JP4831807B2 - 超音波ショットピーニング装置及び超音波ショットピーニング方法 - Google Patents

Description

本発明は超音波ショットピーニング装置及び超音波ショットピーニング方法に関し、壁面（原子炉容器の蓋の下面など）から突起物（管台など）が下方に向かって林立している狭隘な空間であってもショットピーニング施工を行うことができるように工夫したものである。
本発明は、例えば、加圧水型の軽水炉原子力発電設備において、高温水中における応力腐蝕割れが懸念される部位に対してショットピーニング施工をすることにより、当該部位の引張残留応力を有効かつ能率よく低減することができる、超音波ショットピーニング装置及び超音波ショットピーニング方法を提供するものである。

図１６に加圧水型軽水炉の原子炉容器１を示す。
原子炉容器１は、原子炉冷却材圧力バウンダリとしての機能を維持しつつ、燃料集合体２を収納し、熱水を発生する。このとき、蓋３に取付けられている制御棒駆動装置４により制御棒５の位置を調整することにより、燃料集合体２の発熱量（出力）が制御され、熱水の温度制御がされる。

原子炉冷却材圧力バウンダリにはニッケルクロム鉄合金材（６００合金）が各部位に用いられている。この材料は、高温の加圧水型軽水炉一次系水中において高い引張応力が生じている場合、応力腐蝕割れが発生する可能性がある。このため、製造時の溶接等に伴う引張残留応力を低減し、当該部の発生応力の低減化が必要とされている。

図１７に加圧水型軽水炉の原子炉容器１の蓋３を示す。ニッケルクロム鉄合金製の制御棒駆動軸ハウジング（以下「管台」と略称）６は、蓋３を上下方向（鉛直方向）に沿い貫通している。この管台６内にはサーマルスリーブ７が挿通されており、サーマルスリーブ７の下端には口金（ファネル）７ａが備えられている。ただし、新設の蓋３に施工する際は、サーマルスリーブ７の下端にファネル７ａがない場合もある。制御棒駆動装置の制御棒駆動軸は、管台６のサーマルスリーブ７内に収納されている。
なお、図１７は、蓋３が原子炉容器１から取り外されて架台Ｋ上に載せた状態を示している。

管台６と蓋３とは、蓋３の下面（内面）側で溶接されている（以下この溶接部分をＪ溶接部８と略称する）。制御棒駆動軸を収納する管台６は、原子力発電設備の出力容量により異なり、１００万キロワットクラスでは６０本以上に達し、林立した状態で蓋３に取付けられている。
なお、Ｊ溶接部８は、溶接部分の形状が「Ｊ」形になっているので、このように「Ｊ溶接部」と称呼されている。

図１８に管台６のＪ溶接部８の近傍を示す。ニッケルクロム鉄合金製の管台６は、蓋３を貫通した状態でこの蓋３の下面側に突き出ており、その付け根でニッケルクロム鉄合金の溶接金属で蓋３に溶接され固定されている。Ｊ溶接部８は溶接したままの状態であり、溶接残留応力が存在する状態で一次系水に長時間にわたり晒される。この結果、Ｊ溶接部８において、溶接金属およびその周辺の応力腐蝕割れが懸念されている。

Ｊ溶接部８の残留応力改善（低減）法の一つにショットピーニング法が考えられ、溶接金属および溶接金属に隣接する原子炉容器蓋の下面と管台の外周面の領域がピーニングの対象となる。

このようなピーニング施工の対象領域は以下のような、特別な条件・状態がある。
（１）新設の場合はもちろん、既設の原子力発電設備においても、蓋は定期検査時には原子炉容器から取外され、気中で施工する必要がある。
（２）管台が林立し、施工に利用できる空間が狭隘。
（３）蓋の下面（内面）の対象領域は、管台の上蓋における位置により、蓋下面の姿勢（勾配）が水平姿勢から大きく変化する。また蓋の下面と管台の外周面との交差点の位置も異なり、かつ同一の管台でもその周囲位置によっても異なる。
（４）管台の外周面の対象領域は、蓋の下面の姿勢と大きく異なる鉛直姿勢である。
（５）引張残留応力場は、蓋の下面は管台の外周面から数１０ｍｍ、管台の外周面は蓋の下面から下方数１０ｍｍと広範囲にわたっている。

図１９は、一般に利用されている従来のショットピーニング法である。図１９に示すように、ノズル２０にエア２１とショット２２を供給し、ショット２２をエア２１で搬送し、施工対象物２３に投射する。施工対象物２３にショット２２を投射すると、施工対象物２３の表面近傍に塑性ひずみが付与されて、表面近傍の残留応力が改善（低減）する。

図１９に示す、従来のショットピーニング法では、ショット２２は気体（エア２１）で搬送するため、ショット２２の直径は、通常０．２〜０．３ｍｍ程度の小径である。

図１９に示す従来のショットピーニング法では、次のような問題がある。
（１）付与する塑性ひずみは、ショットの運動エネルギーに依存する。従来のショットピーニング法では、ショット２２の直径が小さいためショット２２の運動エネルギーが小さく、表面からの残留応力改善層は比較的浅い。
（２）ショットが小径のため飛行中の減速が著しく、投射距離（対象物までの距離）は比較的短い範囲に限られる。
（３）また、投射後の多数の微細なショット２２が粉塵となり、多くの粉塵が発生する。このため粉塵（投射後のショット２２）が原子力発電設備に異物となって残留し、原子力発電設備の機能を損なう可能性があるとともに、作業環境の劣化を招く欠点がある。

特開２００４−１６９１００

上述したように、図１９に示すショットピーニング法にて、Ｊ溶接部の残留応力低減を図る場合には、次の問題がある。
（１）適正投射距離（ノズルと施工対象物との間の距離）が高々数１０ｍｍであるため、ピーニングヘッドを、林立する管台の狭隘な間隙に挿入・位置決めする必要があり、装置が複雑となって、その製作が困難。
（２）残留応力の改善は、その信頼性を得るため表面からある程度の深さまで必要であるが、本法の特性からこの要求達成が困難。
（３）粉塵の発生は避けられず、原子力発電設備の異物として残留する可能性がある。

本発明は、上記従来技術に鑑み、上記のような特別な条件・状態があるＪ溶接部のように、突起物が林立して狭隘な空間であっても、高能率で効果的なショットピーニング施工ができる超音波ショットピーニング装置及び超音波ショットピーニング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の構成は、
壁面とこの壁面から下方に突出している突起物からなる施工対象物に対してショットピーニング施工する超音波ショットピーニング装置であって、
水平状態に配置されている板状の部材であり、上下方向に貫通する回収孔が形成されると共に、上面は回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜面となっているディスクと、
超音波発振素子と振動子とで構成されており、前記振動子が前記ディスクに形成された前記回収孔に下方側から挿入されている超音波ピーニングヘッドと、
前記ディスク及び前記超音波ピーニングヘッドを一体として水平面内で回転させる回転機構と、
前記ディスクの外周面に接しつつこの外周面を囲う状態で配置された筒状をなし、上縁は前記壁面のうちショットピーニング施工をする部分の傾斜と同じ傾斜になっているチャンバーと、
前記チャンバーを昇降移動させるチャンバー昇降機構と、
前記ディスクと前記チャンバーで囲う空間に装填されたショットと、
を有し、
しかも、前記ディスクに形成した前記回収孔の上縁部分には、前記回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜となっている勾配面が形成され、しかも、前記勾配面の傾斜角度は前記ディスクの上面の傾斜角度よりも急になっていることを特徴とする。
また本発明の構成は、上述した超音波ショットピーニング装置を用いて、超音波ショットピーニング施工を行うことを特徴とする。

また本発明の構成は、
原子炉容器の蓋の下面と、前記蓋を上下方向に貫通する管台の外周面を、前記蓋の下面側で溶接した当該溶接部分及び当該溶接部分に隣接する面に対してショットピーニング施工する超音波ショットピーニング装置であって、
ベース板と、
前記ベース板の上面に配置されて水平面内で回転する回転機構と、
前記回転機構上に立設された支持部材と、
前記支持部材により水平状態で支持されている板状の部材であり、中央部には前記支持部材の上部または前記管台に嵌合する取付孔が形成されると共に、上下方向に貫通する回収孔が形成され、上面は回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜面となっているディスクと、
前記支持部材により支持されると共に、超音波発振素子と振動子とで構成されており、前記振動子が前記ディスクに形成された前記回収孔に下方側から挿入されている超音波ピーニングヘッドと、
前記ディスクの外周面に接しつつこの外周面を囲う状態で配置された筒状をなし、上縁は前記蓋の下面のうちショットピーニング施工をする部分の傾斜と同じ傾斜になっているチャンバーと、
前記チャンバーを前記ベース板に対して昇降移動させるチャンバー昇降機構と、
前記ディスクと前記チャンバーで囲う空間に装填されたショットと、
を有し、
しかも、前記ディスクに形成した前記回収孔の上縁部分には、前記回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜となっている勾配面が形成され、しかも、前記勾配面の傾斜角度は前記ディスクの上面の傾斜角度よりも急になっていることを特徴とする。
また本発明の構成は、上述した超音波ショットピーニング装置を用いて、超音波ショットピーニング施工を行うことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記超音波ピーニングヘッドにより上方に、超音波ピーニングヘッドにより弾き出されたショットが衝突して反射する位置に配置されており、反射後のショットの進行方向を変更する反射板を備えていることを特徴とする。
また本発明の構成は、上述した超音波ショットピーニング装置を用いて、超音波ショットピーニング施工を行うことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記回転機構は、回転を開始し始めてから予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止し、一定時間が経過したら再び回転して予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止する、という間欠的な回転動作を繰り返すことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記ディスクの前記上面の上方に配置されており、下方から投射された前記ショットをガイドして無用な拡散を抑制するとともに、上方から落下してきた前記ショットをガイドして前記回収孔内に直接落下させる仕切り板を備えていたり、
この仕切り板により、下方から投射された前記ショットをガイドして無用な拡散を抑制するとともに、上方から落下してきた前記ショットをガイドして前記回収孔内に直接落下させたり、
上方から落下してきた前記ショットをガイドして前記回収孔内に直接落下させるため、筒状を成し軸方向の中央位置から上方に向かうに従い内径が漸増すると共に軸方向の中央位置から下方に向かうに従い内径が漸増するショット案内を、前記ディスクの前記回収孔の上方位置に配置していることを特徴とする。
また前記仕切り板は、前記回収孔を間に挟んで相対面する状態で配置された一対の仕切り板であったり、
前記仕切り板は、前記回収孔よりも外周側に配置された一枚の仕切り板であることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記振動子の上面であるヘッド面には、上方に向かって凸となった曲率、または、下方に向かって凹となった曲率が付与されていることを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記ディスクに設置されており、前記ディスクに生じる衝撃振動を検出する衝撃センサを備えたことを特徴とする。

また本発明の構成は、
前記振動子の上面であるヘッド面は、円形、または、矩形、または台形であることを特徴とする。

本発明の超音波ショットピーニング装置及び超音波ショットピーニング方法によれば、壁面（原子炉容器の蓋の下面など）に密接するチャンバーと、落下してきたショットを回収するディスクと、壁面，突起物（管台等），チャンバー及びディスクで囲んだ空間内に、回収したショットを弾き出す超音波ピーニングヘッドを備えているため、壁面（原子炉容器の蓋の下面など）から突起物（管台など）が下方に向かって林立している狭隘な空間であっても、壁面や突起物に対して、効果的にショットピーニング施工を行うことができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下に説明する。
図１は本発明の実施例の原理構成を示すものである。この超音波ショットピーニング装置３０は、超音波ピーニングヘッド３１と、チャンバー３２と、ショット３３を主要部材として構成されている。

超音波ピーニングヘッド３１は、超音波発振素子であるピエゾ素子３１ａと、ピエゾ素子３１ａが発振した振動を増幅するブースターとして機能する振動子３１ｂとで形成されている。振動子３１ｂの上端は、チャンバー３２の下端に挿入されている。チャンバー３２は、このチャンバー３２の内周面と、振動子３１ｂの上端面であるヘッド面と、施工対象物３５の表面とにより、閉じたピーニング空間を形成する。そして、この閉じたピーニング空間内に、時効処理した析出強化型合金インコネル７１８を材質とした、直径が２〜４ｍｍのショット３３を入れている。

図１に示す超音波ショットピーニング装置３０では、ピエゾ素子３１ａの超音波振動を利用して振動子３１ｂのヘッド面（上端面）からショット３３を、ほぼ鉛直方向に弾き出す。弾き出されたショット３３は、チャンバー３２で区切られた空間内で、施工対象物３５と振動子３１ｂの間で往復運動する。これにより、ショット３３が施工対象物３５の表面に衝突してこの表面近傍に塑性ひずみを付与して残留応力を改善（低減）する。

この超音波ショットピーニング装置３０では、質量の大きい振動子３１ｂの振動によりショット３３を弾き出すため、ショット３３として数ｍｍ径の大径のショットが使用できる。このためショット３３の運動エネルギーが大きく、残留応力改善は比較的深い位置まで可能である。また数１００ｍｍの長投射距離条件でも施工することができる。

次に本発明の実施例１に係る超音波ショットピーニング装置１００を、図２〜図５を参照して説明する。

＜実施例１全体の主要構成＞
図２に示すように、この超音波ショットピーニング装置１００は、昇降装置であるリフター２００に載置されて昇降されるものであり、上方に持ち上げられた状態で、Ｊ溶接部８及びその近傍をショットピーニング施工するものである。

即ち、原子炉容器の蓋３には、上下方向（鉛直方向）に沿い管台６が貫通しており、この管台６が蓋３の内面側（下面側）から下方に突き出ている。そして、管台６の外周面と蓋３の下面とが溶接されてＪ溶接部８となっている。つまり、蓋３の下面側において管台６と蓋３との溶接が行われてＪ溶接部８となっている。そして、Ｊ溶接部８、及び、蓋３の下面のうちＪ溶接部８の隣接部分、並びに、管台６の外周面のうちＪ溶接部８の隣接部分を、この実施例１に係る超音波ショットピーニング装置１００により、ショットピーニング施工するものである。

超音波ショットピーニング装置１００のベース板１１０は、リフター２００上に載置される。このベース板１１０の上面側には、水平面内で回転する回転機構１２０が配置されている。この回転機構１２０上には、円筒（シリンダ）状の支持部材１３０が立設されており、超音波ショットピーニング装置１００が上方に持ち上げられたときには、サーマルスリーブ７が、支持部材１３０の内部空間に挿通していく。

支持部材１３０の上部には、この支持部材１３０に対して同心状に円環板状のディスク１４０が略水平状態になって環装されている。
ディスク１４０には、図３及び図４にも示すように、上下（鉛直）方向に貫通する１つの回収孔１４１が形成されている。更に、ディスク１４０の上面１４２は、回収孔１４１に近づくに従い下方に下がっていく勾配面となっている。
なお、ディスク１４０は、その中央部分に取付孔１４３が形成されて、円環板状になっている。本実施例１では、支持部材１３０の上部がこの取付孔１４３に緊密に嵌合しているが、図１４に示すように、ディスク１４０を支持部材１３０Ａ上端にて支持しつつ、ショットピーニング施工の際に管台６がディスク１４０の取付孔１４３に緊密に嵌合するような構成にしてもよい。

超音波ピーニングヘッド１５０は、超音波発振素子であるピエゾ素子１５１と、ピエゾ素子１５１が発振した振動を増幅するブースターとして機能する振動子１５２とで形成されている。

この超音波ピーニングヘッド１５０は、支持部材１３０にて支持されており、その振動子１５２の上部が、ディスク１４０の回収孔１４１内に下方側から緊密に挿入されている。そして、振動子１５２の上面であるヘッド面１５３が、回収孔１４１内に臨み、回収孔１４１の下面をヘッド面１５３が塞ぐ状態となっている。
このためピエゾ素子１５１が超音波発振すると、振動子１５２並びにそのヘッド面１５３が、ディスク１４０の回収孔１４１内において、上下（鉛直）方向に振動する。

円筒状のチャンバー１６０は、ディスク１４０の外周面に緊密に接しつつこの外周面を囲う状態で配置されている。このチャンバー１６０は、チャンバー昇降機構１７０により、ベース板１１０に対して昇降移動することができる。図２はチャンバー１６０が上方移動した状態を、図５はチャンバー１６０が下方移動した状態を示す。なお、ディスク１４０の外周面と、チャンバー１６０の内周面とは、緊密に接触している。

チャンバー１６０の上縁は、蓋３の下面のうち、この超音波ショットピーニング装置１００によりショットピーニング施工をする部分を囲む部位の傾斜と同じ傾斜になっている。このため、チャンバー１６０を上昇させ、チャンバー１６０の上縁が蓋３の下面に接触したときに、チャンバー１６０の上縁は隙間無く蓋３の下面に緊密に接触することができるようになっている。更に、チャンバー１６０の上縁には、弾性材からなるシール１８０を備えている。

チャンバー１６０としては、上縁の傾斜が異なる複数種類のものを用意しておき、ショットピーニング施工をする際には、対象部分となる蓋３の傾斜に応じた最適な上縁の傾斜となっているチャンバー１６０を選んで取り付けるようにしている。

ディスク１４０の上面１４２とチャンバー１６０の内周面で囲ってできる空間内には、ショット１９０を装填している。本実施例ではショット１９０として、時効処理した析出強化型合金インコネル７１８を材料とした、直径が３ｍｍのショットを採用している。しかも、各ショット１９０の投影断面積（球形のショットを真半分にカットしたときに現れる円形断面）の和が、振動子１５２のヘッド１５３面の面積の１００〜４００％となるように、ショット１９０の数量を選定している。

このような構成となっている超音波ショットピーニング装置１００の制御動作、並びに、リフター２００の制御動作は、制御装置３００により行われる。制御装置３００は、管台６が林立している蓋３の近くではなく、蓋３から離れた位置に配置しており、制御装置３００と超音波ショットピーニング装置１００は制御ライン（図示省略）により接続されている。

＜実施例１の主要動作＞
このような構成となっている超音波ショットピーニング装置１００によりショットピーニング施工を行う手順ならびに制御動作や機能を説明する。

下方位置にさげたリフター２００上に、超音波ショットピーニング装置１００が載置されている。この超音波ショットピーニング装置１００が、複数の管台６のうちショットピーニング施工の対象となる特定の管台６の真下に位置するように、リフター２００を水平移動する。

このとき、チャンバー１６０としては、そのチャンバー１６０の上縁の傾斜が、施工対象とする特定の管台６の近傍の蓋３の下面の傾斜と同じ傾斜となっているものを取り付ける。
換言すると、上縁の傾斜が異なる複数のタイプのチャンバー１６０を用意しておき、当該施工をするときに、チャンバー１６０の上縁の傾斜が、その施工部分の蓋３の下面の傾斜と同じ傾斜となっているものを取り付ける。
また、チャンバー昇降機構１７０及びチャンバー１６０は下方に位置している。

次にリフター２００を上昇させ、超音波ショットピーニング装置１００を持ち上げる。超音波ショットピーニング装置１００を、図５に示すように、蓋３の近くにまでもちあげたら、リフター２００の上昇を停止させる。このとき、サーマルスリーブ７が、支持部材１３０の内部空間に挿通され、且つ、支持部材１３０の上端が、管台６の下端に当接する状態となる。

次に、チャンバー昇降機構１７０によりチャンバー１６０を上昇させるとともに、超音波ショットピーニング装置１００の方位を、チャンバー１６０の上縁が蓋３の下面に沿うように調整し、図２に示すように、チャンバー１６０の上縁を蓋３の下面に緊密に接触させる。
そうすると、ディスク１４０の上面１４２と、チャンバー１６０の内周面と、蓋３の下面と、管台６の外周面と、支持部材１３０の外周面とで、密閉されたピーニング空間が形成される。

超音波ピーニングヘッド１５０のピエゾ素子１５１を発振させると、質量の大きい振動子１５２が上下方向に振動し、ヘッド面１５３上にあったショット１９０は、ヘッド面１５３から上方に弾き出され、蓋３の下面および管台６の外周面に衝突する。衝突したショット１９０は、弾き返され、勾配を有するディスク１４０上に落下する。落下したショット１９０はディスク１４０の勾配面となっている上面を転がって回収孔１４１内に落ちて回収される。回収されたショット１９０は、超音波ピーニングヘッド１５０のヘッド面１５３にて、再度弾き出され、ショットピーニング施工を持続することができる。

本実施例１では更に、ショットピーニング施工の際に、回転機構１２０により、支持部材１３０を、水平面内で回転させている。これにより、ディスク１４０及び超音波ピーニングヘッド１５０が一体となって水平面内で回転する。

本実施例１では、ディスク１４０及び超音波ピーニングヘッド１５０の回転は、連続的に行うものではなく、間欠的に回転させている。つまり、回転を開始し始めてから予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止し、一定時間が経過したら再び回転して予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止する、という動作を繰り返す。
本実施例１では、前述した「所定角度」を４５°に設定している。

つまり、管台６の周囲を分割し、各位置にピーニングヘッドを位置決めして、蓋３の下面および管台６の外周面をそれぞれピーニング施工する。
即ち、ピーニング施工対象範囲が広く、一括同時施工では均一なピーニングが得られないこともある。そこで３０度ピッチの１２分割、４５度ピッチの８分割、および、６０度ピッチの６分割に区分して試験した結果、ピーニングの均一性および施工能率から４５度ピッチの８分割が最も適正との結果が得られた。
この結果に基づき、蓋３の内周側を０度の回転位置、蓋３の外周側を１８０度の回転位置として、０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５度の各回転位置にピーニングヘッドを位置決めし、蓋３の下面および管台６の外周面を対象にそれぞれピーニング施工する。

図６は、外径が約１００ｍｍの管台の場合において、ディスク１４０の回転ピッチを変えたときの、施工対象物のピーニング施工状態を示すものである。図６（ａ）に示すように回転ピッチが３０°の場合には、施工範囲が重なり過ぎ、図６（ｂ）に示すように回転ピッチが４５°の場合には、施工範囲同士の間隔が適当になり、図６（ｃ）に示すように回転ピッチが６０°の場合には、施工範囲が離れ過ぎていることが分かった。なお、径の異なる管台の場合には、適正な回転ピッチが異なる。

実施例１の超音波ショットピーニング装置１００では、質量の大きい振動子１５２の振動によりショット１９０を弾き出すため、ショット１９０として２〜４ｍｍ径の大径のショットが使用できる。このためショット１９０の運動エネルギーが大きく、残留応力改善は比較的深い位置まで可能である。また数１００ｍｍの長投射距離条件でも施工することができる。

また蓋３の下面の対象領域は、管台６の蓋３における位置（アドレス）により、蓋３の下面の姿勢（勾配）が水平姿勢から大きく変化する。また蓋３の下面と管台６の外周面との交差点の高さ位置は異なり、かつ、同一の管台６であってもその周囲位置によっても異なる。
しかし、この超音波ショットピーニング装置１００では、長投射距離条件でもショット１９０を有効に投射することができるため、施工部分の高さが異なっていても、各施工部分を良好にショットピーニング施工することができる。つまり、施工部分の高さが異なっていても、超音波ピーニングヘッド１５０の高さ位置を上下に調整することのないシンプルな構成であっても、良好なショットピーニング施工をすることができる。

蓋３には突起物である管台６が下方に向かって林立（突出）し、施工に利用できる空間が狭隘であるが、超音波ショットピーニング装置１００を、ほぼ鉛直姿勢に設置しているため、このような狭隘空間であっても、ショットピーニング施工を行うことができる。
また、管台６の外周面は、蓋３の下面の姿勢と大きく異なる鉛直姿勢であり、また引張残留応力場は、蓋３の下面では管台６の外周面から数１０ｍｍ、管台６の外周面は蓋３の内面から下方に数１０ｍｍと広い。本実施例の超音波ショットピーニング装置１００では、このような広範囲なこれらの領域を均一にかつ能率よくショットピーニング施工することができる。

＜実施例１の各部分の工夫＞
更に本実施例１では、必要に応じて、ショットピーニング施工の効率を向上させるために、各部分に工夫をしている。以下に述べる各部分の工夫は、全て備えていてもよいし、一部のみを備えていてもよい。

第１の工夫を、図７〜図９を参照して説明する。図７に示すように、この例では、チャンバー１６０内に一対の仕切り板３０１ａ，３０１ｂを配置している。各仕切り板３０１ａ，３０１ｂは、図示しないポールによりディスク１４０にて支持されており、ディスク１４０の上面１４２の上方に位置している。なお、ポールが上下方向に伸縮して、仕切り板３０１ａ，３０１ｂの高さ位置を調節することもできる。なお、仕切りは全周囲にわたってチャンバー１６０に予め取り付ける場合もある。

図８に示すように、仕切り板３０１ａ，３０１ｂは半径方向に伸びている。また仕切り板３０１ａ，３０１ｂは、周方向に関しては、ディスク１４０の回収孔１４１を間に挟んで斜めに相対面する状態で配置されている。なお、回収孔１４１内には、超音波ピーニングヘッド１５０のヘッド面１５３が臨んでいる。

この例では、超音波ピーニングヘッド１５０のヘッド面１５３から上方に弾き出されたショット１９０は、拡散しつつ飛行し、蓋３の下面および管台６の外周面に衝突した後、弾き返され、勾配を有するディスク１４０の上面１４２を転がって回収孔１４１に回収され、ヘッド面１５３に戻り、ピーニングを持続することができる。

このとき、上述した状態で仕切り板３０１ａ，３０１ｂを設けることにより、ディスク１４０上を転がってピーニングヘッドに戻るショット１９０の他に、上方から落下してきて直接ヘッド面１５３に戻るショット１９０も加わる。
つまり、図９に示すように、ディスク１４０の上面１４２を転がって回収孔１４１に戻るショット１９０ａのみならず、回収孔１４１内に直接落下するショット１９０ｂや、上方から落下してきて仕切り板３０１ａ，３０１ｂにて反射してから（仕切り板３０１ａ，３０１ｂによりガイドされて）１４１内に直接落下するショット１９０ｃも加わる。

振動子１５２によって弾き出されるショット１９０の速度は、ディスク１４０上を転がって回収孔１４１に戻るショット１９０ａよりも、上方から落下して回収孔１４１内に直接入ってヘッド面１５３に衝突するショット１９０ｂ，１９０ｃの方がより速くなる。このように、高速に弾き出されるショット１９０ｂ，１９０ｃが混じるため、結果的にショット１９０が施工対象に与える衝突エネルギーが大きくなり、より多くのピーニング効果が得られる。

また、超音波ピーニングヘッド１５０のヘッド面１５３から上方に弾き出されたショット１９０は拡散して弾き出される特性があるが、仕切り板３０１ａ，３０１ｂがあるため、ショット１９０の不要な拡散が抑制され、ピーニング施工対象領域に衝突するショット１９０が多くなり、この結果、施工能率が向上する。

更に、１枚の仕切り板を、回収孔１４１の外周側に設け、ショット１９０の不要な拡散を防止することもできる。例えば、チャンバー１６０の内径が、ピーニング施工対象領域よりも大きい場合には、仕切り板が無い場合には、弾き出されたショット１９０は広いチャンバー１６０の内部空間に拡散して広がり対象領域に衝突する割合が少なくなる。そこで、このような場合には、回収孔１４１の外周側に仕切り板を設けることにより、ショット１９０の不要な外周側への拡散を防止でき、施工能率が向上する。

第２の工夫では、上述した板状の仕切り板３０１ａ，３０１ｂの代わりに、図１０に示すような、上方及び下方が開いた漏斗状のショット案内３０２を、回収孔１４１の上方位置に配置するようにした。このショット案内３０２では、上方から落下してきたショット１９０を広く集め、集めたショット１９０を、回収孔１４１内に落下させることができる。このため、多数のショット１９０が直接ヘッド面１５３に衝突し、衝突したショット１９０が高速に弾き出される。このため、ピーニング効果が向上する。またヘッド面１５３から投射したショット１９０の拡散を抑制するため、ピーニング効果が向上する。

第３の工夫では、図１１に示すように、ディスク１４０に形成した回収孔１４１のリング状の上縁部分に、勾配面３１０を形成した。この勾配面３１０は、回収孔１４１に近づくに従い下方に下がっていく傾斜となっており、その傾斜角度は、ディスク１４０の上面１４２の傾斜よりも急になっている。

このような勾配面３１０が回収孔１４１の上縁に形成されているので、回収孔１４１内に転がり込んでいくショット１９０は、勾配面３１０にて転がり込み速度が付与される。このため、振動子１５２のヘッド面１５３に落下した、転がり速度が付与されたショット１９０は、落下後にヘッド面１５３の周縁部分のみならず中央部分にも転がる。つまりショット１９０はヘッド面１５３の全面に分散する。

振動子１５２によるショット１９０の弾き出しは、振動子１５２のヘッド面１５３の全面を利用するほど単位時間当たりの弾き出しショット数が多く、効率的となる。この例では、勾配面３１０を形成することにより、ディスク１４０の上面１４２を転がって回収孔１４１内に戻るショット１９０に、転がり込み速度を付与でき、ショット１９０はヘッド面１５３の全面に分散する。この結果、単位時間当たりの弾き出しショット数が多くなる。試験の結果、径６０ｍｍの振動子１５２においては、勾配面３１０の寸法は、高さ１０ｍｍ、水平長２０ｍｍが有効であった。

第４の工夫では、図１２に示すように、超音波ピーニングヘッド１５０の振動子１５２のヘッド面１５３に、上方に向かって凸となった曲率を付与している。
ヘッド面１５３が水平である場合には、ショット１９０は振動子の中心軸上で密度が高くなる傾向にある。そうすると、ムラのあるピーニング施工が行われることがある。この対策に振動子１５２のヘッド面１５３の振幅の変化が５％以内程度の、凸状の曲率を振動子１５２のヘッド面１５３に設けることにより、弾き出されたショット１９０が分散して飛び出し、広範囲にわたり均一性に優れるピーニング分布が得られる。

また図１２とは逆に、超音波ピーニングヘッド１５０の振動子１５２のヘッド面１５３に、下方に向かって凹となった曲率を付与することもできる。
ショット１９０の投射距離が長くなると振動子１５２から弾き出されたショット１９０が拡散する傾向となるため、不要な領域へのピーニングが多くなり、対象領域へのショットが少なくなり、この結果、施工能率を損なう。
そこで、振動子１５２のヘッド面１５３を凹面状にすることによりショット１９０の拡散を抑制でき、施工能率が向上する。

第５の工夫では、ディスク１４０に衝撃センサーを設置し、ピーニング状況を監視する。
多量のショット１９０を装填した場合、超音波ピーニングヘッド１５０が発振してもショット１９０の弾き出しが発生しない場合がある。第５の工夫をすることにより、ショットの挙動を衝撃センサーにより監視することができ、より正確な投射時間管理が可能となる。

次に本発明の実施例２に係る超音波ショットピーニング装置１００Ａを、図１３に基づき説明する。

この超音波ショットピーニング装置１００Ａでは、反射板３５０を備えている。この反射板３５０は、支持体３５１を介してディスク１４０に支持されており、回収孔１４１の上方位置に斜めになって配置されている。しかも、支持体３５１が上下方向位置に移動できるため反射板３５０の高さ位置が調整できると共に、支持体３５１に対して反射板３５０の取付角度が調整できるようになっている。
他の部分の構成は、実施例１と同様であるので、同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

実施例２の超音波ショットピーニング装置１００Ａでは、超音波ピーニングヘッド１５０のヘッド面１５３から鉛直方向上方に弾き出されたショット１９０は、斜め配置された反射板３５０に衝突して反射し、管台６の外周面に向かって進み管台６に効果的に衝突する。つまり反射板３５０により、ショット１９０の進行方向を鉛直方向から管台６側に変えている。このため、管台６の外周面のピーニング施工を確実に行うことができる。

もちろん、管台６のうちＪ溶接部８に近い部分（ピーニング施工が必要な部分）にむけてショット１９０が当たるように、反射板３５０の角度や高さ位置及び管台からの距離の調節を最適に行う。

なお、実施例２においても、実施例１で採用した第１から第５の各種の工夫を採用することができる。

次に本発明の実施例３に係る超音波ショットピーニング装置１００Ｂを、図１４に基づき説明する。実施例３の超音波ショットピーニング装置１００Ｂは、実施例１の超音波ショットピーニング装置１００と、基本構成は同じであるので、同一部分には同一符号を付し重複する部分の説明は省略し、実施例３に特有な部分を中心に説明をする。

実施例３の超音波ショットピーニング装置１００Ｂは、サーマルスリーブ７の下端に、サーマルスリーブ７よりも大径の口金７ａが備えられている場合に適用する装置である。実施例３では、口金７ａが大径であるので、支持部材１３０Ａは、その内部空間の内径が口金７ａの径よりも大きくしている。

またディスク１４０Ａは、周方向にわたる３箇所で分割できるようにしている。即ち、扇形の３枚のディスク片を周方向に沿い連結することにより、リング板状のディスク１４０Ａが形成されている。扇型の３枚のディスク片のうちの１枚には、超音波ピーニングヘッド１５０が取り付けられている。

この超音波ショットピーニング装置１００Ｂを使うには、ディスク１４０Ａ及びショット１９０の封入タイミングが、実施例１のものとは異なる。最初においては（ショットピーニング施工前の準備段階では）、３分割のディスク１４０Ａは、超音波ショットピーニングヘッドが取り付いているディスク片を除いて取り付けておらず、ショット１９０も封入していない。

ディスク１４０Ａのうち残りの２枚のディスク片が取り付けられておらず、かつ、ショット１９０が封入されていない超音波ショットピーニング装置１００Ｂを口金７ａに干渉しないように上昇させていき、口金７ａを通過後にディスク１４０Ａの中心と管台６の中心を揃え、サーマルスリーブ７及び口金７ａが、支持部材１３０Ａの内部空間に挿入される状態にする。

サーマルスリーブ７及び口金７ａが、支持部材１３０Ａの内部空間に挿入される状態になったら、残りの２枚のディスク片を支持部材１３０Ａの上面に取り付けてリング板状のディスク１４０Ａを形成する。このとき、ディスク１４０Ａの取付孔１４３Ａは、管台６の外周面に緊密に嵌合する。

更に、ディスク１４０Ａの上面，チャンバー１６０の内周面，管台６の外周面で囲まれる空間にショット１９０を封入する。
その後に、チャンバー１６０をチャンバー昇降機構１７０により上昇させ、チャンバー１６０の上縁を蓋３の下面に緊密に接触させる。

このようにして、図１４示す状態になったら、超音波ピーニングヘッド１５０を作動させ、ショット１９０により、蓋３の下面及び管台６の外周面に対してショットピーニング施工をする。

なお、実施例３においても、実施例１で採用した第１から第５の各種の工夫を採用することができる。

＜ヘッド面形状の変形例＞
ヘッド面形状の変形例を図１５に基づき説明する。上述した各種実施例では、振動子１５２のヘッド面１５３の形状を円形であることを前提として説明してきたが、矩形状のヘッド面１５３ａや、台形状のヘッド面１５３ｂとしてもよい。

矩形状のヘッド面１５３ａとした場合には、蓋３の下面のピーニング領域はドーナツ状で、これを例えば８分割してピーニング施工する。振動子１５２のヘッド面１５３を円形から矩形にすることにより無効なショットを少なくでき、対象領域へのショットを多くすることができ、施工能率が向上する。

台形状のヘッド面１５３ｂとした場合には、蓋３の下面のピーニング領域はドーナツ状で、これを例えば８分割してピーニング施工する。振動子１５２のヘッド面１５３を円形から台形にすることにより無効なショットをより少なくでき、対象領域へのショットをより多くすることができ、施工能率が向上する。

本発明の超音波ショットピーニング装置及び超音波ショットピーニング方法は、管台が貫通した蓋のＪ溶接部のみならず、壁面とこの壁面から下方に突出している突起物からなる施工対象物に対してショットピーニング施工する場合にも適用することができる。

本発明の実施例の原理を示す構成図。 本発明の実施例１に係る超音波ショットピーニング装置を示す構成図。 ディスクを示す断面図。 ディスク及びチャンバーを示す分解斜視図。 本発明の実施例１に係る超音波ショットピーニング装置を示す構成図。 ディスクの回転角度とショットピーニング施工状態を示す説明図。 仕切り板の取付状態を示す斜視図。 仕切り板の取付状態を示す平面図。 仕切り板の取付状態を示す断面図。 ショット案内の取付状態を示す断面図。 勾配面を備えた回収孔を示す断面図。 凸状の曲率を付与した振動子を示す構成図。 本発明の実施例２に係る超音波ショットピーニング装置を示す構成図。 本発明の実施例３に係る超音波ショットピーニング装置を示す構成図。 各種のヘッド面形状を示す説明図。 原子炉容器を示す構成図。 原子炉容器の蓋を示す構成図。 Ｊ溶接部の近傍を示す構成図。 従来のショットピーニング方法を示す説明図。

符号の説明

３ 蓋
６ 管台
８ Ｊ溶接部
１００，１００Ａ，１００Ｂ 超音波ショットピーニング装置
１１０ ベース板
１２０ 回転機構
１３０，１３０Ａ 支持部材
１４０，１４０Ａ ディスク
１５０ 超音波ショットピーニング装置
１６０ チャンバー
１７０ チャンバー昇降機構
１８０ シール
１９０ ショット
２００ リフター
３００ 制御装置

Claims (16)

1. 壁面とこの壁面から下方に突出している突起物からなる施工対象物に対してショットピーニング施工する超音波ショットピーニング装置であって、
   水平状態に配置されている板状の部材であり、上下方向に貫通する回収孔が形成されると共に、上面は回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜面となっているディスクと、
   超音波発振素子と振動子とで構成されており、前記振動子が前記ディスクに形成された前記回収孔に下方側から挿入されている超音波ピーニングヘッドと、
   前記ディスク及び前記超音波ピーニングヘッドを一体として水平面内で回転させる回転機構と、
   前記ディスクの外周面に接しつつこの外周面を囲う状態で配置された筒状をなし、上縁は前記壁面のうちショットピーニング施工をする部分の傾斜と同じ傾斜になっているチャンバーと、
   前記チャンバーを昇降移動させるチャンバー昇降機構と、
   前記ディスクと前記チャンバーで囲う空間に装填されたショットと、
   を有し、
   しかも、前記ディスクに形成した前記回収孔の上縁部分には、前記回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜となっている勾配面が形成され、しかも、前記勾配面の傾斜角度は前記ディスクの上面の傾斜角度よりも急になっていることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
2. 原子炉容器の蓋の下面と、前記蓋を上下方向に貫通する管台の外周面を、前記蓋の下面側で溶接した当該溶接部分及び当該溶接部分に隣接する面に対してショットピーニング施工する超音波ショットピーニング装置であって、
   ベース板と、
   前記ベース板の上面に配置されて水平面内で回転する回転機構と、
   前記回転機構上に立設された支持部材と、
   前記支持部材により水平状態で支持されている板状の部材であり、中央部には前記支持部材の上部または前記管台に嵌合する取付孔が形成されると共に、上下方向に貫通する回収孔が形成され、上面は回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜面となっているディスクと、
   前記支持部材により支持されると共に、超音波発振素子と振動子とで構成されており、前記振動子が前記ディスクに形成された前記回収孔に下方側から挿入されている超音波ピーニングヘッドと、
   前記ディスクの外周面に接しつつこの外周面を囲う状態で配置された筒状をなし、上縁は前記蓋の下面のうちショットピーニング施工をする部分の傾斜と同じ傾斜になっているチャンバーと、
   前記チャンバーを前記ベース板に対して昇降移動させるチャンバー昇降機構と、
   前記ディスクと前記チャンバーで囲う空間に装填されたショットと、
   を有し、
   しかも、前記ディスクに形成した前記回収孔の上縁部分には、前記回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜となっている勾配面が形成され、しかも、前記勾配面の傾斜角度は前記ディスクの上面の傾斜角度よりも急になっていることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記超音波ピーニングヘッドにより上方に弾き出されたショットが衝突して反射する位置に配置されており、反射後のショットの進行方向を変更する反射板を備えていることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
   前記回転機構は、回転を開始し始めてから予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止し、一定時間が経過したら再び回転して予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止する、という間欠的な回転動作を繰り返すことを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
5. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
   前記ディスクの前記上面の上方に配置されており、下方から投射された前記ショットをガイドして無駄な拡散を抑制するとともに、上方から落下してきた前記ショットをガイドして前記回収孔内に直接落下させる仕切り板を備えていることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
6. 請求項５において、
   前記仕切り板は、前記回収孔を間に挟んで相対面する状態で配置された一対の仕切り板であることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
7. 請求項５において、
   前記仕切り板は、前記回収孔よりも外周側に配置された一枚の仕切り板であることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
8. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
   上方から落下してきた前記ショットをガイドして前記回収孔内に直接落下させるため、筒状を成し軸方向の中央位置から上方に向かうに従い内径が漸増すると共に軸方向の中央位置から下方に向かうに従い内径が漸増するショット案内を、前記ディスクの前記回収孔の上方位置に配置していることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
9. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
   前記振動子の上面であるヘッド面には、上方に向かって凸となった曲率、または、下方に向かって凹となった曲率が付与されていることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
10. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
    前記ディスクに設置されており、前記ディスクに生じる衝撃振動を検出する衝撃センサを備えたことを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
11. 請求項１乃至請求項４の何れか一項において、
    前記振動子の上面であるヘッド面は、円形、または、矩形、または台形であることを特徴とする超音波ショットピーニング装置。
12. 壁面とこの壁面から下方に突出している突起物からなる施工対象物に対してショットピーニング施工する超音波ショットピーニング方法であって、
    水平状態に配置されている板状の部材であり、上下方向に貫通する回収孔が形成されると共に、上面は回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜面となっているディスクを、前記施工対象物の下方に位置させ、しかも、前記ディスクに形成した前記回収孔の上縁部分には、前記回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜となっている勾配面が形成され、しかも、前記勾配面の傾斜角度は前記ディスクの上面の傾斜角度よりも急になっており、
    前記ディスクの外周面に接しつつこの外周面を囲う状態で配置された筒状をなし、上縁は前記壁面のうちショットピーニング施工をする部分の傾斜と同じ傾斜になっているチャンバーを、前記ディスクに対して上昇させ、チャンバーの上縁を前記壁面に緊密に密着させ、
    超音波発振素子と振動子とで構成されており、前記振動子が前記ディスクに形成された前記回収孔に下方側から挿入されている超音波ピーニングヘッドの前記超音波発振素子を振動させることにより、前記振動子によりショットを上方に弾き出し、
    更に、前記ディスク及び前記超音波ピーニングヘッドを一体として水平面内で回転させることを特徴とする超音波ショットピーニング方法。
13. 原子炉容器の蓋の下面と、前記蓋を上下方向に貫通する管台の外周面を、前記蓋の下面側で溶接した当該溶接部分及び当該溶接部分に隣接する面に対してショットピーニング施工する超音波ショットピーニング方法であって、
    水平状態で支持されている板状の部材であり、中央部には取付孔が形成されると共に、上下方向に貫通する回収孔が形成され、上面は回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜面となっているディスクを、前記管台の中心と前記取付孔の中心を揃えた状態にして、前記蓋の下面の下方に位置させ、しかも、前記ディスクに形成した前記回収孔の上縁部分には、前記回収孔に近づくに従い下方に下がっていく傾斜となっている勾配面が形成され、しかも、前記勾配面の傾斜角度は前記ディスクの上面の傾斜角度よりも急になっており、
    前記ディスクの外周面に接しつつこの外周面を囲う状態で配置された筒状をなし、上縁は前記蓋の下面のうちショットピーニング施工をする部分の傾斜と同じ傾斜になっているチャンバーを、前記ディスクに対して上昇させ、チャンバーの上縁を前記蓋の下面に緊密に密着させ、
    超音波発振素子と振動子とで構成されており、前記振動子が前記ディスクに形成された前記回収孔に下方側から挿入されている超音波ピーニングヘッドの前記超音波発振素子を振動させることにより、前記振動子によりショットを上方に弾き出し、
    更に、前記ディスク及び前記超音波ピーニングヘッドを一体として水平面内で回転させることを特徴とする超音波ショットピーニング方法。
14. 請求項１２または請求項１３において、
    前記超音波ピーニングヘッドにより上方に弾き出されたショットを反射板に衝突させて、反射後のショットの進行方向を変更することを特徴とする超音波ショットピーニング方法。
15. 請求項１２乃至請求項１４の何れか一項において、
    前記ディスク及び前記超音波ピーニングヘッドを一体とした水平面内での回転は、回転を開始し始めてから予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止し、一定時間が経過したら再び回転して予め決めた所定角度回転したらその回転位置で一定時間停止する、という間欠的な回転動作を繰り返すことを特徴とする超音波ショットピーニング方法。
16. 請求項１２乃至請求項１５の何れか一項において、
    前記ディスクの前記上面の上方に仕切り板を配置して、下方から投射された前記ショットをガイドして無駄な拡散を抑制するとともに、上方から落下してきた前記ショットをガイドして前記回収孔内に直接落下させることを特徴とする超音波ショットピーニング方法。

Images