配設することもできる。吸引ノズル６０には、吸引管６１を介して吸引ポンプ６２が接続されている。さらに、吸引ポンプ６２には吸引管６３を介して浄化装置６４が接続されている。浄化装置６４は、例えば図示しないフィルタを備え、このフィルタで吸引ノズル６０から吸引された水とそれに含まれていた異物を分離する。異物が除去され浄化された水は吸引管６５を介して循環させることができる。
【００２５】
コンプレッサ２０から作動用エアを供給してピーニング処理を実施している期間中、吸引ポンプ６２を作動させて、吸引ノズル６０によってピーニング処理が実施されている周囲の水を吸引する。ピーニングワイヤ５が溶接ビード部１１に繰り返し衝突する際に、溶接ビード部１１およびその周囲の表面に存在するスケール等の塵埃が浮遊して、水を汚してしまう。また、ピーニング処理を遠隔操作で行う場合には当該部位をカメラで撮影しながら操作を行うが、水質の悪化は当該部位の明瞭な撮影を困難にし、円滑な遠隔操作の妨げとなる。吸引ノズル６０による水の吸引は、この浮遊する塵埃を取り除いて水の水質悪化を防止するとともに、円滑な遠隔操作を確保することができる。
【００２６】
ピーニング装置５０によれば、以上のような水質悪化を防止することができるとともに、ピーニング装置１と同様に、溶接ビード部１１の表面近傍を引張応力から圧縮応力に改変させることができる。その結果、ＳＣＣの発生を抑制することができる。また、ピーニングワイヤ５が耐食性に優れるＳＵＳ４３０から構成されているため、ピーニングワイヤ５の一部が剥離して溶接ビード部１１表面に付着したとしても、その部分から腐食が発生することはない。また、ピーニングワイヤ５は、冷間引抜が施されて強度が向上されたばね鋼であるため、溶接ビード部１１に繰り返し衝突したとしても、その損傷を小さくできる。さらに、ピーニングワイヤ５は可撓性を有しているため、表面が複雑な形状をなしている溶接ビード部１１に対するピーニング処理時にその形状に応じて撓むことにより、ピーニング処理を効果的に行うことができる。
【００２７】
以上では、比較的幅の狭い溶接ビード部１１にピーニング処理を施す例について説明したが、ここでは溶接ビード部１１および溶接による熱影響部の幅が広い場合のピーニング処理について説明する。
【００２８】
図５は、ピーニング装置１（または５０でもよい）を用いて幅広の溶接ビード部１１およびその周囲の熱影響部１１ａにピーニング処理を施す様子を示している。溶接ビード部１１のみならず、熱影響部１１ａにも溶接に伴う引張応力が残留しているため、ピーニング処理はこの熱影響部１１ａに対しても施す必要がある。一方で、溶接ビード部１１および熱影響部１１ａの幅がピーニング装置１に比べて大きい場合、１度の施工でピーニング処理を完了することができない。
【００２９】
そこで図５に示すように、熱影響部１１ａからピーニング処理を開始して溶接線方向にピーニング装置１を移動させる（図中、１回目）。溶接線の長さＬ分だけピーニング装置１を移動した後に、溶接線と直角方向にピーニング装置１を移動させた後に、再度溶接線方向にピーニング装置１を移動させてピーニング処理を行う（図中、２回目）。この処理を複数回（図では４回）繰り返すことにより、溶接ビード部１１および熱影響部１１ａに対する全てのピーニング処理を完了する。
ここで、このピーニング処理において、先行するピーニング処理（例えば、１回目）により処理が施された領域と後続するピーニング処理（例えば、２回目）により処理が施された領域とが重なるように溶接線と直角方向への移動を行う。ピーニング処理が施されない領域が生ずるのを防止するためである。
【００３０】
図５では溶接線方向にピーニング装置１を移動しつつピーニング処理を行う方法について示したが、図６に示すように溶接線と直角方向にピーニング装置を移動しつつピーニング処理を行うこともできる。ただし、図６に示す方法に比べて図５に示す方法の方がピーニング装置１を折り返す回数が少ないため合計の処理時間を短くできる利点がある。
また、図５，６では平板状の処理対象物について説明したが、例えば、配管同士を突き合わせ溶接した処理対象物の場合には、配管内ピーニング装置１を螺旋状に移動させつつピーニング処理を施すこともできる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、耐食性の高い合金でワイヤを構成しているので、ピーニング処理を行った際に処理対象物にワイヤからの剥離物が付着しても、剥離物自体の耐食性が高いために、後に処理対象物の耐食性を劣化させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表面処理方法に用いることのできるピーニング装置の構成を示す断面図であり、ピストン下降時を示している。
【図２】 本発明の表面処理方法に用いることのできるピーニング装置の構成を示す断面図であり、ピストン上昇時を示している。
【図３】 ピーニング処理を施した後の応力状態を示す図である。
【図４】 本発明の表面処理方法に用いることのできる他のピーニング装置の構成を示す断面図である。
【図５】 ピーニング施工方法の他の例を示す図である。
【図６】 ピーニング施工方法の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１，５０…ピーニング装置、２…ケーシング、３…シリンダ、４…ピストン、５…ピーニングワイヤ、６…ワイヤガイド、６ａ…ガイド孔、２１…上シール、２１ａ…流入口、２２…下シール、２２ａ…ピストン保持孔、４１…第１のエア流通路、４２…第２のエア流通路、６０…吸引ノズル、６１，６３，６５…吸引管、６２…吸引ポンプ、６４…浄化装置
Claims (5)
- 処理対象物に複数のワイヤの先端部を繰り返し衝突させ、
前記ワイヤが繰り返し衝突された前記処理対象物の所定部位の応力状態を改変する表面処理方法であって、
前記処理対象物を構成する材料と同等以上の耐食性を有する非磁性金属材料で前記ワイヤを構成し、
所定の条件で前記処理対象物に複数の前記ワイヤの先端部を繰り返し衝突させた後に、前記処理対象物に渦流探傷検査を行うことを特徴とする表面処理方法。 - 前記ワイヤを前記処理対象物と実質的に同一の材料で構成することを特徴とする請求項１に記載の表面処理方法。
- 前記処理対象物が液体中に配設されており、前記ワイヤを繰り返し衝突している周囲に吸引力を作用させることを特徴とする請求項１または２に記載の表面処理方法。
- 前記非磁性金属材料が、Ｃｒを１３重量％以上含む耐食性合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面処理方法。
- 前記耐食性合金が、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基超合金であることを特徴とする請求項４に記載の表面処理方法。
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