JPH0647668A - ウオータージエツトピーニング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピーニング効果が有効に得られるピーニング
装置を提供する。 【構成】 水中において、高圧ポンプ１５から高圧供給
する水をノズル４から水中へ噴射し、水中にある加工対
象物の表面３へ衝突させることにより、加工対象物の応
力状態を改善するウオータージエツトピーニング装置に
おいて、前記ノズル４に取り付けられた衝撃パルス検知
センサ５と、その衝撃パルス検知センサ５からの検知出
力に基づいて前記ノズル４に生じる振動周波数特性を解
析する周波数解析手段７と、その周波数解析手段７によ
つて得られた周波数特性と予め設定されている周波数特
性最適値との偏差を求めて、ノズルの周波数特性が周波
数特性最適値になるように、ノズル−加工面距離ならび
に水の噴射圧力の少なくともいずれか一方を制御する制
御手段９，１０とを有していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中において高速水噴
流の衝突を利用する加工対象物の残留応力改善に係り、
ノズルあるいはキヤビテーシヨン噴流周囲に発生する振
動や圧力脈動を検知し、その強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔ
ｙ）や周波数分布を基に、ノズル−加工対象物間の距離
や噴射圧力（噴射水量）を適正条件に保つようにする技
術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】応力腐食割れ発生の要因となる溶接部等
の残留応力は、鋼球を気流の勢いで吹き付けるシヨツト
ブラスト、砂粒やガーネツト粒子等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、残留応力を引つ張り方向（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、残留応力改善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できな
い環境でありながら、是が非でもピーニングしなければ
ならない構造物も多い。例えば、水を張つた特殊な熱交
換器や反応槽、あるいは海洋構造物の溶接部等は、いず
れも水中にあり、水を除去しての作業は物理的あるいは
経済的に不可能に近い。

【０００４】また、ブラスト粒子を水中から回収するこ
とは大変な難作業になる。氷粒を用いれば回収は不要で
あるが、施工コストが掛かりすぎて経済的なメリツトが
余りない。

【０００５】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
れを応力改善に利用する試みがウエスチングハウス社に
より行われた（特開昭６２−６３６１４号参照）。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。

【０００６】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、この技術を水中水噴流
としてそのまま展開できる保証はない。水中では、噴流
軸動圧力の減衰がかなり速い。これは、周囲水の抵抗と
同じ液相であるがため、拡散が速いことに起因する。水
中で気相中水噴流なみの軸動力を得るためには、超高圧
発生装置が必要になり、コスト的にも大変不利な技術に
なつてしまう。

【０００７】一方、水中水噴流には、噴流と周囲水との
乱れによりキヤビテーシヨンが発生する。キヤビテーシ
ヨンを促進し、大量に発生する気泡の圧壊作用を有効に
利用できれば、気相中噴流なみのピーニング効果を、低
い噴射圧力で達成できる可能性がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】キヤビテーシヨンピー
ニングを実施する場合、ピーニングの効率を高め、また
ピーニング処理の精度や信頼性を確保するために、如何
にしてキヤビテーシヨンや施工条件を制御するかが問題
となる。

【０００９】キヤビテーシヨンの状態を監視するにして
も、水中であるし、多量の気泡が発生するため、容易で
確実な方法とは言いがたい。特定の物理量を検知し、そ
の特性値を判断基準値と比較し、施工条件へフイードバ
ツクする手法が望まれる。ここで取り上げているウオー
タージエツトピーニング用のキヤビテーシヨンに限ら
ず、キヤビテーシヨンには、これが発生する機器の振
動、周囲水圧の脈動あるいは騒音が伴い、これらの特性
はキヤビテーシヨンの様相をよく反映するものである。

【００１０】このような現象に着目した一つの先行技術
（特開昭５３−１３６２１号参照）を図１０に示す。デ
イーゼル燃料噴射弁に発生するキヤビテーシヨンを検知
するために、燃料噴射管８０１に圧電素子８０３を利用
したセンサ８０２を取り付け、キヤビテーシヨンを監視
する燃料噴射管の寿命を延ばそうとしたものである。な
お、図中の８０４はリード線である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した問題を解決する
ために、本発明では、水中において水噴射ノズルの先端
近傍に例えばＰＺＴプローブ（圧電特性の優れたＰｂ
（ＺｒＴｉ）Ｏ₃ セラミツクス、もしくはノズルから噴
出後のキヤビテーシヨン噴流の近くに水中マイクロフオ
ンを設け、これらのセンサからキヤビテーシヨンイベン
ツに伴う衝撃パルスの強度や周波数分布（卓越周波数）
を求め、得られたこれらの特性値を予め設定した最適値
と比較することにより、ノズルと加工面（ピーニング対
象面）間の距離やノズルの噴射圧力（噴射流量）を適正
に保つように、ピーニング条件を制御する。

【００１２】このようにすることで、ピーニングの効率
を高めると共に、残留応力改善加工の信頼性を向上させ
ることが可能になる。

【００１３】

【作用】まず、ノズルの噴出孔端と加工対象間の距離を
最適に設定する必要性について述べる。

【００１４】図８は、水中６１０にノズル６０１から高
速で水を噴出させた時に生じる現象を模式的に描いたも
のである。噴出孔６０３の内部でキヤビテーシヨンの発
生６０５が見られ、水中６１０内に噴出すると、微細な
キヤビテーシヨン気泡が塊状になつた所謂キヤビテーシ
ヨンクラウド６０６が生成する。

【００１５】少し下流にいくと、このキヤビテーシヨン
クラウド６０６が捩じれ切られるようにして分裂する。
その際、キヤビテーシヨン噴流の渦流の中から、数珠の
ように小さな気泡が連なる渦糸キヤビテーシヨン６０７
が発生する。

【００１６】固体面に衝突する際には、この渦糸キヤビ
テーシヨン６０７の果たす役割は重要であり、このタイ
プのキヤビテーシヨンが最も高い圧力を固体面に発生さ
せる。この渦糸キヤビテーシヨン６０７の生じる個所よ
り上流の、あるいは下流にあるキヤビテーシヨンクラウ
ド６０６を固体面に衝突させても、高い圧力は発生しな
い。従つて、キヤビテーシヨン噴流の中で渦糸キヤビテ
ーシヨン６０７の発生する個所を残留応力改善に使用す
ることが、ピーニングの効率向上のキーポイントとな
る。

【００１７】なお、図中６０２は高圧供給水、６０４は
ノズルの径収縮部、６０８はキヤビテーシヨンクラウド
の消滅、６０９は粗い気泡を示している。

【００１８】残留応力改善の特性は、図６に示す実験結
果にもはつきりと現れている。ノズルと加工面間の距離
をＬ_n ／Ｄとして無次元化して表現する場合（ここで、
Ｌ：ノズル−加工面間距離、Ｄ_n ：ノズルの噴出孔
径）、２２＜Ｌ_n ／Ｄ＜３６が最適なピーニング条件に
相当し、残留応力σが良好に改質されていることが分か
る。

【００１９】ノズル−加工面間の距離の他に、ノズルか
らの水の噴射圧力もピーニング性能を確保する上で極め
て重要である。

【００２０】図７には、噴射圧力に対する残留応力の改
善量を示すが、噴射圧力が高いほど残留応力が改善でき
ることが分かる。

【００２１】しかしながら噴射圧力が低すぎれば、噴出
孔からの流速が減少しキヤビテーシヨンの強度（Ｉｎｔ
ｅｎｓｉｔｙ）が低下してしまう。一方、高すぎると、
キヤビテーシヨンは促進され残留応力は改善されるもの
の、加工対象物には、表面がえぐりとるように損傷され
たり、あるいは極端な場合には亀裂が発生して疲労強度
が低下するなど、却つて逆効果が生まれてしまう。従つ
て、ノズルからの噴射圧力は、ピーニング施工時の重要
な管理項目になる訳である。

【００２２】前で述べたように、「ノズル−加工面間の
距離」と「噴射圧力」を最適な条件に保つことで、ピー
ニングの効率を高めかつ加工時の信頼性を向上すること
ができる。

【００２３】

【実施例】図１は、ウオータージエツトピーニングにお
いて本発明を具体化した施工系統を示すものである。図
２は、水中で高速水流を噴射するノズルの構成とセンサ
の設置位置を示したものである。

【００２４】残留応力改善の対象とする構造物は容器１
の水２の中にあり、図中では加工対象面３として記され
ている。

【００２５】高圧ポンプ１２により昇圧された貯水槽１
３内のピーニング用水１４は、マニユピレータ１１の先
端に取り付けたノズル４から、容器内水２中へ高速で噴
射圧力Ｐ_i で噴射され、キヤビテーシヨン噴流１７とな
り、ノズル先端から距離Ｌだけ離れた加工対象面３に衝
突する。

【００２６】キヤビテーヨン噴流１７中の気泡は、加工
対象面３へ衝突する際に崩壊（圧潰）し、衝撃圧力を発
生する。この圧力の作用により、加工対象面３における
引つ張り方向の残留応力は圧縮方向へと変化する。容器
内水２は、循環ポンプ１５により汲み出され、貯水槽１
３内にピーニング用水１４として貯えられる。このよう
にして容器内水２は、ピーニング用に循環利用される。

【００２７】図２に示すように、ノズル２０１の外周で
噴出孔２０５の近傍において、ノズル２０１に生じる衝
撃パルス（これがキヤビテーシヨン発生イベントにな
る）を検知するための圧電セラミツク（ＰＺＴ）センサ
２０８が設けられている。

【００２８】これが図１の衝撃パルスセンサ５に相当
し、このセンサ５で検知された信号は増幅回路６で増幅
され、周波数解析装置７で周波数分布が解析される。

【００２９】判定回路８で（ａ）卓越周波数ｆ_P と
（ｂ）ｆ_P の振幅（あるいは加速度）が、予め調べて確
率されている最適卓越周波数ならびに振幅と比較判定さ
れる。この判定結果が制御信号となり、これらが、マニ
ユピレータ１１および高圧ポンプ１２を最適条件へ向け
て制御させる。すなわち、マニユピレータ１１は、卓越
周波数ｆ_P のセンシング結果に基づき、ノズル４と加工
対象面４間の距離Ｌが最適になるように動作する。高圧
ポンプからの噴射圧力Ｐ_i は、上記ｆ_P の振幅（加速
度）の大きさに基づき制御される。ｆ_P の振幅が低くキ
ヤビテーシヨンの強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が最適条
件より劣ると判定が下れば、高圧ポンプ１２からの吐出
圧力を増加させる。逆に、キヤビテーシヨン強度が大き
すぎる場合は、加工対象面３が損傷するおそれがあるた
め、高圧ポンプ１２からの吐出圧力を低減させる。

【００３０】なお図１において９，１０は制御手段、１
６は循環水供給ラインである。また図２において２０２
は高圧供給水、２０３は高圧水供給流路、２０４は径収
縮部、２０６は加工対象面、２０７はキヤビテーシヨン
噴流、２０９はリード線、２１０は防水シールチユーブ
である。

【００３１】図３ないし図４は、ノズル４に発生した衝
撃パルスの周波数分布の例を示したものである。

【００３２】図３の（ａ）は、得られた卓越周波数ｆ_P
が、キヤビテーシヨンを用いるピーニングに対する最適
値のｆ_P に一致し、ｆ_P の振幅も大きく（縦軸上で高い
レベルに達すること）、ノズル４と加工対象面３間の距
離Ｌとノズル４からの水の噴射圧力Ｐ_i がともに最適な
施工条件になる場合を示したものである。

【００３３】（ｂ）のようにｆ_P の振幅が低くなれば、
ｆ_P は最適つまりＬの条件は良好でもキヤビテーシヨン
の強度が低いことになる。従つて、この場合ノズル４か
らの水の噴射圧力Ｐ_i を高め、水流量（とともに流速）
を増加させ、（ａ）の周波数分布に近づくようにＰ_i を
制御する。Ｐ_i を変更するとｆ_P も少しシフトすること
がある。ｆ_P を微調整する場合には、ノズル４と加工対
象面３間の距離Ｌを制御する。

【００３４】図４に示す周波数分布は、ノズル４と加工
対象面３間が遠すぎた場合、つまりＬが長すぎてｆ_P が
最適設定値よりも低くなつた場合を示している。このよ
うな結果が得られたら、Ｌを最適にするようにマニユピ
レータ１１を動かす。

【００３５】図５の周波数分布は、ノズル４と加工対象
面３間が近すぎる場合、つまりＬが短すぎた場合を示し
ている。このような時はｆ_P が最適値まで下がるよう
に、マニユピレータ１１によりノズル４を加工対象面３
から遠ざける。

【００３６】このような、ノズルに生じる衝撃パルスの
ｆ_P の変化は、水中キヤビテーシヨン噴流と加工対象面
に衝突したはね返り噴流に生じる脈動（これは、キヤビ
テーシヨン噴流中の気泡の挙動が周囲水圧の変動となつ
たもの）となつて伝播し、キヤビテーシヨン噴流の発生
個所であるノズルへフイードバツクされるためである。

【００３７】ここまで述べた実施例と同様の考え方に基
づく例を図９に示す。この実施例では、噴射ノズル本体
に生じる微圧振動を検知するのではなく、噴射ノズル７
０２から噴射されるキヤビテーシヨン噴流７０３の圧力
発生特性と、このキヤビテーシヨン噴流７０３が、除去
したい残留応力のある加工対象面７０４に衝突して生じ
る圧力発生特性、および衝突はね返り噴流７０５におけ
るキヤビテーシヨン気泡群の発生する圧力脈動を、重畳
して水中マイクロフオン７０１によつて検出しようとす
るものである。

【００３８】検知された信号の処理法、得られた特性の
判断方法さらにこれらに基づくピーニング施工の制御手
法等は、初めに述べた実施例とほぼ同様である。

【００３９】

【発明の効果】本発明を実施したことによる効果をまと
めると、次のようになる。

【００４０】（１）ノズル−加工面間距離やノズルから
の噴射圧力（噴射流量）の設定条件を最適に保つことが
できる。

【００４１】（２）上記（１）の効果により、ピーニン
グ効率を高めることが可能になり、施工時間を短縮でき
る。また、高圧水噴射ポンプも最適容量のものを設定で
きるため、施工コストが大幅に改善される。

【００４２】（３）加工対象物の残留応力を確実に改善
できるようになる。これによつて、製品の信頼性が向上
する。

【００４３】（４）上記効果（３）とも関連するが、不
適切な施工により加工対象物に損傷を与えることがなく
なる。

【００４４】（５）ピーニングの加工対象物によつて
は、水の状態（気泡核の個数や大きさの分布）を把握し
にくい場合も多い。本発明によれば、キヤビテーシヨン
を起こしにくい水環境であつても、ノズル−加工面間距
離や噴射圧力を変更することにより、キヤビテーシヨン
を促進し、ピーニング効果を保つことができる。

【００４５】この逆も可能であり、気泡核が少なくキヤ
ビテーシヨン強度を高めにくい水環境においても噴射圧
力を高めピーニング性能を十分に確保できるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るウオータージエツトピー
ニングの施工操作系統図である。

【図２】ノズル付近の拡大断面図である。

【図３】周波数分布特性図である。

【図４】周波数分布特性図である。

【図５】周波数分布特性図である。

【図６】ノズル−加工面間距離と残留応力改善量との関
係を示す特性図である。

【図７】噴射圧力と残留応力改善量との関係を示す特性
図である。

【図８】キヤビテーシヨン噴流の分裂形態を模式的に示
した図である。

【図９】本発明の他の実施例を示す図である。

【図１０】従来提案された燃料噴射管に発生するキヤビ
テーシヨンを検知するセンサを説明するための図であ
る。

【符号の説明】

３，２０６，７０４ 加工対象面 ４，２０１，７０２ ノズル ５ 衝撃パルスセンサ ７ 周波数解析装置 ８ 判定回路 ９，１０ 制御手段 １１ マニユピレータ １２ 高圧ポンプ １４ ピーニング用水 １７，２０７，７０３ キヤビテーシヨン噴流 ２０２ 高圧供給水 ２０５ 噴出孔 ２０８ ＰＺＴセンサ ７０１ 水中マイクロフオン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 玉井 康方 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 (72)発明者 榎本 邦夫 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中において、高圧ポンプから高圧供給
   する水をノズルから水中へ噴射し、水中にある加工対象
   物の表面へ衝突させることにより、加工対象物の応力状
   態を改善するウオータージエツトピーニング装置におい
   て、 前記ノズルに取り付けられた衝撃パルス検知センサと、 その衝撃パルス検知センサからの検知出力に基づいて前
   記ノズルに生じる振動周波数特性を解析する周波数解析
   手段と、 その周波数解析手段によつて得られた周波数特性と予め
   設定されている周波数特性最適値との偏差を求めて、ノ
   ズルの周波数特性が周波数特性最適値になるように、ノ
   ズル−加工面距離ならびに水の噴射圧力の少なくともい
   ずれか一方を制御する制御手段とを有していることを特
   徴とするウオータージエツトピーニング装置。
2. 【請求項２】 水中において、高圧ポンプから高圧供給
   する水をノズルから水中へ噴射し、水中にある加工対象
   物の表面へ衝突させることにより、加工対象物の応力状
   態を改善するウオータージエツトピーニング装置におい
   て、 前記ノズルに取り付けられた水中音響検知センサと、 その水中音響検知センサからの検知出力に基づいて前記
   ノズルに生じる振動周波数特性を解析する周波数解析手
   段と、 その周波数解析手段によつて得られた周波数特性と予め
   設定されている周波数特性最適値との偏差を求めて、ノ
   ズルの周波数特性が周波数特性最適値になるように、ノ
   ズル−加工面距離ならびに水の噴射圧力の少なくともい
   ずれか一方を制御する制御手段とを有していることを特
   徴とするウオータージエツトピーニング装置。