(57)【要約】  本発明は、溶接部の引張残留応力を低減させ、且つ、母材部に発生した引張残留応力を低減する熱処理方法および装置を提供することを目的とする。上記の課題を解決するために、本発明は、溶接構造物の溶接部である第一領域および母材部である第二領域に加熱装置を設置し、前記第一領域を第一温度に加熱し、前記第二領域を前記第一温度より低い第二温度に加熱し、前記第一及び第二温度を一定時間保持し、その後、溶接構造物の第一及び第二領域を冷却させることを特徴とした。
2015029095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接構造物の溶接部である第一領域および母材部である第二領域に加熱装置を設置し、
前記第一領域を第一温度に加熱し、
前記第二領域を前記第一温度より低い第二温度に加熱し、
前記第一及び第二温度を一定時間保持し、
その後、溶接構造物の第一及び第二領域を冷却させることを特徴とした熱処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載した熱処理方法において、
前記母材部において第三領域を追加し、前記第三領域を前記第二温度より低い第三温度に加熱することを特徴とした熱処理方法。
【請求項３】
請求項１に記載した熱処理方法において、
前記加熱装置は複数の加熱装置で構成され、
前記第一領域の加熱装置を起動してから、時間差を設けて前記第二領域の加熱装置を起動し、
前記第一及び第二領域の温度を一定時間保持してから第一領域の加熱装置を停止し、
第一領域の温度が第二領域の温度に到達してから、第二領域の加熱装置を停止することを特徴とした熱処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載した熱処理方法において、
前記母材部において前記第二温度より低い第三温度に加熱する第三領域の加熱装置をさらに追加し、
前記第二領域の加熱装置を起動してから、時間差を設けて前記第三領域の加熱装置を起動し、
前記第一、第二及び第三温度を一定時間保持し、
前記第二領域の温度が前記第三領域の温度に達してから、第三領域の加熱装置を停止することを特徴とした熱処理方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに一項に記載した熱処理方法において、
前記各領域の温度は、前記第一領域の加熱温度から、前記構造物の置かれた環境温度まで段階的に温度勾配を設けたことを特徴とした熱処理方法。
【請求項６】
溶接構造物の溶接部である第一領域を第一の温度に加熱し、母材部である第二領域を前記第一温度より低い第二温度に加熱する加熱装置と、
前記加熱装置を制御する制御装置を有することを特徴とする熱処理装置。
【請求項７】
請求項６に記載した熱処理装置において、
前記加熱装置は、母材部において前記第二温度より低い第三温度に加熱する第三領域を設けたことを特徴とする熱処理装置。
【請求項８】
請求項６に記載した熱処理装置において、
前記加熱装置は複数の加熱装置で構成され、
前記制御装置は前記第一領域の加熱装置を起動してから、時間差を設けて前記第二領域の加熱装置を起動し、前記第一及び第二領域の温度を一定時間保持してから第一領域の加熱装置を停止し、第一領域の温度が第二領域の温度に到達してから、第二領域の加熱装置を停止することを特徴とした熱処理装置。
【請求項９】
請求項８に記載した熱処理装置において、
前記加熱装置は、前記母材部において前記第二温度より低い第三温度に加熱する第三領域の加熱装置をさらに有し、
前記制御装置は前記第二領域の加熱装置を起動してから、時間差を設けて前記第三領域の加熱装置を起動し、前記第一、第二及び第三温度を一定時間保持し、前記第二領域の温度が前記第三領域の温度に達してから、第三領域の加熱装置を停止することを特徴とした熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接構造物の熱処理に関し、溶接部付近の母材における引張残留応力を改善する熱処理方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造物を溶接した場合、溶接部では局部的に高温となり、熱膨張が発生する。この熱膨張は、その溶接周囲の低温の材料によって妨げられるため、溶接後の構造物内には引張残留応力が発生する。【０００３】
溶接による引張残留応力を改善する方法として特開昭６１−１７０５１７号公報がある。この公報には、溶接構造物の熱処理方法において、溶接構造物の内部に冷却材を存在させ、外面を加熱して内面と外面の間に温度差を発生させ、内面を引張降伏させ外面を圧縮降伏させる熱処理法において、加熱体により溶接部を局所的に加熱して部分的な応力改善をはかり、応力改善部分を連続させて全溶接部の応力改善をはかることを特徴とする溶接構造物の熱処理法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−１７０５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の熱処理法では、溶接部の引張残留応力を低減させることは可能だが、加熱装置の端部付近では温度の急勾配が発生しているため、母材部には引張残留応力が発生する。また、内部に冷却材を有するため、内面においては引張残留応力の改善が図れるが、構造物の外面においては、引張残留応力が発生し、母材部表面の引張残留応力を改善することは困難である。【０００６】
そこで、本発明は、溶接部の引張残留応力を低減させ、且つ、母材部に発生した引張残留応力を低減する熱処理方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、溶接構造物の溶接部である第一領域および母材部である第二領域に加熱装置を設置し、前記第一領域を第一温度に加熱し、前記第二領域を前記第一温度より低い第二温度に加熱し、前記第一及び第二温度を一定時間保持し、その後、溶接構造物の第一及び第二領域を冷却させることを特徴とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、溶接部の引張残留応力を低減させ、且つ、母材部に発生した引張残留応力を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１で用いた熱処理装置の構成図である。
【図２】実施例２で用いた熱処理装置の構成図である。
【図３】実施例３で用いた熱処理装置の構成図である。
【図４】実施例４で用いた熱処理装置の構成図である。
【図５】実施例１および３により算出した温度分布である。
【図６】実施例１および３により算出した周方残留向応力である。
【図７】実施例２および４により算出した温度分布である。
【図８】実施例２および４により算出した周方残留向応力である。
【図９】実施例３のそれぞれの加熱装置の起動および停止時間のグラフである。
【図１０】実施例４のそれぞれの加熱装置の起動および停止時間のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の実施例１について図１を用いて説明する。図１は、本実施例における溶接構造物の熱処理装置の構成図である。本実施例では溶接配管を施工対象としている。なお図の溶接構造物には配管の断面図を示した。【００１２】
溶接構造物の溶接部１および母材部２および３の周方向にわたり１個の加熱装置１０を設置する。加熱装置１０には制御装置２０が接続されており、この制御装置では、以下の各実施例で説明するように温度制御や加熱時間制御を行なう。また、内面に加熱装置を設けてもよい。この場合には加熱時間が短くなり、作業効率向上が望める。【００１３】
本実施例における加熱装置としては、高周波誘導加熱コイル、電気ヒーターなどがある。高周波誘導加熱コイルを用いる場合、溶接部１を設定温度であるＴＣまで加熱できるように、さらに母材部２および３を設定温度であるＴＣ／２まで加熱できるようにコイルの巻き数を変化させている。その後、高周波誘導加熱コイルに電流を流し、コイルで巻かれる領域が加熱される。それぞれの加熱領域は室温から設定された所定の設定温度であるＴＣまたはＴＣ／２に到達するまで加熱し、その後、溶接構造物のそれぞれの加熱領域が所定の設定温度に均一になるように一定時間保持する。最後に、電流を切り、溶接構造物の加熱領域が所定の設定温度から室温まで冷却される。【００１４】
電気ヒーターを用いる場合、溶接構造物の溶接部１および母材部２および３を周方向にわたり電気ヒーターを設置する。そして、加熱装置は溶接部１において温度をＴＣに設定し、母材部２、３においては温度をＴＣ/２に設定する。その後、電気ヒーターを起動する。電気ヒーターを起動することにより、溶接部１および母材部２および３をそれぞれ室温から所定の設定温度ＴＣまたはＴＣ／２まで加熱を行う。これにより、溶接構造物には緩やかな温度勾配が得られ、溶接構造物の加熱領域がそれぞれ設定温度に均一になるように一定時間保持する。最後に、加熱装置を停止することにより、溶接構造物が所定の設定温度から室温に冷却される。冷却には空冷を用いた。【００１５】
以上の溶接構造物の熱処理方法を外径３１８．５ｍｍ、厚さが２１．４ｍｍ、長さ６００ｍｍの低合金鋼配管の溶接部に適用したときの配管外面の温度分布および残留応力分布をコンピューターシミュレーションにより算出した結果を図５および図６に示す。【００１６】
図５に、それぞれ溶接部１の温度ＴＣを６８０℃に設定し、母材部２および３の中心部の温度を３４０℃に設定し、その所定の設定温度に達した際の温度分布を示している。加熱の影響が無い母材部では、溶接構造物の置かれている環境中の温度（例えば室温）となっている。比較のため、母材部２および３を加熱していない温度分布も図５に示す。グラフの横軸で０ｍｍは溶接中央である。縦軸は構造物の表面における温度分布である。図５より、母材部２および３を加熱していない場合、溶接部１と母材部２および３に温度の急勾配が発生する。一方、母材部２および３を加熱している場合、温度の勾配が緩やかになる。【００１７】
図６に熱処理が終了時の配管外面の周方向残留応力分布を示す。グラフの横軸で０ｍｍが溶接中央である。縦軸が周方向残留応力である。周方向残留応力において、母材部２および３を加熱していない場合、加熱装置の端部に２００ＭＰａ程度の引張残留応力が発生している。一方、母材部２および３を加熱した場合、引張残留応力は１００ＭＰａ程度であり、おおよそ半分となる。また、比較のために内面を水冷した場合のシミュレーション結果も記載する。内面を冷却した場合には、配管外面においては母材部でも引張残留応力が発生していることが分かる。これは、内外面の温度差により、内面には圧縮残留応力が発生するが、それに釣り合うように外面には引張残留応力が発生するためである。【００１８】
以上、本発明のように、母材部２および３に緩やか温度勾配を設けて熱処理を行なうことで、溶接部の引張残留応力を低減させ、且つ、母材部に発生した引張残留応力を低減するとが可能となり、溶接構造物の疲労防止が図れる。
【実施例２】
【００１９】
本発明の実施例２について図２を用いて説明する。本実施例で用いる熱処理装置は実施例１の装置構成に加えて、母材部４および５の領域に温度勾配を設けた加熱領域を加えた点が異なる。本実施例で用いる熱処理装置の構成図を図２に示す。【００２０】
加熱装置の設定温度は溶接部１ではＴＣに設定し、母材部２および３の領域では２ＴＣ／３程度に設定し、母材部４および５の領域ではＴＣ／３程度に設定する。加熱装置を起動することによりそれぞれの加熱領域を所定の設定温度まで加熱する。この時、実施例１と比較して、溶接構造物にはさらに緩やかな温度勾配が得られている。さらに、溶接部１および母材部２〜５を所定の設定温度で一定時間保持する。これにより、溶接構造物のそれぞれ加熱領域を均一に所定の設定温度に加熱する。最後に、加熱装置を停止し、溶接構造物を所定の設定温度から室温に冷却する。ここで加熱装置１０は、溶接部１、母材部２および３、母材部４および５の各領域において、コイルの巻き数を変化させたり、設定温度を変化させている。【００２１】
以上の溶接構造物の熱処理方法を３１８．５ｍｍ、厚さが２１．４ｍｍ、長さ６０ｍｍの低合金鋼配管の溶接部に適用したときの配管外面の温度分布および残留応力分布をコンピューターシミュレーションにより算出した結果を図７および図８に示す。【００２２】
図７に示すように、溶接部１の温度ＴＣを６８０℃に設定し、母材部２および３の温度を４４０℃に設定し、母材部４および５を２２０℃に設定し、その後、所定の設定温度に達した際の温度分布を示している。比較のため、実施例１の温度分布も図７に示す。グラフの横軸で０ｍｍは溶接中央である。縦軸は温度分布である。図７より、母材部４および５を加熱している場合、母材部の温度勾配が実施例１と比較するとさらに緩やかとなった。【００２３】
図８に熱処理が終了後の配管外面の周方向応力を示す。周方向応力において、母材部を加熱していない場合には母材部に２００ＭＰａ程度の引張残留応力が発生する。一方、本実施例の場合、引張残留応力は５０ＭＰａ程度であり、おおよそ１／４に低減された。なお、比較のために内面を水冷した場合のシミュレーション結果も記載する。内面を冷却した場合には、配管外面においては母材部でも引張残留応力が発生していることが分かる。【００２４】
本発明のように、温度勾配をさらに緩やかにするこで、溶接部の引張残留応力を低減させ、且つ、母材部に発生した引張残留応力をより低減することが可能となり、溶接構造物の疲労防止が図れる。
【実施例３】
【００２５】
本発明の実施例３について図３を用いて説明する。本実施例で用いる熱処理装置の構成図を図３に示す。本実施例は、溶接構造物の溶接部１に周方向にわたり第１加熱装置１１を設置し、その後、母材部２および３の周方向にわたり第２加熱装置１２および第３加熱装置１３を設置する。本実施例では３つの加熱装置を用いて熱処理を行う。【００２６】
本実施例の加熱装置の起動および停止時間のグラフを図９に示す。すべての加熱装置を設置後に、第１加熱装置１１を起動し、時間が経ってから第２加熱装置１２および第３加熱装置１３を起動する。溶接部１および母材部２，３はそれぞれ所定温度ＴＣまたはＴＣ／２まで加熱してから、加熱領域の温度を均一になるように一定時間保持する。その後、第１加熱装置１１を停止し、溶接部１の温度がＴＣ／２に到達したら、第２加熱装置１２および第３加熱装置１３を停止する。最後に、溶接構造物を室温まで冷却する。【００２７】
このように第１加熱装置１１、第２加熱装置１２および第３加熱装置１３の時間差の起動および停止により溶接部１の温度が高く、母材部２および３の温度は低くなることで緩やかな温度勾配が得られ、溶接部の引張残留応力を低減させ、且つ、母材部に発生した引張残留応力を低減することが可能となり、溶接構造物の疲労防止が図れる。
【実施例４】
【００２８】
本発明の実施例４を説明する。本実施例で用いる熱処理装置の構成図を図４に示す。本実施例で用いる熱処理装置は実施例３に記載したものにさらに母材部４に第４加熱装置１４および母材部５に第５加熱装置１５を設置する。本実施例では５つの加熱装置を用いて溶接後熱処理を行う。本実施例の加熱装置の起動および停止時間のグラフを図１２を用いて説明する。すべての加熱装置を設置後に、第１加熱装置１１を起動し、時間が経ってから第２加熱装置１２および第３加熱装置１３を起動する。さらに時間が経過してから、第４加熱装置１４および第５加熱装置１５を起動する。溶接部１、母材部２および３および母材部４および５はそれぞれ所定温度ＴＣ、２ＴＣ／３またはＴＣ／３まで加熱してから、加熱領域の温度を均一になるように一定時間保持する。その後、第１加熱装置１１を停止し、溶接部１の温度が２ＴＣ／３に到達したら、第２加熱装置１２および第３加熱装置１３を停止し、溶接部１、母材部２および３がＴＣ／３に到達してから第４加熱装置１４および第５加熱装置１５を停止する。最後に、溶接構造物全体を室温まで冷却する。【００２９】
このように第４加熱装置１４、第５加熱装置１５を設けることで、さらに緩やかな温度勾配が得られ、溶接部の引張残留応力を低減させ、且つ、母材部に発生した引張残留応力をより低減することが可能となり、溶接構造物の疲労防止が図れる。
【符号の説明】
【００３０】
１…溶接構造物の溶接部
２、３、４、５…母材部
１０…加熱装置
１１…第１加熱装置
１２…第２加熱装置
１３…第３加熱装置
１４…第４加熱装置
１５…第５加熱装置
２０…制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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2015029095.tif 000014
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