(57)【要約】【課題】  本発明は、広範囲な部位に使用でき、かつ作業効率に優れた超音波ピーニング処理装置を提供するものであり、特に、先端部構造が改善された超音波ピーニング処理装置を提供する。【解決手段】  超音波を発生させるトランスデューサーと、該トランスデューサーでの前方に取り付けられ、超音波を前方に導くためのウエーブガイドと、該ウエーブガイドの先端に取り付けられ、前記超音波により振動する1本または複数本の打撃ピンを有する超音波ピーニング処理装置の先端部構造であって、前記打撃ピンの少なくとも1本は、その軸方向が、前記ウエーブガイドの振動伝播方向に対して、傾斜角度を有して配置されていることを特徴とする。【選択図】      図１
2006055799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を発生させるトランスデューサーと、該トランスデューサーでの前方に取り付けられ、超音波を前方に導くためのウエーブガイドと、該ウエーブガイドの先端に取り付けられ、前記超音波により振動する1本または複数本の打撃ピンを有する超音波ピーニング処理装置の先端部構造であって、前記打撃ピンの少なくとも1本は、その軸方向が、前記ウエーブガイドの振動伝播方向に対して、傾斜角度を有して配置されていることを特徴とする超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【請求項２】
前記複数本の打撃ピンが、全て同一傾斜角度を有して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【請求項３】
前記複数本の打撃ピンが、異なる傾斜角度を有して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【請求項４】
前記複数本の打撃ピンが、異なる外径を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【請求項５】
前記打撃ピンの前記傾斜角度が20〜４５°であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属材料の表面に超音波で振動するピンにより打撃で衝撃を与え、金属材料表層部の組織、形状を改善するための超音波ピーニング処理装置に関し、具体的には、超音波ピーニング処理装置の先端部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼構造の構築物、特に、鋼橋では建設後数十年を経て、また、船舶では就航後数年を経て、例えば構築物の鋼部材の溶接部や鋼部材に形成された切欠き部などにおいて疲労によるクラックの発生が問題となっている。
また、建設機械などにおいては、使用時の衝撃的な繰り返し荷重に曝されるブームでの疲労亀裂の発生が問題となっている。自動車においても、シャーシー、駆動シャフト等において疲労亀裂が問題となることもある。
このように、鋼部材を使用して構造物や装置を構成する場合には、疲労による材料の性能低下や溶接部の性能低下などを考慮して、部材の設計厚さや、溶接形態などを設計している。
ところで、最近、材料の表面に超音波ピーニング処理を施すことにより、材料表面に塑性変形を与え，表面の結晶組織を改善し，或いは残留応力を開放することによって耐疲労性能を改善できることが知られており、例えば特許文献1には、金属材料の表層部を改質する場合の処理条件の設定方法などが提案されている。
また、溶接部や切欠き部などに超音波ピーニング処理を施し、組織を改善すると共に、切欠き部の形状を曲率を持った形状に改善して応力集中を緩和し、これらの部位の耐疲労性を向上させることが研究されている。
そして、このような超音波ピーニング処理装置として、例えば特許文献2には超音波を発生させるトランスデューサー、超音波を先端に導くためのウエーブガイド、その先端部に設けられ、超音波により振動する打撃用のピンを備えた超音波ピーニング処理装置が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１６９０９９号公報
【特許文献２】米国特許第６，４６７，３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この超音波ピーニング処理装置は、比較的小型であるため人手により処理することも可能であり、所要の箇所のみを処理できるという利点がある。
図１２は、従来の超音波ピーニング処理装置の概要を示す断面模式図であり、狭隘な溶接部でピーニング処理する際の状態と併せて示している。超音波ピーニング処理装置１は、トランスデューサー２、ホーン３、導波体４とからなるウエーブガイド５、打撃ピン７及びこれを把持するホルダー６と、ホルダーをウエーブガイドに支持する支持体１２とから基本的に構成されている。
図１３は、図１２の超音波ピーニング処理装置の部分を示す斜視図であり、（ａ）は先端部構造、（ｂ）は、導波体、（ｃ）は打撃ピンを示している。しかしながら、図１２、図１３（ａ）に示すように、打撃ピンの軸がウエーブガイドの振動伝播方向に対して平行に取り付けられているため、ピーニング処理が必要な個所に対して打撃ピンが十分なピーニング効果を与えるようにし、かつ効率的に作業を行うという観点では改善すべき点がある。
例えば、鋼構造物の溶接部においては、材料の降伏応力に相当する程度の引張り残留応力が存在し、かつ、溶接止端部は、材料表面と溶接金属とが鋭角を成す形で１種の切欠き部（ノッチ）を形成していることもあってこの部位が応力集中箇所となり、疲労強度が低下し、クラックの発生しやすい箇所となる。
疲労強度を向上させるため、このような箇所に対して超音波ピーニングを行ない、溶接部近傍の組織の改善や切欠き形状を緩和することが求められるが、このような箇所は、構造物の狭隘な箇所であることが多く、狭い場所での超音波ピーニング処理作業が必要となる。
具体的には、超音波ピーニング処理装置の先端部に取り付けられた打撃ピンの軸を溶接部の材料面に対して３０〜６０°程度傾け、溶接止端部に沿って揺動（ウイービング）させながら処理を進めるのが効率的である。
しかしながら、上述のように、従来の超音波ピーニング処理装置の打撃ピンは、その軸方向がウエーブガイドの振動伝播方向（ウエーブガイド軸の方向、或いは本体軸の方向ともいう）に対して平行に取り付けられているため、溶接止端部に対して３０〜６０°の角度を確保するにはウエーブガイドを含む処理装置本体を３０〜６０°傾ける必要がある。しかしながら、上述のように、溶接部のような狭隘な場所に処理を施す際には、そのような角度を確保することは困難である。
このように、所要の箇所に十分なピーニング効果を与えるのには制約があった。
【０００４】
さらに、上記のように、溶接止端部に超音波ピーニング処理を施し、溶接止端部の形状を一定の曲率Ｒ（例えば、Ｒ＝３〜８ｍｍ）を持った形状にするのが好適であるが、このような形状にする場合は、先端に曲率を持った１本の打撃ピンにより処理するよりも、径の異なる打撃ピン（すなわち、例えば、打撃ピンの径が３ｍｍ，５ｍｍなど）を用いて異なる曲率Ｒの打撃ピンを併用して、段階的に処理することが効率的であることが経験的に判っている。
しかしながら、従来のピーニング処理装置の打撃ピンは、１種類の径の打撃ピンしか備えておらず、このため、ピーニング処理装置の先端部、すなわち、打撃ピン、ホルダー、導波体を含めて交換し、所要の径の打撃ピンが使用できるようにしている。この交換には時間を要する上、構造物の処理部位の関係で、通常はこの交換作業を高所や足場の上で行わねばならず、極めて高度な注意が要求されるものである。
このように、従来の超音波ピーニング処理装置には、その処理対象の部位や処理時の作業効率などに問題があり、更に改善が必要であった。
本発明は、上記の状況に鑑み、広範囲な部位に使用でき、かつ作業効率に優れた超音波ピーニング処理装置を提供するものであり、特に、先端部構造が改善された超音波ピーニング処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）超音波を発生させるトランスデューサーと、該トランスデューサーでの前方に取り付けられ、超音波を前方に導くためのウエーブガイドと、該ウエーブガイドの先端に取り付けられ、前記超音波により振動する1本または複数本の打撃ピンを有する超音波ピーニング処理装置の先端部構造であって、前記打撃ピンの少なくとも1本は、その軸方向が、前記ウエーブガイドの振動伝播方向に対して、傾斜角度を有して配置されていることを特徴とする超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【０００６】
（２）前記複数本の打撃ピンが、全て同一傾斜角度を有して配置されていることを特徴とする（１）に記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【０００７】
（３）前記複数本の打撃ピンが、異なる傾斜角度を有して配置されていることを特徴とする（１）に記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【０００８】
（４）前記複数本の打撃ピンが、異なる外径を有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか1つに記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【０００９】
（５）前記打撃ピンの前記傾斜角度が20〜４５°であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか1つに記載の超音波ピーニング処理装置の先端部構造。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超音波ピーニング処理装置は先端部の構造において、打撃ピンの軸がウエーブガイドの振動伝播方向に対して傾斜角度を有して配置されているので、超音波ピーニング処理装置にウエーブガイド軸、すなわち本体軸を大きく傾斜させることなく、打撃ピンの軸を処理面に対して３０〜６０°の角度で位置させることができる。従って、狭隘な処理箇所においても、構造物の溶接部、切欠き部、或いは金属材料の剪断された断面部などに作業性良く、効果的な処理が可能となる。
【００１１】
また、好ましくは、上記先端部構造において、複数本の打撃ピンが、全て同傾斜角度を有して配置されていることにより、狭隘な処理箇所においても効率的に処理することができる。
【００１２】
また、好ましくは、上記先端部構造において、複数本の打撃ピンが、異なる傾斜角度を有して配置されていることにより、角度の異なる打撃ピンを備えた先端部構造に取り替えることなく、異なる角度にある処理個所に対しても処理作業を行うことができ作業効率が向上する。
【００１３】
また、好ましくは、上記先端部構造において、複数本の打撃ピンが異なる外径を有することにより、先端部構造を取り替えることなく、処理箇所の状況に応じて適切な径の打撃ピンを選択できるので、ピーニング処理作業を継続することができ、作業効率が向上する。
【００１４】
また、好ましくは、上記先端部構造において、打撃ピンの前記傾斜角度を20〜４５°とすることにより、装置本体を大きく傾斜させることなく、処理箇所の材料面に対して適切な処理角度を取ることができ、処理適用の自由度、作業性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の超音波ピーニング処理装置の概要を示す断面模式図である。超音波ピーニング処理装置１は、トランスデューサー２、ホーン３、導波体４、打撃ピン７及びこれを把持するホルダー６とから基本的に構成されている。
なお、図１において、導波体側を前方或いは前面、トランスデューサー側を後方又は後面、紙面に垂直な方向を左右、図の上下方向を上下として説明する。
トランスデューサー３、ホーン４、導波体４、ホルダー６の長手方向の中心軸は、前方に向かってこの順序で、同軸Ｃとなるように配列されている。
なお、ホーン３と導波体４を含めてウエーブガイド５とも記す。また、この同軸の中心軸Ｃは、後述するように、振動伝播方向であり、本体軸、或いはウエーブガイド軸とも記す。
本発明の先端部構造とは、詳細に説明するように、ウエーブガイドおよびホルダー及び打撃ピンを含む構造をいうものとする。
【００１６】
トランスデューサー２は、パーメンデュールのような磁歪体８とその回りに巻かれたコイル９とから構成され、電源１０からの電気エネルギーにより、軸方向の振動を生起する。トランスデューサー２の前方に取り付けられているホーン３は、その前面の断面積は後面の断面積より小さく絞られており、トランスデューサーからの振動を増幅するようになっている。
ホーン３の軸方向の中立軸（節）にはフランジ１１が設けられており、このフランジを介して、ホーン３が後述するケース２０および支持体１２とリングネジ１４により連結、固定される。
【００１７】
導波体４は、円柱状の基部と、円柱の両側面を基部から先端に向かって削いで形成した扁平状の先端部を有しており、その基部に設けられたネジ１３がホーン３の先端に螺合されて連結されている。導波体４の先端部には本体軸の方向に対して傾斜角度を有する傾斜面１６が形成されており、この傾斜面１６は、後述する打撃ピン７の軸方向に対してほぼ垂直な関係にあり、打撃ピン７の底面とほぼ平行に接触するようになっている。
【００１８】
支持体１２は、後端にフランジを有し、前方が開放された筒状体である。上述のように、後端のフランジはホーン３のフランジ１１に後述するケースと共にリングネジ１４により連結固定されている。この支持体１２先端部には後述のホルダー６が挿入され、支持体の外周に設けられた締め付けリング１５によりこれを固定、支持する。
【００１９】
ホルダー６は、前方に支持部６ａを備え、後方が開放された筒状部材であり、ホルダーの支持部６ａには打撃ピンを支持する貫通孔１８が設けられている。
この貫通孔１８は、その軸が打撃ピンの軸Ｐの方向と同じ方向となるように設けられる。すなわち、この貫通孔１８の軸は、本体軸Ｃの方向に対して傾斜角度を有するように設けられており、これによって打撃ピンの軸が本体軸に対して傾斜角度を有することになる。
導波体４との関係で言えば、貫通孔１８の軸、すなわち打撃ピンの軸Ｐは、導波体の前面の傾斜面１６に対してほぼ垂直な角度を有している。すなわち、本体軸と導波体の傾斜面の成す傾斜角度と本体軸と打撃ピンの軸の成す傾斜角度とを余角の関係とすることによって振動エネルギーが打撃ピンに効率的に伝播することとなり好ましい。
このホルダー６は、上述のように、支持体１２の内側に挿入され、支持体１２の周囲に設けられた締め付けリング１５により支持固定される。これによって、ホルダー６の打撃ピン７は、その軸が導波体の前方の傾斜面１６に対して垂直、かつ近接した状態、すなわち、本体の軸方向とは傾斜角度を有して配置された状態となる。
【００２０】
打撃ピン７は、通常、耐磨耗性、硬度、靭性等の特性に優れた材料、例えば超硬合金などの棒状部材で構成され、その後端は扁平に形成された係止部１９を有している。先端の形状は特に規定しないが、通常は曲率を持った下向きの凸状となっている。処理箇所の形状の所要によっては凹状の先端形状としても良い。また、打撃ピンの軸に垂直な断面形状は、円形に限らず楕円形などでも構わない。
【００２１】
筒状のケース２０は、ホーン３とランスデューサー２などが収納され、その後端は密閉されており、その外面にはハンドル２１が取り付けられている。ケースには、トランスデューサー等の冷却を図るために、冷却材を充填することができる（例えば、冷却水をケース２０の中と外で循環させるなど）。
【００２２】
電源からの電気エネルギーにより、トランスデューサーで生起された軸方向の振動は、ホーンに伝播し増幅され、振動伝播方向（本体軸Ｃの方向）の前面にある導波体に伝播し、その前面の傾斜面を振動させる。この振動は傾斜面と近接して配置されている打撃ピンに伝わり、打撃ピンが超音波振動する。これによって、その前面にある超音波ピーニング処理対象物、例えば、金属構造物の溶接部や切欠き部に打撃を与え、金属の表面組織を改質し、溶接部の残留応力を軽減ないし解放するなどの効果を与えることができる。
【００２３】
本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部の構造は、上述のように、打撃ピンの軸方向が、振動伝播方向に対して傾斜角度を有しているため、ピンの軸方向の角度を上述のような適切な角度を得るために処理装置本体の角度を変えることが困難な狭隘な箇所での超音波ピーニング処理を効率的に施すことが可能となる。
以下、図2〜図７の本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造を示す模式図を参照して、本発明の先端部構造をさらに具体的に説明する。
【００２４】
図２は、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
図２の実施形態では、複数の打撃ピン７はその軸Ｐが本体軸Ｃの方向に対して下方向に傾斜角度α１を有してホルダー６に配置されている例である。なお、下方向としたが、これは図１において説明したように、図１においてはこの関係が上下方向の関係となり、図２の場合は下方向に相当することを表すためである。
【００２５】
また、図２（ｂ）に示すように、導波体４の前面には傾斜面１６が、本体軸Ｃの方向に対して打撃ピンの軸方向と同様に本体軸の方向に対して下方向の傾斜角度β１を有するように形成される。α１とβ１は上述のように、余角の関係にあることが望ましく、導波体の傾斜面１６と傾斜角度を有してホルダーに配置された打撃ピンとはその軸がほぼ垂直対応するように組み込まれる。
これによって、本体軸Ｃに対して傾斜角度を有している打撃ピン７に振動エネルギーが効率的に伝えられ、狭隘な箇所に対して超音波ピーニング処理を施すことができる。
なお、この実施形態では、打撃ピンの軸に下方向の傾斜角度を設けて配置したが、逆に上方向とし得ることは言うまでもない。また、打撃ピンは複数本に限られず、１本のみを設けてもよいことは言うまでもない。
【００２６】
図３は、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
図２の実施形態では、複数本の打撃ピン７がその軸方向が本体軸Ｃの方向に対して上下方向に傾斜角度を有してホルダー６に配置された例を示したが、図３の実施形態では、複数の打撃ピン７がその軸が本体軸の方向に対して右方向に傾斜角度α２を有してホルダー６に配置されている例である。
なお、右方向としたが、これは図１において説明したように、図１においてはこの関係が左右の関係となり、図３の場合は右方向に相当することを表すためである。
【００２７】
また、図３（ｂ）に示すように、導波体４の傾斜面１６は、本体軸Ｃの方向に対して打撃ピンの軸方向と同様に本体軸の方向に対して右方向の傾斜角度β２を有するように形成される。α２とβ２は上述のように、余角の関係にあることが望ましく、導波体の傾斜面１６と傾斜角度を有してホルダーに配置された打撃ピンとはその軸がほぼ垂直対応するように組み込まれる。
これによって、本体軸に対して傾斜角度を有している打撃ピン７に振動エネルギーが効率的に伝えられ、狭隘な箇所に対して超音波ピーニング処理を施すことができる。この例では、打撃ピンの軸に右方向の傾斜角度を設けて配置したが、逆に左方向としうることは言うまでもない。
また、図３では、打撃ピンを複数本設けた例を示したが、１本のみ設けても良いことは言うまでもない。
【００２８】
図２，３の実施形態では、複数の打撃ピン７の軸Ｐが本体軸Ｃの方向に対して、例えば上下、或いは左右方向に、全て同じ傾斜角度をもって配置されている例を示したが、以下の実施形態では、処理箇所の状況変動にさらに広範囲に対応できるように、複数の打撃ピンを、互いに異なる傾斜角度で配置するようにしたものである。
【００２９】
図４は、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
図４の実施形態では、複数の打撃ピンのうち、１本以上の打撃ピン７の軸が本体軸Ｃの方向に対して下方向に傾斜角度α３を有し、他の打撃ピン７’はその軸Ｐが本体軸Ｃに対して傾斜角度を有することなくてホルダー６に配置されている例である。なお、下方向としたが、これは図１において説明したように、図１においてはこの関係が上下方向の関係となり、図４の場合は下方向に相当することを表すためである。
【００３０】
また、図４（ｂ）に示すように、導波体４の前面には、本体軸の方向に対して下方向の傾斜角度β３を有するように形成された傾斜面１６と、本体軸の方向に対して垂直に形成された垂直面１７の二つの面が形成されている。なお、α３とβ３は上述のように、余角の関係にあることが望ましく、導波体の傾斜面１６と垂直面１７は、傾斜角度を有して配置された打撃ピン７、傾斜角度を有せずに配置された打撃ピン７’の軸Ｐ、Ｐ’とそれぞれほぼ垂直に対応するように組み込まれることは言うまでもない。
これによって、本体軸に対して傾斜角度を有している打撃ピン７および傾斜角度を有さない打撃ピン７’にも振動エネルギーが効率的に伝えられる。そして、本体軸に対して傾斜角度を有している打撃ピン７および傾斜角度を有さない打撃ピン７’の２方向の打撃ピンを有しているので、狭隘な箇所に対して超音波ピーニング処理を施すことができることは勿論、本体軸に対して直角方向にある対象物に対しても、打撃ピンを取り替えることなく作業姿勢を変更するだけで超音波ピーニング処理を継続して施すことができる。
【００３１】
なお、この例では、複数の打撃ピンのうち一部の打撃ピンの軸が下方向の傾斜角度を有するようにして配置したが、逆に上方向の傾斜角度にして配置することもできる。また、この例では、本体軸に対して傾斜角度を有している打撃ピンと傾斜角度を有さない打撃ピンとを配置したが、上方向の傾斜角度を有する打撃ピンと下方向の傾斜角度を有する打撃ピンをそれぞれ配置するようにしても良いことは言うまでもない。
また、傾斜角度を有している打撃ピンおよび傾斜角度を有さない打撃ピンの本数は任意に選定することができる。
【００３２】
図５は、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
図５の実施形態では、複数の打撃ピンのうち、１本以上の打撃ピン７の軸方向Ｐが本体軸Ｃの方向に対して右方向に傾斜角度α４を有し、他の打撃ピン７’はその軸Ｐ’の方向が傾斜角度を有することなくホルダー６に配置されている例である。なお、右方向としたが、これは図１において説明したように、図１においてはこの関係が左右の関係となり、図５の場合は右方向に相当することを表すためである。
【００３３】
また、図５（ｂ）に示すように、導波体４の前面には、本体軸Ｃの方向に対して右方向の傾斜角度β４を有するように形成された傾斜面１６と、本体軸の方向に対して垂直に形成された垂直面１７の二つの面が形成されている。α４とβ４は上述のように、余角の関係にあることが望ましく、導波体４の傾斜面１６と垂直面１７は、傾斜角度を有して配置された打撃ピン７、傾斜角度を有せずに配置された打撃ピン７’の軸と軸Ｐ、Ｐ’とそれぞれほぼ垂直に対応するように組み込まれることは言うまでもない。
これによって、本体軸に対して傾斜角度を有している打撃ピン７および傾斜角度を有さない打撃ピン７’にも振動エネルギーが効率的に伝えられる。そして、本体軸に対して傾斜角度を有している打撃ピン７および傾斜角度を有さない打撃ピン７’の２方向の打撃ピンを有しているので、狭隘な箇所に対して超音波ピーニング処理を施すことができることは勿論、本体軸に対して直角方向にある対象物に対しても、打撃ピンを取り替えることなく作業姿勢を変更するだけで超音波ピーニング処理を継続して施すことができる。
【００３４】
なお、この例では、複数の打撃ピンのうち、一部の打撃ピンの軸が右下方向の傾斜角度を有するようにして配置したが、逆に左方向の傾斜角度にして配置することもできる。また、この例では、本体軸に対して傾斜角度を有している打撃ピンおよび傾斜角度を有さない打撃ピンとを配置したが、後述の図６に示すように右方向の傾斜角度を有する打撃ピンおよび左方向の傾斜角度を有する打撃ピンをそれぞれ配置するようにしても良いことは言うまでもない。
また、傾斜角度を有している打撃ピンおよび傾斜角度を有さない打撃ピンの本数は任意に選定することができる。
【００３５】
図６は、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
図６の実施形態においては、複数の打撃ピンのうち、１本以上の打撃ピン7-1の軸Ｐ１の方向が本体軸Ｃの方向に対して右方向に傾斜角度α５を有し、また、１本以上の打撃ピン７−２の軸Ｐ２が本体軸Ｃの方向に対して左方向に傾斜角度α６を有し、かつ、他の打撃ピン７’がその軸Ｐ’の方向が傾斜角度を有することなくホルダー6に配置されている例である。なお、右方向、左方向は、図１において説明したように、図１においてはこの関係が左右の関係となり、図５の場合は左右に相当することを表すためである。
【００３６】
また、図６（ｂ）に示すように、導波体４の前面には、本体軸Ｃの方向に対して右方向の傾斜角度β５有するように形成された傾斜面１６−１と、本体軸Ｃの方向に対して左方向の傾斜角度β６有するように形成された傾斜面１６−２と、本体軸Ｃの方向に対して垂直に形成された垂直面１７の三つの面が形成されている。α５とβ５、α６とβ６は上述の用に、余角の関係にあることが望ましく、導波体４の右傾斜面１６−１、左傾斜面１６−２および垂直面１７は、ホルダーに右方向の傾斜角度を有して配置された打撃ピン７−１、左方向の傾斜角度を有して配置された打撃ピ７−２、傾斜角度を有せずに配置された打撃ピン７’の軸Ｐ１，Ｐ２，Ｐ’とそれぞれほぼ垂直に対応するように組み込まれることは言うまでもない。
これによって、本体軸に対して右方向の傾斜角度を有している打撃ピン７−１、本体軸に対して左方向の傾斜角度を有している打撃ピン７−２および傾斜角度を有さない打撃ピン７’にも振動エネルギーが効率的に伝えられる。そして、本体軸に対して左右の傾斜角度を有している打撃ピン７−１，７−２および傾斜角度を有さない打撃ピン７’の3方向の打撃ピンを有しているので、図５に示した実施形態よりさらに適用範囲を拡げることができ、狭隘な箇所に対して超音波ピーニング処理を施すことができることは勿論、本体軸に対して直角方向にある対象物に対しても、打撃ピンを取り替えることなく作業姿勢を変更するだけで超音波ピーニング処理を継続して施すことができる。
【００３７】
上述のように、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端構造における打撃ピンの軸方向は本体軸の方向に対して、例えばα１〜α６傾斜角度を有するが、その傾斜角度は、処理対象の状況を勘案して設定すれば良い。通常、その傾斜角度は、２０〜４５゜とすることが好ましい。この傾斜角度を有しておけば、通常の狭隘な箇所に超音波ピーニング処理を施す際に、超音波ピーニング処理装置本体を大幅に傾斜させることなく所要の部位にピーニング処理を施すことが可能となる。
【００３８】
ところで、従来の超音波ピーニング処理装置の先端部構造において、打撃ピンの径は通常３〜５ｍｍ前後であり、複数本の打撃ピンを配置する場合も、処理面積を広くするという観点から、前述の径の範囲で同じ径のピンを複数本配置することが主体であった。しかしながら、特に、溶接止端部や切欠き部などの角度が急激に変化する箇所への応力集中を緩和するために、超音波ピーニング処理を施し、その箇所を緩やかな曲率を持った形状にしようとする場合、打撃ピンの径が１種類であると、当該個所に所要の局率を形成することが困難であり、径の異なる打撃ピンに取り替えて作業しなければならず作業効率が低い。
【００３９】
図７は、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の側断面図ある。すなわち、図７の実施形態では、超音波ピーニング処理装置の先端部に互いに異なる径の複数の打撃ピン、小径の打撃ピン７−３，中径の打撃ピン７−４，大径の打撃ピン７−５を配置して、上記の点を改善した例である。
この例では、図３に示したように、複数の打撃ピンは本体軸に対して右方向に同じ傾斜角度α２を有して配置されているが、各打撃ピンはそれぞれ径が異なっている。なお、異なる打撃ピンの径は、処理対象物の処理部位の形状を勘案して選定すればよく、通常３〜５ｍｍの範囲で異なる径とすることが好ましい。また、図１〜図６において説明した先端構造においても、複数本の打撃ピンを備える場合は、相互の径の異なる打撃ピンを配置することが可能であることは言うまでもない。
【００４０】
図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明の先端構造を備えたピーニング処理装置により、溶接止端部を超音波ピーニング処理する状況を示す断面模式図である。
図８（ａ）に示すように、溶接部２２の溶接止端部２３の断面形状は材料面との間に急激に角度が変化しており引っ張り残留応力が集中して疲労亀裂の起点となりやすい。これを防止するために、超音波ピーニング処理を施して曲率を持った断面形状とするが、図８（ｂ）に示すように、先ず、径の大きな打撃ピン、例えば図７に示したような打撃ピン７−５、により止端部２３の周辺に超音波ピーニング処理を施し、周辺部を曲率の緩やかな断面とする。次に、図８（ｃ）に示すように、径の小さな打撃ピン、例えば図７に示したような打撃ピン７−３により止端部に超音波ピーニング処理を施し、止端部を曲率を持った断面をとし、次いで図８（ｄ）に示すように、止端部及びその周辺部の曲率と連続させて止端部及びその周辺を一つの曲率を持った断面形状とする。なお、この処理順序は、図８に示したものに限定されず、（ｂ）、（ｃ）を逆の順序としても良いし、更に多段階としても良いことはいうまでもない。
このように、本発明の先端構造を備えた超音波ピーニング処理装置によれば、複数の打撃ピンの径が異なっているので、所用の曲率を形成するのに必要な打撃ピン選択して使用できるので、その都度、打撃ピンを交換する必要が無く、作業を連続して行うことができ、作業効率が極めて高い。
【００４１】
本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の説明において、打撃ピンは、左右方向或いは上下方向に一列のものを示した。図９は、本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の例を示す正面図であるが、図９に示すように、打撃ピンを左右方向或いは上下方向に複数列、傾斜を設けて配置したものであっても良いことは言うまでもない。
【実施例】
【００４２】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。
〔実施例１〕
【００４３】
図１０は、本発明の先端構造を備えたピーニング処理装置により、構造物の溶接部を超音波ピーニング処理する状況を示す実施例を示す斜視図であり、天井クレーン用の鋼製桁２４の例である。図１０に示すように、上下のフランジ２５ｕ、２５ｌと、この上下間を連結する前後のウエブ２６ｆ、２６ｂとから溶接により基本的に構成されており（桁の内寸法：高さ２，２００ｍｍ×幅９００ｍｍ、リブ間隔：５００ｍｍ、上フランジ長さ３０ｍ）、上フランジ上をクレーン本体の車輪が桁軸の方向（図の矢印の方向）に走行する。従って、上フランジの局部変形を防止するためのリブ２７が上フランジ２５ｕの下面及びウエブ２６ｆ、２６ｂに溶接されている。なお、その桁軸方向の間隔は構造設計から５００ｍｍである。このような構造においても、長期間の使用により、リブ２７と上フランジ２５ｕの下面及びウエブ２６ｆ、２６ｂとの溶接部２８に疲労亀裂が発生することがある。従来は、亀裂発生後に詳細な調査を行って亀裂の大きさを確認し、亀裂の箇所を研削して再度溶接する補修がなされており、作業負荷がきわめて大きいものであった。
【００４４】
このため、疲労改善対策として効果の大きい超音波ピーニング処理の適用を検討したが、鋼製桁２４リブ２７の間隔が５００ｍｍであることから、従来の超音波ピーニング処理装置ではリブ周辺の溶接部２８に沿って打撃ピンを当てることが困難であることが判明した。そこで、図１０に示すような超音波ピーニング処理装置の本体軸方向に対して３０°の傾斜角度を有する1本の打撃ピンを備えたホルダー及びこれに対応する導波体備えた本発明の先端部構造を準備し、これを超音波ピーニング処理装置１の先端部に取付けて処理を行った。
これにより、従来の装置では処理できなかった狭隘な箇所での溶接部、溶接止端部などの部位に超音波ピーニング処理を施すことが可能となり、鋼製桁の３０ｍにわたって疲労対策を施すことができた。
従来、数年毎に検査と補修が必要であったが、この超音波ピーニング処理を施すことができたので、数十年間毎の検査、補修で十分対処できると考えられる。
〔実施例２〕
【００４５】
図１１は、本発明の先端構造を備えたピーニング処理装置により、構造物の溶接部を超音波ピーニング処理する他の実施例を示す斜視図であり、海岸の桟橋などに用いられるジャケット式構造物２９の例である。図１１に示すように鋼管を骨組構造に溶接して組み立てられている。
この構造物は波力による外荷重受けることから、溶接部の疲労対策は大きな課題であり、従来は、溶接部での発生応力を軽減するよう構造形式を設計したり、鋼管の肉厚を大きく選定している。
図１１に示した実施例の構造物の場合は、溶接部３２に超音波ピーニング処理を施すことを前提として疲労設計応力を増加して設計しており、垂直部材３０は外径８００ｍｍ、肉厚12ｍｍ、斜め部材３１は外径６００ｍｍ、肉厚９ｍｍのそれぞれ鋼管とした。
なお、従来の構造設計では、このような超音波ピーニング処理は施せないとの前提で、鋼管の肉厚は大きく設計され、垂直部材３０の肉厚は１９ｍｍ、斜め部材３１の肉厚は１２ｍｍとなる。
図１１から判るように、垂直部材３０と斜め部材３１の溶接部３２は、両鋼管部材の軸の成す角度が３０°程度になることから、３３で示されるような、両鋼管部材が対向し、かつその基端部となる狭隘部３３の溶接部には、従来の超音波ピーニング処理装置では十分なピーニング処理を施すことができない。
【００４６】
そこで、図１１に示すような超音波ピーニング処理装置の本体軸方向に対して３０°の傾斜角度を有する１本の打撃ピンと、本体軸方向に対して平行な、すなわち傾斜角度のない２本の打撃ピンとの計3本の打撃ピンを備えたホルダー及びこれと対応する導波体を備えた本発明の先端構造を準備し、これを超音波ピーニング処理装置１の先端部に取り付けて処理を行った。
すなわち、処理部位の状況に応じて、傾斜角度を有する打撃ピン、傾斜角度を有さない打撃ピンの何れかを選択してピーニング処理を施すことができた。
本実施例の形態では、このように傾斜角度を有するものと、有しないものとの２種類の打撃ピンを備えることにより、ホルダーの途中交換、加えて、ホルダーの形状に対応した先端面形状を有する導波管をも取り替える必要がなく、１種類の傾斜角度を有するのみの場合に比べて、更に作業効率を３０％以上向上させることができた。
なお、狭隘部以外の部位では、両鋼管部材の外面の間隔が広がるため、従来のような本体軸方向に対して平行な、すなわち傾斜角度のない打撃ピンを備えた超音波ピーニング処理装置でもピーニング処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態の超音波ピーニング処理装置の概要を示す断面模式図である。
【図２】本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
【図３】本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
【図４】本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
【図５】本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
【図６】本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の模式図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は（ａ）の導波体を示す斜視図である。
【図７】本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の実施形態の側断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の先端構造を備えたピーニング処理装置により、溶接止端部を超音波ピーニング処理する状況を示す模式図である。
【図９】本発明の超音波ピーニング処理装置の先端部構造の他の例を示す正面図である。
【図１０】本発明の先端構造を備えたピーニング処理装置により、構造物の溶接部を超音波ピーニング処理する状況を示す一実施例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の先端構造を備えたピーニング処理装置により、構造物の溶接部を超音波ピーニング処理する状況を他の実施例を示す斜視図である。
【図１２】従来の超音波ピーニング処理装置の全体を、構造物の狭隘な箇所で超音波ピーニング処理する状況と併せて示す断面概要図である。
【図１３】図１２の従来の超音波ピーニング処理装置の部分を示す斜視図であり、（ａ）は先端部構造、（ｂ）は導波体、（ｃ）は打撃ピンを示す。
【符号の説明】
【００４８】
１    超音波ピーニング処理装置
２    トランスデューサー
３    ホーン
４    導波体
５    ウエーブガイド
６    ホルダー
６ａ    ホルダーの支持部
７、７’、７”、７−１〜７−５    打撃ピン
８    磁歪体
９    コイル
１０    電源
１１    フランジ
１２    支持体
１３    ネジ
１４    リングネジ
１５    締め付けリング
１６、１６−１，１６−２    傾斜面
１７    垂直面
１８    貫通孔
１９    係止部
２０    ケース
２１    ハンドル
２２    溶接部
２３    溶接止端部
２４    鋼製桁
２５ｕ    上フランジ
２５ｌ    下フランジ
２６ｆ    前ウエブ
２６ｂ    後ウエブ
２７    リブ
２８    溶接部
２９    ジャケット式構造物
３０    垂直部材
３１    斜め部材
３２    溶接部
３３    狭隘部
α、α1〜α6    打撃ピンの傾斜角度
β、β1〜β6    傾斜面の傾斜角度
Ｃ    本体軸（ウエーブガイド軸）
Ｐ、Ｐ’、Ｐ”、Ｐ１、Ｐ２    打撃ピンの軸
Ｔ    処理対象物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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