JP2002120153A - ショットピーニング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明では、必要とするピーニング幅を自由に
調節でき、且つノズルの設定方向に対し任意の角度を有
する面のピーニング施工が可能なショットピーニング装
置を提供することが目的である。 【解決手段】本発明によるショットピーニング装置は、
図１のごとく、ショットを噴射するノズル３の先端に、
少なくとも１個の拡散体６を備えた角筒型のディフュー
ザ５を設けた。この拡散体６は、ショットが噴射するデ
ィフューザ開口部１２を閉塞しないように、幅，厚み方
向に間隙１０を持って、ディフューザ５の内面に固定さ
れる。拡散体６を複数個設ける場合は、それぞれに異な
った頂点角度を持たせる。さらに、ディフューザ５の周
囲にショット回収ヘッドを併設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば原子炉圧力
容器内の構成部材であるシュラウドの溶接部にショット
ピーニングを行うことにより表面層を塑性変形させ、溶
接部の表面層に残存している引張り残留応力を圧縮残留
応力に転換させ、さらに表面層を硬化して強度を上げ、
表面改質を行うためのショットピーニング装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ショットピーニングは鋼球あるいはセラ
ミックスなどからなるショットを被施工部位に衝突さ
せ、被施工部位に塑性変形を与えて圧縮残留応力を与
え、加工硬化させることにより構造物の表面改質を行
う。これにより応力腐食割れの原因となる引張り残留応
力を除去し、応力腐食割れを防ぐことができ、さらに加
工硬化とあいまって、疲労，摩耗及びキャビテーション
等に対する強度向上を図ることができる。

【０００３】従来のショットピーニング装置は、ショッ
ト供給部にショットを搬送するためのホースを接続し、
そのホースの他端にショットを噴射するためのノズルを
供えている。ノズルは円筒形で、その中心孔は前記ホー
スの内径に比し小径化を図っている。ショットはショッ
ト供給部から圧縮気体により搬送され、ノズル中心孔か
ら噴出されるときに圧縮気体とともに高速に加速され
る。これにより、ショットは被施工部位に塑性変形を発
生させるに十分な運動エネルギーを得て被施工部位に衝
突し、ショットピーニングが行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のショットピーニ
ング装置は、円筒形のノズルの中心孔からショットを噴
出し、直接被施工部位に衝突させている。この場合、ノ
ズル中心孔はショット搬送ホースの断面積よりも十分に
小さく絞り、ショットの高速化を計っている。そのた
め、ノズルから噴出したショットは、ノズル中心孔の直
径を起点とし、飛翔過程で自然拡散した円錐形の範囲に
限定される。したがって、広い領域を施工するには多数
回の走査が必要となる。これらは、原子炉内の構造物に
ピーニングを施工する場合など、作業者の被爆低減，工
数低減のためにピーニング施工時間を極力短時間にした
い場合に問題となってくる。

【０００５】また、被施工部位に十分な圧縮残留応力を
与えるには、ノズルから噴射したショットを十分に高速
加速し、かつ、可能な限り被施工面に直角に衝突させる
ことが必要である。そのためにはノズルから被施工面ま
での適正な噴射距離を保ちつつ、ノズルの中心線を被施
工面に向けてショットを噴射する必要がある。しかしな
がら、例えば原子炉内の構造物などにおいては、装置の
設定が困難な狭隘かつ複雑形状部が多数存在し、前記の
噴射距離やショットの衝突角度などの必要条件が確保で
きない場合がある。さらに、ノズルの中心線に対して直
角方向の領域についてもピーニング施工が必要な場合が
存在することもある。

【０００６】このように、従来のショットピーニング装
置ではピーニング施工幅が狭く、さらに狭隘部あるいは
ノズルの中心線方向に対して側面となる直角方向のピー
ニングをすることが困難であった。

【０００７】本発明では、必要とするピーニング幅を自
由に調節でき、且つノズルの設定方向に対し任意の角度
を有する面のピーニング施工が可能なショットピーニン
グ装置を提供することが目的である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のショットピーニ
ング装置のディフューザは、角筒状又は偏平状の形状を
有し、内側に拡散体を備えている。ディフューザには中
心軸の延長上にノズルを取り付け、ノズルにはショット
供給部から圧縮空気に混入したショットを搬送するホー
スが取り付けられている。本発明は、ノズルの中心孔か
ら噴射した一部のショットをディフューザ内に設けた拡
散体に衝突させ、ショットの飛散方向を所定の方向に屈
折させ、他の一部のショットは拡散体に衝突することな
く、直接施工体に衝突させてピーニングを行うものであ
る。

【０００９】拡散体の頂点角度は、ディフューザ又はノ
ズルの中心軸に対してショット衝突面を左右対称な角度
に設置することにより、ディフューザ又はノズルの設定
中心に対して左右対称な領域をピーニングすることがで
きる。また、ショット衝突面の角度を上記中心軸に対し
て非対称に設定すれば、上記設定中心に対して非対称領
域をピーニングすることができる。また、複数個の拡散
体を設ける場合は、それぞれの拡散体の拡散面角度をそ
れぞれ変化させることにより施工強度の均質化が図れ
る。

【００１０】さらに、箱型ディフューザの、ショットが
屈折（反射）して噴出する方向の面を切欠いて開放し、
拡散体の拡散面角度を適切に選定することによって、ノ
ズルの中心線方向に対して側面となる直角方向の領域の
ピーニングが可能となる。

【００１１】さらに、ディフューザの周囲にショット回
収ヘッドを設けることにより、ピーニングが終了したシ
ョットを回収できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例を示す
ショットピーニング装置の概略構成及びノズル周辺の断
面図、並びにディフューザを拡大した一部切欠き図であ
る。全体構成を図１（ａ）に示す。このショットピーニ
ング装置は、ショット供給部１に、ホース２を接続し、
該ホース２の他端にノズル３を挿入したノズルホルダ４
を連結し、ショット噴射側にディフューザ５を備える。

【００１３】ノズル３はショットの衝突による消耗を避
けるため、一般にセラミックスあるいは硬質の鋼が用い
られ、その中心孔は、ショット搬送ホース２の内径より
も小径として、空気とショットの混合物の噴射速度の高
速化を図っている。ディフューザ５はショットの噴射方
向に向かって広角の角筒型とし、内面に拡散体６を設け
ている。拡散体６は、ショットの衝突による消耗を避け
るため、セラミックスあるいは硬質の鋼が適している。

【００１４】図１（ｂ）にディフューザ５の一部切欠き
図を示す。ディフューザ５は板材の曲げ加工あるいは溶
接で角筒型を形成し、ノズルホルダ４に溶接７で接続す
る。ディフューザ５の内面には、断面が三角形をした角
度の異なる拡散体６ａ，６ｂの頂部を、ショットが噴射
されるノズル３に向け、ショットが衝突しその流路を変
える拡散面８ａ及び８ｂの２面を投射方向に向かって扇
状に広角とした。拡散体６ａ及び６ｂはディフューザ５
の外側からボルト９で固定されており、両者の間は、間
隙１０を持たせている。

【００１５】ショットピーニングは、ショット供給部１
から噴出された、圧縮空気とショットの混合物を、ホー
ス２を介してノズル３に搬送し、流速を増大させてディ
フューザ５に噴射させる。ディフューザ５内に噴射され
たショットの一部はノズル３から直接施工体１１に、他
の一部は拡散体６ａ及び拡散体６ｂに衝突し、流路を変
えられてディフューザ開口部１２より施工体１１に衝突
することにより、ピーニングを行う。

【００１６】ピーニング処理を終えたショットは、ブラ
シ１３を先端に備えた回収ヘッド１４により、バキュー
ム吸引によって回収ホース１５を介して回収部１６に回
収され、再利用可能なショットと再利用不可能なショッ
ト及び粉塵などを分別する。

【００１７】図２は、本発明の他の実施例を示すショッ
トピーニング装置におけるディフューザの一部切欠き図
である。ノズル３を収納したノズルホルダ４に、角筒型
のディフューザ５を溶接などにより接続するのは図１と
同じであるが、本実施例では拡散体６ａ及び拡散体６ｂ
は、拡散面をそれぞれ８ａ，８ｂの一面とし、ディフュ
ーザ５にはディフューザ開口部１２の他に、側面開口部
１７を設けた。拡散体６ａ及び６ｂは間隙１０を設け、
ディフューザ５の内面にボルト９で固定した。

【００１８】次に、図３により本発明の他の実施例につ
いて説明する。図３は、ショットピーニング装置の施工
対象部位の例として、Ｔ継手のすみ肉溶接部について示
したものであり、Ｔ継手及びショットピーニング装置を
縦断面及び一部断面であらわした。Ｔ継手には、２つの
部材１８ａ及び１８ｂを溶接して形成された溶接金属１
９、及びその周辺に溶接熱影響部２０が存在する。

【００１９】ショットは、ショット搬送ホース２からノ
ズル３に送られ、加速されてディフューザ５に向けて噴
出する。噴出したショットの一部は、前記ディフューザ
５の内部に設けた拡散体６の拡散面８に衝突し、飛翔方
向を変えてショット群２１ａおよびショット群２１ｂと
なってピーニング施工体１１の表面に衝突する。あるい
は、さらに一部のショットは、拡散体６ａと拡散体６ｂ
間の、間隙１０を通過し、拡散体６に衝突することなく
ショット群２１ｃとして施工体１１に直接衝突する。こ
れによって、図３（ｂ）に示すＡ点からＢ点の範囲にあ
る部材１８ａ及び１８ｂ，溶接金属１９及び溶接熱影響
部２０のピーニングを行う。

【００２０】ピーニングが終わったショットは、ディフ
ューザ５を包み込むように設けられたショット回収ヘッ
ド１４及びそれに取り付けられた回収ホース１５により
回収される。前記ショット回収ヘッド１４の先端には、
金属細線の集合体であるショット回収ブラシ１３を設け
て、周囲への飛散防止とショットの再利用を図ってい
る。

【００２１】次に、図４を用いて拡散体の作用を説明す
る。図４（ａ）及び図４（ｂ）はショットの流れを示し
た模式図である。図４（ａ）は拡散体６の一つの拡散面
８の作用を示したものである。ノズル３から噴射された
ショットは、拡散体６の拡散面８に入射角度θ１の角度
で衝突した後、反射角度θ２の角度で屈折（反射）し
て、施工体１１に衝突する。つまりθ１≒θ２であり、
施工範囲の外側「Ｙ」点は、拡散面８の長さ、施工体１
１までの距離、及び拡散面角度θ３などで決定される。
拡散面角度θ３は、図４（ａ）に示すように、ノズル３
の中心線と拡散面８とで形成される角度である。換言す
れば、拡散面角度θ３は、拡散体６の頂点角度の半分に
相当する。施工範囲の内側「Ｘ」点は、ノズル３のショ
ット噴射孔から拡散面８の底辺への延長線が施工体１１
の施工面と交わる位置に相当する。この「Ｘ」点から
「Ｙ」点までの範囲が、拡散体６の一つの拡散面８によ
ってピーニングされる施工幅となる。

【００２２】図４（ｂ）は、拡散面角度θ４を持つ拡散
体６ａと、拡散面角度θ５を持つ拡散体６ｂを設けた場
合におけるピーニング施工範囲を模式的に示したもので
ある。拡散体６ａによって屈折されたショットはショッ
ト群２１ａとなり、拡散体６ｂで屈折されたショットは
ショット群２１ｂとなり、それぞれ施工体１１に衝突す
る。

【００２３】拡散体にショットが衝突すると、その影と
なる領域はショットが回り込み難く、施工強度が得られ
ない場合がある。これに対して、拡散体６ａと拡散体６
ｂの間にショットの流れが遮られない間隙１０を設け、
ショット群２１ｃとして直接施工体１１にショットを衝
突させてピーニングを行う。未施工部を残さず、ムラな
く広範囲にわたってショットピーニングを行うために
は、図４（ｂ）に示す拡散体６ａの拡散面角度θ４及び
拡散体６ｂの拡散面角度θ５を施工範囲に応じて適切に
選定すれば良い。

【００２４】他の実施例を図５を用いて説明する。図５
（ａ）は、ショットピーニングの適用対象の一例であ
る、原子炉の圧力容器と炉心シュラウド構造物の部分縦
断面図である。原子炉圧力容器２２とサポートプレート
２３は溶接により接合されており、サポートプレート２
３にはジェットポンプ２４あるいは分解点検時の足場な
どが固定されている。

【００２５】図５（ｂ）はこのようなショット噴射ノズ
ルの中心線を、施工面に直角に設定できないような狭隘
部のショットピーニングの実施例として、図２に示すデ
ィフューザを用いた施工例を示す。ディフューザ５は圧
力容器２２とジェットポンプ２４の間に沿って設置す
る。ノズル３から噴射されたショットは、拡散体６ａ，
６ｂおよび間隙１０によりショット群２１ａ，２１ｂお
よび２１ｃとなって、ディフューザ開口部１２および側
面開口部１７から施工体に衝突し、「Ａ」点から「Ｂ」
点の範囲のショットピーニングを行うものである。

【００２６】図６は本発明によるディフューザの他の実
施例を示す。図６（ａ）及び（ｂ）はショットが噴出す
るディフューザ開口部１２の形状とショットピーニング
施工範囲の関係を模式的に示したものである。図６
（ａ）は比較的狭い範囲を集中的に施工したい場合の構
造であり、断面（開口部）をほぼ正方形としたものであ
る。図６（ｂ）はより広範囲の施工を目的として、施工
幅方向に長方形断面（開口部）としたものである。

【００２７】図６（ｃ）は、拡散体６ａの厚みｔ１，拡
散体６ｂの厚みｔ２、及び間隙１０のギャップｇを異な
る寸法にした構造を示す。拡散体６によって屈折される
ショットの量は、該拡散体の板厚にほぼ比例する。した
がって、ディフューザ開口部１２の全厚みに対し、拡散
体６及び間隙１０の厚みを適切に選定することにより、
全施工範囲のなかでも、特に強調して施工したい部位に
対するショットピーニングが可能となる。

【００２８】図６（ｄ）は、複数個の拡散体の設置要領
について示す。拡散面８の角度をそれぞれ変化させた４
対の拡散体６ａ〜６ｄはディフューザ５内の一面に重ね
てボルト９にて固定し、他方の一面は間隙１０を設け
た。本方法により、施工むらの少ない、より均質なピー
ニング施工面を得ることができる。

【００２９】図７は本発明の効果を試験片にて確認した
結果である。施工条件は、施工体である試験片には、原
子炉内構造物に用いられている材料に相当する耐食耐熱
超合金ＮＣＦ６００を用い、ノズルから施工体までの噴
射距離を１９０mm，圧縮空気圧力０.５ＭＰａ，ショッ
ト粒径０.４mm，ノズルの走行速度を４００mm／min と
してピーニングを行った。なお、試験片の表面は、全面
に予め平面研削を施し引っ張り残留応力２００ＭＰａ〜
３００ＭＰａを付与しておいた。本測定例のディフュー
ザは、拡散体を２個設け、一方の拡散体は頂点角度が６
０°、高さが３０mm、他の拡散体は頂点角度が２５°、
高さを５５mmとし、いずれもノズル中心軸に対して左右
対称構造である。

【００３０】評価試験は、ピーニング施工中心から走行
方向と直角方向の表面残留応力分布をＸ線法により測定
した。その結果、引張り残留応力が圧縮残留応力に改善
される範囲は、従来法では施工中心から約３０mm程度で
あったのに対し、本発明では７０mm以上の範囲がほぼ均
一に圧縮残留応力に改善できていることを確認した。

【００３１】

【発明の効果】請求項１の発明では、ショット拡散体を
備えたディフューザをノズルの先端に設けたことによ
り、広範囲にショットピーニングが施工できる。また、
ノズルから噴射されたショットが、角筒状（又は偏平
状）のディフューザの内面に沿って通過して噴射される
ため、すべてのショットが目的とするピーニング施工面
に向けて投射されることになり、施工効率が増大する。

【００３２】請求項２の発明では、拡散体の影になって
ショットが届かない、いわゆる未施工部が残存しない。

【００３３】請求項３の発明では、ショットが衝突して
屈折する拡散面の角度を、多段に変化させた複数個の拡
散体を設けたことにより、拡散ショットを広範囲に、均
一に分散し、ピーニング施工むらの少ないショットピー
ニングができる。

【００３４】請求項４の発明では、ディフューザの中心
線上からその直角方向までも含めた領域のショットピー
ニングが可能となる。さらに、ディフューザの中心が必
ずしも施工部に向いていなくてもよいので、複雑な構造
物の狭隘部へのディフューザ挿入が容易となる。

【００３５】請求項５の発明では、ピーニング施工後の
ショットが周囲へ飛散するのを防止でき、さらにショッ
トの回収効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるショットピーニング装置の一実施
例を示す図で、（ａ）はショットピーニング装置の概略
構成及びノズル周辺の断面を示す図、（ｂ）はディフュ
ーザの一部切欠き図である。

【図２】本発明によるショットピーニング装置の他の実
施例におけるディフューザの一部切欠き図である。

【図３】本発明によるショットピーニング装置をＴ継手
のすみ肉溶接部に施工した一実施例を示す図で、（ａ）
は施工状態を示すノズル周辺の一部切欠き図、（ｂ）は
ノズル周辺の縦断面図である。

【図４】本発明によるショットピーニング装置における
拡散体の作用の説明図で、(ａ)は拡散体の一つの拡散面
の作用を示す図、（ｂ）は異なる拡散面角度を有する２
つの拡散体によるピーニング施工範囲を示す図である。

【図５】本発明によるショットピーニング装置を原子炉
圧力容器とサポートプレートの溶接部に施工した一実施
例を示す図で、（ａ）は施工状態を示す図、（ｂ）はノ
ズル周辺の縦断面図である。

【図６】本発明によるディフューザの他の実施例を示す
図で、（ａ）はディフューザの開口部が概略正方形の場
合、（ｂ）はディフューザの開口部が長方形の場合、
（ｃ）は厚みが異なる２つの拡散体を設置した場合、
（ｄ）は拡散面の角度が異なる４つの拡散体を設置した
場合をそれぞれ示す。

【図７】本発明による残留応力改善効果の説明図で、
（ａ）は本発明の施工条件、(ｂ)は従来型の施工条件、
（ｃ）は本発明及び従来型のピーニング施工後における
表面残留応力の測定例をそれぞれ示す。

【符号の説明】

３…ノズル、５…ディフューザ、６…拡散体、１０…間
隙、１２…ディフューザ開口部、１３…ブラシ、１４…
回収ヘッド。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石川 哲也 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 榎本 邦夫 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 日立エンジニアリングコンサルティング株 式会社内 (72)発明者 大城戸 忍 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 林 英策 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 斉藤 正之 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ショット供給部と、該ショット供給部側に
   一端が接続されたホースの他端に接続されたノズルと、
   前記ノズルのショット噴射側に設けられ噴射したショッ
   トを取り囲むように構成されたディフューザとを備え、 前記ディフューザは、その断面が偏平状又は角筒状に形
   成され、施工対象側に向かって末広となっており、施工
   対象側先端部の内部に少なくとも１つのショット拡散体
   を設けたことを特徴とするショットピーニング装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記ショット拡散体は
   １個又は複数個の拡散体で構成され、その厚さの総和が
   該厚さ方向における前記ディフューザの内側開口幅以下
   で、前記拡散体の幅が該幅方向における前記ディフュー
   ザの内側開口幅以下となるように構成されていることを
   特徴とするショットピーニング装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記ショット拡
   散体は複数個の拡散体で構成され、該複数個の拡散体は
   異なる頂点角度を有することを特徴とするショットピー
   ニング装置。
4. 【請求項４】請求項１乃至３の何れかにおいて、前記デ
   ィフューザは角筒型をなし、該ディフューザはその先端
   部側面にも開口部を有することを特徴とするショットピ
   ーニング装置。
5. 【請求項５】請求項１において、金属細線または非金属
   細線の集合体であるブラシを先端に備えたショット回収
   ヘッドが前記ディフューザを取り囲むように設けられ、
   該ショット回収ヘッドにショットと空気を吸引する回収
   ホースが連結されていることを特徴とするショットピー
   ニング装置。