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HINTERGRUND
ZU DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Laserschockverfestigung und insbesondere
Vorrichtungen und Verfahren für
einen Laser zum Laserschockverfestigen, der einen Einzelkopflaser
aufweist.
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Die
auch als Laserschockbehandlung bezeichnete Laserschockverfestigung
(LSP = Laser Shock Peening) ist ein Verfahren, das dazu dient, eine
Region tiefer Druckeigenspannungen zu erzeugen, die erzeugt werden,
indem ein Oberflächenbereich
einer Komponente mittels Laserschock behandelt wird. Für eine Laserschockverfestigung
werden gewöhnlich
ein oder mehrere von mit hoher oder niedriger Leistung gepulsten
Lasern abgegebene Laserpulse eingesetzt, um eine starke Stoßwelle an
der Oberfläche
einer Komponente zu erzeugen, ähnlich den
Verfahren, wie sie in der US-Patentschrift 3 850 698 mit dem Titel "Altering Material
Properties"; der US-Patentschrift
4 401 477 mit dem Titel "Laser Shock
Processing"; und der
US-Patentschrift 5 131 957 mit dem Titel "Material Properties" offenbart sind. Laserschockverfestigung,
nach dem Verständnis
des Standes der Technik und in dem hier verwendeten Sinn, stellt
ein Verfahren dar, das einen von einer Laserstrahlquelle abgegebenen
gepulsten Laserstrahl verwendet, um eine starke örtlich begrenzte Druckkraft
auf einen Bereich einer Fläche
auszuüben,
indem durch eine verzögerungsfreie
Abtragung oder Verdampfung einer dünnen Schicht der Fläche oder einer
auf jener Fläche
angebrachten Beschichtung (z.B. in Form eines Klebebandes oder eines
Farbanstrichs) an dem Auftreffpunkt des Laserstrahls eine explosive
Kraft ausgeübt
wird, die ein Plasma erzeugt.
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Zur
Zeit wird die Laserschockverfestigung für viele das Gebiet der Gasturbinen
betreffende Anwendungen weiterentwickelt, von denen einige in den
folgenden US-Patenten offenbart sind:
US
5 756 965 mit dem Titel "On The Fly Laser Shock Peening";
US 5 591 009 mit dem Titel "Laser shock peened
gas turbine engine fan blade edges";
US
5 531 570 mit dem Titel "Distortion control for laser shock peened
gas turbine engine compressor blade edges";
US
5 492 447 mit dem Titel "Laser shock peeved rotor components
for turbomachinery";
US 5 674 329 mit dem Titel "Adhesive tape covered
laser shock peening";
und
US 5 674 328 mit
dem Titel "Dry tape
covered laser shock peening",
die sämtliche
dem Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören.
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Es
wurden hochenergetische Laserstrahlen, von etwa 20 bis etwa 50 Joule,
oder energiearme Laserstrahlen, von etwa 3 bis etwa 10 Joule, verwendet, und
es kommen auch andere Leis tungspegel in Betracht. Siehe beispielsweise
die US-Patentschrift
US 5 674
329 (Mannava et al.), ausgegeben am 7. Oktober 1997 (ein
LSP-Verfahren, das hochenergetische Laser verwendet) und die US-Patentschrift
US 5 932 120 (Mannava et
al.), ausgegeben am 3. August 1999 (ein LSP-Verfahren, das energiearme
Laser verwendet). Niederenergetische Laserstrahlen können mittels
unterschiedlicher Lasermaterialien, wie mit Neodymium dotiertem
Yttrium-Aluminium-Granat (Nd-YAG), Nd:YLF, und dergleichen erzeugt
werden. Niederenergetisches Laserschockverfestigen wurde entwickelt,
um die Kosten der Laservorrichtung, die Wartungskosten und die Kosten
des Verfahrens der Laserschockverfestigung zu senken. Allerdings
sind diese Lasermaschinen noch komplexer und kostspieliger als herkömmliche
Laserbohrmaschinen. Laserbohrmaschinen weisen gewöhnlich einen
einzelnen Laser auf.
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Es
ist bekannt, dass starke Laserimpulse in der Größenordnung von 20 bis 50 Joule
(J) pro Puls erzeugt werden können,
die eine temporale Anstiegszeit an der Vorderflanke von 5 bis 15
Nanosekunden und eine über
Halbmaximalpulsdauer von 20 bis 50 Nanosekunden aufweisen. Um diese
kräftigen Laserpulse
zu erzeugen, gerät
die Konstruktion des Lasergenerators kompliziert und sperrig, da
dieser zwischen sechs und mehr als einem Dutzend Glaslaserstäbe oder
-köpfe
benötigt,
um die für
eine LSP erforderliche Energie zu liefern. Diese Laser sind darauf
beschränkt,
einen Puls in Zeitabständen
von ein paar Sekunden bis etwa 2 Pulse pro Sekunde zu erzeugen.
Laser mit geringerer Leistung, die Pulsenergien in der Größenordnung
von 5 bis 10 Joule liefern, ermöglichen
es, alternative Lasertechnologien, z.B. Nd:YAG-Stabkristalle zu
verwenden.
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Diese
sind in der Lage, mit geringeren Leistungen jedoch mit einer im
Bereich von etwa 10 Hz liegenden rascheren Pulsrate dieselben temporalen Charakteristiken
bereitzustellen.
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Unabhängig davon,
ob Glas mit 50 Joule oder YAG mit 5 Joule verwendet wird, macht
die zum Erzeugen der erwähnten
Energien benötigte
Anzahl von Laserköpfen
oder -stäben
diese Systeme in beiden Fällen
komplex, kostspielig, teuer in der Wartung und für eine LSP-Produktion schlechter
einsetzbar. Somit besteht ein starker Bedarf nach einer Laserschockverfestigungsvorrichtung
und einem Verfahren, das ein Verwenden eines Einzelkopflasers für die Laserschockverfestigung
(LSP) ermöglicht.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Lasereinheit in einer Laserschockverfestigungsvorrichtung, die dazu
dient, entlang einem Primärstrahlpfad
einen Primärlaserstrahl
zu erzeugen, enthält
einen gepulsten freischwingenden Oszillator mit nur einem einzigen
Laserstab. Ein außerhalb des
freischwingenden Laseroszillators angeordneter Schalter, beispielsweise
eine Pockels-Zelle, ist entlang dem Primärstrahlpfad geeignet angeordnet,
um die anfängliche
langsame Anstiegszeit des von dem freischwingenden Oszillator abgegebenen
Primärlaserstrahls
zu blockieren und von dem Laserstab abgegebene Pulse des Primärlaserstrahls
anzuschneiden.
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In
dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der
Lasereinheit zweigt der elektrooptische Schalter entlang einem Abführpfad Energie
von dem Primärstrahlpfad
zu einer Abführeinrichtung
ab. Wenigstens ein optischer Übertragungsweg
dient dazu, aus dem Primärlaserstrahl
wenigstens einen stationären
Laserstrahl zu formen und den stationären Laserstrahl auf wenigstens
ein Laserschockverfestigungszielgebiet zu richten. Ein mit dem elektrooptischen
Schalter steuerbar verbundener Verzögerungsgenerator kann verwendet
werden, um den elektrooptischen Schalter zu triggern. Eine geeignet
an den Verzögerungsgenerator
angeschlossene rasche Fotodiode kann verwendet werden, um einen
von dem Laseroszillator abgegebenen anfänglichen Laserausgangspuls
zu erfassen und den Verzögerungsgenerator
zu triggern, um die Pockels-Zelle zu schalten. In einem spezielleren
Ausführungsbeispiel
der Lasereinheit sind die Spannungsquelle, die Blitzlampen, der
Laserstab eingerichtet, um aus dem Laserstab Laserausgangspulse
abzufeuern, die eine Energie von mehr als 1 Joule, eine Anstiegszeit
von etwa einigen Hundert Mikrosekunden und eine Pulsdauer im Bereich
von etwa einigen Hundert Mikrosekunden bis zu 1 Millisekunde aufweisen.
Die Pockels-Zelle ist eingerichtet, um den Primärlaserstrahl geeignet anzuschneiden, so
dass dieser eine Energie von wenigstens 1 Joule aufweist.
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In
dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der
Laserschockverfestigungsvorrichtung ist hinter dem elektrooptischen
Schalter in dem Primärstrahlpfad
ein Strahlaufteiler geeignet angeordnet, um den Primärlaserstrahl
auf zwei optische Übertragungswege
aufzuteilen, die den einen optischen Übertragungsweg umfassen. Die
beiden optischen Übertragungs wege
dienen dazu, zwei stationäre
Laserstrahlen zu bilden, die den einen stationären Laserstrahl umfassen. Die
beiden optischen Übertragungswege lenken
die stationären
Laserstrahlen auf zwei Laserschockverfestigungszielgebiete, die
das eine Laserschockverfestigungszielgebiet enthalten.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische
Darstellung eines Laserschockverfestigungssystems mit einem Einzelstablaser.
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2 zeigt eine schematische
Darstellung des Lasers und der Optik des in 1 veranschaulichten Laserschockverfestigungssystems.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In 1 zeigt eine Laserschockverfestigungsvorrichtung 10,
die dazu dient, eine Laserschockverfestigung an einer Komponente
oder einem Werkstück
vorzunehmen, das durch eine Gasturbinenschaufel 8 veranschaulicht
ist, die an einem mehrachsig beweglichen, rechner-NC-gesteuerten (CNC-)
Manipulator 127 befestigt ist. Stationäre Laserstrahlen 2 sind
auf Zielgebiete 42 gerichtet. Die in 1 veranschaulichte Laserschockverfestigungsvorrichtung 10 weist
eine Lasereinheit 31 mit einem Oszillator 33 auf.
Ein Controller 24 kann verwendet werden, um die Laserstrahlvorrichtung
zu steuern, um den Laserstrahl 2 zu modulieren und gesteuert auf
eine be schichtete mit Laserschock zu verfestigende Fläche 55 abzufeuern,
und um den Betrieb und die Bewegung des Manipulators 127 zu
steuern.
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Die
Lasereinheit 31 ist im Einzelnen in 2 veranschaulicht. Der Oszillator 33 in
der Lasereinheit 31 weist nur einen einzigen Laserstab 36 auf.
Der exemplarische Oszillator 33 ist ein herkömmlicher
gepulster freischwingender YAG-Oszillator. Ein Beispiel eines derartigen
Oszillators ist ein P50-Laser von Convergent-Prima sowie andere
YAG-Laser, die in erster Linie für
Bohrzwecke hergestellt sind. Diese Laser erzeugen zwischen 1 und
50 Joule, im Bereich von 1 bis über
100 Hz, mit Impulsbreiten von einigen Hundert Mikrosekunden bis über 1 Millisekunde.
Diese sind im Handel bei einigen Anbietern erhältlich, beispielsweise Trumpf,
Rofin Sinar, Lasag und JK. Im Betrieb des Lasers können die
Parameter mannigfaltig kombiniert werden, wobei die mittlere Leistung (z.B.
Wiederholungsrate x Energie/Puls) weniger als 500 Watt und gewöhnlich weniger
als 200 Watt beträgt.
Die Vorderflankenanstiegszeit eines freischwingenden Oszillators
liegt in der Größenordnung
von einigen Hundert Mikrosekunden, d.h. sie ist zu lange, um die
Schock- und Akustikwellen für
eine Laserschockverfestigung zu erzeugen.
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Ein
außerhalb
des freischwingenden Laseroszillators 33 angeordneter elektrooptischer
Schalter oder eine Pockels-Zelle 64 wird
verwendet, um die anfängliche
langsame Anstiegszeit eines Primärlaserstrahls 34 des
freischwingenden Oszillators zu blockieren, wobei die Energie von
einem Primärstrahlpfad 66 ausgeleitet
wird. In einem vorbestimmten Zeitpunkt wird der Zustand der Pockels-Zelle
in einen "eingeschalteten" Zustand überführt und
der Rest des Ausgangspulses wandert durch die Pockels-Zelle und
durch die Optik 35, wo er auf die mit Laserschock zu verfestigenden
Flächen 55 der
Komponente fokussiert wird, an der eine Laserschockverfestigung
vorgenommen wird. Andere Lasermedien können verwendet werden, beispielsweise
Nd:Yttrium, wobei für
die Wahl des Mediums offensichtlich lediglich entscheidend ist,
dass es in der Lage ist, bei 10Hz oder (für eine rasche Verarbeitung)
bei einer darüber
liegenden Frequenz 1 bis 50 Joule zu erzeugen.
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Der
freischwingende YAG-Laseroszillator 33 wird durch ein Paar
Blitzlampen 70 aufgepumpt, die den Laserstab 36 aktivieren
und die durch eine Spannungsquelle 72 mit etwa 10Hz oder
einer darüber
liegenden Frequenz betrieben werden. Ein von dem Laserstab 36 des
freischwingenden YAG-Laseroszillators 33 abgegebener Laserausgangspuls 74 weist eine
Energie von mehr als 1 Joule auf, mit einer Anstiegszeit von einigen
Hundert Mikrosekunden und einer Pulsdauer von einigen Hundert Mikrosekunden bis
zu 1 Millisekunde, wie es durch eine erste Energieanstiegskurve 80 in 2 veranschaulicht ist, in der
Joule gegenüber
der Zeit (J gegenüber
T) abgetragen sind. Der Ausgangspuls 74 wird einer Pockels-Zelle 64 zugeführt, die
anfänglich
ausgeschaltet ist. In dem ausgeschalteten Zustand absorbiert die
Pockels-Zelle 64 die gesamte Energie des von dem freischwingenden
YAG-Laseroszillator 33 abgegebenen Ausgangspulses 74 und/oder
leitet diese entlang eines Abführpfads 89,
der nicht mit dem Primärstrahlpfad 66 fluchtet,
in eine Energieabführeinrichtung 88 ab.
Der Primärstrahlpfad 66 verläuft gegenüber dem
Abführpfad 89 in
einem spitzen Abführ winkel 91.
Die von der Pockels-Zelle abgewiesene Energie 78 ist in
dem Graph der abgewiesenen Energie 84 grafisch in Joule
gegenüber
der Zeit veranschaulicht.
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Nachdem
ein erster der Ausgangspulse 74 in die Energieabführeinrichtung 88 abgewiesen
ist, wird die Pockels-Zelle 64 in kurzer Zeit (gewöhnlich in
weniger als 5 Nanosekunden) eingeschaltet und in dem Primärlaserstrahl 34 entsteht,
wie durch eine zweite Energieanstiegskurve 82 in 2. veranschaulicht, ein
angeschnittener Puls 76, der sich dann auf dem Primärstrahlpfad 66 weiter
bewegt. An diesem Punkt weist der Primärlaserstrahl 34 wenigstens
1 Joule auf (da ein Energiepegel von weniger als 1 Joule an der temporalen
Vorderflanke des Laserimpulses abgewiesen wird) und wird durch die
Fokussierungslinsen 90 aufweisenden strahlenoptischen Übertragungswege 43 den
mit Laserschock zu verfestigenden Flächen 55 zugeführt, wo
er auf die Flächen
auftrifft und dabei eine Stoßwelle
und eine akustische Druckwelle erzeugt, die den Prozess des Laserschockverfestigung
dienen.
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Die
Zeitsteuerung der Pockels-Zelle 64 bezüglich der Abfeuerung des Laserpulses
ist von Bedeutung. Der freischwingende Oszillator ist hinsichtlich
seiner Pulsfrequenz möglicherweise
nicht ausreichend genau, um die Pockels-Zelle 64 mittels
eines Pulsierens der Spannungsquelle 72 auszulösen, und ein
Verzögerungsgenerator 103,
der steuerbar mit der Pockels-Zelle 64 verbunden ist, kann
verwendet werden, um die Pockels-Zelle 64 zu triggern.
Eine rasche Fotodiode 104 kann dafür eingesetzt werden, um den
anfänglichen
Laserimpuls an dem Laserausgang genau zu erfassen und den Verzögerungsgene rator 103 zu
triggern, um die Pockels-Zelle 64 mit einer vorbestimmten
und wiederholbaren Verzögerung umzuschalten,
um präzise
eine kurze Anstiegszeit der Vorderflanke des Pulses für die Laserschockverfestigung
zu erzeugen.
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Ein
Strahlaufteiler 49 führt
den Primärlaserstrahl
zwei strahlenoptischen Übertragungswegen 43 zu,
die verwendet werden, um die stationären Laserstrahlen 2 zu
formen. Jeder der strahlenoptischen Übertragungswege 43 enthält eine
Optikeinrichtung 35, um die stationären Laserstrahlen 2 in
Richtung der Zielgebieten 42 zu lenken. Die Optikeinrichtungen 35 weisen
optische Elemente einschließlich
der Linse 90 auf, die den Laserstrahl 2 übertragen
und auf die mit Laserschock zu verfestigenden Flächen 55 fokussieren.
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Die
in den Zielgebieten 42 angeordneten mit Laserschock zu
verfestigenden Flächen 55 sind
auf Druck- bzw. Saugseiten 46 und 48 einer Anströmkante LE
der Schaufel 8 veranschaulicht. Die mit Laserschock zu
verfestigenden Flächen 55 sind
mit einer ablativen Beschichtung 57, beispielsweise einem Farbanstrich
oder einem Klebeband beschichtet, um beschichtete Flächen zu
bilden, wie sie in den US-Patenten 5 674 329 und 5 674 328 offenbart
sind. Die Beschichtung 57 sieht ein ablatives Medium vor, über dem
ein durchsichtiges Einschlussmedium angeordnet ist, beispielsweise
eine Fluidvorhang, beispielsweise eine Vorhang aus fließendem Wasser 21.
Bei einer Laserschockverfestigung wird die Schaufel 8 bewegt,
während
die stationären
Laserstrahlen 2 durch Vorhänge aus fließendem Wasser 21 hindurch
abgefeuert werden, das durch Wasserdüsen 19 auf die mit
Laserschock zu verfestigenden Flächen 55 abge geben
wird. Das Verfahren der Laserschockverfestigung wird gewöhnlich verwendet, um
auf laserschockverfestigten Flächen 54 sich überlappende
laserschockverfestigte kreisförmige Flecken 58 zu
bilden.
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In
mit Druck vorgespannten Regionen 56 werden durch Laserstrahlschock
induzierte tiefe Druckeigenspannungen ausgebildet. Die Druckeigenspannungen
betragen im Allgemeinen etwa 50–150
KPSI (Kilopfund pro Quadratzoll) und erstrecken sich kontinuierlich
von den laserschockverfestigten Oberflächen 54 aus bis zu
einer Tiefe von etwa 20–50
Tausendstel Zoll in die vorgespannten Regionen hinein. Die durch
Laserstrahlschock induzierten tiefen Restspannungen werden durch
wiederholtes Abfeuern der Laserstrahlen 2 erzeugt, die
gewöhnlich
plus oder minus einige Hunderttausendstel Zoll gegenüber der
mit Laserschock zu verfestigenden Fläche 55 defokussiert
werden.
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Die
Laserstrahlen 2 tragen die Beschichtung 57 schlagartig
ab, wobei Plasma entsteht, das an der Oberfläche des Materials Stoßwellen
auslöst.
Als geeignete Alternative zu einem Farbanstrich können andere
ablative Materialien verwendet werden, um die Oberfläche zu beschichten.
Diese Beschichtungsstoffe können,
wie in den US-Patenten 5 674 329 und 5 674 328 offenbart, Metallfolien
oder Kunststoffklebebänder
sein. Falls keine ablative Beschichtung 57 verwendet wird,
kann auch das Material der Komponente selbst abgetragen werden.
Diese Stoßwellen
werden durch den Vorhang aus fließendem Wasser 21 gegen
die beschichteten Flächen
zurückgelenkt,
um unterhalb der beschichteten Flächen in dem Material sich fortbewegende
Stoßwellen
(Druckwellen) zu erzeugen. Die Amp litude und Quantität dieser
Stoßwellen
bestimmen die Tiefe und Intensität der
Druckeigenspannungen. Die ablative Beschichtung 57 dient
einerseits zum Schutz der Zielfläche und
außerdem
zur Erzeugung von Plasma.
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Eine
Lasereinheit 31 in einer Laserschockverfestigungsvorrichtung 10,
die dazu dient, entlang einem Primärstrahlpfad 66 einen
Primärlaserstrahl 34 zu
erzeugen, enthält
einen gepulsten freischwingenden Oszillator 33 mit nur
einem einzigen Laserstab 36. Ein außerhalb des freischwingenden
Laseroszillators 33 angeordneter elektrooptischer Schalter 64 ist
entlang dem Primärstrahlpfad 66 geeignet angeordnet,
um die anfängliche
langsame Anstiegszeit des von dem freischwingenden Oszillator 33 abgegebenen
Primärlaserstrahls 34 zu
blockieren und Energie von dem Primärstrahlpfad 66 abzuweisen. Wenigstens
ein optischer Übertragungsweg 43 dient dazu,
aus dem Primärlaserstrahl 34 wenigstens
einen stationären
Laserstrahl 2 zu formen und den stationären Laserstrahl 2 auf
wenigstens ein mit Laserschock zu verfestigendes Zielgebiet 42 zu
richten. Ein steuerbar mit dem elektrooptischen Schalter 64 verbundener
Verzögerungsgenerator 103 dient
dazu, Energie von dem Primärstrahlpfad 66 entlang
eines Abführpfad 89 zu
einer Abführeinrichtung 88 abzuführen und
Pulse des Primärlaserstrahls 34 anzuschneiden.
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Während hier
bevorzugte und als Beispiele zu betrachtende Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, werden dem Fachmann
auf der Grundlage der vorliegenden Ausführungen weitere Abwandlungen
der Erfindung offensichtlich erscheinen, und es ist daher gewünscht, sämtliche derartige
Modifikationen, wie sie in den Schutzbereich der Erfindung fallen,
von den beigefügten
Patentansprüchen
abzudecken. Dementsprechend soll die US-Patenturkunde die Erfindung schützen, wie
sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert
und differenziert ist.
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- 2
- stationärer Laserstrahl
- 8
- Gasturbinenschaufel
- 10
- Laserschockverfestigungsvorrichtung
- 19
- Wasserdüse
- 21
- Vorhang
fließenden
Wassers
- 24
- Controller
- 31
- Lasereinheit
- 33
- Oszillator
- 34
- Laserstrahl
- 35
- Optik
- 36
- Laserstab
- 42
- Zielgebiet
- 43
- Übertragungsweg
- 46
- Druckseiten
- 48
- Saugseiten
- 49
- Strahlaufteiler
- 54
- laserschockverfestigte
Flächen
- 55
- mit
Laserschock zu verfestigende Flächen
- 56
- mit
Druck vorgespannte Regionen
- 57
- ablative
Beschichtung
- 58
- kreisförmige Flecken
- 64
- elektrooptischer
Schalter oder Pockels-Zelle
- 66
- Strahlpfad
- 70
- Blitzlampen
- 72
- Spannungsquelle
- 74
- Laserausgangspuls
- 76
- angeschnittener
Puls
- 78
- abgewiesene
Energie
- 80
- erste
Energieanstiegskurve
- 82
- zweite
Energieanstiegskurve
- 84
- Graph
der abgewiesenen Energie
- 88
- Abführeinrichtung
- 89
- Abführpfad
- 90
- Fokussierungslinse
- 91
- spitze
Abführwinkel
- 102
- Verzögerungsgenerator
- 103
- Linse
- 104
- rasche
Fotodiode
- 127
- Manipulator
- LE
- Anströmkante