JPH08336755A - ウォータージェットピーニング処理装置および処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 水中環境でウォータージェットを用いて金属
材料表面を打撃して塑性変形させることにより圧縮残留
応力を生成し、前もって存在している残留応力を改善す
る。 【構成】 活発なキャビテーション気泡を多発させるた
めに環状階段、逆噴射口、斜流板、副噴射口を設けたノ
ズル１０を使用し、整流板、伸縮機構なども付設すると
ともに、大気中でも水中と同じ環境が得られかつ、ジェ
ットが飛散しないように密閉外筒１７を設けた。このノ
ズル１０はホルダ２５を介してＸ−Ｙ−Ｚ駆動装置２６
に取付けられ、ノズル１０には調整水槽３４の水が高圧
ポンプ２７で昇圧された高圧水２が送られ、第１副噴射
口には低圧水１４がポンプ２９から、または窒素ガス３
１がボンベ３０から送られ、第２副噴射口９には低圧ポ
ンプ２７から低圧水１４が送られる。ノズル１０からの
噴出流体は排水ポンプ３２で排出され、排水処理装置３
３で処理される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属材料の表面に圧縮
残留応力を生成させ、溶接等の加工により前もって存在
する引張残留応力を軽減して応力腐食、腐食、疲労、腐
食疲労等の損傷を防止するためのウォータジェットピー
ニング処理装置と当該処理装置を使用したウォータージ
ェットピーニング処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】オーステナイトステンレス鋼等の金属材
料からなる機器、特に高温水中で使用される機器におい
て、その溶接近傍部で応力腐食、腐食疲労、腐食、疲労
等の損傷、特に応力腐食割れが発生する危険性が高いこ
とがよく知られている。応力腐食、腐食疲労及び疲労等
の損傷発生およびその進展に対して、引張残留応力が存
在すると、前記応力腐食、腐食疲労及び疲労等の損傷の
進展が著しく加速される。しかし、引張残留応力を圧縮
側に改善すると、これらの損傷発生や進展は大幅に抑制
され、特に、応力腐食割れを防止することが可能にな
る。

【０００３】引張残留応力を圧縮に改善する手段とし
て、例えば特開昭６２−６３６１４号公報に開示されて
いる技術がある。この技術は、熱交換器等の管の内部に
挿入したピーニングヘッドの回転ノズルから高圧液体ジ
ェットを噴出し、管内面に衝突させた時に生ずる衝突圧
力によって表面層に塑性変形を生じさせて、当該表面層
に圧縮残留応力を生成させている。

【０００４】上記従来技術はノズルと対象物の距離が短
い熱交換器等の管内面の残留応力を改善する方法として
は有効である。しかし、上記従来技術において効力を発
揮するためにはノズルと対象物の距離（噴射距離）を短
くすることが必須であり、噴射距離が長い場合、もしく
は噴射距離が短くとも水中噴射のように噴射速度減衰が
著しい場合には、ピーニング効果を得ることが困難とな
る。また、大気中噴射では噴射速度減衰は少なくなる
が、上記従来技術のように衝突動圧のみを用いる場合
は、噴射圧力を超高圧にすることが要求される。そのた
めにポンプ、関連機器に高性能が要求され、コストが高
くならざるを得なくなっている。

【０００５】そこで、本出願人は、特開平４−３６２１
２４号公報記載のように、ノズルから噴出された高速の
噴出水流を水中環境中で、もしくは大気中で金属材料の
表面に衝突させ、前記ノズルから噴出させた高速の噴出
水流によりキャビテーションを発生させて前記金属材料
の表面に局部的高圧分布を降伏点以上の歪みを発生させ
ることにより前記金属材料に表面圧縮残留応力を発生さ
せるようにした残留応力改善方法をすでに提案した。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、本出願人に
よる既出願の発明を実施するに際し、処理対象に応じて
多量のキャビテーションが要求される場合がある。

【０００７】本発明はこのような技術的要求に応えるた
めになされたもので、その目的は、多量のキャビテーシ
ョンによってウォータージェットピーニング処理を実行
することができるウォータジェットピーニング処理装置
を提供することにある。また、他の目的は、当該処理装
置を使用したウォータジェットピーニング処理方法を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に本発明では、水中と類似の環境または水中環境に高速
で噴射したウォータージェット自身が有する１次キャビ
テーション、周囲環境とウォータージェットの相互作用
で生ずる２次キャビテーション及び金属体とウォーター
ジェットの相互作用で生ずる３次キャビテーションを金
属材料表面に衝突させて崩壊させ、キャビテーション崩
壊時に生ずる超高速のマイクロジェットで金属材料表面
ピーニングして表面に圧縮残留応力を生成するものであ
り、キャビテーション発生を活発化させる。

【０００９】キャビテーション発生を活発化させるため
に、主噴射ノズルのオリフィスに続く末広がり状の開口
部にキャビテーション発生巣となる階段状のステップを
設け、さらに、大気中で施工した場合でも主噴射ジェッ
トが局部的な水中環境で包まれるように、水中と類似の
環境を作る円環状の副噴射口を主噴射口の周りに設ける
と共に、その外側に外筒を設ける。また、１次キャビテ
ーション発生を活発にするために、副噴射口の１つから
キャビテーション核となる空気、窒素等の気体を吹き込
む。

【００１０】具体的には上記目的は下記の第１ないし第
２３の手段によって達成される。

【００１１】第１の手段は、ノズルから噴出させたキャ
ビテーション気泡を包含する高速流体を金属体に衝突さ
せて、該金属体の表面層に圧縮塑性変形と圧縮残留応力
を生成させるウォータージェットピーニング処理装置に
おいて、前記ノズルの円孔オリフィスに続く末拡がり状
に開口した主噴射口の内面に凹凸を形成したことを特徴
としている。

【００１２】第２の手段は、第１の手段における凹凸を
断面階段状に形成したことを特徴としている。

【００１３】第３の手段は、第１および２の手段におい
て、主噴射口が開口した端面に当該主噴射口を取り囲む
ような円環状の副噴射口をさらに設けたことを特徴とし
ている。

【００１４】第４の手段は、第３の手段において、前記
主噴射口内で当該主噴射口から噴射される流体の噴射方
向と対向する方向に副噴射口の開口部を開口させたこと
を特徴としている。

【００１５】第５の手段は、第４の手段において、副噴
射口から噴射される流体を気体としたことを特徴として
いる。

【００１６】第６の手段は、第３の手段において、副噴
射口を複数個設けたことを特徴としている。

【００１７】第７の手段は、第３ないし６の手段におい
て、副噴射口から噴射される流体の噴射速度を設定する
手段を設けたことを特徴としている。

【００１８】第８の手段は、第７の手段において、噴射
速度を設定する手段によって設定される速度が、主噴射
口から噴出される速度と同一の速度に設定されているこ
とを特徴としている。

【００１９】第９の手段は、第７の手段において、噴射
速度を設定する手段によって設定される速度が、主噴射
口から噴出される速度とは異なる速度に設定されている
ことを特徴としている。

【００２０】第１０の手段は、第７の手段において、噴
射速度を設定する手段によって設定される速度が、各副
噴射口ごとに異なる速度に設定されていることを特徴と
している。

【００２１】第１１の手段は、第３または６の手段にお
いて、副噴射口の流路内に主噴射口の軸線と平行な案内
板を設けたことを特徴としている。

【００２２】第１２の手段は、第３または６の手段にお
いて、副噴射口の流路内に主噴射口の軸線に対して斜行
した案内板（斜流板）を設けたことを特徴としている。

【００２３】記載のウォータージェット処理装置。

【００２４】第１３の手段は、第１または２の手段にお
いて、ノズルの端面の主噴射口の外周に主噴射口の軸線
に対して平行に伸縮可能な外筒を設けたことを特徴とし
ている。

【００２５】第１４の手段は、第３、４、１１および１
２の手段において、ノズルの端面の副噴射口の開口部分
の外周に主噴射口の軸線に対して平行に伸縮可能な外筒
を設けたことを特徴としている。

【００２６】第１５の手段は、第１３または１４の手段
において、外筒に排水管に接続される排水口を設けたこ
とを特徴としている。

【００２７】第１６の手段は、第１５の手段において、
外筒の先端縁部に処理対象金属面との間で水を封止する
封水手段を設けたことを特徴としている。

【００２８】第１７の手段は、第１ないし６、および第
１１ないし１５の手段において、さらに、ノズルを支持
する支持手段と、この支持手段を駆動して前記ノズルの
先端部を処理すべき金属面に対向させる駆動手段と、こ
の駆動手段を制御して前記先端部を処理すべき金属面の
所望の位置に移動させる移動制御手段と、前記ノズルに
高圧の流体を供給するポンプと、このポンプを駆動制御
するポンプ制御手段と、前記ポンプに流体を供給する調
整水槽とを備えていることを特徴としている。

【００２９】第１８の手段は、第１５の手段において、
さらに、ノズルを支持する支持手段と、この支持手段を
駆動して前記ノズルの先端部を処理すべき金属面に対向
させる駆動手段と、この駆動手段を制御して前記先端部
を処理すべき金属面の所望の位置に移動させる移動制御
手段と、前記ノズルに高圧の流体を供給するポンプと、
このポンプを駆動制御するポンプ制御手段と、前記ポン
プに流体を供給する調整水槽と、前記排水口から排水す
る排水ポンプとを備えていることを特徴としている。

【００３０】第１９の手段は、第３、４、６、１１、１
２、１４、１５および１６の手段において、ノズルを支
持する支持手段と、この支持手段を駆動して前記ノズル
の先端部を処理すべき金属面に対向させる駆動手段と、
この駆動手段を制御して前記先端部を処理すべき金属面
の所望の位置に移動させる移動制御手段と、主噴出口に
流体を供給する第１のポンプと、副噴射口に流体を供給
する第２のポンプと、第１および第２のポンプの駆動を
制御する制御手段と、第１および第２のポンプに流体を
供給する調整水槽とを備えていることを特徴としてい
る。

【００３１】第２０の手段は、第１５の手段において、
ノズルを支持する支持手段と、この支持手段を駆動して
前記ノズルの先端部を処理すべき金属面に対向させる駆
動手段と、この駆動手段を制御して前記先端部を処理す
べき金属面の所望の位置に移動させる移動制御手段と、
主噴出口に流体を供給する第１のポンプと、副噴射口に
流体を供給する第２のポンプと、第１および第２のポン
プの駆動を制御する制御手段と、第１および第２のポン
プに流体を供給する調整水槽と、前記排水口から排水す
る排水ポンプとを備えていることを特徴としている。

【００３２】第２１の手段は、第１３ないし第１６の手
段における外筒の先端を、処理すべき金属に当接させ、
もしくは近接させて噴射口から流体を噴出させて金属表
面を処理することを特徴としている。

【００３３】第２２の手段は、第１５の手段における排
水口を排水管に接続し、外筒の先端を、処理すべき金属
に当接させ、もしくは近接させて噴射口から流体を噴出
させ、前記排水口から排水しながら金属表面を処理する
ことを特徴としている。

【００３４】第２３の手段は、第１６の手段における封
水手段を処理すべき金属の表面に密着させて噴射口から
流体を噴出させ、前記排水口から排水しながら金属表面
を処理すること特徴としている。

【００３５】

【作用】上述の手段によれば、水中だけでなく空気中で
施工した場合でも、ウォータージェット噴出によりキャ
ビテーション気泡の発生と成長が活発になり、かつ、副
噴射口から噴射される水流が主噴射口から噴射される水
流を包むために成長したキャビテーションの崩壊寿命が
長くなるとともに、噴流速度の減衰が少なくなる。した
がって、金属体表面で崩壊するキャビテーションの数も
多くなり、キャビテーション崩壊時のマイクロジェット
の衝突水撃力も高くなる。そのために、金属表面により
大きな圧縮残留応力が短時間に効率よく生成される。す
なわち、前記ノズルの円孔オリフィスに続く末拡がり状
に開口した主噴射口の内面に凹凸を形成することによっ
て境界層部分で噴流が剥離し、その剥離によって生じた
水泡が核となってキャビテーション気泡の量を増加さ
せ、気泡の成長が活発になる。

【００３６】また、外筒を処理すべき金属に当接させ、
もしくは近接させてウォータージェットピーニング処理
を行うと、空気中の施工であっても近似的に水中での施
工と同様の状態が実現できる。その際、排水口から処理
後の水を排水することで処理条件もしくは処理状態を一
定に保持して処理することができる。

【００３７】

【実施例】以下、図面を参照し本発明の実施例について
詳細に説明する。

【００３８】〔第１実施例〕図１は本発明の第１の実施
例に係るウォータージェットピーニング処理装置のノズ
ルを断面した説明図である。同図において、ノズル１は
円孔オリフィス１−１に続く略円錐状に開口した主噴射
口１−２の内周面に断面階段上の凹凸１−３を形成した
ものである。このノズル１には、２０ないし１００ＭＰ
ａ、好ましくは４０ないし８０ＭＰａ、より好ましくは
５０ないし７０ＭＰａの圧力に昇圧した高圧流体として
の高圧水２を供給し、主噴射口１−２から処理すべき金
属体３の処理面３−１に向けて主ジェット４として前記
高圧水２を噴射し、衝突させる。高圧水２は円孔オリフ
ィス１−１に続く主噴射口１−２で急激に膨脹するとと
もに、主噴射口１−２の内面との接触面で流れが乱され
るために乱流相互間および乱流と主噴射口１−２との間
で流れの剪断、剥離が起こり、キャビテーション気泡５
が多量に生じる。キャビテーション気泡５は主ジェット
４により運ばれる途中で成長し、一部は消滅するが、残
りは金属体３表面の処理面３−１に衝突し、ここで崩壊
して消滅する。金属体３に衝突したキャビテーション気
泡５は圧縮されて潰れ、超高速のマイクロジェットが生
じて崩壊して消滅する。この過程で、超高速のマイクロ
ジェットにより金属体３の表面に降伏点を上回る圧力が
加えられ、塑性変形を伴った圧縮応力が誘起される。こ
の圧縮応力はキャビテーション気泡５の消滅後もそのま
ま残留する。また、キャビテーション気泡５は断熱圧縮
となり、さらに、崩壊が次々と起こると塑性変形の繰り
返しとなることにより温度が上がる。実際には、表面は
水冷却されているために直ぐ冷却されるが、表面直下の
温度が高くなり、表面の圧縮応力誘起が助長されて、残
留応力改善効果が高くなる。

【００３９】〔第２実施例〕図２は第２の実施例に係る
ウォータージェットピーニング処理装置のノズルの一部
を断面した説明図である。同図において、ノズル７は、
高圧水２を噴射する円錐形状の主噴射口６を取り囲んで
円環状の第１副噴射口８および第２副噴射口９が多重に
設けられて、多重ノズルを構成しており、主噴射口６か
ら主ジェット４を速度Ｕ、第１副噴射口８から副ジェッ
ト１５を速度Ｖ、第２副噴射口９から副ジェット１６を
速度Ｗで噴射し、金属体３に衝突させてウォータージェ
ットピーニング処理を行なう。

【００４０】噴射速度は、望ましくはＵ≧Ｖ≧Ｗとし、
水中に置かれた金属体３に対して水中で噴射する。この
場合、Ｕ≧Ｖ≧Ｗの関係を保って水中噴射すると、主噴
射口６からの主ジェット４の噴出速度Ｕが減速しないの
で、噴射距離が長い場合でも、噴射されたキャビーショ
ン気泡５を途中で消滅させることなく金属体３に到達さ
せることができ、これによって良好なウォータージェッ
トによる残留応力改善効果を得ることができる。Ｕ＞Ｖ
＞Ｗの関係で噴射しても、主噴射口６からの単独噴射よ
りもよい効果が得られる。この場合は、第１および第２
副噴射口８，９に送りこむ水圧を高くせずに済むので装
置構成が容易、かつ、安価にできる。また、Ｕ＞Ｖで施
工すると、主噴射口６からの主ジェット４と第２副噴射
口９からの副ジェット１５との間に剪断作用による乱流
誘起キャビテーション気泡が生ずる。そのため、主噴射
口６からのキャビテーション気泡と剪断作用による乱流
誘起キャビテーション気泡が重畳するので金属体３の表
面層の圧縮応力生成効果をより高めることができる。そ
の他、特に説明しない各部は前述の第１の実施例と同等
に構成されている。

【００４１】なお、この実施例では副噴射口を第１およ
び第２の２つ設けているが、さらに多数の副噴射口を第
１および第２の副噴射口８，９と同様に設けてもよい。

【００４２】〔第３実施例〕図３は第３の実施例に係る
ウォータージェットピーニング処理装置のノズルの一部
を断面した説明図である。同図において、ノズル１０は
高圧水２を噴射する円錐状の主噴射口６を取り囲んで円
環状の第１副噴射口８が逆噴射口１１として主噴射流に
対向するように主噴射口６の開口部内に設けられ、逆噴
射ノズルとして構成されている。なお、第２副噴射口９
は第２の実施例と同様に構成されている。

【００４３】このように構成すると、逆噴射口１１から
は、主噴射口６から噴射する流体と同一流体をＵ＞Ｖで
噴射するか、もしくは、空気好ましくは窒素ガスをＵ≫
Ｖで噴射する。第２副噴射口９からは、第２の実施例と
同様に、主噴射口６から噴射する流体と同一流体をＵ＞
Ｗで噴射し、逆噴射口１１から主噴射口６の噴射流体と
同一流体をＵ＞Ｖで噴射する例によれば、主噴射流と逆
噴射口１１の逆噴射流が対向するので剪断作用が大とな
り、乱流誘起キャビテーション気泡が多く発生し、金属
体３の表面層の圧縮応力生成効果が高まる。また、逆噴
射口１１から空気等の気体を噴射すると、キャビテーシ
ョン気泡核が供給されることとなり、金属体３の表面層
の圧縮応力生成効果をさらに高めることができる。その
他、特に説明しない各部は前述の第１および第２の実施
例と同等に構成されている。

【００４４】なお、この実施例では副噴射口を逆噴射口
１１と第２の副噴射口９の２つ設けているが、さらに多
数の副噴射口を逆噴射口１１や第２の副噴射口９と同様
にして設けてもよい。

【００４５】〔第４実施例〕図４は第４の実施例に係る
ウォータージェットピーニング処理装置のノズルを断面
した説明図、図５は図４の右側面図である。この実施例
は、第１の副噴射口８の出口に整流板１２−１，１２−
２，１２−３，………１２−ｎを半径方向に設けて整流
ノズル１３とした例である。整流ノズル１３は、円孔オ
リフィス１−１に続く円錐状に開口した主噴射口１３−
２を備えた主ノズル１３−１と、前記整流板１２−１〜
１２−ｎを備えた第１の副噴射口８が形成された副ノズ
ル１３−３とからなり、副ノズル１３−３を主ノズル１
３−１のノズルの外周に被せて連結して構成されてい
る。主ノズル１３−１には高圧水２が、副ノズル１３−
３には低圧水１４がそれぞれ供給される。副ノズル１３
−３に供給される低圧水１４は、副ノズル１３−３本体
部に一体的に設けられた低圧水供給路１３−４を介して
供給される。

【００４６】このように構成すると、整流板12により整
流されて第１の副噴射口８から噴出するジェットは副ジ
ェット１５となって遠方まで勢いを維持するので、これ
に包まれる主ジェット４も高速のまま遠方まで到達可能
となる。そのため、この実施例によれば、ノズル１３か
ら離れてセットされた金属体３の表面層に大きな圧縮残
留応力を生成できる。特に、ノズル１３と金属体３が大
気中に置かれた場合に、整流された副ジェット１５は恰
も水中で施工されたと同様な環境を主ジェット４に提供
することになる。

【００４７】その他、特に説明しない各部は前述の第１
および第２の実施例と同等に構成されている。

【００４８】〔第５実施例〕図６は第５の実施例に係る
ウォータージェットピーニング処理装置のノズルを断面
した説明図である。この実施例は第４の実施例における
主噴出口１３−２を第１の実施例の主噴出口１−２と同
様に階段状の凹凸１−３を設けて主噴出口１８−２とす
るとともに、噴射された主ジェット４と副ジェット１５
を取り囲むように外筒１７−１を設けた外筒付ノズル１
７としたもので、特に説明しない各部は前述の第１の実
施例および第４の実施例と同等に構成されている。

【００４９】図６において、外筒１７−１は、副ノズル
１８−１に圧力バランサー１９−１を備えた伸縮締結機
構１９を介して締結され、ジェットの噴出方向に平行に
あらかじめ設定されたストローク分、可動に設定されて
いる。

【００５０】このように構成された外筒付ノズル１７を
金属体３表面に押し付けて施工すると、主ジェット４と
副ジェット１５が金属体３に衝突している部位における
圧力およびノズル押し付け圧力に釣り合うように圧力バ
ランサー１９−１が働いて、外筒付ノズル１７と金属体
３の間に隙間Ｄが形成され、噴出したジェット水はこの
隙間Ｄから排出される。このようにして施工すると、水
中施工および空気中施工、何れの場合でも主ジェット４
と副ジェット１５の拡散が外筒１７−１によって規制さ
れるので、外筒１７−１に包まれる主ジェット４と副ジ
ェット１５は速度損失が低く抑えられることになり、結
果として遠方まで到達することが可能となる。そのた
め、本実施例によれば、ノズル１７から離れてセットさ
れた金属体３の表面層に大きな圧縮残留応力を生成する
ことができる。

【００５１】図７に示した実施例は図６に示した第５の
実施例の第１の変形例である。この変形例に係る外筒付
ノズル１８は、図６の外筒１７−１の先端部１７−３を
絞って絞り外筒１７−２としたものである。このように
変形すると、外筒先端部１７−３が絞られているために
途中で損失した速度を回復し、乱流が活発になって、さ
らに圧縮残留応力生成効果を高めることができる。

【００５２】図８に示した実施例は第５の実施例の第２
の変形例である。この変形例に係る外筒付ノズル１８
は、図６の外筒１７−１に代えて、拡大した開口部を有
する２段がまえの段付外筒１７−４としたものである。
このように構成すると、段付外筒１７−４の先端が第１
の副噴出口８の外縁よりも大きく開口しているために、
大気中で施工した場合に、大径の外筒１７−４内に噴出
されたジェット水が溜まり、供給されるジェット水の分
だけ金属体３の表面との隙間から漏出するが、外筒１７
−４内部が水で満たされるために水中で施工したと同様
な環境での施工が可能となる。したがって、大きな水槽
を必要とせずに、例えば原子炉の圧力容器、シュラウ
ド、プラントのタンク、あるいは船舶などのような大型
機器を空気中で水中と同等の環境下で施工することがで
きる。

【００５３】図９に示した実施例は、図８に示した第２
の変形例をさらに変形した第５の実施例の第３の変形例
である。この変形例は、図８における外筒１７−４の上
部に排水口１７−５を設けるとともに、金属体３の表面
との間から漏水しないような封水機構１７−６を外筒１
７の開口部１７−７に設け、密封外筒ノズル２０とした
もので、その他、特に説明しない各部は第５の実施例と
同等に構成されている。

【００５４】このように構成すると、この密閉外筒ノズ
ル２０は金属体３に封水機構１７−６を介して封水状態
を保ちつつ金属体３表面に移動可能に押し付けてセット
して施工する。その際、排水口１７−５を備えているた
めに小さな押し付け力で封水状態を保つことができ、前
述と同様の大型機器を大気中で施工した場合に、水中で
施工したと同等の環境下での施工が可能となるととも
に、ジェット水の飛散を防止でき、水の回収も容易とな
る。

【００５５】〔第６実施例〕図１０ないし図１２に示し
た実施例におけるノズル２１は、図４に示した第４の実
施例における円錐形の主噴射口１３−２の内面を第１の
実施例における主噴射口１−２と同様に同心円の階段状
の主噴射口２１−２とし、さらに、副ノズル２１−３を
主ノズル２１−１の溝２１−４内のねじ部に螺合させて
取り付けるようにしたもので、特に説明しない各部は図
４および図５に示した第４の実施例と同等に構成され、
同等の見なせる各部には同一の参照符号を付し、重複す
る説明は省略する。

【００５６】この実施例では、整流板２１−５は、主ノ
ズル２１−１形成部材の外周部に形成され、当該主ノズ
ル２１−１の前方（図では右方）から副ノズル２１−３
を挿入して上述のようにして取り付けるようになってい
る。

【００５７】このように構成すると、主ノズル２１−１
の主噴射口２１−２における階段状の段差のそれぞれに
よって生じる活発な乱流のために主ジェットに含まれる
キャビテーション気泡が多くなり、第４の実施例よりも
さらに大きな残留応力改善効果を得ることができる。

【００５８】なお、この実施例では、整流板２１−５は
主ノズル２１−１の軸線Ｌ（主ジェットの噴出方向）と
平行な平板状に形成されているが、図１３に示すよう
に、流れを斜めに流すような斜流板２１−６に代えるこ
ともできる。このようにすると、斜流状に包み込むよう
に副ジェットが形成される。

【００５９】〔第７実施例〕第７の実施例を図３を参照
して説明する。この実施例は第３の実施例における（前
記第１の副噴射口８に対応する）逆噴射口１１からの空
気、好ましくは窒素ガスをＵ≫Ｖの速度で噴射し、第２
の副噴射口９からは第２の実施例と同様に主噴射口６か
ら噴射する流体と同一流体をＵ＞Ｗの速度で噴射する。
その他、特に説明しない各部は第３の実施例と同等に構
成されている。この例によれば、キャビテーション気泡
核が逆噴射口１１から供給されることとなり、キャビテ
ーション気泡５の発生が促進され、金属体３の表面層の
圧縮応力生成効果がより高くなる。

【００６０】〔第８実施例〕図１４に第１ないし第７の
実施例として説明した各種のノズルを使用してウォータ
ージェットピーニング処理を行う装置の概略構成を示
す。

【００６１】この実施例ではノズル本体は第３の実施例
に係る逆噴射多重ノズル１０からなり、その先端部に第
５の実施例における第３の変形例である密閉外筒１７を
設けたものを使用している。当該ノズル１０は、ホルダ
２５によって支持され、当該ホルダ２５は所定の空間軌
跡で移動なＸ−Ｙ−Ｚ駆動装置２６に連結される。ノズ
ル１０の主噴射口６には高圧ポンプ２７から高圧水供給
管路２７−１を介して高圧水が供給され、第２副噴射口
９には低圧ポンプ２８から低圧水供給管路２８−１を介
して低圧水１４が供給される。第１噴射口８には供給管
路２９−１を介して低圧水１４または窒素ガス３１が供
給される。この場合、低圧水１４はポンプによって送出
され、窒素ガス３１はボンベ３０から供給される。低圧
水１４と窒素ガス３１のいずれを供給するかは、使用ノ
ズルと施工環境によって適宜に選択される。また、排水
口１７−５からは排水管路３２−１が接続され、排水ポ
ンプ３２によって密閉外筒１７内の余剰のジェット水を
排水するようになっており、排水された水は排水処理装
置３３に排出され、処理される。なお、前記高圧ポンプ
２７、低圧ポンプ２８およびポンプ２９には調整水槽３
４から水が供給され、これらのポンプ２７，２８，２
９，３２は総合制御装置３５によって制御され、オペレ
ータの指示に応じて自動的に、もしくは手動により給排
水され、、もしくはボンベから給気される。また、前記
Ｘ−Ｙ−Ｚ制御装置２６も前記総合制御装置３５によっ
て制御される。したがって、この実施例においては総合
制御装置３５がノズルの移動制御手段として、また、ポ
ンプ制御手段として機能している。

【００６２】このように構成すると、噴射距離とノズル
の走行速度および横行ピッチなどをＸ−Ｙ−Ｘ駆動装置
２６を介して、また、噴射圧力などを各ポンプ２７，２
８，２９，３２を介して総合制御装置３５により対象と
する金属体の形状に合わせて施工時間とともにシーケン
シャルに制御することによって適正な施工条件で実施す
ることができる。

【００６３】なお、上記実施例では流体として水を使用
し、水を前提として説明しているが、キャビテーション
気泡が発生する液体であれば、適用できることは言うま
でもない。

【００６４】

【発明の効果】これまでの説明で明らかなように、本発
明によれば、以下のような効果を奏する。

【００６５】すなわち、ノズルの円孔オリフィスに続く
末拡がり状に開口した主噴射口の内面に凹凸を形成した
請求項１記載の発明、および、前記凹凸を断面階段状に
形成した請求項２記載の発明によれば、ノズルから噴射
したウォータージェットの乱流の度合いを大きくしてキ
ャビテーション気泡をより多く包含させることが可能に
なり、これによって、金属体表面に対する圧縮残留応力
生成効果が高く、応力腐食割れ、腐食疲労および疲労等
の損傷を効果的に防止することができ、ピーニング処理
の処理時間を短縮することができる。

【００６６】主噴射口が開口した端面に当該主噴射口を
取り囲むような円環状の副噴射口をさらに備えた請求項
３記載の発明によれば、副噴射口から主噴射口と同一の
液体、例えば水を噴出させることで主噴射口から噴出さ
れた水流を外部環境から遮断することが可能となり、水
中および空気中にかかわらず、同一の水環境下で施工す
ることができる。

【００６７】副噴射口の開口部を主噴射口内で当該主噴
射口から噴射される流体の噴射方向と対向する方向に開
口させた請求項４記載の発明によれば、主噴射口から噴
射される流体と副噴射行から噴射される流体の噴射方向
が逆行するので、両流体間の剪断作用によって乱流誘起
キャビテーション気泡が多量に発生し、キャビテーショ
ン気泡による金属表面の圧縮応力の生成をより効率的に
行える。

【００６８】副噴射口から気体を噴射させる請求項５記
載の発明によれば、キャビテーション気泡の核を主噴射
口から噴射させ、噴出流体中に供給するので、キャビテ
ーション気泡が多量に発生し、請求項４記載の発明と同
様の効果を奏する。

【００６９】副噴射口を複数個設けた請求項６記載の発
明によれば、主噴射口からの主ジェットを複数の副ジェ
ットで包み込むようにして主ジェットを噴射するので、
水環境を請求項３記載の発明よりもさらに確実に現出し
て施工することができる。

【００７０】副噴射口から噴射される流体の噴射速度を
設定する手段を備えた請求項７記載の発明によれば、副
噴射口から噴射される噴射速度を設定して水環境の現出
を制御することができ、水中および空気中にかかわらず
同一の水環境下で施工することができる。

【００７１】噴射速度を設定する手段によって設定され
る速度が、主噴射口から噴出される速度と同一の速度に
設定された請求項８記載の発明によれば、副噴射口と主
噴射口から同速で液体を噴出させて水環境を現出するこ
とができる。

【００７２】噴射速度を設定する手段によって設定され
る速度が、主噴射口から噴出される速度とは異なる速度
に設定された請求項９記載の発明によれば、副噴射口と
主噴射口との間の噴射速度を変えて、処理装置および処
理面の状況に応じて任意に水環境を現出させることがで
きる。

【００７３】噴射速度を設定する手段によって設定され
る速度が各副噴射口ごとに異なる速度に設定された請求
項１０記載の発明によれば、水環境の現出に際して副噴
射口からの噴出速度を制御し、処理装置および処理面の
状況に応じて任意に水環境を現出させることができる。
その際、副噴射口から噴射させる速度が外周側ほど低速
にすることによって噴出させるための装置が簡単にな
り、装置全体のコストを低減することができる。

【００７４】副噴射口の流路内に主噴射口の軸線と平行
に案内板を設けた請求項１１記載の発明によれば、整流
板によって流れが整えられて噴射するので、副ジェット
が遠方まで噴射速度を維持することが可能になり、これ
によって主ジェットも高速のまま遠方まで到達すること
ができ、離れた位置からのウォータージェットピーニン
グ処理が可能になる。

【００７５】副噴射口の流路内に主噴射口の軸線に対し
て斜行した案内板を設けた請求項１２記載の発明によれ
ば、請求項１１記載の発明の効果に加えて、案内板が斜
行し、旋回流を主ジェットの外周に生じさせるので、両
者間の剪断作用によってキャビテーション気泡の発生を
多くすることができる。

【００７６】ノズルの端面であって、主噴射口の外周に
主噴射口の軸線に対して平行に伸縮可能な外筒を備えた
請求項１３記載の発明によれば、外筒によって主噴射口
から噴射される主ジェットをあたかも水槽内と同等の水
環境下に置くことが可能となり、空気中でも水中におけ
る水環境と同等の環境で施工することができる。

【００７７】ノズルの端面であって、副噴射口の開口部
分の外周に前記主噴射口の軸線に対して平行に伸縮可能
な外筒を備えた請求項１４記載の発明によれば、外筒の
先端を処理対象となる金属面に押し当てて処理すると、
処理後の水の圧力によって外筒が若干後退し、外筒の端
面と金属面との間の隙間から処理水が漏出するので、外
部に水が飛び散ることなく水中と同等の水環境下で施工
することができる。

【００７８】外筒に排水管に接続される排水口を設けた
請求項１５記載の発明によれば、処理後の水は排水口か
ら外部に導かれるので、外部に飛び散ることなく排出し
て水中と同等の水環境下で施工することができる。

【００７９】外筒の先端縁部に処理対象金属面との間で
水を封入する封水手段を設けた請求項１６記載の発明に
よれば、確実に金属面との間で封水が行えるので、外部
漏水を確実に抑えて施工することができる。

【００８０】請求項１７記載の発明によれば、支持手段
によってノズルを支持させ、制御手段を介して制御され
る駆動手段によってノズルの先端部を処理すべき金属面
に対向させ、ポンプ制御手段を介して制御されるポンプ
によって主噴射口からキャビテーション気泡を含む主ジ
ェットを噴出させて金属面に衝突させるので、キャビテ
ーション気泡の崩壊に伴う圧力によって金属面に所望の
圧縮残留応力を短時間で生じさせることができる。

【００８１】請求項１８記載の発明によれば、請求項１
７記載の発明に加えて外筒の排水口から排水ポンプによ
って処理後の水を回収することができるので、水を外部
に飛散させることなく請求項１７記載の発明と同等の効
果を奏することができる。

【００８２】請求項１９記載の発明によれば、ポンプ制
御手段を介して制御される第１および第２のポンプによ
って主噴射口および副噴射口から流体を噴出させ、主噴
射口から噴射される主ジェットと副噴射口から噴射され
る副ジェットとの間の剪断作用によって主ジェットに多
量のキャビテーション気泡を発生させて金属面に衝突さ
せるので、キャビテーション気泡の崩壊に伴う圧力によ
って金属面に所望の圧縮残留応力を短時間で生じさせる
ことができる。その際、副ジェットによって主ジェット
を包み込むようにして噴出させるので、水環境下と同等
の環境下で処理することができる。

【００８３】請求項２０記載の発明によれば、請求項１
９記載の発明に加えて外筒の排水口から排水ポンプによ
って処理後の水を回収することができるので、水を外部
に飛散させることなく請求項１９記載の発明と同等の効
果を奏することができる。

【００８４】ウォータージェットピーニング処理装置の
外筒の先端を、処理すべき金属に当接させ、もしくは近
接させて噴射口から流体を噴出させて金属表面を処理す
る請求項２１記載の発明によれば、キャビテーション気
泡を多量に含んだ主ジェットによって処理対象となる金
属面に短時間で効率的に残留圧縮応力を生じさせること
ができる。

【００８５】排水口を排水管に接続し、外筒の先端を、
処理すべき金属に当接させ、もしくは近接させて噴射口
から流体を噴出させ、前記排水口から排水しながら金属
表面を処理する請求項２２記載の発明によれば、処理後
の水を排水口から回収しながら処理することができるの
で、空気中でも処理水を飛散させることなく水中におけ
る水環境と同等の環境下での処理が可能となる。

【００８６】封水手段を処理すべき金属の表面に密着さ
せて噴射口から流体を噴出させ、排水口から排水しなが
ら金属表面を処理する請求項２３記載の発明によれば、
処理後の水を外部に漏出することも飛散させることもな
く、処理後の水を排水口から回収しながら処理すること
ができるので、空気中でも水中における水環境と同等の
環境下での処理が可能となる。これにより、例えば原子
炉の圧力容器、シュラウド、プラントのタンク、船舶な
どの大型建造物の溶接部分のウォーターピーニング処理
を空気中で効率良く行うことが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る階段状開口ノズル
の噴射状態を示す図である。

【図２】第２の実施例に係る多重ノズルの噴射状態を示
す図である。

【図３】第３の実施例に係る逆噴射ノズルの噴射状態を
示す図である。

【図４】第４の実施例に係る整流ノズルの噴射状態を示
す図である。

【図５】図４の整流ノズルを噴射口側からみた側面図で
ある。

【図６】第５の実施例に係る外筒付ノズルの噴射状態を
示す図である。

【図７】第５の実施例の第１の変形例に係る外筒付ノズ
ルの噴射状態を示す図である。

【図８】第５の実施例の第２の変形例に係る段付外筒付
ノズルの噴射状態を示す図である。

【図９】第５の実施例の第３の変形例に係る密封外筒付
ノズルの噴射状態を示す図である。

【図１０】第６の実施例に係る整流板付階段状開口ノズ
ルの縦断面図である。

【図１１】図１０の整流板付階段状開口ノズルを噴射口
側から見た側面図である。

【図１２】図１０の整流板付階段状開口ノズルの主ノズ
ル部分の一部を断面した正面図である。

【図１３】第６の実施例の第１の変形例に係る主ノズル
部分の一部を断面した正面図である。

【図１４】本発明の実施例に係るウォータージェットピ
ーニング処理装置のシステム構成を示す図である。

【符号の説明】

１ 階段状開口ノズル １−１ 円孔オリフィス １−２ 階段状開口部 ３ 金属体 ４ 主ジェット ５ キャビテーション気泡 ６ 主噴射口 ７ 多重ノズル ８ 第１副噴射口 ９ 第２副噴射口 １０ 逆噴射多重ノズル １１ 逆噴射口 １２，２１−４ 整流板 １３ 整流ノズル １５，１６ 副ジェット １７，１８ 外筒付ノズル １７−１，１７−２，１７−４ 外筒 １７−５ 排水口 １７−６ 封水機構 １９ 伸縮締結機構 ２０ 密閉外筒ノズル ２１ ノズル ２１−５ 斜流板 ２５ ホルダ ２６ Ｘ−Ｙ−Ｚ駆動装置 ２７ 高圧ポンプ ２８，２９，３２ ポンプ ３０ ボンベ ３５ 総合制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 英策 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 平野 克彦 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 (72)発明者 大高 正廣 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 (72)発明者 天野 和雄 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 (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 守中 廉 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルから噴出させたキャビテーション
   気泡を包含する高速流体を金属体に衝突させて、該金属
   体の表面層に圧縮塑性変形と圧縮残留応力を生成させる
   ウォータージェットピーニング処理装置において、前記
   ノズルの円孔オリフィスに続く末拡がり状に開口した主
   噴射口の内面に凹凸が形成されていることを特徴とする
   ウォータージェットピーニング処理装置。
2. 【請求項２】 前記凹凸が、断面階段状に形成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載のウォータージェッ
   トピーニング処理装置。
3. 【請求項３】 ノズルから噴出させたキャビテーション
   気泡を包含する高速流体を金属体に衝突させて、該金属
   体の表面層に圧縮塑性変形と圧縮残留応力を生成させる
   ウォータージェットピーニング処理装置において、前記
   ノズルの円孔オリフィスに続く末拡がり状に開口した主
   噴射口が開口した端面に当該主噴射口を取り囲むような
   円環状の副噴射口をさらに備えていることを特徴とする
   請求項１または２に記載のウォータージェットピーニン
   グ処理装置。
4. 【請求項４】 前記副噴射口の開口部が前記主噴射口内
   で、当該主噴射口から噴射される流体の噴射方向と対向
   する方向に開口していることを特徴とする請求項３に記
   載のウォータージェットピーニング処理装置。
5. 【請求項５】 前記副噴射口から噴射される流体が気体
   であることを特徴とする請求項４に記載のウォータージ
   ェットピーニング処理装置。
6. 【請求項６】 前記副噴射口が複数個設けられているこ
   とを特徴とする請求項３に記載のウォータージェットピ
   ーニング処理装置。
7. 【請求項７】 前記副噴射口から噴射される流体の噴射
   速度を設定する手段を備えていることを特徴とする請求
   項４ないし６のいずれか１に記載のウォータージェット
   ピーニング処理装置。
8. 【請求項８】 前記噴射速度を設定する手段によって設
   定される速度が、前記主噴射口から噴出される速度と同
   一の速度に設定されていることを特徴とする請求項７に
   記載のウォータージェットピーニング処理装置。
9. 【請求項９】 前記噴射速度を設定する手段によって設
   定される速度が、前記主噴射口から噴出される速度とは
   異なる速度に設定されていることを特徴とする請求項７
   に記載のウォータージェットピーニング処理装置。
10. 【請求項１０】 前記噴射速度を設定する手段によって
    設定される速度が各副噴射口ごとに異なる速度に設定さ
    れていることを特徴とする請求項７に記載のウォーター
    ジェットピーニング処理装置。
11. 【請求項１１】 前記副噴射口の流路内に主噴射口の軸
    線と平行な案内板を設けたことを特徴とする請求項３ま
    たは６に記載のウォータージェットピーニング処理装
    置。
12. 【請求項１２】 前記副噴射口の流路内に主噴射口の軸
    線に対して斜行した案内板を設けたことを特徴とする請
    求項３または６に記載のウォータージェットピーニング
    処理装置。
13. 【請求項１３】 前記ノズルの端面であって、主噴射口
    の外周に主噴射口の軸線に対して平行に伸縮可能な外筒
    を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載
    のウォータージェットピーニング処理装置。
14. 【請求項１４】 前記ノズルの端面であって、副噴射口
    の開口部分の外周に前記主噴射口の軸線に対して平行に
    伸縮可能な外筒を備えていることを特徴とする請求項
    ３、４、１１および１２のいずれか１に記載のウォータ
    ージェットピーニング処理装置。
15. 【請求項１５】 前記外筒に排水管に接続される排水口
    が設けられていることを特徴とする請求項１３または１
    ４に記載のウォータージェットピーニング処理装置。
16. 【請求項１６】 前記外筒の先端縁部に処理対象金属面
    との間で水を封止する封水手段を設けたことを特徴とす
    る請求項１５記載のウォータージェットピーニング処理
    装置。
17. 【請求項１７】 前記ノズルを支持する支持手段と、こ
    の支持手段を駆動して前記ノズルの先端部を処理すべき
    金属面に対向させる駆動手段と、この駆動手段を制御し
    て前記先端部を処理すべき金属面の所望の位置に移動さ
    せる移動制御手段と、前記ノズルに高圧の流体を供給す
    るポンプと、このポンプを駆動制御するポンプ制御手段
    と、前記ポンプに流体を供給する調整水槽とを備えてい
    ることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、１
    １、１２、１３、１４、１５および１６のいずれか１に
    記載のウォータージェットピーニング処理装置。
18. 【請求項１８】 前記ノズルを支持する支持手段と、こ
    の支持手段を駆動して前記ノズルの先端部を処理すべき
    金属面に対向させる駆動手段と、この駆動手段を制御し
    て前記先端部を処理すべき金属面の所望の位置に移動さ
    せる移動制御手段と、前記ノズルに高圧の流体を供給す
    るポンプと、このポンプを駆動制御するポンプ制御手段
    と、前記ポンプに流体を供給する調整水槽と、前記排水
    口から排水する排水ポンプとを備えていることを特徴と
    する請求項１５に記載のウォータージェットピーニング
    処理装置。
19. 【請求項１９】 前記ノズルを支持する支持手段と、こ
    の支持手段を駆動して前記ノズルの先端部を処理すべき
    金属面に対向させる駆動手段と、この駆動手段を制御し
    て前記先端部を処理すべき金属面の所望の位置に移動さ
    せる移動制御手段と、主噴出口に流体を供給する第１の
    ポンプと、副噴射口に流体を供給する第２のポンプと、
    第１および第２のポンプの駆動を制御する制御手段と、
    第１および第２のポンプに流体を供給する調整水槽とを
    備えていることを特徴とする請求項３、４、６、１１、
    １２、１４、１５および１６のいずれか１に記載のウォ
    ータージェットピーニング処理装置。
20. 【請求項２０】 前記ノズルを支持する支持手段と、こ
    の支持手段を駆動して前記ノズルの先端部を処理すべき
    金属面に対向させる駆動手段と、この駆動手段を制御し
    て前記先端部を処理すべき金属面の所望の位置に移動さ
    せる移動制御手段と、主噴出口に流体を供給する第１の
    ポンプと、副噴射口に流体を供給する第２のポンプと、
    第１および第２のポンプの駆動を制御する制御手段と、
    第１および第２のポンプに流体を供給する調整水槽と、
    前記排水口から排水する排水ポンプとを備えていること
    を特徴とする請求項１５に記載のウォータージェットピ
    ーニング処理装置。
21. 【請求項２１】 請求項１３ないし１６のいずれか１に
    記載のウォータージェットピーニング処理装置の外筒の
    先端を、処理すべき金属に当接させ、もしくは近接させ
    て噴射口から流体を噴出させて金属表面を処理すること
    を特徴とするウォータージェットピーニング処理方法。
22. 【請求項２２】 請求項１５記載のウォータージェット
    ピーニング処理装置の排水口を排水管に接続し、外筒の
    先端を、処理すべき金属に当接させ、もしくは近接させ
    て噴射口から流体を噴出させ、前記排水口から排水しな
    がら金属表面を処理することを特徴とするウォータージ
    ェットピーニング処理方法。
23. 【請求項２３】 請求項１６記載のウォータージェット
    ピーニング処理装置の封水手段を処理すべき金属の表面
    に密着させて噴射口から流体を噴出させ、前記排水口か
    ら排水しながら金属表面を処理すること特徴とするウォ
    ータージェットピーニング処理方法。