JP2004360072A

JP2004360072A - ミストを減少させたレーザショックピーニング

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Publication number: JP2004360072A
Application number: JP2004158510A
Authority: JP
Inventors: Wayne Lee Lawrence; ウェイン・リー・ローレンス; Paul Michael Perozek; ポール・マイケル・ペロジーク
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: US6713716B1; CN100406586C; JP4656861B2; EP1481753A1; CN1572891A; EP1481753B1

Abstract

【課題】レーザショックピーニング用のレーザと物品との間のミストを最小にする。
【解決手段】レーザユニット（１２）は、ビーム中心線（２０）に沿ってレーザビーム（１６）を発生するレーザビーム源（１４）を有する。ビーム管（２２）は、ビーム中心線の一部分（２４）を囲む。ビーム開口（２６）は、管の出口（２８）に設置される。最終ビーム光学レンズ（３０）は、開口の上流で管内部に取付けられる。ガスパージ手段（３４）は、管内にパージガス（３５）を流す。管の収束部（４８）は、レンズ（３０）と開口（２６）との間に設置される。テレスコーピング部（５４）は、管の収束部（４８）内でレンズと開口との間に設置される。レンズは、焦点番号約５まで小さくすることができる。開口とレンズの焦点（ＦＰ）との間に設置されたガスナイフ（６０）は、開口とレンズの焦点との間でレーザビームを横切って大量の清浄ガス（６４）を流す。
【選択図】図１

Description

本発明は、物品のレーザショックピーニングに関し、より具体的にはレーザショックピーニング用のレーザと物品との間のミストを最小にするための装置及び方法に関する。

レーザショックピーニング又はレーザショックプロセッシングは、その名の如く、物品の表面区域をレーザショックピーニングすることによって加えられた深い圧縮残留応力を有する領域を形成するための方法である。レーザショックピーニングは一般的に、１つ又はそれ以上の放射パルスを使用して、物品の表面において強い衝撃波を生成するものであり、これは、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に開示された方法に類似している。当該技術では知られておりかつ本明細書で使用する場合、レーザショックピーニングは、レーザビーム源からのパルスレーザビームを利用して、レーザビームの衝突点において、その表面の薄層又はその表面上の皮膜（テープ又はペイントのような）のプラズマを形成する瞬間的なアブレーション又は蒸発によって爆発力を発生させることにより、表面の一部に強力な局所的圧縮力を生成することを意味する。

ガスタービンエンジン分野での多くの適用ためにレーザショックピーニングが開発されてきており、その幾つかが、以下の特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８及び特許文献９に開示されており、これら全ての特許は本特許出願人に譲渡されている。

レーザピーニングは、特許文献１０に開示されているように物品の耐疲労破壊性を大幅に増大させるものとして知られている圧縮応力保護層を物品の外部表面に形成するために利用されてきた。これらの方法は一般的に、プラズマ閉じ込め媒体を得るために、物品を覆って流れる水カーテン又は幾つかの他の方法を使用する。この媒体により、プラズマは、ＬＳＰ効果を構成する塑性変形と関連する残留応力パターンとを生じさせる衝撃波圧力を急速に獲得することができる。水カーテンは、閉じ込め媒体を形成し、プロセス発生衝撃波を閉じ込めかつ該プロセス発生衝撃波をＬＳＰ処理する部品の材料バルク（ｂｕｌｋ）内部に向け直して、有益な圧縮残留応力を発生させる。

急激に膨張するプラズマからの圧力パルスは、部品内部に移動衝撃波を加えるる。レーザパルスにより引き起こされた圧縮衝撃波は、部品内に深い塑性圧縮歪みを生じさせる。レーザショックピーニングは、一般的には壁を有するエンクロージャを含むセル又はチャンバ内で実施される。レーザショックピーニングプロセスによって蒸気及びミストが生成され、チャンバに充満する。先行するレーザビーム発射によるミストは、局所的ミストを形成し、この局所的ミストが、レーザショックピーニングする物品のレーザショックピーニング表面に衝突するビームの効率及び出力を低下させる。このミストはまた、後続の発射にレーザショックピーニングプロセスをさらに妨害するブルームを引き起こし、それによって各後続のレーザビーム発射の効力を低下させる。さらに、蒸気及びミストは、レーザビームが物品又は加工物上のターゲット区域又はレーザショックピーニング区域に到達する前に、レーザビームのイオン化を引き起こす。

約２０〜約５０ジュールの高エネルギーレーザビーム又は約３〜約１０ジュールの低エネルギーレーザビームが、使用されてきており、また他のエネルギー水準も考えられる。例えば、特許文献８及び特許文献１１を参照されたい。レーザのエネルギーとレーザビームの寸法との組み合わせは、通常最大約２００Ｊ／ｃｍ²であるエネルギー密度又はフルエンスをもたらす。レーザショックピーニングスポットは、一般的に重なり合ったスポットの重複列の形態で形成される。一般的に、列内の両スポット間及び隣接列内のスポット間で直径の約３０%を重複させることが、使用される。レーザショックピーニングしたスポットとレーザビームとは、一般的に形状が円形であるが、卵形又は楕円形のような他の形状を有してもよい（特許文献１２を参照されたい）。
米国特許第３８５０６９８号特開昭５８−２０７３２１号特開平０５−５０３７３８号米国特許第５７５６９６５号米国特許第５５９１００９号米国特許第５５３１５７０号米国特許第５４９２４４７号特開平１１−５０８８２６号特開平１１−５０９７８２号米国特許第４９３７４２１号特開平１１−２５４１５６号米国特許第６５４１７３３号

レーザショックピーニング区域においてミスト及び蒸気を減少させるレーザショックピーニング装置を得ることは大いに望ましい。また、物品又は加工物のターゲット区域又はレーザショックピーニング区域にレーザビームが到達する前に、レーザビームがイオン化するのを減少させるか又は防止するレーザショックピーニング装置を得ることも大いに望ましい。

レーザショックピーニング装置は、ビーム中心線に沿ってレーザビームを発生するためのレーザビーム源を有するレーザユニットと、ビーム中心線の少なくとも一部分を囲むビーム管と、ビーム管の出口に設置されたビーム開口とを含む。本装置の例示的な実施形態は、開口の上流で管内部に取付けられた最終ビーム光学レンズを含む。ガスパージ手段は、最終ビーム光学レンズと開口との間で管内にパージガスを流す。ガスパージ手段の１つの実施形態は、最終ビーム光学レンズと開口との間で管を貫通して配置されたパージガス入口と、該パージガス入口まで接続されたパージガス供給源とを含む。２つの特に有用なパージガスの種類は、空気と窒素である。

管の収束部は、最終ビーム光学レンズと開口との間に設置される。管は、最終ビーム光学レンズから開口に向かう下流方向に収束する。開口の例示的な実施形態はさらに、最終ビーム光学レンズと開口との間で管内に少なくとも１つのテレスコーピング部を含み、より具体的な実施形態では、テレスコーピング部は、ビーム管の収束部内にある。

本装置の例示的な実施形態では、最終ビーム光学レンズは８未満の焦点番号を有し、該焦点番号は最終ビーム光学レンズの焦点距離の該レンズの直径に対する比率として定義される。最終ビーム光学レンズは、ビーム開口を越えてビーム管の外側に位置する焦点を有する。本装置のより具体的な実施形態では、焦点番号は７未満又は約５である。

本装置の例示的な実施形態はさらに、開口とレンズの焦点との間に設置されたガスナイフを含む。ガスナイフは、開口と焦点との間でレーザビームを横切って大量の清浄ガスを流すのに使用される。

本装置の例示的な実施形態は、エンクロージャと該エンクロージャ内部のレーザショックピーニング区域とを有するレーザショックピーニングセルと共に使用される。ビーム管とガスナイフとは、エンクロージャ内部に配置されるが、レーザビーム源はエンクロージャの外側に設置されることができる。流体ノズルは、レーザショックピーニング区域に近接しかつ該レーザショックピーニング区域の方向に向けて設置される。ドレンキャッチは、エンクロージャ内部でレーザショックピーニング区域の下方に設置され、タンクなどの流体容器は、エンクロージャの外側に設置される。流体ノズルから流出した開放型ドレンキャッチ内の液体を流体容器に排出するために、真空管路がドレンキャッチから流体容器に通じている。

本レーザショックピーニング装置は、レーザショックピーニング区域内のミスト及び蒸気を減少させ、かつレーザビームが物品又は加工物のターゲット区域又はレーザショックピーニング区域に到達する前に該レーザビームがイオン化するのを減少させるか又は排除する。

図１に示すのは、多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マニピュレータ１２７内に取付けたガスタービンエンジンブレード８で示した物品又は加工物のレーザショックピーニング表面１１をレーザショックピーニングするためのショックピーニング装置１０の例示的な実施形態である。ショックピーニング装置１０は、エンクロージャ７０と該エンクロージャ内部のレーザショックピーニング区域７２とを有するレーザショックピーニングセル６８と共に使用される。加工物と多軸コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マニピュレータ１２７とは、エンクロージャ７０内部に設置される。

レーザショックピーニング装置１０は、レーザビーム中心線２０に沿ってレーザビーム１６を発生するためのレーザビーム源１４を有するレーザユニット１２を含む。セル６８の例示的な実施形態は、必ずしもそうである必要はないが、エンクロージャ７０の外側に設置されたレーザビーム源１４を有する。ビーム管２２は、ビーム中心線２０の少なくとも一部分２４を囲み、該ビーム管２２の出口２８に設置されたビーム開口２６をビーム中心線２０が貫通するように向けられている。開口２６については、図２により詳細に示す。流体ノズル７４は、レーザショックピーニング区域７２に近接しかつ該レーザショックピーニング区域７２の方向に向けて設置される。一般的には、使用する流体は水であり、流体ノズル７４は、図２により詳細に示すように、加工物のレーザショックピーニング表面１１上に流水のカーテンを流すのに使用される。

図１を参照すると、本装置の例示的な実施形態は、開口２６の上流でビーム管２２内部に取付けられた最終ビーム光学レンズ３０を含む。ガスパージ手段３４は、最終ビーム光学レンズ３０と開口２６との間で管２２内にパージガス３５を流す。ここに図示したガスパージ手段３４は、最終ビーム光学レンズ３０と開口２６との間で管２２を貫通して配置されたパージガス入口４０と該パージガス入口まで接続されたパージガス供給源４２とを含む。２つの特に有用なパージガス３５の種類は空気と窒素である。

管２２の収束部４８は、最終ビーム光学レンズ３０と開口２６との間に設置される。管は、最終ビーム光学レンズ３０から開口２６に向かう下流方向５０に収束する。これにより、レーザショックピーニングによるデブリ及びミストがビーム管２２に進入するのを防止する傾向をもつ空気ノズル８４が形成される。さらに、図３を参照すると、ビーム管２２は、開口からレーザショックピーニング区域７２までの距離を調節するために、最終ビーム光学レンズ３０と開口２６との間に少なくとも１つのテレスコーピング部５４を有する。テレスコーピング部５４は、ビーム管２２の収束部４８内にある。テレスコーピングノブ５７は、テレスコーピング部５４の第１及び第２のテレスコーピング要素５９及び６１間の伸長を調節するために使用される。ビーム管２２は、エンクロージャ７０内部でレール９４上に支えられて移動する調節可能スライド９２を有するフレーム９０上に支持される。締付用大型ノブ１００を有する止めネジ９６は、第１及び第２のテレスコーピング要素５９及び６１の伸長を設定しかつビーム管２２を所定の位置に固定するために使用される。

図４を参照すると、レーザビーム１６の焦点距離ＦＬは、最終ビーム光学レンズ３０からレーザビーム１６の焦点ＦＰまでの距離である。一般的には、レーザビーム１６は、焦点ずれ距離ＤＤで示した＋又は−数ミルだけ焦点ずれしており、焦点ＦＰは、最終ビーム光学レンズ３０に関するレーザショックピーニング面１１の後方又は前方＋又は−数ミルのところに位置するようになる。本装置１０の例示的な実施形態では、最終ビーム光学レンズ３０は、８未満の焦点番号ＦＮを有する。焦点番号は、最終ビーム光学レンズ３０の焦点距離ＦＬの該最終ビーム光学レンズ３０の直径Ｄに対する比率として定義される。最終ビーム光学レンズ３０は、ビーム開口２６を越えてビーム管２２の外側に位置する焦点ＦＰを有する。本装置１０のより具体的な実施形態は、７未満の焦点番号ＦＮを有し、一部の実施形態では約５の焦点番号を有する。

焦点番号ＦＮが小さいほど、レーザビーム１６の焦点角度Ａはより大きくすなわちより急勾配になる。焦点角度Ａは、レーザビームの外側円錐面により定まる円錐角の半角である。レーザショックピーニングする物品のレーザショックピーニング表面１１をレーザショックピーニングすることによって発生するプラズマ及び衝撃波により、プルーム（噴流）が発散又は噴出する。低焦点番号ＦＮとそれに対応する急勾配焦点角度Ａとにより、レーザビームがその焦点又はレーザショックピーニング表面１１に到達する前に発生するプルームの長さが減少する。プルームはミストのイオン化を非常に生じやすく、従って、焦点番号ＦＮを減少させることにより、イオン化の傾向も低下する。

１つの実施例では、開口２６は約１／８インチ幅であり、レンズ３０は約４インチ幅である。焦点番号ＦＮ＝９．８５及び焦点距離ＦＬ＝１メートルを有する４インチ幅のレンズと焦点角度Ａ＝２．９度とにより、噴出長さ＝０．７４８インチをもつプルームが発生する。焦点番号ＦＮ＝７．４及び焦点距離ＦＬ＝０．７５メートルを有する４インチ幅のレンズと焦点角度Ａ＝３．８８度とにより、噴出長さ＝０．５６１インチをもつプルームが発生する。このように焦点距離を２５%減少させることにより、噴出長さも２５%減少する。この実施例における数値は、試験において測定した実験データに基づいている。

本装置１０の例示的な実施形態はさらに、図１及び図２に示すように、開口２６とレンズ３０の焦点ＦＰとの間に設置されたガスナイフ６０を含む。ガスナイフ６０は、開口と焦点との間でレーザビームを横切って大量の清浄ガス６４を流すのに使用される。流体ノズル７４は、レーザショックピーニング区域７２に近接しかつ該レーザショックピーニング区域７２の方向に向けて設置される。流体ノズル７４からの水は、エンクロージャ７０内部でレーザショックピーニング区域７２の下方に設置されたドレンキャッチ７６内に捕集される。タンクなどの流体容器８０は、エンクロージャ７０の外側に設置され、流体ノズル７４から流出した開放型ドレンキャッチ７６内の液体を流体容器８０に排出するために、真空管路８２がドレンキャッチ７６から流体容器８０に通じている。真空源は、開放型ドレンキャッチ７６と流体容器８０との間に設置される。流体容器８０は、エンクロージャ７０内部の周囲圧力よりも低い圧力に維持することができる。このことが、セル及びエンクロージャ７０内の水分及びミストを減少させるのを助け、このことが次ぎに、ミストのイオン化とレーザビームが加工物に到達する前に起こる該レーザビームのイオン化とを減少させる。このことが次ぎに、後続のレーザビーム発射がレーザショックピーニングプロセスを妨害するブルームを生じるのを防止し、その結果、ミストの減少及びイオン化の減少により、各後続のレーザビーム発射の効力損失を低下させるか又は排除する。

本明細書では本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、本明細書での教示から本発明のその他の変更が当業者には明らかであり、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ミストを減少させたレーザショックピーニングチャンバの概略図。図１に示すレーザショックピーニングチャンバ内のレーザ管開口とガスナイフとの拡大図。図１に示すレーザ管の縮小かつテレスコーピング部の拡大図。図１に示すミストを減少させたレーザショックピーニングチャンバ内で使用される急勾配角度レーザビームの概略図。図１に示す、レーザビームの焦点とレーザ管の開口との間の急勾配角度レーザビームの拡大図。

符号の説明

１０レーザショックピーニング装置
１２レーザユニット
１４レーザビーム源
１６レーザビーム
２０ビーム中心線
２２ビーム管
２６開口
２８ビーム管出口
３０最終ビーム光学レンズ
３４ガスパージ手段
３５パージガス
４０パージガス入口
４２パージガス供給源
４８収束部
５４テレスコーピング部
６０ガスナイフ
６４清浄ガス
６８レーザショックピーニングセル
７０エンクロージャ
７２レーザショックピーニング区域
７４流体ノズル
７６ドレンキャッチ
８０流体容器
８２真空管路
８４空気ノズル

Claims

ビーム中心線（２０）に沿ってレーザビーム（１６）を発生するためのレーザビーム源（１４）を有するレーザユニット（１２）と、
前記ビーム中心線（２０）の少なくとも一部分（２４）を囲むビーム管（２２）と、
前記ビーム管（２２）の出口（２８）に設置されたビーム開口（２６）と、
を含むレーザショックピーニング装置（１０）。
開口（２６）の上流で前記管内部に取付けられた最終ビーム光学レンズ（３０）をさらに含む、請求項１記載の装置（１０）。
最終ビーム光学レンズ（３０）と開口（２６）との間で前記管内にパージガス（３５）を流すためのガスパージ手段（３４）をさらに含む、請求項２記載の装置（１０）。
前記ガスパージ手段（３４）が、最終ビーム光学レンズ（３０）と開口（２６）との間で前記管を貫通して配置されたパージガス入口（４０）と、前記パージガス入口（４０）まで接続されたパージガス供給源（４２）とを含む、請求項３記載の装置（１０）。
前記パージガス（３５）が空気である、請求項３記載の装置（１０）。
前記パージガス（３５）が窒素である、請求項３記載の装置（１０）。
最終ビーム光学レンズ（３０）と開口（２６）との間に設置された前記管の収束部（４８）をさらに含み、前記管が最終ビーム光学レンズ（３０）から開口（２６）に向かう方向に収束している、請求項３記載の装置（１０）。
最終ビーム光学レンズ（３０）と開口（２６）との間で前記管内に少なくとも１つのテレスコーピング部（５４）をさらに含む、請求項７記載の装置（１０）。
前記テレスコーピング部（５４）が前記収束部（４８）内にある、請求項８記載の装置（１０）。
前記ガスパージ手段（３４）が、最終ビーム光学レンズ（３０）と開口（２６）との間で前記管を貫通して配置されたパージガス入口（４０）と、前記パージガス入口（４０）まで接続されたパージガス供給源（４２）とを含む、請求項７記載の装置（１０）。
前記最終ビーム光学レンズ（３０）が８未満の焦点番号を有し、
前記焦点番号（ＦＮ）が前記レンズの焦点距離（ＦＬ）の該レンズの直径（Ｄ）に対する比率として定義され、
前記レンズが、ビーム開口（２６）を越えてビーム管（２２）の外側に位置する焦点（ＦＰ）を有する、
請求項２記載の装置（１０）。
前記焦点番号（ＦＮ）が７未満である、請求項１１記載の装置（１０）。
前記焦点番号（ＦＮ）が約５である、請求項１２記載の装置（１０）。
開口（２６）とレンズの焦点との間に設置されたガスナイフ（６０）をさらに含み、前記ガスナイフ（６０）が、前記開口（２６）と焦点（ＦＰ）との間でレーザビームを横切って大量の清浄ガス（６４）を流すのに有効である、請求項２記載の装置（１０）。
エンクロージャ（７０）と前記エンクロージャ内部のレーザショックピーニング区域（７２）と、
前記レーザショックピーニング区域（７２）を横切ってビーム中心線（２０）に沿ってレーザビーム（１６）を発生するためのレーザビーム源（１４）を有するレーザユニット（１２）と、
前記ビーム中心線（２０）の少なくとも一部分を囲み、前記エンクロージャ（７０）内に少なくとも部分的に延びるビーム管（２２）と、
前記レーザショックピーニング区域（７２）に近接して前記ビーム管（２２）の出口に設置されたビーム開口（２６）と、
開口（２６）の上流で前記管内部に取付けられた最終ビーム光学レンズ（３０）と、
前記レーザショックピーニング区域（７２）の方向に向けられた流体ノズル（７４）と、
前記エンクロージャ（７０）内部で前記レーザショックピーニング区域（７２）の下方に設置されたドレンキャッチ（７６）と、
前記エンクロージャ（７０）の外側に設置された流体容器（８０）と、
前記ドレンキャッチ（７６）と前記流体容器（８０）との間の真空管路（８２）と、
を含むレーザショックピーニングセル（６８）。
最終ビーム光学レンズ（３０）と開口（２６）との間で前記管内にパージガス（３５）を流すためのガスパージ手段（３４）をさらに含む、請求項１５記載のレーザショックピーニングセル。
前記ガスパージ手段（３４）が、最終ビーム光学レンズ（３０）と開口（２６）との間で前記管を貫通して配置されたパージガス（３５）入口と、前記パージガス入口（４０）まで接続されたパージガス供給源（４２）とを含む、請求項１６記載のレーザショックピーニングセル。