JP2005163174A - 監視付レーザ衝撃ピーニング - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、金属加工物の表面ピーニングに関し、より具体的には金属加工物表面のレーザ衝撃ピーニングに関する。
【解決手段】パルスレーザ２０は、加工物１２上の流体膜１８の上のターゲット位置２４にパルスレーザビーム２２を投射して加工物をレーザ衝撃ピーニングするように構成される。流体膜は、ターゲット位置にプローブレーザビーム３８を投射するプローブレーザ３６と、プローブビームのターゲット位置からの反射を検出する光検出器４０とにより監視される。パルスレーザは、監視された膜の状態に応じてパルスビームを吐出させるために、検出器によって調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属加工物の表面ピーニングに関し、より具体的には金属加工物表面のレーザ衝撃ピーニングに関する。

金属部材の疲労強度は、このような部材の表面に圧縮残留応力を導入することにより改善することができる。これは典型的には、小さな金属製弾丸で表面をショットピーニングして金属表面層を塑性変形させ且つ圧縮することにより達成される。ピーニング処理の効果を確実なものとするために、金属表面は均一にピーニングされなくてはならない。

レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）は、ピーニングにおいて最近開発されたものであり、高いピーク出力のレーザを使用して機械的な衝撃波を発生させ金属表面に圧縮残留応力を発生させるようにする。この処理は、黒色ペイント又はテープなどの吸収物質を金属表面上に施してレーザビームからのエネルギーを吸収し急速に膨張又は爆発するプラズマを発生させることによって行われる。プラズマは、金属表面を塑性変形して表面内に残留圧縮応力を導入できる衝撃波を発生する。

ＬＳＰは、膨張プラズマを局所的に閉じ込めて金属表面に対する爆発圧力を集中させることによって大幅に改善される。これは典型的には、表面上を連続的に流れてＬＳＰが行われる時に補充される水の薄い閉込層で金属表面を覆うことによって達成される。

レーザの高出力は、レーザを好適な繰返し率又はパルス繰返し数のパルスモードで作動させることにより発生する。このように各パルスのエネルギーを最大化して衝撃ピーニング効果を最大にすることができると共に、連続するレーザビームパルス間における閉込め水膜の補充が可能になる。

ピーニング位置における各レーザパルスの小爆発の発生により、水膜は一時的に分断される。従って、連続的なパルスショットを効率的に閉じ込めるためには、十分に厚く滑らかな水膜が各ピーニングパルス後に確実に再生成されるよう、出力レーザの繰返し数は十分に低くなくてはならない。繰返し数が過度に大きく、且つ水膜が速やかに再生成されない場合には、連続するレーザパルスは適切に閉じ込められず、従ってピーニング処理の品質が劣化し、ピーニング処理全体の効率が低下することになる。

ＬＳＰ用に構成された高出力パルスモードレーザは、高い平均出力熱負荷の下で性能が最適化される。このようなパルスレーザは、これに対応したパルス繰返し率において最大の効率で作動する。しかしながら、閉込め膜を確実に再生成するためにパルスレーザをその設計パルス繰返し率を下回って作動させると、レーザ性能の低下を生じることになる。

ＬＳＰに対する水膜の効果を確保するために水膜の品質を監視する実用的な方法は、現在のところ存在しない。ＬＳＰ処理において、加工物表面上を適正な水の膜が流れ、且つこの水膜が各レーザパルス後に適切に再生成されることを保証するよう注意する必要がある。これは現在のところ、水膜を目視観察して、適正な閉込め水膜の再生成を確保するためにパルス繰返し率を約４秒毎に１パルスよりも大きくならないように制限することによって達成されている。
米国特許６，５７０，１２６号 米国特許６，５５９，４１５号 Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」第４版、１９９６年、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ

従って、レーザパルスの繰返し率を増大させてＬＳＰ処理の効率を改善するために、閉込め膜の自動監視を含むレーザ衝撃ピーニングシステムを提供することが望ましい。

パルスレーザは、加工物をレーザ衝撃ピーニングするために加工物上の流体膜の上のターゲット位置にパルスレーザビームを投射するように構成される。流体膜は、ターゲット位置にプローブレーザビームを投射するプローブレーザと、ターゲット位置からのプローブビームの反射を検出する光検出器とによって監視される。パルスレーザは、監視された膜に応じてパルスビームを放出するよう検出器によって調整される。

図1において、塑性変形及びその結果生じる圧縮残留応力を導入するために金属加工物１２の一方の面をレーザ衝撃ピーニングするように構成された本発明の例示的な１つの実施形態によるレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）システム１０が示されている。

好ましい実施形態における加工物の反対側の面を同時にピーニングして加工物に導入される圧縮応力を均衡させる同一のシステム１０が、図１の加工物１２の右側に四角枠で概略的に示されている。従ってこのシステムは、金属加工物のどの表面上でも要求に応じて単独或いは両面のピーニングと共に使用することができる。

図２に一部を拡大して示した加工物１２は、該加工物の外表面をレーザ衝撃ピーニングすることが望ましい任意の従来構成を有することができる。ＬＳＰは、光エネルギーを吸収して処理中に所望の爆発プラズマを生成するために、最初に加工物の露出表面上に光吸収層又はアブレーティブ層１４を設けることによって行われる。吸収層１４は、加工物の露出表面上に塗布される黒色ペイント又はテープなどの任意の従来の形態をとることができる。

図１に示すように、１つ又はそれ以上の吐出ノズル１６を含む好適な手段を設けて、作業中に光吸収層１４の上又はこれに沿った加工物の露出表面上に水１８を吐出する。両面を同時にピーニングすることになる場合には、典型的には同一の方法で加工物の反対側の表面上に水を吐出することもまた必要であろう。加工物は、水が加工物表面上を単純に垂直方向下向きに流れ落ちて加工物表面上に比較的薄い膜を形成するように垂直に配向することができる。水膜１８は、作業中に生じる衝撃ピーニングプラズマを局所的に限定するために吸収層１４上に液体閉込層を形成する。

ピーニングレーザ２０は、パルスレーザビーム２２を発生させて、これを加工物上部の流体膜のターゲット位置又は作業位置２４に投射する。ピーニングレーザは、高エネルギーレーザパルスを発生させるためにパルスモードで作動する高ピーク出力レーザであるのが好ましく、該高エネルギーレーザパルスは、ターゲット位置２４に配向される周期的レーザを形成するパルス列として投射される。レーザビームがＬＳＰを必要とする加工物の露出表面全体を横切ることができるようにレーザもしくは加工物を移動することができる。レーザビームと加工物との間のこのような相対運動は、レーザ又は加工物を好適に駆動するキャリッジに装着することにより任意の従来方法で行うことができる。

ピーニングレーザ２０は、例えば約１ギガワットより大きな例示的な出力を有するＱスイッチモードで作動される、ネオジミウムがドープされたガラス（Ｎｄ：ガラス）レーザなどの任意の従来型構成のものとすることができる。例えばピーニングレーザ２０は、光励起されてレーザビームを発生する好適な利得物質から成るレーザスラブ又はロッド２６を含むのが好ましい。

レーザロッド２６は、レーザロッド２６を光励起するための任意の従来型構成の対向するフラッシュランプ２８を含む冷却ハウジング内に取り付けられる。１対の末端ミラー３０がレーザロッドの両端に配置され、レーザビームが発生する共振器又は発振器キャビティを生成する。レーザビームを発生させるために偏光子を含む従来型の光学素子を共振器キャビティ内で使用する。例えば、ポッケルスセルの形態のＱスイッチ３２を共振器キャビティ内で使用してレーザから高パルス出力を発生させる。

高出力パルスレーザにおけるＱスポイリング又はＱスイッチングは、従来形のものであって、更なる詳細は、Ｗ．Ｋｏｅｃｈｎｅｒ著「Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」第４版、１９９６年、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋの文献の特にＱスイッチングについて述べた第８章で見られる。

ピーニングレーザ２０は、ターゲット位置２４にある加工物１２に向けて実質的に垂直に配向されるのが好ましい。図２に拡大して示すように、パルスビーム２２は、薄い水膜１８を透過して下にある光吸収層１４に衝突するように配向され、この光吸収層１４は、レーザビームエネルギーを吸収して瞬間的に効果的に爆発し、膜１８により局所的に限定されたプラズマを発生する。

爆発するプラズマは、ターゲット位置の下で加工物の露出表面を塑性変形させ、残留圧縮応力を有する小さな表面窪みを残す衝撃波を発生する。図２に示す加工物１２の下方部分にはＬＳＰ処理が施されおり、ここでピーニングレーザビーム２２は、垂直方向に移動して垂直方向のＬＳＰ処理を継続すると共に、所望に応じて加工物の露出表面を横方向に横断し、加工物の露出表面内に均一な塑性変形された圧縮層を形成している。

適度に薄い閉込層を生成するよう任意の従来方法で露出された加工物表面上に水膜１８を形成することができ、個々のレーザパルスは局所的に爆発して膜１８の連続性を分断する。従って、対応するターゲット位置２４において流体膜が再生されるまでは、連続したレーザパルスを放電することは望ましくない。更に、加工物自体の表面における種々の不規則性により流体膜の局所的な分断を生じる可能性があるので、どのような形態においても流体膜の品質が不十分であるか又は異常な場合には、レーザパルスを放出することは望ましいことではない。従って図１に示すＬＳＰシステム１０は、ターゲット位置２４における流体膜１８の品質を自動的に監視する監視装置３４の形態の手段を含み、この手段は、流体膜が使用中の特定のＬＳＰ処理において望ましい十分な品質を有する正常状態にある時に、ピーニングレーザ２０を制御する際に使用するためのものである。

監視装置３４は、流体膜１８の品質を検出するために、プローブレーザビーム３８を発生させてターゲット位置２４に投射するプローブレーザ３６を含むのが好ましい。ターゲット位置自体は、流体膜の適切な品質を保証するようピーニングビーム２２の衝突位置と同程度に小さいか、又はこれよりも適度に大きくし、最大効果を有した状態で爆発プラズマを閉じ込めることができる。プローブレーザ３６は、好ましくはターゲット位置において集束する連続波レーザビーム３８を放出するヘリウム−ネオン（ＨｅＮｅ）レーザ又はダイオードレーザなどの任意の従来型のものとすることができる。

監視装置はまた、ターゲット位置と光学的に整列してターゲット位置からのプローブビーム３８の反射を検出する固体光検出器などの光検出器４０を含む。プローブレーザ３６と光検出器４０とは、典型的には流体膜の平面に対して同じ傾斜角度Ａでターゲット位置２４と整列する。これに対してピーニングレーザビーム２２は、流体膜の平面に対して好ましくは垂直に配向される。

システム１０は更に、ピーニングレーザ２０及び光検出器４０に作動的に結合された流体膜１８の監視状態又は品質に応答してパルスレーザビームを生成する電気制御装置４２の形態の手段を含む。

図１に示すピーニングレーザ２０は、パルスレーザビーム２２を適度なパルス繰返し率で生成されるパルス列として発生する。Ｑスイッチ３２は、固定のポンピング速度及び対応する熱状態におけるレーザロッド２６の光励起中にレーザを切り換えるよう従来の方法で作動される。このようにして、パルスレーザ２０の作動効率は、ＬＳＰの処理速度を増大させるのに望ましい特定のパルス繰返し率で最大化又は最適化することができる。

好ましい実施形態においては、ピーニングレーザ２０のパルス繰返し率は、典型的には従来のＬＳＰにおいて見られる１サイクル４秒毎よりも実質的に大きく、少なくとも毎秒１０サイクル（１０Ｈｚ）であるのが好ましい。高出力パルスレーザにおけるこの比較的高い繰返し率は、最大の効率及び熱負荷状態用に設計され、ＬＳＰ処理と連動して経時的にピーニング面積範囲を最大化することができる。

このような比較的高いパルス繰返し率の場合には、対応する短い時間間隔の後に流体膜１８の状態を監視して各レーザパルスの後に流体膜を再生させることを保証し、これによりレーザパルスを発射して不十分な流体膜を透過させる可能性（このようなパルスを無駄にしてＬＳＰ処理の全体効率を低下させることになる）を排除することが重要である。

図１に示すように制御装置４２は、好ましくはＱスイッチ３２と作動的に結合されて流体膜の監視状態に連動しながらピーニングレーザビーム２２を放出する。

正常作動中、Ｑスイッチ３２は、所望のレーザビームパルスを周期的な列を成して発生させるように制御される。しかしながら、光検出器４０を使用して流体膜１８の状態を監視することにより、制御装置４２は更に、正常な膜１８がターゲット位置２４において検出された時にだけパルスレーザ２０のＱスイッチ３２を選択的に切り換え可能にするように使用することができる。

図２は、図１の装置の表記された機能に同じ参照符号を付与した、流体膜１８の監視状態に応答して加工物１２をレーザ衝撃ピーニングする例示的な方法を概略的に示している。比較的滑らかな（すなわち、成膜された表面が十分に遅い運動周期を有しており、上に述べたレーザ監視法を用いて液体膜の状態を評価することができる）水膜１８は、例えば約１．０ｍｍの厚みＢを有するように任意の好適な方法で形成することができる。次にパルスレーザ２０は、パルス列が加工物の表面を横断して移動する時にターゲット位置２４でレーザパルス２２の列を放出するように作動する。各レーザパルスは、光吸収層１４を急速に加熱して爆発プラズマを発生させ、これに対応して加工物表面をピーニングする。

ターゲット位置２４にある流体膜１８は、プローブレーザビーム３８をターゲット位置に投射し、そこからの反射光を検出することにより連続的に監視される。単純な実施形態では、ターゲット位置２４に膜１８が存在することにより、最大の大きさのプローブレーザ光エネルギーが光検出器４０に反射される。検出される光のこの最大の大きさは、パルスレーザが連続して正常に作動していることを示している。

例えば先行するレーザパルスの直後にプラズマ爆発によりターゲット位置２４において流体膜が分断されると、プローブレーザ３６からの光は、光検出器４０へ殆ど反射されないことになる。流体膜のこの異常状態の間、流体膜が適切に再生成されて十分なプローブ光が検出器４０へ反射されるまで、制御装置４２を用いてＱスイッチ３２を無効化してレーザパルスの放電を阻止することができる。

図１に示す実施形態において、制御装置４２は、流体膜１８が正常状態にある時すなわちターゲット位置において滑らかで遮断されていない時にはＱスイッチングを有効にし、同様に流体膜が異常状態にある時すなわち監視装置３４によって判定されるとターゲット位置において分断又は不連続である時にはＱスイッチングを無効にするように、パルスレーザ２０と監視装置３４の光検出器４０とを論理的に結合させるよう特に構成されている。本明細書で使用される「構成される」、「に適合される」等の表現は、所望の出力信号を供給するよう入力データを処理するアルゴリズム又は方法に従って動作するデジタル又はアナログ装置（プログラマブルコンピュータ、特定用途向け一体型マウント、又は同様のものなど）に対して使用される。

図１に示す実施形態においては、制御装置４２は、周期的なクロック信号又は相対的に高い電圧値と低い電圧値の列を発生してパルスレーザ２０に所望のパルス繰返し率を行わせるマスタクロック４４を含む。パルスレーザシステムは更に、先行技術における他の場合には所望の繰返し率でレーザビームパルスを発生するためにマスタクロック４４と連動することになるＱスイッチ３２用の従来型電気的ドライバ４６を更に含む。しかしながら図１の実施形態においては、制御装置４２は、膜が正常であることを検出器が検出した時にはＱスイッチドライバ４６を有効にし、膜が異常であることを検出器が検出した時にはドライバ４６を無効にするように、光検出器４０と連動するよう変更される。

制御装置は、監視装置３４の出力信号をドライバ４６によって制御された時のパルスレーザのパルス繰返し率と同期させるように、本発明の特徴に従って構成されるのが好ましい。これは好ましくは、ターゲット位置２４からの光を監視した時に光検出器４０によって発生された高電圧信号及び低減圧信号を最大限弁別するように電気信号調整器４８を導入することによって行われる。調整器は、光検出器４０によって発生される電気信号を改善するために好適な増幅器及びバイアス除去器を含むことができる。例えば、膜１８が滑らかである場合、検出器４０は、そこで反射される光により最大電圧出力を発生することになる。爆発プラズマを発生するレーザパルスにより膜が分断されると、プローブレーザビーム３８の反射は中断され、検出器４０は、これに対応したより低い電圧出力を発生する。この低電圧出力は、滑らかな膜が再生成されると、これに応じてその最大値まで上昇することになる。

ロジックコンバータ５０は、正常な流体膜に対応し且つ論理的ＴＲＵＥ状態を表す相対的に高い電圧の出力信号か、或いは異常な流体膜に対応し且つ逆のＦＡＬＳＥ論理値を表す相対的に低い値の信号を発生させるように信号調整器４８に作動的に結合される。このようにロジックコンバータ５０は、正常及び異常の流体流れ状態に対応した光検出器４０からのｈｉｇｈ信号とｌｏｗ信号に相当するｈｉｇｈ又はｌｏｗのいずれかの出力信号を発生する。

制御装置４２は、信号調整器４８及びロジックコンバータ５０により光検出器４０に作動的に結合された論理ＡＮＤ回路５２と協働する。このＡＮＤ回路は、Ｑスイッチドライバ４６及びマスタクロック４４に作動的に結合される。このようにして、Ｑスイッチドライバ４６は、従来方式にてマスタクロック４４のクロックパルスに対応した所望のパルス繰返し数でパルスを発生するように有効にされるが、ＡＮＤ回路５２の導入は、協働するロジックコンバータ５０を介してＱスイッチドライバ４６を光検出器４０の作動と同期させる。

光検出器４０が正常な流体膜状態に対応した相対的に高い出力電圧を発生すると、ロジックコンバータ５０は、これに対応してｈｉｇｈすなわちＴＲＵＥ値を発生し、この値は、ＡＮＤ回路５２においてマスタクロック４４からの信号と結合すると、ロジックコンバータ５０からの信号の高いピークがマスタクロック信号の対応する高いピークと一致する時にＱスイッチドライバ４６を有効にする。しかしながら、光検出器４０が異常な流体膜状態に対応した低い出力電圧を発生すると、ロジックコンバータ５０は、ｌｏｗすなわちＦＡＬＳＥ状態を発生し、これによりマスタクロックからの信号に関係無くＡＮＤ回路５２がＱスイッチドライバ４６を無効にする。

従って、監視装置３４及びこれと協働するＡＮＤ回路５２の導入により、Ｑスイッチドライバ４６は、監視装置によって許可された時だけ有効にされる。このようにして、パルスレーザ２０は、所望のパルス繰返し数にて最大の効率を達成するように設計及び構成され、且つ該パルス繰返し数にて作動することができ、パルスビーム２２は、正常状態（すなわち、上述のレーザピーニング処理に対応するのに十分な膜）の成立を確実にするために必要な場合にのみＱスイッチドライバ４６を無効にすることで遮断される。

パルスレーザ２０はまた、マスタクロック４４と同期して動作するように結合された従来のフラッシュランプドライバ５４を含む。しかしながら、固定された励起速度と熱状態で光励起されるレーザの最大効率を達成するためには、フラッシュランプドライバ５４の代わりにＱスイッチドライバ４６を使用してパルスレーザ２０を制御することが好ましい。

図１に示す基本的な実施形態においては、制御装置４２は、検出器４０によって感知される反射されたプローブビーム３８の相対的強度又は大きさに応答してパルスレーザ２０の作動を制御するように構成される。ターゲット位置における滑らかな水の表面は、プローブビームを最も良好に反射して検出器４０によって受光されることになり、正常又は滑らかな膜に関連してこれに応じた高い反射測定値を有し、他方、例えば先行するレーザパルスによって分断された異常な膜は、検出器４０に向かうプローブビームが１つでもある場合には殆ど反射せず、検出器が比較的低い値の反射光を測定することになる。

光検出器４０の性能は、検出器４０とターゲット位置２４との間に光学的に整列されて反射光を集めて検出器上に集束させる集束レンズ５６を導入することにより高めることができる。検出器４０とレンズ５６との間にピンホール開口５８を光学的に整列して配置し、ターゲット位置におけるプローブビームの高度にコリメートされた鏡面反射と、ＬＳＰ処理中におけるレーザパルス爆発直後における分断されたターゲット位置からの分散又は拡散されたビーム光とを弁別することができる。

狭帯域光フィルタ６０を検出器４０と開口５８との間に光学的に整列して配置し、爆発プラズマ自体から放出される広帯域光などの望ましくない背景光を低減又は除去する。フィルタ６０は、プローブレーザ光を確実に検出し望ましくない背景光を検出しないように、プローブレーザビーム３８の波長を中心とする通過波長を有するのが好ましい。

上記に示すように、信号調整器４８は、水膜１８の正常及び異常な滑らかさに対応する信号の相対的な高い値と低い値とを弁別することにより、光検出器４０からの結果として得られる信号を適切に調整する。調整された信号は、ロジックコンバータ５０において論理的なＴＲＵＥ又はＦＡＬＳＥ電圧レベルに変換されて論理ＡＮＤ回路５２においてマスタクロック４４からの信号と結合され、ＴＲＵＥ又は正常信号が光検出器４０によって検出された時だけＱスイッチドライバ４６を有効となる。反対に、効率的なＬＳＰ処理のためには膜が一時的に不十分であることを表すＦＡＬＳＥ又は異常信号が検出器４０から発生された場合には、ドライバ４６は無効化される。

図１及び２に示す基本的な実施形態においては、検出される水膜１８の品質は、光検出器４０上でのプローブビーム３８の検出可能な反射を可能にする水膜の相対的滑らかさのみとすることができる。ＬＳＰ処理を更に改善するためには、例えば約０．５ｍｍよりも大きい必要がある水膜１８の実際の厚みをリアルタイムで測定することが望ましい。しかしながら、膜１８の厚み測定は、その場でリアルタイムに、且つ膜自体を分断することなく達成する必要がある。典型的には固体部材の厚み測定のために超音波装置が使用される場合が多いが、これを水の厚み測定に適用した場合、超音波装置は侵害性であり、測定される水膜を分断することになる。

従って、ターゲット位置２４における水膜１８の厚みＢを測定するために特別に構成された光監視装置３４Ａを含むように図１に示すＬＳＰシステム１０の一部分を変更したものを図３に示す。約０．５ｍｍの最小厚みＢは、膜１８に望ましい正常厚みに対応するのに十分とすることができ、これより小さいか又は不十分な厚みは、典型的にはターゲット位置におけるレーザパルス爆発の直後に生じる異常な膜に対応する。

図２に示すように、プローブビーム３８は、ターゲット位置において２つの反射を生じる好適な傾斜した入射角Ａにてターゲット位置２４へ配向される。第１の反射は、水膜の表面からの単純な鏡面反射である。第２の反射は、水膜内への入射ビームの屈折、加工物との境界面からの反射、及び膜表面から外側への屈折の結果であって、鏡面反射と略平行であるが、そこから変位量Ｃだけ離れたビームを生成する。

膜厚Ｂは、変位間隔Ｃを測定することにより従来の光学的分析により求めることができる。具体的には、２つの反射の間隔Ｃは、膜厚Ｂと、水の屈折率ｎ（ｎ＝１．３３）の２乗と入射角の正弦の２乗との差の平方根で除算した入射角Ａの２倍の正弦との積に等しい。すなわち、
Ｃ＝Ｂｓｉｎ２Ａ／（ｎ^２−ｓｉｎ^２Ａ）^１／２
である。

この関係のグラフは間隔Ｃが膜厚Ｂよりも常に小さいことを示しており、これにより数百ミクロン乃至約１．０ｍｍ厚の範囲内の小さな膜を測定することがより困難になる。従来のＨｅＮｅタイプの好適なプローブレーザは、膜の所望の厚みとほぼ等しいか又はそれよりも大きい約１．０ｍｍのビーム径を有する。

更に、図２に示す水の表面は平坦であるが、実際にはリップルを含む可能性があり、これは該リップルに応じて２つの反射を集束又は発散させ、投影変位間隔Ｃの大きさを変化させる。これに加えて、典型的な加工物表面は比較的粗く、該加工物表面から反射されるプローブビームの成分は、水の表面から鏡面反射されるプローブビームと比べて粗さに応じて減少した大きさを有する。しかしながら、これらの困難は、反射像を検出するために二次元的平坦アレイ４０Ａの形態を有する複数の光検出器がターゲット位置２４と光学的に整列して配置された図３に示す本発明の実施形態によって克服できる。検出器アレイ上にターゲット位置の像を集束させるために、協働する結像レンズ６２が検出器アレイ４０Ａとターゲット位置２４との間に光学的に整列して配置される。検出器アレイ４０Ａ上にターゲット位置の像を倒立して集束させるために、結像レンズ６２は、複数の協働し合うレンズを含む。例えば、ターゲット位置の像を検出器アレイへ中継するために従来のコピー機から取り出した４枚レンズ群を１つのテスト実施形態において使用した。検出器アレイは、画像を取り込むための典型的にはビデオカメラで使用されるような従来型の荷電結合素子（ＣＣＤ）の形態とすることができる。

集束レンズ６４は、プローブレーザ３６とターゲット位置２４との間に光学的に整列して配置されて、プローブレーザビームをターゲット位置において集束させる。例えば最初に１．０ｍｍの直径を有するＨｅＮｅレーザビームは、２つの反射ビーム間の間隔Ｃを測定する目的でターゲット位置における両反射ビームの弁別を改善するために約０．０５ｍｍまでに絞って集束させることができる。

図３に破線で示したように２つの反射ビームを集束又は発散させる作動時における水膜１８のリップルが生じたにもかかわらず、それでも反射源の正確な結像を得ることができる。このようにして、横方向にずれた２つの反射ビームの正確な結像を得て適切に測定することができる。

作動時には、集束レンズ６４がプローブビーム３８をターゲット位置２４において集束させ、レンズの焦点距離は、好ましくは該レンズと水の表面上のターゲット位置との間の距離と正確に等しい。集束されたビームは水の表面並びに加工物との境界面から反射され、２つの反射されたビームは像を検出器アレイ４０Ａへ中継する結像レンズ６２によって取り込まれる。このアレイからの像は、次にビーム間隔Ｃと更に膜厚Ｂとを求めるために制御装置４２によって適切に処理される。

結像レンズ６２は、水表面及び加工物表面からの反射スポットの像を水膜のリップルによって実質的に影響されない２つの反射された像間の対応する間隔Ｄを備えて検出器アレイ上に中継する。アレイ４０Ａ上に結像される反射スポットの間隔Ｄは、空気中で測定される間隔Ｃと関係しており、ここで該スポットは結像レンズ６２で使用される対応する倍率によりターゲット位置で生成される。このようにして、上記数式を使用して、膜厚Ｂは、アレイ４０Ａ上で検出される反射スポットの間隔Ｃと対応する間隔Ｄとから容易に求めることができる。

従って制御装置４２は、検出器アレイ４０Ａと作動的に結合され、例えば間隔Ｄを測定する好適なソフトウエアを有するように構成され、該間隔Ｄは、ひいては水膜の表面からのプローブビームの反射とターゲット位置における膜の下にある加工物の表面からの反射との間隔Ｃを表している。

像を分析するための従来型のソフトウエアを用いて、検出器アレイ４０Ａによって感知される２つの反射スポットを識別し、これらの間の距離を正確に測定することができる。

従って、制御装置４２は更に、上記数式と前述の間隔Ｃ、Ｄ、及び結像レンズ６２の倍率との間の関係により求められた離間距離Ｄからターゲット位置における水膜１８の厚みＢを求め又は計算するソフトウエアを追加して構成することができる。次いで制御装置は、膜の測定された厚みＢを例えば０．５ｍｍなどの記憶された基準値と比較して、膜厚がＬＳＰ処理に対して十分であるか又は不十分であるかを判定することができる。

図１の実施形態での説明と同様にして、制御装置４２は、十分な膜厚が測定された時にＱスイッチドライバ４６を有効にするロジックコンバータ５０及びこれと協働するＡＮＤ回路５２を備え、変換器５０がＡＮＤ回路５２に論理ＴＲＵＥ値を与えるように同様に構成することができる。不十分な厚みが測定された時には、ロジックコンバータ５０は、ＡＮＤ回路５２に対してＦＡＬＳＥ値を発生してＱスイッチドライバを無効にする。このようにして、パルスレーザ２０は、上述と同様の方法で且つ同様な利点を有しながら作動可能であり、変更された形態の監視装置３４Ａを用いて測定される水膜１８の厚みによって制御することができる。

結像レンズ６２を用いる特定の利点は、膜厚Ｂの測定値がリップルのある水表面の特定の傾斜特性によって比較的影響されないことである。ターゲット位置における２つの反射スポットは、検出器アレイ４０Ａの焦点面上で正確に結像され、水表面のリップルの存在及び大きさにかかわりなく対応する間隔を有し、反射スポット間の間隔は、結像レンズ６２の倍率のみによって決まることになる。

この監視装置の別の利点は、加工物表面の粗さ又は散乱度にかかわらず、これから散乱される光の一部が常に結像レンズ６２を通過し検出器アレイ上で結像されて検出されることである。従って、非鏡面すなわち粗い表面であってもこのようにして処理し監視することができる。

監視装置３４Ａの感度は、特定の結像レンズ６２の選択及び加工物と検出器アレイ４０Ａとの間隔により可変及び拡縮可能である。膜厚測定の感度及び精度を高めることは、結像レンズ６２の焦点距離をこれに応じて大きくし、且つ加工物と検出器アレイ４０Ａ間の間隔をこれに応じて大きくすることによって容易に行われる。

検出器アレイ４０Ａと結像レンズ６２との間に光学的に整列された調節可能な開口６６を組み込むことにより追加的な利点が得られる。この開口を用いて、水表面により反射されるビーム成分と加工物により反射されるビーム成分のアレイ上における相対的明るさを調節することができる。水表面からの鏡面反射は、典型的には加工物からの反射よりも有意に明るく、その相対的明るさは、両反射の弁別及び両反射間の間隔測定を改善する開口６６によって調節できる。所望の場合には、いずれかの反射スポットの明るさは、その所望の反射スポットとレンズ６２との間に従来型の減光フィルタを介在させることによって減衰できる。

更に別の実施形態においては、結像レンズ６２と置き換えるために、テレセントリックレンズを使用することができる。像空間内でテレセントリックであるレンズは、焦点距離の関数として検出器アレイ４０Ａにおける像間隔を変化させない。このように検出器アレイ４０Ａ上で検出される２つのスポット間の間隔測定は、焦点位置に対して敏感ではない。この利点を活用すると、監視装置設定の構築における誤差に起因する測定値変動を低減することができる。

図３に適合するよう構成された監視装置を試験では、水のリップルにもかかわらず約０．１ｍｍ乃至約１．５ｍｍの範囲の水層の厚みが正確に測定された。従って、このような監視装置は、Ｑスイッチドライバ４６を有効及び無効にしてパルスレーザ２０の動作を制御し、これによってリアルタイムＬＳＰ処理中における適切な膜厚を保証してパルスレーザ自体の性能を最適化し処理速度を実質的に増大させるよう図１に示すＬＳＰシステム内に効果的に組み込むことができる。

本発明の特定の好ましい特徴のみを図示し説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更を行うことができるであろう。なお、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。

本発明の１つの例示的実施形態によるレーザ衝撃ピーニングシステムの概略図。 ピーニング作業の例示的方法を示す、図１でレーザ衝撃ピーニングされている加工物の拡大図。 本発明の別の実施形態による図１のレーザ衝撃ピーニングシステムの概略図。

符号の説明

１０ レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）システム
１２ 金属加工物
１４ 光吸収層
１６ 吐出ノズル
１８ 水、水膜、流体膜
２０ ピーニングレーザ
２２ パルスレーザビーム、レーザビーム、ピーニングレーザビーム
２４ ターゲット位置
２６ レーザスラブ、レーザロッド
２８ フラッシュランプ
３０ 末端ミラー
３２ Ｑスイッチ
３４ 監視装置
３４Ａ 光監視装置
３６ プローブレーザ
３８ 連続波レーザビーム、プローブレーザビーム
４０ 光検出器
４０Ａ 検出器アレイ
４２ 制御装置
４４ マスタクロック
４６ Ｑスイッチドライバ
４８ 電気信号調整器
５０ ロジックコンバータ
５２ 論理ＡＮＤ回路
５４ フラッシュランプドライバ
５６ 集束レンズ
５８ ピンホール開口
６０ 狭帯域光フィルタ
６２ 結像レンズ
６４ 集束レンズ
６６ 調節可能な開口

Claims (11)

1. 閉込め流体膜を有する加工物（１２）をレーザ衝撃ピーニングするシステムであって、
   前記加工物上の前記流体膜の上のターゲット位置（２４）でパルスレーザビーム（２２）を投射するピーニングレーザ（２０）と、
   前記ターゲット位置にプローブレーザビーム（３８）を投射するプローブレーザと、前記ターゲット位置と光学的に整列して配置され、該ターゲット位置からの前記プローブビームの反射を検出する光検出器（４０）とを含む、前記ターゲット位置において前記膜（１８）を監視する監視装置（３４）と、
   前記ピーニングレーザ（２０）と検出器（４０）とに作動的に結合され、前記監視された膜の品質に応じて前記パルスレーザビームを開始する制御装置（４２）と、
   を含むシステム。
2. 前記ピーニングレーザ（２０）が、光励起されるレーザロッドと前記パルスビームをあるパルス繰返し率で発生させるＱスイッチ（３２）とを含み、前記制御装置（４２）が、前記Ｑスイッチと作動的に結合されて前記監視された膜の品質に応じて前記パルスビームを放出することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記ピーニングレーザ（２０）が前記Ｑスイッチ（３２）用のドライバ（４６）を更に含み、前記システムが前記パルス繰返し率をもたらすクロック信号を発生するためのマスタクロック（４４）を更に含み、前記制御装置（４２）は、前記膜の品質が正常であることを前記検出器が検出した時に前記ドライバ（４６）を有効にし、前記膜の品質が異常であることを前記検出器が検出した時に前記ドライバ（４６）を無効にするように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記検出器（４０）と前記Ｑスイッチドライバ（４６）とに作動的に結合され、前記検出器が相対的に高い電圧を発生する時に前記ドライバを有効にし、且つ前記検出器が相対的に低い電圧を発生する時に前記ドライバを無効にする論理ＡＮＤ回路（５２）を含む請求項３に記載のシステム。
5. 前記検出器（４０）と前記ターゲット位置（２４）との間に光学的に整列して配置された集束レンズ（５６）と、
   前記検出器（４０）と前記レンズ（５６）との間に光学的に整列して配置されたピンホール開口（５８）と、
   前記検出器（４０）と前記開口（５８）との間に光学的に整列して配置された帯域光フィルタ（６０）と、
   を更に含む請求項３に記載のシステム。
6. 前記ピーニングレーザ（２０）のパルス繰返し率が、少なくとも毎秒１０サイクルであることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 像を検出する平面アレイ（４０Ａ）状態の複数の光検出器と、
   前記ターゲット位置の像を前記光検出器の前記アレイ上に集束させる、前記光検出器のアレイと前記ターゲット位置との間に光学的に整列して配置された結像レンズ（６２）と、
   を更に含むことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
8. 前記制御装置（４２）が、前記膜の表面からの前記プローブビームの第１の反射と前記膜の下にある前記加工物の表面からの前記プローブビームの第２の反射との間の距離を測定するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 前記制御装置（４２）が、前記ターゲット位置における膜の厚みを測定された距離から求め、膜厚が有効なピーニングを行うのに十分である時には前記Ｑスイッチドライバ（４６）を有効にし、膜厚が有効なピーニングを行うのに不十分である時には前記Ｑスイッチドライバ（４６）を無効にするよう構成されていることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記プローブレーザ（３６）と前記ターゲット位置（２４）との間に光学的に整列して配置され、前記プローブビームを前記ターゲット位置において集束させる集束レンズ（６４）を更に含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. 前記結像レンズ（６２）が、前記ターゲット位置の像を前記検出器アレイ（４０Ａ）上で倒置させる複数の協働するレンズを含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。

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