(57)【要約】【課題】タンク内面の溶接部や強塑性加工された製品やはんだ付された電子回路基盤等においては，表面から深い位置にまで引張応力が残留して，時間の経過に伴い，材料の変形や破損をきたす場合がある。そのため，高温に加熱することなく，また，表面をほとんど損傷することなく残留引張応力を除去し，さらに，表面から深い位置にまで圧縮応力を付与させる方法が切望されていた。【解決手段】対象物を液体中に浸漬した後，超音波振動ホーンを浸漬して，その先端を対象物の残留引張応力を除去して圧縮応力を付与したい箇所に接近させて，液体を介して対象物に超音波振動を照射することによって表面から深い位置にまで残留する引張応力を除去して，さらに，圧縮応力を付与する方法である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に対象物を浸漬し，対象物に超音波振動ホーンを近づけて静止させるか，あるいは走査しながら，液体中で対象物に超音波を照射することによって，対象物の表面及び内部の残留引張応力を除去して圧縮応力を付与する方法及びその装置。
【請求項２】
液体を入れた容器内に対象物を乗せるコンベヤーを配設し，移動する対象物に超音波振動子を近づけて対象物に超音波を照射して，対象物の残留引張応力を除去して圧縮応力を付与する方法及びその装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は，たとえば，引張応力が残留するタンク内面の溶接部や熱加工や強塑性加工された製品やはんだ付された電子回路基盤等の対象物において，残留する引張応力を局部的に，あるいは，全面的に除去して，圧縮応力を付与する場合に適用できる引張残留応力除去に関する方法である。この時，対象物の表面粗さはほとんど変化せず，また，表面損傷がほとんど生じずに表面から深い位置まで圧縮応力を付与できることを特長とする方法を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
金属製品の熱加工部や溶接構造物の溶接部には引張応力が残留して，疲労強さの低下や応力腐食割れ等が生じる。また，熱加工や強塑性加工された製品の表面に引張残留応力が存在すると，表面にメッキや塗装を施して場合は，その表面で剥離等が生じることがある。従来，残留引張応力を除去するためには，応力除去焼なましやショットピーニング等が施されている。
【０００３】
応力除去焼なましでは，加熱炉を用いるために大型製品や大型構造物の応力除去焼なましは不可能であり，また，高温に長時間加熱するために材質の劣化や製品機能の損傷が生じる問題がある。一方、ショットピーニングにおいてはショット（鋼球）を衝突させることにより，残留引張応力は除去することができるが，タンクのような閉空間内面の残留応力の除去は困難であったり，ショットが衝突した表面は破壊されて製品としての機能が損なわれたり，また，ショットピーニングを行う作業場の環境対策を十分に行う必要があり煩わしかった。また，薄板等にはショットピーニング法の適用は困難である。
【０００４】
さらに，電子回路基盤のはんだ付部には，はんだの凝固収縮を伴う残留引張応力のために，はんだ付部の剥がれが生じたりするが，この場合の残留引張応力の除去に応力除去焼きなましやショットピーニング等の適用は不適切である。
【０００５】
このような課題を解決する方法として，先行発明（特開２００２−１４４１５５）が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように，タンクのような閉空間内面，薄板表面，表面機能が損なわれては困る箇所，電子回路基盤のように熱を嫌う製品等や小型製品の微小箇所に残留する引張応力をショットを用いず，高温に加熱することなく除去して圧縮応力を付与する方法の開発が切望されていた。この発明の目的は，上記の問題を解決して，残留引張応力を除去して圧縮応力を付与する方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【０００８】
本発明は，図１のように，引張応力が残留する対象物１（金属製品など）を液体（水，フロン，油など）３の中に浸漬した後，細い先端を有する超音波振動ホーン２の先端を対象物１の残留引張応力を除去して圧縮応力を付与したい箇所に接近させて，液体を介して対象物１に超音波振動を照射することによって引張残留応力を除去して圧縮応力を付与することを特徴とする方法である。
【０００９】
この方法は，表面から深い位置まで圧縮応力を付与できる特長を有していて，先行発明（特開２００２−１４４１５５）には開示されていない。
また，図４のように，液体３を満たした容器４内で対象物１を保持して移動させるために金網状のベルトコンベヤー６を液体３の表面から特定の深さの位置に設置して，その上に金属材料１を載せ，ベルトコンベヤー６を静止させるか，あるいは一定の速度で液中を移動させながら，容器４底部に設置した超音波振動子２によって，対象物１に超音波を照射して，対象物１の全表面の残留引張応力を除去してさらに圧縮応力を付与する方法である。
【００１０】
超音波振動ホーン２の先端が細いほど，金属材料の表面から深い位置まで圧縮応力を付与できやすい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を，以下，図面に基づいてその作用効果を示して説明する。
【００１２】
引張応力が残留する対象物（金属製品や構造物）を液体中に浸漬した後，超音波振動ホーンを液体中に挿入して，ホーン先端部を，引張応力を除去して圧縮応力を付与したい場所に近づけて液体を介して適当な時間だけ超音波振動を照射する。この時，超音波振動ホーンを二次元に走査すれば，広い面積に超音波振動を照射できる。
【００１３】
例えば，図１に示したように，引張応力が残留している対象物（金属製品や構造物）１を水，フロンや油のような液体３の中に浸漬し，同時に，超音波振動ホーン２も浸漬して，引張応力を除去して圧縮応力を付与したい場所に近づけて液体３を介して適当な時間だけ超音波振動を照射する。この時，超音波振動ホーン２をＸＹ方向に走査すれば，対象物１全体に超音波振動を照射することができる。
【００１４】
また，対象物１が円筒形のような場合には，図２のように，対象物２を液体３中に浸漬して，同時に超音波振動ホーン２を浸漬して，引張応力を除去して圧縮応力を付与したい場所に近づけて液体３を介して適当な時間だけ超音波振動を照射する。この時，超音波振動ホーン２を三次元（ＸＹＺ方向）に走査すれば，対象物全体に超音波振動を照射することができる。
【００１５】
超音波振動ホーンは，振動子の小さな振幅から大きな振幅を得るために，振動子に接続して振幅を増大させる作用をする。
【００１６】
次に本発明の超音波振動ホーンの一例について説明する。材質としてはオーステナイトステンレス鋼を用い，ステップ形ホーンを作る場合を説明する。超音波振動ホーン先端での振幅拡大率は先端部の直径（ｄ１）と振動子への取り付け部の直径（ｄ２）の比の２乗，つまり，（ｄ２／ｄ１）×（ｄ２／ｄ１）で決定される。これによれば，先端部での振幅は５μｍであり，先端部の直径ｄ１は１５ｍｍでｄ２は５０ｍｍとなる。超音波振動ホーン先端部の直径は，対象物の作用領域の大きさによって決定するが，同時に，必要とする先端部での振幅を考慮して，振動ホーン全体の寸法を決めることになる。
【００１７】
図２に示す例は，水中に浸漬された円筒状大型構造物（原子力発電設備の容器や炉心隔壁など）への適用に好適な例を示したものである。これは，円筒状内面に沿って超音波振動ホーンを回転させるものであり，図２に示す超音波振動ホーンを複数個設けると効率的である。
【００１８】
図３は折り曲げられた対象物（アルミニウムやステンレス鋼の板）１の折り曲げ部の外表面の残留応力を除去する場合を示したもので，加工率の高い折り曲げ部の先端に超音波振動ホーンを当てると効率的である。
【００１９】
また，図４に示したように大量の小物金属製品に流れ作業形式で適応するためには，液体３の表面から，深さＤ＝ｃ×（２ｎ＋１）／４ｆの式で計算される（ここで，ｃは水中での音速，ｎ＝１，２，３・・・，ｆは周波数）深さのＤの位置に対象物１が設定されるように金網状ベルトコンベヤー５を設けることが重要である。その後，容器４の底部に設置した超音波振動子２によって，対象物１に超音波を照射して，対象物１の全表面の残留引張応力を除去してさらに圧縮応力を付与できる。この場合，超音波振動子２は容器４の外でその底面に設けてもよく，また，対象物１の上部でもよい。
【００２０】
液体３を介して超音波振動を照射することによって，液体３中に生じるキャビテーション空洞の消滅に伴って発生する衝撃力によって対象物（金属製品や構造物）１の表面が圧縮変形され，引張残留応力が除去されて圧縮応力が残留するようになる。
【００２１】
【実施例】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００２２】
【事例１】
図１は本発明に用いられた装置の構成図である。図１において，１は残留引張応力を除去しようとする対象物（金属材料）である。これを水，フロン，油などの液体３を満たした容器４に浸漬する。超音波振動ホーン２を液体中に浸漬して，ホーン２の先端を引張応力を除去して圧縮応力を付与したい場所に近づけて静止させ，液体３を介して適当な時間だけ超音波振動を適当な時間照射し続ける。あるいは，Ｘ−Ｙ方向に二次元走査して超音波照射部分を広げても良い。
【００２３】
以下，この発明の方法のさらに具体的な実施事例について説明する。
図１の構成図において，厚さ１ｍｍあるいは１０ｍｍ，幅４０ｍｍで長さ６０ｍｍの対象物（オーステナイトステンレス鋼板ＳＵＳ３０４試験片）１を水中３に浸漬する。試験片の固定はどのような方法でも良く，例えば台座５の上に設置しても良い。直径１５ｍｍの先端部を持つ円柱形状の超音波振動ホーン２を水中３に浸漬して，その先端を試験片１のほぼ中央部の表面から約１ｍｍの距離まで接近させる。この状態で，超音波振動ホーン２の先端を振動周波数１９ｋＨｚ，振幅２６μｍで適当な時間照射する。その結果，試験片１の表面に最初に残留していた約１５〜３０ＭＰａの圧縮応力は超音波振動照射時間とともに増大して，３０分以上の超音波振動照射で１０ＭＰａ〜２４０ＭＰａの圧縮応力にまで高まる。次に，超音波振動によって付与された圧縮応力が表面からどのくらいの深さまで及んでいるかを板厚が１０ｍｍの場合について調べた結果を図１−ａに示す。超音波照射によって。表面から約１３０μｍ以上の深さまで，新たに圧縮応力が付与されていることがわかる。なお，入手状態では，約２０ＭＰａの圧縮応力が約１０μｍの深さまで残留している程度にしか過ぎなかった。
【００２４】
【図１−ａ】
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【００２５】
【事例２】
図３の構成図において，厚さ１ｍｍ，幅２０ｍｍで長さ１００ｍｍのオーステナイトステンレス鋼板ＳＵＳ３０４をＵ字型に曲げた試験片１を凸部が上になるようにして水中３に浸漬する。試験片１の固定はどのような方法でも良い。直径１５ｍｍの先端部を持つ円柱形状の超音波振動ホーン２を水３中に浸漬して，その先端を試験片１のほぼ中央部の表面から約１ｍｍの距離まで接近させる。この状態で，超音波振動ホーン２の先端を振動周波数１９ｋＨｚ，振幅２６μｍで３０分間照射する。その結果，試験片をＵ字型に曲げたことによって，最初に残留していた約５９ＭＰａの引張応力が，３０分間超音波振動を照射することによって，約１１３ＭＰａの圧縮応力に変化した。
【００２６】
【事例３】
図４に大量の小物金属製品に流れ作業形式で本方式を適応する構成図を示す。液体３を満たした大型の容器４内を移動する金網状のベルトコンベヤー６上に対象物（金属製品）１を設置して，容器４の底部に設置された超音波振動子２で超音波を照射する。振動周波数４５ｋＨｚの超音波振動子を用いた場合は，ベルトコンベヤー４は，液体３の表面から約９ｃｍの深さの位置に来るように設置する。この状態で，金属製品１に超音波を照射して，その超音波振動子に面した全表面の残留引張応力を除去してさらに圧縮応力を付与できることを実験で確認した。
【００２７】
本発明は，対象物の移動方向に対して面の広い超音波振動子を配置してその後流側に先端が細くなっている超音波振動ホーンを配置して（または，全くその逆に）対象物１の残留応力を除去してもよい。また，一個の超音波振動ホーンだけではなく複数個の超音波振動ホーンを組合せて対象物に超音波を照射しても良いことは言うまでもない。この場合，複数個のホーンを対象物に対して一列に配置してもよく，十字状に配列してもよく，群配列してもよいことはいうまでもない。また，複数個の振動ホーンを全部同時に発振させるのではなく，時間間隔をあけて飛び飛びに発振させてもよいことはいうまでもない。また対象物が金属製品だけでなく、アクリル等のプラスチック製品にも応用出来ることは言うまでもない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば，液体３中に浸漬された超音波振動ホーン２を対象物である表面の目的箇所に接近させて静止させるか，あるいは，走査しながら超音波を照射することによって，超音波を照射された対象物の材料表面の残留引張応力は除去される。さらに，表面からかなり深い内部まで圧縮応力を付与することができる。
【００２９】
すなわち，本発明によって，対象物の材料表面の残留引張応力を圧縮応力に変えることもできる。これにより，金属製品や構造物を高温に長時間加熱する必要も無くなり，加熱による材料劣化の問題も無くなる。また，ショットブラスト法では困難なパイプやタンクの内面や薄板への適用も可能になる。さらに，ショットブラスト法ではショットの衝撃によって材料表面は破壊されて表面機能が喪失してしまうが，そのようなことも回避される。
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成図。
【図２】本発明の他の実施例の構成図
【図３】本発明の他の実施例の構成図
【図４】本発明の他の実施例の構成図
【符号の説明】
１  対象物（金属製品，プラスチック製品，構造物，試験片）
２  超音波振動ホーンあるいは超音波振動子
３  液体（水，フロン，油など）
４  容器
５  台
６  ベルトコンベヤー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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