知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-20
(45)【発行日】2025-01-06
(54)【発明の名称】残留応力低減方法及び残留応力低減装置
(51)【国際特許分類】
B23K 31/00 20060101AFI20241223BHJP
【ＦＩ】
B23K31/00 F
B23K31/00 B
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2021033671
(22)【出願日】2021-03-03
(65)【公開番号】P2022134518
(43)【公開日】2022-09-15
【審査請求日】2024-01-26
(73)【特許権者】
【識別番号】519135633
【氏名又は名称】公立大学法人大阪
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100065248
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100159385
【弁理士】
【氏名又は名称】甲斐 伸二
(74)【代理人】
【識別番号】100163407
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 裕輔
(74)【代理人】
【識別番号】100166936
【弁理士】
【氏名又は名称】稲本 潔
(74)【代理人】
【識別番号】100174883
【弁理士】
【氏名又は名称】冨田 雅己
(72)【発明者】
【氏名】柴原 正和
(72)【発明者】
【氏名】生島 一樹
(72)【発明者】
【氏名】沖見 優衣
(72)【発明者】
【氏名】吉田 昇平
(72)【発明者】
【氏名】加藤 拓也
(72)【発明者】
【氏名】河尻 義貴
【審査官】山内 隆平
(56)【参考文献】
【文献】特開２００９－２６２２１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０９００９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２９０９２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特公昭５５－２８８８１（ＪＰ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ３１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
引張り残留応力を有する処理対象物の表面の一部に、－１００℃以下の温度に冷却した少なくとも１つの金属部材の表面の一部を直接的に又は間接的に接触させ、前記処理対象物を局部的に冷却する冷却ステップと、前記処理対象物を常温に戻すステップとを含み、
前記冷却ステップは、前記少なくとも１つの金属部材の表面のうち前記処理対象物と接触する部分を変えながら前記処理対象物の表面の一部を局部冷却するステップであり、前記少なくとも１つの金属部材の表面の第１部分を直接的又は間接的に接触させた接触部分に、前記少なくとも１つの金属部材の表面の第１部分とは異なる第２部分を接触させるステップを含み、
前記冷却ステップにおいて冷却する前の前記処理対象物の温度は、常温であることを特徴とする残留応力低減方法。
【請求項2】
前記金属部材の材料は、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する金属であり、かつ、２．０Ｊ／（Ｋ・ｃｍ3）以上の単位体積あたりの熱容量（比熱×密度）を有する金属である請求項１に記載の残留応力低減方法。
【請求項3】
前記冷却ステップにおける冷却時間は０．１秒間以上１分間以下であり、前記冷却ステップは、前記処理対象物の一部の温度を、前記処理対象物に引張りの塑性ひずみが生じる温度よりも低い温度にするステップである請求項１又は２に記載の残留応力低減方法。
【請求項4】
少なくとも１つの金属部材と、－１００℃以下の液化ガスにより前記少なくとも１つの金属部材を冷却するように設けられた冷却構造と、前記少なくとも１つの金属部材の表面のうち処理対象物と接触する部分を変えながら前記少なくとも１つの金属部材を前記処理対象物の表面の一部に直接的に又は間接的に接触させることにより常温の前記処理対象物を局所冷却するように設けられた接触構造とを備え、
前記接触構造は、前記少なくとも１つの金属部材の表面の第１部分を直接的又は間接的に接触させた接触部分に、前記少なくとも１つの金属部材の表面の第１部分とは異なる第２部分を接触させるように設けられた残留応力低減装置。
【請求項5】
前記金属部材は、円柱形状又は円筒形状を有し、前記接触構造は、前記金属部材を回転させるように設けられた構造であり、
前記金属部材は、処理対象物の表面の一部に前記金属部材の外周面の一部が直接的に又は間接的に接触するように設けられた請求項４に記載の残留応力低減装置。
【請求項6】
前記少なくとも１つの金属部材は、第１金属部材と第２金属部材とを含み、前記接触構造は、第１及び第２金属部材を吊り下げ移動させるように設けられたレールと、吊り下げられた第１又は第２金属部材を落とし前記処理対象物の表面に接触させるように設けられた落とし構造とを有する請求項４に記載の残留応力低減装置。
【請求項7】
前記少なくとも１つの金属部材は、複数の粒状の金属部材を含み、前記接触構造は、複数の粒状の金属部材を連続的に前記処理対象物に接触させるように設けられた請求項４に記載の残留応力低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、残留応力低減方法及び残留応力低減装置に関する。
【背景技術】
【0002】
大型鋼構造物の建造には溶接が必要不可欠である。しかし、溶接の施工に伴い、溶接部近傍には高い引張り残留応力が発生する。この残留応力が疲労き裂や応力腐食割れ（Stress Corrosion Cracking：SCC）の原因の一つとされており、残留応力と構造物の健全性は深く関係している。したがって、引張り残留応力を低減することは重要であるといえる。溶接残留応力を緩和する方法としては、ピーニング手法や溶接後熱処理（Post Weld Heat Treatment: PWHT）などが挙げられる。
また、管の外表面を高温にし、管の内表面を低温にすることにより形成した温度勾配により管溶接部の残留応力を緩和する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、管の外表面を高温にし、管の内表面を低温にすることにより形成した温度勾配により管溶接部の残留応力を緩和する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】昭５７－７００９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、従来の残留応力緩和方法では、初期コストや施行時間の点で問題となる場合があり、低コストかつ簡易的な施行方法の提案が期待されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡便な残留応力低減方法を提供する。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡便な残留応力低減方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、引張り残留応力を有する処理対象物の表面の一部に、－１００℃以下の温度に冷却した少なくとも１つの金属部材の表面の一部を直接的に又は間接的に接触させ、前記処理対象物を局部的に冷却する冷却ステップと、前記処理対象物を常温に戻すステップとを含み、前記冷却ステップは、前記少なくとも１つの金属部材の表面のうち前記処理対象物と接触する部分を変えながら前記処理対象物の表面の一部を局部冷却するステップであることを特徴とする残留応力低減方法を提供する。
【発明の効果】
【0006】
金属は熱伝導率が高く、単位体積あたりの熱容量（比熱×密度）が大きい。このため、－１００℃以下の温度に冷却した少なくとも１つの金属部材の表面の一部を、処理対象物の表面の一部に直接的に又は間接的に接触させることのより、大きな熱エネルギーが処理対象物から金属部材へと移動することができる。また、金属部材の表面のうち処理対象物と接触する部分を変えることにより、さらに処理対象物の熱エネルギーを金属部材へと移動させることができる。このように接触部分を変えながら処理対象物を局部冷却することにより、処理対象物の一部を十分に低い温度まで急冷することできる。この急冷された処理対象物の一部（局部冷却部）は、熱収縮するため、局部冷却部とその他の部分との間に引張応力が発生する。この引張応力が降伏応力に達すると、処理対象物に引張りの塑性ひずみが発生する。処理対象物に引張りの塑性ひずみが生じた後、処理対象物の冷却をやめると、局部冷却部は常温へと戻っていく。この常温へと戻る過程において、局部冷却部は、熱膨張し引張応力は小さくなっていく。処理対象物に引張りの塑性ひずみが生じているため、常温よりも低い温度において引張応力がなくなる。そのため、引張応力がなくなったあとも局部冷却部が常温へと昇温することにより局部冷却部が熱膨張し、局部冷却部とその他の部分との間に圧縮応力が生じる。そして、常温に戻った処理対象物にこの圧縮応力が残留応力として残ることになる。
処理対象物が冷却前において有していた引張残留応力は、上述した冷却サイクルにより生じる圧縮残留応力により除去される又は相殺される。従って、本発明の残留応力低減方法により、処理対象物の引張残留応力を除去又は低減することができる。
処理対象物が冷却前において有していた引張残留応力は、上述した冷却サイクルにより生じる圧縮残留応力により除去される又は相殺される。従って、本発明の残留応力低減方法により、処理対象物の引張残留応力を除去又は低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】本発明の一実施形態の残留応力低減方法における処理対象物及び金属部材の概略斜視図である。
【図3】本発明の一実施形態の残留応力低減装置の概略断面図である。
【図4】冷却サイクルにより残留応力を低減するメカニズムの説明図である。
【図5】本発明の一実施形態の残留応力低減装置の概略断面図である。
【図6】本発明の一実施形態の残留応力低減装置の概略断面図である。
【図7】熱弾塑性解析の解析モデルである。
【図9】処理対象物の温度分布である。
【図10】処理対象物の残留塑性ひずみ分布である。
【図11】処理対象物の残留応力分布である。
【図12】作製した残留応力低減装置の写真である。
【図14】（ａ）はＦＥＭ解析モデルであり、（ｂ）は金属部材を処理対象物に接触させる試験装置の写真であり、（ｃ）は液体窒素を処理対象物に接触させる試験装置の写真である。
【図15】処理対象物の温度変化を示すグラフである。
【図16】処理対象物のＸ軸方向のひずみの変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0008】
本発明の残留応力低減方法は、引張り残留応力を有する処理対象物の表面の一部に、－１００℃以下の温度に冷却した少なくとも１つの金属部材の表面の一部を直接的に又は間接的に接触させ、前記処理対象物を局部的に冷却する冷却ステップと、前記処理対象物を常温に戻すステップとを含み、前記冷却ステップは、前記少なくとも１つの金属部材の表面のうち前記処理対象物と接触する部分を変えながら前記処理対象物の表面の一部を局部冷却するステップであることを特徴とする。
【0009】
前記金属部材の材料は、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する金属であり、かつ、２．０Ｊ／（Ｋ・ｃｍ3）以上の単位体積あたりの熱容量（比熱×密度）を有する金属であることが好ましい。このことにより、処理対象物を急速に局部冷却することができる。
前記冷却ステップにおける冷却時間は０．１秒間以上１分間以下であることが好ましく、前記冷却ステップは、処理対象物の一部の温度を、処理対象物に引張りの塑性ひずみが生じる温度よりも低い温度にするステップであることが好ましい。このことにより、処理対象物に圧縮残留応力を発生させることができ、処理前の処理対象物が有していた引張り残留応力を低減することができる。
前記冷却ステップにおける冷却時間は０．１秒間以上１分間以下であることが好ましく、前記冷却ステップは、処理対象物の一部の温度を、処理対象物に引張りの塑性ひずみが生じる温度よりも低い温度にするステップであることが好ましい。このことにより、処理対象物に圧縮残留応力を発生させることができ、処理前の処理対象物が有していた引張り残留応力を低減することができる。
【0010】
本発明は、少なくとも１つの金属部材と、－１００℃以下の液化ガスにより前記少なくとも１つの金属部材を冷却するように設けられた冷却構造と、前記少なくとも１つの金属部材の表面のうち処理対象物と接触する部分を変えながら前記少なくとも１つの金属部材を前記処理対象物の表面の一部に直接的に又は間接的に接触させるように設けられた接触構造とを備える残留応力低減装置も提供する。
前記金属部材は、円柱形状又は円筒形状を有することが好ましく、前記接触構造は、前記金属部材を回転させるように設けられた構造であることが好ましく、前記金属部材は、処理対象物の表面の一部に前記金属部材の外周面の一部が直接的に又は間接的に接触するように設けられたことが好ましい。この金属部材を回転させることにより、金属部材の外周面を連続的に処理対象物に接触させることができ、処理対象物を急速に局部冷却することができる。
前記金属部材は、円柱形状又は円筒形状を有することが好ましく、前記接触構造は、前記金属部材を回転させるように設けられた構造であることが好ましく、前記金属部材は、処理対象物の表面の一部に前記金属部材の外周面の一部が直接的に又は間接的に接触するように設けられたことが好ましい。この金属部材を回転させることにより、金属部材の外周面を連続的に処理対象物に接触させることができ、処理対象物を急速に局部冷却することができる。
【0011】
前記少なくとも１つの金属部材は、第１金属部材と第２金属部材とを含むことが好ましく、前記接触構造は、第１及び第２金属部材を吊り下げ移動させるように設けられたレールと、吊り下げられた第１又は第２金属部材を落とし前記処理対象物の表面に接触させるように設けられた落とし構造とを有することが好ましい。第１金属部材を処理対象物に接触させた後、さらに第２金属部材を処理対象物に接触させることにより、処理対象物を急速に局部冷却することができる。
前記少なくとも１つの金属部材は、複数の粒状の金属部材を含むことが好ましく、前記接触構造は、複数の粒状の金属部材を連続的に前記処理対象物に接触させるように設けられたことが好ましい。このことにより、処理対象物を急速に局部冷却することができる。
前記少なくとも１つの金属部材は、複数の粒状の金属部材を含むことが好ましく、前記接触構造は、複数の粒状の金属部材を連続的に前記処理対象物に接触させるように設けられたことが好ましい。このことにより、処理対象物を急速に局部冷却することができる。
【0012】
以下、複数の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
【0013】
第１実施形態
図１は、本実施形態の残留応力低減方法における処理対象物及び金属部材の概略斜視図であり、図２は図１の破線Ａ－Ａにおける処理対象物及び金属部材の概略断面図であり、図３は、本実施形態の残留応力低減装置の概略断面図である。
本実施形態の残留応力低減方法は、引張り残留応力を有する処理対象物２の表面の一部に、－１００℃以下の温度に冷却した少なくとも１つの金属部材３の表面の一部を直接的に又は間接的に接触させ、処理対象物２を局部的に冷却する冷却ステップと、処理対象物２を常温に戻すステップとを含み、前記冷却ステップは、少なくとも１つの金属部材３の表面のうち処理対象物２と接触する部分を変えながら処理対象物２の表面の一部を局部冷却するステップであることを特徴とする。
また、残留応力低減方法は、液化ガス８により金属部材３の全体を－１００℃以下に冷却するステップを含んでもよい。
図１は、本実施形態の残留応力低減方法における処理対象物及び金属部材の概略斜視図であり、図２は図１の破線Ａ－Ａにおける処理対象物及び金属部材の概略断面図であり、図３は、本実施形態の残留応力低減装置の概略断面図である。
本実施形態の残留応力低減方法は、引張り残留応力を有する処理対象物２の表面の一部に、－１００℃以下の温度に冷却した少なくとも１つの金属部材３の表面の一部を直接的に又は間接的に接触させ、処理対象物２を局部的に冷却する冷却ステップと、処理対象物２を常温に戻すステップとを含み、前記冷却ステップは、少なくとも１つの金属部材３の表面のうち処理対象物２と接触する部分を変えながら処理対象物２の表面の一部を局部冷却するステップであることを特徴とする。
また、残留応力低減方法は、液化ガス８により金属部材３の全体を－１００℃以下に冷却するステップを含んでもよい。
【0014】
本実施形態の残留応力低減装置２０は、少なくとも１つの金属部材３と、－１００℃以下の液化ガスにより少なくとも１つの金属部材３を冷却するように設けられた冷却構造１２と、少なくとも１つの金属部材３の表面のうち処理対象物２と接触する部分を変えながら少なくとも１つの金属部材３を処理対象物２の表面の一部に直接的に又は間接的に接触させるように設けられた接触構造１７とを備える。
【0015】
残留応力低減方法は、溶接などにより生じた引張り残留応力を低減する方法である。
処理対象物２は、残留応力低減方法の処理対象であり、処理前において引張応力を有する。処理対象物２は、例えば、溶接部を有する金属部材、溶接部を有する金属構造物などである。また、冷却する前の処理対象物２の温度は、常温（０℃以上４０℃以下）とすることができる。
冷却構造１２は、－１００℃以下の液化ガス８により金属部材３を冷却するように設けられた部分である。冷却構造１２は、例えば、金属部材３を液化ガス８に浸漬するように設けられる。冷却構造１２は、例えば、液化ガス容器９を備えることができる。この液化ガス容器９の液化ガス中に金属部材３を浸漬することにより、金属部材３を液化ガスとほぼ同じ温度まで冷却することができる。また、冷却構造１２は、管状の金属部材３の管内に液化ガスを流すことにより金属部材３を冷却する構造であってもよい。
図３に示した残留応力低減装置２０の冷却構造１２は、底に開口を有する液化ガス容器９を備え、この開口に円柱形状又は円筒形状の金属部材３が、外周面を下側にして嵌合している。
液化ガスは、例えば、液体窒素、液体酸素、液体アルゴン又はこれらの混合物である。
処理対象物２は、残留応力低減方法の処理対象であり、処理前において引張応力を有する。処理対象物２は、例えば、溶接部を有する金属部材、溶接部を有する金属構造物などである。また、冷却する前の処理対象物２の温度は、常温（０℃以上４０℃以下）とすることができる。
冷却構造１２は、－１００℃以下の液化ガス８により金属部材３を冷却するように設けられた部分である。冷却構造１２は、例えば、金属部材３を液化ガス８に浸漬するように設けられる。冷却構造１２は、例えば、液化ガス容器９を備えることができる。この液化ガス容器９の液化ガス中に金属部材３を浸漬することにより、金属部材３を液化ガスとほぼ同じ温度まで冷却することができる。また、冷却構造１２は、管状の金属部材３の管内に液化ガスを流すことにより金属部材３を冷却する構造であってもよい。
図３に示した残留応力低減装置２０の冷却構造１２は、底に開口を有する液化ガス容器９を備え、この開口に円柱形状又は円筒形状の金属部材３が、外周面を下側にして嵌合している。
液化ガスは、例えば、液体窒素、液体酸素、液体アルゴン又はこれらの混合物である。
【0016】
金属部材３は、－１００℃以下に冷却された後、処理対象物２に直接的に又は間接的に接触させる金属部材である。
金属部材３の材料は、例えば、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する金属であり、かつ、２．０Ｊ／（Ｋ・ｃｍ3）以上の単位体積あたりの熱容量（比熱×密度）を有する金属である。このことにより、大きな熱エネルギーを処理対象物２から金属部材３へと移動させることができ、処理対象物２を局部的に急冷することができる。
例えば、金属部材３の材料は、純銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などである。
金属部材３の材料は、例えば、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する金属であり、かつ、２．０Ｊ／（Ｋ・ｃｍ3）以上の単位体積あたりの熱容量（比熱×密度）を有する金属である。このことにより、大きな熱エネルギーを処理対象物２から金属部材３へと移動させることができ、処理対象物２を局部的に急冷することができる。
例えば、金属部材３の材料は、純銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などである。
【0017】
金属部材３は、１つの部材から構成されてもよく、複数の部材から構成されてもよい。「少なくとも１つの金属部材３の表面」とは、金属部材３が１つの部材から構成される場合その部材の表面をいい、金属部材３が複数の部材から構成される場合複数の部材すべての表面をいう。また、金属部材３の形状は、金属部材３の表面の一部を直接的に又は間接的に処理対象物２に接触させることができれば特に限定されない。図１～図３に例示した図面では、金属部材３は、円柱形状又は円筒形状を有する。
【0018】
図４は、冷却サイクルにより残留応力を低減するメカニズムの説明図である。図４の横軸は処理対象物２の局部冷却部の温度であり、縦軸は処理対象物２の局部冷却部で生じる応力である。図４の縦軸では、プラスの応力が引張応力であり、マイナスの応力が圧縮応力である。また、図４において、αは、線膨張係数であり、Ｅはヤング率であり、βは拘束パラメータ（β＜１）である。
金属部材３の全体を液化ガスなどにより－１００℃以下に冷却した後、金属部材３の表面の一部を処理対象物２の一部に直接的に又は間接的に接触させる。例えば、図１、図２のように金属部材３を処理対象物２に接触させることができる。例えば、処理対象物２に金属部材３を直接接触させてもよく、処理対象物２に金属部材３を熱伝導グリースを介して接触させてもよい。熱伝導グリースを介在させる場合、熱伝導グリースも金属部材３と一緒に液化ガスにより冷却することができる。
金属部材３の全体を液化ガスなどにより－１００℃以下に冷却した後、金属部材３の表面の一部を処理対象物２の一部に直接的に又は間接的に接触させる。例えば、図１、図２のように金属部材３を処理対象物２に接触させることができる。例えば、処理対象物２に金属部材３を直接接触させてもよく、処理対象物２に金属部材３を熱伝導グリースを介して接触させてもよい。熱伝導グリースを介在させる場合、熱伝導グリースも金属部材３と一緒に液化ガスにより冷却することができる。
【0019】
金属部材３を処理対象物２に局部的に接触させることにより、処理対象物２の接触部分の大きな熱エネルギーが処理対象物２から金属部材３へと移動することができる。このことにより、処理対象物２が局部的に急冷される。また、処理対象物２の急冷に伴い、金属部材３の温度も上昇するため、１回の接触では、処理対象物２を十分に低い温度まで冷却することは難しい。このため、本実施形態の方法では、金属部材３の表面のうち処理対象物２と接触する部分を変える。金属部材３の表面のうち新たに処理対象物２と接触する部分は十分に低い温度であるため、さらに処理対象物２の熱エネルギーを金属部材３へと移動させることができる。例えば、図１、図２に示した円柱形状又は円筒形状の金属部材３を位置を動かさずに所定の回転速度で回転させる。このことにより、金属部材３の表面のうち処理対象物２と接触する部分を連続的に変えることができ、処理対象物２の一部を十分に低い温度まで局部的に急冷することできる。
【0020】
この急冷された処理対象物２の一部（局部冷却部）は熱収縮するため、局部冷却部とその他の部分との間に引張応力が発生する。この引張応力が降伏応力に達すると、処理対象物に引張りの塑性ひずみが発生する。例えば、図４のグラフのように、局部冷却部の温度が急速に低くなっていくと、引張応力が徐々に大きくなっていく。そして、局部冷却部の温度が降伏温度Ｔ１（引張応力が降伏応力に達した時の温度）より低くなると、引張応力はほぼ一定となり（σY）局部冷却部に引張りの塑性ひずみが生じ、この塑性ひずみが徐々に大きくなっていく。処理対象物２から金属部材３を離し冷却をやめると、局部冷却部は常温へと戻っていく。この常温へと戻る過程において、図４のグラフのように、局部冷却部は熱膨張し引張応力は小さくなっていく。引張りの塑性ひずみが生じているため、常温よりも低い温度において引張応力がなくなる。そのため、引張応力がなくなったあとも局部冷却部が常温へと昇温することにより局部冷却部は熱膨張し、局部冷却部とその他の部分との間に圧縮応力が生じる。この圧縮応力は、降伏応力に達するまで大きくなる。この降伏応力と同等の圧縮応力が残留応力として処理対象物２に残る。
また、圧縮応力が降伏応力に達する前に局部冷却部が常温へと戻った場合は、常温に戻るまでに生じた圧縮応力が残留応力として処理対象物２に残る。
このような温度サイクルで処理対象物２の局部的な急速な冷却と、常温への昇温とを行うことにより、処理対象物２に圧縮残留応力を発生させることができる。
また、圧縮応力が降伏応力に達する前に局部冷却部が常温へと戻った場合は、常温に戻るまでに生じた圧縮応力が残留応力として処理対象物２に残る。
このような温度サイクルで処理対象物２の局部的な急速な冷却と、常温への昇温とを行うことにより、処理対象物２に圧縮残留応力を発生させることができる。
【0021】
処理対象物２が冷却前において有していた引張残留応力は、上述した温度サイクルにより生じる圧縮残留応力により除去される又は相殺される。従って、本実施形態の残留応力低減方法により、処理対象物２の引張残留応力を除去又は低減することができる。
金属部材３による処理対象物２の冷却時間は、０．１秒間以上１分間以下とすることができ、好ましくは、０．５秒間以上３０秒間以下とすることができる。このことにより、局部冷却部とその他の部分との間の温度差が大きくなり、局部冷却部をより低い温度まで冷却することができる。
金属部材３を処理対象物２に接触させることにより局部冷却部を、局部冷却部に引張りの塑性ひずみが生じる温度よりも低い温度にまるまで冷却することができる。このことにより、上述の温度サイクル後に局部冷却部に圧縮残留応力を発生させることができる。
金属部材３による処理対象物２の冷却時間は、０．１秒間以上１分間以下とすることができ、好ましくは、０．５秒間以上３０秒間以下とすることができる。このことにより、局部冷却部とその他の部分との間の温度差が大きくなり、局部冷却部をより低い温度まで冷却することができる。
金属部材３を処理対象物２に接触させることにより局部冷却部を、局部冷却部に引張りの塑性ひずみが生じる温度よりも低い温度にまるまで冷却することができる。このことにより、上述の温度サイクル後に局部冷却部に圧縮残留応力を発生させることができる。
【0022】
接触構造１７は、金属部材３の表面のうち処理対象物２と接触する部分を変えながら金属部材３を処理対象物２の表面の一部に直接的に又は間接的に接触させるように設けられた構造である。
図３に例示した残留応力軽減装置２０の接触構造１７は、モーター５と、歯車６ａ、６ｂと、ベルト７とを含む回転構造４である。金属部材３は、円柱形状又は円筒形状を有し、金属部材３の外周面の一部が直接的に又は間接的に処理対象物２に接触させることができるように設けられている。
例えば、引張残留応力を有する処理対象物２に図３に示した金属部材３の外周面を接触させることにより、処理対象物２の局部冷却を開始し、回転構造４を用いて金属部材３を回転させることにより金属部材３の外周面の接触部分を変える。そして、金属部材３の外周面を処理対象物２から離すことにより局部冷却を終了し、処理対象物２を常温に戻す。このような一連の操作により、処理対象物２の引張残留応力を除去又は軽減することができる。
図３に例示した残留応力軽減装置２０の接触構造１７は、モーター５と、歯車６ａ、６ｂと、ベルト７とを含む回転構造４である。金属部材３は、円柱形状又は円筒形状を有し、金属部材３の外周面の一部が直接的に又は間接的に処理対象物２に接触させることができるように設けられている。
例えば、引張残留応力を有する処理対象物２に図３に示した金属部材３の外周面を接触させることにより、処理対象物２の局部冷却を開始し、回転構造４を用いて金属部材３を回転させることにより金属部材３の外周面の接触部分を変える。そして、金属部材３の外周面を処理対象物２から離すことにより局部冷却を終了し、処理対象物２を常温に戻す。このような一連の操作により、処理対象物２の引張残留応力を除去又は軽減することができる。
【0023】
第２実施形態
図５は第２実施形態の残留応力軽減装置２０の概略断面図である。第２実施形態の残留応力軽減装置２０は、複数の金属部材３ａ～３ｃを含む。図５には、冷却構造１２を示していないが、冷却構造１２として液化ガス容器９を備える。
接触構造１７は、複数の金属部材３ａ～３ｃを吊り下げ移動させるように設けられたレール１１と、吊り下げられた複数の金属部材３ａ～３ｃを落とし、処理対象物２の表面に接触させるように設けられた落とし構造１０ａ～１０ｃとを有する。落とし構造１０ａ～１０ｃは、金属部材３ａ～３ｃの重力を利用して金属部材３ａ～３ｃを落下させる構造である。落とし構造１０ａ～１０ｃは、自動で金属部材３ａ～３ｃを落とす構造であってもよく、手動で金属部材３ａ～３ｃを落とす構造であってもよい。
図５は第２実施形態の残留応力軽減装置２０の概略断面図である。第２実施形態の残留応力軽減装置２０は、複数の金属部材３ａ～３ｃを含む。図５には、冷却構造１２を示していないが、冷却構造１２として液化ガス容器９を備える。
接触構造１７は、複数の金属部材３ａ～３ｃを吊り下げ移動させるように設けられたレール１１と、吊り下げられた複数の金属部材３ａ～３ｃを落とし、処理対象物２の表面に接触させるように設けられた落とし構造１０ａ～１０ｃとを有する。落とし構造１０ａ～１０ｃは、金属部材３ａ～３ｃの重力を利用して金属部材３ａ～３ｃを落下させる構造である。落とし構造１０ａ～１０ｃは、自動で金属部材３ａ～３ｃを落とす構造であってもよく、手動で金属部材３ａ～３ｃを落とす構造であってもよい。
【0024】
まず、液化ガス容器９の液化ガス中に複数の金属部材３ａ～３ｃを浸漬し、複数の金属部材３ａ～３ｃの全体が－１００℃以下になるまで十分に冷却する。引張残留応力を有する処理対象物２の上に配置したレール１１に冷却した複数の金属部材３ａ～３ｃを取り付け、処理対象物２の冷却対象領域の直上に配置した金属部材３ａを落とし冷却対象領域と接触させる。このことにより、処理対象物２の熱エネルギーを金属部材３ａへと移動させることができる。所定の時間（例えば１秒間）が経過した後、金属部材３ａを引き上げ、レール１１を用いて金属部材３ｂが冷却対象領域の直上にくるように金属部材３ａ～３ｃを移動させる。そして、金属部材３ｂを落とし冷却対象領域と接触させ、処理対象物２の熱エネルギーを金属部材３ｂへと移動させる。所定の時間（例えば１秒間）が経過した後、金属部材３ｂを引き上げ、レール１１を用いて金属部材３ｃが冷却対象領域の直上にくるように金属部材３ａ～３ｃを移動させる。そして、金属部材３ｃを落とし冷却対象領域と接触させ、処理対象物２の熱エネルギーを金属部材３ｃへと移動させる。このように、金属部材３ａ～３ｃを変えながら処理対象物２の冷却対象領域を冷却することにより、冷却対象領域の温度を、処理対象物２に引張りの塑性ひずみが生じる温度よりも低い温度まで急速に低下させることができる。また、金属部材３ａ～３ｃの数は、冷却対象領域の冷却温度や金属部材３ａ～３ｃの大きさなどに応じて適宜変更することができる。
その後、金属部材３ｃを処理対象物２から離すことにより局部冷却を終了し、処理対象物２を常温に戻す。このような一連の操作により、処理対象物２の引張残留応力を除去又は軽減することができる。
その後、金属部材３ｃを処理対象物２から離すことにより局部冷却を終了し、処理対象物２を常温に戻す。このような一連の操作により、処理対象物２の引張残留応力を除去又は軽減することができる。
【0025】
その他の構成は第１実施形態と同様である。また、第１実施形態についての記載は矛盾がない限り第２実施形態についても当てはまる。
【0026】
第３実施形態
図６は第３実施形態の残留応力軽減装置２０の概略断面図である。第３実施形態の残留応力軽減装置２０は、複数の粒状の金属部材３を含む。図６には、冷却構造１２を示していないが、冷却構造１２として液化ガス容器９を備える。
複数の粒状の金属部材３の粒径は、例えば、１０μｍ以上１０ｃｍ以下とすることができる。また、粒状の金属部材３の形状は球状であってもよい。
図６は第３実施形態の残留応力軽減装置２０の概略断面図である。第３実施形態の残留応力軽減装置２０は、複数の粒状の金属部材３を含む。図６には、冷却構造１２を示していないが、冷却構造１２として液化ガス容器９を備える。
複数の粒状の金属部材３の粒径は、例えば、１０μｍ以上１０ｃｍ以下とすることができる。また、粒状の金属部材３の形状は球状であってもよい。
【0027】
接触構造１７は、複数の粒状の金属部材３を輸送するように設けられたダクト１６を有する。ダクト１６は、入口と、出口と、管壁に設けられた開口とを有し、処理対象物２の冷却対象領域がこの開口を塞ぐようにダクト１６と処理対象物２とが接続される。また、ダクト１６は、ダクト１６の内部を流れてきた粒状の金属部材３がこの開口において冷却対象領域に接触し、その後、ダクト１６の下流に流れていくように設けられる。ダクト１６内の金属部材３の輸送は、重力を利用してもよく、気体の流れを利用してもよい。例えば、ダクト１６の出口から金属部材３を気体と共に吸引してもよい。ダクト１６の材料は例えばプラスチックとすることができる。
【0028】
まず、液化ガス容器９の液化ガス中に複数の粒状の金属部材３を浸漬し、複数の粒状の金属部材３が－１００℃以下になるまで十分に冷却する。引張残留応力を有する処理対象物２の冷却対象領域でダクト１６の開口を塞ぐようにダクト１６を処理対象物２に接続する。そして、十分に冷却した複数の粒状の金属部材３を入口からダクト１６に流し込み、ダクト１６内に複数の粒状の金属部材３を流す。管壁の開口に達した粒状の金属部材３は処理対象物２の冷却対象領域に接触し、処理対象物２の熱エネルギーが粒状の金属部材３へと移動する。熱エネルギーを受け取った金属部材３はダクト１６の出口へと流れ、回収部（例えば、回収容器）により回収される。多数の粒状の金属部材３を連続的にダクト１６に流すことにより、処理対象物２の冷却対象領域の熱エネルギーを連続して金属部材３へと移動させることができ、冷却対象領域の温度を、処理対象物２に引張りの塑性ひずみが生じる温度よりも低い温度まで急速に低下させることができる。
その後、ダクト１６の入口への金属部材３の供給を止めることにより、局部冷却を終了し、処理対象物２を常温に戻す。このような一連の操作により、処理対象物２の引張残留応力を除去又は軽減することができる。
その後、ダクト１６の入口への金属部材３の供給を止めることにより、局部冷却を終了し、処理対象物２を常温に戻す。このような一連の操作により、処理対象物２の引張残留応力を除去又は軽減することができる。
【0029】
その他の構成は第１又は第２実施形態と同様である。また、第１又は第２実施形態についての記載は矛盾がない限り第３実施形態についても当てはまる。
【0030】
ＦＥＭ熱弾塑性解析
図７は、熱弾塑性解析の解析モデルであり、図８は図７の破線Ｂ－Ｂにおける解析モデルの概略断面図である。処理対象物２の材料を溶接構造用延鋼材ＳＭ４９０とし、処理対象物２の寸法を幅１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、厚さ１５ｍｍとした。また、電流４００Ａ、電圧３０Ｖ、溶接速度２０mm/secのアーク溶接を溶接部１３に施す熱弾塑性解析を実施し、この解析の結果生じる残留応力を有する処理対象物２を解析モデルとして用いた。溶接部１３は、処理対象物２の中央部の領域であり、処理対象物２の長さ方向に伸びる。
金属部材３の材料を純銅とし、金属部材３の寸法を幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚さ８０ｍｍとした。
図７は、熱弾塑性解析の解析モデルであり、図８は図７の破線Ｂ－Ｂにおける解析モデルの概略断面図である。処理対象物２の材料を溶接構造用延鋼材ＳＭ４９０とし、処理対象物２の寸法を幅１５０ｍｍ、長さ３００ｍｍ、厚さ１５ｍｍとした。また、電流４００Ａ、電圧３０Ｖ、溶接速度２０mm/secのアーク溶接を溶接部１３に施す熱弾塑性解析を実施し、この解析の結果生じる残留応力を有する処理対象物２を解析モデルとして用いた。溶接部１３は、処理対象物２の中央部の領域であり、処理対象物２の長さ方向に伸びる。
金属部材３の材料を純銅とし、金属部材３の寸法を幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚さ８０ｍｍとした。
【0031】
２０℃の処理対象物２の上面の中央部（溶接部１３）に、－１９６℃の金属部材３（液体窒素により冷却）の下面（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を１秒間接触させ処理対象物２を冷却しその後処理対象物２を２０℃に戻す解析を実施した（繰り返し回数：１回）。この解析では、処理対象物２の熱エネルギーが金属部材３へと移動し金属部材３の温度は上昇するため、処理対象物２の冷却効率は徐々に低下する。
また、２０℃の処理対象物２の上面の中央部（溶接部１３）に、－１９６℃の金属部材３の下面（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を接触させ、金属部材３を連続的に－１９６℃の新たな金属部材３に取り換えながら（１秒間に∞回取り換える）処理対象物２を１秒間冷却しその後処理対象物２を２０℃に戻す解析を実施した（繰り返し回数：∞回）。この解析では、金属部材３の温度は常に－１９６℃であり、処理対象物２を急速により低い温度に冷却することができる。
また、２０℃の処理対象物２の上面の中央部（溶接部１３）に、－１９６℃の金属部材３の下面（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を接触させ、金属部材３を連続的に－１９６℃の新たな金属部材３に取り換えながら（１秒間に∞回取り換える）処理対象物２を１秒間冷却しその後処理対象物２を２０℃に戻す解析を実施した（繰り返し回数：∞回）。この解析では、金属部材３の温度は常に－１９６℃であり、処理対象物２を急速により低い温度に冷却することができる。
【0032】
図９～図１１は解析結果を示すグラフである。図９～図１１の縦軸は、図８に破線Ｃ－Ｃで示したＺ方向における処理対象物２の位置座標である。この位置座標では、処理対象物２と金属部材３との接触面が０ｍｍであり、処理対象物２の下面が－１５ｍｍである。図９は温度分布であり、図１０は残留塑性ひずみ（溶接を施す解析を実施する前の処理対象物２からのひずみ）の分布であり、図１１は残留応力分布である。なお、図１１において、プラスの残留応力が引張残留応力であり、マイナスの残留応力が圧縮残留応力である。
図９の温度分布のように、繰り返し回数を１回とした解析では、処理対象物２の接触面を１秒間で約－７０℃まで冷却することができた。繰り返し回数を∞回とした解析では処理対象物２の接触面を－１９６℃まで冷却することができた。
図９の温度分布のように、繰り返し回数を１回とした解析では、処理対象物２の接触面を１秒間で約－７０℃まで冷却することができた。繰り返し回数を∞回とした解析では処理対象物２の接触面を－１９６℃まで冷却することができた。
【0033】
図１０の残留塑性ひずみの分布のように、冷却前の処理対象物２では溶接部１３において約－０．００２の残留塑性ひずみが生じていたが、繰り返し回数を１回とした解析では残留塑性ひずみが０に近づき、繰り返し回数を∞回とした解析では残留塑性ひずみがさらに０に近づいた。このように、金属部材３により処理対象物２を局部的に冷却することにより、溶接を施すことにより生じた塑性ひずみを小さくできることがわかった。
【0034】
図１１の残留応力分布のように、冷却前の処理対象物２では、溶接により表面から内部の広範囲に亘り引張り残留応力が発生していたが、繰り返し回数を１回として金属部材３により処理対象物２を局部的に冷却した解析では、接触面において圧縮残留応力とすることができ、処理対象物２の内部においても引張残留応力を小さくすることができた。また、繰り返し回数を∞回として金属部材３により処理対象物２を局部的に冷却した解析では、処理対象物２の内部の引張残留応力をさらに小さくすることができた。
このように金属部材３により処理対象物２を局部的に冷却することにより、溶接により生じた引張残留応力を軽減することができることがわかった。
このように金属部材３により処理対象物２を局部的に冷却することにより、溶接により生じた引張残留応力を軽減することができることがわかった。
【0035】
残留応力低減装置作製実験
図３に示したような残留応力低減装置を作製した。図１２は、作製した残留応力低減装置の写真であり、図１３は残留応力低減装置の内部構造を示す分解立体図である。金属部材３の形状は円柱状であり、金属部材３の材料は純銅である。また、液化ガスは液体窒素である。作製した残留応力軽減装置により、液体窒素により冷却した円柱状の金属部材３をモーター５を用いて回転させることにより金属部材３の外周面のうち処理対象物２と接触する部分を変えながら処理対象物２の表面の一部を局部的に急速に冷却することができた。
図３に示したような残留応力低減装置を作製した。図１２は、作製した残留応力低減装置の写真であり、図１３は残留応力低減装置の内部構造を示す分解立体図である。金属部材３の形状は円柱状であり、金属部材３の材料は純銅である。また、液化ガスは液体窒素である。作製した残留応力軽減装置により、液体窒素により冷却した円柱状の金属部材３をモーター５を用いて回転させることにより金属部材３の外周面のうち処理対象物２と接触する部分を変えながら処理対象物２の表面の一部を局部的に急速に冷却することができた。
【0036】
残留応力低減試験
図１４（ａ）に示したような解析モデルを用いたＦＥＭ熱弾塑性解析を行った。処理対象物２の材料を溶接構造用延鋼材ＳＭ４９０とし、処理対象物２の寸法を幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍとした。円柱状の金属部材３の材料を純銅とし、金属部材３の直径を３０ｍｍとし高さを２０ｍｍとした。２０℃の処理対象物２の上面の中央部に、－１９６℃の金属部材３（液体窒素により冷却）の下面（直径３０ｍｍ）を８秒間接触させ処理対象物２を局部冷却した際の処理対象物２の温度及びひずみを解析した。温度計測点及びひずみ計測点は図１４（ａ）に示している。
図１４（ａ）に示したような解析モデルを用いたＦＥＭ熱弾塑性解析を行った。処理対象物２の材料を溶接構造用延鋼材ＳＭ４９０とし、処理対象物２の寸法を幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍとした。円柱状の金属部材３の材料を純銅とし、金属部材３の直径を３０ｍｍとし高さを２０ｍｍとした。２０℃の処理対象物２の上面の中央部に、－１９６℃の金属部材３（液体窒素により冷却）の下面（直径３０ｍｍ）を８秒間接触させ処理対象物２を局部冷却した際の処理対象物２の温度及びひずみを解析した。温度計測点及びひずみ計測点は図１４（ａ）に示している。
【0037】
常温の溶接構造用延鋼材ＳＭ４９０（幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）（処理対象物２）の上面の中央部に、液体窒素により十分に冷却した円柱状の純銅（直径３０ｍｍ、高さ２０ｍｍ）（金属部材３）の下面を接触させ処理対象物２を局部冷却した際の処理対象物２の温度及びひずみを測定した。温度計測点及びひずみ計測点は図１４（ａ）と同様の位置に設けた。図１４（ｂ）は、測定装置の写真である。
【0038】
常温の溶接構造用延鋼材ＳＭ４９０（幅２００ｍｍ、長さ２００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）（処理対象物２）の上面の中央部に、液体窒素を入れるための円筒１５（内径３０ｍｍ）を設置し、円筒内に注ぎ込んだ液体窒素により処理対象物２を局部冷却した際の処理対象物２の温度を測定した。処理対象物２と液体窒素の接触面から液体窒素の液面までの深さは２０ｍｍに保った。温度計測点は図１４（ａ）と同様の位置に設けた。図１４（ｃ）は、測定装置の写真である。
【0039】
図１５、図１６に解析結果及び測定結果を示す。図１５は、処理対象物２の温度変化を示すグラフである。図１５及び図１６では、金属部材３又は液体窒素を処理対象物２に接触させた時点を０秒としている。
図１５のグラフのように、液体窒素を処理対象物２に１秒間接触させたとき測定温度はほとんど変化しなかったのに対し、純銅を処理対象物２に接触させたとき（実験）及びＦＥＭ解析では、純銅を処理対象物２に接触させると処理対象物２の温度は同じように低下していき、接触させてから１秒後に約－８℃に達した。
このように金属部材３を処理対象物２に接触させることにより、処理対象物２を局部的に急冷できることがわかった。また、液体窒素では処理対象物２を急冷することはできなかった。これは、液体窒素の熱容量が小さいため及び液体窒素と処理対象物２との間に窒素ガスが発生するためと考えられる。
図１５のグラフのように、液体窒素を処理対象物２に１秒間接触させたとき測定温度はほとんど変化しなかったのに対し、純銅を処理対象物２に接触させたとき（実験）及びＦＥＭ解析では、純銅を処理対象物２に接触させると処理対象物２の温度は同じように低下していき、接触させてから１秒後に約－８℃に達した。
このように金属部材３を処理対象物２に接触させることにより、処理対象物２を局部的に急冷できることがわかった。また、液体窒素では処理対象物２を急冷することはできなかった。これは、液体窒素の熱容量が小さいため及び液体窒素と処理対象物２との間に窒素ガスが発生するためと考えられる。
【0040】
図１６は、Ｘ軸方向のひずみの変化を示すグラフである。図１６のグラフのように、冷却した純銅を処理対象物２に接触させることにより処理対象物２に生じるひずみ（実験で測定されたひずみ）は、ＦＥＭ解析と同じように変化することがわかった。
【符号の説明】
【0041】
２： 処理対象物 ３、３ａ～３ｃ：金属部材 ４：回転構造 ５：モーター ６ａ、６ｂ：歯車 ７：ベルト ８：液化ガス ９：液化ガス容器 １０ａ～１０ｃ：落とし構造 １１：レール １２：冷却構造 １３：溶接部 １５：液体窒素用円筒 １６：ダクト １７：接触構造 ２０：残留応力低減装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
