(57)【要約】【課題】ピーニング範囲を正確に限定できる小型のピーニング装置および溶接個所の残留応力の発生を抑制・低減する残留応力低減方法を提供する。【解決手段】超硬材（２）が先端部に取り付けられた振動端子（４）と、該振動端子を機械的に又は超音波によって振動させる発振器（６）と、を有し、振動する前記超硬材が対象物（８）の表面を繰り返して打撃することで残留応力を低減させるピーニング装置を提供する。特にこのピーニング装置は、対象物（８）の溶接箇所（１２）に盛られた溶接金属が凝固した後で、かつ、完全に硬化する前に該溶接箇所をピーニング又はハンマリングすることで、溶接金属の熱収縮によって発生する対象物の破損防止するのに適している。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボール状の超硬材（２）が先端部に取り付けられた振動端子（４）と、該振動端子を機械的に又は超音波によって振動させる発振器（６）と、を有し、振動する前記超硬材が対象物（８）の表面を繰り返して打撃することによりピーニングを行う、ことを特徴とするピーニング装置。
【請求項２】
対象物（８）の溶接箇所（１２）に盛られた溶接金属が凝固した後で、かつ、完全に硬化する前に該溶接箇所をピーニング又はハンマリングする、ことを特徴とする溶接箇所の残留応力低減方法。
【請求項３】
前記溶接箇所（１２）のピーニングを請求項１に記載したピーニング装置を用いて行う、ことを特徴とする請求項２に記載の溶接箇所の残留応力低減方法。
【請求項４】
対象物（８）の溶接箇所（１２）に盛られた溶接金属の温度が低下して凝固していく段階で、該対象物を機械的に又は超音波によって振動させて溶融状態の溶接金属を溶接箇所の熱収縮部位に供給する、ことを特徴とする溶接箇所の残留応力低減方法。
【請求項５】
対象物（８）を機械的に又は超音波によって振動させながら溶接する、ことを特徴とする溶接箇所の残留応力低減方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、切削加工や溶接加工によって対象物の加工箇所に生じる残留応力（引張応力）を低減するためのピーニング装置および溶接箇所の残留応力低減方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
切削加工により製造される金属部品では、その表面に残留応力（引張応力）や薄い変質層が生じており、これらは金属部品の疲れ寿命を低下させる原因となっていることが分かっている。
【０００３】
高い応力状態で使用される金属部品、例えばタービンのディスクやシャフト等、エンジンの始動・停止の繰り返し等により低サイクルの高い応力が作用する部品では、部品表面に残留する引張応力を低減させ、より好ましくは圧縮応力を生じさせて疲労強度を高めることを目的としてショットピーニングによる表面加工処理が行われている。
【０００４】
ショットピーニング（単に「ピーニング」という。）とは、ショットと呼ばれる鋼製の粒子を対象物（金属部品）の表面にエアや回転インペラによって多数投射する冷間加工法であって、この加工処理によって対象物表面がへこみ、押し伸ばされて塑性変形し、対象物表面の引張応力が低減され、さらには圧縮応力が残留される。
【０００５】
また、溶接加工により接合した金属部品では、溶接部が局部的に加熱・冷却されるために、▲１▼溶接時の対象物（母材）の熱膨張・収縮、▲２▼溶接熱サイクルの過程で溶接部付近の対象物に生じる塑性ひずみ、▲３▼溶接金属が凝固してから室温に冷却するまでの間に生じる収縮と塑性ひずみ、などが原因となって大きな溶接残留応力（引張応力）が発生する。かかる溶接残留応力は金属部品の疲れ寿命を低下させ、極端な場合には溶接箇所の対象物に変形やクラックが発生し、または溶接金属に溶接割れが生じることもあった。
【０００６】
従前は溶接残留応力に対しては特に何らの対策も採らずに、製造した部品に発生する溶接残留応力を許容して、不具合が生じなかった部品のみを抽出して使用していたが、現在では部品の信頼性を向上させるため、溶接後に応力除去焼きなまし、低温応力緩和法、過ひずみ法、ピーニングなどの処理をすることによって、溶接部付近に引張りの塑性変形を与えて残留塑性ひずみの大きさを小さくすることも多くなってきている。
さらに、近年では溶接される対象物全体の温度を高くして、対象物の溶接部と他の部分との温度差を小さくし、冷却時の対象物と溶接金属の収縮差を小さくすることによって溶接割れ等を防ぐ手法も開発されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらピーニング処理は広範囲を均一に処理するには適した手法であるものの、狭い範囲をピーニングするためには、マスキングによりそのピーニング範囲を限定する必要があり、またマスキングを行ったとしてもピーニング範囲を正確に限定できないこともあった。またショットを対象物に高速投射するためのピーニング装置はその性質上非常に大型となるといった問題があった。
【０００８】
さらに、溶接箇所の残留応力を除去するために行われる上述の応力除去焼きなましやピーニング等の処理は、一旦対象物に発生した残留応力を事後的に低減・除去するものであって、溶接直後の対象物の変形やクラック、溶接金属の溶接割れの発生を直接的に防ぐものではなかった。また溶接される対象物全体の温度を高くして溶接を行う方法は溶接後の残留応力を低減することができるものの、対象物全体を加熱するための時間や手間を要し、対象物を加熱するための装置も必要となるといった問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、狭い範囲をピーニングする際にもマスキングなしにピーニング範囲を正確に限定でき、またショットを対象物に高速投射するための大型の装置を用いることなく、対象物のピーニングを行うことができる小型のピーニング装置を提供することを第１の目的とする。
【００１０】
また本発明は、対象物の溶接個所の残留応力を事後的処理によって低減するのではなく、残留応力の発生を根本的に抑制する残留応力低減方法を提供することを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため本発明は、ボール状の超硬材（２）が先端部に取り付けられた振動端子（４）と、該振動端子を機械的に又は超音波によって振動させる発振器（６）と、を有し、振動する前記超硬材が対象物（８）の表面を繰り返して打撃することによりピーニングを行う、ことを特徴とするピーニング装置を提供する。
【００１２】
本発明のピーニング装置は、ボール状の超硬材を先端部に取り付けた振動端子を、これに接続した発振器により微細振動させ、超硬材により対象物を打撃して対象物表面をへこませ塑性変形させてピーニングを行うものである。本発明によれば従来非常に大型であったショットを投射するタイプのピーニング装置と比べて、振動端子と発振器、および振動端子を固定するための支持具とのみにより構成される非常に小型の装置によってピーニングが可能となる。
またこの装置では、対象物を振動端子に対して相対的にトレース移動させることで、所望の箇所のみに正確にピーニングをすることができ、従来必要とされていた非ピーニング域のマスキングを不要とすることができる。
このように本発明のピーニング装置は主として対象物の露出した外面のピーニングに適したものであり、小型で、その取り扱いも容易で、かつ、ピーニング範囲をマスキングなしに正確に限定できるといった優れた特徴を有している。
なお、本発明と類似する構成の装置として、先端を鋭く尖らせた振動端子を有する装置があるが、この装置は対象物の一部に傷を付けてこれ目印とするマーカー装置であり、対象物の疲労強度を高めるためにピーニングを行うものではない。
【００１３】
また本発明は、対象物（８）の溶接箇所（１２）に盛られた溶接金属が凝固した後で、かつ、完全に硬化する前に該溶接箇所をピーニング又はハンマリングする、ことを特徴とする溶接箇所の残留応力低減方法を提供する。
【００１４】
この溶接箇所の残留応力低減方法によれば、溶接金属が凝固した後で、完全に硬化する前の柔らかい段階で、溶接箇所をピーニング又はハンマリングすることにより、残留応力の発生を抑制・低減することができる。
すなわち、残留応力は溶接時に加熱され、溶接金属が凝固してから冷却する過程で熱収縮して、溶接箇所の周りを溶接箇所に引っ張り込むことにより発生するが、本発明では、溶接金属が冷却されて収縮する際にピーニング等により溶接金属を引き延ばす力を与えてやることで、溶接箇所の周りを引っ張り込む現象を抑制・低減し、対象物の変形やクラック、溶接金属の溶接割れの発生を直接的に防ぐことができる。
なお、本発明の硬化前のピーニングによる残留応力低減方法と併用して、または単独で、溶接金属の冷却硬化後の早い段階で溶接箇所をピーニングすることによっても、変形、クラック、溶接割れを効果的に防ぐことが可能となる。
【００１５】
上記残留応力低減方法の好ましい実施例では、前記溶接箇所（１２）のピーニングを請求項１に記載したピーニング装置を用いて行う、ものとする。
【００１６】
請求項１に記載したボール状の超硬材を先端部に取り付けた振動端子とこれを振動させる発振器により構成される小型の装置を用いることで、所望の範囲、すなわち溶接箇所のみをマスキングなしに簡易かつ正確にピーニングすることができる。
【００１７】
また溶接箇所の残留応力を低減するため、対象物（８）の溶接箇所（１２）に盛られた溶接金属の温度が低下して凝固していく段階で、該対象物を機械的に又は超音波によって振動させて溶融状態の溶接金属を溶接箇所の熱収縮部位に供給する、ことも好ましい。
【００１８】
溶融した溶接金属が凝固した後に収縮する際に、対象物を振動させ、溶接箇所の引張応力が作用する部分に溶融状態の溶接金属を供給することによって、収縮による引張りの残留応力を小さくすることができる。また、溶接金属の凝固後さらに冷却する際に対象物に振動を加えると、より一層残留応力を開放することが可能となる。
【００１９】
また本発明は、対象物（８）を機械的に又は超音波によって振動させながら溶接する、ことを特徴とする残留応力低減方法をも提供する。
【００２０】
溶接時に対象物を微細に振動させ、溶融状態の溶接金属の表面張力を減少させその流動性を高めることによって、溶接金属が均一に供給されて対象物と溶接金属との密着性が向上し、また、溶接箇所中の応力状態に応じて溶融状態の溶接金属が移動するため、結果として従来溶接箇所内部に発生していた応力を開放することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るピーニング装置およびこれを用いた溶接箇所の残留応力低減方法について説明する。
【００２２】
まず本実施例で用いるピーニング装置について図１を用いて簡単に説明する。
このピーニング装置は、従来のように対象物表面に鋼製粒子のショットを多数投射する代わりに、上下に振動するボール状の超硬材によって対象物表面を繰り返して打撃することによりピーニングを行うものである。
ピーニング装置１０は、一端にテーパーが形成された円柱鋼材３のテーパー先端にボール状の超硬材２を取り付けたペン型形状の振動端子４と、この振動端子４を上下方向および前後左右方向に移動可能に支持する支持具５と、振動端子４を振動させるためにこれに接続された超音波発振器６’とから構成されている。
【００２３】
このピーニング装置１０によるピーニング（「バイブロピーニング」と呼ぶ。）は、作業台７上に対象物８をしっかりと固定し、対象物のピーニングを施す箇所に微細に上下に振動する振動端子４を垂直方向から押しつけ、超硬材２によって対象物表面を打撃して行われる。ここで支持具５によって振動端子４を対象物８の表面に沿ってトレース移動させることにより、線状の軌跡で特定の範囲に正確にピーニングを行うことができる。
このピーニング装置は、非常に小型に構成でき、また所望の箇所のみに正確にピーニングできるとともに、その取り扱いも容易である点を特徴としている。
【００２４】
本実施例では、特に溶接金属を対象物８に肉盛りした場合に、より具体的には図２に示した熱伝導率が小さく、かつ、のびの少ない材料でできたタービン動翼８’であって、軽量化を図るべくその内部を中空構造とした際に、翼端部に形成される穴１２ａを穴埋溶接する場合や、タービン動翼のチップ先端１２ｂや隣接するタービン動翼のシュラウドの当接部分（Ｚシュラウド１２ｃ）の耐摩耗性を高めるために肉盛り溶接する場合に、溶接金属が凝固して硬化する段階で発生する引っ張りの残留応力を低減するためにこのピーニング装置を用いている。
【００２５】
すなわち、熱伝導率が小さく、かつ、のびの少ない材料で製作されたタービン動翼８’は、引張応力が原因で破損してしまうことがある。そのため、その穴埋溶接や肉盛り溶接時に発生する引っ張りの残留応力を低減すべく、タービン動翼の溶接箇所を、溶接金属が凝固した後で、かつ、完全に硬化してしまう前に振動端子４先端の超硬材２で繰り返し打撃してバイブロピーニングする。
このように本発明の溶接箇所の残留応力低減方法によれば、凝固してから冷却により熱収縮する過程の溶接金属をバイブロピーニングにより引き延ばすことで、熱収縮する溶接金属が溶接箇所の周囲を引っ張り込む力の発生を抑制・低減することができ、タービン動翼のように溶接により破損しやすい対象物へのクラックの発生や、溶接金属の溶接割れの発生を直接的に防ぐことができる。
【００２６】
また好ましい実施例では、対象物自体を微細振動させながら溶接を行い、また、溶接金属が凝固していく際にも対象物を振動させる。対象物の振動は、図３に示すように、対象物（図示せず）を固定する作業台７に偏芯モータ９を取り付け、これを回転させることで作業台７と対象物８とを一体として振動させる。なお、図中の１１は、偏心モータの回転を制御するコントローラである。
【００２７】
対象物を振動させて溶接を行うことにより、溶融状態の溶接金属の表面張力を減少させその流動性を高め、対象物と溶接金属との密着性を向上させることができ、溶接金属の冷却過程でも振動させながらこれを硬化させることで、溶接箇所中の応力状態に応じて溶接箇所の引張応力が作用する部分に溶融状態の溶接金属を移動させ、溶接箇所内部に存在する応力を開放することができる。これにより溶接後に溶接箇所に生じる残留応力の発生を抑制・低減し、対象物の変形やクラックの発生、溶接金属の溶接割れの発生を回避することができる。
【００２８】
次に、上述した溶接箇所の残留応力低減方法を実施した際の効果を実証するために行った効果測定試験について説明する。
【００２９】
この試験では、超耐熱合金でありタービン翼の材料ともなるＲｅｎｅ４１を用いて作成した試験板（長さ×幅×厚さ：７５×２５×１．２７ｍｍ）に、長さ（Ｙ方向）７ｍｍ、幅（Ｘ方向）２ｍｍの長穴を設け、これを後述する各条件で穴埋溶接した場合に試験板Ｘ方向の溶接ビードの脇位置Ｐ１、Ｐ２に生じるＸ方向の残留応力の大きさをＸ線解析により測定した（図４参照）。なお、溶接金属となる溶接棒にはＲｅｎｅ４１を、トーチガスにはアルゴンを使用した。
またこの試験では、同一形状の試験板を８７０℃で１２時間、真空中で時効処理したもの（時効材）と、何の処理も加えないもの（溶体化材）の２種類の試験板を使用して繰り返し行い、各条件下で各試験板のＰ１，Ｐ２に生じるＸ方向の残留応力の大きさを計測しその平均を求めた。
【００３０】
［条件１：従来例］
従来法による残留応力の大きさを計測するため、通常の状態で試験板を肉盛り溶接した後に特に何の処理も施さずに自然冷却により溶接金属を硬化させた。
［条件２：振動］
試験板を振動数５０〜６０Ｈｚ、変動周期５秒間隔、溶接時間を含めて１分間微細振動させ、自然冷却により溶接金属を硬化させた。
［条件３：超音波］
試験板を振動数３８ｋＨｚ、振幅比２０％の条件で超音波振動させながら肉盛り溶接を行い、試験片を振動させながら自然冷却により溶接金属を硬化させた。
［条件４：バイブロピーニング］
溶接後溶接金属が凝固した直後に溶接箇所表面全体をバイブロピーニングしながら自然冷却により硬化させた。
【００３１】
［試験結果：時効材（図５のグラフ下段）］
従来例による残留応力が６００ＭＰａ程であるのに対し、条件２の振動によるものは３００ＭＰａ程度、条件３の超音波によるものは４００ＭＰａであり残留応力低減効果が認められ、また特に条件４のバイブロピーニングにあっては残留応力が１５０ＭＰａ程度と顕著な低減効果が認められた。
【００３２】
［試験結果：溶体化材（図５のグラフ上段）］
従来例による残留応力が３００ＭＰａ程であるのに対し、条件２の振動によるものは２００ＭＰａ程度、条件３の超音波によるものも２００ＭＰａであり、また条件４のバイブロピーニングによる場合も１５０ＭＰａ程度と残留応力低減効果が確認された。
【００３３】
以上説明したように、本発明の溶接箇所の残留応力低減方法によれば、溶接金属が凝固して硬化する段階で発生する引っ張りの残留応力を低減することができるので、例えば熱伝導率が小さく、かつ、のびの少ない材料でできたタービン動翼を肉盛り溶接する場合にも、簡易な方法によってその破損の発生を抑制し、製品の歩留まりを向上させることができる。
【００３４】
なお本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【００３５】
【発明の効果】
上述したように本発明のピーニング装置によれば、従来のショットを対象物に高速投射するための大型の装置を用いることなく小型の装置によってピーニングが可能となり、また、狭い範囲をピーニングする際にもマスキングなしにピーニング範囲を正確に限定することができる。
また本発明の溶接箇所の残留応力低減方法では、対象物の溶接個所の残留応力を事後的処理によって低減するのではなく、溶接金属の収縮時に引張応力が作用する箇所に溶融状態の溶接金属を移動させることにより残留応力の発生を根本的に抑制することができ、さらに、溶接金属の凝固後さらに冷却する際に対象物に振動を加えることで、より一層残留応力を開放することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピーニング装置である。
【図２】溶接がなされるタービン動翼のシュラウド正面図（ａ）、シュラウド側面図（ｂ）である。
【図３】対象物を振動させるための作業台である。
【図４】本発明の溶接箇所の残留応力低減方法の効果測定試験に用いる試験板の平面図である。
【図５】効果測定試験の結果を表したグラフである。
【符号の説明】
３　円柱鋼材
２　超硬材
４　振動端子
５　支持具
６　発振器
６’　超音波発振器
７　作業台
８　対象物
８’　タービン動翼
９　偏芯モータ
１０　ピーニング装置
１２　溶接箇所
１２ａ　穴
１２ｂ　チップ先端
１２ｃ　Ｚシュラウド
【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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