溶接フレームに応力除去が必要な場合と、不要な場合
溶接は、大きな部品のごく小さな体積に熱を加えます。その部分は膨張し、周囲の冷たい金属に拘束され、冷えるときに収縮します。後に残るのが残留応力で、場所によっては材料の降伏強さに近い値で構造物の中に閉じ込められます。
フレームの見た目は問題なく、測定しても問題ありません。ところが刃物が面を削り、その応力のバランスを保っていた材料を取り除くと、部品が動きます。
応力除去が実際にしていること
応力除去は部品を強くするものではなく、組立の不良を直すものでもありません。溶接によって閉じ込められた残留応力を下げ、材料を削り取っても部品が安定しているようにするものです。
熱処理では、鋼の降伏強さが閉じ込められた応力を大きく下回る温度まで加熱します。応力はもはや支えきれなくなり、部品が高温で均一に支えられている間に、わずかな塑性変形によって緩和されます。ゆっくり均一に冷却すれば、部品は処理前よりはるかに低い応力状態で炉から出てきます。
重要なのは「均一に」という点です。急速な冷却や不均一な冷却は新たな応力をすぐに生み出します。保持温度と同じくらい昇温速度と冷却速度が重要なのはそのためです。
応力除去が必要になる場合
部品について4つの質問をしてください。
溶着量はどれくらいか。 数百メートルの溶接があるフレームは、すみ肉溶接4か所のブラケットよりはるかに多くのエネルギーを蓄えています。
継手はどれくらい拘束されているか。 剛性の高い箱形構造の中で行った溶接は自由に収縮できないため、応力の逃げ場がありません。開放された拘束の少ない継手は、冷えながら自ら応力を逃がします。
機械加工でどれだけ材料を削るか。 面から5 mm削れば、その下の断面が緩和するきっかけになります。小さな座面を0.5 mm削る程度ならそうはなりません。
残すべき箇所の公差はどれくらい厳しいか。 長いフレーム全体での穴の同軸度、取付面の平面度指示、レール間の平行度。これらの数値が図面にあれば、通常は応力除去が答えの一部になります。
このうち3つか4つが同じ方向を指していれば、予算に入れておいてください。
一般的な熱処理条件
炭素鋼と低合金鋼では、一般的に次の条件が使われます。
| 段階 | 一般的な数値 |
|---|---|
| 300 °C以上での昇温速度 | 管理する。板厚に応じて毎時100から200 °Cが多い |
| 保持温度 | 580から650 °C |
| 保持時間 | 最も厚い断面25 mmあたり約1時間。最低時間を明記 |
| 炉内での冷却 | 約300 °Cまで管理し、その後は静止空気中 |
これらは公開された慣行であり、実際に効力を持つのは適用される規格や仕様書です。2つの材料系統は別途検討が必要です。A514 や S690QL のような調質鋼は熱処理によって特性を得ており、温度が高すぎたり時間が長すぎたりする応力除去は、その一部を失わせます。オーステナイト系ステンレスには独自の鋭敏化温度域があるため、炭素鋼の条件はそのまま使えません。
振動応力除去
振動応力除去は、部品にモーターを固定し、周波数を掃引して共振点を探し、その状態で一定時間保持する方法です。速く、費用は炉の使用時間のごく一部で、6 mのフレームが入る大きな炉も要らず、表面にスケールも付きません。
一方で、同じプロセスではありません。金属組織は変わらず、主に作用するのは応力分布全体ではなくピーク応力です。冶金上の理由で溶接後熱処理を要求している規格は、これを代替として認めません。
実際には、規格への適合ではなく機械加工を通じた寸法安定性が目的で、代わりの選択肢が4トンの部品を200 km先の炉までトラックで運ぶことであるような、大型マシンフレームで役割を果たしています。同じような部品で何がうまくいったか、そして結果をどう検証しているかを工場に確認してください。
工程順序のどこに入るか
ほとんどの機械加工付き溶接構造物で有効な順序は次のとおりです。
- 切断と開先加工
- 組立と仮付け
- 計画した順序での溶接
- 溶接部の検査
- 応力除去
- 取り代が多ければ荒加工
- 仕上げ加工
- 加工面をマスキングして塗装
要求の厳しい部品では、2つの変形があります。溶接量が多く幾何公差が非常に厳しいフレームでは、荒加工の後に2回目の応力除去を行ってから仕上げる工場もあります。炉の処理が1回増えますが、部品が動くことがすでにわかっている場合には、その価値があります。
もう一つの変形は避けるべきものです。応力除去を機械加工の後に回しても、費用は節約できません。工場では合格だったのに、お客様の現場で測ると不合格になる部品が届くだけです。
図面に書くべきこと
工場が価格を出せる言葉で要求を書いてください。
- 「溶接後、機械加工前に応力除去」。「応力除去」とだけ書かないこと。
- こだわりがあれば方法を、熱処理か振動か。こだわりがなければそう書き、工場に提案してもらいます。
- 各幾何公差が適用される状態。例えば「応力除去および仕上げ加工後の平面度0.1 mm」。
- 記録が必要かどうか。炉の時間温度チャートは一般的なもので、見積時に頼めば安く済みますが、後から頼むのは気まずいものです。
どちらにすべきか迷う場合は、その質問を見積依頼に書いてください。同じ部品を毎週溶接し機械加工している工場の意見は、経験則よりも価値があります。初品の後ではなく見積の前に尋ねれば、費用もかかりません。
機械加工後も位置を保たなければならないフレームがありますか？ 図面をお送りください。炉と機械の両方を持つ工場をご紹介します。
よくある質問
すべての溶接構造物に応力除去が必要ですか？
いいえ。溶接量が少なく公差の緩いブラケットには不要です。位置を保たなければならない穴や取付面を持つ溶接量の多いフレームには、通常必要です。それらの箇所を動かすのは、切削中に解放される残留応力だからです。
炭素鋼の応力除去焼鈍は何度で行いますか？
一般的には580から650 °Cで、板厚25 mmあたり約1時間保持し、昇温と冷却の速度を管理します。正確な条件は適用される規格と材質で決まります。調質鋼は、熱処理によって調質効果が影響を受けるため、独自の制限があります。
振動応力除去は炉による処理の代わりになりますか？
産業界で使われており、はるかに速く、費用は炉の使用時間のごく一部です。ただし熱処理とは仕組みが異なり、規格が溶接後熱処理を要求している場面で必ず認められるわけではありません。そのまま置き換えられるものではなく、工場と相談して決める選択肢として扱ってください。