JP3317723B2 - Underwater nozzle for metal reinforcement - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水中における構造物等
の加工対象物の残留応力を、水中水噴流のキヤビテーシ
ヨン現象を利用して改善し、強度を向上させようとする
ウオータージエツトピーニング（ＷＪＰ）に係わり、特
に幅広い部分を一度にピーニングできるキヤビテーシヨ
ン噴流を作り出す水中ノズルに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a water jet peening (water jet peening) for improving the residual stress of an object to be processed such as a structure in water by utilizing the cavitation phenomenon of a submerged water jet. In particular, the present invention relates to an underwater nozzle for producing a cavitation jet capable of peening a wide portion at a time.

【０００２】[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うことにより、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
へと改善することができる。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分加
工時に広く用いられている。2. Description of the Related Art The surface stress of a structure having a heat-affected zone having a potential to cause stress corrosion cracking (SCC) is determined by a shot blast in which a small steel ball is blown by an air current.
By performing a peening process using sand blast using sand grains, cryoblast using ice grains, or the like, stress can be improved from a tensioning direction (a direction in which a crack is enlarged) to a compression direction. Such a peening technique is widely used at the time of various mechanical structures or partial machining as a measure against residual stress.

【０００３】しかし、このようなブラスト操作のできな
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
不経済である。[0003] However, there are many structures that must be peened by all means even in such an environment where blast operation cannot be performed. For example, it is almost impossible to physically or economically perform any operation except for water on a special heat exchanger or reaction tank or a welded part of an offshore structure in a state of being filled with water. Recovering blast particles from water is a very difficult task. If ice particles are used, recovery is unnecessary but uneconomical.

【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
スエレクトロニク社により行われた（特開昭６２−６３
６１４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。
しかしこれは、水噴流の軸動力を有効に利用できる大気
中の施工であり、この技術を水中噴流としてそのまま展
開できるという保証はない。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力を得るためには超高圧
装置が必要になり、コスト的に大変不利である。[0004] The use of high-speed water jets is known as a unique processing, mining, or cleaning technique.
Attempts to utilize this to improve surface stress have been made by Westinghouse Electronics Co., Ltd. (JP-A-62-63).
614). Peening with a water jet also has the advantage of preventing the local temperature rise due to the water cooling effect.
However, this is construction in the atmosphere where the axial power of the water jet can be effectively used, and there is no guarantee that this technology can be deployed as it is as a submerged jet. Underwater, the jet dynamic pressure decay is quite fast. This is because the diffusion is fast because the liquid phase is the same as the resistance of the surrounding water. In water, an ultra-high pressure device is required to obtain axial power comparable to that of a gaseous water jet, which is very disadvantageous in terms of cost.

【０００５】一方、水中噴流には、噴流の乱れと、周囲
水との剪断の複合作用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、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。On the other hand, in an underwater jet, cavitation is generated due to the combined action of turbulence of the jet and shearing with surrounding water. If cavitation is promoted and the collapse impact pressure of a large amount of generated bubbles can be effectively used, there is a possibility that a peening effect comparable to that of a gas-phase water jet can be achieved at a modest injection pressure.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】図１２に示したのは、
一般のウオータージエツト切断加工に用いられるノズル
の典型的な構造である。FIG. 12 shows that:
This is a typical structure of a nozzle used for general water jet cutting.

【０００７】このノズルは、径収縮部（しぼり部）９０
５のしぼり角度θを小さくすることにより、気相中で水
噴流をビーム状に絞ることを目的としたものであり、そ
のまま水中水噴流用に利用してもキヤビテーシヨンの強
度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は充分とはいえない。[0007] This nozzle has a radially contracted portion (expressed portion) 90.
5 is intended to narrow the water jet into a beam in the gas phase by reducing the squeezing angle θ, and the strength of the cavitation is sufficient even when the water jet is directly used for the underwater water jet. I can't say.

【０００８】その理由は、水中水噴流の乱れが激しくな
く、噴射水中にある気泡核が活発なキヤビテーシヨンに
至るまで励起されないことである。図中の９０１はノズ
ル本体、９０２は高圧水、９０３は中心軸、９０４は高
圧水供給流路、９０６は噴出孔、９０７は座ぐり部であ
る。The reason is that the submerged water jet is not so turbulent that bubble nuclei in the jet water are not excited until they reach active cavitation. In the figure, reference numeral 901 denotes a nozzle main body, 902 denotes high-pressure water, 903 denotes a central axis, 904 denotes a high-pressure water supply channel, 906 denotes a jet hole, and 907 denotes a counterbore.

【０００９】図１３に示す構造のように、しぼりを鋭く
すれば、径収縮部（しぼり部）９１２における急激な縮
流のためにキヤビテーシヨンが活発に発生するが、噴出
孔９１３内において気泡が発生するため、いわゆるバブ
ルロツクによつて圧力損失が増大する。ピーニング性能
は向上するものの、より高圧のポンプが必要になりコス
ト的には不利になつてしまう。When the aperture is sharpened as in the structure shown in FIG. 13, the cavitation is actively generated due to the rapid contraction at the radially contracted portion (restricted portion) 912, but bubbles are generated in the ejection hole 913. Therefore, the pressure loss increases due to the so-called bubble lock. Although peening performance is improved, a higher pressure pump is required, which is disadvantageous in cost.

【００１０】なお、図中の９０８はノズル本体、９０９
は高圧水、９１０は中心軸、９１１は高圧水供給流路、
９１４は座ぐり部である。In the figure, reference numeral 908 denotes a nozzle body;
Is high-pressure water, 910 is a central axis, 911 is a high-pressure water supply channel,
914 is a spot facing portion.

【００１１】図１２および図１３のノズルとともに、キ
ヤビテーシヨン噴流は単一噴出孔から作り出されるた
め、その拡がりが乏しい。従つて、広い面積の部分をピ
ーニングするためには、ノズルを複雑にトラバースさせ
たりあるいは施工時間を長くしなければならないという
問題が残る。ピーニング施工時間を短縮しノズルのマニ
ユピレーシヨン（位置決め操作）を簡略化するために
は、拡がりの大きなキヤビテーシヨン噴流を作り出さね
ばならない。Along with the nozzles of FIGS. 12 and 13, the cavitation jet is created from a single jet orifice, so that its expansion is poor. Therefore, in order to peening a large area, there remains a problem that the nozzle must be traversed in a complicated manner or the construction time must be lengthened. In order to shorten the peening time and simplify the nozzle management (positioning operation), it is necessary to produce a large-spread cavity jet.

【００１２】ここでは、水中水噴流を利用する先行技術
を２例紹介する。図１４に示す先行技術（特開昭６０−
１６８５５４号）のノズルは、水中における各種作業の
ために開発されたノズルであり、キヤビテーシヨンの利
用が謳われている。Here, two examples of prior art using underwater water jets will be introduced. The prior art shown in FIG.
No. 168554) is a nozzle developed for various operations in water, and the use of cavitation is declared.

【００１３】なお、図中の１００１はノズル本体、１０
０２はオリフイス部、１００３は円錐開口部、１００４
は円錐空洞部、１００５は配管部材、１００６は高圧噴
出装置、１００７は加工対象物である。In the figure, reference numeral 1001 denotes a nozzle body,
02 is an orifice part, 1003 is a conical opening, 1004
Denotes a conical hollow portion, 1005 denotes a piping member, 1006 denotes a high-pressure jetting device, and 1007 denotes an object to be processed.

【００１４】図１５の例（特開昭６１−８１８４号）
は、水中水噴流で発生するキヤビテーシヨンの作用によ
つて、エンジン部品等に付着するスラツジ等の汚染物を
除去しようとするものであ。FIG. 15 (JP-A-61-8184)
The Japanese Patent Application Publication No. JP-A-2002-115122 attempts to remove contaminants such as sludge adhering to engine parts and the like by the action of cavitation generated by a submerged water jet.

【００１５】なお、図中の１１０１は水槽、１１０２は
被洗浄物、１１０３はノズル、１１０３ａはノズル先
端、１１０３ｂは噴出孔、１１０４は水、１１０５は管
路である。In the figure, reference numeral 1101 denotes a water tank, 1102 denotes an object to be cleaned, 1103 denotes a nozzle, 1103a denotes a nozzle tip, 1103b denotes an ejection hole, 1104 denotes water, and 1105 denotes a pipe.

【００１６】本発明の目的は、ピーニングによる残留応
力の改善を効率的に行い、施工時間の短縮を図ることを
目的とする。An object of the present invention is to improve the residual stress by peening efficiently and shorten the construction time.

【００１７】[0017]

【課題を解決するための手段】ピーニングによる残留応
力改善施工の効率化、すなわち施工時間の短縮（コスト
の低減）を測るために本発明においては、次のような手
段によるキヤビテーシヨン噴流を作り出す。In order to improve the efficiency of the residual stress improvement by peening, that is, to shorten the construction time (reduce the cost), the present invention creates a cavitation jet by the following means.

【００１８】複数の噴出孔を傾斜して対向するようにセ
ツトし、両噴出孔から噴出する高速の水中水噴流同士を
衝突させる。このようにすると、激しい乱れを有する高
速水噴流同士の衝突のため、互いの乱れの相乗効果によ
つて著しく激しく増幅したキヤビテーシヨンが発生す
る。A plurality of jet holes are set so as to face each other at an angle, and high-speed water jets jetted from both jet holes collide with each other. In this case, due to the collision between the high-speed water jets having severe turbulence, cavitation is generated which is extremely strongly amplified due to a synergistic effect of the mutual turbulence.

【００１９】また、噴流の形状は、厚み方向には偏平で
幅方向にはかなり拡がりの大きないわゆる扇形のキヤビ
テーシヨン噴流となる。The shape of the jet is a so-called fan-shaped cavitation jet which is flat in the thickness direction and considerably widens in the width direction.

【００２０】複数の噴出孔への高圧水供給法としては、
（ａ）同一のポンプと耐圧ホースにより、ノズル部へ水
を高圧送給し、ノズル部の直前で均等に分岐し、両噴出
孔からは同一流量の水流を噴射させる方法、（ｂ）別々
のポンプによりそれぞれの耐圧ホースにより、水を個々
のポンプ別の流量制御により高圧送給し、両ノズルの噴
出孔から水流を噴射させる方法、が考えられる。As a method for supplying high-pressure water to a plurality of ejection holes,
(A) A method in which water is supplied at high pressure to the nozzle portion by the same pump and pressure-resistant hose, and the water is branched evenly immediately before the nozzle portion, and a water flow of the same flow rate is jetted from both ejection holes. A method is conceivable in which water is supplied at a high pressure by pumps from respective pressure-resistant hoses by controlling the flow rate of each pump, and a water flow is ejected from the ejection holes of both nozzles.

【００２１】前記（ａ）は設備費が少なくて済むのに対
し、（ｂ）は設備コストが高くなるが、両ノズルの水噴
射流量を交互に異ならせるいわゆるスイツチング操作に
より扇形のキヤビテーシヨン噴流を左右に振らせる（ス
イングさせる）操作ができる。このようにすれば、ノズ
ルに首を振らせたりノズルを動かす（トラバースさせ
る）ような複雑な操作が不要になり、大きな面積の部分
のピーニングが可能になる。The above (a) requires less equipment cost, while (b) requires higher equipment cost, but the so-called switching operation for alternately changing the water injection flow rates of both nozzles causes the fan-shaped cavitation jet to be left and right. Can be swung. This eliminates the need for a complicated operation such as shaking the nozzle or moving (traversing) the nozzle, and enables peening of a large area portion.

【００２２】[0022]

【作用】上記したようなキヤビテーシヨン噴流の形成方
法を採用すれば、衝突によつて生じる衝撃的な激しい乱
れ（圧力変動と渦流の作用）により、噴射水中にある気
泡核が一斉に励起され、より小さな気泡核までがキヤビ
テーシヨン気泡として成長するようになる。According to the above-described method of forming a cavitation jet, the violent turbulence (pressure fluctuation and eddy current) generated by the collision excites the bubble nuclei in the jet water all at once. Even small bubble nuclei grow as cavitation bubbles.

【００２３】また、キヤビテーシヨン噴流の形状が扇形
となることで、周囲水との接触面積が増えて、さらに周
囲水との間で剪断作用が強く働くようになり、周囲水中
にある気泡核も、乱れによるトリガを受けキヤビテーシ
ヨン気泡として成長する。このようなキヤビテーシヨン
気泡の成長は、近くの水中にある気泡核をも刺激し、連
鎖的な作用によりキヤビテーシヨンは著しく成長する。Further, since the shape of the cavity jet is fan-shaped, the contact area with the surrounding water increases, and the shearing action between the water and the surrounding water increases. Triggered by turbulence, it grows as cavitation bubbles. The growth of such cavitation bubbles also stimulates bubble nuclei in nearby water, and the cavitation grows remarkably by a chain action.

【００２４】このようにして、扇形の高速水噴流は充分
にキヤビテーシヨンが促進されたものとなり、ピーニン
グによる残留応力改善に適したものとなる。In this way, the fan-shaped high-speed water jet is sufficiently promoted in cavitation, and is suitable for improving residual stress by peening.

【００２５】[0025]

【実施例】図１は、本発明を具体化した水中ノズルの構
造を、ノズル本体の中心軸１３を通る縦断面図（図２Ｂ
−Ｂ′線上断面図）として示したものである。図２は、
図１のＡ−Ａ′線方向から視た図で、同ノズルの噴出孔
２の開口状態を示す。FIG. 1 is a longitudinal sectional view (FIG. 2B) of a submerged nozzle embodying the present invention, taken through a central axis 13 of the nozzle body.
-B 'line sectional view). FIG.
FIG. 2 is a diagram viewed from a line AA ′ in FIG. 1, showing an opening state of a discharge hole 2 of the nozzle.

【００２６】この水中ノズルは、ノズル本体１、インタ
メデイエイトボデイ４、ノズルガン５およびこれらを一
体に装着固定するための固定具１１により構成されてい
る。高圧水６は、ノズルガン５の中心軸（ノズル本体１
の中心軸１３）上に開口する高圧水供給流路７を通じて
インタメデイエイトボデイ４に開口する大きな空間であ
る高圧水ヘツダ８に導かれる。この高圧水ヘツダ８の下
流には、開口断面積の等しい高圧水分割供給流路９が２
つ開口している。ノズル本体１には、２つの噴出孔２が
（厳密には噴出孔中心軸１２が）、噴流中心軸３に対し
て衝突角度θ（噴流中心軸３に対して両振り）だけ傾斜
して配設されている。これら噴出孔２には、高圧水６
が、高圧水分割供給流路９からノズル本体１における高
圧水分割供給流路１０を通じて均等流量で導かれる。This submerged nozzle comprises a nozzle body 1, an intermediate body 4, a nozzle gun 5, and a fixture 11 for mounting and fixing these together. The high-pressure water 6 is supplied to the central axis of the nozzle gun 5 (the nozzle body 1).
Through the high-pressure water supply channel 7 opening on the central axis 13) of the intermediate body 4 to the high-pressure water header 8 which is a large space opening to the intermediate body 4. Downstream of the high-pressure water header 8, there are two high-pressure water split supply channels 9 having the same opening cross-sectional area.
One is open. The nozzle body 1 has two orifices 2 (strictly, the orifice center axis 12) which are inclined with respect to the jet center axis 3 by a collision angle θ (both swings with respect to the jet center axis 3). Has been established. These jet holes 2 have high-pressure water 6
Is introduced at a uniform flow rate from the high-pressure water split supply channel 9 through the high-pressure water split supply channel 10 in the nozzle body 1.

【００２７】噴流衝突角θ_i は１０°以上１８０°未
満、より望ましくは３０°以上１２０°未満の範囲に設
定する。θ_i が大きすぎると衝突して生じるキヤビテー
シヨン噴流が上流側へと跳ね返り、ノズル本体１に衝突
するおそれが生じ、噴流中心軸３の下流側への貫通力が
衰えてしまう。一方、θ_i が小さすぎると２つの水噴流
を衝突させることによるキヤビテーシヨン促進効果が乏
しくなる。この実施例では、ノズル部において供給水を
２つに均等に分割するため、給水系の構成は基本的に単
孔タイプのノズルの場合と同様であり、単一の高圧水供
給ユニツトと一体の耐圧ホースの組み合わせによる。The jet collision angle θ _i is set in the range of 10 ° or more and less than 180 °, and more preferably in the range of 30 ° or more and less than 120 °. If θ _i is too large, the cavitation jet generated by the collision rebounds to the upstream side and may collide with the nozzle body 1, and the penetration force of the jet center axis 3 to the downstream side is reduced. On the other hand, if θ _i is too small, the effect of accelerating the cavitation by colliding the two water jets becomes poor. In this embodiment, since the supply water is equally divided into two at the nozzle portion, the configuration of the water supply system is basically the same as that of the single-hole type nozzle, and is integrated with a single high-pressure water supply unit. Depends on the combination of pressure hoses.

【００２８】図７に示す具体例では、ノズル部へ独立し
た供給系からそれぞれのノズル４０１（ａ）と４０１
（ｂ）へと高圧水４０７（ａ）および４０７（ｂ）が供
給される。構造が同一である一対のノズル４０１（ａ）
および４０１（ｂ）は、ノズルサポート４０８によりノ
ズルサポート中心軸４０９に対して両振り角度θ_i で傾
斜するように設置されている。この両振り角度θ_i は、
それぞれのノズル４０１（ａ）および４０１（ｂ）にお
けるノズル中心軸４０５（ａ）および４０５（ｂ）のな
す角度に等しい。それぞれのノズル４０１（ａ）と４０
１（ｂ）には、図８に示すように独立した高圧水供給系
から、流量制御されて水が送給される。高圧水供給装置
は２台あり〔５０５（ａ）と５０５（ｂ）〕、ここから
それぞれに噴射圧力レギユレータ５０４（ａ）と５０４
（ｂ）を通して、それぞれのノズル５０１（ａ）と５０
１（ｂ）に高圧水が送られる。それぞれの噴射系におけ
る噴射流量（噴射圧力）は、水供給コントロールユニツ
ト５１０により制御される。両噴射系の噴射圧力を交互
にしかも周期的に変化させる制御を行わせれば、後述す
るうよにキヤビテーシヨン衝突噴流の傾き角度を周期的
に変化させること、つまり衝突キヤビテーシヨン噴流を
振らせること（噴流のスイツチング）が可能になり、幅
広い部分をピーニングするノズルとして利用できること
になる。In the specific example shown in FIG. 7, the respective nozzles 401 (a) and 401
High pressure water 407 (a) and 407 (b) are supplied to (b). A pair of nozzles 401 (a) having the same structure
And 401 (b) is disposed to be inclined in both swing angle theta _i with respect to the nozzle support center axis 409 by a nozzle support 408. This swing angle θ _i is
It is equal to the angle formed by the nozzle center axes 405 (a) and 405 (b) in the respective nozzles 401 (a) and 401 (b). Each nozzle 401 (a) and 40
In FIG. 1 (b), water is supplied at a controlled flow rate from an independent high-pressure water supply system as shown in FIG. There are two high-pressure water supply units [505 (a) and 505 (b)], from which the injection pressure regulators 504 (a) and 504 (a) are respectively provided.
(B) through the respective nozzles 501 (a) and 50 (a)
High pressure water is sent to 1 (b). The injection flow rate (injection pressure) in each injection system is controlled by the water supply control unit 510. By performing control to alternately and periodically change the injection pressures of both injection systems, the inclination angle of the cavitation collision jet is changed periodically as described later, that is, the collision cavitation jet is shaken (jet flow). Switching), and can be used as a nozzle for peening a wide area.

【００２９】なお、図７において、４０２（ａ），４０
２（ｂ）は径収縮部（絞り部）、４０３（ａ），４０３
（ｂ）は噴出孔、４０４（ａ），４０４（ｂ）は高圧水
供給流路、４０６（ａ），４０６（ｂ）は耐圧ホースで
ある。In FIG. 7, reference numerals 402 (a), 40
2 (b) is a diameter contraction part (a throttle part), 403 (a), 403
(B) is an ejection hole, 404 (a) and 404 (b) are high-pressure water supply channels, and 406 (a) and 406 (b) are pressure-resistant hoses.

【００３０】また図８において、５０２はノズルガン、
５０３（ａ），５０３（ｂ）は高圧水供給経路、５０６
は水のレゾーバ、５０７は周囲水、５０８は衝突キヤビ
テーシヨン噴流、５０９は被加工対象面である。In FIG. 8, reference numeral 502 denotes a nozzle gun,
503 (a) and 503 (b) are high-pressure water supply paths, and 506
Is a water reservoir, 507 is ambient water, 508 is a collision cavitation jet, and 509 is a surface to be processed.

【００３１】図３に、水中ノズル１における現象を模式
的に示す。傾斜角度θで配設された２つの噴出孔２より
高圧水が噴射されて衝突する。噴出孔２より噴射された
単一の高速水噴流２０６は、噴出孔２における強い減圧
加速作用によりキヤビテーシヨンの出やすい状態になつ
ており、噴流２０６中にはキヤビテーシヨン気泡２０１
が量的には少ないものの発生する。FIG. 3 schematically shows the phenomenon in the underwater nozzle 1. High-pressure water is jetted from two jet holes 2 arranged at an inclination angle θ and collides. The single high-speed water jet 206 ejected from the ejection hole 2 is in a state where cavitation is easily generated by the strong depressurizing and accelerating action in the ejection hole 2, and the cavitation bubbles 201 are contained in the jet 206.
Occurs in small quantities.

【００３２】一方、噴流２０６同士の衝突による効果は
圧倒的に大きく、衝突によつて生じる衝撃や乱れの作用
により、２つの噴流内にある気泡核は強い刺激を受けて
急速にキヤビテーシヨン気泡２０２として成長する。キ
ヤビテーシヨンによつて生じた噴流の乱れは、噴流２０
６と周囲水２０７との界面（はつきりとした境界が存在
する訳ではないが）に剪断渦２０３を作り出す。後述す
るように衝突噴流は扇形で偏平な形状となるが、その
「扇の表と裏」に相当する噴流表面は面積が大きいため
に剪断渦２０３も大量に発生し、この渦２０３が新たに
剪断渦由来のキヤビテーシヨン２０４を作り出すことに
なる。２つの高速水流同士の衝突により一気に発生する
キヤビテーシヨンと、このような剪断渦由来のキヤビテ
ーシヨンが重畳し合い、衝突噴流は著しく発達した衝突
キヤビテーシヨン噴流２０６となる。なお、図中の２０
５は、周囲水２０７の巻き込みである。On the other hand, the effect of the collision between the jets 206 is overwhelmingly large, and the bubble nuclei in the two jets are strongly stimulated and rapidly converted into the cavitation bubbles 202 by the effect of the shock and turbulence generated by the collision. grow up. The turbulence of the jet caused by the cavitation
A shear vortex 203 is created at the interface between the 6 and the surrounding water 207 (although there is no sharp boundary). As will be described later, the impinging jet has a fan-shaped and flat shape. However, since the jet surface corresponding to the “front and back of the fan” has a large area, a large amount of shear vortices 203 are also generated. A cavitation 204 resulting from the shear vortex will be created. The cavitation generated by the collision of the two high-speed water streams at once and the cavitation derived from the shear vortex are superimposed on each other, and the impinging jet becomes a significantly developed impinging cavitation jet 206. Note that 20 in the figure
5 is the involvement of the surrounding water 207.

【００３３】図４は、水噴流１４同士の衝突によつて作
り出されるキヤビテーシヨン衝突噴流１５の形態を模式
的に描いたものである。キヤビテーシヨン衝突噴流１５
は、図のように偏平な扇形となる。従つて、キヤビテー
シヨン衝突噴流１５が固体面へ衝突する部分、すなわち
図においてピーニング面１６は略楕円型となる。矢印１
８方向にノズルをトラバースさせることにより、幅広い
面積の被加工対象面１７の残留応力を改善できることに
なる。FIG. 4 schematically illustrates a form of a cavitation collision jet 15 created by collision of water jets 14. Cavitation collision jet 15
Has a flat fan shape as shown in the figure. Therefore, the portion where the cavitation impinging jet 15 collides with the solid surface, that is, the peening surface 16 in the drawing has a substantially elliptical shape. Arrow 1
By traversing the nozzle in eight directions, it is possible to improve the residual stress on the processing target surface 17 having a wide area.

【００３４】図５（図４α−α′方向視図）に、衝突キ
ヤビテーシヨン噴流１５の輪郭を側面からの視図として
示す。衝突キヤビテーシヨン噴流１５は偏平であるた
め、側面から見るとこの図のように偏平である。FIG. 5 (view taken in the direction of α-α 'in FIG. 4) shows the outline of the collision cabin jet 15 as viewed from the side. Since the collision cavitation jet 15 is flat, when viewed from the side, it is flat as shown in this figure.

【００３５】一方、図６（図４β−β′方向視図）は、
衝突キヤビテーシヨン噴流１５の正面輪郭を示したもの
である。正面からの形状はこのように扇形となる。な
お、図４から図６において１３は周囲水、１９は跳ね返
り噴流である。On the other hand, FIG. 6 (view in the direction of β-β ′ in FIG. 4)
FIG. 3 shows a front contour of the collision cavitation jet 15. FIG. The shape from the front thus becomes a fan shape. 4 to 6, reference numeral 13 denotes ambient water, and reference numeral 19 denotes a rebound jet.

【００３６】図９と図１０は、ノズルの各噴出孔へそれ
ぞれに独立に流量制御して高圧水を供給する実施例（図
７、図８）において、流量を噴出孔ごとに異ならせた場
合に生じる衝突キヤビテーシヨン噴流の傾きを模式的に
描いたものである。FIGS. 9 and 10 show an embodiment (FIGS. 7 and 8) in which high-pressure water is supplied to each nozzle of a nozzle by controlling the flow rate independently of each other, and the flow rate is varied for each nozzle. FIG. 4 schematically illustrates the inclination of a collision cavitation jet generated at the time of the jetting.

【００３７】図９の例は、ノズル６０１（ａ）から水を
高圧噴射（大流量）６０７し、一方のノズル６０１
（ｂ）からは水を低圧噴射（小流量）６０８する場合で
あり、衝突キヤビテーシヨン噴流６０６はノズル６０１
（ｂ）の方へ傾く。In the example of FIG. 9, water is injected at a high pressure (large flow rate) 607 from the nozzle 601 (a),
(B) shows a case where water is injected at a low pressure (small flow rate) 608, and the collision cavitation jet 606 is a nozzle 601.
Tilt to (b).

【００３８】なお、図中の６０２（ａ），６０２（ｂ）
は耐圧ホース、６０３はノズルサポート、６０４はノズ
ルサポート中心軸、６０５（ａ），６０５（ｂ）はキヤ
ビテーシヨン噴流である。It should be noted that 602 (a) and 602 (b) in FIG.
Is a pressure-resistant hose, 603 is a nozzle support, 604 is a central axis of the nozzle support, and 605 (a) and 605 (b) are cavitation jets.

【００３９】図１０は、両ノズル７０１（ａ）および７
０１（ｂ）へ供給する水の流量を、図９の例とは逆にし
た場合であり、衝突キヤビテーシヨン噴流７０６の傾き
も、図９に示した傾きとは逆方向になる。FIG. 10 shows both nozzles 701 (a) and 7
This is a case where the flow rate of the water supplied to 01 (b) is reversed from that in the example of FIG. 9, and the inclination of the collision cavitation jet 706 is also in the opposite direction to the inclination shown in FIG.

【００４０】なお、図中の７０２（ａ），７０２（ｂ）
は耐圧ホース、７０３はノズルサポート、７０４はノズ
ルサポート中心軸、７０５（ａ），７０５（ｂ）はキヤ
ビテーシヨン噴流、７０７は少流量の低圧噴射、７０８
は多流量の高圧噴射である。図８に示す高圧水供給系に
おいて、高圧水供給流量５０５ａおよび５０５ｂからの
吐出流量を周期的に変化させれば、図９と図１０の例に
示すように噴流を左右に首振るようにスイツチングする
ことが可能になる。ノズルサポート中心軸６０４（ある
いは７０４）に対する衝突キヤビテーシヨン噴流（６０
６あるいは７０６）の傾き角度θ_S は、３０°位にする
ことが可能である。このようにすれば幅広い部分の応力
改善が可能になり、ノズルに首を振らせたりあるいはノ
ズルを幅方向に交互に運動させるような複雑なマニユピ
レーシヨンが不要になる図１１は、本発明実施例と従来
式ノズルにおいて、加工対象面８０４上に発生する圧力
分布を比較（但し噴流横断面軸線８０５上における比
較）したものである。なお、図中の８０１はノズル、８
０２は従来式のノズルのキヤビテーシヨン噴流、８０３
は本発明ノズル（図１、図２）のキヤビテーシヨン噴
流、８０５は噴流横断面軸線である。Note that 702 (a) and 702 (b) in FIG.
703 is a nozzle support, 704 is a central axis of the nozzle support, 705 (a) and 705 (b) are cavitation jets, 707 is a low-pressure jet with a small flow rate, 708.
Is a multi-flow high pressure injection. In the high-pressure water supply system shown in FIG. 8, if the discharge flow rate from the high-pressure water supply flow rates 505a and 505b is periodically changed, the jet flow is swung to the left and right as shown in the examples of FIGS. It becomes possible to do. The impingement jet (60) against the nozzle support center axis 604 (or 704)
Inclination angle theta _S 6 or 706) can be 30 ° position. This makes it possible to improve the stress in a wide range, and eliminates the need for complicated manipulations such as shaking the nozzle or alternately moving the nozzle in the width direction. This is a comparison of the pressure distribution generated on the processing target surface 804 between the embodiment and the conventional nozzle (however, comparison on the jet cross-sectional axis 805). 801 in the figure is a nozzle, 8
02 is a conventional nozzle cavity jet, 803
Is a cavitation jet of the nozzle of the present invention (FIGS. 1 and 2), and 805 is a jet cross-sectional axis.

【００４１】本発明の実施例（曲線Ｘ）では、従来式ノ
ズル（曲線Ｙ）における発生圧力分布に比べて、圧力分
布のピークＰ_P がやや小さいものの、幅方向の圧力分布
は末広がりに拡大していることが分かる。従来式ノズル
利用時におけるピーク発生圧力Ｐ_P の半値幅を“１”と
した場合、本実施例の場合発生圧力分布の半値幅（片振
り）は“３．６”に相当する。このように本発明ノズル
における衝突キヤビテーシヨン噴流の横断面方向を有効
に利用すれば、加工対象表面の幅広い部分を短時間でピ
ーニング施工することが可能になる。In the embodiment (curve X) of the present invention, the pressure distribution peak _PP is slightly smaller than the pressure distribution generated in the conventional nozzle (curve Y), but the pressure distribution in the width direction expands to a divergent width. You can see that it is. If a "1" the half-value width of the peak generated pressure P _P in the conventional nozzle during use, the half-width (pulsating) when generating the pressure distribution of the present embodiment corresponds to "3.6". As described above, if the transverse direction of the collision cavitation jet in the nozzle of the present invention is effectively used, peening can be performed on a wide portion of the surface to be processed in a short time.

【００４２】本実施例では噴流の衝突角度θ_i を６０°
としている。この衝突角度θ_i もピーニングの対象物に
応じて変化させたノズルを用いることができるが、加工
対象面で発生する有効衝撃圧分布の拡がりもθ_i に対し
て変化する。In this embodiment, the collision angle θ _{i of the} jet is 60 °.
And Although a nozzle whose collision angle θ _i is changed according to the object of peening can be used, the spread of the effective impact pressure distribution generated on the processing target surface also changes with respect to θ _i .

【００４３】図１６は、衝突角度θ_i に対する有効衝撃
圧発生領域の幅Ｌ₁ ／Ｌ₂ の変化を示したものである。
縦軸は相対値Ｌ₁ ／Ｌ₂ として表しているが、Ｌ₂ は衝
突させない、いわゆる従来式単孔ノズルにおける有効衝
撃圧発生幅を示すものである。ここでは、残留応力改善
に対して有効な固体面上における基準発生圧力を５０Ｍ
Ｐ_a とした。このような発生圧力は、感圧フイルム法に
より求めたものである。FIG. 16 shows a change in the width L ₁ / L ₂ of the effective impact pressure generation area with respect to the collision angle θ _i .
The vertical axis is expressed as a relative value L ₁ / L ₂ , where L ₂ indicates the effective impact pressure generation width in a so-called conventional single-hole nozzle that does not collide. Here, the reference pressure generated on the solid surface effective for improving the residual stress is 50 M
It was the P _a. Such a generated pressure is obtained by a pressure-sensitive film method.

【００４４】この結果から分かるように、Ｌ₁ ／Ｌ₂ は
θ_i とともに増大し、θ_i ≦９０°においてピークに達
し、単孔ノズルと比較して４倍近い有効幅となつた後
は、噴流同士の正面衝突（θ_i ＝１８０°）に近づくほ
ど減少する。すなわちθ_i には最適値があり、θ_i ≒９
０°がこれに相当する。[0044] As seen from the results, L ₁ / L ₂ increases with θ _i, θ _i ≦ 90 ° peaks in, after was nearly four times the effective width and summer compared to single-hole nozzle, It decreases as it approaches head-on collision between jets (θ _i = 180 °). That is, θ _i has an optimum value, and θ _i ≒ 9
0 ° corresponds to this.

【００４５】ここで得られたグラフの形状から、３０°
＜θ_i ＜１２０°の領域が好適条件であると分かる。θ
_i が小さい場合、Ｌ₁ ／Ｌ₂ を拡大する効果が小さいの
は、衝突の影響が中々噴流へ及ばないためである。From the shape of the graph obtained here, 30 °
It can be seen that the region where <θ _i <120 ° is a suitable condition. θ
_{When i} is small, the effect of enlarging L ₁ / L ₂ is small because the impact of the collision does not affect the jet.

【００４６】一方、θ_i を大きくし過ぎるとＬ₁ ／Ｌ₂
が減少するのは、噴流が幾何学的形状としては拡がるも
のの、拡がりすぎて発生衝撃圧力を生み出すエネルギー
が拡散してしまつたためと考えられる。但し、正面衝突
（θ_i ＝９０°）させる方法にも特殊な応用例がある。On the other hand, if θ _i is too large, L ₁ / L ₂
It is considered that the decrease in is due to the fact that, although the jet expands as a geometrical shape, the energy for generating the generated impact pressure is diffused due to the excessive expansion. However, there is also a special application example of the method of causing a frontal collision (θ _i = 90 °).

【００４７】例えば、図１６中に挿入して描いたよう
に、内径２〜３インチ程度の細管内内周溶接部の周方向
の均一ピーニングには正面衝突法が適している。なお、
θ_i ＝６０°とした場合、噴流の中心において施工前１
００ＭＰ_a の引つ張り方向残留応力が圧縮方向３５０Ｍ
Ｐ_a へと改善された。この応力改善効果は、単孔ノズル
からの円錐型噴流を衝突させた場合と略同じである。For example, as illustrated by inserting in FIG. 16, the frontal collision method is suitable for uniform peening in the circumferential direction of a welded portion on the inner circumference of a thin tube having an inner diameter of about 2 to 3 inches. In addition,
When θ _i = 60 °, before the construction at the center of the jet 1
00MP _a of Hikitsu tension direction residual stress compression direction 350M
It has been improved to P _a. This effect of improving the stress is substantially the same as when a conical jet from a single-hole nozzle is collided.

【００４８】従つて、本発明の場合、応力改善効果の及
ぶ範囲を大幅に拡大できるということになる。さらに付
け加えたいことは、単孔ノズルからの円錐型噴流を用い
る場合に比べて、騒音レベルが概ね６５％まで低下する
ことである。これは、衝突して生じたキヤビテーシヨン
噴流内における気泡の挙動が、単孔ノズルからのキヤビ
テーシヨン噴流におけるそれと異なるためであろうと考
えられる。Therefore, in the case of the present invention, the range over which the effect of improving the stress can be greatly expanded. What should be further added is that the noise level is reduced to approximately 65% compared to using a conical jet from a single-hole nozzle. This is presumably because the behavior of the bubbles in the cavitation jet generated by the collision is different from that in the cavitation jet from the single-hole nozzle.

【００４９】本発明の水中ノズル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。The application range of the submerged nozzle of the present invention is very wide. In general, in order to improve the surface stress, normal temperature treatment which does not involve application of heat, that is, does not involve transformation of the metal structure, is much more preferable. The present invention is also advantageous from this point, and can be applied to the improvement of the surface stress of a pressure-resistant member of a boiler.

【００５０】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、走行に際し
てかなりの流動抵抗になる。本発明の水中ノズルでは、
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。このように付着生物の除去が海水中において可能
になれば、 船をドツクへ入れ、 ドツクから海水をくみ出し、 付着物の混じる洗水を廃棄し、 ドツクへ再び海水を入れる、 とい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
ぐために用いられる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。また本発明によつて、船舶の走行中に洗浄が可能
になれば、寄港インターバルの長い特殊船舶への適用も
可能になる。Considering that the work is underwater,
It can also be applied to ships. Shells, algae and other creatures attach to the bottom of a ship below sea level, causing considerable flow resistance during travel. In the underwater nozzle of the present invention,
These deposits can be removed in seawater. If removal of attached organisms became possible in seawater in this manner, a series of procedures, such as putting a ship into a dock, extracting seawater from the dock, discarding the washing water containing the attached matter, and then re-entering the seawater into the dock, All operations are omitted, and ship maintenance becomes more economical. If the use of special paints used to prevent fouling is also reduced,
It is also preferable from the viewpoint of marine environmental protection. In particular, marine pollution due to organic tin compounds near the dock can be prevented. In addition, according to the present invention, if the washing can be performed while the ship is running, it can be applied to a special ship having a long calling interval.

【００５１】[0051]

【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。The effects obtained by implementing the present invention are summarized as follows.

【００５２】（１）水中にある加工対象物の幅広い部分
の残留応力改善が可能になる。これによつて、対象が大
型構造物であつても短時間でピーニング施工が可能にな
る。また、同一噴射水流量であつても、一度に多くの加
工対象物の残留応力改善が可能になるため、ピーニング
効率が向上するという経済的効果が生じる。(1) It is possible to improve the residual stress in a wide part of a processing object in water. Accordingly, peening can be performed in a short time even if the target is a large structure. Further, even with the same injection water flow rate, it is possible to improve the residual stress of many workpieces at one time, so that there is an economic effect that the peening efficiency is improved.

【００５３】（２）ノズルから噴出後に、水噴流中でキ
ヤビテーシヨンを促進するため、ノズル噴出孔内におけ
るキヤビテーシヨン気泡の閉塞がなく、不要な圧力損失
が生じない。従つて、ポンプを効率よく利用することが
可能で、より低い吐出圧力のポンプで運用可能となるた
め、設備コストも削減できる。(2) After ejection from the nozzle, cavitation is promoted in the water jet, so that no cavitation bubbles are blocked in the nozzle ejection hole and unnecessary pressure loss does not occur. Therefore, the pump can be used efficiently and can be operated with a pump having a lower discharge pressure, so that the equipment cost can be reduced.

【００５４】（３）ノズルの噴出孔において激しいキヤ
ビテーシヨンを起こさせないために、ノズルが損傷が受
けにくくなる。従つて、ノズルの耐久性が向上するとと
もに、キヤビテーシヨン噴流の現象やピーニング効果の
再現性が良くなり、応力改善法としての信頼性が大幅に
向上する。(3) The nozzle is less susceptible to damage because violent cavitation does not occur at the nozzle orifice. Therefore, the durability of the nozzle is improved, the phenomenon of the cavitation jet and the reproducibility of the peening effect are improved, and the reliability as a stress improvement method is greatly improved.

【００５５】（４）施工時の騒音レベルが低減する。(4) The noise level during construction is reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の実施例に係る水中ノズルの縦断面図で
ある。FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an underwater nozzle according to an embodiment of the present invention.

【図２】図１のＡ−Ａ′方向視図である。FIG. 2 is a view in the direction of AA 'in FIG. 1;

【図３】本発明の水中ノズルの現象を模式的に示す図で
ある。FIG. 3 is a diagram schematically showing a phenomenon of a submerged nozzle of the present invention.

【図４】キヤビテーシヨン衝突噴流の形態を模式的に示
す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a form of a cavitation collision jet.

【図５】図４のα−α′方向視図である。FIG. 5 is a view as viewed in the direction of α-α ′ in FIG. 4;

【図６】図４のβ−β′方向視図である。FIG. 6 is a view as viewed in the direction of β-β ′ in FIG. 4;

【図７】本発明の他の実施例に係る水中ノズルの一部断
面図である。FIG. 7 is a partial cross-sectional view of an underwater nozzle according to another embodiment of the present invention.

【図８】この水中ノズルの高圧水供給系統の概略構成図
である。FIG. 8 is a schematic configuration diagram of a high-pressure water supply system of the submerged nozzle.

【図９】この水中ノズルにおける噴流の動作例を示す図
である。FIG. 9 is a view showing an operation example of a jet flow in the underwater nozzle.

【図１０】この水中ノズルにおける噴流の動作例を示す
図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an operation example of a jet flow in the underwater nozzle.

【図１１】本発明のノズルと従来式ノズルのキヤビテー
シヨン噴流による圧力分布を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining a pressure distribution of a nozzle of the present invention and a conventional nozzle due to a cavitation jet.

【図１２】従来のノズルの一部断面図である。FIG. 12 is a partial sectional view of a conventional nozzle.

【図１３】従来のノズルの一部断面図である。FIG. 13 is a partial sectional view of a conventional nozzle.

【図１４】従来提案されたノズルの概略構成図である。FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a conventionally proposed nozzle.

【図１５】従来提案されたノズルの概略構成図である。FIG. 15 is a schematic configuration diagram of a conventionally proposed nozzle.

【図１６】衝突角度と有効衝撃圧発生領域の幅との関係
を示す特性図である。FIG. 16 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a collision angle and a width of an effective impact pressure generation region.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ ノズル本体 ２ 噴出孔 ３ 噴流中心軸 ４ インタメデイエイトボデイ ５ ノズルガン ６ 高圧水 ７ 高圧水供給流路 ８ 高圧水ヘツダ ９，１０ 高圧水分割供給流路 １１ 固定具 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nozzle main body 2 Jet hole 3 Jet center axis 4 Intermediate body 5 Nozzle gun 6 High-pressure water 7 High-pressure water supply channel 8 High-pressure water header 9, 10 High-pressure water division supply channel 11 Fixture

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (56)参考文献 特開 平５−84452（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23P 17/00 B05B 1/02 C21D 7/06 - 7/06 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Kunio Enomoto 502, Kandachicho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref. Machinery Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-5-84452 (JP, A) (58) Investigated Field (Int.Cl. ⁷ , DB name) B23P 17/00 B05B 1/02 C21D 7/06-7/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】 高圧ポンプから供給する水を、ノズルか
ら高速で水中へ噴射し、水中にある加工対象物に衝突さ
せることにより、加工対象物の表面応力状態を改善する
金属強化用水中ノズルにおいて、その水中ノズルあるいは水中ノズルの上流近傍において
流路を均等に分岐し、各流路毎にノズルの噴出孔を傾斜
させて設け、各噴出孔から均等に高速水流を噴射して 高
速水流同士を衝突させることにより高速水中噴流を形成
することを特徴とする金属強化用水中ノズル。The method according to claim 1] water supplied from the high pressure pump, and ejected from the nozzle into water at a high speed, by impinging on the workpiece in the water, the metal reinforcing water nozzles to improve the surface stress state of the object In the submerged nozzle or near the upstream of the submerged nozzle
Divides the flow path evenly and inclines the nozzle ejection holes for each flow path
An underwater nozzle for metal reinforcement characterized in that a high-speed underwater jet is formed by injecting a high- speed water stream uniformly from each of the ejection holes and causing the high-speed water streams to collide with each other. 【請求項２】 請求項１記載において、前記噴出孔の中
心軸傾斜角度を両振り角度として３０°以上１２０°未
満としたことを特徴とする金属強化用水中ノズル。2. The underwater nozzle for reinforcing metal according to claim 1, wherein the angle of inclination of the central axis of the ejection hole is 30 ° or more and less than 120 ° as a swing angle. 【請求項３】 高圧ポンプから供給する水を、ノズルか
ら高速で水中へ噴射し、水中にある加工対象物に衝突さ
せることにより、加工対象物の表面応力状態を改善する
金属強化用水中ノズルにおいて、 単一あるいは複数の高圧水供給ユニツトから流量制御手
段を介設する複数の高圧水供給流路により高圧水を導
き、ノズルの各噴出孔へ高圧水を個別に供給するととも
に、各高圧水供給流路における流量を交互に変化させる
ことにより、高速水流の衝突により生じる水中高速水噴
流の噴出方向を変化させることを特徴とする金属強化用
水中ノズル。3. The method according to claim 1, wherein the water supplied from the high-pressure pump is supplied through a nozzle.
Jets into the water at high speed and collides with the underwater workpiece.
To improve the surface stress state of the workpiece
In a metal strengthening submerged nozzle, high-pressure water is guided from a single or multiple high-pressure water supply units through a plurality of high-pressure water supply passages provided with flow rate control means, and high-pressure water is individually supplied to each nozzle of the nozzle. together, by varying the flow rate in each high-pressure water supply passage alternately, the metal reinforcing water nozzle, characterized in that to change the ejection direction of the water high velocity water jets produced by the collision of high-speed water flow.