(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼及びニッケル基超合金からなる群から選択される金属に残留圧縮応力を発生させるための方法にして、
金属を急冷媒質環境中におきつつ、前記金属の残留圧縮応力を発生させようとする対象金属部分を前記急冷媒質を排除した急冷媒質排除領域中におき、
前記対象金属部分を加熱して、溶融金属の溶融池を、当該溶融池が急冷媒質排除領域内で且つ前記対象金属部分の未だ溶融していない未溶融金属に隣接するように制御して形成し、
前記急冷媒質排除領域内で、溶融池を冷却して前記隣接する未溶融金属との冶金学的結合を形成し、
該結合金属を前記急冷媒質排除領域から移動させて急冷媒質との接触によって該金属の溶融範囲未満の周囲温度に急冷することを含んでなる方法。
【請求項２】
前記急冷媒質排除領域の大きさは、前記溶融金属の溶融池よりも大きく、且つ、前記溶融池の周囲に未溶融金属領域が確保される大きさであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記急冷媒質が水であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
水中移動可能なプラズマアーク溶接トーチと、このトーチに移動可能に取り付けられ急冷媒質を排除可能な排除装置とを用いて、前記対象金属部分をこの排除装置内におき、且つ、前記溶接トーチによって該排除装置の内部に前記溶融金属の溶融池を形成することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記金属は、金属製品中の金属部分であり、  前記冶金学的結合を得るために、前記溶融池を前記金属の初溶融点未満の温度に冷却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。
【請求項６】
前記溶融金属の溶融池を融接手段によって形成し、該溶融池を加熱の終止によって溶融金属の初融点未満の温度に冷却し、凝固中の金属及び隣接熱影響部から急冷媒質を通して熱を伝達することによって凝固中の金属を急冷する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記水中移動可能なプラズマアーク溶接トーチと排除装置とは、金属表面上を横断する請求項４記載の方法。
【請求項８】
ステンレス鋼及びニッケル基超合金材料からなる基材中の応力腐食割れ損傷を補修するための方法にして、
急冷媒質環境下に置かれた急冷媒質排除装置内に、前記機材の応力腐食割れ損傷部分を位置決めし、
前記損傷部分を加熱して該損傷部分に溶融金属の適合性溶融池を、当該適合性溶融池が母材金属の未だ溶融していない未溶融金属に隣接するように制御して形成し、
前記溶融池をその融点付近の温度に冷却することにより、未溶融金属の領域間に溶融金属と未溶融金属との冶金学的結合を形成し、
前記損傷部分を移動させることにより、前記排除装置から溶融部が露呈するときの急冷媒質との接触によって溶融部を周囲温度に急冷することを含んでなる方法。
【請求項９】
水との接触による溶接部の急冷を含んでなる、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融池が、前記排除装置が取り付けられたプラズマアーク溶接トーチによって供給される熱によって形成されことを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記プラズマアーク溶接トーチによって供給されるエネルギーで溶融金属溶融池を形成し、前記トーチ及び排除装置を溶接部を形成すべき経路にそって移動し、かつ前記排除装置から溶接部が露呈するときの水との接触によって溶融部を周囲温度に急冷することを含んでなる、請求項１０記載の水中溶接方法。
【請求項１２】
前記急冷媒質排除装置の大きさは、前記溶融金属の溶融池よりも大きく、且つ、前記溶融池の周囲に未溶融金属の領域が確保される大きさであることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、ステンレス鋼及びニッケル基超合金における残留引張応力(residual tensile stress) の実質的低減と残留圧縮応力(residual compressive stress) の増大に関する。別の態様では、本発明はかかる合金の応力腐食割れ、ヘリウム脆化及び高温割れによって引き起こされる損傷の防止に関する。さらに詳細には、本発明は、割れを起こしやすい合金で作られた構造物の割れ損傷を防止するための残留圧縮応力の生成を促進するための伝熱急冷(conductive quenching)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接には、接合しようとする２つの部分の接合箇所の局部的加熱が必須であり、それによって接合部及び接合部に加えられるフィラメタル(filler metal)の局部的溶融を引き起こす。溶接部はこの溶融材料の凝固によって得られる。この局部的加熱は局部的溶融を引き起こすだけでなく、溶融池に隣接した金属の膨張を引き起こす。この膨張に続いて、冷却中に収縮が起こる。こうした溶接作業に固有の温度勾配は熱応力の勾配をもたらし、この熱応力の勾配によって残留応力が発生する。こうした応力は、溶接作業後に残留して存在するので残留応力と呼ばれる。こうした応力は溶接される材料に内在性であり、換言すれば外的牽引力は必要とされない。こうした応力は凝固した溶接金属並びに溶接部周囲の熱影響部（ＨＡＺ；heat affected zone）に存在する。従来の溶接においては、このような残留応力は溶接部及びＨＡＺ内部では一般に引張応力である。これらは溶接部から遠いところでは一般に圧縮応力となるが、そうした圧縮応力の大きさは概して引張応力の大きさよりも小さい。全体の力は釣り合っていなければならず、これは大きな局部的引張応力が大きさは小さいがより広い体積に広がる圧縮応力と釣り合うことによって達成される。
【０００３】
これらの残留応力の大きさと分布は、溶接部に加えられる熱、溶接される部分のジオメトリー並びに溶接部及びＨＡＺの外部への熱伝達によって決定される。正確な熱勾配は溶接による入熱とその熱が除去される速度とのバランスに依存する。従来の溶接において考慮されてきた境界条件では、この熱が周囲の金属の冷部分（すなわち、溶接される材料の溶接部から離れた部分）への伝導によって除去されると仮定する。
【０００４】
溶接部及びＨＡＺからの放射或いは溶接部及びＨＡＺの外表面と接した気体を通しての伝導によって除去される熱は比較的少ない。本明細書に開示する発明はこれを改めて、溶接部及びＨＡＺ内に比較的大きな圧縮残留応力が発生するようにしたものである。これは溶接を水中或いは溶接部及びＨＡＺの急冷に使用できる幾つかの媒質中で実施することによって達成できる。本発明では、水は溶接部及びＨＡＺの表面から非常に効率的に熱を除去する伝導媒質として作用する。このように改められた熱の流れは、溶接部及びＨＡＺにおける圧縮応力の発生をもたらす。このことは重要であって、このような圧縮応力の発生によって、溶接部が冷える際に進展する高温割れやヘリウム割れ（Ｈｅ割れ）或いは溶接作業後に溶接部及びＨＡＺが応力腐食割れを促進する傾向のある条件に曝露されたときに起こる応力腐食割れを阻止することができる。
【０００５】
高温割れは、凝固中の溶接部に引張応力が作用することに起因する。溶接部は一般にある一点の限られた温度で凝固するものではない。超純粋な単一元素又は単一化合物材料を扱わない限り、凝固はある温度範囲にわたって起こる。凝固が起こるにつれて、凝固中に進展する収縮又は温度低下による収縮が応力の発生を引き起こす。かかる応力が凝固中の材料に作用すると、高温割れが発生するようになる。これは、存在している液体が引張応力を支えきれないからである。このような割れは、引張応力ではなくて圧縮応力が発生すれば阻止できる。
【特許文献１】
米国特許５２９６６７５号公報
【０００６】
ヘリウム脆化も冷却中に発生する引張応力の作用によって起こり、引張応力の代わりに圧縮応力が発生すれば阻止することができる。ヘリウム脆化は核照射によって生成する内部Ｈｅの発生に起因する。この現象は照射材料に対する補修溶接の成功を妨げる。圧縮応力の発生はこのような補修を可能にする。
圧縮残留応力の発生は応力腐食割れ（ＳＣＣ;stress corrosion cracking）を緩和する作用ももつ。その名前の示す通り、応力腐食割れは応力の作用を必要とし、残留応力はそうした応力の重要な源である。ＳＣＣは溶接作業後に溶接部及びＨＡＺが適当な媒質に露出されたときに発生する。このような媒質の存在下で引張応力が作用するのを防止すれば応力腐食割れは阻止することができる。したがって、引張応力ではなく圧縮応力を発生させれば、ＳＣＣを起こす傾向を最小限にすることができる。
【０００７】
今回、原子炉及び同様の装置及び構造物の水露出部分における応力腐食割れ損傷のプラズマ移行アーク溶接補修が水中での溶接プロセスの実施によって達成できることが判明した。この溶接プロセスには、必要条件の設定、溶融金属の溶融池の形成、隣接する非溶融部との冶金学的結合を形成するための溶融池の冷却、及び溶融範囲未満の周囲温度への溶接部の急冷が含まれる。溶融池は、粉末状又はワイヤ状で供給される適合性合金フィラメタルからも形成できるし、或いは補修すべき基材から自己発生的に形成することもできる。冷却中の溶融池を周囲水と接触させることによって、引張応力を低減し圧縮応力の発生を促すような熱流特性が得られる。
【０００８】
【発明の概要】
引張応力よりも圧縮応力を発生させることによって数多くの有益な効果が得られることは明らかであり、本発明はこのような有益な応力を生じさせる。このような応力は、水を溶融池から排除した状態に保つ局部的排水装置を使用して溶接作業を水中で行うときに発生する。溶接トーチが移動すると、局部的排水装置から溶接部が露出するが、溶接部はその時点までに凝固している。それにもかかわらず、溶接部及びＨＡＺからの熱伝達は溶接部を水中に置くことによって改まり、これによって圧縮応力の発生が引き起こされる。
【０００９】
排除装置は周囲圧力を若干上回る圧力まで加圧されるので、こうした水中溶接は水深の浅いところでも深いところでも行うことができる。有益な効果はフィラメタル（filler metal；溶加材）を使用してもしなくても得ることができる。慣用のフィラメタルを使ってもよいし、高温割れ、Ｈｅ脆化又はＳＣＣを緩和する特殊なフィラメタルを使用してもよい。
【００１０】
今回、圧縮応力を生じさせて高温割れ、Ｈｅ脆化を防止しＳＣＣを軽減するにはプラズマ移行アーク（ＰＴＡ）溶接を水中で使用すればよいことが判明した。８０フィート水柱に相当するレベルまで加圧した排除装置を使用した。これは、冷却水を排水する（これには核燃料の取り出し並びに水の遮蔽効果を補充するための遮蔽材の使用が必要とされる）ことなく原子炉内で補修溶接を行うことができるように行ったものである。溶接には、溶融池の適切な確立、溶融池と接合すべき材料の適切な結合、及び溶融池のクラックフリーな凝固が必要とされる。これを水中で行うには、液体状態にあるときの溶融池から水を排除しておくための局部的排除装置の使用が必要とされる。この溶融池は接合すべき材料から自己発生的に形成してもよいし、或いはフィラメタルで形成することもでき、フィラメタルは、溶融池に粉末又はワイヤから導入することもできるし、溶接に先立って接合部に重ねた薄板又はワイヤとして導入することもできる。
【００１１】
本発明の方法では、溶融して再凝固した金属及び隣接する処理材料の熱影響部において引張応力を低減すると共に残留圧縮応力の生成を促すために融接(fusion welding)又はクラッディング(cladding)技術を用いる。本発明の実施に当たって、保護された排除領域内で溶接トーチのような適当な熱源によって局部的に溶融した溶融池が形成され、排除領域からは周囲環境が排除される。排除装置はトーチその他の熱供給装置に取り付けられていてそれと共に移動する。トーチと排除装置がパスにそって移動すると、溶融池は冷却し始め、保護領域を通り越してその外に出ると溶接部が急冷媒質として作用する周囲環境に露出される。急冷媒質は溶接部及び処理材料の熱影響部の上面を急速に冷却する。熱は、従来の大気中での溶接におけるような対流によってではなく急冷媒質を介しての熱伝導によって融合溶接部及びその周囲の材料から除去される。若干の熱は、処理される塊状材料内部での熱の流れによって散逸する。しかし、本発明の方法に関しては、大半の熱の流れは急冷媒質を通して起こる。この熱流現象の効果は溶接部と近傍の熱影響部における圧縮応力の生成である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
まず、図面について説明する。
図１は、液体の排除された領域を与える液体排除装置及びトーチの分解断面図である。
図２は、圧力逃がしステムをもつ粉末スプリッタの分解断面図である。
【００１３】
図３は、粉体送給系の全体図である。
図４は、本発明の例示的な使用並びに溶接部に残存する圧縮力の生成に十分な条件を説明した図である。
図５は、溶接部の軸に平行な方向における溶接部の融接線からの距離と溶接部及び周囲材料に発生した残留応力の関係を示すグラフである。
【００１４】
図６は、溶接部の表面に垂直な方向における溶接部の融接線からの距離と溶接部及び周囲材料に発生した残留応力の関係を示すグラフである。
図７は、ワイヤ送給水中プラズマ移行アーク系の概略図である。
これらの図面は、包括的なものであり、本発明を実施するに当たって利用もしくは修正することのできる装置を説明したものである。
【００１５】
図１に、溶接トーチ１０、例えばプラズマ移行アークトーチ（本明細書中ではＰＴＡトーチと呼ぶこともある）、ガスレンズ１４、及び本発明の実施に有用な液体排除装置１６の断面図を示す。
プラズマ移行アークトーチ及びガスレンズは当技術分野において周知である。本発明をプラズマ移行アーク溶接により説明するが、水中溶接によって残留圧縮応力を発生させるという技術的思想は他の溶接装置、例えばレーザー溶接、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接及び金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接などにも適用することができる。
【００１６】
図１を参照すると、ＰＴＡトーチ１０は、溶接アークの維持に適した電圧及び電流の電極と、アークによって発生するプラズマの形を調節するためのガス流を迎え入れるガス導入口１１とを含んでいる。このガスは、一般に、プラズマにガスを供給するための中心電極の周りのいわゆるプラズマセンターガス流(plasma senter gas flow)と、いわゆるシールドガス流(shielding gas flow)（通常は溶融池及びＨＡＺの酸化を防止するためのものであるが、本発明では周囲静水圧において周囲気体又は液体を置換すると共にプラズマ外縁を包むためにも使われる）とに分割される。これらのガス流は、市販品として入手可能なタイプのガスレンズによって修正されかつアークプラズマのすぐ近傍に向けられる。ガスレンズの詳細は概して本発明の実施には重要でない。ガスレンズには、取り替え及び交換の便宜のためＰＴＡのねじ山１５と嵌合するねじ山（図示せず）が設けられている。粉末状の溶接材を導入口１２からトーチに導入してもよく、この導入口は以降で詳述する本発明の装置の一部を構成する。
【００１７】
本発明による排除装置１６は、同様にして、取付カラー部１８に形成したねじ山１７でガスレンズ又はトーチに装着される。排除装置１６のボデー１９は円錐形でもよいし、さらに概括的には円筒形でもよく、約１〜３インチの先端寸法Ａを与えるという条件をもって決定し得る。この寸法Ａは溶融池の長さよりも大きな排除領域を規定する。溶接部の凝固は排除領域の内側で始まるべきである。周囲水への溶接部の露出は溶融池の凝固の開始後に起こる。このように、寸法Ａは、溶接部内部で圧縮力を発生させることに関して本発明の重要な側面をなす。
【００１８】
周囲の液体の排除に関して、寸法Ａは決定的な因子ではないが、実際問題として、スカート２０が適合できない過酷なトポロジーを包囲するほど大きいものであるべきではなく、液体排除を維持するのに一段と大量のガスを要するようになるほどガス逃散面積を増大させるような長さの外縁を与えるほど大きいものであるべきでもない。その最小限のサイズは、溶接プロセスの熱による損傷並びに溶接部の早すぎる急冷（例えば溶融池に液体が接触してしまうようなもの）を回避できるものでなければならない。
【００１９】
排除装置１６のボデー１９の目的は排除領域に好ましいジオメトリーを賦与することであり、さもなければ高い静水圧に対して排除領域を保持することができない。高い静水圧においては、アーク近傍での気泡の崩壊はアークに向かっての液体の極めて急激な進入を許し、アークを確実に維持することができなくなる。同時に、アーク及び母材の近傍において乱流又は高速のガス流が発生しないようにするのが望ましい。
【００２０】
スカート２０は、母材表面及び溶接部の形成に伴う溶接ビード又は肉盛部に対するコンプライアンスを与えると共に排除装置１６のボデー１９を通しての気体の逃げ道をボデー１９全体に均一に分布した比較的小さな開口２１によって与えるべく、排除装置の遠位端にスポット溶接によって設けられた織金網で作られていてもよい。開口の直径はさほど重要ではなく、排除装置内の気圧が維持される程度に静水圧に対する気体の逃散が十分に制限されかつ気泡が開口を実質的に満たすものであればよい。別法として、ボデー１９は緊密なデバイスワイヤ又は繊維状素材で製作することもでき、これらは製織したものでも嵌合したものでもよく、これらは母材及び溶接部の表面に対するコンプライアンスを向上させる。開口又はワイヤもしくは繊維の隙間を通してのガスの逃散によって液体が排除されるが、さもなければ液体は静水圧によって内部に押し込まれる。排除装置１６によるガスの閉込めは、排除装置からのガスの逃散路の緊縮により８０フィートを優に超える水深の周囲静水圧を上回る圧力が維持されることで、少ないガス流量で排除領域を確実に維持することも可能にする。
【００２１】
排除領域はプラズマセンターガスとシールドガス（場合によっては粉末キャリア又は運搬ガスによって幾分補足される）の組合せによって維持されるが、排除装置自体に独立したガス供給を行ってもよいことを理解されたい。したがって、上述の排除装置の使用は、溶接トーチの操作に際して設けられるガス供給について何ら限定を与えるものではない。同様に、目下のところＰＴＡトーチとの使用が好ましいが、本発明で排除装置を使用するに当たっては、上述のプラズマトーチのみならず、酸素アセチレントーチ、炭素アークトーチ、タングステン不活性ガストーチ及びガス金属アークトーチを始めとする任意の熱源と共に使用することができる。いうまでもなく、上記で説明した基本的発明は、上記で示唆したような粉末溶接材（本発明におけるその好ましい送給系については後で詳述する）の使用に依存するものではなく、本発明はワイヤ又は粉末状の溶接合金の連続供給による従来の溶接棒を用いて実施することもできるし、溶接すべき基材又は本体から自己発生的に溶融池を形成することによっても実施することもできることが分かる。
【００２２】
図２に、単双送給ホース粉末スプリッタ(single to double feed hose powder splitter)としての改良Ｙ装置３０を示す。Ｙ装置は溶接時にトーチの上方約３フィート以下の高さに設置される重力供給式粉末ホッパーの底部に通常装着されるような装置に類似したものである。ただし、図に示した通り、Ｙ装置は、内部空洞３１が広げられ、かつ装置の送給側に穴３２が設けれられていてそこに管３３が取り付けられている点で改造されている。これらの改造は、図に示した通り、Ｙ装置を勘合するねじ山をもちＯリングシール３４でシールされる２つの部分３０ａと３０ｂに分けて作ると容易になる。この改良Ｙ装置は好ましくはトーチの上方にぴったりと装着される。粉末は、Ｙ装置の下端に固定されたとげ付具(barbed device) に取り付けたホース３９を通してトーチに送ることができる。
【００２３】
改良Ｙ装置の使用によって、制御された量の粉末運搬ガス流を穴３２及び管３３を通してブリード（逃がす）することができ、トーチに流入し得るガス流速よりも格段に高いガス流速を粉末の運搬に使えるようになる。このようにしてもたらされるスプリッタからの重力供給は、トーチからスプリッタへのガスの逆流が起こらないようにスプリッタ内の圧力がトーチ又は排除装置１６によって画定される排除領域の内部の圧力と釣り合っていれば、トーチに粉末を送球するのに十分である。ただし、材料の流れの調節に関し、比較的少量のガスをスプリッタからトーチへと送り込んでトーチへの粉末の送給の便を図るのが好ましいと考えられる。いずれにせよ、ノズルに送り込まれるガスの容量及び速度は、熱源をあまり歪めず溶接部がシングルビードで形成されるようなレベルまで容易に低下し得る。粉末運搬の便宜のために用いられる追加ガスのブリードオフの原理は、どんな大きさのホッパーにも適用できる。ただし、トーチの近く又はトーチ上に取り付けられた小型のホッパーが好ましい。これは、かかる小型ホッパーが、溶接箇所付近に狭いクリアランスを提供し、良好な粉末送給と矛盾なくトーチへのガス流を低減できる能力が大きく、かつ高い内圧又は外圧に耐えるように組み立てることができるという利点を有しているからである。小さなサイズのものは、既存の機材を改造することによって熱源をさほど歪ませずに向上した粉末送給機能を与えるようにできるので、特に好都合である。
【００２４】
代表的な粉末移送系を図３に示す。粉末溶接材はホース３５を通して好ましくは高圧・高速の不活性ガスに連行されてＹ装置分配ブロック３０に運搬される。流出運搬ガスは、若干量の粉末を含んでいると予想されるが、圧力リリーフライン３３ａによって重力式粉末分離装置又は回収装置３６に運ばれる。ガスからの残留粉末の分離はバッフル３６ａを設けることによって促進することができる。安全のため、過圧防止安全弁を設けてもよく、そうするとＹ装置３０内での過度のガス圧増加（トーチへのガス流を増加させてしまう）を防止する機能も得られるであろう。分離されたガスは粉末の分離・回収装置３６の上部から防湿フィルター３７及び運搬ガスと許容流出ガス量の量の差を調節できるように流量計３８を通って流される。いうまでもなく、こうした運搬ガスと排出ガスとの差分は粉末送給及び排除領域の維持に役立てるべくトーチに送られる。
【００２５】
排除領域の維持ができ、粉末溶接材をかかる静水圧で操作されるトーチに熱源の歪みを起こさずに送給することができるので、高品質の溶接部が得られる。さらに、これらの構造で容易になった水中溶接は溶接部に残留圧縮応力を生じさせることができ、その結果、高温割れ、ヘリウム脆化、及び応力腐食割れを低減することが判明した。このように割れを起こす力が低下するメカニズムは、溶接部とその隣接領域（熱の影響を受けた材料の）内部に残存する圧縮力の存在に基づく。
【００２６】
圧縮応力の確立に必要な熱量は、材料及び排除装置の相対寸法の関数となると予測される。使用した排除装置では、圧縮力の生成は概して溶接部１ｍｍ当たり１．０ｋＪを超える入熱において最も顕著であった。このような入熱の詳細は排除装置の直径の関数となるであろう。
図４に、残留圧縮応力の発生並びに高温割れ及び応力腐食割れの阻止に十分な条件下での溶接部の作成を示す。本発明の試行例で用いたものと同様の液体の入ったタンク４０によって水中溶接を概略的に図示したが、本発明の実施に当たっては必要ない。不活性ガス送給ライン１１とガスレンズ１４と排除装置１６を取り付けたトーチ１０は、組立てた状態で図示してあり、溶接部を形成すべき表面４１に近接してプラズマ４２が該表面まで達するような位置に置かれる。大きな静水圧を生じるようなほどの深さでなく、しかもガスの流れだけでサイズ４３とほぼ同じ大きさの排除領域を樹立することができれば、排除装置１６は必ずしも必要でないことが理解されよう。一方、本発明の試行例で用いたタンクは８０フィート以上の水深を模擬するために加圧することができたが、そうした状況下では排除装置１６が必要となろう。溶接材はホース３５を通してＹ装置分配ブロック３０に送られ、流出運搬ガスは上述の通り圧力・流量調節及び粉末分離後にホース３３ａを通して排出される。粉末溶接材は上述の通り２本のホース３９を通してトーチ１０に運搬される。プラズマ移行アークトーチを仮定すると、電気接続４４によってトーチ１０及び母材４１に電力が供給される。
【００２７】
溶接部を作るため、排除領域が展開するように不活性ガスがホース１１を通して供給され、トーチ１０にアークが点弧され、それによって表面４１に熱が供給されると共に溶融金属の溶融池４１が生じるが、溶融池にはホース３９を通して粉末溶接材及びフラックスが加えられる。トーチは矢印４７で示す方向に移動するが、その際プラズマ４２を追うように溶融池４５ができる。排除領域の寸法ＡはＡ／２が溶融池４５の長さを上回るように選定され、その結果、図示のごとく、溶接部は凝固開始後まもなく急冷されるようになり、溶接部４６に残留圧縮応力が発生するようになる。これらの応力を、図５及び図６に、図４に示すＸ方向とＹ方向における溶接部の中心線からの距離の関数としてプロットした。
【００２８】
図５及び図６では、本発明で溶接した板材における応力を従来通り大気中で溶接した板材と比較する。引張応力は正の値としてプロットし、圧縮応力は負の値としてプロットした。図に示す測定値は標準的なＸ線散乱法で得たものである。図５から、大気中の溶接では、相当の引張応力が溶接方向と平行な方向に発生して、板面のかなりの距離まで広がり、そのため応力腐食割れによる損傷を受けやすくなっていて、溶接部の中心線に近い箇所で最大となることが分かる。大気中で溶接した同じ板材について、溶接部の融接線からかなり離れたところでほんの僅かな圧縮力が発生しているものの、溶接部の中ではかなりの引張力が発生している（図５）。対照的に、本発明にしたがって水中で形成した溶接部では溶接中心線において圧縮応力が支配的であり、溶接中心線から５ｍｍ〜２０ｍｍ離れたところで圧縮応力は非常に顕著になる（図５）。図６に示す通り、溶接部内部に非常に大きな圧縮応力が発生して融接線から少なくとも１９ｍｍまでのレベルまで続くが、幾つかのサンプルでは融接線近くで稀に比較的僅かな引張力が観察された。
【００２９】
図７には、溶融池の形成に粉末の代わりに溶加ワイヤを用いる方法を示す。き裂を含んだ領域を溶融することが可能であり、それによって自己補修が容易になる。
【００３０】
【実施例】
実験手順
き裂標本を１インチ厚の３０４ステンレス鋼板を用いて作った。ＰＴＡによるき裂癒合研究では、２通りの方法のいずれかでき裂を模擬した。２つの鋼材の端と端を突き合わせシムを入れて深さ１インチで幅の制御されたき裂を得るか、或いは砥石車を鋼材表面に陥入して硬貨形のき裂を生じさせる。２枚の鋼材の端と端を突き合わせて作った標本の場合、端の両隅だけを溶接してき裂の表と裏は開いたまま残しておくか、或いは塞がったき裂を模擬すべく端の両隅と裏面でシム標本を完全に溶接して慎重に閉じた。本来すべての硬貨形き裂は閉じている。突き合わせ標本の幾つかは仮付け前に両隅に幅の異なるシムをおくことで幅が種々異なるように作った。これによって所定の溶接パラメーターで融接することのできる最大幅を手早く求めることができた。もう一つのき裂標本のデザインは、突き合わせた２枚の１インチ厚鋼板で１／８インチ厚の３０４ステンレス鋼板をサンドイッチすることで２つの並行き裂を模擬した。この場合、これらのき裂は常に閉き裂とした。
【００３１】
作業はすべて、様々な水深を模擬すべく加圧されるように設計されたタンク内の水中で行った。改造した６１０型トーチを装着したＳｔｅｌｌｉｔｅ  Ｓｔａｒｗｅｌｄ  ＰＴＡシステムを使用した。この改造は局部的排水並びに模擬した水深８０フィートで生ずる背圧条件下での遠隔粉末送給ができるようにしたものである。この限られた範囲の研究ではトーチ機材及びガス流条件は変えなかった。これらのパラメーター並びに電流、電圧及び移動速度は概して一定の設定値に維持した。場合によって、幅広又は並行き裂を閉じるべく、或いは溶込み(penetration) の深さを増大させるべく、電流と移動速度を変えて入熱を増やした。公称機材、ガス流及び粉末パラメーターを表１に示す。
【００３２】
模擬き裂の癒合試験の結果を同定するために用いた評価法は、目視検査、完成した溶接部の横断面の金属顕微鏡検査、並びに代表的標本についての残留応力測定であった。目視検査はき裂が首尾よく封じられているか否かを調べると共に溶接ビード幅をノギスで測定するために行った。金属顕微鏡検査では、溶込みの深さ並びにポロシティ(porosity)や割れなどの欠陥についての溶接品質を求めた。
【００３３】
【表１】
0004317598.tif 000002
【００３４】
結果
この研究の結果は、粒界応力腐食で予測されるき裂幅を上回る幅の模擬き裂をハーメチック(hermetically)に融接する能力を実証するとともに、改善された構造的保全性のためのかなりの溶込み深さを示す。表２に、水中ＰＴＡき裂癒合試験の条件、パラメーター及び測定された溶接ビード寸法を示す。表２に示す最初１２の項目にはき裂幅の異なる４種類の開放き裂標本についてのデータが記載されている。各々について、溶接部の中心点（中央）、溶接部の開始点から中心点までの中間の位置（始部）並びに溶接部の中心点から終了点までの中間の位置（終部）において切断面を得た。金属顕微鏡用の切断面はすべて溶接方向を横断する。これらの１２の項目では、き裂標本全体について適用されるデータは括弧なしで示し、特定の切断位置についてのみ適用されるデータは括弧内に示した。他のすべての項目は溶接ビードの中心点で切り取った切断面での寸法データを記録したものである。表３は、公称１１０アンペア／４インチ毎分／自己という溶接パラメーターで上首尾に封じた幅０．００５インチ深さ１インチの閉き裂標本について測定したＸ線回折法による残留応力測定の結果を示す。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
【表３】
0004317598.tif 000004
【００３７】
表２は各き裂癒合試験に関連した２つの計算値を含んでいる。入熱の項目の値は、電源計器に表示された出力電流及び出力電圧に基づいて算出したインチ当たりの電力である。この値の算出に用いた等式は次の通りである。
【００３８】
【数１】
0004317598.tif 000005
【００３９】
動作供給電圧はこれらの値から逆算した。また、このセットアップに使用した２５フィートのケーブル長に伴う電圧損失は１１０Ａで約６．５％及び１６５〜１７５Ａで約９〜９．５％であると測定された。したがって、母材に送られた電力は、伝達効率を無視すれば、表２に示す値よりも電流に応じて６．５〜９．５％低いと考えられる。もう一つの計算値は溶接部のアスペクト比、すなわち溶込みの深さを溶接ビードの幅で割った値である。この場合、最大溶込み深さを用いた。
【００４０】
【表４】
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【００４１】
表２及び表３のデータ並びに溶接部の目視検査の結果から、以下に述べる結論が得られる。
フィラメタルを加えず、電流１１０Ａ及び移動速度４インチ毎分（使用率６０％における３００Ａ、３２Ｖの定格電力の約１／３）における公称パラメーターにおける結果：開放き裂は、幅約０．１インチの限度まで約０．１５インチの最大溶込み深さまでシングル溶接パスで封じられた。幅０．０２０インチ深さ１インチの閉き裂はシングルパスで首尾よく封じられた。溶込み深さは０．０６５インチであった。幅０．０４０インチ深さ１インチの閉き裂はシングルパスでは旨く封じられなかった。内部水蒸気圧のため溶接ビードにブローホールができた。幅０．０２５インチ深さ０．２３インチの閉硬貨形き裂はシングルパスで首尾よく封じられた。溶込み深さは０．０９４インチであった。幅０．０５０インチ深さ０．２インチの閉硬貨形き裂は水蒸気ブローホールのために旨くいかなかった。１／８インチ離れた各々幅０．００５インチ深さ１インチの２つの並行閉き裂はシングルパスで０．０９６インチの深さまで封じられた。幅０．０１５インチの２つの並行閉き裂は水蒸気ブローホールのために旨くいかなかった。溶加材を添加せずに、電流レベルを高めた（定格電圧の約６０％）結果：幅１／８インチの開放き裂は依然として完全には封じられなかったものの、溶込み深さは０．３インチまで増加した。
【００４２】
溶加材を添加して、電流レベルを高めた（定格電圧の約５５％）結果：幅１／８インチの開放き裂は首尾よく封じられた。溶込み深さは０．３インチであった。
移動速度を落として（４インチ毎分の代わりに３インチ毎分）入熱を増やし、溶加材を添加した結果：１／８インチ離れた各々幅０．００５インチの２つの並行閉き裂はシングルパスで０．１１８インチの深さまで首尾よく封じられた。
【００４３】
代表的な癒合き裂標本で行った残留応力測定では、圧縮表面残留応力が主に認められた。ただし、応力レベルは、１インチ厚のむくの３０４ステンレス鋼で行った水中ＰＴＡ自己溶接における典型値よりも約１０〜１５ｋｓｉほど高く（圧縮が低い）、溶接中心部ではほとんど無視し得る引張応力値（Ｘ方向のみ）及び融接線から１／８インチ離れた箇所で軽い引張応力（Ｘ方向のみ）がみられた。これらの残留応力の値はそれでも大気中で行った溶接よりも格段に低い。
【００４４】
これらの実験結果は、局部的排水を伴う水中ＰＴＡプロセスを用いると、ＳＣＣで生じる亀裂幅よりも大きな幅の模擬き裂をハーメチックにシールできることを実証している。構造溶接に対する水中ＰＴＡの潜在能力についても、システムの有効電力の約６０％を用いるだけで、突き合わせた３０４鋼板の幅１／８インチのギャップを０．３インチの深さ及び０．６５インチの幅まで閉じるという結果によって実証されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  液体排除装置及びトーチの分解断面図
【図２】  粉末スプリッタの分解断面図
【図３】  粉体送給系の全体図
【図４】  残留圧縮応力を生じさせるための水中溶接の具体例を示す概略図
【図５】  溶接部の軸に平行な方向における溶接部の融接線からの距離と溶接部及び周囲材料に発生した残留応力の関係を示すグラフ
【図６】  溶接部の表面に垂直な方向における溶接部の融接線からの距離と溶接部及び周囲材料に発生した残留応力の関係を示すグラフ
【図７】  ワイヤ送給式水中プラズマ移行アーク系の概略図
【符号の説明】
１０    溶接トーチ
１４    ガスレンズ
１６    液体排除装置
３０    Ｙ装置
３３ａ  圧力リリーフライン
３６    粉末分離装置
３６ａ  バッフル
３７    防湿フィルター
３８    流量計
３９    粉末送給ホース
４１    母材
【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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