JP5148329B2 - ショットピーニング装置及びショットピーニング用振動子 - Google Patents

Description

本発明は、ショットピーニングに関するものである。

ショットピーニングとは、冷間加工の一種であり、鉄あるいは非鉄金属の球体であるショット材を高速度で金属表面に衝突させることにより、金属表面に圧縮応力を発生させ、繰返し荷重に対する疲労強度を向上させる。化学プラントの圧力容器や原子炉容器等では、例えば、溶接による接合部の疲労強度を向上させるため、溶接部にショットピーニングを施工する。特許文献１には、原子炉容器蓋の下面と管台とのＪ溶接部及びＪ溶接部に隣接する面をショットピーニングする超音波ショットピーニング装置が開示されている。

特開２００６−３４６７７５号公報 （００１５、図２、図３）

特許文献１に開示された技術は、平板状の振動子を用いてショット材を加速する。この場合、施工箇所の形状が平面あるいは平面に近ければ、振動子の表面と施工箇所の表面との距離が略一定であるため、ショット材が施工箇所の表面へ衝突する単位時間あたりの回数は施工箇所の表面の場所にかかわらず略一定となる。

しかしながら、施工箇所が凹部や凸部である場合、振動子の表面と施工箇所の表面との距離は施工箇所の表面の場所によって異なるため、ショット材が施工箇所の表面へ衝突する単位時間あたりの回数は施工箇所の表面の場所に依存する。このため、ショットピーニングの施工のムラが発生するおそれがある。

また、特に、重力の作用方向側に凹部の施工箇所がある場合、振動子の表面と施工箇所の表面との距離は施工箇所の表面の場所によって異なる結果、施工箇所の表面で跳ね返ったショット材が振動子まで到達できず、ショットピーニングの施工が継続できなくなるおそれもある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ショットピーニングの施工ムラを抑制すること、施工箇所の形状にかかわらず確実にショットピーニングを施工すること、のうち少なくとも一方を達成することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るショットピーニング装置は、運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与手段と、ショットピーニングの施工箇所の形状に合わせた形状に形成され、前記運動エネルギー付与手段が直接又は間接的に取り付けられて、前記運動エネルギー付与手段の振動をショット材へ伝達する振動子と、を含むことを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るショットピーニング用振動子は、ショットピーニングの施工箇所の形状に合わせた形状に形成され、ショット材に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与手段が直接又は間接的に取り付けられて、前記運動エネルギー付与手段の振動をショット材へ伝達することを特徴とする。

これによって、施工箇所が凹部や凸部である場合でも、振動子の表面と施工箇所の表面との距離を施工箇所の表面の場所にかかわらず略一定となるため、ショット材が施工箇所の表面へ衝突する単位時間あたりの回数は、施工箇所の表面の場所にかかわらず略一定となる。その結果、ショットピーニングの施工のムラを抑制できる。また、このショットピーニング装置で、振動子の表面と施工箇所の表面との距離を、ショット材が重力に打ち勝って振動子まで到達できる程度の大きさに設定する。これによって、重力の作用方向側に凹部の施工箇所がある場合でも、施工箇所の表面で跳ね返ったショット材を振動子まで確実に到達させることができるので、ショットピーニングの施工を確実に継続させることができる。

本発明の好ましい態様としては、前記ショットピーニング装置において、前記振動子は、凸形状又は凹形状に形成されることが望ましい。また、本発明の好ましい態様としては、前記ショットピーニング装置において、前記振動子の表面は、曲面で形成されることが望ましい。

ショットピーニングの施工箇所が凸形状又は凹形状である場合に、振動子の表面と施工箇所の表面との距離が施工箇所の表面の場所によって異なるという問題が発生しやすい。また、ショットピーニングの施工箇所が凸部又は凹部である場合、その表面は曲面であることが多い。このため、振動子の表面を、曲面を有する凸形状又は凹形状とすることにより、汎用性を持たせることができる。

本発明は、ショットピーニングの施工ムラを抑制すること、施工箇所の形状にかかわらず確実にショットピーニングを施工すること、のうち少なくとも一方を達成できる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

本発明は、凹形状部や凸部形状部のショットピーニングに適している。また、本発明において、ショットピーニングの施工箇所は、溶接部には限らない。また、本発明は、例えば、発電設備で用いられる蒸気発生装置出入口管台の内外面や流体の配管、圧力容器等、ショットピーニングの施工が必要なもの全般に適用でき、本発明の適用対象は特に限定されるものではない。

本実施形態は、ショット材に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与手段が直接又は間接的に取り付けられて、前記運動エネルギー付与手段の運動をショット材へ伝達する振動子の外形状を、ショットピーニングの施工箇所の表面形状に合わせた点に特徴がある。次に、本実施形態に係るショットピーニング装置の構成を説明する。

図１は、本実施形態に係るショットピーニング装置の全体構成図である。図２は、図１に示すショットピーニング装置が備える振動子の形状を示す斜視図である。ショットピーニング装置１は、ショットピーニングに用いるショット材Ｂを格納する格納容器２を備えており、格納容器２がショットピーニングの施工箇所Ｕへ移動して施工箇所Ｕの表面（施工箇所表面）ＵＰに対してショットピーニングを施工する。本実施形態においては、原子炉容器の蒸気発生装置出入口管台のような金属構造物６にショットピーニングを施す。

格納容器２は有底容器であり、施工箇所Ｕに対向して開口する容器開口部２Ｔを備える。格納容器２の容器開口部２Ｔと対向する部分が格納容器２の底部２Ｂとなる。格納容器２の底部２Ｂと、格納容器２の側部内壁２Ｓとで囲まれる空間が格納容器２の内部（容器内部）２Ｉとなり、ここにショットピーニングに用いるショット材Ｂが格納される。ショット材Ｂには、例えば鋼球、非鉄金属の球体、例えばセラミックスのような非金属の球体等が用いられ、施工箇所Ｕの材質や使用条件等に応じて、適切な種類のショット材Ｂを用いる。ここで、ショットピーニングの施工において、施工箇所Ｕと、格納容器２の容器開口部２Ｔ側との距離は、施工箇所Ｕと、格納容器２との間からショット材Ｂが漏洩しない程度の大きさに設定される。

底部２Ｂには、ショット材Ｂを加速してショットピーニングに必要なエネルギーをショット材Ｂに与えるための運動エネルギー付与手段が設けられる。本実施形態において、運動エネルギー付与手段は、発振手段４と、ショットピーニング用振動子（以下振動子という）３とを含んで構成される。発振手段４は、ショット材Ｂを加速するために所定の周波数かつ所定の振幅で振動するものであり、例えば、ピエゾ素子のような圧電素子を用いる。振動子３は、発振手段４の振動をショット材Ｂへ伝達するものである。振動子３には、発振手段４が直接又は間接的に取り付けられる。本実施形態において、発振手段４は振動子３へ直接取り付けられるが、例えば、振動伝達部材を介して発振手段４を振動子３へ間接的に取り付けてもよい。

発振手段４には、発振手段に所定周波数の電気信号を与えて発振手段を所定周期の周波数で振動させる発振手段制御装置５が接続される。発振手段制御装置５によって運動エネルギー付与手段の発振手段４を所定周期の周波数（例えば超音波領域の周波数）で駆動することによって、ショット材Ｂと接触する振動子３を、振動子３から容器開口部２Ｔへ向かう方向と平行な方向（図１の矢印Ｖ向）へ所定周期の周波数で振動させ、ショット材Ｂを容器開口部２Ｔに向かって加速する。

これによって、ショット材Ｂを容器開口部２Ｔへ向かって打ち出し、施工箇所Ｕの施工箇所表面ＵＰへ打ち込んで、施工箇所表面ＵＰへ圧縮応力を与える。このように、ショットピーニング装置１は、超音波ショットピーニングにより施工箇所Ｕをショットピーニングする。なお、本実施形態において、ショットピーニングは超音波ショットピーニングに限定されるものではないが、厳密に施工管理をする観点からは、超音波ショットピーニングを用いることが好ましい。

図１に示すように、振動子３の外形状は、施工箇所Ｕの表面形状、すなわち、施工箇所Ｕの施工箇所表面ＵＰの形状に合わせた形状に形成される。本実施形態において、施工箇所Ｕは、金属構造物６の表面を半球形状に除去した凹部である。すなわち、施工箇所表面ＵＰの形状は、半球状の凹部形状となる。振動子３の外形状の少なくとも一部は、施工箇所表面ＵＰの形状に合わせてあるので、図１、図２に示すように半球形状となる。このように、本実施形態では、振動子３の外形状の少なくとも一部を、施工箇所表面ＵＰの形状が転写された形状とする。

このようにすることで、ショットピーニング装置１は、施工箇所Ｕが凹部であっても、振動子３の表面と施工箇所表面ＵＰとの距離（ショット材飛行距離という）を、施工箇所表面ＵＰの場所にかかわらず略一定とすることができる。図１に示す例では、振動子３の異なる位置におけるショット材飛行距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が略一定となる。

図３は、平板の振動子を用いるショットピーニング装置を示す全体構成図である。図３に示すショットピーニング装置１０１は、加振手段１０４が設けられた平板の振動子１０３を備える。振動子１０３は、ショット材Ｂと接する面が平面で構成される。振動子１０３は、振動子１０３から容器開口部１０２Ｔへ向かう方向と平行な方向（図３の矢印Ｖ向）へ所定周期の周波数で振動して、ショット材Ｂを容器開口部１０２Ｔに向かって加速する。

施工箇所Ｕが、金属構造物６の表面を抉った凹部形状に形成されている場合、図３に示すショットピーニング装置１０１でショットピーニングを施工すると、振動子３の表面から施工箇所表面ＵＰまでの距離（ショット材飛行距離という）は、施工箇所表面ＵＰの場所によって異なる。図３に示す例では、施工箇所Ｕが最も深い部分におけるショット材飛行距離ＬＡが最も大きく、施工箇所Ｕが浅くなるにしたがってショット材飛行距離ＬＡは小さくなる。例えば、球状に抉られた凹部形状を有する施工箇所Ｕの外周近傍におけるショット材飛行距離ＬＢ、ＬＣは、施工箇所Ｕが最も深い部分におけるショット材飛行距離ＬＡよりも小さくなる。

ショットピーニングにおいて、ショット材Ｂの速度が同じであれば、振動子３と施工箇所表面ＵＰとの距離が大きいと、単位時間あたりに施工箇所表面ＵＰへショット材Ｂが衝突する回数は少なくなる。これによって、施工箇所表面ＵＰは、場所によってショットピーニングの施工にムラが発生し、施工不足となる場所が存在する。施工箇所が凹部、あるいは凸部である場合、図３に示すショットピーニング装置１０１のように、ショット材Ｂと接する面が平面で構成される振動子１０３を用いると、ショット材飛行距離が施工箇所の表面の場所によって異なる。その結果、施工箇所表面ＵＰは、施工不足あるいは施工過剰となる場所が発生して、ショットピーニングの施工にムラが発生するおそれがある。

本実施形態では、ショットピーニング装置１が備える振動子３の外形状（ショット材Ｂが接触する部分の形状）は、施工箇所Ｕの表面形状、すなわち、施工箇所Ｕの施工箇所表面ＵＰの形状に合わせた形状に構成される。これによって、ショット材飛行距離を、施工箇所表面ＵＰの場所にかかわらず略一定とすることができるので、ショットピーニングの施工におけるムラを抑制できる。施工箇所Ｕが凹部である場合、図１に示すように、振動子３の外形状を施工箇所表面ＵＰの形状に合わせた半球状とすることで、ショット材飛行距離を、施工箇所表面ＵＰの場所にかかわらず略一定として、ショットピーニングの施工におけるムラを抑制できる。

図４は、重力の作用方向に施工箇所が存在する場合に、本実施形態に係るショットピーニング装置を用いて施工する例を示す模式図である。図４に示すように、金属構造物６に形成された凹部の施工箇所Ｕが重力の作用方向Ｇ側に存在する場合、振動子３のショット材Ｂと接触する面も重力の作用方向Ｇに向ける。そして、振動子３は、図３の矢印Ｖの方向に振動して、重力の作用方向Ｇ側に存在する施工箇所Ｕに向けてショット材Ｂを加速し、施工箇所Ｕに向かって打ち込む。

施工箇所Ｕに打ち込まれたショット材Ｂは、施工箇所表面ＵＰで跳ね返って振動子３の位置まで戻り、ここで振動子３によって加速されて再び施工箇所Ｕへ打ち込まれる。施工箇所Ｕが重力の作用方向Ｇ側に存在する場合、ショット材Ｂは重力に打ち勝って振動子３の位置まで戻ることになる。これによって、図３に示すショットピーニング装置１０１のように、ショット材Ｂと接する面が平面で構成される振動子１０３を用いると、凹部の施工箇所Ｕにおける施工箇所表面ＵＰの場所によってショット材飛行距離が異なる。そして、振動子１０３を用いると、ショット材飛行距離が大きい部分では、施工箇所表面ＵＰで跳ね返ったショット材Ｂが振動子１０３まで戻らないおそれがあり、ショットピーニングの施工ができなくなるおそれがある。

本実施形態では、施工箇所Ｕが凹部である場合、図４に示すように、振動子３の外形状を施工箇所表面ＵＰの形状に合わせた半球状するので、ショット材飛行距離を、施工箇所表面ＵＰの場所にかかわらず略一定とすることができる。このとき、ショット材飛行距離を、ショット材Ｂが施工箇所表面ＵＰで跳ね返ったとき、重力に打ち勝って振動子３まで到達できる大きさに設定する。これによって、ショットピーニング装置１では、施工箇所表面ＵＰの場所にかかわらず、ショット材Ｂを確実に振動子３まで到達させることができるので、確実にショットピーニングを施工できる。

図５は、本実施形態の第１変形例に係るショットピーニング装置の全体構成図である。本変形例に係るショットピーニング装置１ａは、上述したショットピーニング装置１（図１参照）と略同様の構成であるが、振動子３ａの外形状、すなわち、振動子３ａのショット材Ｂに接触する部分が、半球状の凹部で形成される点が異なる。ショットピーニング装置１ａは、金属構造物６に設けられる半球状の凸部を施工箇所Ｕとする。ショットピーニング装置１ａが備える振動子３ａ外形状（ショット材Ｂが接触する部分の形状）は、施工箇所Ｕの表面形状、すなわち、施工箇所Ｕの施工箇所表面ＵＰの形状に合わせた形状に構成される。

これによって、施工箇所表面ＵＰの異なる場所におけるショット材飛行距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を略一定とすることができるので、ショットピーニングの施工におけるムラを抑制できる。本変形例では、施工箇所Ｕが凸部であるので、図５に示すように、振動子３ａの外形状を施工箇所表面ＵＰの形状に合わせた半球状の凹部とする。これによって、ショット材飛行距離を、施工箇所表面ＵＰの場所にかかわらず略一定として、ショットピーニングの施工におけるムラを抑制できる。

図６は、本実施形態の第２変形例に係るショットピーニング装置の全体構成図である。図７は、本実施形態の第２変形例に係るショットピーニング装置が備える振動子の拡大図である。本変形例に係るショットピーニング装置１ｂは、上述したショットピーニング装置１（図１参照）と略同様の構成であるが、振動子３ｂの外形状が階段状に形成される点が異なる。

図６に示すように、ショットピーニング装置１ｂが備える振動子３ｂの外形状（ショット材Ｂが接触する部分の形状）は、階段状に形成されるとともに、施工箇所Ｕの表面形状、すなわち、施工箇所Ｕの施工箇所表面ＵＰの形状に合わせた形状に構成される。本変形例において、施工箇所Ｕは、金属構造物６の表面を半球形状に除去した凹部である。すなわち、施工箇所表面ＵＰの形状は、半球状の凹部形状となる。振動子３ｂは、外形状が階段状かつ凸形状に形成される。

図７に示すように、本変形例に係る振動子３ｂは、平面の面積が異なる複数の板状部３ｂ１〜３ｂ６を、前記面積が大きい順に積み重ねたような構成により、外形状が階段状に形成される。本変形例では、板状部３ｂ１〜３ｂ２を円板状の形状とするので、直径の異なる複数の板状部３ｂ１〜３ｂ６を、前記直径が大きい順に積み重ねたような構成により、振動子３ｂの外形状が階段状に形成される。なお、板状部３ｂ１、３ｂ２、３ｂ３、３ｂ４、３ｂ５、３ｂ６の直径は、それぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６である（Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３＞Ｄ４＞Ｄ５＞Ｄ６）。ここで、複数の板状部３ｂ１〜３ｂ６をそれぞれ別個の部材で構成し、これらを一体化して振動子３ｂとしてもよいし、すべての板状部３ｂ１〜３ｂ６を一体で構成して振動子３ｂとしてもよい。

振動子３ｂは、図６に示す矢印Ｖの方向に振動する。本実施形態では、振動子３ｂの外形状を階段状に形成することにより、階段状に形成される部分に、振動子３ｂの振動方向（図６の矢印Ｖ方向）と直交する平面が形成される。これによって、前記平面においては、振動子３ｂの振幅がすべて同じ大きさになるので、前記平面上のショット材Ｂは、すべて同様に加速される。これによって、施工箇所表面ＵＰへ衝突するショット材Ｂの運動エネルギーのばらつきを抑制できるので、ショットピーニングの施工のばらつきを抑制できる。

以上、本実施形態及びその変形例では、ショット材に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与手段の運動をショット材へ伝達する振動子の外形状を、施工箇所の表面形状に合わせる。これによって、施工箇所が凹部や凸部である場合でも、振動子の表面と施工箇所の表面との距離を施工箇所の表面の場所にかかわらず略一定となるので、ショット材が施工箇所の表面へ衝突する単位時間あたりの回数は、施工箇所の表面の場所にかかわらず略一定となる。その結果、ショットピーニングの施工のムラを抑制できる。

また、本実施形態及びその変形例において、振動子の表面と施工箇所の表面との距離を、ショット材が重力に打ち勝って振動子まで到達できる程度の大きさに設定する。本実施形態では、振動子の表面と施工箇所の表面との距離を施工箇所の表面の場所にかかわらず略一定となるので、重力の作用方向側に凹部の施工箇所がある場合でも、施工箇所の表面で跳ね返ったショット材を振動子まで確実に到達させることができるので、ショットピーニングの施工を確実に継続させることができる。

以上のように、本発明に係るショットピーニング装置は、ショットピーニングの施工に有用であり、特に、凹部や凸部の施工箇所にショットピーニングを施工する場合に適している。

本実施形態に係るショットピーニング装置の全体構成図である。 図１に示すショットピーニング装置が備える振動子の形状を示す斜視図である。 平板の振動子を用いるショットピーニング装置を示す全体構成図である。 重力の作用方向に施工箇所が存在する場合に、本実施形態に係るショットピーニング装置を用いて施工する例を示す模式図である。 本実施形態の第１変形例に係るショットピーニング装置の全体構成図である。 本実施形態の第２変形例に係るショットピーニング装置の全体構成図である。 本実施形態の第２変形例に係るショットピーニング装置が備える振動子の拡大図である。

符号の説明

１、１ａ ショットピーニング装置
２ 格納容器
２Ｉ 容器内部
６ 金属構造物
Ｂ ショット材

Claims (3)

1. ショット材に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与手段と、
   ショットピーニングの施工箇所の形状に合わせ、かつ凸形状又は凹形状に形成され、前記運動エネルギー付与手段が直接又は間接的に取り付けられて、前記運動エネルギー付与手段の振動をショット材へ伝達する振動子と、
   を含むことを特徴とするショットピーニング装置。
2. 前記振動子の表面は、曲面で形成されることを特徴とする請求項１に記載のショットピーニング装置。
3. ショットピーニングの施工箇所の形状に合わせ、かつ凸形状又は凹形状に形成され、ショット材に運動エネルギーを付与する運動エネルギー付与手段が直接又は間接的に取り付けられて、前記運動エネルギー付与手段の振動をショット材へ伝達することを特徴とするショットピーニング用振動子。
   

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