JPH11114830A - ウォータージェット施工方法 - Google Patents
ウォータージェット施工方法Info
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- JPH11114830A JPH11114830A JP27731197A JP27731197A JPH11114830A JP H11114830 A JPH11114830 A JP H11114830A JP 27731197 A JP27731197 A JP 27731197A JP 27731197 A JP27731197 A JP 27731197A JP H11114830 A JPH11114830 A JP H11114830A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ノズルの噴出孔径Ｄj が変化し、これに応じ
て流量が大幅に変化しても、第２ピークの領域で確実に
最適なＷＪＰ施工ができるウォータージェット施工方法
を提供する。 【解決手段】 水中において、ノズル１から水中に噴射
した高速水噴流を加工面に衝突させることにより施工を
行うウォータージェット施工方法において、所定の噴射
圧力Ｐ及びノズル構造に対し、ｘs ＝ＣＤj n として求
まるスタンドオフ距離ｘs について、０．３≦ｎ≦０．
８の範囲からｎを選定し、ｘs を定める。
て流量が大幅に変化しても、第２ピークの領域で確実に
最適なＷＪＰ施工ができるウォータージェット施工方法
を提供する。 【解決手段】 水中において、ノズル１から水中に噴射
した高速水噴流を加工面に衝突させることにより施工を
行うウォータージェット施工方法において、所定の噴射
圧力Ｐ及びノズル構造に対し、ｘs ＝ＣＤj n として求
まるスタンドオフ距離ｘs について、０．３≦ｎ≦０．
８の範囲からｎを選定し、ｘs を定める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ウォータージェッ
トを用いる施工方法に係り、特に施工技術の高効率化に
関するものである。
トを用いる施工方法に係り、特に施工技術の高効率化に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ウォータージェットピーニング（ＷＪ
Ｐ）は、水中にあって、高圧でノズルから噴出する高速
水噴流を水中構造物に衝突させ、残留応力を改善しよう
とする新しい技術である。この手法は、軽水炉型の圧力
容器（ＲＰＶ）や炉内構造物の応力腐食割れ（ＳＣＣ）
を防止する技術として大きな期待を集めている。
Ｐ）は、水中にあって、高圧でノズルから噴出する高速
水噴流を水中構造物に衝突させ、残留応力を改善しよう
とする新しい技術である。この手法は、軽水炉型の圧力
容器（ＲＰＶ）や炉内構造物の応力腐食割れ（ＳＣＣ）
を防止する技術として大きな期待を集めている。
【０００３】このＷＪＰ法によれば、ショットピーニン
グのように施工後に回収を必要とする鋼球を原子炉内に
持ち込むことはないし、炉内水をピーニング用として循
環利用することが可能であるなど、施工上の多くの利点
がある。さらに他の方法と比べれば、熱を用いないため
に、金属組織に一切の熱的悪影響を及ぼさないという特
長もある。
グのように施工後に回収を必要とする鋼球を原子炉内に
持ち込むことはないし、炉内水をピーニング用として循
環利用することが可能であるなど、施工上の多くの利点
がある。さらに他の方法と比べれば、熱を用いないため
に、金属組織に一切の熱的悪影響を及ぼさないという特
長もある。
【０００４】このＷＪＰにおける水中高速水噴流には、
激しいキャビテーションが発生する。この水中高速水噴
流は、水噴流自体の水中拡散とキャビテーションの発達
という異なるメカニズムが連成しており、現象は複雑で
ある。
激しいキャビテーションが発生する。この水中高速水噴
流は、水噴流自体の水中拡散とキャビテーションの発達
という異なるメカニズムが連成しており、現象は複雑で
ある。
【０００５】図１０は、ＷＪＰ施工の概念を示すもので
ある。
ある。
【０００６】ノズル１から高速で噴出するキャビテーシ
ョンを伴う水中水噴流５は、加工対象物７に衝突し、加
工対象物７の残留応力を改善する。周囲静水圧Ｐamb の
水中において、噴出孔径Ｄj のノズル１から噴射圧力Ｐ
1 で水を噴射する場合、最適のスタンドオフ距離ｘ
S （ノズル１から加工対象面７までの直線距離）が決ま
る。なお、２は高圧水、３は噴出孔、４は中心軸、６は
周囲水を示す。
ョンを伴う水中水噴流５は、加工対象物７に衝突し、加
工対象物７の残留応力を改善する。周囲静水圧Ｐamb の
水中において、噴出孔径Ｄj のノズル１から噴射圧力Ｐ
1 で水を噴射する場合、最適のスタンドオフ距離ｘ
S （ノズル１から加工対象面７までの直線距離）が決ま
る。なお、２は高圧水、３は噴出孔、４は中心軸、６は
周囲水を示す。
【０００７】ＷＪＰでは、夥しい数のキャビテーション
気泡が急速に崩壊する際に生じる衝撃圧を利用するが、
この衝撃圧Ｐimp は、スタンドオフ距離ｘS の方向に対
して、図１１に示すように、２つのピークを有する分布
となる。
気泡が急速に崩壊する際に生じる衝撃圧を利用するが、
この衝撃圧Ｐimp は、スタンドオフ距離ｘS の方向に対
して、図１１に示すように、２つのピークを有する分布
となる。
【０００８】下流にある２番目のゆるやかな形状のピー
クを「第２ピーク」と呼び、この噴流領域をピーニング
に用いれば、加工対象物の広い面積の部分のピーニング
が可能になる。また、この第２ピークを用いる施工を行
えば、壊食（エロージョン）が生じないので、ピーニン
グ施工にとって大変相応しい条件である。
クを「第２ピーク」と呼び、この噴流領域をピーニング
に用いれば、加工対象物の広い面積の部分のピーニング
が可能になる。また、この第２ピークを用いる施工を行
えば、壊食（エロージョン）が生じないので、ピーニン
グ施工にとって大変相応しい条件である。
【０００９】噴射圧力Ｐ1 と周囲水圧Ｐamb を一定とす
る場合、第２ピーク相当のスタンドオフ距離ｘS は、ノ
ズル１の噴出孔径Ｄj に対して決まるが、スケールアッ
プあるいはスケールダウンをしたい場合、噴出孔径Ｄj
の変化（同時に噴出流量も変化する）とともに、第２ピ
ークのスタンドオフ距離ｘS がどう変化するかが問題で
ある。
る場合、第２ピーク相当のスタンドオフ距離ｘS は、ノ
ズル１の噴出孔径Ｄj に対して決まるが、スケールアッ
プあるいはスケールダウンをしたい場合、噴出孔径Ｄj
の変化（同時に噴出流量も変化する）とともに、第２ピ
ークのスタンドオフ距離ｘS がどう変化するかが問題で
ある。
【００１０】所定の噴射圧力Ｐ1 と周囲水圧Ｐamb にお
いて、噴出孔径Ｄj ＝１ｍｍの場合、第２ピーク相当の
スタンドオフ距離ｘS は約１２０ｍｍであるとすれば、
これらの寸法比はｘS ／Ｄj ＝１２０となる。この寸法
比ｘS ／Ｄj ＝１２０を、Ｄj ＝０．５ｍｍあるいはＤ
j ＝２．０ｍｍに当てはめ、スタンドオフ距離ｘS を設
定しても、そのスタンドオフ距離ｘS は第２ピークの噴
流領域から外れる。
いて、噴出孔径Ｄj ＝１ｍｍの場合、第２ピーク相当の
スタンドオフ距離ｘS は約１２０ｍｍであるとすれば、
これらの寸法比はｘS ／Ｄj ＝１２０となる。この寸法
比ｘS ／Ｄj ＝１２０を、Ｄj ＝０．５ｍｍあるいはＤ
j ＝２．０ｍｍに当てはめ、スタンドオフ距離ｘS を設
定しても、そのスタンドオフ距離ｘS は第２ピークの噴
流領域から外れる。
【００１１】ノズル１の噴出孔径Ｄj を大きくし、噴射
水量Ｑj を多くして、大面積の部分を一気にピーニング
しようとしても、スタンドオフ距離ｘS の設定が第２ピ
ークからずれれば、応力改善効果が低下するし、施工に
多大な時間がかかるようになる。噴射圧力Ｐ1 を増やさ
なければならないほど、第２ピークに対するスタンドオ
フ距離ｘS の設定が不適切であると、ピーニングの施工
能率を低下させる問題となる。
水量Ｑj を多くして、大面積の部分を一気にピーニング
しようとしても、スタンドオフ距離ｘS の設定が第２ピ
ークからずれれば、応力改善効果が低下するし、施工に
多大な時間がかかるようになる。噴射圧力Ｐ1 を増やさ
なければならないほど、第２ピークに対するスタンドオ
フ距離ｘS の設定が不適切であると、ピーニングの施工
能率を低下させる問題となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】上記のようにＷＪＰ施
工において、残留応力を最大限に改善できる第２ピーク
相当のスタンドオフ距離ｘS は、噴射圧力Ｐ＝一定とし
ても、噴出孔径Ｄj で割る無次元パラメータｘS ／Ｄj
によっては一義的には定まらない。
工において、残留応力を最大限に改善できる第２ピーク
相当のスタンドオフ距離ｘS は、噴射圧力Ｐ＝一定とし
ても、噴出孔径Ｄj で割る無次元パラメータｘS ／Ｄj
によっては一義的には定まらない。
【００１３】すなわち、噴出孔径Ｄj が異なれば（噴射
流量も異なる）、それに応じてｘS／Ｄj も変化させな
ければ、第２ピークからずれた位置でピーニングを行う
ことになる。そうなると、残留応力改善量Δσ（ＷＪＰ
施工後の圧縮残留応力−施工前の引張残留応力）は低下
し、また時間も要するようになり、ピーニングの能率は
低下する。
流量も異なる）、それに応じてｘS／Ｄj も変化させな
ければ、第２ピークからずれた位置でピーニングを行う
ことになる。そうなると、残留応力改善量Δσ（ＷＪＰ
施工後の圧縮残留応力−施工前の引張残留応力）は低下
し、また時間も要するようになり、ピーニングの能率は
低下する。
【００１４】噴出孔径Ｄj が大きくなると、噴流のボリ
ュームも増大し、一般に乱れの形態も異なってくる。従
って、噴霧用のアトマイザや気相中のウォータージェッ
ト（切断加工に用いられる）のノズルにおいても、噴流
の特性を一義的には決めにくいという問題を抱えてい
る。ただし、噴霧用のアトマイザや気相中のウォーター
ジェットでは、これまで多くの経験に基づき、噴出孔径
Ｄj の変化に対する特性は、十分ではないにしろ把握さ
れていて、ノズルの設計や噴射条件の設定が行われてい
る。
ュームも増大し、一般に乱れの形態も異なってくる。従
って、噴霧用のアトマイザや気相中のウォータージェッ
ト（切断加工に用いられる）のノズルにおいても、噴流
の特性を一義的には決めにくいという問題を抱えてい
る。ただし、噴霧用のアトマイザや気相中のウォーター
ジェットでは、これまで多くの経験に基づき、噴出孔径
Ｄj の変化に対する特性は、十分ではないにしろ把握さ
れていて、ノズルの設計や噴射条件の設定が行われてい
る。
【００１５】しかしＷＪＰにおける水中の高速水噴流で
は、噴出孔径Ｄj の変更による最適な施工条件の設定は
未解明のままである。
は、噴出孔径Ｄj の変更による最適な施工条件の設定は
未解明のままである。
【００１６】本発明の目的は、ノズルの噴出孔径Ｄj が
変化し、これに応じて流量が大幅に変化しても、第２ピ
ークの領域で確実に最適なＷＪＰ施工ができるウォータ
ージェット施工方法を提供することにある。
変化し、これに応じて流量が大幅に変化しても、第２ピ
ークの領域で確実に最適なＷＪＰ施工ができるウォータ
ージェット施工方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明においては、上記
した課題を解決するため、水中において、ノズルから水
中に噴射した高速水噴流を加工面に衝突させることによ
り施工を行うウォータージェット施工方法において、所
定の噴射圧力Ｐ及びノズル構造に対し、 ｘs ＝ＣＤj n ・・・（１） として求まるスタンドオフ距離ｘs について、 ０．３≦ｎ≦０．８ ・・・（２） の範囲からｎを選定し、ｘs を定めることを特徴とする
ものである。
した課題を解決するため、水中において、ノズルから水
中に噴射した高速水噴流を加工面に衝突させることによ
り施工を行うウォータージェット施工方法において、所
定の噴射圧力Ｐ及びノズル構造に対し、 ｘs ＝ＣＤj n ・・・（１） として求まるスタンドオフ距離ｘs について、 ０．３≦ｎ≦０．８ ・・・（２） の範囲からｎを選定し、ｘs を定めることを特徴とする
ものである。
【００１８】以上のような条件設定を行うことにより、
噴出孔径Ｄj と噴射流量が変化しても、噴流の第２ピー
クの領域を活用できるようになる。
噴出孔径Ｄj と噴射流量が変化しても、噴流の第２ピー
クの領域を活用できるようになる。
【００１９】従って、本発明によれば、大面積の部分を
短時間のうちに施工したい場合に、第２ピークを確実に
利用でき、ＷＪＰの施工能率が十分に発揮される。
短時間のうちに施工したい場合に、第２ピークを確実に
利用でき、ＷＪＰの施工能率が十分に発揮される。
【００２０】
【発明の実施の形態】まず本発明の概要を説明する。本
発明者らの種々の検討の結果、高速水噴流を噴射するノ
ズルの噴出孔径Ｄj が異なり、噴出する水の流量Ｑj も
変化すれば、噴流のボリュームも変化するため、渦キャ
ビテーションの発達過程も当然のことながら違ってく
る。噴流が大きくなっても、その内部構造は幾何学的に
相似ではない。
発明者らの種々の検討の結果、高速水噴流を噴射するノ
ズルの噴出孔径Ｄj が異なり、噴出する水の流量Ｑj も
変化すれば、噴流のボリュームも変化するため、渦キャ
ビテーションの発達過程も当然のことながら違ってく
る。噴流が大きくなっても、その内部構造は幾何学的に
相似ではない。
【００２１】Ｄj ，Ｑj ともに水中水噴流が大きくなっ
ても、発達した渦キャビテーションが支配的な領域、す
なわち第２ピークの領域はＤj の大きさに比例して下流
へは移行しない。
ても、発達した渦キャビテーションが支配的な領域、す
なわち第２ピークの領域はＤj の大きさに比例して下流
へは移行しない。
【００２２】従って、噴流において最もパワフルな渦キ
ャビテーションが発達する第２ピークの領域、すなわち
ノズル出口からのスタンドオフ距離ｘS は噴出孔径Ｄj
で割っても、前述したようにパラメータｘS ／Ｄj は一
定として決まらない。
ャビテーションが発達する第２ピークの領域、すなわち
ノズル出口からのスタンドオフ距離ｘS は噴出孔径Ｄj
で割っても、前述したようにパラメータｘS ／Ｄj は一
定として決まらない。
【００２３】水中の高速水噴流中では、幾つかのタイプ
のキャビテーションが発達する。中でも、噴流界面の剪
断層に由来する渦キャビテーションは、その気泡が崩壊
する際に生じる衝撃圧力が大きく、材料に対して強い作
用を及ぼす。
のキャビテーションが発達する。中でも、噴流界面の剪
断層に由来する渦キャビテーションは、その気泡が崩壊
する際に生じる衝撃圧力が大きく、材料に対して強い作
用を及ぼす。
【００２４】渦キャビテーションが発達する領域、つま
り噴流中の第２ピークでは、特定のスタンドオフ距離ｘ
S 2Pが「点」として求まるが、第２ピークの領域はゆる
やかな形の丘陵状をしているので、その丘陵域全体を利
用するのが得策である。
り噴流中の第２ピークでは、特定のスタンドオフ距離ｘ
S 2Pが「点」として求まるが、第２ピークの領域はゆる
やかな形の丘陵状をしているので、その丘陵域全体を利
用するのが得策である。
【００２５】そこで本発明は前述のように、所定の噴射
圧力Ｐ及びノズル構造に対し、 ｘs ＝ＣＤj n ・・・（１） として求まるスタンドオフ距離ｘs について、 ０．３≦ｎ≦０．８ ・・・（２） の範囲からｎを選定する。
圧力Ｐ及びノズル構造に対し、 ｘs ＝ＣＤj n ・・・（１） として求まるスタンドオフ距離ｘs について、 ０．３≦ｎ≦０．８ ・・・（２） の範囲からｎを選定する。
【００２６】このようにすれば、ノズルにおける噴出孔
径Ｄj 及び噴出水量Ｑj が大きく変化しても、噴流にお
いて渦キャビテーションが最も発達する領域、すなわち
第２ピークの領域において生じる衝撃圧の作用を巧みに
使えるので、ピーニングを最も効果的に実施できるよう
になる。
径Ｄj 及び噴出水量Ｑj が大きく変化しても、噴流にお
いて渦キャビテーションが最も発達する領域、すなわち
第２ピークの領域において生じる衝撃圧の作用を巧みに
使えるので、ピーニングを最も効果的に実施できるよう
になる。
【００２７】以下、図を参照しながら本発明を具体的に
説明する。図１は、ノズル１から水中に噴射されて生じ
たキャビテーションを伴う水中水噴流５から発生する衝
撃圧Ｐimp を、ノズル１からのスタンドオフ距離ｘS に
対する変化としてまとめたものである。すなわち同図
は、ノズル１の噴出孔径Ｄj が１ｍｍφと２ｍｍφの場
合の、スタンドオフ距離ｘS に対する衝撃圧Ｐimp の分
布曲線を比較したものである。
説明する。図１は、ノズル１から水中に噴射されて生じ
たキャビテーションを伴う水中水噴流５から発生する衝
撃圧Ｐimp を、ノズル１からのスタンドオフ距離ｘS に
対する変化としてまとめたものである。すなわち同図
は、ノズル１の噴出孔径Ｄj が１ｍｍφと２ｍｍφの場
合の、スタンドオフ距離ｘS に対する衝撃圧Ｐimp の分
布曲線を比較したものである。
【００２８】この特性は、感圧フィルム法や壊食法によ
り知ることができる。ＷＪＰ施工に利用するのは、丘陵
状に広がる第２ピークの領域（図では←→として表記）
であるが、第２ピークに相当するスタンドオフ距離ｘS
は、ノズル１の噴出孔径Ｄjが２倍になっても、下流に
２倍離れる訳ではないことが分かる。
り知ることができる。ＷＪＰ施工に利用するのは、丘陵
状に広がる第２ピークの領域（図では←→として表記）
であるが、第２ピークに相当するスタンドオフ距離ｘS
は、ノズル１の噴出孔径Ｄjが２倍になっても、下流に
２倍離れる訳ではないことが分かる。
【００２９】なお、衝撃圧Ｐimp のピークレベルは、噴
出孔径Ｄj ＝２ｍｍφのノズルを利用した方が高いこと
が分かる。
出孔径Ｄj ＝２ｍｍφのノズルを利用した方が高いこと
が分かる。
【００３０】図２は、基本構造が同一のノズル１におい
て、噴射圧力Ｐ1 を一定として、ノズル１の噴出孔径Ｄ
j に対するスタンドオフ距離ｘS 2Pの変化をまとめたも
のである。
て、噴射圧力Ｐ1 を一定として、ノズル１の噴出孔径Ｄ
j に対するスタンドオフ距離ｘS 2Pの変化をまとめたも
のである。
【００３１】同図から明らかなように、スタンドオフ距
離ｘS 2Pは、噴出孔径Ｄj とともに直線的に変化する訳
ではなく、やや頭打ち気味に増大する。この結果は重要
であり、噴出孔径Ｄj を大きくした場合、それに比例さ
せてスタンドオフ距離ｘS を拡大してはいけないことを
明瞭に示している。
離ｘS 2Pは、噴出孔径Ｄj とともに直線的に変化する訳
ではなく、やや頭打ち気味に増大する。この結果は重要
であり、噴出孔径Ｄj を大きくした場合、それに比例さ
せてスタンドオフ距離ｘS を拡大してはいけないことを
明瞭に示している。
【００３２】図中の一点鎖線は、ｎ＝０．６であり、 ｘS 2P∝Ｄj 0.6 ・・・（Ｉ） を表している。
【００３３】またプロット群の上限を表す２点鎖線はｎ
＝０．８、すなわち、 ｘS 2P∝Ｄj 0.8 ・・・（II） を表している。
＝０．８、すなわち、 ｘS 2P∝Ｄj 0.8 ・・・（II） を表している。
【００３４】さらにプロット群の下限を表す破線はｎ＝
０．３、すなわち、 ｘS 2P∝Ｄj 0.3 ・・・（III ） を表わす。
０．３、すなわち、 ｘS 2P∝Ｄj 0.3 ・・・（III ） を表わす。
【００３５】従って、スタンドオフ距離ｘS は、 ｘS ＝ＣＤj n ・・・（i ）（ｘS ，Ｄ
j の単位はｍｍ） 指数ｎの範囲は、 ０．３≦ｎ≦０．８ ・・・（ii） にまとめられる。
j の単位はｍｍ） 指数ｎの範囲は、 ０．３≦ｎ≦０．８ ・・・（ii） にまとめられる。
【００３６】この（i ）式においてＣは噴射圧力Ｐ1 、
水深によって決まる周囲静水圧Ｐam b 及びノズル１の構
造によって求まる値であり、有効なピーニング施工を達
成するためには、およそ、 ２０＜Ｃ＜２４０ ・・・（iii ） の値となる。
水深によって決まる周囲静水圧Ｐam b 及びノズル１の構
造によって求まる値であり、有効なピーニング施工を達
成するためには、およそ、 ２０＜Ｃ＜２４０ ・・・（iii ） の値となる。
【００３７】噴射圧力Ｐ1 が低下するほど、また周囲静
水圧Ｐamb が高まるほどＣの値は小さくなる。
水圧Ｐamb が高まるほどＣの値は小さくなる。
【００３８】図４のノズル１に比べると、図５や図６の
ように、出口に拡大空洞部９，１０を設けたノズル１の
方がＣの値は大きい。
ように、出口に拡大空洞部９，１０を設けたノズル１の
方がＣの値は大きい。
【００３９】図２の例は、Ｃ＝１２０である。ちなみ
に、この条件は、周囲圧が大気圧に近い浅水中で、Ｐ1
＝７０ＭＰa の場合である。
に、この条件は、周囲圧が大気圧に近い浅水中で、Ｐ1
＝７０ＭＰa の場合である。
【００４０】前記（i ）式において、ノズルの噴出孔径
Ｄj を大きくすれば、スタンドオフ距離ｘS の値は無限
に大きくなるが、実質的に施工に適する噴出孔径Ｄj は
次式のように決まる。
Ｄj を大きくすれば、スタンドオフ距離ｘS の値は無限
に大きくなるが、実質的に施工に適する噴出孔径Ｄj は
次式のように決まる。
【００４１】 ０．３＜Ｄj ＜３．０（ｍｍ）・・・（IV） これは、噴出孔径Ｄj が大き過ぎると噴射圧力Ｐ1 を高
めることが難しいからである。
めることが難しいからである。
【００４２】図３は、ノズル噴出孔径Ｄj に対する変化
として、噴出孔径Ｄj で無次元化した第２ピーク相当の
スタンドオフ距離ｘS 2Pを再整理したものである。
として、噴出孔径Ｄj で無次元化した第２ピーク相当の
スタンドオフ距離ｘS 2Pを再整理したものである。
【００４３】噴出孔径Ｄj に対してスタンドオフ距離ｘ
S 2P／Ｄj は一定ではなく、噴出孔径Ｄj の増大に伴い
ｘS 2P／Ｄj の値が減少気味に変化することが分かる。
すなわち、噴出孔径Ｄj が大きく大容量の噴流ほど、相
対的な幾何学的位置としては第２ピークはノズル１に近
づく。従って、この特性曲線を基にして、第２ピークに
相当するスタンドオフ距離の位置にノズル１を設定すれ
ばよいことになる。
S 2P／Ｄj は一定ではなく、噴出孔径Ｄj の増大に伴い
ｘS 2P／Ｄj の値が減少気味に変化することが分かる。
すなわち、噴出孔径Ｄj が大きく大容量の噴流ほど、相
対的な幾何学的位置としては第２ピークはノズル１に近
づく。従って、この特性曲線を基にして、第２ピークに
相当するスタンドオフ距離の位置にノズル１を設定すれ
ばよいことになる。
【００４４】図４に使用するノズルの構造を示す。高圧
水２は、径収縮部（しぼり部）８において急速に減圧、
加速され、噴出孔３から水中に噴射される。噴射された
高速の水噴流では、高圧水２の中にある流入核（Ｉｎｆ
ｌｏｗ ｎｕｃｌｅｉ）や、周囲水中ら噴流中に巻き込
まれる周囲核（Ａｍｂｉｅｎｔ ｎｕｃｌｅｉ）が爆発
的に成長して、激しいキャビテーションが生成される。
水２は、径収縮部（しぼり部）８において急速に減圧、
加速され、噴出孔３から水中に噴射される。噴射された
高速の水噴流では、高圧水２の中にある流入核（Ｉｎｆ
ｌｏｗ ｎｕｃｌｅｉ）や、周囲水中ら噴流中に巻き込
まれる周囲核（Ａｍｂｉｅｎｔ ｎｕｃｌｅｉ）が爆発
的に成長して、激しいキャビテーションが生成される。
【００４５】図７は、水中における高速水噴流の現象を
模式的に表したものである。水中に高速で噴射された水
噴流の特徴は、複数のタイプの激しいキャビテーション
が発生し、それが連成し合うことである。また、この現
象こそが、金属材料の表面改質を可能にする強い力学的
作用を与えることになる。
模式的に表したものである。水中に高速で噴射された水
噴流の特徴は、複数のタイプの激しいキャビテーション
が発生し、それが連成し合うことである。また、この現
象こそが、金属材料の表面改質を可能にする強い力学的
作用を与えることになる。
【００４６】ノズル１から周囲水６中に噴射された高圧
水２は、キャビテーションを伴う水中水噴流５となる。
ノズル１の出口近くからは、微細なキャビテーション気
泡の集合体であるキャビテーションクラウド１４が生成
し、下流に行くにつれて膨張するように拡大し、大きく
変形し（１４ａ）、最終的には分裂して下流へ放出され
る。
水２は、キャビテーションを伴う水中水噴流５となる。
ノズル１の出口近くからは、微細なキャビテーション気
泡の集合体であるキャビテーションクラウド１４が生成
し、下流に行くにつれて膨張するように拡大し、大きく
変形し（１４ａ）、最終的には分裂して下流へ放出され
る。
【００４７】一方、噴流界面の剪断層には乱れ１１ａが
発生し、この乱れに由来する渦キャビテーション１２が
生成、成長する。キャビテーションクラウド１４の変形
１４ａと渦キャビテーション１２の発達は、ともに第２
ピークを中心とする領域において顕著になる。
発生し、この乱れに由来する渦キャビテーション１２が
生成、成長する。キャビテーションクラウド１４の変形
１４ａと渦キャビテーション１２の発達は、ともに第２
ピークを中心とする領域において顕著になる。
【００４８】すなわち、２つの代表的なキャビテーショ
ンの挙動が連成し合うことにより、第２ピークという最
もパワフルなキャビテーションの発達する領域が、噴流
中に作り出されることになる。
ンの挙動が連成し合うことにより、第２ピークという最
もパワフルなキャビテーションの発達する領域が、噴流
中に作り出されることになる。
【００４９】キャビテーションクラウド１４と渦キャビ
テーション１２は、ともに噴流の乱れがその生成のきっ
かけになっている。噴出孔径Ｄj が大きければ、噴出流
速Ｕj が同じでも乱れは激しくなる。
テーション１２は、ともに噴流の乱れがその生成のきっ
かけになっている。噴出孔径Ｄj が大きければ、噴出流
速Ｕj が同じでも乱れは激しくなる。
【００５０】これは、乱れの程度を表現するパラメータ
であるレイノルズ数の定義Ｒe ＝Ｕj Ｄj ／ν（νは流
体の動粘度）からも明らかである。噴出孔径Ｄj が大き
いと、噴流の乱れが増加し、噴流のボリュームは圧倒的
に大きくなるものの、キャビテーションクラウド１４は
早く成長・変形、そして分裂するようになる。
であるレイノルズ数の定義Ｒe ＝Ｕj Ｄj ／ν（νは流
体の動粘度）からも明らかである。噴出孔径Ｄj が大き
いと、噴流の乱れが増加し、噴流のボリュームは圧倒的
に大きくなるものの、キャビテーションクラウド１４は
早く成長・変形、そして分裂するようになる。
【００５１】一方、噴流界面の乱れも強くなり、渦キャ
ビテーション１２も相対的に早く発達するようになる。
さらに大きな噴流では気泡核の流入（１３）が多く、ま
た噴流中にも多くの気泡核が存在するため、気泡核どう
しの相互作用も強くなる。
ビテーション１２も相対的に早く発達するようになる。
さらに大きな噴流では気泡核の流入（１３）が多く、ま
た噴流中にも多くの気泡核が存在するため、気泡核どう
しの相互作用も強くなる。
【００５２】従って、噴出孔径Ｄj が大きく大容量の噴
流であっても、キャビテーションの発達が遅れて下流へ
ずれ込むことはなく、幾何学的に相似な噴流領域より
は、相対的に上流の領域においてキャビテーションが最
も活発になり、第２ピークが表れることになる。
流であっても、キャビテーションの発達が遅れて下流へ
ずれ込むことはなく、幾何学的に相似な噴流領域より
は、相対的に上流の領域においてキャビテーションが最
も活発になり、第２ピークが表れることになる。
【００５３】逆に、ノズル１の噴出孔径Ｄj が細い噴流
では、乱れが乏しくなり、幾何学的に相似な噴流領域よ
りも相対的に下流の領域でようやくキャビテーションが
十分に発達し、第２ピークが表れる。なお、図中の１１
ｂはまわしの発達を示す。
では、乱れが乏しくなり、幾何学的に相似な噴流領域よ
りも相対的に下流の領域でようやくキャビテーションが
十分に発達し、第２ピークが表れる。なお、図中の１１
ｂはまわしの発達を示す。
【００５４】図８は、図１〜図３の結果に基づいて、噴
出孔径Ｄj の異なる２つのノズルに対して、第２ピーク
に相当するスタンドオフ距離ｘS 2Pを決定し、ピーニン
グによる効果を求めた特性図である。
出孔径Ｄj の異なる２つのノズルに対して、第２ピーク
に相当するスタンドオフ距離ｘS 2Pを決定し、ピーニン
グによる効果を求めた特性図である。
【００５５】横軸のスタンドオフ距離ｘS は、Ｄj ＝１
ｍｍφのノズルにおける第２ピーク相当のスタンドオフ
距離ｘS （＊）を基準として無次元表記した。一方、縦
軸の残留応力改善量Δσ（＝施工後の圧縮残留応力−施
工前の引張残留応力）は、Ｄj ＝１ｍｍφのノズルを使
用したときのｘS ＝ｘS （＊）における残留応力改善量
Δσ（＊）により割ることで無次元表記した。
ｍｍφのノズルにおける第２ピーク相当のスタンドオフ
距離ｘS （＊）を基準として無次元表記した。一方、縦
軸の残留応力改善量Δσ（＝施工後の圧縮残留応力−施
工前の引張残留応力）は、Ｄj ＝１ｍｍφのノズルを使
用したときのｘS ＝ｘS （＊）における残留応力改善量
Δσ（＊）により割ることで無次元表記した。
【００５６】この結果から、ほほ設定した通りのスタン
ドオフ距離ｘS の領域において、残留応力改善量Δσが
最大になることが分かる。なお、Ｄj ＝２ｍｍφの大容
量ノズルを用いた方が、残留応力改善量Δσを大きくで
きることも分かる。
ドオフ距離ｘS の領域において、残留応力改善量Δσが
最大になることが分かる。なお、Ｄj ＝２ｍｍφの大容
量ノズルを用いた方が、残留応力改善量Δσを大きくで
きることも分かる。
【００５７】以上より、本発明において示した考え方
（例えば図２、図３）に基づき、噴出孔径Ｄj から第２
ピーク相当のスタンドオフ距離ｘS 2Pを決定し、ピーニ
ング施工を行うことで、残留応力の改善効果を最大とす
る。
（例えば図２、図３）に基づき、噴出孔径Ｄj から第２
ピーク相当のスタンドオフ距離ｘS 2Pを決定し、ピーニ
ング施工を行うことで、残留応力の改善効果を最大とす
る。
【００５８】図９は、前記（i ）式において、ｎ値を変
化させてスタンドオフ距離ｘS をそれぞれ求め、残留応
力改善量Δσ（ピーニング後の圧縮応力−ピーニング前
の引張残留応力）を調べた結果を示す特性図である。
化させてスタンドオフ距離ｘS をそれぞれ求め、残留応
力改善量Δσ（ピーニング後の圧縮応力−ピーニング前
の引張残留応力）を調べた結果を示す特性図である。
【００５９】同図から明らかなように、ｎ＝０．６にお
いて残留応力改善量Δσは最大となる。この最大値をΔ
σmax 値とし、他のｎの条件時のΔσはΔσmax により
割って無次元化して表現した。すなわち、ｎ＝０．６で
はΔσ／Δσmax ＝１となる。この図の結果から、Δσ
をある程度まで大きくできるｎの範囲は、 ０．３≦ｎ≦０．８、好ましくは０．５≦ｎ≦０．７・・・（ii） となることが分かる。
いて残留応力改善量Δσは最大となる。この最大値をΔ
σmax 値とし、他のｎの条件時のΔσはΔσmax により
割って無次元化して表現した。すなわち、ｎ＝０．６で
はΔσ／Δσmax ＝１となる。この図の結果から、Δσ
をある程度まで大きくできるｎの範囲は、 ０．３≦ｎ≦０．８、好ましくは０．５≦ｎ≦０．７・・・（ii） となることが分かる。
【００６０】本発明に係る最適スタンドオフ距離の設定
法は、図４に構造を示したノズル１のみならず、構造の
異なる他のノズル１へもほぼ適用することができる。図
５に示すノズル１は噴出孔３の噴出方向先端に円筒拡大
部９を設け、図６に示すノズル１は噴出孔３の先端に丸
みを持った形状のつり鐘状拡大空洞部１０を設けてい
る。
法は、図４に構造を示したノズル１のみならず、構造の
異なる他のノズル１へもほぼ適用することができる。図
５に示すノズル１は噴出孔３の噴出方向先端に円筒拡大
部９を設け、図６に示すノズル１は噴出孔３の先端に丸
みを持った形状のつり鐘状拡大空洞部１０を設けてい
る。
【００６１】これらの空洞部９，１０は、噴出孔３から
噴出直後の水中水噴流の周りに発生するキャビテーショ
ンを促進する作用がある。空洞部９，１０内では、噴出
孔３から噴出した直後の噴流を囲むように、循環渦が形
成される。この循環渦が、噴流界面の乱れと圧力変動を
増幅し、キャビテーションの発達を促す。
噴出直後の水中水噴流の周りに発生するキャビテーショ
ンを促進する作用がある。空洞部９，１０内では、噴出
孔３から噴出した直後の噴流を囲むように、循環渦が形
成される。この循環渦が、噴流界面の乱れと圧力変動を
増幅し、キャビテーションの発達を促す。
【００６２】このような基本的な現象は、噴出孔径Ｄj
が変化し、それに伴い噴射流量が変わり、噴流のボリュ
ームが異なっても同様であり、本発明が直接適用でき
る。
が変化し、それに伴い噴射流量が変わり、噴流のボリュ
ームが異なっても同様であり、本発明が直接適用でき
る。
【００６３】
【発明の効果】本発明を具体化することによって得られ
る効果をまとめると、次のようになる。
る効果をまとめると、次のようになる。
【００６４】（１）ノズルにおける噴出孔径Ｄj が変わ
り、噴射流量Ｑj が変化しても、噴射圧力Ｐが一定であ
れば、噴流の「第２ピーク」に相当する領域を確実に利
用するＷＪＰ施工が可能になる。
り、噴射流量Ｑj が変化しても、噴射圧力Ｐが一定であ
れば、噴流の「第２ピーク」に相当する領域を確実に利
用するＷＪＰ施工が可能になる。
【００６５】（２）上記（１）の効果により、短時間
で、残留応力改善量Δσ（ＷＪＰ施工後の圧縮残留応力
−施工前の引張残留応力）を大きく改善することが可能
になる。従って、本発明において、ＷＪＰの施工効率を
高めることが可能になる。
で、残留応力改善量Δσ（ＷＪＰ施工後の圧縮残留応力
−施工前の引張残留応力）を大きく改善することが可能
になる。従って、本発明において、ＷＪＰの施工効率を
高めることが可能になる。
【００６６】（３）噴出孔径Ｄj を大きくし、噴射流量
Ｑj を増加させると、大面積の部分において残留応力改
善量Δσを大きく改善することが可能になる。従って、
本発明において、ＷＪＰのスケールアップが達成される
ことになる。
Ｑj を増加させると、大面積の部分において残留応力改
善量Δσを大きく改善することが可能になる。従って、
本発明において、ＷＪＰのスケールアップが達成される
ことになる。
【００６７】（４）上記効果（３）とは逆に、小さなポ
イント的な領域を施工する際においても、噴出孔径Ｄj
の小さなノズルを用いても、確実に第２ピーク領域を使
えるため、施工能率を高く維持することが可能である。
イント的な領域を施工する際においても、噴出孔径Ｄj
の小さなノズルを用いても、確実に第２ピーク領域を使
えるため、施工能率を高く維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノズルの噴出孔径に対する衝撃圧分布の変化を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図２】ノズルの噴出孔径に対する最適スタンドオフ距
離の変化を示す特性図である。
離の変化を示す特性図である。
【図３】ノズルの噴出孔径に対する第２ピークの位置の
変化を示す特性図である。
変化を示す特性図である。
【図４】本発明を具体化する際に使用するノズルの第１
の例を示す縦断面図である。
の例を示す縦断面図である。
【図５】本発明を具体化する際に使用するノズルの第２
の例を示す縦断面図である。
の例を示す縦断面図である。
【図６】本発明を具体化する際に使用するノズルの第３
の例を示す縦断面図である。
の例を示す縦断面図である。
【図７】最適スタンドオフ距離に係わる現象を示す模式
図である。
図である。
【図８】残留応力の改善を示す試験結果であり、本発明
を具体化したことによる効果を実証した第１の例を示す
説明図である。
を具体化したことによる効果を実証した第１の例を示す
説明図である。
【図９】残留応力の改善を示す試験結果であり、本発明
を具体化したことによる効果を実証した第２の例を示す
説明図である。
を具体化したことによる効果を実証した第２の例を示す
説明図である。
【図１０】本発明の基本となる水中水噴流の噴射条件を
示す模式図である。
示す模式図である。
【図１１】噴流の軸方向に対する衝撃圧分布を示す説明
図である。
図である。
１ ノズル ２ 高圧水 ３ 噴出孔 ４ 中心軸 ５ キャビテーションを伴う水中水噴流 ６ 周囲水 ７ 加工対象物８ ８ 径収縮部 ９ 円筒拡大部 １０ つり鐘状拡大空洞部 ｘS スタンドオフ距離 Ｄj 噴出孔径
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松原 敏夫 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 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内
Claims (5)
- 【請求項１】 水中において、ノズルから水中に噴射し
た高速水噴流を加工面に衝突させることにより施工を行
うウォータージェット施工方法において、 所定の噴射圧力Ｐ及びノズル構造に対し、 ｘs ＝ＣＤj n ・・・（１） として求まるスタンドオフ距離ｘs について、 ０．３≦ｎ≦０．８ ・・・（２） の範囲からｎを選定し、ｘs を定めることを特徴とする
ウォータージェット施工方法。 - 【請求項２】 請求項１記載において、上記（１）式の
Ｃの値を、 ２０＜Ｃ＜２４０ ・・・（３） の範囲から選定し、上記（１）〜（３）式の条件により
定まる範囲内のｘs を利用することを特徴とするウォー
タージェット施工方法。 - 【請求項３】 請求項１記載において、０．５≦ｎ≦
０．７の範囲からｎを選定し、ｘs を定めることを特徴
とするウォータージェット施工方法。 - 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかの記載にお
いて、スタンドオフ距離ｘs を、ノズルの下流に形成さ
れる衝撃圧分布における第１ピークの次の極小値よりも
下流の領域である第２ピークの領域とすることを特徴と
するウォータージェット施工方法。 - 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかの記載にお
いて、前記ノズルの噴出孔の先端部に拡大して開口した
空洞部が形成されていることを特徴とするウォータージ
ェット施工方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27731197A JPH11114830A (ja) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | ウォータージェット施工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27731197A JPH11114830A (ja) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | ウォータージェット施工方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11114830A true JPH11114830A (ja) | 1999-04-27 |
Family
ID=17581781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27731197A Pending JPH11114830A (ja) | 1997-10-09 | 1997-10-09 | ウォータージェット施工方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11114830A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009072904A (ja) * | 2007-08-29 | 2009-04-09 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | ウォータージェットピーニング施工方法 |
| JP2012176484A (ja) * | 2011-02-24 | 2012-09-13 | General Electric Co <Ge> | 表面処理システム、表面処理方法、及びシステムにより処理される部品 |
-
1997
- 1997-10-09 JP JP27731197A patent/JPH11114830A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009072904A (ja) * | 2007-08-29 | 2009-04-09 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | ウォータージェットピーニング施工方法 |
| JP2014076539A (ja) * | 2007-08-29 | 2014-05-01 | Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd | ウォータージェットピーニング施工方法 |
| JP2012176484A (ja) * | 2011-02-24 | 2012-09-13 | General Electric Co <Ge> | 表面処理システム、表面処理方法、及びシステムにより処理される部品 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20040202 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040413 |
|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20040614 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040713 |