JPH0647667A - 水中高速水噴流を利用する加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 水中水噴流に発生するキヤビテーシヨンを促
進することを目的とする。 【構成】 水中水噴流に発生するキヤビテーシヨン衝撃
圧における第２番目のピークの発生領域の上流側に、周
囲核を強制的に供給６０６することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上利用分野】本発明は、鋼材等の残留応力低減技
術に係わり、水中において激しいキヤビテーシヨンを伴
う高速水噴流を加工材の表面に衝突させることによつ
て、引張方向に過大応力が残る表面を圧縮応力が作用す
るまでに処理しようとする技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】応力腐食割れ（ＳＣＣ）を起こすポテン
シヤルのある熱影響部を有する既設構造物の表面応力
は、小さな鋼球を気流の勢いで吹きつけるシヨツトブラ
スト、砂粒を用いるサンドブラスト、氷粒を用いるクラ
イオブラスト等によるピーニング処理を行い、応力を引
張方向（亀裂を拡大させる方向）から圧縮方向へと改善
する。このようなピーニング技術は、残留応力対策とし
て各種機械構造物あるいは部品加工時に広く用いられて
いる。

【０００３】しかし、このようなブラスト操作の出来な
い環境にありながら、是非ともピーニングしなければな
らない構造物も多い。例えば、水を張つた状態の特殊な
熱交換器や反応槽、あるいは海洋構造物の溶接部は、い
ずれも水を除いての作業は物理的あるいは経済的にも不
可能に近い。また、ブラスト粒子を水中から回収するこ
とは大変な難作業である。氷粒を用いれば回収は不要で
あるが、経済的なメリツトは出にくい。

【０００４】高速ウオータージエツトの利用は、ユニー
クな加工、採鉱あるいは洗浄技術として知られるが、こ
れを表面応力改善に利用する試みが、ウエスチングハウ
ス・エレクトリツク社により行われた（特開昭６２−６
３６１４号）。水噴流によるピーニングは、水冷効果も
あつて局所的な温度上昇を防げるというメリツトもあ
る。

【０００５】しかしこれは、水噴流の軸動圧力を有効に
利用できる大気中の作業であり、この技術は水中施工へ
とは直接応力、展開するのは難しい。水中では、噴流軸
動圧力の減衰がかなりはやい。これは、周囲水の抵抗
と、同じ液相であるがために拡散がはやいことに起因す
る。水中において、気相中水噴流なみの軸動圧力を得る
ためには、超高圧発生装置が必要になり、コスト的に大
変不利な技術になつてしまう。

【０００６】一方、水中水噴流には、キヤビテーシヨン
を起こさせるのに十分大きなサイズの気泡核噴流の乱れ
と、それと周囲水との剪断作用の複合効果により、壊食
率が通常のものより１〜２桁も大きい激しいキヤビテー
シヨンが発生する。このような激しいキヤビテーシヨン
を促進し、多量に発生する気泡の崩壊衝撃圧力を有効に
利用できれば、気相中水噴流なみのピーニング効果をさ
ほど高くない噴射圧力で達成できる可能性がある。ま
た、気相中水噴流の利用には、極めて危険な飛散噴流に
対する防災対策という重大な問題を抱えているが、水中
で急速に減衰する水中水噴流にはこのような問題はほと
んどない。

【０００７】図１８と図１９に従来技術の２例を示す。
図１８のノズルは水中におけるキヤビテーシヨンを促進
するために提案されたノズルである。図１９の例は、水
中において部品に固着した汚物をキヤビテーシヨンを利
用して除去しようとするものである。

【０００８】これらの図において、１５０１はノズル本
体、１５０２はオリフイス部、１５０３は円錐開口部、
１５０４は円錐空洞部、１５０５は配管部材、１５０６
は高圧噴出装置、１５０７は噴射加工対象物、１６０１
は水槽、１６０２は被洗浄部品、１６０３はノズル、１
６０３ａはノズル先端、１６０３ｂは噴出孔、１６０４
は水、１６０５は管路である。

【０００９】この図１９においては、ノズル１６０３と
被洗浄部品１６０２間の距離（スタンドオフ距離）、噴
射圧力あるいはノズル１６０３の仕様を適切に定めなけ
れば、付着した汚物をうまく除去できないばかりか、部
品に損傷を与える問題が生じる可能性がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】水中水噴流に発生する
キヤビテーシヨンが不活発であれば、衝突しても材料に
対する影響力は乏しい。残留応力改善に利用しようとし
ても、長時間にわたり衝突させても応力状態が変化しな
いのであれば、施工効率は低下することになる。さて、
水中の水噴流にキヤビテーシヨンを起こさせる気泡核に
は、「流入核（ｉｎｆｌｏｗ ｎｕｃｌｅｉ）」と「周
囲核（ａｍｂｉｅｎｔ ｎｕｃｌｅｉ）」がある。前記
流入核はポンプを通じて供給され、ノズルから高速で噴
射される水噴流の中に存在するタイプである。

【００１１】一方、周囲核は、噴射される水以外の周囲
にある水中に存在する核である。実際の水中水噴流で
は、これら両核に由来するキヤビテーシヨンがともに十
分に大径のものに発達し、それらがノズルから噴射され
た噴流の内部あるいは界面において複雑に干渉し合い、
結果的に激しいキヤビテーシヨン状態となる。施工環境
となるある種の容器内の水中には、気泡核すなわち周囲
核が乏しいことがよくある。一方、この容器内の水を循
環させ噴射用の水として利用しようとすると、流入核も
少ないことになる。深い容器で大気と接する水面の面積
が少なく、しかもその水面が静寂で乱れることがなけれ
ば、結果的に核は、その直径は小に、かつその数も少な
くなる。一般に気泡核は、水中に溶解した空気等の気体
が微小な気泡の形態として浮遊しているものであるから
である。水面が乱れていなければ、空気は極めて水中に
溶け込みにくくなる。

【００１２】ノズルから上記水中へ噴射する水は、プラ
ンジヤポンプあるいは遠心ポンプにより加圧されるた
め、水中にある気泡核は圧縮されて潰れ、その多くは結
局消滅してしまう。しかも、ポンプで加圧される場合に
は、多くの気泡核の中でも、材料に対する破壊力が大き
くパワフルなキヤビテーシヨンとして成長する筈の大き
めの気泡核から選択的に消滅してしまう。促進されたキ
ヤビテーシヨンを作り出そうとして噴射圧力Ｐ₁ を大き
くしても、ポンプにおいて大きな加圧力を受けるため
に、より多くの気泡核が消滅することになる。従つて、
キヤビテーシヨンを活性化しようとして噴射圧力Ｐ₁ を
高めていつても、噴射圧力Ｐ₁ による影響は頭打ちにな
る傾向がある。

【００１３】本発明の目的とするところは、このような
問題点を解決し、十分大径の気泡の形で気泡核を十分に
供給して、水中水噴流に発生するキヤビテーシヨンを促
進し、水中構造物の残留応力改善や付着物除去の水中加
工における施工効率を高めることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】ノズルから高速で噴射さ
れる主噴流中に含まれる、いわゆる「流入核」は、噴射
圧力、即ちポンプの吐出圧力の影響を受けるため制御し
にくい。制御する場合には、ポンプの吐出圧力を変える
ことになり、主噴流の噴射条件そのものが異なつてしま
う。

【００１５】本発明では、主噴流としての水中水噴流に
対し、強制的に「周囲核」を供給する方法を採用する。
ノズル本体の中央に開口する主噴出孔から噴出する高速
水噴流における特定の合流スタンドオフ距離Ｘｍ（ここ
でいうスタンドオフ距離とは、ノズルの全噴出孔から噴
流中心軸に沿つて下流へ向かつての距離のことを意味す
る）をターゲツトとして、主噴出孔の周囲に開口する複
数の周囲噴出孔から、空気を気泡の形態で、あるいは空
気を飽和状態近くに含んだ水を低速で合流混合させる。

【００１６】上記の合流スタンドオフ距離Ｘｍは、主噴
出孔からの主流水噴流のキヤビテーシヨンが発生する衝
撃圧の第２ピーク位置（後述）よりも、僅かにノズル寄
り（上流側）になるように周囲噴出孔の開口構造を設定
する。また合流角度、つまり主噴出孔の中心軸と周囲噴
出孔の中心軸との合流角度は最適なものになるようにす
る。

【００１７】この合流角度が小さすぎると、主噴出孔か
らの高速水噴流と周囲噴出孔からの言わば周囲核供給流
とが平行に流れるようになり、混合は両流れの剪断のみ
の効果でしか進まなくなる。従つて、周囲核供給の効果
が乏しくなる。

【００１８】逆に合流角度が大きすぎる場合には、主噴
出孔からの高速水噴流の上流部に大きな気泡が過度に供
給されたり、ノズルの近傍で余りにも夥しく多くのキヤ
ビテーシヨン気泡が発生すると、いわゆるクツシヨンの
作用により、材料に対するキヤビテーシヨンの影響力が
小さくなつてしまう。キヤビテーシヨンの発生が促進さ
れても、材料への影響力のあるキヤビテーシヨンはその
一部のタイプであり、キヤビテーシヨンが多過ぎるとク
ツシヨン効果により、必要なキヤビテーシヨンの威力が
減少してしまうことになる。従つて「気泡核」は、水中
水噴流の最適な場所に、適度な条件で適切な量だけ供給
しなければならない。

【００１９】

【作用】上記した方法により、水中の高速水噴流に供給
された「周囲核」は、高速水噴流との剪断層あるいは高
速水噴流内のコア部へ貫通し、高速水噴流中の大小様々
な渦の干渉により、渦糸キヤビテーシヨンとして成長す
る。この渦糸キヤビテーシヨンは、「第２ピーク位置」
近くにおいて、高速噴流の内部あるいは界面部に多数あ
らわれる。その形態は、微小な気泡が紐状に言わば数珠
のように連なつているかのようである。

【００２０】渦糸キヤビテーシヨンは、加工対象面とな
る固体面に叩き付けられるように衝突する。このタイプ
のキヤビテーシヨンは紐状であるから、衝突現象は、気
泡列の「ムチ」で固体面を叩くような様相を呈する。固
体面に衝突した気泡は崩壊し、固体面上に強い衝撃圧力
を加えながら、半径方向へ放射状に流れ、最終的には消
滅する。本発明の特徴は、この重要な渦糸キヤビテーシ
ヨンの発生を著しく活発にすることである。

【００２１】渦糸キヤビテーシヨンはパワフルで、噴流
中に存在する他のタイプのキヤビテーシヨンに比べて、
材料に対する影響力が大きい。特にステンレス鋼の場
合、発生した衝撃圧力によつて結晶粒が潰れ、表面の残
留応力は圧縮側へと改質される。また、ステンレス鋼に
限らず鋼材表面が強靱になるため、疲労強度も向上す
る。

【００２２】一方、この渦糸キヤビテーシヨンは、広い
空間に分散しているため、局部的に材料表面を損傷させ
たりすることはない。従つて、渦糸キヤビテーシヨンの
制御が、水中ピーニング加工にとつて極めて重要という
ことになる。

【００２３】

【実施例】図１は、本発明の具体化例であり、水中にお
いて高速水噴流を利用する加工方法の概念を描いたもの
である。

【００２４】ノズル１の中心軸９上に開口する噴出孔か
らは、水６中に高速水噴流が噴射される。この水中高速
水噴流には、激しいキヤビテーシヨンが発生するが、図
中ではキヤビテーシヨンの輪郭３として描いている。キ
ヤビテーシヨンを伴う主流としての高速水噴流は、加工
対象面４に衝突する。

【００２５】ノズル１の外周側からは、多数の周囲核を
含む低速の周囲流（気泡流あるいは空気を飽和状態に含
んだ水流）が、主流である高速水噴流に向けて噴射さ
れ、高速水噴流の特定位置において合流する。

【００２６】この周囲核供給流７の噴出流速は、主流で
ある高速水噴流の１／２０〜１／４程度に設定する。周
囲核供給流７の流量は、周囲核供給流７がかなり微量で
あつても効果が認められるので、高速水噴流のそれの
０．３％〜４５％の範囲に設定するとよい。周囲核供給
流７が微量であつても有効であるのは、供給された気泡
核がトリガとなり、水中に安定に存在していた気泡核が
励起されて、連鎖的に次々と成長し始めるからである。
周囲気泡核の極めて少ない環境であれば、周囲核供給流
７の割合を、この範囲内において増やす。

【００２７】両流れの合流した位置より僅かに下流にお
いて、キヤビテーシヨンが活性化するキヤビテーシヨン
促進領域８が生じて、材料に対して強い影響を与える渦
糸キヤビテーシヨンが活発に生成する。この領域８にお
いて生じたキヤビテーシヨンと上流側から流入してくる
キヤビテーシヨンは、干渉し合いながら共に加工対象面
４に衝突する。

【００２８】衝突によつてキヤビテーシヨン気泡は崩壊
し、加工対象面４上あるいはその直ぐ近傍において強い
衝撃圧を発生させる。キヤビテーシヨン気泡は夥しく多
数であり、しかも次々と連続的に供給されるため、加工
対象面４は、シヨツトピーニングされたのと同様の状態
となる。このようにして、加工対象面４の引張方向残留
応力は圧縮側へと改質されることになる。衝突した後の
噴流は、跳ね返り噴流５として放射状に飛散していく。

【００２９】図２ならびに図３は、中心軸を通る断面図
および噴出した方向からノズル側を見た正面図である。

【００３０】このノズルにおいては、中央に高速水噴流
が噴出する主噴出孔２０５がノズル本体２０１の前面に
開口している。この主噴出孔２０５へは、高圧水供給流
路２０３とこれに接続する径収縮部（しぼり部）２０４
を経て、高圧水２０２が供給され、主噴流の高速水噴流
として周囲水２１２内へと噴射される。

【００３１】主噴出孔２０５の周囲には、その中心軸２
１１が主噴出孔２０５の中心軸２０６と１点で交わるよ
うに開口する４個の周囲噴出孔２１０が開口している。
この周囲噴出孔２１０からは、空気あるいは空気で飽和
した水２０７が上記したように主噴出孔２０５からの高
速水噴流のそれに比較して低速で噴射される。このノズ
ルにおいて、空気あるいは空気飽和水２０７は、供給流
路２０８および径収縮部（しぼり部）２０９を通じて、
周囲噴出孔２１０へと供給される。主噴出孔２０５の中
心軸２０６と周囲噴出孔の中心軸２１１は、主噴出孔２
０５の出口からＸｍだけ離れた位置で、片振り角度θで
合流する。

【００３２】この距離Ｘｍ、即ち高速水流と周囲核を含
む流れとの合流距離は、主噴出孔２０５の出口と加工対
象面２１３間の距離ｘ₂ よりもやや短く設定する。Ｘｍ
は４０＜ｘ₂ ／Ｄ＜９０に、またｘ₂ は６０＜ｘ₂ ／Ｄ
＜１５０の範囲で設定する。ｘ₂ の添字‘２’は、キヤ
ビテーシヨンを伴う水中水噴流に発生する衝撃圧分布の
２番目のピーク（第１ピークはノズルにより近い距離に
ある）を表している。前記Ｄは、主噴出孔２０５の直径
である。合流角度θは、１０°〜６０°の範囲内に、さ
らに望ましくは１５°〜４５°の範囲になるようにノズ
ルの構造を決定する。

【００３３】図４は、水および周囲核供給系の概略を示
したものである。この実施例では、周囲核を空気、即ち
水中では気泡として供給する。主噴流として高速水噴流
となる水は、容器３０４内における水３０５が汲み上げ
られ、高圧ポンプ３０６で昇圧され、高圧水供給ライン
３０９を通じてノズル３０１へ導かれる。

【００３４】また周囲核となる空気は、コンプレツサ３
０７から圧縮空気供給ライン３０８を経てノズル３０１
へと送給される。ノズル３０は、マニユピレータ３１１
によつて、加工対象物３０３に対向する位置に設置され
る。ノズル３０１と加工対象物３０３間の距離は、上記
したような最適スタンドオフ距離である。

【００３５】図中の３０２は、キヤビテーシヨンを伴う
噴流、３１０は吸い込みラインである。

【００３６】図５に示す実施例は、周囲核を、飽和状態
あるいは過飽和状態に空気を含む水から供給する系統図
である。

【００３７】まず、主流としての高速水噴流は、高圧水
供給ライン４０８で容器４０４内の水４０５を吸い込み
ライン４０６から汲み上げ、高圧ポンプ４０７で昇圧
し、高圧水供給ライン４０８で容器４０４内の水４０５
中へ再び送給し、ノズル４０１から噴射して作り出す。
この主流高速水噴流は、激しいキヤビテーシヨンを伴う
噴流４０２となつて加工対象物４０３へ衝突する。

【００３８】一方、周囲核供給用の水は、容器４０４内
の水４０５を循環ポンプ４１０で汲み上げ、上方が大気
に開口する攪拌槽４１１内に貯水される。この攪拌槽４
１１の水面近くには、攪拌機４１２があり、水面が乱
れ、水中に過飽和まで空気が溶け込むようになつてい
る。

【００３９】攪拌槽４１１内の水は、低圧噴射ポンプ４
１４により汲み上げられ、低圧水供給ライン４１５を通
じてノズル４０１へと導かれ、キヤビテーシヨンを伴う
噴流４０２へ向けて噴射される。

【００４０】なお、図中の４０３は加工対象物、４０９
はマニユピレータ、４１０は循環ポンプ、４１３は空気
が溶解した水である。

【００４１】図１５、図１６、図１７は使用されるノズ
ルの主噴出孔の形状例を示したものである。但し、これ
らの図では周囲核を供給する周囲流供給孔は省略した。

【００４２】図１５に示すノズルは、径収縮部（しぼり
部）１２０５を緩やかな形状にしたものである。このノ
ズルには、圧力損失を少なく抑えることができるという
特徴がある。

【００４３】なお、図中の１２０１はノズル本体、１２
０２は高圧水、１２０３は中心軸、１２０４は高圧水供
給流路、１２０６は主噴出孔である。

【００４４】逆に図１６に示すノズルでは、径収縮部
（しぼり部）１３０５を鋭くしている。このノズルで
は、主噴出孔１３０６の上流端、即ち主噴出孔１３０６
と径収縮部（しぼり部）１３０５の接続部で、サブキヤ
ビテーシヨン（これは「流入核」としての役割を演じ
る）が発生し、キヤビテーシヨンの促進には効果的であ
るが、圧力損失が大きくなりやすい。

【００４５】なお、図中の１３０１はノズル本体、１３
０２は高圧水、１３０３は中心軸、１３０４は高圧水供
給流路である。

【００４６】図１７に示すノズルは、主噴出孔１４０６
の内部に戸溝（スロツト）状のキヤビテータ１４０７を
設けたものである。このキヤビテータ１４０７から「流
入核」としてのサブキヤビテーシヨンを発生させて、噴
出後の水噴流におけるキヤビテーシヨンを活発にする訳
である。本発明の主旨である周囲核の供給のみならず、
ノズルの主噴出孔の工夫を行えば、「流入核」が増加
し、結局両核の相乗効果によつて十分に発達した激しい
キヤビテーシヨンを伴う高速水噴流が得られる訳であ
る。

【００４７】なお、図中の１４０１はノズル本体、１４
０２は高圧水、１４０３は中心軸、１４０４は高圧水供
給流路、１４０５は径収縮部（しぼり部）である。

【００４８】次に、キヤビテーシヨンを伴う一般的な水
中高速水噴流の現象について述べる。図５にその現象を
模式的に示すキヤビテーシヨンは、大まかに２つのタイ
プ、即ちキヤビテーシヨンクラウド５０４と紐状の渦糸
キヤビテーシヨン５０９に分類される。

【００４９】キヤビテーシヨンクラウド５０４は、ノズ
ル５０１の噴出孔５０３の出口から爆発的に発生し、下
流へ行くに従い成長し、次第にくびれるようになり、下
流のある位置までくると分裂し（５０５）、かたまりと
して下流へ放出される。さらに下流に至ると、この分裂
したキヤビテーシヨンクラウド５０４のかたまりは消滅
し（２０７）、微細な気泡５０６が疎らに分散するよう
な状態となる。

【００５０】一方、キヤビテーシヨンクラウド５０４の
内部あるいは界面の近くには、紐状の渦糸キヤビテーシ
ヨン５０９が生成する。この紐状の渦糸キヤビテーシヨ
ン５０９は、微細な気泡群が数珠のようにつながつた
り、あるいは細長い管形の気泡が捩じれるようにして成
形されているものである。上流側では、渦糸キヤビテー
シヨン５０９の発達が不十分（５０９ａ）であるが、キ
ヤビテーシヨンクラウド５０４の分裂が生じるほどの下
流へ行くと渦糸キヤビテーシヨンが発達し（５０９
ｂ）、数も多く見られるようになる。

【００５１】後述するが、噴流の空間衝撃圧‘第１ピー
ク’に相当するスタンドオフ距離ｘ₁ では、キヤビテー
シヨンクラウド５０４が連続しており、噴流内部のコア
部は連続構造をなしている。

【００５２】一方、噴流の空間衝撃圧‘第２ピーク’に
相当するスタンドオフ距離ｘ₂ では、キヤビテーシヨン
クラウド５０４は分裂し、また紐状の渦糸キヤビテーシ
ヨン５０９が活発に成長するような現象が観察される。

【００５３】なお、図中の５０２は高圧水、５０８は周
囲水である。

【００５４】図６は、水中高速水噴流へ供給されるキヤ
ビテーシヨン気泡核の流れを模式的に描いたものであ
る。噴出孔６０３からは、必要な核の一つである流入核
が供給される（６０５）。この流入核は、噴出孔６０３
内において生成するサブキヤビテーシヨンの生成による
ものである。

【００５５】一方、周囲水６０４からは、噴流の界面を
通じて周囲核が供給される（６０６）。この周囲核は、
噴流の界面における剪断層において、渦糸キヤビテーシ
ヨンを作り出す。以上の２つのタイプのキヤビテーシヨ
ン核が成長することにより、激しいキヤビテーシヨンを
伴う噴流６０７が作り出されていく。

【００５６】なお、図中の６０１はノズル、６０２は高
圧水である。

【００５７】次に、激しいキヤビテーシヨンを伴う噴流
に生じる衝撃圧特性を調べるために、感圧フイルム法を
用いて、噴流の空間衝撃圧分布を測定した結果について
述べる。

【００５８】図７にその測定方法を示す。キヤビテーシ
ヨン噴流の中心軸７０３から半径方向に５ｍｍ離した位
置に、噴流に平行に感圧フイルム７０５を設置する。こ
のようにしてスタンドオフ距離ｘに対する衝撃圧分布を
知ることができる。

【００５９】キヤビテーシヨンにおいては、キヤビテー
シヨン気泡の崩壊時に発生する衝撃圧の影響が「線香花
火」のように四方八方に及ぶ。実際の加工では、噴流を
加工対象面にほぼ垂直に衝突させるが、ここでの感圧フ
イルム法との違いは、噴流の軸上動圧力が加わることで
ある。従つて、感圧フイルム法でも、キヤビテーシヨン
噴流の衝撃圧分布特性を把握することができる。

【００６０】なお、図中の７０１はノズル、７０２は高
圧水、７０４はキヤビテーシヨン噴流の輪郭、７０６は
周囲水である。

【００６１】図８は、無次元化したスタンドオフ距離ｘ
／Ｄ（Ｄはノズルの噴出孔の直径）に対して、噴射圧力
Ｐ₁ をパラメータとして、感圧フイルム法により求めた
衝撃圧Ｐ_{S h} の空間分布を示したものである。スタンド
オフ距離ｘ／Ｄ＝１０〜４０において最初のピーク‘第
１ピーク’、また下流側のｘ／Ｄ＝６０〜１５０におい
て２番目のピーク‘第２ピーク’が発生することが分か
る。‘第１ピーク’は狭い範囲で鋭く尖るのに対して、
‘第２ピーク’は幅広いｘ／Ｄの領域で緩やかな勾配の
形状となつている。

【００６２】また、パラメータとした噴射圧力Ｐ₁ に対
して、‘第１ピーク’はＰ₁ の影響を余り受けずピーク
を示すスタンドオフ距離ｘ／Ｄはほぼ一定である。‘第
２ピーク’は噴射圧力Ｐ₁ が大きくなると、ピークに相
当するｘ／Ｄが、分布形状があまり変わらないまま下流
側へシフトする。

【００６３】次に、実際の加工と同様に固体面に噴流を
衝突させて、材料の壊食状態を調べた結果について述べ
る。図１０は、壊食試験の状態を表したものである。ノ
ズル９０１より高圧水９０２を噴射し、キヤビテーシヨ
ン噴流９０４を、スタンドオフ距離ｘの条件のもとで、
アルミ合金の試験片９０５の表面に垂直に衝突させる。

【００６４】なお、図中の９０２は高圧水、９０３は中
心軸、９０６は跳ね返り噴流、９０７は壊食部である。

【００６５】図１１は、このような壊食試験において、
壊食による質量損失Δｍを、無次元化したスタンドオフ
距離ｘ／Ｄに対し整理したものである。

【００６６】‘第１ピーク’の範囲内に入るスタンドオ
フ距離ｘ／Ｄ≦１８において、Δｍは最大となる。

【００６７】一方、‘第２ピーク’相当の６０＜ｘ／Ｄ
＜１５０の領域では、Δｍの増大が全く見られない。Δ
ｍは、ｘ／Ｄ≦１８で頂点に達し、それより下流におけ
るｘ／ＤではΔｍは連続的に減少し、ｘ／Ｄ＞８０にな
ると質量損失はほとんど無いに等しくなる。この結果か
ら、‘第１ピーク’相当のスタンドオフ距離ｘ／Ｄにお
けるキヤビテーシヨン（これの主役はキヤビテーシヨン
クラウド）は著しく壊食性があるのに対し、‘第２ピー
ク’の領域では、キヤビテーシヨンによる損傷は見られ
ないことが分かる。

【００６８】‘第１ピーク’における激しい壊食は、図
６に示したように連続したキヤビテーシヨンクラウドを
伴う水噴流内部の連続コア構造の衝突によるものであ
る。これに対し、‘第２ピーク’では、激しい壊食を起
こすようなタイプのキヤビテーシヨンは生じていないこ
とになる。即ち、広域面積部分にエネルギーが分散し、
残留応力を改善させるのに丁度良い程度の圧力が発生す
る訳である。本発明の方法によつて、周囲核を供給すれ
ば、 （１）さらに広い面積の部分にキヤビテーシヨン域が拡
大する。

【００６９】（２）ピーニング時間が短くて済む。

【００７０】（３）材料の表面層だけではなく、より深
い部分にまでピーニングの効果が及ぶことにより、材料
の疲労強度も向上する。

【００７１】という効果が生まれる。

【００７２】次に、本発明において、ノズルの構造に対
する周囲核の供給法について述べる。図１２は、合流ス
タンドオフ距離に対する応力改善量の結果を示したもの
である。横軸の周囲核供給流の合流スタンドオフ距離Ｘ
ｍは、ノズルの噴出孔直径Ｄで割られて無次元化されて
いる。一方、ピーニング後の圧縮残留応力Δσ′からピ
ーニング前の引張残留応力を引いて求めた応力改善量Δ
σも周囲核を供給しない場合における応力改善量Δσ^*
により割られて無次元化されている。

【００７３】Ｘｍ／Ｄに対するΔσ／Δσ^* の特性は、
図示したようにｘｍ／Ｄ≦７０にピークを有するなだら
かな山型のカーブとして得られる。即ち、周囲核供給流
の合流位置は、ノズルに近すぎても、また離れ過ぎてい
ても効果が乏しくなるということがこの結果から分か
る。周囲核を供給しない場合に比べて、応力改善効果が
２倍以上になる領域、つまり４０＜Ｘｍ＜９０を好適な
スタンドオフ距離と判断することとする。

【００７４】図１３は、周囲核供給流の合流条件を調べ
た実験結果であり、合流角度θに対する応力改善量Δσ
／Δσ^* の変化をまとめたものである。Δσ／Δσ^* の
表現法は、図１２におけるそれと同一である。

【００７５】この実験においては、合流スタンドオフ距
離Ｘｍ／Ｄを一定に固定する条件とした。つまり、周囲
噴出孔の開口構造の異なる数種類のノズルを用いて実験
を行つた訳である。θに対して、Δσ／Δσ^* は山型の
カーブとなる特性を示すことが分かる。θが小さすぎる
と、周囲核供給法と主流としての高速水噴流が並行流に
近くなり、周囲核の供給が不十分になり、キヤビテーシ
ヨンが促進されない。一方、θが直角に近すぎると、合
流部に過度に多くのキヤビテーシヨン気泡が発生するた
め、クツシヨン作用により、気泡崩壊時の衝撃圧がキヤ
ビテーシヨン気泡群内に吸収されてしまい、キヤビテー
シヨンは促進されるどころか逆に抑制されるようにな
り、応力改善効果も乏しくなる。この実験結果から、θ
＝１０°〜６０°さらに望ましくはθ＝１５°〜４５°
の範囲が最適合流条件であることが分かる。θをうまく
選定することで、周囲核供給の無い場合に比べて応力改
善量を３倍近くまで拡大できることになる。

【００７６】図１４は、本発明の効果を実証した結果を
示すものである。ピーニング処理前（Ｘ）に比べて周囲
核を供給しない場合（Ｙ）でも圧縮側に応力が改善され
るが、本発明の実施例（Ｚ）では、さらに大きな応力改
善効果の得られることが分かる。

【００７７】水中水噴流を利用する本発明の応用範囲は
非常に広い。一般に、表面応力改善にあたつては、熱を
加えない、つまり金属組織の変態を伴わない常温処理の
方が格段に好ましい。この点からも本発明は有利であ
り、ボイラの耐圧部材等の表面応力改善へも応用するこ
とができる。

【００７８】水中における作業であることを考えれば、
船舶へも適用することができる。海水面下にある船舶の
底部には、貝・藻その他の生物が付着し、走航に際して
かなりの流動抵抗になる。本発明になる方法は、これら
の付着物を海水中において除去することを可能にする。
このように、海水中における付着生物の除去が可能にな
れば、 船をドツクに入れ、 ドツクから海水をくみ出し、 付着物の混じる洗い水を廃棄し、 さらに、 ドツクへ再び海水を入れる。

【００７９】と言つた一連の操作が一切省略されること
になり、船舶の保全がより経済的に行われるようにな
る。付着物を防ぐための特殊な塗料の使用も削減されれ
ば、海洋の環境保護の観点からも好ましい。特に、ドツ
ク付近の有機すず化合物による海洋汚染を防止すること
ができる。

【００８０】また本発明は「第２ピーク」を用いるため
に、加工対象面にダメージを与えないという利点があ
り、表面精密洗浄あるいは表面仕上げ加工（ポリシン
グ）としても適用可能である。

【００８１】

【発明の効果】本発明をウオータージエツトに適用する
ことによつて生まれる効果をまとめると次のようにな
る。

【００８２】（１）水中水噴流に発生するキヤビテーシ
ヨンを促進することにより、ピーニング効率を高めるこ
とができる。要するに、低い噴射圧力、少ない噴射流
量、短い施工時間で、しかも広い面積部分の加工対象面
に対し、所定の応力改善が達成できる。これにより応力
腐食割れ（ＳＣＣ）が防止できる。また疲労強度も向上
することで機器の寿命を延長することができる。

【００８３】（２）噴流中の「第２ピーク」に相当する
スタンドオフ距離を巧妙に利用すれば、加工対象面に損
傷を与えることなく、応力を改善することが可能にな
る。

【００８４】（３）「第２ピーク」の利用効率を高める
ことにより、最高衝撃圧の生じる最適スタンドオフ距離
をかなり長く確保できるため、ノズルの位置決め（マニ
ユピレーシヨン）に裕度が生じる。従つて、高精度の位
置決め精度が不要になり、施工コストを低減できる。

【００８５】（４）上記最適スタンドオフ距離を、ノズ
ルからの噴射圧力やノズルの構造を適宜組み合わせるこ
とによつて変化させることができる。従つて、遠隔部分
（ノズルからかなり隔れた加工対象面）や狭い個所のピ
ーニング施工も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る加工方法の基本概念を説明するた
めの図である。

【図２】本発明の実施例に係るノズルの断面図である。

【図３】そのノズルの正面図である。

【図４】加工装置の系統図である。

【図５】加工装置の系統図である。

【図６】キヤビテーシヨンを伴う水中高速水噴流のメカ
ニズムを説明するための図である。

【図７】キヤビテーシヨンを伴う水中高速水噴流のメカ
ニズムを説明するための図である。

【図８】感圧フイルム法を説明するための図である。

【図９】スタンドオフ距離と衝撃圧力との関係を示す特
性図である。

【図１０】壊食試験を説明するための図である。

【図１１】スタンドオフ距離と質量損失との関係を示す
特性図である。

【図１２】合流スタンドオフ距離と応力改善量との関係
を示す特性図である。

【図１３】合流角度と応力改善量との関係を示す特性図
である。

【図１４】従来のピーニング処理と本発明のピーニング
処理の効果を比較する特性図である。

【図１５】本発明の主噴出孔の変形例を示す断面図であ
る。

【図１６】本発明の主噴出孔の変形例を示す断面図であ
る。

【図１７】本発明の主噴出孔の変形例を示す断面図であ
る。

【図１８】従来例を示す説明図である。

【図１９】従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

１，５０１，６０１ ノズル ２，２０２，５０２，６０２，１２０２，１３０２，１
４０２ 高圧水 ４，２１３ 加工対象面 ６，２１２，５０８，６０４ 周囲水 ７ 気泡核供給水 ８ キヤビテーシヨン促進領域 ９ 中心軸 ２０１ ノズル本体 ２０５，１２０６，１３０６，１４０６ 主噴出孔 ２０７ 空気あるいは空気飽和水 ２１０ 周囲噴出孔 ５０３ 噴出孔 ５０４ キヤビテーシヨンクラウド ５０９ 渦糸キヤビテーシヨン ６０６ 周囲核の供給 １２０１，１３０１，１４０１ ノズル本体 １２０５，１３０５，１４０５ 径収縮部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山内 由章 宮城県仙台市太白区松ヶ丘29−31 ハウス センチュリー203号室 (72)発明者 大島 亮一郎 宮城県仙台市青葉区米ヶ袋２−４−２ ロ イヤルハイツ米ヶ袋405号 (72)発明者 佐藤 一教 広島県呉市宝町３番36号 バブコツク日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 進藤 丈典 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 黒沢 孝一 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中において、高圧ポンプから供給する
   水を、ノズルから高速で水中に噴射し、水中にある被加
   工物に激しいキヤビテーシヨンを伴う高速水噴流を衝突
   させる加工法において、 前記水中高速水噴流に発生するキヤビテーシヨン衝撃圧
   における２番目のピークの発生領域の上流側に、キヤビ
   テーシヨン促進要因となる周囲核を強制的に供給するこ
   とを特徴とする水中高速水噴流を利用する加工方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載において、空気等の気体、
   あるいは空気等の気体を飽和状態近くに含有する水のう
   ち少なくともいずれか一方を、周囲核を同伴送給する周
   囲噴流として、当該高速水噴流の初速度の少なくとも１
   ／２０以上の初速度で噴出させ、主噴流としての当該高
   速水噴流に合流混合させるとともに、合流室量流量比を
   当該主噴流質量流量の０．３％以上４５％未満とするこ
   とを特徴とする水中高速水噴流を利用する加工方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載において、中心部
   に開口し主噴流としての当該高速水噴流を噴射する主噴
   出孔と、主噴出孔の周囲に複数個開口し周囲核としての
   気体あるいは気体を飽和状態近くに含有する水を噴射す
   る周囲噴出孔あるいは気体を導くカラーまたは案内板か
   らなり、主噴出孔の中心軸を１０°以上６０°未満の傾
   斜角度になるごとく各噴出孔の開口方向を構成するノズ
   ルを用いることを特徴とする水中高速水噴流を利用する
   加工方法。