JP2957976B2 - 金属材料の残留応力改善方法 - Google Patents

金属材料の残留応力改善方法

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JP2957976B2 JP24413097A JP24413097A JP2957976B2 JP 2957976 B2 JP2957976 B2 JP 2957976B2 JP 24413097 A JP24413097 A JP 24413097A JP 24413097 A JP24413097 A JP 24413097A JP 2957976 B2 JP2957976 B2 JP 2957976B2
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孝一 黒沢
英世 斉藤
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浩 辻村
邦夫 榎本
丈典 進藤
浩三 市江
英明 酒井
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属材料の残留応力改
善方法に係り、特に大気中でウォータージエットピ−ニ
ングを実施して金属材料に存在する引張残留応力を改善
して応力腐食割れを防止するのに好適な金属材料の残留
応力改善方法に関する。
【0002】
【従来の技術】オーステナイトステンレス鋼などの金属
材料は高温水中に置かれた場合その溶接部またはその近
傍において応力腐食割れが発生することは一般的に知ら
れている。応力腐食割れは発生要因として材料、応力、
環境の因子が重畳した条件下で生ずるとされている。材
料因子としてはCr炭化物が結晶粒界へ析出してその周
囲に耐食性の劣るCr欠乏層が形成されることに因る鋭
敏化、応力因子としては溶接や加工によって材料内部に
残留する引張残留応力、環境因子としては高温水中の溶
存酸素量などが挙げられる。応力腐食割れはこれらの三
因子が重畳した条件下で発生することから、これら三因
子の中から一つの因子を取り除くことにより防止するこ
とが可能である。
【0003】残留応力改善手段として特開昭62−63
614号公報に記載されている従来技術は、残留応力改
善対象物である熱交換器等の管の内部に高圧液体ジェッ
トを噴出する回転ノズル部を有する高圧水ショットピー
ニング装置を挿入し、前記回転ノズルより高圧の液体ジ
ェットを噴出し、ジェットそのものの軸動圧エネルギー
(ジェット噴流の軸方向動圧エネルギー)で前記管内面
をピーニングすることにより、前記管に元々存在してい
た引張残留応力を圧縮残留応力に転化するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、熱交
換器等の管内面の残留応力を改善する方法として有効な
方法ではあるが、この方法は大気中にてノズルから噴出
する液体ジェットを金属部材の表面に当て、この衝撃エ
ネルギーで前記金属部材表面をピーニングするものであ
り、この技術は大気中でウォータージェットの軸動圧を
利用したものであってウォータージェットの噴出圧力の
みに頼った方法であるため、例えば水中でこの技術を利
用した場合には、周囲水の抵抗があること、ウォーター
ジェットが周囲水と同相であるため拡散が速いこと等の
ため噴流軸動圧力は減衰し、ピーニング効果を有効に得
ることは難しく、大気中噴流と同等の軸動圧を得るに
は、超高圧でのウォータージェット噴出が必要となり、
ポンプ及び関連機器のコスト面で不利になる。
【0005】本発明の目的は、大気中にある金属材料の
表面に水中と同等な雰囲気中で圧縮残留応力を効果的に
付与できる金属材料の残留応力改善方法を提供すること
にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の特徴は、第1噴出口及びこの第1噴出口を取り囲む
第2噴出口を有するノズルを用い、大気中に位置する前
記ノズルの前記第1及び第2噴出口からそれぞれ液体流
を噴出させ、前記第1噴出口から噴出される第1液体流
は、前記第2噴出口から噴出される、局部的液体環境を
形成する第2液体流によって取り囲まれており、前記第
1液体流は前記第2液体流よりも高速であってキャビテ
ーション気泡を含み、これらの第1及び第2液体流を、
大気中にある金属材料の表面に当て、前記キャビテーシ
ョン気泡の崩壊により生じる衝撃力によって前記金属材
料に圧縮残留応力を発生させることにある。
【0007】
【作用】大気中に位置するノズルの第1噴出口から噴出
される第1液体流は、第2噴出口から噴出される、局部
的液体環境を形成する第2液体流によって取り囲まれて
いるので、第2液体流によって、第1液体流を中心とし
て液体が存在する液体環境が大気中に局部的に作り出さ
れる。第1噴出口から第2液体流よりも高速の第1液体
流を第2液体流内に噴出させて、周囲の第2液体流との
速度差及び圧力差によりキャビテーション現象を発生さ
せる。このように本発明は、大気中で局部的に液体中と
同等な環境を形成してキャビテーション現象を起こすこ
とができる。 ウォータージェットである第1液流体の
噴出によるキャビテーション現象によって発生するキャ
ビテーション気泡は、成長して、大気中に存在する金属
材料の表面に衝突し崩壊する。この時、キャビテーショ
ン気泡は崩壊の速度が極めて大きく、気泡が壊滅してし
まったその中心核では、極めて高い水撃圧力が発生す
る。この水撃圧力により金属材料の表面に局部的高圧力
分布と降伏点以上の歪みが発生し、金属材料の表面は打
ち伸ばされて塑性変形し四方に膨張する。この時、上記
打ち伸ばされた表面部分の周囲に存在する金属材料の表
面部分には、圧縮された弾性ひずみ領域が形成される。
上記打ち伸ばされた表面部分には該周囲の弾性ひずみ領
域により押し返されて圧縮残留応力が発生する。なお、
ウォータージェットそのものの軸動圧衝撃力も上記作用
に寄与する。
【0008】
【発明の実施の形態】図1、図2は、残留応力改善のた
めのウォータージェットピーニングを大気中で行う本発
明の好適な一実施例である金属材料の残留応力改善方法
に用いられる係る金属材料の残留応力改善設備および、
それに用いるノズルを示している。水流は超高圧ポンプ
17により加圧され、ホース2及び導水管15を通り、
大気中でノズル8より金属材料4の表面に噴出される。
このとき、ノズル移動機構14により金属材料4との距
離を一定に保ちながらノズル8を水平方向に移動させ
る。この移動速度は超高圧ポンプ17とともに制御装置
にて最適値に制御される。ノズル8は、図2に示すよう
にノズル8の中心部にウォ−タ−ジェットピーニング用
の水流噴出口9を有し、この外周部に水流噴出口9を取
り囲む複数の水流噴出口10を有する。これらの水流噴
出口10より水流11を噴出することによって、水流噴
出口9を中心として仮想の水槽中に水が存するが如き水
領域が、大気中に局部的に形成される。この水領域中
に、水流11の速度より高速で水流噴出口9から高圧の
ピーニング用ウォータージェット12を噴出させる。ピ
ーニング用ウォータージェット12は、水流噴出口9の
出口部の径が小さいため、共鳴振動してキャビテーショ
ン気泡13を発生させる。このようなピーニング用ウォ
ータージェット12は、大気中にもかかわらず、後述の
実施例に示す水中でのウォータージェットピーニングと
同様に、金属材料4の表面をピーニングして圧縮残留応
力を付与することができる。
【0009】なお、図2に示したノズルにおいて、中心
部のピーニング用噴出口9を取り囲んでいる複数の水流
噴出口10は、ピーニング用噴出口9を取り囲む一つの
リング状噴出口の形に合体してもよい。
【0010】以下、ウォータージェットピーニングの他
の適用例を図3〜図5により説明する。図3は、本適用
例で用いるウォータージェットピーニング設備の図で、
水中で金属材料のウォータージェットピーニングを行う
状況を示している。水流は高圧ポンプ1により加圧さ
れ、ホース2及び導水管15を通り、ノズル3より金属
材料4の表面にウォータージェットとして噴出される。
金属材料4はタンク16内の水中に浸漬されており、ノ
ズル3はこの水中にてウォータージェットを噴出する。
このときノズル移動機構14により金属材料4との距離
を一定に保ちながらノズルを移動させ、その移動速度は
高圧ポンプ1とともに制御装置にて最適値に制御され
る。ノズル3は、図4に示すようにホーン型ノズル(特
開昭60−18554号公報参照)である。ノズル3を
通る水流は、オリフィス部5にて流速を増し、オリフィ
ス部5の下流にて軸心に対して末広がりのテーパを形成
したホーン部6より水中に噴出される。このときウォー
タージェットは、オリフィス部5及びホーン部6にて速
度及び圧力が大きく変化し、キャビテーション現象を誘
発して多数のキャビテーション気泡7を発生させる。キ
ャビテーション気泡7は、金属材料4の表面に衝突して
崩壊する際に水撃圧力を発生させる。この水撃圧力は、
金属材料4の表面をピーニングしその部分に圧縮残留応
力を付与する。なお、ウォータージェット自体の動圧衝
撃力も上記作用に寄与する。
【0011】図5に示すグラフは、水中でのウォーター
ジェットピーニングの結果としての残留応力を表わした
もので、水深0.3mに浸漬されたSUS304製の板
状金属試験片に前述のホーン型ノズルにより700kg
/cm2 のウォータージェットを噴出し、キャビテーシ
ョン気泡を発生させ、試験片のピーニングを行った結果
を示している。グラフ中のdはノズル口径、Lはノズル
から試験片までの距離を示している。また、グラフの縦
軸は、ウォータージェットピーニングの結果として得ら
れた残留応力の値(圧縮応力はマイナス値で示す)を表
わしている。図5に示されるように、L/d=20〜3
0において最大の残留応力改善効果(約50kg/mm
2 の圧縮残留応力)を生じる。
【0012】比較のため、従来型のジェットノズルを使
用し、大気中でSUS304製試験片にウォータージェ
ットピーニングを施す実験を行った。この場合は大気中
であることからキャビテーション気泡の崩壊による水撃
圧力の効果は期待できずウォータージェットの軸動圧エ
ネルギーを高める必要性があり、噴射圧力を3000k
g/cm2 と高めに設定した。また、L/dは試験片の
壊食(エロージョン)を避けるためにL/d=300と
設定した。噴出圧力3000kg/cm2 で5.2kg
/mm2 の残留圧縮応力が得られた。この残留圧縮応力
の値は、本適用例による水中でのキャビテーションを利
用したウォータージェットピーニングの場合のそれに比
べて低い数値である。このことから本適用例のキャビテ
ーションを利用したウォータージェットピーニングは残
留応力改善に有効な技術である。
【0013】
【発明の効果】本発明によれば、大気中にある金属材料
の表面に水中と同等な雰囲気中で圧縮残留応力を効果的
に付与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である大気中で行う金属材料
の残留応力改善方法に用いられる金属材料の残留応力改
善設備の構成図である。
【図2】図1で用いるノズルを示し、(a)は断面図、
(b)はその下面図である。
【図3】ウォータージェットピーニングの他の適用例で
ある水中で行う金属材料の残留応力改善方法に用いられ
る金属材料の残留応力改善設備の構成図である。
【図4】図3の設備に用いられるホーン型ノズルの断面
図である。
【図5】図3の設備を用いて残留応力改善を行った金属
材料に生じた残留応力を示すグラフである。
【符号の説明】
2…ホース、 4…金属材料、
8…ノズル、 9…ピーニング
用噴出口、10…外周部噴出口、 11
…水流、12…ウォータージェット、 13…
キャビテーション気泡、14…ノズル移動機構、
15…導水管、17…超高圧ポンプ。
フロントページの続き (72)発明者 黒沢 孝一 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 斉藤 英世 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 沼田 孝幸 茨城県日立市弁天町三丁目10番2号 日 立協和エンジニアリング株式会社内 (72)発明者 辻村 浩 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 榎本 邦夫 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 進藤 丈典 広島県呉市宝町2−9号 バブコック日 立株式会社呉工場内 (72)発明者 市江 浩三 富山県魚津市本江2410番地 株式会社ス ギノマシン内 (72)発明者 酒井 英明 富山県魚津市本江2410番地 株式会社ス ギノマシン内 (56)参考文献 特開 昭62−63614(JP,A) 特開 平1−11799(JP,A) 特開 昭60−25658(JP,A) 特開 昭61−159373(JP,A) 特開 昭62−28175(JP,A) 実開 昭60−183156(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B24C 1/10 B24C 5/04 C21D 7/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1噴出口及びこの第1噴出口を取り囲
    む第2噴出口を有するノズルを用い、大気中に位置する
    前記ノズルの前記第1及び第2噴出口からそれぞれ液体
    流を噴出させ、前記第1噴出口から噴出される第1液体
    流は、前記第2噴出口から噴出される、局部的液体環境
    を形成する第2液体流によって取り囲まれており、前記
    第1液体流は前記第2液体流よりも高速であってキャビ
    テーション気泡を含み、これらの第1及び第2液体流
    を、大気中にある金属材料の表面に当て、前記キャビテ
    ーション気泡の崩壊により生じる衝撃力によって前記金
    属材料に圧縮残留応力を発生させる金属材料の残留応力
    改善方法。
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