DE60221202T2

DE60221202T2 - Gleichzeitiges versetztes doppelseitiges Laserschockstrahlen mit Niederenergie-Laser

Info

Publication number: DE60221202T2
Application number: DE60221202T
Authority: DE
Inventors: Ui Won Cincinnati Suh; Seetharamaiah Cincinnati Mannava; Todd Jay Maineville Rockstroh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2022-08-14
Also published as: DE60221202D1; CA2398339A1; SG106090A1; US20030042234A1; PL200213B1; EP1288318A1; PL355306A1; CA2398339C; US6570126B2; EP1288318B1

Description

Diese Erfindung betrifft Laserschockhämmern und insbesondere Verfahren zum gleichzeitigen Laserschockhämmern gegenüberliegender Seiten eines Gegenstandes unter Verwendung versetzter Laserstrahlen mit geringer Energie.
Laserschockhämmern oder Laserschockbearbeiten wie es ebenfalls bezeichnet wird, ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Region mit tiefen Druckrestspannungen, die durch Laserschockhämmern einem Oberflächenbereich eines Gegenstandes verliehen werden. Laserschockhämmern nutzt typischerweise einen oder mehrere Strahlungsimpulse aus gepulsten Hochenergielaserstrahlen (von etwa 50 Joule oder mehr), um eine intensive Schockwelle an der Oberfläche eines Gegenstandes ähnlich dem in dem U.S. Patent Nr. 3 850 898 mit dem Titel "Altering Material Properties", U.S. Patent Nr. 4 401 477 , mit dem Titel "Laser Shock Processing"; und dem U.S. Patent Nr. 5 131 957 , mit dem Titel "Material Properties" offenbarten zu erzeugen. Laserschockhämmern, wie es im Fachgebiet verstanden und hierin verwendet wird, bedeutet die Verwendung eines gepulsten Laserstrahls aus einer Laserstrahlquelle, um eine starke lokalisierte Druckkraft auf einen Abschnitt einer Oberfläche durch Erzeugen einer Explosionskraft an dem Auftreffpunkt des Laserstrahls durch eine sofortige Abtragung oder Verdampfung einer dünnen Schicht dieser Oberfläche oder einer Beschichtung (wie z.B. einem Band oder einem Anstrich) auf dieser Oberfläche, welche ein Plasma ausbildet, zu erzeugen.
Laserschockhämmern wird derzeit für viele Anwendungen auf dem Gebiet von Gasturbinentriebwerken entwickelt, wovon einige in den nachstehenden U.S. Patenten Nr. 5 756 965 , mit dem Titel "On the Fly Laser Shock Peening"; 5 591 009 , mit dem Titel "Laser shock peened gas turbine engine fan blade edges"; 5 531 570 , mit dem Titel "Distortion control for laser shock peened gas turbine engine compressor blade edges"; 5 492 447 , mit dem Titel "Laser shock peened rotor components for turbo machinery"; 5 674 329 , mit dem Titel "Adhesive tage covered laser shock Peening"; und 5 674 328 , mit dem Titel "Dry tage covered laser shock Peening", welche alle dem vorliegenden Rechtsnachfolger übertragen sind, offenbart sind.
Laserhämmern wurde dazu genutzt, um eine druckgespannte Schutzschicht auf der Außenoberfläche eines Gegenstandes zu erzeugen, welche bekanntermaßen erheblich die Beständigkeit des Gegenstandes gegen Ermüdungsausfall gemäß Offenbarung in dem U.S. Patent Nr. 4 937 421 , mit dem Titel "Laser Peening System and Method" erhöht. Diese Verfahren verwenden typischerweise einen über den Gegenstand strömenden Wasservorhang oder irgendein anderes Verfahren, um ein Plasmaeinschlussmedium zu erzeugen. Dieses Medium ermöglicht dem Plasma, rasch Schockwellendrücke zu erreichen, welche die plastische Verformung und die zugeordneten Restspannungsmuster erzeugen, welche den LSP-Effekt ausmachen. Der Wasservorhang stellt ein Einschlussmedium dar, um die durch Vorgang erzeugten Schockwellen einzuschließen und in das Volumen des Materials einer Komponente, welche laserschockgehämmert wird umzulenken, um die nützlichen Druckrestspannungen zu erzeugen.
Der Druckimpuls aus dem sich rasch ausdehnenden Plasma ergibt eine Wanderschockwelle in die Komponente. Diese durch den Laserpuls erzeugte Druckschockwelle führt zu tie fen plastischen Druckverformungen in der Komponente. Diese plastischen Verformungen erzeugen mit den dynamischen Modulen des Materials konsistente Restspannungen. Beidseitiges gleichzeitiges Laserschockhämmern beinhaltet gleichzeitiges Bearbeiten beider Seiten eines Gegenstandes durch zwei Laserstrahlen, um die Druckrestspannungen in dem Material zu erhöhen. Die Laserstrahlen sind typischerweise ausgeglichen, um eine Materialverschiebung zu minimieren. Die anfänglichen Druckwellen durchdringen das Material von jeder Seite aus und werden von der Schnittstelle der zwei anfänglichen Druckwellen aus reflektiert. Die reflektierten Wellen wandeln sich in eine Zugwelle um. Die kombinierte Zugspannung der reflektierten Wellen, können, wenn sich die reflektierten Zugwellen von den beiden am Mittelpunkt in derselben axialen Richtung aufeinander treffen, größer als die Festigkeit sein, die das Material aushält, und es kann ein Riss in der Mittelebene ausgelöst werden, wo sich die zwei Schockwellen treffen.
Eine weitere Eigenschaft von LSP, die dessen technische Effektivität einschränkt, ist die Ausbildung von schädlichen Entlastungswellen, welche Zugspannungen erzeugen. Die Entlastungswellen bilden sich spontan anschließend an die Druckfront oder können sich aus einer Reflexion an einer Oberfläche mit einer Impedanzfehlanpassung, wie z.B. an der Außenoberfläche einer laserschockgehämmerten Komponente, ergeben. Wenn sich mehrere Entlastungswellen gleichzeitig in einer Komponente ausbreiten, können sie sich in einer als Überlagerung bezeichneten Weise aufaddieren. Diese Überlagerung von Zugwellen kann die Effektivität der nützlichen Druckspannungen reduzieren, oder kann sogar einen Spannungsbruch innerhalb der Komponente verursachen.
Diese Überlagerung der zwei räumlich konzentrischen Wellen reduziert somit die nützlichen Effekte, welche mittels HCF-Prüfung gemessen werden können.
Somit ist es sehr erwünscht, über ein Verfahren für und zum Erzeugen eines Gegenstandes zu verfügen, der gleichzeitig auf zwei gegenüberliegenden Seiten laserschockgehämmert wird, und um die Mittelebenenrisse zu beseitigen, indem die kombinierte Zugspannung der reflektierten Wellen gerade unter die maximale oder zulässige Zugspannung des Materials abgesenkt wird. Es ist auch sehr erwünscht, in der Lage zu sein, den Verlust von HCF-Vorteilen oder der Effektivität der nützlichen Druckspannungen aus dem Laserschockhämmern, die durch die Überlagerung von Zugspannungen verursacht werden, zu beseitigen oder zu reduzieren.
Die Herstellungskosten des Laserschockhämmerungsprozesses sind von großer Bedeutung, da die Anlauf- und Betriebskosten sehr hoch sein können. Die Verwendung von Laserstrahlen niedriger Energie dieser Größenordnung ist in dem U.S. Patent Nr. 5 932 120 , mit dem Titel "Laser Shock Peening Using Low Energy Laser", welches am 3. August 1999 erteilt und dem vorliegenden Rechtsnachfolger dieses Patente übertragen ist, offenbart. Hersteller suchen permanent nach Verfahren zum Reduzieren der Zeit, der Kosten und Komplexität derartiger Prozesse, und auch diesem Zweck dient die vorliegende Erfindung.
Gemäß der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Laserschockhämmern eines Gegenstandes das Ausrichten und dann das gleichzeitige Abfeuern erster und zweiter Niedrigenergielaserstrahlen mit ausreichender Energie zum Verdampfen von Material auf in Längsrichtung beabstandeten ersten und zweiten Oberflächenabschnitten des Gegenstandes, um erste und zweite Regionen mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich in den Gegenstand von den ersten bzw. zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten erstrecken. Die Niedrigenergielaserstrahlen weisen niedrige Energiepegel in der Größenordnung von 3–10 Joule oder sogar vielleicht 1–10 Joule auf, um kleinere weniger teuere Laser als die in dem U.S. Patent Nr. 5 932 120 mit dem Titel" Laser Shock Peening Using Low Energy Laser" offenbarten zu ermöglichen. Das vorliegende Verfahren verwendet Niedrigenergielaserstrahlen mit einer Abgabeenergie in einem Bereich von etwa 1–10 Joule. Ein Energiepegelbereich von etwa 3–7 Joule sowie auch ein Energiepegel von etwa 3 Joule haben sich als besonders effektiv erwiesen. Die Niedrigenergiestrahlen werden fokussiert, um Laserpunkte mit kleinem Durchmesser mit einem Durchmesser in einem Bereich von etwa 1 mm (0,040 Inch) bis 2 mm (0,080 Inch) zu erzeugen. In einer ersten Ausführungsform werden die ersten und zweiten Laserstrahlen so ausgerichtet, dass die ersten und zweiten Mittellinien der ersten und zweiten Laserstrahlen auf die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte bei ersten und zweiten Laserstrahlmittelpunkten auftreffen, durch welche parallele erste und zweite Achsen verlaufen, die im Wesentlichen senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten bei den ersten bzw. zweiten Laserstrahlmittelpunkten sind, und so, dass die ersten und zweiten Achsen versetzt sind. In einer ersten spezielleren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die ersten und zweiten Laserstrahlen so ausgerichtet, dass sich die ersten und zweiten Mittellinien schneiden und in einem Winkel in Bezug zueinander angeordnet sind. In einer zweiten spezielleren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die ersten und zweiten Laserstrahlen und die ersten und zweiten Mittellinien parallel und in Bezug zueinander versetzt.
In einer weiteren spezielleren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Laserstrahlen in einer Weise ausgerichtet und abgefeuert, dass sie erste und zweite Muster auf den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten des Gegenstandes mit überlappenden benachbarten Reihen aus überlappenden benachbarten ersten bzw. zweiten Punkten erzeugen. Die Muster werden durch kontinuierliches Bewegen des Gegenstandes erzeugt, während die Laserstrahlen festgehalten werden und kontinuierlich mit wiederholbaren Pulsen mit relativ konstanten Perioden zwischen den Pulsen feuern, wobei die Oberflächenabschnitte unter Verwendung von Ablauffolgesätzen laserschockgehämmert werden, und wobei jede Ablauffolge ein kontinuierliches Feuern der Laserstrahlen auf die Oberfläche so beinhaltet, dass auf jedem von den Oberflächenabschnitten benachbarte laserschockgehämmerte Punkte in unterschiedlichen Ablauffolgen in den Sätzen getroffen werden. Eine speziellere Ausführungsform beinhaltet das Beschichten der Oberflächenabschnitte mit einer abtragbaren Beschichtung vor und zwischen den Ablauffolgen in dem Satz.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Gegenstand ein Schaufelblatt eines Gasturbinentriebwerks und die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte befinden sich auf den Druck- bzw. Saugseiten des Schaufelblattes entlang einer Vorderkante des Schaufelblattes.
Die vorliegende Erfindung umfasst einen laserschockgehämmerten Gegenstand mit laserschockgehämmerten ersten und zweiten Oberflächenabschnitten mit ersten und zweiten Regionen mit tiefen Druckrestspannungen, die sich in den Gegenstand von den ersten bzw. zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten erstrecken, wobei die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte Paare von gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkten aus der Laserschockhämmerung aufweisen, und jedes Paar der gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkte in Längsrichtung voneinander beabstandet und in Querrichtung voneinander versetzt ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Paare der gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkte im Wesentlichen parallel. In einer spezielleren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte des Gegenstandes erste und zweite Muster überlappender benachbarter Reihen von überlappenden benachbarten ersten bzw. zweiten Punkten.
Die vorliegende Erfindung hat viele Vorteile, welche die Verringerung von Kosten, Zeit, Personal und Komplexität der Durchführung der Laserschockhämmerung umfassen, indem sie ein rissfreies doppelseitiges gleichzeitiges Laserschockhämmern ermöglicht. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum beidseitigen gleichzeitigen Laserschockhämmern bereit, welches in der Lage ist, die Mittelebenenrisse zu beseitigen, indem die kombinierte Zugspannung der reflektierten Welle unter das Maximum oder die zulässige Zugspannung des Materials reduziert wird. Die vorliegende Erfindung stellt einen gleichzeitig beidseitig laserschockgehämmerten Gegenstand ohne die Mittelebenenrisse bereit. Die Erfindung ist ferner vorteilhaft, da sie dazu genutzt werden kann, den Verlust von HCF-Vorteilen oder der Effektivität der nützlichen Druckspannungen aus dem Laserschock hämmern, der durch die Überlagerung von Zugwellen bewirkt werden, zu beseitigen oder zu reduzieren. Es hat sich herausgestellt, dass die Erfindung zum Erzeugen eines positiven Effektes auf die HCF-Fähigkeit laserschockgehämmerter Gegenstände und insbesondere laserschockgehämmerter Vorderkanten von Schaufelblättern von Gasturbinentriebwerks-Laufschaufeln und -Leitschaufeln nützlich ist.
Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung einer Gasturbinentriebwerkslaufschaufel ist, die in einem System zum Laserschockhämmern befestigt ist, das zum Laserschockhämmern unter Anwendung einer exemplarischen Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
2 eine schematische Querschnittsansicht eines Abschnittes der Laufschaufel ist, welche die versetzten Laserstrahlen und die laserschockgehämmerten Punkte der exemplarischen Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 eine Skizzendarstellung der versetzten laserschockgehämmerten Punkte ist.
4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Erzeugen der versetzten laserschockgehämmerten Punkte mit leicht im Winkel angeordneten und konvergierenden Laserstrahlen gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist.
5 eine perspektivische Ansicht des Bläserschaufelblattes in 1 ist.
6 eine Querschnittsansicht des Bläserschaufelblattes entlang der Linie 6-6 in 5 ist.
7 eine schematische Anordnung der Stellen von Laserschockhämmerungspunkten auf dem Ausschnitt in 5 ist.
In den 1 und 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Laserschockhämmern gezeigt, die zum Laserschockhämmern von Gegenständen, wie z.B. einer Rotorlaufschaufel 108 eines Gasturbinentriebwerks mit einem Schaufelblatt 134 mit einem mittels Laserschock zu hämmernden Ausschnitt 145 verwendet wird. Das System zum Laserschockhämmern 100 enthält einen Generator 31 mit einem Oszillator und einem Vorverstärker und einem Strahlteiler, welcher den vorverstärkten Laserstrahl in zwei optische Strahlübertragungskreise und Optiken 35 einspeist, welche die ersten und zweiten Laserstrahlen 102 bzw. 103 mit niedriger Energie übertragen und fokussieren. Die Laufschaufel 108 ist in einer Halterung 15 befestigt, welche an einem durch einen Computer numerisch gesteuerten Fünfachsenmanipulator (CNC) 127 befestigt ist, wovon einer im Handel von der Huffmann Corporation erhältlich ist, die ein Büro in 1050 Huffmann Way, Clover, SC 29710 verfügt. Die fünf Bewegungsachsen, welche in der exemplarischen Ausführungsform dargestellt sind, sind die herkömmlichen Translationsachsen X, Y und Z und herkömmliche erste, zweite und dritte Rotationsachsen A, B bzw. C, die in der CNC-Bearbeitung allgemein bekannt sind. Der Manipulator 127 wird dazu verwendet, um kontinuierlich die Laufschaufel zu bewegen und zu posi tionieren, um ein fortlaufendes Laserschockhämmern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Das Laserschockhämmern kann in einer Anzahl unterschiedlicher Arten unter Verwendung eines Anstrichs oder eines Bandes als Abtragsmedium (siehe in dem speziellen U.S. Patent Nr. 5 674 320 , mit dem Titel "Adhesive Tape Covered Shock Peening") ausgeführt werden.
Gemäß den 5 und 6 enthält die Laufschaufel 108 ein Schaufelblatt 134, das sich von einer Laufschaufelblattplattform 136 zu einer Laufschaufelspitze 138 radial nach außen erstreckt. Die Laufschaufel 108 enthält einen Fußabschnitt 140, der sich radial von der Plattform 136 zu einem radial inneren Ende 137 des Fußabschnittes 140 erstreckt. An dem radial inneren Ende 137 des Fußabschnittes 140 befindet sich ein Laufschaufelblattfuß 142, welcher mit der Plattform 136 über einen Laufschaufelschaft 144 verbunden ist. Das Schaufelblatt 134 erstreckt sich in der Sehnenrichtung zwischen einer Vorderkante LE und einer Hinterkante TE des Schaufelblattes. Eine Sehne CH des Schaufelblattes 134 ist die Linie zwischen der Vorderkante LE und der Hinterkante TE bei jedem Querschnitt der Laufschaufel gemäß Darstellung in 6. Eine Druckseite 146 des Schaufelblattes 134 ist der allgemeinen Drehrichtung gemäß Darstellung durch einen Pfeil V zugewandt, und eine Saugseite 148 befindet sich auf der anderen Seite des Schaufelblattes. Eine Mittellinie ML ist im Wesentlichen in der Mitte zwischen den zwei Seiten in der Sehnenrichtung angeordnet.
Der Vorderkantenabschnitt 150 der Laufschaufel 108 erstreckt sich entlang der Vorderkante LE des Schaufelblattes 134 von der Laufschaufelplattform 136 zu der Laufschaufelspitze 138. Der Vorderkantenabschnitt 150 enthält eine vor bestimmte erste Breite W, so dass der Vorderkantenabschnitt 150 einen Bereich umfasst, in welchem sich (in Strichlinien dargestellte) Kerben 54 und Risse, die entlang der Vorderkante des Schaufelblattes 134 während des Triebwerkbetriebs auftreten können, befinden. Das Schaufelblatt 134 ist einem erheblichen Zugspannungsfeld aufgrund von Zentrifugalkräften ausgesetzt, die durch die während des Triebwerkbetriebs rotierende Laufschaufel 108 erzeugt werden. Das Schaufelblatt 134 ist auch Schwingungen unterworfen, welche während des Triebwerkbetriebs erzeugt werden, und die Kerben und Risse wirken als Erhöhung der hochzyklischen Ermüdungsspannung, welche zusätzliche Spannungskonzentrationen um diese herum erzeugen.
Um Ermüdungsausfall von Abschnitten des Schaufelblattes entlang möglichen Risslinien zu begegnen, welche sich entwickeln und von den Kerben und Rissen ausgehen, wird der laserschockgehämmerte Ausschnitt 145 entlang einem Abschnitt der Vorderkante LE platziert, wo beginnende Kerben und Risse einen Ausfall der Laufschaufel aufgrund einer hochzyklischen Ermüdung bewirken können. Der laserschockgehämmerte Ausschnitt 145 ist entlang einem Abschnitt der Vorderkante LE platziert, wo eine exemplarische vorbestimmte erste Moduslinie LM eines Fehlers für eine Bläser- oder Kompressorlaufschaufel beginnen kann. Innerhalb des laserschockgehämmerten Ausschnittes 145 werden wenigstens eine und bevorzugt sowohl die Druckseite 146 als auch die Saugseite 148 gleichzeitig laserschockgehämmert, um erste und zweite gegenüberliegend angeordnete laserschockgehämmerte Oberflächenabschnitte 152 und 153 und vorgespannte Schaufelblattregionen 156 bzw. 157 mit Tiefendruckrestspannung, welche durch Laserschockhämmern (LSP) verliehen werden, zu erzeugen, die sich, wie in 6 zu sehen, von den laser schockgehämmerten Oberflächen aus in das Schaufelblatt 134 erstrecken. Die vorgespannten Laufschaufelbereiche 156 und 157 sind nur entlang einem Abschnitt des Vorderkantenabschnittes 150 dargestellt, können sich jedoch entlang der gesamten Vorderkante LE oder, falls gewünscht, eines längeren Abschnittes davon erstrecken.
Die ersten und zweiten Laserstrahlen 102 bzw. 103 mit niedriger Energie sind so angeordnet, dass sie gleichzeitig in Längsrichtung beabstandet gegenüberliegende konvexe Saug- und konkave Druckseiten 148 bzw. 146 entlang einer Vorderkante LE eines Schaufelblattes 134 der Laufschaufel 108 innerhalb des Ausschnittes 145 mittels Laserschock hämmern. Das Verfahren erzeugt Paare von ersten und zweiten laserschockgehämmerten Punkten 158 bzw. 159, wobei die Paare der Punkte in Längsrichtung über eine Längsstrecke LD in Abstand voneinander angeordnet sind und in Querrichtung voneinander gemäß Darstellung durch einen Querversatz OS in Bezug auf die Längsstrecke versetzt sind, wie es genauer in 3 dargestellt ist.
Die konvexen Saug- und konkaven Druckseiten 148 und 146 besitzen erste und zweite mittels Laserschock zu hämmernde Oberflächen 152 bzw. 153 innerhalb des Ausschnittes 145 auf gegenüberliegenden Seiten der Laufschaufel 108. Die ersten und zweiten mittels Laserschock zu hämmernden Oberflächen 152 bzw. 153 werden mit einer abtragbaren Beschichtung, wie z.B. einem Anstrich oder einem Klebeband beschichtet, um eine beschichtete Oberfläche gemäß Offenbarung in den U.S. Patenten Nr. 5 674 320 und 5 674 328 auszubilden. Der Anstrich und das Band stellen ein abtragbares Medium bereit, über welchem ein durchsichtiges Einschlussmedium angeordnet wird, welches typischerweise ein durchsichtiger Fluidvorhang, wie z.B. ein Wasserstrom 121 ist.
Die Laufschaufel 108 wird kontinuierlich während des Vorgangs der Laserschockhämmerung bewegt, während das System 10 zum Laserschockhämmern dazu verwendet wird, kontinuierlich gleichzeitig die feststehenden ersten und zweiten Laserstrahlen 102 und 103 durch den Vorhang des strömenden Wasser 121 auf die beschichteten ersten und zweiten Laserschockhämmerungsoberflächen 152 und 153, welche die Laserschockhämmerungspunkte 158 ausbilden, abzufeuern. Der Wasservorhang 121 wird von einer Wasserdüse 123 an dem Ende einer Wasserleitung 119 gebildet, welche mit einem Wasserzuführungsrohr 120 verbunden ist. Eine Steuerung 24 wird zum Überwachen und/oder Steuern des Systems 10 zum Laserschockhämmern verwendet.
Die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform verwendet in Längsrichtung parallele und in Querrichtung in Abstand angeordnete erste und zweite Laserstrahlen 102 und 103 mit niedriger Energie, die so eingerichtet oder ausgerichtet sind, dass erste und zweite Mittellinien CL1 und CL2 der ersten bzw. zweiten Laserstrahlen auf erste bzw. zweite Oberflächenabschnitte, welche hierin als erste und zweite Oberflächenabschnitte 152 bzw. 153 bezeichnet werden, innerhalb des Ausschnittes 145 auf den gegenüberliegenden konvexen Saug- und konkaven Druckseiten 148 und 146 des Schaufelblattes 134 auftreffen. Die ersten und zweiten Laserstrahlen 102 und 103 werden dann gleichzeitig mit ausreichender Energie abgefeuert, um Material auf den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten 152 und 153 zu verdampfen, um erste und zweite Regionen mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich in das Schaufelblatt 134 der Laufschaufel 108 oder eines anderen Gegenstandes von den ersten und zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten aus erstrecken.
Die ersten und zweiten Laserstrahlen 102 und 103 sind so ausgerichtet, dass die ersten und zweiten Mittellinien CL1 und CL2 auf die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte 152 und 153 bei ersten und zweiten Laserstrahlmittelpunkten A1 und A2 auftreffen, durch welche parallele erste und zweite Achsen AX1 und AX2 verlaufen, die im Wesentlichen zu den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten an den ersten und zweiten Laserstrahlmittelpunkten senkrecht sind, und so, dass die ersten und zweiten Achsen, um einen Querversatz OS wie er weiter in 3 dargestellt ist, versetzt sind. In einer Ausführungsform wurden gute Ergebnisse unter Verwendung eines Versatzes OS von angenähert 1,91 mm (0,075 inches) und eines runden Punktdurchmessers D gleich etwa 6,35 mm (0,25 inches) erzielt. Weitere Tests mit guten Ergebnissen wurden mit 2,54, 3,05, 3,81 mm, 4,755 mm (0,100, 0,120, 0,150 und 0,187 inches) Versatz OS unter Verwendung flacher rechteckiger Probestücke, um die Vorderkante eines Schaufelblattes zu simulieren, erzielt.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, in welcher die ersten und zweiten Laserstrahlen 102 und 103 so ausgerichtet sind, dass sich die ersten und zweiten Mittellinien CL1 und CL2 an einem Scheitelpunkt 90 treffen und in einem Winkel in Bezug zueinander angeordnet sind und erste und zweite Winkel 94 und 96 mit parallelen ersten und zweiten Achsen AX1 und AX2 bilden, die im Wesentlichen senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten 152 und 153 an ersten bzw. zweiten Laserstrahlmittelpunkten A1 und A2 sind. Ein derzeit verwendetes System zum Laserschockhämmern lässt seine Laserstrahlen mit 6 Grad Winkelabweichung zu einer Senkrechten zu der Laserschockhämmerungsfläche des Gegenstandes auftreffen. Der Gegenstand oder die Laufschaufel wird in einen Kreuzungspunkt der Strahlen geführt, in welchem sich die Mittellinien der Strahlen an dem Scheitelpunkt gemäß Darstellung durch die in gestrichelter Linie 98 gezeichnete Laufschaufel überkreuzen. Wenn der Gegenstand dem Kreuzungspunkt zugeführt wird, werden die ersten und zweiten laserschockgehämmerten Punkte 158 und 159 auf beiden Seiten gleichzeitig erzeugt und entlang demselben Längspfad zentriert, oder mit anderen Worten, die ersten und zweiten Achsen AX1 und AX2 sind kollinear. Für die vorliegende Erfindung wird die Laufschaufel in Längsrichtung zu der Seite von einem der Laserstrahlen versetzt zugeführt, und dann werden die Laserpunkte von beiden Seiten an einem unterschiedlichen Längspfad ausgebildet und die ersten und zweiten Achsen AX1 und AX2 sind in Querrichtung versetzt und nicht kollinear.
Im Wesentlichen, jedoch nicht notwendigerweise, sind die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte 152 und 153 und somit die ersten und zweiten laserschockgehämmerten Punkte 158 und 159 im Wesentlichen parallel. Die ersten und zweiten laserschockgehämmerten Punkte 158 und 159 sind als rund dargestellt, wobei sie jedoch elliptische, ovale oder andere Formen haben können. Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen laserschockgehämmerten Gegenstand mit laserschockgehämmerten ersten und zweiten Oberflächenabschnitten 152 bzw. 153. Erste und zweite Regionen 156 und 157 mit tiefen Druckrestspannungen erstrecken sich von den ersten bzw. zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten in die Laufschaufel 108. Paare 88 von gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkten 158 bzw. 159 sind in Längsrichtung über die Längsstrecke LD beabstandet angeordnet und durch den Laserschockhämmerungsprozess auf den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten 152 und 153 so geformt, dass jeder von den gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkten in einem gegebenen Paar einen Querversatz OS voneinander in Bezug auf die Längsstrecke besitzt.
Die ersten und zweiten Niederenergielaserstrahlen 102 und 103 besitzen niedrige Energiepegel in der Größenordnung von 3–10 Joules oder sogar 1–10 Joules, um die Verwendung von kleineren weniger teueren Lasern gemäß Offenbarung in dem U.S. Patent Nr. 5 932 120 , mit dem Titel "Laser Shock Peening Using Low Energy Laser", zu ermöglichen. Ein Energiepegelbereich von etwa 3–7 Joules hat sich wie auch ein Pegel von etwa 3 Joule als besonders effektiv erwiesen. Die Niedrigenergiepegel-Laserstrahlen werden fokussiert, um die ersten und zweiten runden Laserpunkte 158 und 159 mit kleinem Durchmesser mit einem Durchmesser D in dem Bereich von etwa 1 mm (0,040 Inch) bis 2 mm (0,080 Inch) zu erzeugen. Die Fläche der Punkte beträgt etwa 0,79–3,14 mm² oder etwa 0,013–0,050 inch². Der niedrigere Energiebereich hat sehr gute Ergebnisse gezeigt und der 3 Joule Laser ist vollkommen ausreichend, erzeugt gute Laserschockhämmerungsergebnisse und ist sehr wirtschaftlich einzusetzen, zu beschaffen und zu warten. Diese Energiebereiche führen zu Laserenergiedichten an der Oberfläche von angenähert zwischen 400 Joule/cm² bzw. bis zu 100 Joule/cm².
7 stellt 9 überlappende Reihen R, mehr oder weniger Reihen können verwendet werden, der sich überlappenden ersten Laserschockhämmerungspunkte 158 dar und in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können benach barte Laserschockhämmerungspunkte 158 in unterschiedlichen Durchgängen gehämmert werden, und der Ausschnitt 145 kann zwischen den Durchgängen neu beschichtet werden. Benachbarte von den Reihen R der überlappenden Laserschockhämmerungspunkte 158 und benachbarte von den überlappenden Laserschockhämmerungspunkten 159 haben typischerweise eine Überlappung von etwa 30% und die Laserschockhämmerungspunkte sind typischerweise etwa 6,35 mm (0,25 inches).
Somit werden die ersten und zweiten Laserstrahlen 102 und 103 in einer Weise ausgerichtet und abgefeuert, dass erste und zweite Muster auf den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten 152 bzw. 153 des Gegenstandes mit überlappenden benachbarten Reihen von überlappenden benachbarten ersten bzw. zweiten Punkten erzeugt werden. In einer spezielleren Ausführungsform werden die ersten und zweiten Muster durch kontinuierliches Bewegen des Gegenstandes erzeugt, während die Laserstrahlen feststehend gehalten werden, und mit wiederholbaren Pulsen kontinuierlich mit relativ konstanten Perioden zwischen den Pulen feuern, wobei die Oberflächenabschnitte unter Verwendung von Sätzen erster bis vierter Ablauffolgen S1–S4 laserschockgehämmert werden. Jede von den ersten bis vierten Ablauffolgen S1–S4 beinhaltet ein kontinuierliches Abfeuern der Laserstrahlen auf die Oberflächenabschnitte, so dass auf jeden von den Oberflächenabschnitten benachbarte der laserschockgehämmerten Punkte in unterschiedlichen Ablauffolgen in den Sätzen getroffen werden. Mehr als ein Satz kann so angewendet werden, dass jeder Punkt mehr als einmal von einem Laserstrahl getroffen wird. Eine speziellere Ausführungsform beinhaltet die Beschichtung der Oberflächenabschnitte mit einer abtragbaren Beschichtung vor und zwischen den Ablauffolgen in dem Satz.
Verschiedene Aspekte der Erfindung gemäß Definition in den Ansprüchen 1–9 werden wie folgt beschrieben.
Verfahren zum Laserschockhämmern (LSP) eines Gegenstandes (108), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Ausrichten und dann gleichzeitiges Abfeuern erster und zweiter Niederenergie-Laserstrahlen (102, 103) mit ausreichender Energie, um Material auf ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108) zu verdampfen, um erste bzw. zweite Regionen (156, 157) mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich von den ersten beziehungsweise zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten (152, 153) aus tief in den Gegenstand (108) erstrecken,
wobei das Ausrichten die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) so umfasst, dass erste und zweite Mittellinien (CL1, CL2) der ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) auf die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (152, 153) an ersten und zweiten Laserstrahlmittelpunkten (A1, A2) auftreffen, durch welche parallele erste und zweite Achsen (AX1, AX2) verlaufen, die im Wesentlichen senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) an den ersten beziehungsweise zweiten Laserstrahlmittelpunkten (A1, A2) so sind, dass die ersten und zweiten Achsen (AX1, AX2) versetzt (OS) sind, und die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, Cl2) nicht kollinear sind; und
die ersten und zweiten Laserstrahlen mit geringer Energie (102, 103) einen Energiepegel von etwa zwischen 1 bis 10 Joules haben.
Die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) werden so ausgerichtet, dass sich die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, CL2) überkreuzen und in einem Winkel in Bezug zueinander angeordnet sind.
Die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) und die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, CL2) sind parallel und in Bezug zueinander versetzt (OS).
Ein Zeitprofil jedes Pulses wird verwendet, das eine Dauer in einem Bereich von etwa 20 bis 30 Nanosekunden und eine Anstiegszeit von weniger als 10 Nanosekunden aufweist.
Die Anstiegszeit beträgt etwa 4 Nanosekunden und die Energie der Laserstrahlen ist etwa 3 Joule.
Das Verfahren zum Laserschockhämmern (LSP) eines Gegenstandes (108) weist die Schritte auf:
Ausrichten und dann gleichzeitiges Abfeuern nicht-kollinearer erster und zweiter Laserstrahlen (102, 103) mit ausreichender Energie zum Verdampfen von Material auf ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108), um erste und zweite Regionen (156, 157) mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich von den ersten bzw. zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten (152, 153) aus in den Gegenstand (108) erstrecken, und in Längsrichtung in Abstand angeordnete (LD) erste und zweite laserschockgehämmerte Punkte (158, 159) erzeugen, die quer zueinander versetzt (OS) und nicht-kollinear sind; und
wobei jeder von den ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) einen Energiepegel von etwa zwischen 1 bis 10 Joules hat.
Die ersten und zweiten Punkte (158, 159) sind im Wesentlichen parallel.
Die Laserstrahlen werden in einer Weise ausgerichtet und abgefeuert, dass sie erste und zweite Muster auf den ersten und zweiten Abschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108) mit überlappenden benachbarten Reihen R von überlappenden benachbarten ersten beziehungsweise zweiten Punkten (158, 159) erzeugen.
Erzeugen der ersten und zweiten Muster unter kontinuierlichem Bewegen des Gegenstandes (108), während die Laserstrahlen festgehalten werden und kontinuierlich mit wiederholbaren Pulsen mit relativ konstanten Perioden zwischen den Pulsen feuern, wobei die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (152, 153) unter Verwendung von Ablauffolgesätzen (S1–S4) laserschockgehämmert werden, und wobei jede Ablauffolge eine kontinuierliche Bewegung des Gegenstandes (108) unter kontinuierlichen Feuern der feststehenden Laserstrahlen auf die Oberfläche so beinhaltet, dass auf jedem von den Oberflächenabschnitten benachbarte laserschockgehämmerte Punkte in unterschiedlichen Ablauffolgen in den Sätzen getroffen werden.
Beschichten der Oberflächenabschnitte mit einer abtragbaren Beschichtung vor und zwischen den Ablauffolgen in dem Satz.
Der Gegenstand (108) ein Schaufelblatt (134) eines Gasturbinentriebwerks und die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (152, 153) befinden sich auf den Druck- bzw. Saugseiten (146, 148) des Schaufelblattes (134) entlang einer Vorderkante (LE) des Schaufelblattes (134).
Die vorliegende Erfindung umfasst einen laserschockgehämmerten Gegenstand mit laserschockgehämmerten ersten und zweiten Oberflächenabschnitten mit ersten und zweiten Regionen mit tiefen Druckrestspannungen, die sich in den Gegenstand von den ersten bzw. zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten erstrecken, wobei die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte Paare von gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkten aus der Laserschockhämmerung aufweisen, und jedes Paar der gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkte in Längsrichtung voneinander beabstandet und in Querrichtung voneinander versetzt ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Paare der gleichzeitig laserschockgehämmerten ersten und zweiten Punkte im Wesentlichen parallel. In einer spezielleren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte des Gegenstandes erste und zweite Muster überlappender benachbarter Reihen von überlappenden benachbarten ersten bzw. zweiten Punkten.
Die Laserstrahlen werden in einer Weise ausgerichtet und abgefeuert, dass sie erste und zweite Muster auf den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108) mit überlappenden benachbarten Reihen (R) aus überlappenden benachbarten ersten bzw. zweiten Punkten (158, 159) erzeugen.
Erzeugen der ersten und zweiten Muster unter kontinuierlichem Bewegen des Gegenstandes (108), während die Laserstrahlen festgehalten werden und kontinuierlich mit wiederholbaren Pulsen mit relativ konstanten Perioden zwischen den Pulsen feuern, wobei die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (152, 153) unter Verwendung von Ablauffolgesätzen (S1–S4) laserschockgehämmert werden, und wobei jede Ablauffolge eine kontinuierliche Bewegung des Gegenstandes (108) unter kontinuierlichen Feuern der feststehenden Laserstrahlen auf die Oberfläche so beinhaltet, dass auf jedem von den Oberflächenabschnitten benachbarte laserschockgehämmerte Punkte in unterschiedlichen Ablauffolgen in den Sätzen getroffen werden.
Beschichten der Oberflächenabschnitte mit einer abtragbaren Beschichtung vor und zwischen den Ablauffolgen in dem Satz.
Ein Zeitprofil jedes Pulses wird verwendet, das eine Dauer in einem Bereich von etwa 20 bis 30 Nanosekunden und eine Anstiegszeit von weniger als 10 Nanosekunden aufweist.
Die Anstiegszeit beträgt etwa 4 Nanosekunden und die Energie der Laserstrahlen ist etwa 3 Joule.
Das Verfahren zum Laserschockhämmern (LSP) eines Gegenstandes (108), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Ausrichten und dann gleichzeitiges Abfeuern erster und zweiter Laserstrahlen (102, 103) mit ausreichender Energie zum Verdampfen von Material auf ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108), um erste und zweite Regionen (156, 157) mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich von den ersten bzw. zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten (152, 153) aus in den Gegenstand (108) erstrecken,
wobei das Ausrichten das Ausrichten der ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) so umfasst, dass erste und zweite Mittellinien (CL1, CL2) der ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) auf die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (152, 153) an ersten und zweiten Laserstrahlmittelpunkten (A1, A2) auftreffen, durch welche parallele erste und zweite Achsen (AX1, AX2) verlaufen, die im Wesentlichen senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) an den ersten beziehungsweise zweiten Laserstrahlmittelpunkten (A1, A2) sind, so dass die ersten und zweiten Achsen (AX1, AX2) versetzt (OS) sind, und die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, Cl2) nicht kollinear sind; und
wobei jeder von den Laserstrahlen (102, 103) mit niedriger Energie einen Energiepegel von etwa 3–7 Joule hat.
Die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) und die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, CL2) sind parallel und in Bezug zueinander versetzt (OS).
Das Verfahren zum Laserschockhämmern (LSP) eines Gegenstandes (108), wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Ausrichten und dann gleichzeitiges Abfeuern erster und zweiter Niederenergie-Laserstrahlen (102, 103) mit ausreichender Energie, um Material auf ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108) zu verdampfen, um erste bzw. zweite Regionen (156, 157) mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich von den ersten beziehungsweise zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten (152, 153) aus in den Gegenstand (108) erstrecken, und Erzeigen in Längsrichtung (LD) beabstandeter erster und zweiter laserschockgehämmerter Punkte (158, 159) die quer zueinander versetzt (OS) sind und nicht kollinear sind, und
wobei die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) mit geringer Energie einen Energiepegel von etwa zwischen 3 bis 7 Joules haben.
Ein Zeitprofil jedes Pulses wird verwendet, das eine Dauer in einem Bereich von etwa 20 bis 30 Nanosekunden und eine Anstiegszeit von weniger als 10 Nanosekunden aufweist.
Die Anstiegszeit beträgt etwa 4 Nanosekunden und die Energie der Laserstrahlen ist etwa 3 Joule.

Claims

Verfahren zum Beseitigen von Mittelebenenrissen beim Laserschockhämmern (LSP) auf einem Gegenstand (108), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ausrichten und dann gleichzeitiges Abfeuern erster und zweiter Laserstrahlen (102, 103) mit ausreichender Energie, um Material auf ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108) zu verdampfen, um erste bzw. zweite Regionen (156, 157) mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich von den ersten beziehungsweise zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten (152, 153) aus in den Gegenstand (108) erstrecken, wobei das Ausrichten die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) so umfasst, dass erste und zweite Mittellinien (CL1, CL2) der ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) auf die ersten und zweiten Oberflächenabschnitte (152, 153) an ersten und zweiten Laserstrahlmittelpunkten (A1, A2) auftreffen, durch welche parallele erste und zweite Achsen (AX1, AX2) verlaufen, die im Wesentlichen senkrecht zu den ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) an den ersten beziehungsweise zweiten Laserstrahlmittelpunkten (A1, A2) so gerichtet sind, dass die ersten und zweiten Achsen (AX1, AX2) versetzt (OS) und die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, Cl2) nicht kollinear sind; und dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Laserstrahlen Laserstrahlen mit geringer Energie sind und jeweils auf gegenüberliegende Seiten des Gegenstandes ausgerichtet werden, wobei der Energiepegel jedes Strahls zwischen 1 und 10 Joule liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) so ausgerichtet werden, dass sich die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, CL2) überkreuzen und in einem Winkel in Bezug zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) und die ersten und zweiten Mittellinien (CL1, CL2) parallel und in Bezug zueinander versetzt (OS) sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) einen Energiepegel etwa zwischen 3 bis 7 Joules aufweisen.
Verfahren zum Beseitigen von Mittelebenenrissen beim Laserschockhämmern (LSP) auf einem Gegenstand (108), wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ausrichten und dann gleichzeitiges Abfeuern nicht-kollinearer erster und zweiter Laserstrahlen (102, 103) mit ausreichender Energie zum Verdampfen von Material auf ersten und zweiten Oberflächenabschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108), um erste und zweite Regionen (156, 157) mit tiefen Druckrestspannungen zu erzeugen, die sich von den ersten und zweiten laserschockgehämmerten Oberflächenabschnitten (152, 153) aus in den Gegenstand (108) erstrecken, und in Längsrichtung in Abstand angeordnete (LD) ers te und zweite laserschockgehämmerte Punkte (158, 159) zu produzieren, die quer zueinander versetzt (OS) und nicht-kollinear sind; und dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Laserstrahlen Laserstrahlen mit niedriger Energie sind und jeweils auf gegenüberliegende Seiten des Gegenstandes ausgerichtet werden, wobei der Energiepegel jedes Strahls zwischen 1 und 10 Joules liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Laserstrahlen (102, 103) einen Energiepegel etwa zwischen 3 bis 7 Joule aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Punkte (158, 159) im Wesentlichen parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, wobei die Laserstrahlen in einer Weise ausgerichtet und abgefeuert werden, dass sie erste und zweite Muster auf den ersten und zweiten Abschnitten (152, 153) des Gegenstandes (108) mit überlappenden benachbarten Reihen R von überlappenden benachbarten ersten beziehungsweise zweiten Punkten (158, 159) erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, welches ferner den Schritt der Verwendung eines Zeitprofils für jeden Impuls mit einer Dauer in dem Bereich von etwa 20 bis 30 Nanosekunden und einer Anstiegszeit von weniger als etwa 10 Nanosekunden aufweist.