ショットピーニング時の残留応力緩和挙動に関する検討
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カテゴリ: 第14回
1.緒言
構造物はその運用に伴い経年劣化が進行し、応力腐食 割れ(SCC)や疲労亀裂等の損傷に至る場合がある。SCC は原子力発電プラントの炉容器等の重要機器で検出され ており、SCC が検出された場合補修が行われ、補修後は SCC の再発生を防止するため、応力改善工法の一つであ るレーザー[1]やショット[2]、などを用いたピーニング法 により表面に圧縮残留応力を付与している。しかし、ピ ーニングにより付与された圧縮残留応力は長期間の使用 に伴い、緩和が生じる恐れがある。ピーニングによる圧 縮残留応力の緩和が生じる要因として、運用時に荷重が繰り返し作用することが挙げられる。そのため、改質さ れた残留応力分布の運用中の変化について検討すること が重要であると考えられるが、改質後の残留応力分布の運用時の変化について議論する際、試験による評価では 多大な時間及びコストがかかる。そのため数値解析によ る評価が憂苦であるといえるが、その場合ピーニングにより改質された溶接継手の残留応力分布を求める必要が あり、無数の衝撃荷重が作用する現象のモデル化を行う 必要があると考えられる[3]。溶接時の残留応力を高精度かつ実用的な計算時間で予 測することができる手法として、著者らは理想化陽解法 FEM[4]を提案している。同手法は動的陽解法FEM[5]を基 にした解析手法であり、静的平衡状態への収束を考慮す ることで、高速かつ高精度な解析を実現している。そこで、本研究ではショットピーニング時の応力変化の運用 時における効果について検討するために、理想化陽解法を用いたショットピーニングによる残留応力分布の改質 効果、および長期間稼働後の圧縮残留応力の持続性を評 価できる手法を構築する。
2.ショットピーニング時の圧縮応力持続性評 価システム ショットピーニングにおいては、1mm以下の小さなシ ョットを多量に衝突させることで対象表面に圧縮応力を 導入する。こうした工程において発生する応力分布を予 測するためには、きわめて高い空間および時間解像度を 有する動的弾塑性解析が必要となる。そこで大規模解析 が可能な理想化陽解法に対し、動的効果を考慮するため の拡張を行ったのち、ショット衝突時の荷重を考慮する ことで、ショットピーニング時の力学挙動を解析可能な システムを構築した。本システムにおいては、ショット 衝突中の荷重分布の履歴を等価荷重モデルとして次式の ようにモデル化している。 P(ρ,τ)=f (ρ,τ)・g(τ) (1) ここでP(ρ,τ)、f (ρ,τ)、g(τ)、をそれぞれ、荷重分布履歴関 数、荷重分布の形状を定義する荷重分布関数、荷重の大 Welding residual stress Compressive stress due to shot peening Stress behavior on loading Heat conduction analysis Quasi-static thermal elastic plastic analysis Finish welding ? Calculate collision load by equivalent load model Dynamic Elastic plastic analysis Reach max coverage ? Fig. 1 Flow of analysis Start Update collision state Finish loading ? Update torch Quasi-static Elastic plastic analysis No Yes End No Yes Update load Yes No 70° A A’ - 226 - きさを表す荷重履歴関数と定義する。また、ρ、τ はそれ ぞれ、衝突点からの正規化距離、正規化衝突時間である。 本荷重モデルにおいて、荷重分布関数f、荷重履歴関数g を適切に設定することで、ショット衝突中の荷重をモデ ル化できる。本解析においては、事前に単一のショット の衝突解析を実施し、これを参考にf、g を決定した。ま た、本研究では、ショットピーニング後の残留応力分布 に対して荷重を負荷した弾塑性解析を実施し、ピーニン グにより導入される圧縮応力の持続性について検討する。 本研究で構築したショットピーニングによる圧縮残留応 力の持続性を評価するための解析の流れを Fig. 1 に示す ように、本解析ではまず溶接残留応力を熱弾塑性解析に より求め、続いて、ショットピーニングによる圧縮応力 の導入を前述の解析システムを用いて解析する。そして、 最後に弾塑性解析により荷重が作用した際のショットピ ーニング後の応力分布を解析するという一連の非線形解 析を実施する。 3.同材継手模擬試験体の外面ショットピーニ ング時の応力分布の予測 3.1 解析モデルおよび解析条件 等価荷重モデルを用いて実機模擬試験体に生じる残留 応力分布の改質について検討する。解析モデルを Fig. 2 に示す。節点数、要素数はそれぞれ、3,494,600、3,004,664 である。解析の手順として、溶接により生じる残留応力 を理想化陽解法による熱弾塑性解析手法を用いて求める。 続いて、機械加工により除去される部分に相当する領域 の要素を無効化し、これに伴う応力の再配分を再現する。 そして、提案システムを用いてピーニングの解析を実施 し、ピーニングによる残留応力分布の改質の効果の検討 を行う。その後地震動による過大荷重想定した1.0%の軸 z Node : 3,494,600 Element : 6,004,664 xy Fig. 2 Analysis model Peening area 方向の圧縮荷重サイクルを負荷した際の残留応力分布の 変化について検討する。荷重は 3 サイクル負荷するもの とした。 溶接残留応力の解析において使用した材料定数の温度 依存性データをFig. 3およびFig. 4 に示す。また、溶接の 層数は10であり、1 層1 パスで溶接した。溶接条件は、 電流が180 A、電圧が10 V、溶接速度が10 cm/min、熱効 率が0.8で、全パス同一の条件とした。ショットピーニン グは円管の外面に施すものとし、ピーニングを施す領域 は溶接線から幅方向に50 mm、周方向に溶接開始位置か ら 145°から 215°までの 70°の区間と設定した。解析にお いては、次式で定義されるピーニングによる衝突荷重が 与えられた面積の総和のピーニング対象領域の面積に対 する比(以降、衝突面積率 Rc と定義)が十分に大きくなる と考えられるRc=50.0まで解析を行うものとした。 Rc = A・Np S (2) ここで、A、Np、Sはそれぞれ、一度の衝突で荷重を加え る面積、衝突回数、衝突対象領域の面積である。 3.2ショットピーニング後の残留応力分布 Fig. 5 にFig. 2 のA-A ?線に沿った残留応力分布を示す。 A-A ?線は溶接開始位置から180°の断面における円筒外面 上に位置している。また、Fig. 5において、四角形および Fig. 3 Material constant of SUS316L Fig. 4 Material constant of Y316L Weld ) aPM(s sertsl audiseRmetal (XRD) (IEFEM) (XRD) A A’ (IEFEM ) Coordinate in X direction (mm) - 227 - 三角形はそれぞれ XRD で計測された残留応力分布の管 軸方向成分σzと周方向成分σθであり、赤線および青線は それぞれ理想化陽解法 FEM による残留応力分布の管軸 方向成分 σzと周方向成分 σθである。Fig. 5 より、管軸方 向成分に関しては、溶接線から 40mm の付近で差がみら れるものの、その他の領域に関しては、解析結果は実験 計測結果の傾向を良く再現できていると言える。また、 周方向成分に関しては、解析により得られた残留応力分 布は XRD による計測結果を非常に良く再現できている。 以上より、本解析の妥当性を示すことができたと言える。 3.3 ショットピーニングによる負荷圧縮応力の持 続性に関する検討 Fig. 6 に、溶接開始位置から180°の断面における管軸方 向の残留応力分布を示す。同図(a)は 1%圧縮ひずみが負 荷された状態での応力分布を示し、(b)は 1 サイクルのひ ずみを負荷した後、除荷された状態での応力分布である。 同様に(c)、(d)はそれぞれ2、3サイクルのひずみを負荷し た後、除荷された状態での応力分布である。また、変形 倍率は20倍としている。Fig. 6(a) より、最大圧縮荷重状 態において外面側では高い圧縮の応力が生じることがわ かる。また、SP 施工部ではピーニングにより圧縮塑性が 進み、それに伴い母材部と比べ、降伏応力が高くなって いると考えられる。この結果、圧縮のひずみを付与した 際の SP 施工部の周方向への変形は少なくなると考えら れる。これにより、溶接金属部と母材部は、径方向の膨 張量に差が出るため Fig. 6(a)に示すような内に凸の曲げ 変形が生じると考えられる。また Fig. 6(b) より、1 サイ クル負荷後においては、ピーニングを行ったパイプ外表 面においても引張りの応力が生じていることが確認でき る。Fig. 7にパイプ外面側における管軸方向の残留応力分 布を示す。同図からも、圧縮のひずみサイクルの負荷に 400300 200 100 0 -100-200 -300 -400 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Fig. 5 Distribution of residual stress 伴い、ピーニング部の圧縮残留応力が小さくなり、3サイ クル目においては、溶金部以外で引張りの残留応力とな る傾向を確認することができる。 以上のように、本検討において、圧縮のひずみサイク ルを加えた場合は、ピーニング部の残留応力の低減効果 が小さくなる結果が得られた。このように、過大なひず みがピーニング部に作用した場合はピーニングによる圧 縮残留応力の効果が小さくなる場合があることを数値的 に確認した。 4.結言 本研究では、ショットピーニング時の応力変化の運用 時における効果について検討するために、ショットピー ニングによる残留応力分布の改質効果、および圧縮残留 応力の持続性を評価できる手法を構築した。構築した解 析システムを実機模擬試験体のショットピーニングによ る残留応力改質効果の予測、および過大荷重想定した軸 方向の圧縮荷重サイクルを負荷した際の残留応力分布の 変化に対して適用した。その結果以下の知見を得た。 1) 多層溶接時の残留応力の予測に対して提案手法を適 用し本手法による計測結果と XRD による計測結果 を比較した結果、両者が良好に一致することを確認 した。 2) ショットピーニングによる残留応力低減効果の持 続性について数値解析により検討した結果、今回対 象とした同材円管多層溶接継手においては、1%圧 縮ひずみサイクルを負荷した場合、ピーニングによ る残留応力低減効果に影響を及ぼす可能性がある ことを確認した。 (MPa) y z x Fig. 6 Distribution of residual stress σz on compressive load cycles 225 180 135 90450.0 -45 -90 -135 -180 -225 (a) After peening (b) 1% compress (c) After 1st cycle 400200Shot Peened 0 -200-400 -600 as peened peak compression -800 Weld metal (1st cycle) after 1st cycle -1000 after 2nd cycle -1200-50 -40 -30 -20 -10 0 after 3rd cycle 10 20 30 40 50 Distance from welding line (mm) 謝辞 本研究は、「文部科学省英知を結集した原子力科学技 術・人材育成推進事業」により実施された「原子力発電 機器における応力改善工法の長期安全性評価のための基 盤技術開発」の成果である。 参考文献 [1] S. Bagherifard, R. Ghelichi and M. Guagliano: On the shot peening surface coverage and its assessment by means of finite element simulation: A critical review and some original developments, Applied Surface Science, Vol.259 (2012), pp.186-194. [2] Y. Sano, N. Mukai, K. Okazaki and M. Obata: Residual stress improvement in metal surface by underwater laser irradiation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol.121 (1997), pp.432-436. [3] M. Klemenz, V. Schulze, I. Rohr and D. Lohe: Application of the FEM for the prediction of the surface layer characteristics after shot peening, Journal of Materials Processing Technology, Vol.209 (2009), pp.4093-4102. [4] K. Ikushima and M. Shibahara: Prediction of residual stresses in multi-pass welded joint using Idealized Explicit FEM accelerated by a GPU, Computational Materials Science, Vol.93 (2014), pp.62-67. [5] A. Maekawa, A. Kawahara, H. Serizawa and H. Murakawa: Fast three-dimensional multipass welding simulation using an iterative substructure method, Journal of Materials Processing Technology, Vol.215 (2015), pp.30-41. - 228 - Fig. 7 Compression of stress in axial direction along line A-A’ on compressive load cycle ショットピーニング時の残留応力緩和挙動に関する検討 木谷 悠二,Yuji KITANI,柴原 正和,Masakazu SHIBAHARA,生島 一樹,Kazuki IKUSHIMA,山田 祐介,Yusuke YAMADA,西川 聡,Satoru NISHIKAWA,古川 敬,Takashi FURUKAWA,秋田 貢一,Koichi AKITA,鈴木 裕士,Hiroshi SUZUKI,諸岡 聡,Satoshi MOROOKA
構造物はその運用に伴い経年劣化が進行し、応力腐食 割れ(SCC)や疲労亀裂等の損傷に至る場合がある。SCC は原子力発電プラントの炉容器等の重要機器で検出され ており、SCC が検出された場合補修が行われ、補修後は SCC の再発生を防止するため、応力改善工法の一つであ るレーザー[1]やショット[2]、などを用いたピーニング法 により表面に圧縮残留応力を付与している。しかし、ピ ーニングにより付与された圧縮残留応力は長期間の使用 に伴い、緩和が生じる恐れがある。ピーニングによる圧 縮残留応力の緩和が生じる要因として、運用時に荷重が繰り返し作用することが挙げられる。そのため、改質さ れた残留応力分布の運用中の変化について検討すること が重要であると考えられるが、改質後の残留応力分布の運用時の変化について議論する際、試験による評価では 多大な時間及びコストがかかる。そのため数値解析によ る評価が憂苦であるといえるが、その場合ピーニングにより改質された溶接継手の残留応力分布を求める必要が あり、無数の衝撃荷重が作用する現象のモデル化を行う 必要があると考えられる[3]。溶接時の残留応力を高精度かつ実用的な計算時間で予 測することができる手法として、著者らは理想化陽解法 FEM[4]を提案している。同手法は動的陽解法FEM[5]を基 にした解析手法であり、静的平衡状態への収束を考慮す ることで、高速かつ高精度な解析を実現している。そこで、本研究ではショットピーニング時の応力変化の運用 時における効果について検討するために、理想化陽解法を用いたショットピーニングによる残留応力分布の改質 効果、および長期間稼働後の圧縮残留応力の持続性を評 価できる手法を構築する。
2.ショットピーニング時の圧縮応力持続性評 価システム ショットピーニングにおいては、1mm以下の小さなシ ョットを多量に衝突させることで対象表面に圧縮応力を 導入する。こうした工程において発生する応力分布を予 測するためには、きわめて高い空間および時間解像度を 有する動的弾塑性解析が必要となる。そこで大規模解析 が可能な理想化陽解法に対し、動的効果を考慮するため の拡張を行ったのち、ショット衝突時の荷重を考慮する ことで、ショットピーニング時の力学挙動を解析可能な システムを構築した。本システムにおいては、ショット 衝突中の荷重分布の履歴を等価荷重モデルとして次式の ようにモデル化している。 P(ρ,τ)=f (ρ,τ)・g(τ) (1) ここでP(ρ,τ)、f (ρ,τ)、g(τ)、をそれぞれ、荷重分布履歴関 数、荷重分布の形状を定義する荷重分布関数、荷重の大 Welding residual stress Compressive stress due to shot peening Stress behavior on loading Heat conduction analysis Quasi-static thermal elastic plastic analysis Finish welding ? Calculate collision load by equivalent load model Dynamic Elastic plastic analysis Reach max coverage ? Fig. 1 Flow of analysis Start Update collision state Finish loading ? Update torch Quasi-static Elastic plastic analysis No Yes End No Yes Update load Yes No 70° A A’ - 226 - きさを表す荷重履歴関数と定義する。また、ρ、τ はそれ ぞれ、衝突点からの正規化距離、正規化衝突時間である。 本荷重モデルにおいて、荷重分布関数f、荷重履歴関数g を適切に設定することで、ショット衝突中の荷重をモデ ル化できる。本解析においては、事前に単一のショット の衝突解析を実施し、これを参考にf、g を決定した。ま た、本研究では、ショットピーニング後の残留応力分布 に対して荷重を負荷した弾塑性解析を実施し、ピーニン グにより導入される圧縮応力の持続性について検討する。 本研究で構築したショットピーニングによる圧縮残留応 力の持続性を評価するための解析の流れを Fig. 1 に示す ように、本解析ではまず溶接残留応力を熱弾塑性解析に より求め、続いて、ショットピーニングによる圧縮応力 の導入を前述の解析システムを用いて解析する。そして、 最後に弾塑性解析により荷重が作用した際のショットピ ーニング後の応力分布を解析するという一連の非線形解 析を実施する。 3.同材継手模擬試験体の外面ショットピーニ ング時の応力分布の予測 3.1 解析モデルおよび解析条件 等価荷重モデルを用いて実機模擬試験体に生じる残留 応力分布の改質について検討する。解析モデルを Fig. 2 に示す。節点数、要素数はそれぞれ、3,494,600、3,004,664 である。解析の手順として、溶接により生じる残留応力 を理想化陽解法による熱弾塑性解析手法を用いて求める。 続いて、機械加工により除去される部分に相当する領域 の要素を無効化し、これに伴う応力の再配分を再現する。 そして、提案システムを用いてピーニングの解析を実施 し、ピーニングによる残留応力分布の改質の効果の検討 を行う。その後地震動による過大荷重想定した1.0%の軸 z Node : 3,494,600 Element : 6,004,664 xy Fig. 2 Analysis model Peening area 方向の圧縮荷重サイクルを負荷した際の残留応力分布の 変化について検討する。荷重は 3 サイクル負荷するもの とした。 溶接残留応力の解析において使用した材料定数の温度 依存性データをFig. 3およびFig. 4 に示す。また、溶接の 層数は10であり、1 層1 パスで溶接した。溶接条件は、 電流が180 A、電圧が10 V、溶接速度が10 cm/min、熱効 率が0.8で、全パス同一の条件とした。ショットピーニン グは円管の外面に施すものとし、ピーニングを施す領域 は溶接線から幅方向に50 mm、周方向に溶接開始位置か ら 145°から 215°までの 70°の区間と設定した。解析にお いては、次式で定義されるピーニングによる衝突荷重が 与えられた面積の総和のピーニング対象領域の面積に対 する比(以降、衝突面積率 Rc と定義)が十分に大きくなる と考えられるRc=50.0まで解析を行うものとした。 Rc = A・Np S (2) ここで、A、Np、Sはそれぞれ、一度の衝突で荷重を加え る面積、衝突回数、衝突対象領域の面積である。 3.2ショットピーニング後の残留応力分布 Fig. 5 にFig. 2 のA-A ?線に沿った残留応力分布を示す。 A-A ?線は溶接開始位置から180°の断面における円筒外面 上に位置している。また、Fig. 5において、四角形および Fig. 3 Material constant of SUS316L Fig. 4 Material constant of Y316L Weld ) aPM(s sertsl audiseRmetal (XRD) (IEFEM) (XRD) A A’ (IEFEM ) Coordinate in X direction (mm) - 227 - 三角形はそれぞれ XRD で計測された残留応力分布の管 軸方向成分σzと周方向成分σθであり、赤線および青線は それぞれ理想化陽解法 FEM による残留応力分布の管軸 方向成分 σzと周方向成分 σθである。Fig. 5 より、管軸方 向成分に関しては、溶接線から 40mm の付近で差がみら れるものの、その他の領域に関しては、解析結果は実験 計測結果の傾向を良く再現できていると言える。また、 周方向成分に関しては、解析により得られた残留応力分 布は XRD による計測結果を非常に良く再現できている。 以上より、本解析の妥当性を示すことができたと言える。 3.3 ショットピーニングによる負荷圧縮応力の持 続性に関する検討 Fig. 6 に、溶接開始位置から180°の断面における管軸方 向の残留応力分布を示す。同図(a)は 1%圧縮ひずみが負 荷された状態での応力分布を示し、(b)は 1 サイクルのひ ずみを負荷した後、除荷された状態での応力分布である。 同様に(c)、(d)はそれぞれ2、3サイクルのひずみを負荷し た後、除荷された状態での応力分布である。また、変形 倍率は20倍としている。Fig. 6(a) より、最大圧縮荷重状 態において外面側では高い圧縮の応力が生じることがわ かる。また、SP 施工部ではピーニングにより圧縮塑性が 進み、それに伴い母材部と比べ、降伏応力が高くなって いると考えられる。この結果、圧縮のひずみを付与した 際の SP 施工部の周方向への変形は少なくなると考えら れる。これにより、溶接金属部と母材部は、径方向の膨 張量に差が出るため Fig. 6(a)に示すような内に凸の曲げ 変形が生じると考えられる。また Fig. 6(b) より、1 サイ クル負荷後においては、ピーニングを行ったパイプ外表 面においても引張りの応力が生じていることが確認でき る。Fig. 7にパイプ外面側における管軸方向の残留応力分 布を示す。同図からも、圧縮のひずみサイクルの負荷に 400300 200 100 0 -100-200 -300 -400 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Fig. 5 Distribution of residual stress 伴い、ピーニング部の圧縮残留応力が小さくなり、3サイ クル目においては、溶金部以外で引張りの残留応力とな る傾向を確認することができる。 以上のように、本検討において、圧縮のひずみサイク ルを加えた場合は、ピーニング部の残留応力の低減効果 が小さくなる結果が得られた。このように、過大なひず みがピーニング部に作用した場合はピーニングによる圧 縮残留応力の効果が小さくなる場合があることを数値的 に確認した。 4.結言 本研究では、ショットピーニング時の応力変化の運用 時における効果について検討するために、ショットピー ニングによる残留応力分布の改質効果、および圧縮残留 応力の持続性を評価できる手法を構築した。構築した解 析システムを実機模擬試験体のショットピーニングによ る残留応力改質効果の予測、および過大荷重想定した軸 方向の圧縮荷重サイクルを負荷した際の残留応力分布の 変化に対して適用した。その結果以下の知見を得た。 1) 多層溶接時の残留応力の予測に対して提案手法を適 用し本手法による計測結果と XRD による計測結果 を比較した結果、両者が良好に一致することを確認 した。 2) ショットピーニングによる残留応力低減効果の持 続性について数値解析により検討した結果、今回対 象とした同材円管多層溶接継手においては、1%圧 縮ひずみサイクルを負荷した場合、ピーニングによ る残留応力低減効果に影響を及ぼす可能性がある ことを確認した。 (MPa) y z x Fig. 6 Distribution of residual stress σz on compressive load cycles 225 180 135 90450.0 -45 -90 -135 -180 -225 (a) After peening (b) 1% compress (c) After 1st cycle 400200Shot Peened 0 -200-400 -600 as peened peak compression -800 Weld metal (1st cycle) after 1st cycle -1000 after 2nd cycle -1200-50 -40 -30 -20 -10 0 after 3rd cycle 10 20 30 40 50 Distance from welding line (mm) 謝辞 本研究は、「文部科学省英知を結集した原子力科学技 術・人材育成推進事業」により実施された「原子力発電 機器における応力改善工法の長期安全性評価のための基 盤技術開発」の成果である。 参考文献 [1] S. Bagherifard, R. Ghelichi and M. Guagliano: On the shot peening surface coverage and its assessment by means of finite element simulation: A critical review and some original developments, Applied Surface Science, Vol.259 (2012), pp.186-194. [2] Y. Sano, N. Mukai, K. Okazaki and M. Obata: Residual stress improvement in metal surface by underwater laser irradiation, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Vol.121 (1997), pp.432-436. [3] M. Klemenz, V. Schulze, I. Rohr and D. Lohe: Application of the FEM for the prediction of the surface layer characteristics after shot peening, Journal of Materials Processing Technology, Vol.209 (2009), pp.4093-4102. [4] K. Ikushima and M. Shibahara: Prediction of residual stresses in multi-pass welded joint using Idealized Explicit FEM accelerated by a GPU, Computational Materials Science, Vol.93 (2014), pp.62-67. [5] A. Maekawa, A. Kawahara, H. Serizawa and H. Murakawa: Fast three-dimensional multipass welding simulation using an iterative substructure method, Journal of Materials Processing Technology, Vol.215 (2015), pp.30-41. - 228 - Fig. 7 Compression of stress in axial direction along line A-A’ on compressive load cycle ショットピーニング時の残留応力緩和挙動に関する検討 木谷 悠二,Yuji KITANI,柴原 正和,Masakazu SHIBAHARA,生島 一樹,Kazuki IKUSHIMA,山田 祐介,Yusuke YAMADA,西川 聡,Satoru NISHIKAWA,古川 敬,Takashi FURUKAWA,秋田 貢一,Koichi AKITA,鈴木 裕士,Hiroshi SUZUKI,諸岡 聡,Satoshi MOROOKA