JP5540375B2 - 水噴流によるピーニング方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、化学プラントや発電プラントなどの構造物に生じる残留応力を改善するためや、ピーニング効果によって疲労強度を向上させるための表面改質装置および方法に関する技術である。
ガラス球や金属球、カット材などを空気圧や遠心力により加速して、対象物に打ち付け、塑性変形を生じさせて、対象物の引張り残留応力の改善や、対象物の疲労強度向上が達成されるショットピーニングが行われている（特許文献１及び２と非特許文献１）。
従来技術では、水流で加速する場合にも、空気圧でショットを加速する場合と同様に、ショットノズル内で水流内にショットを混入させてショットを加速し、吹き出し口からショットを噴射している。
特開平７−２６６２３０号公報 特開平９−３００２１５号公報
吉岡勇三、機械と工具、４６巻１０号、２５〜２９（２００２）
空気圧や遠心力で加速してショットを対象物に打ち付ける場合には、ショット同士あるいはショットと対象物の衝突により、火花が発生し発火する危険性がある。またショット同士の衝突やショットと対象物との衝突により粉塵が生じ、粉塵爆発を生じる原因となる。
原子炉圧力容器内などの水が満たされた環境では、空気圧でショットを加速してピーニングを行うことは、空気圧でショットを加速しても水の抵抗により減速してしまうので、ショットにより対象物の引張り残留応力を改善するのは困難である。
水流でショットを加速する従来の方式では、ショットノズル内で水流内にショットを混入させてショットを加速し、吹き出し口からショットを噴射しているので、ショットの衝突により吹き出し口が摩耗して施工時間とともに吹き出し口が拡大し、噴射量が変わってしまうために、加工能力を一定に保つことが困難である。
ショット同士の衝突やショットと対象物の衝突による発火と、ショット同士の衝突やショットと対象物の衝突による粉塵による粉塵爆発を回避するために、ショットと対象物の表面を、水で満たしたチャンバーで覆って、ショットを水流で加速してショットを対象物表面に打ち付けることにより、対象物の引張り残留応力の改善や、圧縮残留応力導入や加工硬化による対象物の疲労強度の向上が達成できる。
チャンバー内を水で満たしてショットを水流で加速するので、原子炉圧力容器内などの水で満たされた環境でも対象物にショットを打ち付けて対象物の残留応力を改善できる。
ショットをチャンバーに入れて対象物を覆い、チャンバー内を水で満たして水流を噴射することにより、チャンバー内をショットが循環し、水流によりショットを加速してショットを対象物に打ち付けることができる。したがって、水流の吹き出し口をショットが通過しないので、吹き出し口が摩耗することなく、安定した加工を行うことができる。
プラントなどの構造物加工用装置の縦断面図 小型物加工用装置の縦断面図 水流導入用オリフィスの横断面図の例(a)はオリフィス孔が1個の場合、(b)はオリフィス孔が２個の場合、(c)はオリフィス孔が３個で一列の場合、(d)はオリフィス孔が３個で同心円状に配列した場合、(e)はオリフィス孔４個を同心円状に配列した場合 水流導入用オリフィスの個数とショットの速度分布の例(a)はオリフィス孔が1個の場合、(b)はオリフィス孔が複数個の場合、 アルミナ材のショットを用いた加工による圧縮残留応力の導入結果 SUS440C材のショットを用いた加工による圧縮残留応力の導入結果 アルミナ材のショットを用いた加工による疲労試験結果 SUS440C材のショットを用いた加工による疲労試験結果
対象物の表面を、ショットを入れたチャンバーで覆い、チャンバーに取り付けた水流導入用オリフィスを通して高圧水を噴射し、チャンバー内に水流を発生させて、ショットを水流で循環させながら水流でショットを加速して、対象物表面にショットを打ち付ける（図１及び図２）。チャンバーと対象物表面との間隙（水抜きスリット）をショット直径の0.05倍から0.9倍にすることにより、ショットがチャンバーからこぼれることなく、ショットを対象物表面に打ち付けることができる。チャンバーを移動させることにより対象物表面を一様に加工できる。高圧水は、水抜きスリットおよびチャンバー流出水孔から流出する。高圧水の圧力は2MPaから10MPaを用い、対象物の硬さにより圧力を選定する。ショットには、直径が1mmから６mmのセラミックス球や金属球を用いる。
チャンバーと対象物表面との間隙が大きくなると、高圧水のみではチャンバー内を水で満たすことができなくなるので、補水用オリフィスを設けショット加速用水流より小さな圧力の低圧水をチャンバーに供給し、チャンバー内を水で満たしてショットを打ち付ける（図１）。小型の対象物の場合には、水を満たした水槽内に対象物を設置してチャンバーを被せて加工を行う（図２）。
チャンバー下部に袋状のクッション材を取り付けて、チャンバー内の水によりクッション材が膨らんで、チャンバーと対象物表面との間隙を小さくし、間隙から流出する水量を減らし、チャンバーを水で満たして加工する。
水流導入用オリフィスを複数にして（図３）、水流を複数とすることにより、ショットの速度分布を、速度が大きい領域が広がるようにして対象物の表面を一様に加工する。
図５には、ステンレス鋼SUS316Lに対しアルミナ材のショットを用いて加工し、X線回折式応力測定装置により残留応力を計測した結果を示す。高圧水の圧力が3MPaの場合で、ショット径4 mmの場合には200個、ショット径5.6 mmの場合には75個のショットを用いて加工した。高圧水の圧力が8 MPaの場合には、ショット径4 mm、ショット数200個で加工した。高圧水の圧力が3 MPaの場合には加工速度6 mm/minで加工し、8 MPaの場合には加工速度10 mm/minで加工した。いずれの場合も400 MPa以上の圧縮残留応力を導入できた。
図６には、ステンレス鋼SUS316Lに対しSUS440C材のショットを用いて加工し、X線回折式応力測定装置により残留応力を計測した結果を示す。高圧水の圧力8 MPa、ショット径3.2 mm、ショット数300個、加工速度60 mm/minで加工した。表面には400 MPa以上、最大値600 MPa以上の圧縮残留応力を導入できた。
図７には、溶接部を有するステンレス鋼SUS316Lに対しアルミナ材のショットを用いて加工し、平面曲げ式疲労試験を行った結果を示す。高圧水の圧力8MPa、ショット径4 mm、ショット数200個、加工速度10 mm/minで加工した。破断せずに107回に達した回数が未処理材では147 MPaであり、処理材では231 MPaとなり、疲労強度を向上できた。
図８には、溶接部を有するステンレス鋼SUS316Lに対しSUS440C材のショットを用いて加工し、平面曲げ式疲労試験を行った結果を示す。高圧水の圧力8 MPa、ショット径3.2 mm、ショット数300個、加工速度60 mm/minで加工した結果、疲労寿命が向上できた。
１：チャンバー
２：ショット
３：水流導入用オリフィス
４：補水用オリフィス
５：チャンバー流出水孔
６：貯水用クッション材
７：間隙（水抜きスリット）
８：対象物
９：水槽

Claims (5)

  1. 球体形状のショットを対象物に衝突させ対象物の残留応力を改善するショットピーニング装置であって、前記対象物の表面を前記ショットが内在する水で満たしたチャンバーで覆い、該チャンバーに水流導入用オリフィスを通して高圧水を噴射して前記チャンバー内に水流を発生させて、該水流で前記ショットを循環させながら対象物表面に打ち付ける構造を有し、前記チャンバーと対象物表面との間隙を前記ショット直径の０．０５倍以上０．９倍以下に設定したことを特徴とするショットピーニング装置。
  2. 前記チャンバーに設けられた水流導入用オリフィスからの水流導入の圧力が、２ＭＰａから１０ＭＰａであ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. 前記チャンバーに補水用オリフィスを設けることを特徴とする請求項１または２に記載のショットピーニング装置。
  4. 前記ショットとして、直径１〜６ｍｍのセラミックス球あるいは金属球を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のショットピーニング装置。
  5. 球体形状のショットを対象物に衝突させ対象物の残留応力を改善するショットピーニング方法であって、ショットとして直径１〜６ｍｍのセラミックス球あるいは金属球を用い、チャンバーと対象物表面との間隙が前記ショット直径の０．０５倍以上０．９倍以下になるように前記対象物の表面を前記ショットが内在する水で満たしたチャンバーで覆い、該チャンバーに水流導入用オリフィスを通して２ＭＰａから１０ＭＰａの高圧水を噴射して前記チャンバー内に水流を発生させて、該水流で前記ショットを循環させながら対象物表面に打ち付けることを特徴とするショットピーニング方法。
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