<装置構成>
 図1(a)は、本発明に係る管体の残留応力改善 装置を示す模式図である。
 図1(a)に示すように、残留応力改善装置1は� �円筒状の管体である配管2の外周を周回移動� ��能に配置され、周方向の移動速度vを制御可 能な回転駆動装置3(回転駆動手段)と、回転駆 動装置3に支持されると共に配管2の軸方向に� ��設され、配管2の周囲を配管2と同軸に周回� �能なアーム部4と、アーム部4に保持され、配 管2の外周面の所定領域にレーザ光5aを照射す る光学ヘッド5と、光ファイバ6により光学ヘ� ��ド5と接続され、光ファイバ6を介してレー� �光を光学ヘッド5に供給するレーザ発振器7と 、回転駆動装置3、レーザ発振器7等を制御す� ��制御装置8とを有するものである。なお、加 熱範囲により、複数のレーザ発振器と光学ヘ ッドを回転駆動装置のアームに設置する場合 もある。

 回転駆動装置3は、配管2の外周に脱着可� �なものであり、残留応力を改善したい箇所� �えば、溶接部C等の周囲に自由に設置可能で� ��る。なお、回転駆動装置3は、その内周側が 配管2を保持し、アーム部4を支持する外周側� ��周回可能であればどのような構成でもよく� ��例えば、内周側において、配管2を保持する 固定側となる固定部と、外周側において、ア ーム部4を支持すると共に配管2の周囲を配管2 と同軸に周回する周回側となる周回部とを有 するような構成でもよい。

 光学ヘッド5、光ファイバ6、レーザ発振� �7は、加熱光学系を構成しており、アーム部4 に取り付けられた光学ヘッド5により、レー� �光5aを配管2の外周面の所定領域に照射し、� �定領域を均一に加熱するようにしている。� �学ヘッド5においては、光学ヘッド5自体、若 しくは、光学ヘッド5を構成するレンズ、ミ� �ー等を、例えば、それらの位置を変更可能� �スライド機構に取り付け、それらの位置変� �を行うことで、軸方向照射幅L、周方向照射� ��Wを調整して、加熱する照射領域Sを調整し� �いる(図1(b)参照)。又、軸方向照射幅Lを拡げ� ��い場合には、配管2の軸方向に沿って複数の 光学ヘッド5をアーム部4に取り付け、レーザ� ��振器7から複数の光ファイバ6を接続して、� �ーザ光を供給するようにしてもよい。

 そして、施工の際には、本発明に係る残� ��応力改善装置1において、予め、光学ヘッド 5の調整により加熱領域を調整し、制御装置8� ��より、レーザ発振器7の出力を制御すると共 に回転駆動装置3を所定の移動速度に制御し� �周回移動させることで、光学ヘッド5から照� ��されるレーザ光5aが、配管2の外周を周回移� ��しながら配管2の外周面の所定領域に照射さ れ、配管2の外周面の所定領域が加熱される� �とになる。このとき、加熱時に発生する配� �2の内外面温度差を利用し、内面を引張降伏� ��せることにより、冷却後の内面の残留応力� ��低減若しくは圧縮応力に改善している。周� ��数としては、1回の周回でもよいが、複数の 周回としてもよく、複数の周回の場合は、始 終端の位置を変更するようにしてもよい。又 、加熱温度としては、固溶化温度未満とする ことが好ましい。なお、本実施例及び後述す る実施例2は、空冷モード、即ち、内面が気� �あるいは施工前に水が内面に充満している� �合を前提としているが、後述する実施例3は� ��水冷モード、即ち、水が内面に常に充満し� ��いる場合を前提としている。

<施工条件>
 施工条件について説明する前に、まず、本� ��明に係る管体の残留応力改善方法の原理を� ��単に説明する。

 配管2の溶接部C近傍の所定領域の残留応� �を改善する場合、本発明においては、配管2� ��外周面をレーザ光で加熱して、配管2の外面 と内面との間に所定の温度差が生じるように 加熱する。このような加熱を行うと、外面は 圧縮応力状態、内面は引張応力状態、更には 、内面は引張降伏状態になる。加熱後、上記 所定領域の内面及び外面の温度差が無くなり 、常温付近まで温度が低下すると、外面が引 張応力状態になり、内面が圧縮応力状態にな り、降伏応力により内面の残留応力を引張応 力状態から圧縮応力状態に改善することが可 能となる。このとき、加熱時に発生させる応 力の大きさ(ひずみ量)は、少なくとも降伏応� ��相当以上のひずみ量となるように、レーザ� ��熱時の条件を設定することが望ましい。こ� ��ようにして、配管2の内面に生じている残留 応力を引張状態から圧縮状態に改善すること ができ、その結果、管体内面の応力腐食割れ を防ぐことが可能となる。

 このように、配管2の外周面(溶接部C近傍) をレーザ加熱して、所望のひずみ量を得るた めには、軸方向照射幅L、周方向照射幅W等を� ��切な範囲に制御する必要がある。そして、� ��れらの条件は、配管2の形状(具体的には、� �管2の径、板厚)、更には、配管2の材料、設� �環境等に左右されるため、個々の状態に応� �て、これらの施工条件を変更する必要があ� �。ところが、従来は、軸方向照射幅L、周方� ��照射幅W等について、明確な規定が無く、所 望のひずみ量を得るための施工条件の管理も 容易でなかった。

 そこで、本発明者等は、配管2の形状等に左 右されること無く、最適な施工条件を管理す ることができないか検討してみた。
 具体的には、以下に示す4種類の配管形状(� �料はSUS304で同一)を対象に弾塑性解析を実施� ��、施工後の残留応力を比較することにより� ��応力改善効果に対する配管の径、板厚の影� ��を評価してみた。配管形状としては、配管� ��径D、配管板厚h、平均半径rが各々以下の表1 のように異なるものを用いた(図1(b)参照)。な お、異なる配管形状では溶接による残留応力 が異なるので、ここでは、配管の径、板厚の 影響を明確にするため、配管の初期応力のな い素管を対象とした。又、表1中の14B管-Aは、 板厚の影響を把握するために評価したもので ある。

 又、各配管形状に対する施工条件としては� ��各条件を無次元化して管理できることを目� ��に、以下のように設定した。なお、以下の� ��工条件において、配管2の外面の温度が100℃ を越え、最高到達温度Tmaxに到達するまでの� �温時間をτo(秒)とし、配管2の熱拡散率をk(mm ² /秒)とし、レーザ光源の移動速度をv(mm/秒)と� ��定している。

 (a)昇温時間は、以下の式(1)により規定され� ��昇温時間パラメータFoで整理できると仮定� �、昇温時間パラメータFoを0.08とした。
 Fo=τo×k/h ²         式(1)
 (b)周方向加熱幅Wは、√(rh)で整理できると� �定し、1.7√(rh)とした。なお、周方向加熱幅W は、最高到達温度まで加熱するのに有効な幅 であり、他のパラメータとは、以下の式(2)に 示す関係を有する。
 W=τo×v            式(2)
 (c)軸方向加熱幅Lも、√(rh)で整理できると� �定し、3.0√(rh)とした。なお、軸方向加熱幅� ��、外面が所定温度に加熱されている領域の� ��方向長さである(図7(b)参照)。
 (d)移動速度vは、式(1)、式(2)から求められる 式(3)から求めた。
 v=(W×k)/(Fo×h ² )   式(3)
 式(3)において、周方向加熱幅Wは1.7√(rh)で� �数、熱拡散率kも定数、昇温時間パラメータF oは0.08、板厚hも定数なので、速度vが定まる� �
 そして、上記条件を用い、1周目は0°を始終 端とし、360°まで、2周目は180°を始終端とす� ��2周施工を行った。なお、各配管形状に対す る施工条件を整理したものが表2である。

 上記施工条件において、昇温時間パラメ� ��タFoは、無次元時間を示すものであり、こ� �無次元時間は、熱伝導による温度の非定常� �態での時間的拡散を示す無次元量である。� �発明においては、板厚内に適正な温度分布� �得ることが必要であり、そのためには、非� �常状態での板厚内の温度分布(時間的拡散)が 重要である。従って、このような観点から、 昇温時間として、昇温時間パラメータFoを用� ��てみた。

 又、周方向加熱幅Wを√(rh)で整理したパ� �メータ、即ち、後述する周方向加熱幅パラ� �ータG=W/√(rh)は、無次元化距離を示すもので ある。本発明においては、レーザ光による局 部加熱により発生する熱変形の影響を考慮す る必要がある。つまり、レーザ光による局部 加熱を行った場合、加熱部は熱膨張により外 面凸の曲げ変形(外径が大きくなるような変� �)が生じ、常温部が変形を拘束している状態� ��生じる。この状態を局部的に内圧pが負荷さ れている管と置き換えれば、境界部には曲げ モーメントMとせん断力Qが発生しており、rを 平均半径、hを板厚、Eをヤング率、νをポア� �ン比、xを境界からの距離とすると、管のた� ��み量δは以下の式(4)で示される。

 式(4)からわかるように、たわみ量δは[β×x]� ��関数となる。又、[β×x]は以下の式(5)のよう に、√(rh)で表現できるので、熱膨張による� �形を√(rh)で相似的に表現することが可能で� ��る。従って、このような観点から、周方向� ��を無次元化するため、周方向加熱幅Wを√(rh )で整理した周方向加熱幅パラメータGを用い� ��みた。
 β×x≒1.3x/√(rh)     式(5)
 但し、ν=0.3とする。

 上記施工条件における伝熱解析結果とし� ��、施工1周目の180度位置での外面温度が最大 となる時点の板厚方向の温度分布を、管形状 毎に求めて比較したものを図2に示す。なお� �横軸は板厚を内面からの距離で除して無次� �化した「無次元化距離」であり、縦軸は180� �位置での温度である。図2から明らかなよう� ��、4種類の配管の板厚方向温度分布は良く一 致している。

 又、上記施工条件における伝熱解析結果� ��して、施工1周目の180度位置での内面及び外 面温度の時間履歴を図3(a)、(b)に示す。横軸� �時間に定数を乗じて板厚の2乗で除して無次� ��化した「無次元化時間」であり、縦軸は180� ��位置の温度履歴である。又、最高到達温度� ��無次元時間の原点とした。図3(a)、(b)から明 らかなように、4種類の配管の温度履歴は、� �ぼ一致している

 又、図4(a)、(b)に、板厚方向距離を板厚で 除した無次元化距離で整理した90°位置での� �方向応力と軸方向方応力の分布を示す。図4( a)、(b)からわかるように、4種類の配管の板厚 方向応力分布は、ほぼ一致している。これは 、他の位置、例えば、0°、180°、270°位置で� �周方向応力と軸方向方応力の分布でも同じ� �向であった。

 又、図5(a)、(b)及び図6(a)、(b)に、中央(対� ��面)からの軸方向距離を√(rh)で除した無次� �化距離で整理した内外面の周方向応力と軸� �向応力の分布を示す。図5(a)、(b)及び図6(a)、 (b)からは、無次元化距離に対して、4種類の� �管の軸方向及び周方向の内外面の応力分布� �、ほぼ一致することがわかる。

 以上の結果から、「無次元化時間」と「� ��次元化距離」を用いて外面の温度分布を整� ��すると、4種類の配管形状の温度分布はほぼ 等しいことがわかった。又、「無次元化距離 」を用いて応力分布を整理すると、4種類の� �管形状の応力分布も、ほぼ等しいことがわ� �った。つまり、「無次元化時間」及び「無� �元化距離」を用いて施工条件を設定するこ� �により、配管形状が異なった場合において� �相似則が成り立ち、昇温時間、周方向加熱� �、軸方向加熱幅を、上述したような無次元� �した時間と長さで管理すれば、最適な施工� �件をより容易に管理可能であり、配管形状� �よらず同等の残留応力改善効果が得られる� �とがわかる。

 そして、上記施工条件は、管外面に設置� ��た温度計の温度履歴を用いることにより求� ��ることができる。つまり、管外面に設置し� ��温度計の温度履歴を管理すれば、上記施工� ��件を管理できることになる。

 具体的には、配管の溶接部分の外周面に� ��所的にレーザ光を照射し、照射領域を周方� ��に回転する際、配管外面に設置した温度計� ��より、昇温時間τo、最高到達温度Tmax及び軸 方向加熱幅Lを、温度履歴として実測してお� �ばよい。そこで、昇温時間τo、最高到達温� �Tmax及び軸方向加熱幅Lを実測する手順を説明 する。

 施工対象の配管の外面において、照射領� ��Sが通過する範囲に複数の熱電対9を設置す� �。又は、予め、施工対象の配管と同じ条件(� ��一径、同一板厚、同一材料)の配管を用意し ておき、この配管の外面において、照射領域 Sが通過する範囲に複数の熱電対9を設置して� ��くようにしてもよい。設置する熱電対9は、 照射領域の中心が通過する位置に1つと、そ� �位置と同一の軸方向上であり、照射領域の� �端部の位置に2つと、少なくとも合計3つ以上 必要であり、望ましくは、これらの3つ以上� �熱電対を1セットとして、配管2の周方向に複 数セット配置する(図1(b)参照)。そして、配管 2の溶接部C近傍の外周面に局所的にレーザ光� ��照射すると共に、照射領域Sを周方向に回転 して、配管2の外面に設置した熱電対9の温度� ��化を計測し、その計測履歴を用いることに� ��り、昇温時間τo及び最高到達温度Tmaxを求め ている。

 より詳しくは、図7(a)に示すように、配管 2の外面に設置した熱電対9の温度が到達した� ��高の温度を、最高到達温度Tmaxとして測定す ると共に、熱電対9の温度が100℃を越えた時� �から最高到達温度Tmaxに到達するまでの時点� ��、昇温時間τoとして測定している。又、図7 (b)に示すように、配管2の外面の軸方向に複� �設置した熱電対9の最高到達温度Tmaxが所定の 温度範囲となる領域を、軸方向加熱幅Lとし� �いる。更に、周方向加熱幅Wは、昇温時間τo� ��光学ヘッド5の移動速度vの積(τo×v)により求 められる。なお、最高到達温度Tmaxは、後述� �るように、配管2の材料により、適切な温度� ��囲が規定され、又、この温度範囲が、軸方� ��加熱幅Lを規定する際の温度範囲として用い られる。例えば、SUS304の場合、550℃≦Tmax<6 50℃が望ましい。

 このようにして求めた昇温時間τo、最高� ��達温度Tmax、軸方向加熱幅L及び周方向加熱� �Wを用いることにより、配管2の径、板厚に左 右されず、上述した施工条件が管理できるこ とになる。

 このように、配管外面に設置した温度計の� ��度履歴により、昇温時間τ ₀ 及び最高到達温度Tmax、軸方向加熱幅Lを実測� ��るので、施工の品質を確保でき、用いたレ� ��ザ光の入熱密度分布を計測する必要はなく� ��現場で簡単に施工管理を行うことができる� ��又、温度を直接計測することができるので� ��応力改善効果の品質を確保できる。

 又、例えば、実際の施工前に、上記温度� ��歴を確認することにより、所望の応力改善� ��確実に実施することができ、施工管理とし� ��は非常に有効である。特に、加熱温度が低� ��なってしまった場合には、再度やり直すこ� ��が可能であるが、加熱温度が高くなってし� ��った場合には、加熱領域が鋭敏化温度に晒� ��れてしまい、材料自体に悪影響を与えてし� ��う。これに対して、本発明の応力改善方法� ��は、温度履歴を確認して、上記施工条件を� ��理することにより、いずれの場合も防止す� ��ことができ、所望の応力改善を確実に実施� ��ることができる。

<管理範囲>
 更に、本発明者等は、上述した各施工条件� ��おいて、残留応力を改善するために望まし� ��管理範囲を規定してみた。ここでは、4B管� �外径114.3×板厚13.5mm、2B管は外径60.5×板厚8.7mm 、14B管は外径355.6×板厚35.7mmである。

(1)昇温時間パラメータFo
 昇温時間τoを管理する無次元数(昇温時間パ ラメータFo)の最適な範囲を求めるため、表1� �示した異なる配管形状に対して、昇温時間� �ラメータFoとレーザ照射により内面に発生す る熱応力との関係を熱弾性解析により検証し てみた(図8参照)。外面の温度が100℃を越え、 最高到達温度Tmaxに到達するまでの昇温時間� �τo(秒)とした。

 ここでは、図1に示した装置を用い、昇温 時間パラメータFo以外のパラメータ(最高到達 温度Tmax=555℃、軸方向加熱幅L=3×√(rh)、周方� ��加熱幅W=2×√(rh))は同一条件として、昇温時 間パラメータFoと内面に発生する熱応力の関� ��を求めている。

 図8に示す結果からは、昇温時間パラメー タFoが同じ(最高到達温度Tmax、軸方向加熱幅L� ��周方向加熱幅Wも同じ)であれば、管形状が� �なっても、内面に発生する熱応力が一致す� �ことがわかる。このことは、残留応力改善� �果も同じであることを示している。

 従って、昇温時間τoを無次元化数である� ��温時間パラメータFoで管理することにより� �板厚や材質が異なった対象物に対しても同� �Foの範囲で管理することができる。例えば、 昇温時間パラメータFoは、軸方向の熱応力が� ��テンレス鋼の降伏応力の2倍(500MPa)以上とな� ��0.04以上、0.08以下が望ましい。

 なお、Foが小さい場合(昇温時間が短い場� ��)、外面のみが加熱され、外面に大きな圧縮 応力と内面に小さな引張応力が発生する。一 方、Foが大きい場合(昇温時間が長い場合)、� �厚内に大きな温度差が生じないため、内面� �大きな引張応力が発生しない。故に、Foには 適正な範囲(上限と下限)が必要である。

(2)周方向加熱幅W
 又、周方向加熱幅Wを管理する無次元数(周� �向加熱幅パラメータG=W/√(rh))の最適な範囲� �求めるため、表1に示した異なる配管形状に� ��して、周方向加熱幅パラメータG=W/√(rh)と� �ーザ照射により内面に発生する熱応力の熱� �性解析結果との関係を調べてみた(図9参照)� �

 ここでも、図1に示した装置を用い、周方 向加熱幅パラメータG以外のパラメータ(昇温� ��間パラメータFo=0.06、最高到達温度Tmax=555℃� ��軸方向加熱幅L=3×√(rh))は同一条件として、 周方向加熱幅パラメータGと熱応力の関係を� �めている。

 図9に示す結果からは、周方向加熱幅パラ メータGが同じ(昇温時間パラメータFo、最高� �達温度Tmax、軸方向加熱幅Lも同じ)であれば� �管形状が異なっても、内面に発生する熱応� �が一致することがわかる。このことは、残� �応力改善効果も同じであることを示してい� �。

 従って、周方向加熱幅Wを√(rh)で無次元� �した周方向加熱幅パラメータGで管理するこ� ��により、異なった形状の管に対しても同じ� ��ラメータの範囲で管理することができる。� ��9に示すように周方向加熱幅パラメータGが� �きくなれば、熱応力が増加するので、周方� �加熱幅パラメータGの下限を管理すればよい� ��例えば、周方向加熱幅パラメータGは、軸方 向の熱応力が500Mpa以上となる1.7以上が望まし い。

(3)軸方向加熱幅L
 又、軸方向加熱幅Lを管理する無次元数(軸� �向加熱幅パラメータJ=L/√(rh))の最適な範囲� �求めるため、表1に示した異なる配管形状に� ��して、軸方向加熱幅パラメータJ=L/√(rh)と� �ーザ照射により内面に発生する熱応力の熱� �性解析結果との関係を調べてみた(図10参照)� ��

 ここでも、図1に示した装置を用い、軸方 向加熱幅パラメータJ以外のパラメータ(昇温� ��間パラメータFo=0.06、最高到達温度Tmax=555℃� ��周方向加熱幅W=2×√(rh))は同一条件として、 軸方向加熱幅パラメータJと熱応力の関係を� �めている。

 図10に示す結果からは、軸方向加熱幅パ� �メータJが同じ(昇温時間パラメータFo、最高� ��達温度Tmax、周方向加熱幅Wも同じ)であれば� ��管形状が異なっても、内面に発生する熱応� ��が一致することがわかる。このことは、本� ��明で規定する管理条件が同じであれば、残� ��応力改善効果も同じであることを示してい� ��。

 従って、軸方向加熱幅Lを√(rh)で無次元� �した軸方向加熱幅パラメータJで管理するこ� ��により、異なった形状の管に対しても同じ� ��ラメータの範囲で管理することができる。� ��10に示すように軸方向加熱幅パラメータJが� ��きくなれば、熱応力が増加するので、軸方� ��加熱幅パラメータJの下限を管理すればよい 。例えば、軸方向加熱幅パラメータJは、軸� �向の熱応力が500Mpa以上となる3.0以上が望ま� �い。

(4)最高到達温度Tmax
 又、最高到達温度Tmaxについては、その管理 範囲を規定するため、表1に示した配管形状(4 B管)において、レーザ照射により内面に発生� ��る熱応力の熱弾性解析結果を最高到達温度T maxとの関係から調べてみた(図11参照)。

 ここでも、図1に示した装置を用い、最高 到達温度Tmax以外のパラメータ(昇温時間パラ� ��ータFo=0.06、周方向加熱幅W=2×√(rh)、軸方向 加熱幅パラメータL=3×√(rh))は同一条件とし� �、最高到達温度Tmaxと熱応力の関係を求めて� ��る。

 図11に示す結果からは、昇温時間パラメ� �タFo、最高到達温度Tmax、周方向加熱幅W、軸� ��向加熱幅Lが同じであれば、最高到達温度Tma xが高いほど、内面に発生する熱応力が増加� �る。このことは、本発明で規定する管理条� �が同じであれば、残留応力改善効果も同じ� �あることを示している。

 従って、最高到達温度Tmaxを管理すること により、異なった形状の管に対しても同じパ ラメータの範囲で管理することができる。図 11に示すようにTmaxが大きくなれば、熱応力が 増加するので、Tmaxの下限を管理すればよい� �しかしながら、Tmaxが高くなれば前述したよ� ��に材質に悪影響を与える可能性があるため� ��Tmaxには上限が存在する。例えば、最高到達 温度Tmaxは、オーステナイト系ステンレス鋼� �場合、軸方向の熱応力が500Mpa以上となる550� �≦Tmax<650℃が望ましい。

 他の材料、例えば、ニッケルクロム鉄合� ��、低合金鋼、炭素鋼についても同様に調べ� ��結果、ニッケルクロム鉄合金の場合は、550� ��≦Tmax<650℃、低合金鋼あるいは炭素鋼の� �合は、500℃≦Tmax<595℃が望ましい範囲であ った。

 これは、最高到達温度Tmaxの上限を規定す ることにより、材料への悪影響(ステンレス� �では鋭敏化、低合金鋼では焼入れによる硬� �や靭性低下)を防止するためであり、又、最� ��到達温度Tmaxの下限を決めることにより、内 外面の温度差を確実に付けるためである。

 このように、最高到達温度Tmaxの上限及び 下限を材質毎に規定することにより、材料へ の悪影響を防止すると共に、内外面の温度差 を確実に付けることができ、残留応力改善効 果を確実に得ることができる。

 なお、詳細は実施例2において説明を行う が、最高到達温度が異なる異材継手でも残留 応力改善できることを確認している。

(5)移動速度v
 又、移動速度vについては、その管理範囲を 規定するため、表1に示した配管形状(4B管)に� ��いて、レーザ照射により発生する内面と外� ��の温度差δTを移動速度vと板厚hの積(v×h)と� �関係から調べてみた(図12参照)。

 ここでも、図1に示した装置を用い、v×h� �外のパラメータ(昇温時間パラメータFo=0.08、 周方向加熱幅W=2×√(rh)、軸方向加熱幅パラメ ータL=3×√(rh)、最高到達温度Tmax=555℃)は同一 条件として、v×hと温度差δTの関係を求めて� �る。

 図12に示す結果からは、昇温時間パラメ� �タFo、最高到達温度Tmax、周方向加熱幅W、軸� ��向加熱幅Lが同じであれば、v×hが大きい場� �には、つまり、移動速度vが早い場合には、� ��望の温度差δTを得ることができるが、v×hが 低い場合には、つまり、移動速度vが遅い場� �には、内面と外面の温度差δTが低下するこ� �がわかる。

 従って、移動速度vについては、v×hを管理� �ることにより、異なった形状の管に対して� �同じパラメータの範囲で管理することがで� �る。又、v×hは、内面と外面の温度差δTが飽� ��する70mm ² /s以上が望ましい。

 これは、Foが一定でも、速度vが極端に遅� ��場合、熱源から進行方向前方に熱が伝わる� ��め、板厚内の温度差が小さくなる。このた� ��、vhには下限が存在する。

 このように、v×hの下限を規定することに より、内外面の温度差δTを確実に得ることが でき、残留応力改善効果を確実に得ることが できる。

 次に、異材材料の溶接に対して、上記施工� ��件による残留応力改善効果を検証した。
 具体的には、ステンンレス鋼(SUS316)と低合� �鋼の異材継手(溶接金属はニッケルクロム鉄� ��金)において、上記施工条件における残留応 力分布について検証した。

 対象は外径133mm×板厚22mmの配管とした(図1 3(a)参照)。この配管で要求される残留応力改� ��領域を図13(b)に示す。これは、ニッケルク� �ム鉄合金溶接金属とステンレス鋼の熱影響� �(HAZ)である。なお、ここでも、異材の影響を 明確にするため、配管の初期応力のない素管 を対象とした。

 本実施例では、残留応力改善対象である� ��ッケルクロム鉄合金溶接金属を対象に、表3 の施工条件を設定した。本発明では、レーザ 熱源が同じ速度で移動するため、物性値の異 なる異材継手ではすべての場所で同じ温度分 布(昇温時間パラメータFo)を得ることができ� �い。そこで、残留応力改善対象であるニッ� �ルクロム鉄合金で上記規定の施工条件の範� �を満たすように施工条件を決めた。なお、� �3の施工条件において、昇温時間パラメータF oと周方向加熱幅Wは溶接金属中央で評価した� ��

 ステンンレス鋼は、ニッケルクロム鉄合� ��と物性値の差が10%程度と小さいが、ニッケ� ��クロム鉄合金と同じ熱源形状を与えた。

 又、低合金鋼は、最高温度を規定し、入� ��量をニッケルクロム鉄合金とほぼ同じにな� ��ように、熱源形状を設定した。低合金鋼で� ��熱拡散率k(≒11mm2/s)が大きいため、熱源の周 方向照射幅Wを狭くする必要があり、周方向� �熱幅Wはニッケルクロム鉄合金の約0.65倍、昇 温時間パラメータFoは約1.8倍となった。なお� ��低合金鋼側は応力改善範囲でないため、局� ��加熱による変形を防止する観点で加熱すれ� ��良く、昇温時間パラメータFo及び周方向加� �幅Wを規定範囲にする必要はない。

 上記施工条件においては、外面が最高温� ��に達した時点では、内面の温度は低く、板� ��内に温度差が生じており、外面に圧縮応力� ��、内面に引張応力が発生しており、ステン� ��ス鋼管と同じ応力分布となることを確認し� ��いる。

 図14(a)、(b)に、施工後(2周終了後)の残留� �力分布を示す。図14(a)、(b)に示すように、ニ ッケルクロム鉄合金溶接金属及びステンレス 鋼(SUS316)の内面は全周で圧縮応力となってい� ��ことがわかる。

 上記実施例1、2は、空冷モード(内面が気� ��の場合、あるいは、施工前に水が内面に充� ��している場合)における残留応力改善効果に ついて検証してきたが、次に、水冷モード(� �に水が内面に充満している場合)における残� ��応力改善効果について検証した。

 図15に示すように、水冷モードにおいて� �、Foが大きくなっても、内面の温度は水の沸 点(100℃)以上に上昇しないため、レーザをゆ� ��くり移動させても、内面と外面に大きな温� ��差を得ることができることがわかる。

 ここで、水冷モードにおいて、熱応力と� ��温時間パラメータFo及び周方向加熱幅Wとの� ��係を熱弾性解析で調べてみた。

 図16(a)に示すグラフは、図1に示した装置� ��用い、昇温時間パラメータFo以外のパラメ� �タ(最高到達温度Tmax=555℃、軸方向加熱幅L=3× √(rh)、周方向加熱幅W=2×√(rh))は同一条件と� ��て、昇温時間パラメータFoと熱応力の関係� �求めたものである。又、図16(b)に示すグラフ は、図1に示した装置を用い、周方向加熱幅� �ラメータW/√(rh)以外のパラメータ(昇温時間� ��ラメータFo=0.20、最高到達温度Tmax=555℃、軸� ��向加熱幅L=3×√(rh))は同一条件として、周方 向加熱幅Wと熱応力の関係を求めたものであ� �。なお、比較のため、空冷モードの結果も� �記している。

 図16(a)、(b)に示す結果からは、水冷モー� �では、空冷モードと同等の熱応力を得るこ� �ができる昇温時間パラメータFo及びW/√(rh)の 範囲が広いことがわかる。このことは、空冷 モードと同等の残留応力改善効果を得ること ができる施工条件範囲を、水冷モードでは広 くすることができることを意味する。

 熱弾塑性解析の結果、同じ施工条件(Tmax� �Fo、W、L)でも内面に発生する熱応力が水冷モ ードの方が大きいことがわかった。そこで、 代表例として、4Bステンレス鋼管(表4参照)を� ��象に、昇温時間パラメータFoの影響の小さ� �下限条件での空冷モードと水冷モードの残� �応力改善効果の違いを検討した。なお、空� �モードの周方向加熱幅Wの下限は1.7√(rh)であ るが、比較参照のため、1.0√(rh)の解析を実� �した。

 施工時における板厚方向温度分布は、同� ��施工条件下では、空冷モードと水冷モード� ��全く同一であり、図17に示すような分布が� �られた。これは、空冷モード・水冷モード� �もに、昇温時間パラメータFoが0.04と同じで� �り、内面まで熱が伝わらない時間で外面が� �高温度に達していることから、内面の境界� �件の影響はなく、両者の板厚内の温度分布� �は差がない。このことから、空冷モードと� �冷モードの応力改善効果の差は、外面がレ� �ザ照射を受け高温になることで発生する板� �内温度分布によるものではないと考えられ� �。

 施工後における空冷モードと水冷モードの� ��留応力の比較を図18(a)、(b)に示す。
 図18(a)、(b)からわかるように、空冷モード� �水冷モードでは、水冷モードの方が残留応� �改善効果は大きい。例えば、同じ周方向加� �幅では水冷モードの方の残留応力改善効果� �大きく、又、軸方向応力で空冷モードと同� �度の残留応力改善効果を得るためには、水� �モードでは周方向加熱幅を1.7√(rh)から1.0√( rh)に減少させても良いことがわかる。

 水冷モードと空冷モードの最も大きな違� ��は、内面の最高到達温度にある。つまり、� ��冷モードでは、内面の最高到達温度が低い� ��め、温度低下時の逆降伏(圧縮降伏)が起こ� �にくいと考えられる。例えば、空冷モード� �は、板厚内に温度が生じて、引張塑性ひず� �を生じた後、板厚内に温度差が無くなった� �点(内面の温度が約200℃、降伏応力:198MPa)で� �縮降伏する。これに対して、水冷モードで� �、板厚内に温度が生じて、引張塑性ひずみ� �生じた後、板厚内に温度差が無くなった時� �(内面の温度が約100℃、降伏応力:245MPa)では� �縮降伏を起こしていないと考えられる。こ� �ことが水冷モードにおいて応力改善効果が� �きい理由であると考えられる。

 以上のことから、水冷モードにおける施� ��条件の管理範囲は、昇温時間パラメータFo� �下限を管理すればよい。その範囲は、0.04以� ��が望ましい。周方向加熱幅Wは、下限で管理 すればよく、1.0×√(rh)以上とすることが望ま しい。つまり、空冷モードに対して、水冷モ ードにおいては、レーザ照射時に配管内面に 水が存在(流水や溜水等)しており、常に配管� ��周を水冷(沸点以下の温度にキープ)できる� �め、管理範囲を緩和できることになる。

 上記実施例1、2、3における施工条件の管� ��範囲を整理すると、表5に示すものとなる。