溶接残留応力除去方法

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残留応力 圧力容器の溶接後、構造の溶接部には残留応力が生じる。これは、溶接時の不均一な加熱によって生じた温度差が原因で内部応力が材料の降伏限界に達し、局部領域に塑性変形が生じることによって引き起こされます。温度が元の均一な状態に戻った後も、内部応力は構造内に残ったままとなるため、残留応力と呼ばれます。溶接残留応力のピーク値の大きさや分布状態は、容器の疲労破壊や応力腐食割れなどに直接的な悪影響を与える。研究により、容器が溶接されると必然的に残留応力が発生することが明らかになっている。その発生メカニズムはある程度解明されているものの、圧力容器の外形寸法、溶接工程、施工手順、および拘束の度合いによって残留応力のレベルは大きく異なり、その分布も非常に複雑である。したがって、溶接による残留応力を適切に除去（または低減）する対策を講じる必要があり、これによって製造時には品質と経済性を確保し、運用時には安全な運転を実現し、事故を防ぐことができる。 過負荷法　制御された条件下で、容器にその動作状態よりもわずかに大きい外部負荷を1回（または複数回）加える方法。この荷重によって生じる応力は、容器内に存在する溶接による残留応力と重なり合い、合成応力が材料の降伏限界未満の場合は弾性状態となり、応力とひずみは直線関係にある。合成応力が材料の降伏限界に達すると、局所的に塑性変形が生じ、加えられる応力値が増加するにつれて、降伏限界に達する範囲も広がり、塑性変形が生じる範囲もそれに応じて拡大するが、応力値自体は増加しない（またはわずかにしか増加しない）。容器自体が連続的であるため、外部荷重が除去される過程で、降伏変形領域と弾性変形領域は同時に弾性的な状態に戻り、容器内部に存在する溶接残留応力が部分的に除去される。除去される残留応力の大きさは、外部荷重によって生じた応力値と等しい。 全体的な熱処理法とは、溶接された容器全体を一定の加熱速度で500℃～Ac1の温度まで加熱し、一定時間その状態を保つことによって、変形した金属が再結晶して新しい等軸晶粒を形成し、さまざまな結晶欠陥がほぼ除去されます。これにより金属の強度は低下し、靭性は向上し、溶接によって生じた残留応力が緩和・解放されてなくなります。 圧力容器は一般的に大型であるため、他の小型機器や機械部品のように加熱炉内に入れて熱処理を行うことはできない。容器の外壁に断熱層を被せ、容器内部に燃料を噴射して燃焼させて高温を発生させて加熱する内燃法もあれば、電気加熱法を用いて容器全体を熱処理する方法もある。 局部熱処理法は、その原理は全体熱処理と同じであり、現在では赤外線板式ヒーターやキャタピラ式抵抗ヒーターを用いて溶接部を加熱することが多い。局部加熱であるため、残留応力を除去する効果は全体熱処理ほど高くなく、内応力のピーク値を下げて応力分布を緩やかにすることしかできず、根本的には除去できない。しかし、局部熱処理によって溶接継手の機械的性質を向上させることができ、処理対象は比較的単純な溶接継手に限られることが多い。 温度差引張法とは、溶接部の残留応力の分布状態に対して、温度差による熱効果を利用して逆方向の応力場を形成し、それによって残留応力を除去する方法である。この方法における除去効果の鍵は、温度差Δtの選定にあり、Δtは材料の降伏限界σs、弾性率E、および熱膨張係数βと関連している。 加熱領域とΔtを適切に選べば、塑性変形を引き起こして塑性余力を失うこともなく、金属の金相組織にも影響を与えないため、良好な応力除去効果が得られる。除去率は50％～70％に達し、この方法は溶接部が規則的で厚さもそれほど大きくない板殻構造において一定の利用価値がある。 ハンマー打撃法では、溶接部の金属が速くかつ均一なハンマー打撃によって横方向に塑性伸びを生じ、溶接部の収縮がある程度補償される。これにより、その部位の引張残留応力の弾性変形が緩和され、溶接残留応力が部分的に除去される。 爆発法とは、溶接部およびその周辺に設置された**帯**を爆発させ、溶接部で瞬間的に発生する衝撃波と残留応力が相互作用することで、金属に適度な塑性変形を生じさせ、それによって残留応力を緩和させる方法です。 爆発法による処理は、溶接によって生じる残留応力を効果的に除去するだけでなく、処理領域内に一定量の圧縮応力を生み出すことで、溶接部の引張応力に起因する破壊抵抗力を向上させる。これに対して、熱処理では何もできない。爆轟法は、運用中の圧力容器の開封検査における溶接部の修正作業による残留応力の除去において、独自の優位性を持っている。