JP5352600B2 - 管内面に対するウォータージェットピーニングによる残留応力改善方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属材料表面にキャビテーション気泡を含む高圧水を噴射することにより金属材料表面の残留応力を改善する方法及びその装置に係り、特に、管内面の残留応力を改善する方法及びその装置に関する。

金属材料表面の残留応力を改善する方法として、キャビテーション気泡を含む高圧水を利用するウォータージェットピーニング（以下「ＷＪＰ」という。）法がある（特許文献１参照。）。ＷＪＰ法は、金属材料表面にキャビテーション気泡を含む高圧水を噴射し、キャビテーション気泡が崩壊する際の衝撃圧を金属材料表面に与えることにより、金属材料表面の残留応力を改善する方法である。

しかし、本発明に係るＷＪＰの適用対象は管（中空円筒形状）内面という特殊形状の部位であり、また当該部位は大変狭隘であるため、当該部位に特許文献１記載のＷＪＰを適用し残留応力を改善することは大変困難である。さらに、特許文献１記載の従来技術は、自由水中環境下におけるＷＪＰの適用を前提にしており、管内面のような中空円筒形状内部という特殊形状で且つ狭隘な環境におけるＷＪＰの適用については何ら考慮されていない。

一方、管内面の残留応力を改善する方法として、管内面と高圧水の衝突角度を１０°〜２０°の範囲とし、且つノズル噴射穴と衝突内面との距離Ｌを噴射穴径ｄの１／２〜５倍までの範囲とするノズルを使用する方法が提案されている（特許文献２参照。）。

しかし、特許文献２記載の従来技術では、ノズル噴射穴から管内面までの衝突距離Ｌが噴射穴径ｄの１／２〜５倍までの距離であるため、例えば噴射穴径ｄを０.８mmとした場合、噴射穴と施工対象となる管内面の衝突距離Ｌは０.４〜４mmと非常に短くなる。このような短い衝突距離では、高圧水自体の衝撃圧は期待できるものの、近距離で高圧水（高圧ポンプ圧力が７０ＭＰａの場合の流速は、約２６５ｍ／ｓ）が管内面に直接衝突するため、残留応力改善の効果を超えた壊食が生じる可能性がある。

特許第３１６２０４号公報 特開２０００−５２２４７号公報

本発明は、管内面にＷＪＰを適用するに際して、成長したキャビテーション気泡の崩壊を管内面において発生させることにより管内面の残留応力を改善する方法及びこれに用いる装置を提供することを課題とする。

両端に開口部を有する管を保持装置により保持し、管の一端を閉止し、管の他端から噴射ノズルを挿入し、噴射ノズルに供給された液体を管の軸芯に対して９°以内の傾斜で噴射ノズルから管内部へ噴射することにより、噴射ノズルから噴射された液体を管内部において逆流させ、液体に同伴されたキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧により管内面の残留応力を改善することを特徴とする管内面の残留応力改善方法。

本発明によれば、噴射ノズルから管内面までの衝突距離をキャビテーション気泡が成長する距離とすることができ、成長したキャビテーション気泡を管内面に衝突させることができる。その結果、キャビテーションが崩壊する際の衝撃圧を管内面に与えることができ、管内面の残留応力を改善することができる。

第１の実施例で用いるＷＪＰ装置の構成図。 ノズル噴射穴から金属材料表面までの距離と金属材料の壊食量との関係を示す図。 壊食試験後のアルミニウム平板表面の状態を示す図。 ノズル噴射穴から金属材料表面までの距離と油性インクの剥離面積との関係を示す図。 第１の実施例で用いる噴射ノズル１の構造を示す図であり、図５（１）は噴射ノズル１の外観、図５（２）は図５（１）のＡ−Ａ断面を示している。 管の一端の開口部を閉止して、管内面にＷＪＰを適用した場合のキャビテーション噴流の模式図。 噴射ノズルから噴射する高圧水が管の軸芯に対して角度を有している場合の噴流の模式図。 一端の開口部を閉止した管と両端を開放した管に対してＷＪＰを施行した場合のＷＪＰの効果の比較を行った試験結果を示す図。 高圧水の噴射角度を管の軸芯に対して２０°傾斜させた噴射ノズルを使用してＷＪＰを施工した場合のＷＪＰの効果を確認した試験結果を示す図。 本発明によるＷＪＰを適用した金属材料表面の残留応力改善の効果を確認した試験結果を示す図。 第２の実施例で用いるＷＪＰ装置の構成図。 管の一端の開口部から液体を注入しながら、管内面にＷＪＰを適用した場合のキャビテーション噴流の模式図。 キャビテーション気泡の最大広がり径８５の概念図。

発明者は、スタンドオフと残留応力を改善するための衝撃圧との関係(壊食試験（図２））及びスタンドオフと残留応力を改善できる範囲との関係（剥離試験（図４））についての実験結果から、キャビテーション気泡の衝撃圧により残留応力を改善するためには、適切なスタンドオフを保つことが必要であることを確認した。その実験方法と結果について以下に説明する。

図２は、ノズル噴射穴から金属材料表面までの距離と金属材料の壊食量との関係を示す図である。横軸はノズル噴射穴から金属材料表面までの距離（スタンドオフ）であり、縦軸はＷＪＰによる金属材料の壊食量である。壊食は噴射ノズルから噴射された高圧水及び高圧水に含まれるキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧により生じるため、壊食量が大きいほど衝撃圧が大きいということができる。金属材料として、板厚が１０mmのアルミニウム平板を用いた。試験は、自由水中環境下において、高圧水をアルミニウム平板に対して垂直に噴射させてＷＪＰを行うことにより実施した。試験の条件は、高圧水を噴射ノズルへ供給する高圧ポンプの圧力を７０ＭＰａ、高圧水の流量を毎分８リットル、ＷＪＰの施工時間を２分間とした。本試験で用いた噴射ノズルは、内径（ノズル噴射穴の径）がΦ０.８であり、先端の角度が９０°である。

壊食量は、スタンドオフが１０mmの条件で０.２７ｇ、３０mmの条件で０.１１ｇ、５０mmの条件で０.０４ｇ、７０mmの条件で０.０１ｇ、９０mm，１３０mm，１７０mm，１９０mmの条件では０ｇであった。実験結果より、スタンドオフが３０mm以上となると、スタンドオフの距離に対する壊食量の減少が緩やかになることがわかった。これは、スタンドオフが長くなるにつれて高圧水自身が衝突することによる壊食は減少するが、キャビテーション気泡が成長することにより、キャビテーション気泡が崩壊する際の衝撃圧がより強くなったためだと考えられる。一方、スタンドオフが１０mmの条件では高圧水の衝撃圧（ノズル吐出部での流速は約２６５ｍ／ｓとなる。）により板厚１０mmのアルミニウム平板を貫通する壊食が確認された。図３は、壊食試験（図２）後のアルミニウム平板表面の状態を示している。スタンドオフが１０mmの場合には、ＷＪＰの高圧水による壊食により、板厚１０mmのアルミニウム平板が貫通していることがわかる。従って、スタンドオフが短すぎる場合は、高圧水自体による壊食が大きすぎ、被加工物に悪影響を与え実際の施行には適さないと考えられる。また、スタンドオフが７０mmではキャビテーション気泡は成長するが高圧水自体の衝撃圧が弱まるため、壊食量が減少していると考えられる。さらに、スタンドオフが９０mm以上の条件では壊食が確認されなかったが、これは、スタンドオフが９０mm以上では成長したキャビテーション気泡のうち消滅してしまうものもあり、アルミニウム平板に対して壊食が発生するほどの衝撃圧が与えられなかったためだと予想される。

壊食試験（図２及び図３）の結果より、スタンドオフを３０mm以上とすることにより、金属材料表面に衝突するまでにキャビテーション気泡を十分に成長させることができ、且つ、高圧水自体による壊食を避けることができる。また、より好ましくは、スタンドオフを３０mm以上９０mm以下とすることにより、キャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧をより効率よく金属材料表面に与えることができる。

図４は、ノズル噴射穴から金属材料表面までの距離と金属材料表面に塗布した油性インクがＷＪＰにより剥離した面積との関係を示す図である。横軸はノズル噴射穴から金属材料表面までの距離（スタンドオフ）であり、縦軸はＷＪＰにより金属材料表面の油性インクが剥離した面積である。油性インクの剥離は高圧水及び高圧水に含まれるキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧により生じるため、油性インクの剥離面積が残留応力を改善できる範囲といえる。金属材料として、板厚が１０mmのアルミニウム平板を用いた。試験は、自由水中環境下において、予め油性インクを塗布したアルミニウム平板に対して高圧水を垂直に噴射させてＷＪＰを行うことにより実施した。用いた金属材料及び試験の条件等は壊食試験（図２）と同様であるので、説明は省略する。

油性インクの剥離面積は、スタンドオフが１０mmの条件で約８０mm²、スタンドオフが３０mmの条件で約３００mm²、スタンドオフが５０mmの条件で約１２００mm²、スタンドオフが７０mmの条件で約２０００mm²、スタンドオフが９０mmの条件で約１８００mm²、スタンドオフが１３０mmの条件で約１８００mm²、スタンドオフが１７０mmの条件で約７００mm²、スタンドオフが１９０mmの条件で約０mm²となり、スタンドオフが７０mmまでは、スタンドオフが長くなるとともに油性インクの剥離面積も大きくなる傾向を示した。また、スタンドオフが３０mm以上で油性インクの剥離面積が急激に上昇していることから、スタンドオフが３０mm以上でより効率的に衝撃圧を与えることができると考えられる。これは、スタンドオフが３０mm以上の場合には、成長したキャビテーション気泡がアルミニウム平板に衝突するためだと考えられる。

剥離試験（図４）の結果より、スタンドオフが１９０mm未満であれば金属表面に衝撃圧を与えることができ、より好ましくはスタンドオフを３０mm以上とすることにより、より効率的にキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧を与えることができる。

また、剥離試験（図４）の結果に加え壊食試験（図２及び図３）の結果を考慮すると、より効率よく成長したキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧を付与するためには、スタンドオフは３０mm以上で９０mm以下が適切であり、より好ましくは５０mm程度であるということができる。スタンドオフを５０mm程度とすれば、キャビテーション気泡の崩壊に
よる衝撃圧と残留応力を改善できる範囲の最適化を図ることができる。

以上、壊食試験（図２）及び剥離試験（図４）の結果から、キャビテーション気泡が成長するためには、ノズル噴射穴からＷＪＰを適用する金属材料表面までの距離を十分（３０mm〜９０mm程度）に保つ必要があると考えられる。つまり、管内面をＷＪＰの適用対象とする場合、管の軸芯に対して傾斜させて高圧水を管内面に直接噴射したのでは、キャビテーション気泡を成長させることができず残留応力の十分な改善を得られない可能性があり、また、激しい壊食を起こす恐れがある。発明者は、中空円筒形状という特殊形状で且つ狭隘な部位である管内面にＷＪＰを適用するに際して、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することにより管内面の残留応力を改善する方法及びこれに用いる装置について新たな知見を得た。当該方法及び装置を用いることにより、キャビテーション気泡を包含した液体の流れを管内面に沿って形成でき、キャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧を管内面に沿って与えることができる。以下図１及び図５から図１２を用いて、当該方法及び装置について説明する。

本発明による管内面の残留応力改善方法及びその装置に関する第１の実施例を、図１及び図５から図１０を用いて説明する。本実施例は、管の一端を閉止することにより、噴射ノズル１から噴射された高圧水の流れを逆流させ、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保するとともに、成長したキャビテーション気泡を有する高圧水の流れを管内面に沿って形成させ、管内面でキャビテーション気泡の崩壊を発生させるものである。

図１は、第１の実施例で用いるＷＪＰ装置の構成図を示している。本実施例においては、タンク２内の水中環境下においてＷＪＰを行う。本実施例で用いるＷＪＰ装置は、管内面に衝撃圧を与えるための高圧水を噴射する噴射ノズル１，当該高圧水を噴射ノズル１に供給する高圧水供給装置７，噴射ノズル１と高圧水供給装置７とをつなぐ高圧ホース８，ＷＪＰを適用する被加工物１０（管４０）を保持する保持装置９，液体を保持するタンク２，管４０の一端を閉止する閉止装置１２，噴射ノズル１を移動させる噴射ノズル駆動装置１１，管４０を移動させる被加工物駆動装置１４、並びに噴射ノズル駆動装置１１，被加工物駆動装置１４及び高圧水供給装置７を制御する制御装置１５から構成される。

ここで、高圧水供給装置７は高圧ポンプ３，流量計４，圧力計５及び開閉バルブ６から構成される。開閉バルブ６を開とし、高圧ポンプ３を起動することにより、高圧ホース８を介して、高圧水供給装置７から噴射ノズル１に高圧水が供給される。

閉止装置１２は液体シリンダ３０及び閉止板３１を備える。液体シリンダ３０を駆動し、閉止板３１を管４０の一端（噴射ノズル１を挿入する開口部と反対側の開口部）に押し付けることにより、管４０の一端の開口部を閉止する。尚、液体シリンダ３０は気体シリンダ等でも良い。閉止装置１２はシリンダ等に限られず、管４０の一端を閉止することができる機能を有していればよい。

噴射ノズル駆動装置１１はネジ駆動及びスライドガイドを備え、モータ駆動により移動できるＸ軸移動装置１６，Ｙ軸移動装置１７，Ｚ軸移動装置１８から構成される。噴射ノズル駆動装置１１により、噴射ノズル１をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動させることができる。

被加工物駆動装置１４は、ギア及びモータ駆動を備え、モータ駆動により駆動されるθ方向（周方向）回転装置を有する。被加工物駆動装置１４により、管４０をθ方向に回転させることができる。

以下、本実施例による管内面の残留応力改善の作業工程を説明する。本実施例では、被加工物１０として、両端が開口している中空円筒形状の管４０を用いる。

まず、タンク２内に水を満たす（Ｓ１）。次に、管４０を保持装置９に保持させることにより、管４０を所定の位置に据え付ける（Ｓ２）。その後、閉止装置１２の液体シリンダ３０を駆動することにより、閉止板３１を管４０の一端に押し付け、管４０の一端を閉止する（Ｓ３）。また、噴射ノズル駆動装置１１のＸ軸移動装置１６及びＹ軸移動装置１７により、噴射ノズル１を管４０の上方に移動させ、噴射ノズル１の軸芯８０と管４０の軸芯５０とを一致させる（Ｓ４）。その後、噴射ノズル駆動装置１１のＺ軸移動装置１６により、噴射ノズル１を管４０内に挿入する（Ｓ５）。

図５に、本実施例で用いる噴射ノズル１の構造を示す。図５（１）は噴射ノズル１の外観を示しており、図５（２）は図５（１）のＡ−Ａ断面図である。噴射ノズル１は、噴射ノズル１の周方向に３つの突起部１９を有する。噴射ノズル１の軸芯８０から突起部１９先端までの長さ（ノズル外径Ａ）は管４０の軸芯から内面までの長さと一致させるか、又は短くさせる。噴射ノズル１が突起部１９を有することにより、突起部１９が管４０内面に接した状態（又はこれに近い状態）で、噴射ノズル１を管４０内の上下方向に移動させることができる。このため、噴射ノズル１と管４０との軸芯を略一致させたまま噴射ノズル１を上下方向に移動させることができ、管４０内面の周方向に残留応力分布の偏りが生じることを回避することができる。噴射ノズル１は、例えば、ノズル外径ＡがΦ６、内径ＢがΦ４、出口部の径がΦ０.８、先端の角度が９０°とすることができる。尚、噴射ノズル１は周方向に３つの突起部１９を有するが、３つ以上であれば、噴射ノズル１と管４０との軸芯を略一致させたまま、噴射ノズル１を上下方向に移動させることができる。

次に、管４０内面にＷＪＰを施行する（Ｓ６）。具体的には、以下の手順で行う。まず、開閉バルブ６を開とし高圧ポンプ３を起動させる。これにより、高圧ホース８を介して、高圧水供給装置７から噴射ノズル１に高圧水を供給する（Ｓ６−１）。噴射ノズル１に供給された高圧水は、ノズル噴射穴から管４０の軸芯５０(又は噴射ノズル１の軸芯８０)方向に噴射される（Ｓ６−２）。噴射した高圧水内では、圧力の低下によりキャビテーション気泡が成長する。この高圧水及びキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧を管４０内面に与えることにより、管４０内面の引張応力を圧縮応力に変え、残留応力を改善することができる。

図６は、管４０の一端の開口部を閉止して管４０内面にＷＪＰを適用した場合のキャビテーション噴流の模式図を示している。噴射ノズル１から噴射された高圧水はキャビテーション気泡を同伴し、管４０の軸芯５０（又は噴射ノズル１の軸芯８０）上を進行するが、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０の開口部（噴射ノズル１を挿入する開口部と反対側の開口部）９０は閉止されているため、管４０内の噴流全体の流れ（最終的な噴流の流れ）は、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流することになる。ここで、噴射ノズル１から噴射した高圧水は管４０の軸芯５０上を進行するため、逆流した噴流は管４０の軸芯５０上の周囲である管４０の内面に沿って進行（逆流）する。噴流を逆流させることにより、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができるとともに、管４０内面に沿った流れを形成でき、管４０内面に沿ってキャビテーション気泡の崩壊を発生させることができる。

図６では、閉止装置１２により管４０の一端を完全に閉止した状態を示したが、管４０の一端は完全に閉止される必要はない。つまり、Ｓ３（管４０の一端の閉止）においても管の一端は完全に閉止される必要はなく、噴射ノズル１から噴射された高圧水が閉止板３１に衝突し、結果として、管４０内の噴流全体の流れ（最終的な噴流の流れ）が噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流が生じる環境を形成できれば、管４０の一端を完全に閉止した場合と同様に、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができるとともに、管４０内面に沿った流れを形成でき、管４０内面でキャビテーション気泡の崩壊を発生させることができる。

次に、Ｓ６−２に記載のＷＪＰを施工しながら、噴射ノズル駆動装置１１のＺ軸移動装置１６により、噴射ノズル１を上下方向に移動させる（Ｓ６−３）。噴射ノズル１を上下方向に移動させることにより、管４０内面の軸方向の残留応力分布を均一にすることができる。また、上下方向の移動とともに、被加工物駆動装置１４により、管４０をθ方向に回転させる（Ｓ６−４）。管４０をθ方向に回転させることにより、管４０内面の周方向の残留応力分布を均一にすることができる。管４０内面全体の残留応力を改善させた後、高圧ポンプ３の起動を停止し、開閉バルブ６を閉とすることにより、噴射ノズル１への高圧水の供給を停止する（Ｓ６−５）。

ここで、キャビテーション気泡が成長するための距離を確保し、管４０内面に沿った流れを形成するためには、噴射ノズル１から噴射する高圧水は管４０の軸芯５０上を進行させることが望ましいが、管４０内面に衝突するまでにキャビテーション気泡が成長するための距離を確保することができれば、管４０の軸芯５０に対して角度を有していても良い。図７は、噴射ノズル１から噴射する高圧水が管４０の軸芯５０に対して角度を有している場合の噴流の模式図を示している。図７では、管４０の内径をΦ９.５とした。この場合、キャビテーション気泡を成長させるためのスタンドオフを３０mm確保するためには、最大噴射角度θmaxはsinθmax＝(９.５／２)／３０よりθmax＝約９°となる。従って、本条件でＷＪＰを施工する場合は、噴射ノズル１から噴射される高圧水が管４０の軸芯５０に対して角度を有していても、その角度が９°以下であれば、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができる。また、噴射ノズル１から噴射される高圧水が管４０の軸芯５０に対して９℃以内の傾斜であれば、被加工物に悪影響を与えないような壊食を避けることができる。さらに、より好ましくスタンドオフを５０mmとするためには、最大噴射角度θmaxはsinθmax＝(９.５／２)／５０よりθmax＝約５°となる。従って、噴射ノズル１から噴射される高圧水が管４０の軸芯５０に対して５°以下とすれば、キャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧と残留応力を改善できる範囲の最適化を図ることができる。

その後、噴射ノズル１を管４０内部から抜き出すとともに、管４０を保持装置から取り出して、本発明の第１の実施例におけるＷＪＰの作業工程を終了する（Ｓ７）。

尚、本実施例で用いたＷＪＰ装置のうち、噴射ノズル１，高圧水供給装置７，保持装置９，閉止装置１２，噴射ノズル駆動装置１１及び制御装置１５を有していれば、噴射ノズル１から噴射した高圧水を管４０内部で逆流させ、本実施例によるＷＪＰを実施することが可能である。従って、被加工物駆動装置１４等は必須の構成ではない。

上記第１の実施例によれば、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０の開口部９０を閉止することにより、管４０内の噴流全体の流れ（最終的な噴流の流れ）を噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流させることができる。その結果、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができ、管内面にキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧を与えることができる。また、噴射ノズル１から噴射した高圧水を管４０の軸芯５０上に進行させることにより管４０内面に沿った流れを形成でき、管４０内面に沿ってキャビテーション気泡の崩壊を発生させることができる。また、噴射ノズル１から噴射した高圧水が管４０の軸芯５０に対して９℃以内の傾斜で噴射されることにより、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができるとともに、被加工物に悪影響を与えないような壊食を避けることができる。

図８に、一端の開口部を閉止した管と両端を開放した管に対してＷＪＰを施行した場合のＷＪＰの効果の比較を行った試験結果を示す。

図８（１）は、試験で用いた試験体３０の形状を示しており、内部にΦ９.５の円柱状の空間をもたせることにより、内径Φ９.５の管を模擬している。図８（２）は、図８（１）のＡ−Ａ断面図であり、試験体３０の断面図を示している。試験体３０は、管内径中心線で分割された模擬試験片３１及び模擬試験片３２が組合わされている。

試験は、試験体３０の管内面に相当する部分２５に予め油性インク２１を塗布し、ＷＪＰ施工後の油性インク２１の剥離状態を観察することにより、ＷＪＰの効果を確認した。試験の条件は、高圧ポンプの圧力を７０ＭＰａ、高圧水の流量を８ｌ／minとし、噴射ノズルとして先に述べた図５に示す構造の噴射ノズル１を使用した。また、ＷＪＰの施工は、噴射ノズル１の軸芯８０と試験体３０の軸芯５１とを一致させ、噴射ノズル１を、試験体３０の軸芯５１上を平行移動させることにより行った。

図８（３）は、一端の開口部を閉止した管（試験体３０）に対してＷＪＰを施工した場合の、ＷＪＰの効果を示した図であり、ＷＪＰ施工後の模擬試験片３１の分割面（図８（２）のＢ−Ｂ断面）を示している。管（試験体３０）の一端の開口部を閉止した状態でＷＪＰを施工した場合には、管内面に相当する部分２５の油性インク２１が完全に剥離していることがわかる。

図８（４）は、両端を開放した管（試験体３０）に対してＷＪＰを施工した場合の、ＷＪＰの効果を示した図であり、ＷＪＰ施工後の模擬試験片３１の分割面（図８（２）のＢ−Ｂ断面）を示している。管（試験体３０）の両端を開放した状態でＷＪＰを施工した場合には、噴射ノズル１挿入部付近では油性インク２１が剥離しているが、他の部位については殆ど剥離していないことが確認された。

上記試験の結果から、噴射ノズル１から噴射される高圧水の進行方向７０の開口部９０を閉止することにより、管４０内面に対して、キャビテーション気泡の崩壊時の衝撃圧を利用したウォータージェットピーニングの施工が可能であることが確認された。噴射ノズル１から噴射される高圧水の進行方向７０の開口部を閉止することにより、管４０内の噴流の全体的な流れは、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流することになる。噴射ノズル１から噴射した高圧水は管４０の軸芯５０上を進行するため、逆流した噴流は管４０の軸芯５０上の周囲、つまり管４０の内面に沿って進行（逆流）することになる。噴流を逆流させることにより、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができるとともに、管４０内面に沿った流れを形成でき、管４０内面でキャビテーション気泡の崩壊が発生することになる。一方、噴射ノズル１から噴射される高圧水の進行方向７０の開口部が開放されている場合は逆流が生じず、キャビテーション気泡は噴射ノズル１から噴射された高圧水と共に下流側に流れてしまう。

図９に、高圧水の噴射角度を管４０の軸芯５０(試験体３０の軸芯５１)に対して２０°傾斜させた噴射ノズルを使用してＷＪＰを施工した場合のＷＪＰの効果を確認した試験結果を示す。試験は図８で行った試験と同様の条件及び試験体３０で行った。試験体３０の両端の開口部は開放した状態であり、閉止していない。

図９（１）は模擬試験片３１の分割面（図８（２）のＢ−Ｂ断面）を示しており、図９（２）は模擬試験片３２の分割面（図８（２）のＣ−Ｃ断面）を示している。試験は、高圧水の噴射角度を試験体３０の軸芯５１に対して模擬試験片３１側に２０°傾斜させた噴射ノズルを使用して行った。

図９（１）から、高圧水の噴射角度を２０°傾斜させた模擬試験片３１側の管内面に相当する部分２５に塗布された油性インク２１は、そのほとんどが剥離していることがわかる。しかし、内径Φ９.５の管内面に対して、噴射角度を２０°傾斜させてＷＪＰを施工した場合、噴射ノズルの噴射穴から管４０内面までの距離は約１４mmと短く、キャビテーション気泡は十分に成長しないものと考えられる。従って、この油性インク２１の剥離は、キャビテーション気泡の崩壊によるものではなく、高圧水の衝撃圧によるものと考えられる。一方、模擬試験片３２側の管内面に相当する部分２５に塗布された油性インク２１は、高圧水の衝撃圧が与えられず、殆ど剥離していないことが確認された。

図１０は、本発明によるＷＪＰを適用した金属材料表面の残留応力改善の効果を確認した試験結果を示しており、本発明によるＷＪＰの施工前及び施工後の残留応力の測定値を示している。図１０の横軸は試験体右端からの距離であり、縦軸は残留応力を示している。縦軸の値が小さいほど、圧縮残留応力が改善されていることを示している。試験では、長さが２７０mm、内径がΦ９.５のステンレス製の試験体を用いた。

試験結果から、本発明のＷＪＰによる残留応力改善方法により、ＷＪＰ施工前に約−１００ＭＰａであった残留応力が施工後には−３５０ＭＰａ〜−４５０ＭＰａに改善されていることが確認できた。

尚、キャビテーション気泡の広がりが最大である部分を広がり部といい、この広がり部の径を広がり径８５という。図１３に、キャビテーション気泡の最大広がり径８５の概念図を示す。管４０内径がキャビテーション気泡の広がり径より十分大きい場合は、逆流が発生しても管４０内面にキャビテーション気泡が衝突しない可能性がある。さらに確実にキャビテーション気泡を管４０内面に衝突させるためには、管４０内径よりキャビテーション気泡の広がり径を長くする必要がある。従って噴射ノズル１の選択に際しては、管４０の内径を考慮し、管４０内面にキャビテーション気泡が衝突する広がり径となるような噴射ノズル１を選択する。

本発明による管内面の残留応力改善方法及びその装置に関する第２の実施例を、図１１及び図１２を用いて説明する。本実施例は、管の一端から液体を注入することにより、噴射ノズル１から噴射された高圧水の流れを逆流させ、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保するとともに、成長したキャビテーション気泡を有する高圧水の流れを管内面に沿って形成させ、管内面でキャビテーション気泡の崩壊を発生させるものである。

図１１は、第２の実施例で用いるＷＪＰ装置の構成図を示している。本実施例においては、タンク２内の水中環境下においてＷＪＰを行う。本実施例で用いるＷＪＰ装置は、第１の実施例で用いるＷＪＰ装置において、被加工物１０（管４０）の一端を閉止する閉止装置１２のかわりに、管４０の一端から液体を注入するための液体注入装置６０を備えていることに特徴がある。つまり、本実施例で用いるＷＪＰ装置は、管４０内面に衝撃圧を与えるための高圧水を噴射する噴射ノズル１，当該高圧水を噴射ノズル１に供給する高圧水供給装置７，噴射ノズル１と高圧水供給装置７とをつなぐ高圧ホース８，ＷＪＰを適用する管４０を保持する保持装置９，液体を保持するタンク２，管４０の一端から液体を注入する液体注入装置６０，管４０の一端から注入する液体を液体注入装置６０に供給する液体供給装置６１，噴射ノズル１を移動させる噴射ノズル駆動装置１１，管４０を移動させる被加工物駆動装置１４、並びに噴射ノズル駆動装置１１，被加工物駆動装置１４，高圧水供給装置７及び液体供給装置１３を制御する制御装置１５から構成される。

ここで、液体供給装置６１は、ポンプ６３，流量計６４，圧力計６５，開閉バルブ６６から構成される。開閉バルブ６６を開とし、ポンプ６３を起動することにより、液体供給装置６１から液体注入装置６０に液体が供給される。他の構成は、第１の実施例に記載のＷＪＰ装置と同様なので、説明を省略する。

以下、本実施例による管内面の残留応力改善の作業工程を説明する。本実施例では、被加工物１０として、両端が開口している中空円筒形状の管４０を用いる。本実施例による作業工程は、第１の実施例による作業工程において、閉止装置１２を用いて管４０の一端を閉止することにより噴流を逆流させるかわりに、液体注入装置６０及び液体供給装置６１を用いて管４０の一端から液体を注入することにより噴流を逆流させる。

まず、タンク２内に水を満たす（Ｓ１０１）。次に、管４０を保持装置９に保持させることにより、管４０を所定の位置に据え付ける（Ｓ１０２）。管４０を据え付けるに際しては、液体注入装置６０の図示しないノズル部により管４０の一端から液体が注入できるように、管４０を保持させる（Ｓ１０３）。その後、噴射ノズル１を管４０上方に移動させて噴射ノズル１の軸芯８０と管４０の軸芯５０とを一致させた後（Ｓ１０４）、噴射ノズル１を管４０内に挿入する（Ｓ１０５）。詳細な作業手順は第１実施例と同様であるので、詳細な説明は省略する。また、本実施例で用いる噴射ノズル１も、第１の実施例で用いる噴射ノズル１と同様の構造を有するので、説明は省略する。

次に、被加工物１０である管４０の内面にＷＪＰを施行する(Ｓ１０６)。具体的には、以下の手順で行う。まず、開閉バルブ６を開とし高圧ポンプ３を起動させることにより、高圧ホース８を介して、高圧水供給装置７から噴射ノズル１に高圧水を供給する（Ｓ１０６−１）。噴射ノズル１に供給された高圧水は、噴射ノズル１の噴射穴から管４０の軸芯５０方向（又は噴射ノズル１の軸芯８０方向）に噴射される（Ｓ１０６−２）。噴射ノズル１から高圧水を噴射しＷＪＰを施工するに際して、液体注入装置６０の図示しないノズルからも管４０内に液体を注入する（Ｓ１０６−３）。管４０内への液体の注入は、開閉バルブ６６を開としポンプ６３を起動させることにより、ホースを介して液体供給装置６１から液体注入装置６０に液体を供給し、液体注入装置６０に供給された液体を図示しないノズルから管４０内に注入することにより行う。液体注入装置６０から液体を管４０内に注入することにより、噴射ノズル１から噴射された高圧水を逆流させる。ここで、噴射ノズル１から噴射した高圧水内では、圧力の低下によりキャビテーション気泡が成長する。この高圧水及びキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧を管内面に与えることにより、管内面の引張応力を圧縮応力に変え、残留応力を改善することができる。

図１２は、被加工物１０である管４０の一端の開口部から液体を注入しながら、管４０内面にＷＪＰを適用した場合のキャビテーション噴流の模式図を示している。噴射ノズル１から噴射された高圧水はキャビテーション気泡を同伴し、管４０の軸芯５０上（又は噴射ノズル１の軸芯８０上）を進行するが、高圧水の進行方向７０の開口部９０から液体を注入することにより、管内の噴流全体の流れ（最終的な噴流の流れ）は、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流することになる。ここで、噴射ノズル１から噴射した高圧水は管４０の軸芯５０上を進行するため、逆流した噴流は管の軸芯５０上の周囲である管の内面に沿って進行（逆流）する。噴流を逆流させることにより、キャビテーションが成長するための適切な距離を確保することができるとともに、管内面に沿った流れを形成でき、管内面でキャビテーション気泡の崩壊を発生させることができる。さらに、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０の開口部（噴射ノズルを挿入する開口部と反対側の開口部）９０から液体を注入することにより、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流を強制的に生じさせることができ、積極的に高圧水の逆流を制御することができる。

次に、Ｓ１０６に記載のＷＪＰを施工しながら、噴射ノズル駆動装置１１のＺ軸移動装置１６により、噴射ノズル１を上下方向に移動させる（Ｓ１０６−４）が、詳細な作業手順は第１実施例と同様であるので省略する。ＷＪＰ内面全体の残留応力を改善させた後、噴射ノズル１への高圧水の供給及び液体注入装置６０への液体の供給を停止する（Ｓ６−５）。

その後、噴射ノズル１を管４０から抜き出すとともに、管４０を保持装置から取り出して、ＷＪＰの作業工程を終了する（Ｓ７）。

ここで、第１の実施例と同様に、噴射ノズル１から噴射する高圧水は管４０の軸芯５０に対して角度を有していても良い。つまり、噴射ノズル１から噴射される高圧水が管４０の軸芯５０に対して角度を有していても、その角度が９°以下であれば、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができる。また、噴射ノズル１から噴射される高圧水が管４０の軸芯５０に対して９℃以内の傾斜であれば、残留応力改善に適さないような壊食を避けることができる。

尚、本実施例で用いたＷＪＰのうち、噴射ノズル１，高圧水供給装置７，保持装置９，液体注入装置６０，液体供給装置６１，噴射ノズル駆動装置１１及び制御装置１５を有していれば、噴射ノズル１から噴射した噴流を逆流させ、本実施例によるＷＪＰを実施することが可能である。従って、被加工物駆動装置１４等は必須の構成ではない。

上記第２の実施例によれば、第１の実施例と同様に、管４０内の噴流全体の流れ（最終的な噴流の流れ）を噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流させることができる。その結果、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができ、管内面にキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧を与えることができる。また、噴射ノズル１から噴射した高圧水を管４０の軸芯５０上に進行させることにより管４０内面に沿った流れを形成でき、管４０内面に沿ってキャビテーション気泡の崩壊を発生させることができる。また、噴射ノズル１から噴射した高圧水が管４０の軸芯５０に対して９℃以内の傾斜で噴射されることにより、キャビテーション気泡が成長するための適切な距離を確保することができるとともに、残留応力改善に適さないような壊食を避けることができる。さらに、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０の開口部９０（噴射ノズルを挿入する開口部と反対側の開口部）から液体を注入することにより、噴射ノズル１から噴射された高圧水の進行方向７０に対して逆流を強制的に生じさせることができ、積極的に高圧水の逆流を制御することができる。

尚、上記各実施例では、被加工物１０として両端が開口している管４０を用いたが、さらに他の開口部や分岐を有する管であっても、噴射ノズル１から噴射された高圧水の最終的な流れが逆流させることができれば、同様の効果を有することができる。

また、ＷＪＰの施工は必ずしも水中で行う必要はなく、気中で行うことも可能である。気中で行うことにより、作業性が向上する。

１…噴射ノズル、２…タンク、７…高圧水供給装置、９…保持装置、１０…被加工物、１１…噴射ノズル駆動装置、１２…閉止装置、１４…被加工物駆動装置、１５…制御装置、４０…管、６０…液体注入装置、６１…液体供給装置。

Claims (12)

1. 噴射ノズルから液体を管内部に噴射し、前記液体に同伴されたキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧により管内面の残留応力を改善する方法において、
   前記管の軸芯方向に前記噴射ノズルから前記液体を前記管内部に噴射し、前記キャビテーション気泡を前記管の内面に沿って逆流させることを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
2. 請求項１に記載の管内面の残留応力改善方法において、
   前記キャビテーション気泡を前記管の内面に沿って逆流させる手段として、前記噴射ノズルから噴射される前記液体の進行方向上にある前記管の開口部が閉止されていることを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
3. 請求項１に記載の管内面の残留応力改善方法において、
   前記キャビテーション気泡を前記管の内面に沿って逆流させる手段として、記噴射ノズルから噴射される前記第１の液体の進行方向上にある前記管の開口部から第２の液体を注入することを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の管内面の残留応力改善方法において、
   前記管内面に沿ったキャビテーション気泡の逆流が、前記管の内面全周に広がる前記管の内面に沿った逆流であることを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の管内面の残留応力改善方法において、
   前記噴射ノズルの外側に周方向に３つ以上の突起部を有することを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の管内面の残留応力改善方法において、
   前記噴射ノズルの軸芯が前記管の軸芯と平行なことを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の管内面の残留応力改善方法において、
   前記噴出ノズルが前記管の軸方向に移動することを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
8. 両端に開口部を有する管を保持装置により保持し、
   前記管の開口部から噴射ノズルを挿入し、
   前記噴射ノズルに供給された液体を前記管の軸芯方向に前記噴射ノズルから前記管内部へ噴射し、前記噴射ノズルから噴射された前記液体に同伴された前記キャビテーション気泡を前記管の内面に沿って逆流させ、前記キャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧により前記管内面の残留応力を改善することを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
9. 請求項８に記載の管内面の残留応力改善方法において、
   前記噴射ノズルから噴射される前記液体の進行方向上にある前記管の開口部を閉止することを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
10. 請求項８に記載の管内面の残留応力改善方法において、
    前記噴射ノズルから噴射される前記第１の液体の進行方向上にある前記管の開口部から第２の液体を注入することを特徴とする管内面の残留応力改善方法。
11. 両端に開口部を有する管を保持する保持装置と、
    前記管の一端から挿入され、前記管内部に液体を噴射する噴射ノズルと、
    前記液体を前記噴射ノズルに供給する液体供給装置と、
    前記管の他端を閉止する閉止装置と、
    前記噴射ノズルを移動させる噴射ノズル駆動装置と、
    前記液体供給装置及び前記噴射ノズル駆動装置を制御する制御装置とを具備し、
    前記噴射ノズルは前記液体を前記管の軸芯方向に前記管内部に噴射する噴射ノズルであることを特徴とする、前記液体に同伴されたキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧により前記管内面の残留応力を改善する管内面の残留応力改善装置。
12. 両端に開口部を有する管を保持する保持装置と、
    前記管の一端から挿入され、第１の液体を前記管内部に噴射する噴射ノズルと、
    前記第１の液体を前記噴射ノズルに供給する第１の液体供給装置と、
    前記管の他端から前記管内部に第２の液体を注入する液体注入装置と、
    前記第２の液体を前記液体注入装置に供給する第２の液体供給装置と、
    前記噴射ノズルを移動させる噴射ノズル駆動装置と、
    前記第１の液体供給装置，前記噴射ノズル駆動装置及び前記第２の液体供給装置を制御
    する制御装置とを具備し、
    前記噴射ノズルは前記第１の液体を前記管の軸芯方向に前記管内部に噴射する噴射ノズルであることを特徴とする、前記第１の液体に同伴されたキャビテーション気泡の崩壊による衝撃圧により前記管内面の残留応力を改善する管内面の残留応力改善装置。

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