JPS59159294A - 管外周面肉盛溶接による残留応力の改善方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、管の突合せ継手溶接部の外面側に溶接により
一定の条件で肉盛し、溶接部内面側の残留応力を改善す
る管外周面肉盛溶接こよる残留応力の改善方法に関する
。

管を接続する為突合せ全周溶接すると、溶接部及びその
熱影響部には強い引張の残留応力が発生する。この残留
応力を放置しておくと応力腐触割れの原因となり、原子
炉設備、化学プラント等の装置用配管及び円筒形（管形
）容器に於いては重大な事故を起す虞れがある。従って
、通常は残留応力の改善処理即ち、溶接部及びその熱影
響部内面側の引張残留応力が軽減され或は圧縮応力とな
る様な処置が行なわれる。

従来の残留応力改善方法としては、高周波加熱法、ショ
ットビーニング法、管外面側を火炎であぶる方法（リン
デ法）があるが、高周波加熱法では機器が大型であり且
管毎に高周波誘導コイルを製作する必要があり、コスト
大であると共に日数を要する。又、ショットピーニング
法では管内面側をショットピーニングしなければならず
、供用期間中のものでは、施工が不可能である。更に、
リンデ法では安定的に圧縮残留応力を得ることが技術的
に困難である。

本発明は、上記実情に鑑み、簡便で而も効果的に溶接部
の残留応力を改善し得る残留応力改善方法を提供するも
のであって、肉盛溶接部の高さｈと管肉厚ｔで求められ
る肉盛比ｈ／ｔの値が０．２近傍より大きくなる様、又
肉盛溶接部の幅Ｌと、管半径Ｒ，管肉厚ｔで求められる
肉盛幅比Ｌ／■の値が１近傍より大きくなる様溶接部の
管外周面に肉盛溶接することを特徴とするものである。

以下図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。

先ず第１図に於いて本発明の概要を説明すると、管１，
１の溶接部２の外面側に溶接により肉盛をし、この肉盛
溶接部３の熱収縮により溶接部２及びその熱影響部４に
管軸方向及び周方向の変位を与え残留応力を改善しよう
とするものである。

而し、溶接部２及びその熱影響部４の内面側の引張残留
応力の値を実用に十分な迄に軽減し、或は残留応力が圧
縮応力どなる様にするには、管径、管の肉厚に応じ、肉
盛溶接部３の幅Ｌ、肉盛の高さｈは所定の条件を満すも
のでなければならない。

次に、残留応力を改善し得る管外面側への肉盛条件につ
いて説明する。

第２図にモデル化する如く管１の外周に長さＬに互って
全周肉盛溶接すると、肉盛溶接部３が収縮しることによ
り管１を管中心方向へ給付ける際の圧力をｐとすると管
１の周長の単位長さ当りの荷重はｐｄξとなる。

この荷重ｐｄξによって管１は絞られ曲げモーメントが
発生する。この曲げモーメントにより肉盛溶接部３の中
心の管１の内面に発生する管軸方向の応力は、 σａｂ＝１．８２ｐ・Ｒ／ｔ・ｃβｓｉｎβｂ　…１と
なり、又同様に周方向の応力は、 σｃｂ＝νσａｂ　…２ となる。ここで、′ β’＝３（１−ν２）／（Ｒ２ｔ２） Ｒ：パイプの肉厚中心迄の半径 ｔ：パイプ肉厚 ν；ポアソン比 ｂ：肉盛溶接部の半幅 である。

次に、肉盛溶接部３の周方向、軸方向の収縮に追従して
管１が変形する 生し、この時の周方向応力は、 σｃｗ＝−ｐＲ／ｔ（１−ｃβｂｃｏｓβｂ）　…３又
、肉盛幅Ｌが十分長いとすると、管軸方向の応力は σｂｗ＝−νσｃｗ　…４ となる。

前記１式で表わされる応力σａｂは管１の内面で引張り
であり、一方３式で表わさ、れる応力σｃｗは管１の内
面で圧縮となる。これら両応力は肉盛幅Ｌの関数であり
、Ｌを増加させると応力σａｂは減少し、応力σｃｗは
増加する。従って、管１の内面に発生する応力を好まし
い圧縮応力とするには肉盛幅Ｌをある値以上としなけれ
ばならない。又、発生する応力は管の半径Ｒ、肉厚ｔに
も影響され、これらを含むＬ／■を肉盛幅とし、このＬ
／■と両縦軸は、σａｂ、σｃｗとの関係を示せば第３
図となる。尚縦軸は、σａｂ（ｔ／ｐＲ）、−σｃｗ（
ｔ／ｐＲ）の値を示す。

次に前記した圧力ｐは、肉盛金属の残留応力によって生
ずるものであり、 ｐ＝σｙｈ／Ｒ　…５ ここで、σｙ：肉盛金属の残留応力（≒降伏応力）、ｈ
：肉盛高さである。

３式と５式より、 σｃｗ＝−σｙｈ／ｔ（１−ｃβｂｃｏｓβｂ）　…６
６式より、得られる内面側の圧縮応力σｃｗは肉盛金属
と降伏応力とｈ／ｔに比例することが分る。σｙは溶接
材料の仕様が一定であれば略一定であるので、同一材料
を使用する場合には応力σｃｗは肉盛比ｈ／ｔによって
、変化し、応力σｃｗを所望の値とするにはｈ／ｔを適
宜選択してやれはよい。

従って、溶接部２の外面側に、肉盛比ｈ／ｔと肉盛幅比
Ｌ／■とを適切な値として肉盛溶接すれは溶接部２の内
面側の残留応力の改善をすることができる。

上記観点に基づき、残留応力を実用上支障ない範囲で改
善し得るところの、肉盛比ｈ／ｔと肉盛幅比Ｌ／■の値
を実験により求める。尚、実験は鋼管について行ってい
る。

先ず、第４図、第５図は肉盛比ｈ／ｔをパラメータとし
て管内側に発生する応力（以下溶接部２の残留応力も含
めて残留応力とする）をグラフ化したものであり、図中
白丸は継手溶接部がない場合（単に肉盛溶接した場合の
残留応力）、黒丸は継手溶接部がある場合で、第４図は
周方向の残留応力、第５図は管軸方向の残留応力を示し
ている。

第４図より、周方向の残留応力は、肉盛比ｈ／ｔの的の
如何に拘ず、継手溶接部が全て圧縮応力となっており充
分改善されている。

又、第５図では継手溶接部がある場合、肉盛比ｈ／ｔが
減少する程、残留応力は引張側方向へ増大する傾向が見
られる。このグラフで安全上支障ないと見られる代表点
α、β、γを選択し、該代表点α、βに於ける最大値を
結ぶ座繰、及びβ、γの最大的を結ぶ直線がｈ／ｔを変
化させた場合の残留応力値とする。

更に、実用上では′溶接部の残留応力は引張応力で１０
ｋｇ／ｍｍ２程度でも支障ないので、引張応力が１０ｋ
ｇ／ｍｍ２となるところの肉盛比を求めるとｈ／ｔ＝０
．１８である。

即ち、肉盛比ｈ／ｔが０．２近傍以上とすると溶接部２
の残留応力を改善し得ることになる。

次に、第６図、第７図は前記肉盛幅比Ｌ／■＝Ｋとし、
肉盛幅比Ｋと残留応力との関係を示すものである。

第６図は周方向の残留応力、第７図は管軸方向の残留応
力である。又、第４図、第５図同様白丸は継手溶接部が
ない場合、黒丸は継手溶接部がある場合である。

第６図より、周方向の残留応力は、肉盛幅比Ｋの値の如
何に拘ず、継手溶接部がある場合でも全て圧縮圧力とな
っている。

又、第７図では継手溶接部がある場合、肉盛幅比Ｋが減
少する程、残留応力は引張側へ増大する。従って、この
クラブで安全上支障ない肉盛幅比にの端を求めると略１
である。この値は式１、式３で求めた。グラフ（第３図
）中式１で求められる引張応力が最大値となる点で、而
も式３で求められる圧縮圧力が、式１の引張応力よりも
越える点であり、矛盾するところはない。

尚、上記実施例に於いて溶接時の入熱を考慮しなかった
が、通常の溶接条件で管内に冷却水が存在しさえすれば
溶接入熱による影響は殆どない。

又、肉盛比ｈ／ｔ、肉盛幅比Ｋの選択すべき値は用途に
応じて決定すればよく、例えば高信頼性を必要とする機
器についてはＫ＝２とする。

以上述べた如く本発明によれば、溶接機があれば溶接部
内面の残留応力の改善が可能で大型の特別な設備を必要
とせず、而も肉盛溶接部の寸法をコントロールすること
により所望の残留応力の改善状態を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した状態を示す継手溶接部の説明
図、第２図は本発明を説明する為に肉盛溶接部をモデル
化した図、第３図は計算式で求めた肉盛溶接による残留
応力の状態を示すグラフ、第４図、第５図、第６図、第
７図は肉盛溶接による残留応力の実験結果を示す図であ
る。 １は管、２は溶接部、３は肉盛溶接部、４は熱影響部を
宗す。 特訂出１頭人 石川、島［１ｍ重工業株式会社 Ｌ／β任 、・、、：第４図 肉盛ル４ｈ／、ｔｌ 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）肉盛溶接部の高さｈと管肉厚ｔで求められる肉盛比
   ｈ／ｔの値が０．２近傍より大きくなる様、又肉盛溶接
   部の幅Ｌと、管半径Ｒ、管肉厚ｔで求められる肉盛幅比
   Ｌ／■の値が１近傍より大きくなる様溶接部の管外周面
   に肉盛溶接ずることを特徴とする管外周面肉盛溶接によ
   る残留応力の改善方法。