JP3349386B2 - 管内面の液ジェットピーニング施工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は特に小径管または配
管等の中空管内面に対して、溶接等で生じた引っ張り残
留応力を改善する液ジェットピーニングの施工方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、液中にてノズルから噴射する
キャビテーションを伴う高速水噴流を金属材料表面に直
接衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、その衝
撃圧で金属材料表面部の残留応力を解放するウォーター
ジェットピーニング法は公知であり、かかるウォーター
ジェットピーニング法は例えば図７に示すように水流を
加圧する高圧ポンプ１０１、加圧された高圧水をノズル
１０３に導く高圧ホース１０２、ウオータジェットを噴
出するホーン型ノズル１０３、水を充満したタンク１０
４、ノズル１０３を機械部品等５の表面と平行に移動さ
せるノズル移動機構１０７、これらの制御を行う制御装
置１０８より構成されており（特開平４−２４００７３
号参照）、水中に埋没させたノズル１０３をタンク１０
４内で機械部品等５の表面と平行移動させながら、該機
械部品等５の表面にキャビテーションを伴った高速水噴
流６を直接噴射し、機械部品等５の表面でのせき止め効
果による高圧力で噴射流中のキャビテーション気泡を崩
壊させて、その気泡の崩壊による衝撃力で機械部品等５
を叩いて材料降伏点以上の歪を局部的に起こさせる事に
より表面圧縮残留応力を付与し、残留応力の改善を行な
う。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従ってかかるウォータ
ージェットピーニング法は、前記したようにキャビテー
ションを伴った高速水噴流を機械部品等に直接噴射し
て、試料表面でのせき止め効果による高圧力でキャビテ
ーション気泡を押しつぶす方法であるが、エロージョン
を避けるためにノズルと試料表面との距離（スタンドオ
フ距離）を充分とる（特開平４−２４００７３号ではノ
ズル口径の１００倍以上）必要があり、スタンドオフ距
離を大きく取りにくい小口径管内面などには直接適用で
きないという課題がある。

【０００４】本発明はかかる技術的課題に鑑み、スタン
ドオフ距離を大きく取りにくい小口径管内面などに容易
に適用可能な中空管内面の残留応力を除去する為の液ジ
ェットピーニング施工方法を提供する事を目的とする。
即ち本発明の第１の目的は、ノズルを機械部品表面に向
けようとしても、ノズルと機械部品表面との距離が充分
取れない小径配管その他の中空管内面の液ジェットピー
ニング施工方法を提供する事にある。本発明の他の目的
は簡単なノズル構成にて、キャビテーションを伴う高速
液噴流を管内周面に周方向に均一に噴射することの出来
る中空管内面の液ジェットピーニング施工方法を提供す
る事にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる技術的課
題を達成する為に、請求項１記載の発明では、ノズルを
前記中空管の管軸方向に向けてキャビテーションを伴う
高速液噴流（以下ジェットという）を噴出し、その下流
側に管内流路断面積を漸次縮小して圧力を上昇させる
（流路閉塞効果）とともに流路を管内壁面近傍に限定す
る円錐形抵抗体（第１の抵抗体）を配置し、この位置で
キャビテーション気泡を崩壊させる方法である。

【０００６】即ち、請求項１記載の発明は、液が充満し
た中空管内に配置したノズルから噴射するキャビテーシ
ョンを伴うジェットを管内面に直接衝突させてキャビテ
ーション気泡を崩壊させ、その衝撃圧で中空管内面の残
留応力除去を行う管内面の液ジェットピーニング施工方
法において、前記中空管管軸方向に向けたキャビテーシ
ョンを伴うジェットを噴出するノズルと、該ノズルの下
流側に、管内流路断面積を漸次縮小して圧力を上昇させ
るとともに流路を管内壁面近傍に限定する第１の抵抗体
とを配置し、前記第１の抵抗体配設位置近傍又は／及び
その下流側の管内壁面近傍でキャビテーション気泡を崩
壊させる事を特徴とするものである。

【０００７】かかる発明によれば、管内でノズルより噴
出されたキャビテーション気泡は、下流へ行くに従って
配管中心と頂部が一致した第１の抵抗体の流路閉塞効果
による周囲圧力の上昇と、第１の抵抗体（円錐部）で流
路が管内壁面近傍に限定される効果により、気泡が配管
内壁面近傍で崩壊して壁面に局所的な衝撃圧が作用し、
中空管内面の残留応力が円滑に除去される。

【０００８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の更に好ましい方法を示すもので、第１の抵抗体（円
錐部）の液流れ方向底面に管内壁と平行な周面を有する
第２の抵抗体（円柱部）を延設したことを特徴とし、こ
れにより管内壁と第２の抵抗体（円柱部）との間で流路
断面が狭いことによる増速効果（即ち圧力低減効果）と
前記第１の抵抗体（円錐部）と第２の抵抗体（円柱部）
との境界となる角部で流れが剥離する事による局所的な
低圧部の発生によって上流部で崩壊しきれなかった、ま
たは崩壊後に残留した微細なキャビテーション気泡を核
として、再びキャビテーションを生成（２次キャビテー
ション）させ、その下流側でキャビテーション気泡を崩
壊させることが出来るものである。

【０００９】かかる発明によれば、第１の抵抗体の底面
部（流れ方向下流端）を管内壁面と平行に延設した円柱
部等の第２の抵抗体を用いるもので、噴流は第１の抵抗
体（円錐部）での縮流後、管内壁と平行な第２の抵抗体
（円柱部）において流路断面が狭いために流れが速く、
第１の抵抗体（円錐部）と第２の抵抗体（円柱部）の境
界となる角部で流れが剥離する事による局所的な低圧部
が発生し、第１の抵抗体（円錐部）で崩壊しきれなかっ
た、または崩壊後に残った微細なキャビテーション気泡
が核となって、２次キャビテーションが生成し、このキ
ャビテーション気泡が流れの再付着点近傍で静圧上昇に
より崩壊して管内壁面に局所的な衝撃圧を生成する。こ
れらの２つまたはどちらか１つのメカニズムでキャビテ
ーション気泡を管内壁面近傍で崩壊させ、その局所的衝
撃圧の作用により、管内壁表面層に適度な弾、塑性変形
を発生せしめ、引っ張り残留応力を低減または解放す
る。

【００１０】尚、本発明に用いる中空管には断面円形の
ほか断面方形、若しくは多角形状の管路内面を対象とす
る場合もあり、この場合は第１の抵抗体は円錐部のほか
三角錐、方形錐のものを用いる事になり、又第２の抵抗
体も円柱部に限定する事なく、三角柱、方形柱、多角形
柱のものを用いる。又本発明には噴流に水を用いるのが
一般的であるが、これのみに限定される事なく、油、エ
マルジョンその他の液体を用いてもよい。

【００１１】さて前記発明においては、キャビテーショ
ン生成手段として、ノズルとその下流側に設置した円錐
抵抗体（第１の抵抗体）により配管内の流路を縮小する
とともに流路を管内壁面近傍に限定して、壁近傍でキャ
ビテーション気泡を崩壊させ、衝撃圧を得るようになっ
ているが、かかる方式ではノズルと円錐抵抗体との相互
の軸心の一致及びこれらの部材と中空管との相互の軸線
の一致を図らなければ管内壁面に均一に衝撃圧を付与す
る事が出来ない。しかしながら小径管内に、ノズルと円
錐抵抗体との組立体をかなりの精度で軸心と一致するよ
うに中空管内に挿入する必要が有り、その段取作業が煩
雑化する。又、前記軸心精度のバラツキが生じていても
前記ノズルを外部動力を用いて周方向に回転運動を付加
するように構成する事により、管内周方向に均一に衝撃
圧を付与する事が可能になるが、かかる構成を取る事
は、ノズル周辺装置が複雑かつ重くなる。

【００１２】このような場合は、小口径配管内面周方向
に均一にウォータージェットピーニングを施工する為
に、ノズルの回転動力にジェット噴き出し時の反動力を
利用してノズルを周方向に回転させキャビテーションを
伴うジェットを周方向に均一に噴射するために、ノズル
噴出孔を管軸線に対し周方向に離隔し且つ該噴出孔より
の噴流噴出角度を周方向に傾けることにより、前記噴流
により周方向の反動力成分を生じさせ、該反動力により
前記ノズルを回動させながらジェットを噴出させるのが
よい。

【００１４】又、前記液ジェットピーニング施工方法に
好適に使用されるノズルとして、ノズル噴出孔を管軸線
に対し周方向に離隔し且つ該噴出孔よりの噴流噴出角度
を周方向に傾けて穿設したノズルヘッドと、前記噴出孔
より噴出される噴流の周方向の反動力成分により前記ノ
ズルヘッドを回動可能に支持するヘッド支持部とにより
構成したノズルを用いるのがよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例
に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相
対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発
明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例
にすぎない。図１は、本発明の第１の実施形態である小
径管内面へのウォータージェットピーニング施工例の全
体構成を模式図で示したものである。図１において、高
圧ポンプ１は高圧ホ−ス２とノズル移動用駆動機構７及
び剛性のノズル取付配管１０を通してノズル部３に接続
され、水没または内部に水を満たした、施工対象となる
小径中空管８の中にノズル孔３ａと中空管８の管軸線を
一致させながら挿入される。４はタンクである。

【００１６】高圧ポンプ１により加圧された水は、高圧
ホ−ス２とノズル移動用駆動機構７を経てノズル部３に
供給され、ノズル部３より該高圧水を管軸線方向に噴出
しながらノズル部３から噴射するキャビテーションを伴
うジェット６を管内面に直接衝突させてキャビテーショ
ン気泡を崩壊させ、その衝撃圧で中空管８内面の残留応
力除去を行う。また、ノズル移動用駆動機構７により、
ノズル部３を管軸方向に走査および円周方向に回転する
事により小径中空管８の管内周面に均一にジェットを衝
突させて残留応力除去、即ちウォータージェットピーニ
ングを施工する事ができる。

【００１７】尚、図２は、図１のホーン型ノズル部３の
構成を示したもので、請求項１に対応する実施形態を示
す。ノズル部３は円柱形状をなし、中心軸線上にノズル
孔３ａを穿設するとともに、その出口側をテーパ状に開
口３ｂさせる。ノズル部３の噴流噴き出し側には、円錐
形状の抵抗体１１が円錐頂部をノズル孔３ａ出口側に対
面させて、一対のステー９により両者が一体的に取り付
けられている。ステー９は管軸線と平行に延設され、ノ
ズル部３外周面と円錐形状の抵抗体１１基部に夫々固設
して抵抗体１１の円錐頂部をノズル部３のノズル孔３ａ
軸線と一致させている。

【００１８】かかる構成において、ノズル部３よりキャ
ビテーションを伴う高速水噴流６（ジェット）を噴出す
ると円錐抵抗体１１と中空管８内面の間隔が小さくなる
円錐抵抗体１１の配設位置近傍の施工位置１２では、円
錐抵抗体１１の流路閉塞効果による圧力上昇で円錐抵抗
体１１近傍でキャビテーション気泡が崩壊するが、その
キャビテーション気泡の崩壊は、管内面に近い距離で崩
壊するため、中空管８内壁面に効果的に衝撃圧が得ら
れ、その衝撃力で管内面５を叩いて材料降伏点以上の歪
を局部的に起こさせる事により表面圧縮残留応力を付与
し、残留応力の改善を行ない得る。

【００１９】図３は、図２と同様の構成で請求項２の実
施形態を示したものである。ノズル部３の噴流噴き出し
側には、円錐部１３Ａの底面に円柱部１３Ｂが一体的に
固設された抵抗体１３が円錐頂部をノズル部３のノズル
孔３ａ出口側に対面させて、一対のステー９により取り
付けられている。ステー９は前記実施例と同様に、ノズ
ル部３外周面と抵抗体１３周面に夫々固設して抵抗体１
３の円錐頂部をノズル部３のノズル孔３ａ軸線と一致さ
せるものであるが、図面上手前側のステー９は省略させ
ている。

【００２０】次に本実施形態の作用を説明すると、本実
施形態では、図２で説明した円錐部１３Ａでのキャビテ
ーション気泡崩壊に加えて、中空管８内壁と円柱部１３
Ｂとの間で流路断面が狭いことによる増速効果（即ち圧
力低減効果）と前記円錐部１３Ａと円柱部１３Ｂとの境
界となる角部１３Ｃで流れが剥離する事による局所的な
低圧部１４の発生によって上流部（円錐部１３Ａ）で崩
壊しきれなかった、または崩壊後に残留した微細なキャ
ビテーション気泡を核として、再びキャビテーションを
生成（２次キャビテーション）させ、このキャビテーシ
ョン気泡がその下流側での圧力回復で周囲圧が上昇する
事により気泡を崩壊させ管内壁面に局所的な衝撃圧を生
成する。

【００２１】従って本実施形態によれば、前記１次若し
くは２次キャビテーションの崩壊メカニズムでキャビテ
ーション気泡を円錐部１３Ａと円柱部１３Ｂが位置する
管内壁面近傍で崩壊させ、その局所的衝撃圧の作用によ
り、管内壁表面層に適度な弾、塑性変形を発生せしめ、
引っ張り残留応力を低減または解放させるものである。

【００２２】図５は、図３の実施形態に用いる具体的な
装置構成を示し、ホーン型ノズル３は、内径１４．３ｍ
ｍのステンレス鋼管に対してノズル外径φ８ｍｍ、ノズ
ル穴径１ｍｍの寸法を有する円柱形状をなし、ノズル孔
３ａ出口側をテーパ状に開口３ｂさせる。ステー９は２
ｍｍ角のものを３本用い、周方向に１２０°間隔で、管
軸線と平行に延設され、ノズル部３外周面と円錐部１３
Ａの底面に円柱部１３Ｂが一体的に固設された抵抗体１
３の外周面に夫々半田付け若しくはＴＩＧ溶接にて固設
して抵抗体１３の円錐頂部をノズル部３のノズル孔３ａ
軸線と一致させている。抵抗体１３の円錐頂部はその角
度を６０°に設定し８φｍｍの外径を以て形成され、ノ
ズル部３との距離が１００ｍｍになるようにステー９長
さを設定し、請求項２及び図３に対応する実施形態を採
用している。

【００２３】図４は、かかる装置を用いて噴射圧力４０
０ｋｇｆ／ｃｍ²、噴射時間１０分で内径１４．３ｍｍ
のステンレス鋼管に対してウォータージェットピーニン
グを施した場合の表面残留応力をＸ線応力計測装置によ
り計測した結果である。尚、供試管（ステンレス鋼管）
は熱処理により初期状態では残留応力が殆ど除去され、
材料表面で僅かに引っ張り側（プラス側）に４０〜１１
０ＭＰａ程度となっている。図４により、表面近傍
（０．０５ｍｍ）において最大残留応力が圧縮側（マイ
ナス側）に−４４０ＭＰａ（約４５００ｋｇｆ／ｃ
ｍ²）に達しており、充分な衝撃圧が得られている事が
わかる。

【００２４】図６は本発明に関連する管内面ウォーター
ジェットピーニングノズルの一例を示したものである。
図６においてノズル部２０は、噴出孔２２を有するノズ
ルヘッド２１とノズル軸２６の先端に設け、前記ノズル
ヘッド２１を回転自在に支持するヘッド支持部３１とよ
りなる。ノズルヘッド２１は偏平円錐台状に形成した頂
面の左右テーパ面に穿孔した一又は複数のノズル噴出孔
２２を有するヘッド本体２３と、該ヘッド本体２３の基
側に螺着され、ヘッド支持部３１と回転自在に係合させ
るノズルチップ部２４からなる。そして前記ノズル噴出
孔２２は、管軸線に対し周方向に離隔し且つ該噴出孔２
２よりの噴流噴出角度を周方向に傾けることにより、前
記噴流により周方向の反動力成分を生じさせるように穿
設している。

【００２５】すなわちノズル噴出孔２２はノズル軸２６
中心軸線（Ｃ−Ｃ線）を中心として左右テーパ面に同心
円上に周方向に等間隔に配置し、該ノズル噴出孔２２の
軸心を、ノズル中心軸に対し管内壁面方向に向けて８°
好ましくは１２〜２０°傾け、さらにノズル噴出孔２２
は周方向に４〜１０°程度の角度を有し、この角度によ
りノズル噴出孔２２より噴出されるジェットの反動力成
分が分力として周方向に振り分けられ、これによりノズ
ルヘッド２１が回転しながらジェットを管内壁方向に放
出し、管内面周方向に均一にウォータージェットピーニ
ングを施工できる。ノズルチップ部２４は螺子部により
螺着された外側ノズルチップ２４１と内側ノズルチップ
２４２とにより外輪側にリング状鈎型突起２４３を形成
する。

【００２６】ヘッド支持部３１は前記ノズル軸２６先端
に設けたフランジ面２６１に螺着され、内輪側に前記リ
ング状鈎型突起２４３と係合するリング状鈎型凹部３１
３を形成する中間ノズルチップ３２から構成される。
尚、前記ノズル部の材料はノズル軸２６を除き全て高速
度鋼又はＢ₄Ｃセラミックスとの組合せにより形成され
る。より具体的にはノズルヘッド本体２３は、噴出孔２
２よりジェットが噴出されるために、摩耗を避けるため
にＢ₄Ｃセラミックスを用いるのがよく、他の部位は加
工性の面より高速度鋼を用いるのがよい。

【００２７】そしてノズル軸２６より高圧水がノズル部
２０内に導入されるとその圧力によりノズルヘッド２１
が前方に移動し、その一壁面がヘッド支持部３１側の主
回転摺動面３３と当接し、リング状鈎型突起２４３とリ
ング状鈎型凹部３１３が係合した状態で、ノズル噴出孔
２２よりのジェットによりノズルヘッド２１に周方向の
反動力成分を生じさせ、該反動力により前記ノズルヘッ
ド２１を回動させながら管内面に向けジェットを噴出さ
れ、そして管内面近傍でキャビテーション気泡が崩壊す
るため、中空管８内壁面に効果的に衝撃圧が得られ、そ
の衝撃力で管内面５を叩いて材料降伏点以上の歪を局部
的に起こさせる事により表面圧縮残留応力を付与し、残
留応力の改善を行ない得る。

【００２８】

【発明の効果】以上記載のごとく本発明により、スタン
ドオフ距離を大きく取りにくい小口径管内面などに容易
に適用出来、該小径管内へのウォータージェットピーニ
ングの施工が可能となった。特に本発明によれば、ノズ
ルを機械部品表面に向けようとしても、ノズルと機械部
品表面との距離が充分取れない小径配管その他の中空管
内面の液ジェットピーニング施工方法を効果的に提供出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の請求項１に対応する第１の実施形態の
全体構成を示した模式図である。

【図２】図１の要部を説明する模式図で、（Ａ）は平面
図、（Ｂ）は正面図である。

【図３】本発明の請求項２に対応する第２の実施形態の
ノズル部を説明する模式図である。

【図４】本発明の効果を説明するためのグラフ線図であ
る。

【図５】図４に用いられる液ジェットピーニング装置を
具体化した模式図である。

【図６】本発明に関連する技術のノズルの断面図（Ａ）
と右側面図（Ｂ）である。

【図７】従来の液ジェットピーニングの全体構造図を示
した模式図である。

【符号の説明】

３ ノズル部 ４ タンク ６ キャビテーションを伴った高速液噴流 ８ 施工対象となる中空管 ９ ステー １０ ノズル取付配管 １１ 円錐抵抗体（第１の抵抗体） １２ 施工位置 １３ 円錐部（第１の抵抗体）１３Ａと円柱部（第
２の抵抗体）１３Ｂを有する抵抗体 １４ 剥離キャビテーション ２０ ノズル部 ２２ 噴出孔 ２１ ノズルヘッド ２３ ヘッド本体 ２４ ノズルチップ部 ２６ ノズル軸 ２４１ 外側ノズルチップ ２４２ 内側ノズルチップ ２４３ リング状鈎型突起 ３１ ヘッド支持部 ３１３ リング状鈎型凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榎本 健次 兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−63614（ＪＰ，Ａ) 特表 平７−505575（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24C 1/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液が充満した中空管内に配置したノズル
   から噴射するキャビテーションを伴う高速液噴流を管内
   面に直接衝突させてキャビテーション気泡を崩壊させ、
   その衝撃圧で中空管内面の残留応力除去を行う管内面の
   液ジェットピーニング施工方法において、 前記中空管管軸方向に向けたキャビテーションを伴う高
   速液噴流を噴出するノズルと、該ノズルの下流側に、管
   内流路断面積を漸次縮小して圧力を上昇させるとともに
   流路を管内壁面近傍に限定する第１の抵抗体とを配置
   し、前記第１の抵抗体配設位置近傍又は／及びその下流
   側の管内壁面近傍でキャビテーション気泡を崩壊させる
   事を特徴とする管内面の液ジェットピーニング施工方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の液ジェットピーニング施
   工方法において、 前記第１の抵抗体の液流れ方向底面に管内壁と平行な外
   周面を有する第２の抵抗体を延設したことを特徴とする
   管内面の液ジェットピーニング施工方法。