溶接後のローラーチェーンの残留応力を低減する方法
ローラーチェーンの製造工程において、溶接は重要な工程です。しかし、溶接後にはローラーチェーンに残留応力が生じることがよくあります。この残留応力を軽減するための効果的な対策を講じなければ、ローラーチェーンの品質と性能に多くの悪影響を及ぼします。ローラーチェーン残留応力は、疲労強度の低下、変形、さらには破損などを引き起こし、様々な機械設備におけるローラーチェーンの正常な使用と寿命に影響を与えます。そのため、ローラーチェーン溶接における残留応力を低減する方法を深く研究し、習得することが非常に重要です。
1. 残留応力の原因
溶接工程では、ローラーチェーンの溶接部は不均一な加熱と冷却にさらされます。溶接中は溶接部とその周辺部の温度が急激に上昇し、金属材料が膨張します。そして、冷却工程では、これらの部分の金属収縮が周囲の加熱されていない金属によって拘束され、溶接残留応力が発生します。
溶接時の拘束条件も残留応力の大きさと分布に影響を与えます。ローラーチェーンが溶接時に強く拘束されている場合、つまり変形の固定または拘束度が大きい場合、溶接後の冷却過程で、自由に収縮できないことに起因する残留応力もそれに応じて増加します。
金属材料自体の要因も無視できません。材料によって熱的・物理的・機械的特性が異なるため、溶接時の熱膨張、収縮、降伏強度も異なり、残留応力の発生に影響を与えます。例えば、一部の高強度合金鋼は降伏強度が高く、溶接時に大きな残留応力が発生しやすい傾向があります。
2. ローラーチェーン溶接における残留応力を低減する方法
（I）溶接プロセスの最適化
溶接順序を適切に調整する：ローラーチェーンの溶接では、収縮の大きい溶接部を先に溶接し、収縮の小さい溶接部を後に溶接します。これにより、溶接時に溶接部がより自由に収縮し、溶接部の収縮制限による残留応力が低減されます。例えば、ローラーチェーンの内外チェーンプレートを溶接する場合、まず内外チェーンプレートを溶接し、その後、外外チェーンプレートが冷却された後に溶接します。これにより、収縮時に内外チェーンプレートの溶接部が外外チェーンプレートによって過度に拘束されることがなくなります。
適切な溶接方法と溶接パラメータの使用：溶接方法によって、ローラーチェーンに生じる残留応力は異なります。例えば、ガスシールド溶接は、アーク熱の集中と高い熱効率により、従来の溶接方法と比較して熱影響部をある程度低減し、残留応力を低減できます。同時に、溶接電流、電圧、溶接速度などのパラメータを適切に選択することも重要です。溶接電流が過剰になると、溶接の溶け込みが過剰になり、入熱量も過剰になり、溶接継手が過熱して残留応力が増加します。一方、適切な溶接パラメータを選択することで、溶接プロセスの安定性が向上し、溶接欠陥が減少し、残留応力も低減されます。
層間温度の制御：ローラーチェーンを多層・多パスで溶接する場合、層間温度を制御することは残留応力を低減する効果的な手段です。適切な層間温度は、溶接プロセス中に溶接部および熱影響部の金属を良好な塑性状態に保ち、溶接部の収縮と応力の解放を促進します。一般的に、層間温度はローラーチェーンに使用される材料の特性と溶接プロセスの要件に応じて決定する必要があり、溶接プロセス中の温度を測定・制御して、層間温度が適切な範囲内にあることを確認する必要があります。
（II）適切な溶接予熱および後加熱措置を採用する
予熱：ローラーチェーンを溶接する前に、溶接部を予熱することで、溶接残留応力を効果的に低減できます。予熱により、溶接継手の温度差が低減し、溶接中の溶接部の温度分布が均一になり、温度勾配による熱応力が低減されます。さらに、予熱により溶接部の初期温度が上昇し、溶接金属と母材の温度差が低減されるため、溶接継手の性能が向上し、溶接欠陥の発生が低減し、残留応力が低減されます。予熱温度は、ローラーチェーン材料の組成、厚さ、溶接方法、および周囲温度に基づいて決定する必要があります。
後熱処理：溶接後の後熱処理、すなわち脱水素処理も、ローラーチェーン溶接の残留応力を低減する重要な手段の一つです。後熱処理は通常、溶接完了直後に溶接部を約250～350℃に加熱し、一定温度まで冷却した後、一定時間保温した後、徐冷します。後熱処理の主な機能は、溶接部および熱影響部における水素原子の拡散と放出を促進し、溶接部中の水素含有量を低減することで、水素誘起応力腐食割れの可能性を低減し、溶接残留応力の緩和にも役立ちます。後熱処理は、一部の高強度鋼や厚肉ローラーチェーンの溶接において特に重要です。
（III）溶接後熱処理を実施する
全体高温焼戻し：ローラーチェーン全体を加熱炉に入れ、約600〜700℃までゆっくりと加熱し、一定時間保温した後、炉ごと室温まで冷却します。この全体高温焼戻し処理は、ローラーチェーンの残留応力を効果的に除去することができ、通常、残留応力の80％〜90％を除去できます。高温焼戻しの温度と時間は、ローラーチェーンの材質、サイズ、性能要件などの要因に応じて正確に制御し、熱処理効果と品質を確保する必要があります。ただし、全体高温焼戻し処理にはより大きな熱処理設備が必要であり、処理コストも比較的高くなりますが、残留応力に対する要求が厳しいローラーチェーン製品にとっては、残留応力を除去する理想的な方法です。
局部高温焼戻し：ローラーチェーンのサイズが大きい場合や形状が複雑で、全体の高温焼戻しが困難な場合は、局部高温焼戻しを用いることができる。局部高温焼戻しとは、ローラーチェーンの溶接部とその近傍の局部領域のみを加熱し、その領域の残留応力を除去する処理である。全体の高温焼戻しと比較して、局部高温焼戻しは設備要件と加工コストが比較的低いが、残留応力の除去効果は全体の高温焼戻しほど徹底的ではない。局部高温焼戻しを行う際は、加熱領域の均一性と加熱温度の制御に注意し、局所的な過熱や温度不均一による新たな応力集中などの品質問題を回避する必要がある。
（IV）機械的伸張法
機械的延伸法は、溶接後のローラーチェーンに引張力を加えて塑性変形を生じさせ、溶接工程で発生した圧縮残留変形を相殺し、残留応力を低減する目的を達成する。実際の作業では、ローラーチェーンの仕様と性能要件に応じて、専用の延伸装置を使用して適切な引張力と延伸速度を設定し、ローラーチェーンを均一に延伸することができる。この方法は、精密なサイズ管理と残留応力除去を必要とする一部のローラーチェーン製品に良好な効果をもたらすが、対応する延伸装置と専門の作業者を備える必要があり、生産現場とプロセス条件に対して一定の要件がある。
（V）温度差延伸法
温度差延伸法の基本原理は、局所加熱によって生じる温度差を利用して溶接部に引張変形を生じさせ、残留応力を低減することです。具体的な操作は、酸素アセチレントーチを用いてローラーチェーン溶接部の両側を加熱すると同時に、穴列を有する水管を用いてトーチ後方の一定距離から冷却水を噴射します。これにより、溶接部の両側に高温部が形成され、溶接部の温度は低くなります。両側の金属は熱によって膨張し、より低温の溶接部を延伸することで、溶接残留応力の一部を除去するという目的を達成します。温度差延伸法の設備は比較的シンプルで操作が容易であり、建設現場や生産現場で柔軟に適用できますが、残留応力除去効果は加熱温度、冷却速度、噴射距離などのパラメータに大きく左右されるため、実際の状況に合わせて正確に制御・調整する必要があります。
（VI）振動老化処理
振動時効処理は、振動の機械的エネルギーの作用を利用してローラーチェーンを共振させることで、ワーク内部の残留応力を均質化・低減します。ローラーチェーンを専用の振動時効処理装置に置き、加振機の周波数と振幅を調整することで、ローラーチェーンが一定時間内に共振するようにします。共振過程において、ローラーチェーン内部の金属粒子は滑り・再配列し、微細構造が改善され、残留応力が徐々に減少します。振動時効処理は、設備が簡単、処理時間が短い、コストが低い、効率が高いなどの利点があり、ローラーチェーンの表面品質に影響を与えないため、ローラーチェーンの製造において広く利用されています。一般的に、振動時効処理はローラーチェーン溶接部の残留応力を約30％～50％除去できます。特に高い残留応力を必要としないローラーチェーン製品の場合、振動時効処理は残留応力を除去するための経済的かつ効果的な方法です。
（VII）ハンマー法
ハンマー法は、溶接残留応力を低減するための簡便かつ一般的な方法です。ローラーチェーンの溶接後、溶接部温度が100～150℃または400℃以上のときに、小型ハンマーを用いて溶接部とその周辺部を均一に叩き、金属の局所的な塑性変形を促し、残留応力を低減します。ハンマー処理中は、200～300℃の温度域では金属が脆化状態にあり、ハンマーによる打撃で溶接部に割れが生じやすいため、避けるべきです。また、ハンマーの力と頻度は適度に抑え、ローラーチェーンの厚さや溶接部の大きさなどに応じて調整することで、ハンマー効果と品質を確保する必要があります。ハンマー法は、通常、小型で単純なローラーチェーン溶接部に適しています。大型または複雑なローラーチェーン溶接部の場合、ハンマー法の効果が限られる場合があり、他の方法と組み合わせて使用する必要があります。
3. 適切な残留応力低減方法の選択方法
実際の生産においては、ローラーチェーンの様々な状況や要求に応じて、各残留応力低減方法の長所と短所、適用範囲、コストなどを総合的に考慮し、適切な処理方法を選択する必要があります。例えば、高精度、高強度、厚肉のローラーチェーンの場合、全面高温焼戻しが最適な選択肢となる場合があります。一方、ロット数が多く形状が単純なローラーチェーンの場合は、振動時効処理やハンマリング処理などにより、生産コストを効果的に削減し、生産効率を向上させることができます。同時に、残留応力低減方法を選択する際には、ローラーチェーンの使用環境や作業条件を十分に考慮し、採用した方法が実際の使用状況におけるローラーチェーンの性能要件と品質基準を満たすことを確認する必要があります。
4. ローラーチェーンの品質と性能を向上させる残留応力の低減の役割
溶接残留応力を低減することで、ローラーチェーンの疲労強度を大幅に向上させることができます。ローラーチェーンの残留引張応力が低減または除去されると、運転中に実際に発生する応力レベルもそれに応じて低下し、疲労き裂の発生と拡大による破断リスクが低減され、ローラーチェーンの耐用年数が延長されます。
ローラーチェーンの寸法安定性と形状精度の向上に役立ちます。残留応力が大きすぎると、ローラーチェーンは使用中に変形し、スプロケットなどの部品との嵌合精度に影響を与え、機械設備の正常な動作に悪影響を及ぼす可能性があります。残留応力を低減することで、ローラーチェーンは使用中に良好な寸法安定性と形状精度を維持し、伝動装置の信頼性と精度を向上させることができます。
腐食環境下におけるローラーチェーンの応力腐食割れ発生傾向を低減します。残留引張応力は、腐食性媒体におけるローラーチェーンの応力腐食割れに対する感受性を高めますが、残留応力を低減することでこのリスクを効果的に低減し、過酷な環境下におけるローラーチェーンの耐食性を向上させ、その適用範囲を拡大することができます。
投稿日時: 2025年6月30日