JPH04240073A - 表面残留応力の改善方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、配管内面や機械部品等
の疲労強度および耐腐食性の向上のために採用されて好
適な、試料表面の残留応力の改善方法および該方法を実
施するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】配管材料や機械部品における、機械加工
、塑性加工の後工程として、洗浄や熱処理を含む種々の
表面処理工程が採用されている。このような表面処理の
一つとしてショット・ピ−ニングと呼ばれる方法が知ら
れている。これは、多数のガラス・ビ−ズ、鋼球、木粉
等の固体粒子を加速して試料表面に衝突させ、該粒子の
衝突エネルギ−により試料表面に均一かつ微細な塑性変
形を与えるものであって、■前加工により発生した試料
表面の残留応力（応力集中）を開放する、■試料表面層
に圧縮応力を発生して、曲げ、衝撃、疲労に対する強度
を向上する、■表面の微細なクラック、切り欠き、凹凸
を平準化して疲労強度を向上する、■表面のスケ−ルや
油脂を除去する、各種の効果を得るものである。また、
ショット・ピ−ニングにおける固体粒子の加速方法とし
ては、■回転円盤により固体粒子を振り飛ばす、■液体
または気体の噴射流の中に固体粒子を分散させる、等の
方法が一般的である。

【０００３】しかし、固体粒子を用いた従来のショット
・ピ−ニングにおいては、固体粒子およびその破片が試
料表面に残留する問題があり、厳密な清浄度を要求され
る化学プラントの反応容器や原子力プラントの配管等に
対しては、ショット・ピ−ニング後、試料表面の煩雑な
洗浄や拭取り作業が不可欠とされた。また、大がかりな
固体粒子の回収再生装置や汚染物質の回収装置を並設し
てもなお、汚染物質の拡散、粉塵公害、水質汚濁、騒音
等の公害を引き起す可能性があった。

【０００４】一方、特開昭６２−６３６１４号の「金属
部材の表面処理方法及び装置」には、上述のような固体
粒子を一切用いない、超音速の連続水流を用いて行うシ
ョット・ピ−ニングの技術が報告されている。ここでは
、２０００ｋｇ／ｃｍ２以上の超高圧水をノズルから噴
射して超音速の連続水流を発生し、これを試料表面に衝
突させることによって、固体の粒子を用いたショット・
ピ−ニングと同様な効果を得ている。この方法によれば
、試料表面の必要な洗浄が同時に達成され、固体の粒子
を用いることに起因する上述の問題点も解決される。

【０００５】この超音速の連続水流によるショット・ピ
−ニングは、超音速または一定の速度限界（衝突速度が
液体自身の変形速度に一致する）を越えた連続水流が試
料表面に衝突すると、液体自身がもはや液体としての流
動性を示さず、固体粒子のような「固い」衝突を行って
試料表面側に塑性変形を与える性質を利用したものであ
る。言い換えれば、超音速を選択することによって、固
体粒子から連続水流への置換えを可能としたもので、加
速された液体の運動エネルギ−そのものが試料表面への
「固い」衝突を実現する意味においては、従来のショッ
ト・ピ−ニングと同一のものである。

【０００６】このような連続水流の「固い」衝突を利用
した技術としては、他にもセラミック板の切断加工の技
術等が実用化されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】連続水流の衝突エネル
ギ−を利用した、超音速の液体によるショット・ピ−ニ
ングは、高い清浄度を要求される化学プラントの反応容
器や原子力プラントの配管に対して、従来の固体粒子に
よるものよりも遥かに優れた方法と言えるが、普通鋼板
やステンレス板等の一般的な固い試料表面に有効な残留
応力、すなわち微細な塑性変形を発生するためには、極
めて高速度の連続水流を衝突させる必要がある。すなわ
ち、極めて高速度の連続水流を得るために吐出圧２００
０ｋｇ／ｃｍ２以上のポンプが必要である。

【０００８】また、衝突速度が液体中の音速（水中では
１５００ｍ／ｓｅｃ　）に達すると、液体は剛体として
振舞い、試料表面に最大の作用を発揮すると考えられる
が、超高圧水とノズルの組合せによる通常の方法では、
いかに圧力を上昇させても９００ｍ／ｓｅｃ　程度で加
速の限界に達してしまい、実用上十分なショット・ピ−
ニングの効果が得られない場合もあった。

【０００９】従って、連続水流の速度を減衰させないこ
とが不可欠となり、水中での作業は不可能で、空気中で
もノズルの噴射口から試料表面までの距離がノズル口径
の２０倍を越えると効果が激減するから該距離を保つた
めの精密な倣い作業を行う必要があった。

【００１０】さらに、超音速に加速された液体は金属板
に与えると同程度の負荷をノズルにも与えるから、高硬
度な特殊ノズルが採用され、高価なノズルの破損を防ぐ
ために、浮遊物やガスを除いた特殊な精製水を用いる必
要があった。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、普通鋼板やス
テンレス板等の試料表面に対しても比較的に低い圧力の
噴射でも格段に大きなショット・ピ−ニング効果が得ら
れ、ノズルから試料表面までの距離を大きくしても該効
果が失われず、ノズルに対する負荷が小さい表面残留応
力の改善方法および装置を提供することを目的としてい
る。

【００１２】本発明の請求項第１項の表面残留応力の改
善方法は、多数の気泡を分散させた液体粒子（非定常噴
流）の高速流を試料表面に衝突させ、該気泡を押潰させ
る方法であって、換言すれば、液体粒子の非定常衝突エ
ネルギ−を利用する方法である。

【００１３】本発明の請求項第２項の表面残留応力の改
善方法は、請求項第１項の方法において、圧力を高めた
液体を、経路断面積が出口側で急に細くなるノズルから
噴射し、該ノズルから試料表面までの距離をノズル口径
の１００倍以上隔てて、該試料表面に衝突させる方法で
ある。

【００１４】本発明の請求項第２項の表面残留応力の改
善方法は、請求項第１項の方法において、圧力を高めた
液体を、経路断面積が円錐状の先細ノズルから噴射し、
該ノズルから試料表面までの距離をノズル口径の１００
倍以上隔てて、該試料表面に衝突させる方法である。

【００１５】本発明の請求項第３項の試料表面の残留応
力改善装置は、液体を加速する加速手段と、加速前の該
液体中に気体を溶解または分散させる気泡供給手段とか
らなるものである。

【００１６】本発明の請求項第４項の試料表面の残留応
力改善装置は、液体を圧縮する圧縮手段と、圧縮された
液体を噴射させる噴射手段と、噴射と同時に液体中に気
体を分散させる気泡供給手段とからなるものである。

【００１７】

【作用】本発明の請求項第１項の表面残留応力の改善方
法では、加速された固体粒子や連続水流の持つ衝突エネ
ルギ−をそのまま利用する従来のショット・ピ−ニング
とは異なり、液体粒子中の多数の微細な気泡の消失に伴
う衝撃波を利用して試料表面層に塑性変形を発生する方
法である。すなわち、液体粒子中に発生させておいた気
泡を、該液体粒子の高速流の衝突（堰止め）によって発
生する局所的な高圧力を用いて急激に押潰して液体粒子
中に衝撃波を発生し、該衝撃波によって液体粒子前面の
微小な体積の液体を理論的には液体中の音速近くにまで
加速して試料表面層に無数に衝突させている。このよう
な押潰現象を可能とする液体粒子の高速流は、例えば、
数百ｋｇ／ｃｍ２に圧縮した常温水を経路断面積が出口
側で急に細くしたノズルから噴射して得ることができる
。この場合、見掛け上はポンプとノズルの組合せとなっ
て、超音速の連続水流を用いた従来のショット・ピ−ニ
ングと同様であるが、噴射自体は、試料表面に堰止めに
よる高圧力を発生して該圧力により噴射流中の気泡を押
潰するために必要な程度のものである。

【００１８】一般的に、液体中の気泡は該液体の表面張
力によって圧縮されているから、気泡の内圧力は周囲の
液体の圧力よりも大きく、該内圧力は気泡が小さいほど
大きい。従って、周囲の液体の圧力上昇によって圧縮さ
れると、気泡は体積を減じるとともに内圧力を飛躍的に
高めることとなり、消失にまで至ると気泡中にあった周
囲の圧力よりも数段高い圧力が一気に液体中に開放され
て衝撃波を形成する。この気泡の圧縮と消失が試料表面
の近傍で急速、多数かつ連続的に次々と行われると、消
失した気泡と試料表面の間の液体は衝撃波によって激し
く加速され、高速流の速度よりも格段に大きな速度で試
料表面に次々と衝突し、高速流の堰止め圧力よりも格段
に高い衝撃的な圧力ピ−クを試料表面に無数に分散させ
て、試料表面層に好ましい塑性変形を発生する。言い換
えれば、液体粒子の高速流の流速と無関係に水中の音速
にまで加速した多数の液体粒子によりショット・ピ−ニ
ングを遂行する。

【００１９】本発明の請求項２および３の表面残留応力
の改善方法は、液体粒子の非定常衝突エネルギ−を利用
したものであって、噴射と同時にノズルによってキャビ
テ−ションによる気泡を噴射流中に供給している。

【００２０】このノズルは、請求項２の場合に経路断面
積を出口側で急に細くしたもの、請求項３の場合に流路
の断面積が円錐状の先細のものであって、これらのノズ
ルを液体が通過して加速される際には液体圧力が下がっ
て、液体中には、溶解していた気体が析出、または沸騰
による蒸気の気泡が発生する。また、ノズルから噴射さ
れた直後の噴射流中では液体は連続流を呈し、その内部
の気泡の状態も不安定なので、ノズルから試料表面まで
の距離をノズル口径の１００倍以上隔てて、液体粒子自
身が安定し、その内部で気泡が成長し、安定し、分散し
た状態で試料表面に衝突するようにしている。

【００２１】本発明の請求項第３項の試料表面の残留応
力改善装置は、請求項第１項の方法を実施するための装
置の例であって、加速手段としては、液体の加圧装置と
ノズルの組合せ、火薬の爆発、回転円盤等が採用できる
。また、気泡供給手段としては、加速前の液体に気泡を
発生する、■液体の蒸気圧を上昇させるための液体の加
熱装置、■液体中に空気を分散させるための空気吹き込
み装置、等が採用される。

【００２２】本発明の請求項第４項の試料表面の残留応
力改善装置は、請求項第１項の方法を実施するための装
置の別の例であって、加速中の液体に気泡を発生する、
■空気混合用のジェット・ポンプ、■キャビテ−ション
を発生するノズル、等が採用される。例えば、請求項第
２項の方法を実施する装置は、ポンプ等の圧縮手段と断
面積が円錐状の先細ノズルとの組合せによって、液体粒
子の高速流を発生すると同時に、該ノズルによって噴射
流中にキャビテ−ションによる気泡を発生し分散させて
いる。

【００２３】

【発明の実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００２４】図１は、本発明の実施例の試料表面の残留
応力改善装置の模式図である。ここでは、高圧ポンプと
ノズルの組合せで水粒子の高速流を発生すると同時に、
ノズルによってキャビテ−ションによる気泡を発生して
いる。

【００２５】図１において、高圧ポンプ５から吐出され
た高圧水は、高圧ホ−ス４を経てノズル・ヘッド２に導
かれ、ノズル１から対象物８に向って噴射される。対象
物８は排水管を設けたタンク７の中に固定されている。 ノズル・ヘッド２はノズル移動用の駆動機構３により水
平および垂直方向に移動可能であって、駆動機構３は高
圧ポンプ５とともに制御装置６により制御される。

【００２６】このように構成された残留応力改善装置に
おいては、対象物８上の作業開始点の上空の適正な高さ
位置にノズル１を位置決めした後、高圧ポンプ５を作動
して噴射を開始し、駆動機構３を用いて対象物８上でノ
ズル１を走査することにより、対象物８の全面に均一な
残留応力改善の表面処理を実行できる。

【００２７】図２は、第１図の実施例の部分的な模式図
である。ここでは、図１のノズルおよび対象物の部分が
拡大されて示される。

【００２８】図２において、対象物８に対向させたノズ
ル１は、流路の断面積が円錐状の先細のもので、高圧水
は円錐状の部分ｂで圧力を急に減じてキャビテ−ション
による気泡を発生する。

【００２９】このように構成された残留応力改善装置に
おいて、ノズル１は、高圧部ａの高圧水を、部分ｂを通
過させる際に対象物８に向って加速して噴射速度にまで
高めると同時に、噴射流の内部に多数のキャビテ−ショ
ンによる気泡を発生して分散させる。また、ノズル１か
ら噴射された高速の連続流は、内部に気泡を分散させた
まま空中で水粒子を形成するが、対象物８により堰止め
られて高圧力の衝突部分ｆを形成し、該圧力が衝突部分
ｆの内部に分散した無数の気泡を押潰する。

【００３０】ノズル１から噴射された水粒子の高速流は
、キャビテ−ションの気泡が偏在して不安定な領域ｃと
、気泡がほぼ均一に分散されて次第に成長する安定領域
ｅとに分割され、キャビテ−ションの気泡の押潰による
エネルギ−を最大限に取り出すためには、対象物８を不
安定領域ｃを避けた適当な距離Ｌに置く必要がある。 この距離Ｌはノズルの口径ｄに依存し、本実施例の場合
、該口径ｄと距離Ｌの比（Ｌ／ｄ）が５００程度でより
好ましい効果が得られた。

【００３１】図３は、図１の実施例の効果を説明するた
めの線図である。これは、７００ｋｇ／ｃｍ２の高圧水
を口径１．０ｍｍのノズルから噴射して、距離Ｌに配置
した４０×８０×ｔ８ｍｍの対象物（ｓｓ４１鋼板）に
衝突させ、表面層の残留応力値をＸ線応力計測により求
めたもので、口径ｄと距離Ｌの比（Ｌ／ｄ）、およびノ
ズルの走査速度Ｖによる残留応力値の比較を行っている
。

【００３２】図３において、走査速度Ｖが０．４ｍ／ｍ
ｉｎ　、１０ｍ／ｍｉｎ　のいずれの場合でも比（Ｌ／
ｄ）を５００とした０．５ｍの距離に対象物を配置した
場合に最大の残留応力が発生しており、走査速度Ｖが０
．４ｍ／ｍｉｎ　の場合には、残留応力値が１５０ＭＰ
ａ　（１５ｋｇ／ｍｍ２に相当）に達していることが判
る。この残留応力のレベルは同程度の圧力から得られた
単純な水の連続流の吹き付けからは達成できないもので
ある。

【００３３】なお、本実施例では、水道水を常温でその
まま用いたが、さびの発生を抑制するためには種々の防
錆材を混合したり、防錆油をそのまま用いるのが好まし
いと考えられる。ただし、■液体の表面張力が低いと気
泡が消失する際に開放されるエネルギ−も小さくなる、
■価格が安く使用済み液体の処理が容易である、観点か
らは、やはり水道水が有利である。

【００３４】なお、本実施例では、７００ｋｇ／ｃｍ２
の高圧水を採用したが、気泡の押潰によるエネルギ−の
開放を利用した本発明によれば、さらに低い圧力でも残
留応力の改善効果が得られている。

【００３５】図４は、本発明の別の実施例の部分的な模
式図である。ここでは、噴射流中にキャビテ−ションに
よる気泡を発生するノズルの別の例および対象物の部分
が拡大されて示される。

【００３６】図４において、対象物８に対向させたノズ
ル１Ｂは、流路の断面積が出口側で急に細くなるもので
、高圧水は急に細くなった部分ｂで圧力を急に減じてキ
ャビテ−ションによる気泡を発生する。また、ノズル１
Ｂ以外の部分は図１の実施例と同一な構成であって、各
部材には同一な符号を付し、説明を省略する。

【００３７】このように構成された残留応力改善装置に
おいて、ノズル１Ｂは、高圧部ａの高圧水を、部分ｂを
通過させる際に対象物８に向って加速して噴射速度にま
で高めると同時に、噴射流の内部に多数のキャビテ−シ
ョンによる気泡を発生して分散させる。また、ノズル１
Ｂから噴射された高速の連続流は、対象物８により堰止
められて高圧力の衝突部分ｆを形成し、該圧力が衝突部
分ｆの内部に分散した無数の気泡を押潰する。

【００３８】ノズル１Ｂから噴射された高速流は、図１
の実施例の場合と同様に、キャビテ−ションの気泡が偏
在して不安定な領域ｃと、気泡がほぼ均一に分散されて
次第に成長する安定領域ｅとに分割される。キャビテ−
ションの気泡の押潰によるエネルギ−を最大限に取り出
すためには、気泡の成長度、分散の程度に依存した適当
な距離Ｌに置く必要がある。本実施例の場合、口径ｄと
距離Ｌの比（Ｌ／ｄ）が２００程度で好ましい効果が得
られた。

【００３９】

【発明の効果】本発明の請求項１の表面残留応力の改善
方法は、連続流の衝突エネルギ−そのものを利用するの
ではなくて、専ら液体中の微細な気泡の消失に伴って発
生するエネルギ−を利用し、高速流の液体粒子は堰止め
による高圧力が気泡の押潰に十分な程度のもので良いか
ら、高速流の液体粒子が比較的に低速度かつ低圧力であ
るにもかかわらず、より効率的で高い残留応力の改善効
果が得られる。また、流速に関する制約が緩いから、水
中での作業も可能である。

【００４０】本発明の請求項２および３の表面残留応力
の改善方法は、連続流の衝突エネルギ−を利用する従来
のショット・ピ−ニングと比較して、ノズルから試料表
面までの距離を大きく取れ、該距離による残留応力の改
善効果のばらつきも比較的に小さいから、該距離を保つ
ための倣い作業も簡単なものでよく、操作の繰返し再現
性が高く、効果の信頼性にも優れる。

【００４１】本発明の請求項４の試料表面の残留応力改
善装置は、連続流の衝突エネルギ−そのものを利用する
のではなくて、専ら液体中の微細な気泡の消失に伴って
発生するエネルギ−を利用し、液体粒子は堰止めによる
高圧力が気泡の押潰に十分な程度のもので良いから、液
体粒子が比較的に低速度であるにもかかわらず、より効
率的で高い残留応力の改善効果が得られる。

【００４２】本発明の請求項５の試料表面の残留応力改
善装置は、例えば、比較的に簡単な構成（高圧ポンプと
ノズル）により、高速な液体流を発生すると同時に気泡
を発生し分散させているから、装置全体の構成とその操
作が簡略化され、小型化や自動化も容易である。また、
ノズルに与える負荷は金属板に与える負荷に比べて無視
できるレベルであるから、通常の安価な材料をノズルに
採用することができ、普通の水道水をそのまま使用する
ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の試料表面の残留応力改善装置
の模式図である。

【図２】図１の実施例の部分的な模式図である。

【図３】図１の実施例の効果を説明するための線図であ
る。

【図４】本発明の別の実施例の部分的な模式図である。

【符号の説明】

１　　ノズル ２　　ノズルヘッド ３　　駆動機構 ４　　高圧ホ−ス ５　　高圧ポンプ ６　　制御装置 ７　　タンク ８　　対象物 ａ　　高圧部 ｂ　　加速部 ｃ　　不安定領域 ｅ　　安定領域 ｆ　　衝突領域

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　多数の気泡を分散させた液体粒子の高
   速流を試料表面に衝突させ、該気泡を押潰させてなるこ
   とを特徴とする表面残留応力の改善方法。
2. 【請求項２】　　請求項第１項の方法において、圧力を
   高めた液体を、経路断面積が出口側で急に細くなるノズ
   ルから噴射し、該ノズルから試料表面までの距離をノズ
   ル口径の１００倍以上隔てて試料表面に衝突させること
   を特徴とする表面残留応力の改善方法。
3. 【請求項３】　　請求項第１項の方法において、圧力を
   高めた液体を、経路断面積が円錐状の先細ノズルから噴
   射し、該ノズルから試料表面までの距離をノズル口径の
   １００倍以上隔てて試料表面に衝突させることを特徴と
   する表面残留応力の改善方法。
4. 【請求項４】　　液体を試料表面に向って加速する加速
   手段と、加速前の該液体中に気体を溶解または分散させ
   る気泡供給手段と、からなることを特徴とする試料表面
   の残留応力改善装置。
5. 【請求項５】　　液体を圧縮する圧縮手段と、圧縮され
   た液体を噴射させる噴射手段と、噴射と同時に液体中に
   気体を分散させる気泡供給手段と、からなることを特徴
   とする試料表面の残留応力改善装置。