(57)【要約】【課題】  鋼球鋼片によって他の機器を傷める恐れもなく、使用環境等の適用条件に制限がほとんどない、安価で、通常の原子炉機器寿命よりもはるかに長い期間にわたり永続して機能する冷間加工応力腐食割れ防止方法を提供する。【解決手段】  鋼鉄及び合金鋼鉄において、ｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザーの照射衝撃を用いて引っ張り残留応力層を除去し、さらには圧縮残留応力を発生させ、また応力腐食割れの感受性が極めて高い表面硬化層を除去し、除去過程においてこの硬化層を新たに発生・導入すること無しに、転移欠陥等の集中する、この感受性の高い表面硬化層を除去することによって、冷間加工応力腐食割れを防止する方法【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼすべての鋼鉄及びステンレス鋼を含む合金鋼鉄において、１）腐食が進む環境と２）割れを進展させる引っ張り残留応力と３）すべての冷間加工に伴う極めて微小な、割れ、転移、段差、穴等の欠陥が多く、応力腐食割れの感受性が極めて高い表面硬化層が同時に存在するという、3つの冷間加工応力腐食割れの発生に必要不可欠な条件下において、フェムト秒（ｆｓ）域高平均出力超伝導線型加速器自由電子レーザー等のｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザーを用いてレーザー照射の衝撃により、２）に対して引っ張り残留応力が残っている表面層を非熱非平衡蒸発させることにより、引っ張り残留応力を持つ表面層を無くし、また３）に対して応力腐食割れ感受性の高い新たな表面硬化層を生成せずに熱伝達より早く非熱非平衡蒸発することによって応力腐食割れの感受性が極めて高い表面硬化層を完全に除去する（以下、感受性は応力腐食割れに対する感受性である。）ことを特徴とする、ｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザーを用いて鋼鉄及び合金鋼鉄表面の冷間加工応力腐食割れを防止する方法。
【請求項２】
新たな硬化層を生成せずにレーザー蒸発した部分からの熱伝達より早く非熱非平衡蒸発除去するために１パルスあたりの照射エネルギー面密度が1J/cm2よりも十分に小さいこと、また希ガス等の不活性ガス噴流、不活性液体の散布、水、溶液、液体化合物、液化ガス等の液体ミストを含む超音速ガス噴流等により蒸発飛沫の酸化等による発熱、蒸発飛沫残渣等の堆積やこの堆積からの熱伝導、輻射熱による表面温度上昇を避けることを特徴とする、請求項１記載の方法。
【請求項３】
表面層を除去する際に、同時にX線回折等により残留応力を計測し、圧縮応力の発生と引っ張り応力の消滅状況を確認し、冷間加工応力腐食割れを起こしやすい表面硬化層の完全除去を確認することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
さらにこの非熱非平衡蒸発とレーザー衝撃圧力等により圧縮残留応力を生成させ、割れ進展を無くすことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
表面層を除去する際に、同時に漏洩磁束を量子干渉素子、ホール素子、電子顕微鏡等により微細に計測する事等により微細割れ、転移欠陥等の高い割れ感受性を持つ部分を計測、特定し、表面層を除去した後の圧縮応力の発生と割れ感受性と引っ張り応力の消滅状況を確認し、冷間加工応力腐食割れ感受性の高い、したがってこの割れを起こしやすい表面硬化層の完全除去を確認することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ほぼすべての鋼鉄及び合金鋼鉄（ここでは含有率が少ない不純物元素を含む鋼鉄及び含有率が比較的高い複数の元素からなる合金鋼鉄を「鋼鉄及び合金鋼鉄」と総称する）において、ｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザーの照射衝撃を用いて引っ張り残留応力層を除去し、さらには圧縮残留応力を発生させ、また応力腐食割れの感受性が極めて高い表面硬化層を除去し、除去過程においてこの硬化層を新たに発生・導入すること無しに、転移欠陥等の集中する、この感受性の高い表面硬化層を除去することによって、冷間加工応力腐食割れを防止する方法に関する。
図１に示されるように、腐食環境下において鋼鉄及び合金鋼鉄製対象物の表面は冷間加工されたことにより、冷間加工応力腐食割れが起こる。図１において、１は鋼鉄及び合金鋼鉄製対象物、２は腐食性環境、３は引っ張り残留応力、４は冷間加工応力腐食割れを起こしやすい感受性の高い表面硬化層、５は進展した応力腐食割れをそれぞれ示している。
【背景技術】
【０００２】
冷間加工応力腐食割れが発生する条件がある程度わかっていても、具体的な割れが発生し、成長する機構について詳細な理解は得られていない。このため腐食を進めないように冷却水や表面に凝集した水等のｐH等の腐食性環境基準を厳しく制御して、進展を遅らせる方法がとられている。
【０００３】
対象物の一部或いは全体を昇温させるアニール(熱焼鈍)によって、引っ張り残留応力をほぼ０になるように緩和する方法がとられている。鍛造圧延等により高い引っ張り強度を持たせた鋼材には、必要強度が得られないためこの方法は採用できない。
【０００４】
対象物対象箇所或いは全体の各面に概略垂直方向に鋼球或いは鋼片を高速で投射して衝撃を与え、この圧縮力によって水平面上の引っ張り残留応力を圧縮残留応力に変える方法がとられている。
【０００５】
水中で対象物対象箇所或いは全体の各面に概略垂直方向に高出力レーザー光を投射して表面で発生する泡の消滅パルス圧による衝撃を与え、この圧縮力によって水平面上の引っ張り残留応力を圧縮残留応力に変える方法がとられている。
【０００６】
水中で対象物対象箇所或いは全体の各表面に概略垂直方向に高速水ジェットを投射して表面で発生するキャビテーションの消滅パルス圧による衝撃を与え、この圧縮力によって水平面上の引っ張り残留応力を圧縮残留応力に変える方法がとられている。
【０００７】
対象物対象箇所或いは全体を、研磨部分を中心に冷却しながらダイアモンド研磨材等で発熱や硬化層を新たに作らないように粗く除去し、さらに残りの残渣硬化層を電界をかけ或いはかけずに酸性溶液に浸して腐食除去する方法、或いはこのうち研磨除去のみ用いる方法、あるいは腐食除去のみ用いる方法がとられている。粒界が不規則に腐食され、均質の加工が困難である。
【０００８】
ステンレス鋼鉄製作物などの対象物を製作する前にその素材を応力腐食割れが進展し難い、また起き難い、応力腐食割れ鋭敏化しにくい低炭素ステンレス鋼等の対策素材を使用する方法がとられている。
[発明が解決しようとする課題]
【０００９】
上記のような冷間加工に伴う、或いはそれ以外の原因による応力腐食割れを防止する方法はある程度利用実績があり、対象物、場所、形状等の適用可能条件が厳しく、応用範囲がかなり限定され、その効果や有効時間が限られており、次のような課題がある。
【００１０】
冷間加工応力腐食われは、有史以来多くの鋼鉄及び合金鋼鉄製の多くの道具、機器、車両、構造部品類において、性能機能、使用可能期間を著しく制限し、予測し難く、多くの割れ事故の原因となってきた。
【００１１】
冷間加工応力腐食割れは、現代においても多くの原子炉、発電設備、重化学工業生産設備、橋橋梁、建築鋼鉄及び合金鋼鉄構造物、航空機、自動車、鉄道その他あらゆる鋼鉄及び合金鋼鉄製のすべてのものの、製造と保守の価格費用価格を著しく増大させ、性能機能、使用可能期間を著しく制限し、割れ発生時機が予測しがたいために、多くの事故の原因となってきた。
【００１２】
水分や水中の腐食性成分などの環境的要因は、pＨ制御など対策は採られているものの、必ずしも製造技術で制御できるものばかりではない、この環境要因がある範囲内でもこの劣悪な環境を乗り越えて製造技術で他の２条件を制御できる理想的な対策技術を開発することによって冷間加工応力腐食割れを解決する課題がある。
【００１３】
腐食を進めないように水のｐH、塩素成分等の腐食性環境基準を厳しく制御して、進展を遅らせる方法は、通常は常に利用できるわけではない、装置条件によっては普通利用できない場合が多い。
【００１４】
対象物の一部或いは全体を昇温させるアニール(熱焼鈍)によって、表面から内側まで対象の全体にわたり引っ張り残留応力をほぼ０になるように緩和する方法は、大型のもの、複雑な形状物では適用が困難、熱に弱い部品部分があれば適用不可能、高い剛性や強度が必要な部品、装置に対しては使用場所での適用が困難等すべての場合に常に利用できるとは限らず、通常は利用できない場合が多い。
【００１５】
対象物対象箇所或いは全体の各面に概略垂直方向に鋼球或いは鋼片を高速で投射して衝撃を与え、この圧縮力によって水平面上の引っ張り残留応力を圧縮残留応力に変える方法は、すべての場合に常に利用できるとは限らず、また効果が比較的短時間しか持続せず、繰り返し処理する必要がある。また通常は周辺機器の干渉等から利用できない場合も多い。また散乱する鋼球鋼片が機器の健全性を損なうことが多く、回収が困難な状況では利用できない。
【００１６】
水中で対象物対象箇所或いは全体の各面に概略垂直方向に高出力レーザー光を投射して集光表面で発生する泡の消滅パルス圧による衝撃を与え、この圧縮力によって水平面上の引っ張り残留応力を圧縮残留応力に変える方法は、超大型構造物、小型のもの、複雑な形状物では適用が困難、水中に入れられない部品部分があれば適用不可能、水使用を嫌う場所での適用が困難等すべての場合に常に利用できるとは限らない。通常は利用できない場合も多い。
【００１７】
水中で対象物対象箇所或いは全体の各面に概略垂直方向に高速水ジェットを投射して表面で発生するキャビテーションの消滅パルス圧による衝撃を与え、この圧縮力によって水平面上の引っ張り残留応力を圧縮残留応力に変える方法は、超大型構造物、小型のもの、複雑な形状物では適用が困難、水中に入れられない部品部分があれば適用不可能、水使用を嫌う場所での適用が困難等すべての場合に常に利用できるとは限らない。通常は利用できない場合も多い。
【００１８】
対象物対象箇所或いは全体を、研磨部分を中心に冷却しながらダイアモンド研磨材等で発熱や硬化層を新たに作らないように粗く除去し、さらに残りの残渣硬化層を電界をかけ或いはかけずに酸性溶液に浸して腐食除去する方法、或いはこのうち研磨除去のみ用いる方法、腐食除去のみ用いる方法は、超大型構造物、小型のもの、複雑な形状物では適用が困難、酸性腐食性薬品に弱い部品部分があれば適用不可能、使用場所での適用が困難等すべての場合に常に利用できるとは限らない。通常は利用できない場合も多い。
【００１９】
対象物を製作する前にその素材を応力腐食割れが進展し難い素材、応力腐食割れ非鋭敏化材、また割れが起き難い素材を使用する方法は、そのような素材は開発されていない鋼鉄及び合金鋼鉄が多いので適用不可能な場合がほとんどである、開発されていても高価な新素材では価格的に適用が困難等すべての場合に常に利用できるとは限らない。通常は利用できない。
【００２０】
そこでこの発明は、上記のように使用する鋼球鋼片によって他の機器を傷める恐れもなく、使用環境、有効性、適用対象、適用場所、その他の適用条件に制限がほとんどない、安価で、通常の原子炉機器寿命よりもはるかに長い期間にわたり永続して機能する冷間加工応力腐食割れ防止方法を提供することにある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明の冷間加工応力腐食割れ防止方法は、ｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザー照射の衝撃を用いてほぼすべての鋼鉄及び合金鋼鉄の引っ張り残留応力が残っている表面層を熱伝達より早く非熱非平衡蒸発することにより、引っ張り残留応力層を無くし、またレーザー衝撃圧力により、引っ張り応力を緩和し、さらに圧縮残留応力を生成させ、これにより割れ進展を無くし、また新たな硬化層を生成せずに非熱非平衡蒸発することによって冷間加工応力腐食割れの感受性が極めて高い転移欠陥等が集中する表面硬化層を除去することを特長としている。
上記非熱とは、レーザーパルスのパルス幅が極端に短いために熱が周囲に伝わるより早く照射場所の物質が蒸発するので、周囲物質に熱が伝わらないことであり、又上記非平衡とは、同様にレーザーパルスのパルス幅が極端に短いために熱平衡に達するに前に照射場所の物質が蒸発することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
最も高いキロワット級以上の平均出力を得ることができる唯一のｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザーである超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置を用いて、図２の様に照射し冷間加工応力腐食割れを防止する。
図２には、ｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザー照射により、鋼鉄及び合金鋼鉄の冷間加工応力腐食割れの感受性が極めて高い表面硬化層と割れを進展させる引っ張り残留応力のある表面層を熱伝達より高速に非熱非平衡蒸発除去し、さらにレーザー衝撃圧力により、この面に引っ張り残留応力を打ち消す圧縮残留応力を生成させることにより、冷間加工応力腐食割れ防止する方法が示されている。図２において、１はｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザーであり、２は鋼鉄及び合金鋼鉄製対象物表面は高い割れ感受性をもつ冷間加工部位で、かつ引っ張り残留応力の存在する表面層であり、３は腐食性環境であり、４は  冷間加工応力腐食割れ進展を示し、５は冷間加工により応力腐食割れを起こしやすい割れ感受性の高い表面硬化層であり、６は表面観察装置であり、７は非熱非平衡蒸発除去される表面層であり、８はレーザー照射による圧縮残留応力であり、９は冷間加工による表面欠陥検出器である。
【００２３】
非熱非平衡蒸発除去するために対象物の表面温度を上昇させないように、照射場所を高速で変えながら多数のレーザー光を照射する、また多数の照射場所に振り分けて、或いは同時に多本数のビームとして照射する。
【００２４】
剥離表面に対して垂直入射照射でない、より水平に近い浅い角度で照射し、剥離物質が反跳する方向がレーザー入射方向と大きく異なる方向とする事によって、衝撃剥離する残渣の自動的反跳除去が容易に実現するように、また高温の反跳残渣が照射面に堆積しない様にする。
【００２５】
比較的高温の残渣や照射面が空気中の酸素と反応して酸化し、高熱を発生しないように希ガス等の不活性ガスの噴射で空気を照射面から遮断隔離し、温度上昇を防ぎながら、照射面から残渣をガス噴射で吹き飛ばし高速で除去する。
【００２６】
照射とガス遮断を容易にするためにガスの流れとレーザー照射方向を同軸同方向とする。またガスが滞在しやすいように流れを妨げないように照射面とレーザー装置とガス噴射孔等全体を容器、或いは遮断ガス噴流等で遮蔽隔離する。
【００２７】
また噴射ガスを断熱膨張させ液化ミスト噴射として用い、あるいは別種の液体ミストの混合噴射を用いて、超音速、高速の残渣除去し易い噴射と照射面の冷却と効果的空気遮蔽を実現する。
[発明の効果]
【００２８】
以上のようにこの発明によれば、従来の技術では不可能であった、腐食性環境要因以外の２種の主要因を同時に除くことが可能である、すなわち応力腐食割れを最初に開始させる表面硬化層と応力腐食割れを大きく深く進展させる引っ張り残留応力のある表面層を、ｆｓ域極短パルスｋW級高平均出力レーザーを用いて熱伝達より高速に非熱非平衡蒸発除去し、さらに冷間加工応力腐食割れ防止に極めて有効な圧縮残留応力をこのレーザー衝撃圧力により生成する。
【００２９】
この発明によれば、鋼球鋼片、水、酸性腐食溶液、熱源、研磨剤等も必要なく、容易に実行できる。
【００３０】
この発明によれば、また対象物の重量、形状、作業場所による制限はなく、大面積にわたって容易に安価に実行できる。
【００３１】
この発明によれば、冷間加工による応力腐食割れを起こすすべての鋼鉄及び合金鋼鉄製の物品、構造物等に適用可能で、また加工前のみでなく、製作後に原子炉内構造物、機械、部品等でも保守点検中や使用中にも適用可能で、容易且つ安価に実行できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】冷間加工応力腐食割れが起こる条件を説明する図である。
【図２】この発明により冷間加工応力腐食割れ防止する方法を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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