JP2007030008A - 気中ピーニング加工装置および加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 タービンロータの翼植込み部等の複雑な形状の部位の対象物に対しても容易にピーニング加工を行うことができる気中ピーニング加工装置を提供する。
【解決手段】 この気中ピーニング加工装置１１は、レーザパルス光を出射するレーザ発振器７４と、レーザパルス光を気中にある被加工面２７近くまで伝送する光ファイバー１２と、光ファイバーからのレーザパルス光を取り込み、前記被加工面にレーザパルス光を照射する照射装置１３とを備えた気中ピーニング加工装置であって、照射装置は被加工面に液体を流すための噴射ノズル２５とレーザパルス光を集光して出射する中間レンズ１８，１９、前面レンズ２１とレンズの近辺に設けられレンズの表面に液滴が付着するのを防止する水遮蔽パイプ２４とを具備している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複雑な形状の部位に使用される気中ピーニング加工装置および加工方法に関する。

発電プラントの蒸気タービンは、経年劣化による不具合を防止するため定期的な補修や部品交換を行っている。この中で、低圧タービンの一部では負荷変化により飽和線近傍の乾湿交番域で運転されるため、蒸気中に存在する腐食成分が蓄積してロータの翼植込み部に孔食が発生し、これが起点となって遠心応力による応力腐食割れ（SCC）でき裂が発生し進展することが問題となっている。

一方、原子力プラントにおいては、定期点検時に自動機器を炉内に設置し炉内機器にアクセスし、各種保全工法が実施されている。その中でも溶接部に残留している引張応力に起因したSCC対策として、その発生を効果的に防止できるレーザピーニング方法および装置が開発されている（例えば、特許文献１、非特許文献１および非特許文献２参照。）。図１１は、レーザピーニングの原理を表す概念図である。パルス幅10^−８秒程度のレーザパルス光１を集光レンズ２で直径1mm程度のスポットに集光して被加工面３に照射すると、材料表面がエネルギーを吸収してプラズマ化する。プラズマ４の周囲がレーザ光の波長に対して透明な液体６により覆われている場合、プラズマ４の膨張が妨げられてプラズマ４の内部圧力は数GPa程度に達し、被加工面３に衝撃を加える。その際に強力な衝撃波５が発生し、材料内部に伝播して塑性変形を引き起こして残留応力を圧縮状態に変える。レーザピーニングは、ショットピーニングやウォータジェットピーニング等の他のピーニング技術と比べると、効果が材料強度にあまり依存せずに材料表面から1mm程度の板厚の内部まで及ぶ。また、施工時の反力がなく、施工装置の小型化が容易で狭あい部への施工性に優れている。

低圧タービンロータ翼植込み部の寿命延長のための方法としてもレーザピーニングによる応力改善が有効であり、予めレーザ照射により材料の表面層に圧縮残留応力を与えておくことによりSCCの発生を防止することができる。低圧タービンロータではないが、類似した構造物にレーザピーニングを適用する例も既にある（例えば、特許文献２参照。）。原子炉の炉内構造物に適用する場合は、レーザピーニング施工時は構造物が水中にあるため直接レーザ光を照射することができたが、タービンロータに適用しようとした場合、空気中に設置された材料にレーザ光を照射する必要がある。しかし、プラズマの閉じ込めに最低限必要な液体の厚さは0.1mm程度であり、液体を材料表面にカーテン状に流しながら施工を行っている例もある（例えば、特許文献３参照。）。
登録特許第3461948号明細書 米国特許第5522706号明細書 特開平11-254156号公報 日本原子力学会誌 Vol.42, No.6, pp.567-573 (2000) 日本材料学会誌「材料」 Vol.49, No.2, pp.193-199 (2000)

しかしながら、タービンロータの翼植込み部等の複雑な形状の部位の材料表面のピーニング加工を行う場合、レーザパルス光を様々な角度から照射する必要があり、また、単純に液体を材料表面に流しても材料表面全体が液体で覆われる保証はない。

本発明はかかる従来の事象に対処してなされたものであり、タービンロータの翼植込み部等の複雑な形状の部位に対しても容易にピーニング加工を行うことができる気中ピーニング加工装置および方法を提供することを目的としている。

本発明は、レーザパルス光を出射するレーザ発振器と、前記レーザパルス光を気中にある被加工面近くまで伝送する導光系と、前記導光系からのレーザパルス光を取り込み、前記被加工面にレーザパルス光を照射する照射装置とを備えた気中ピーニング加工装置であって、前記照射装置は、前記被加工面に液体を流すための噴流装置と、レーザパルス光を集光して出射するレンズと、前記レンズの近辺に設けられ前記レンズの表面に液滴が付着するのを防止する液滴付着防止装置とを具備したことを特徴とする。

また、本発明は、レーザパルス光を出射するレーザ発振器と、前記レーザパルス光を被加工面近くまで伝送する導光系と、前記導光系からのレーザパルス光を取り込み、気中に配置された前記被加工面にレーザパルス光を照射する照射装置とを備えた気中ピーニング加工装置であって、前記照射装置は、前記被加工面に液体を流すと同時に前記被加工面に至るまでの前記液体中をレーザ光路とするための噴流装置と、この噴流装置から噴射される液体から気泡を除去する気泡除去手段とを有することを特徴とし、例えば、前記気泡除去手段は、前記噴流装置の噴射口に設けられた開閉機構であることを特徴とする。

また、本発明は、レーザパルス光を導光系により伝送し、タービンロータ翼植込み部に照射し前記レーザパルス光を照射して材料表面に圧縮応力を付与する気中ピーニング加工方法において、ロータを回転若しくは導光系をロータ同一円周上に回転することにより施工することを特徴とする。

本発明にあっては、照射装置は、被加工面に液体を流すための噴流装置と、レーザパルス光を集光して出射するレンズと、レンズの近辺に設けられレンズの表面に液滴が付着するのを防止する手段とを具備しており、あるいは、この液滴が付着するのを防止する手段に代えて（あるいは加えて）噴流装置から噴射される液体から気泡を除去する気泡除去手段、例えば噴流装置の噴射口に設けられた開閉機構を具備するとともに、噴流装置は被加工面に液体を流すと同時に被加工面に至るまでの液体中をレーザ光路とする構成を有しているから、かかる気中ピーニング加工装置あるいは加工方法によって、タービンロータ翼の植込み部等の複雑な形状の部位の対象物に対しても容易にピーニング加工を行うことができる。

以下、本発明に関わる気中ピーニング加工装置および加工方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１を用いて第１の実施の形態である気中ピーニング加工装置１１を説明する。この気中ピーニング加工装置１１は、図示されないレーザパルス発振器、レーザパルス光を伝送する光ファイバ１２および照射装置１３を有している。

図１（ａ）は、その照射装置１３の断面概要図、図１（ｂ）は図１（ａ）中矢印Ａ，Ａ’方向の矢視図、図１（ｃ）は他の例を示す矢視図である。

照射装置１３は、水密構造の筒状の照射装置本体１４を有している。この照射装置本体１４の後端面１５には、この照射装置本体１４の軸線に沿って、光ファイバ１２がＯ−リング１７を介して接続されている。この筒状の照射装置本体１４の内部には、その軸線に沿って複数の中間レンズ１８，１９が設けられており、照射装置本体の前端面２０にも前面レンズ２１が設けられている。そして、光ファイバ１２から出光したレーザパルス光Ｌを前方に向けて収束するようになっている。

一方、照射装置本体１４の外側には水導管２２が配設されている。この水導管２２は、照射装置本体１４の前端部にＯ−リング２３を介して接続されており、照射装置本体１４内部に水を供給するようになっている。

また、前端面２０の前面レンズ２１の外周には筒状の水遮蔽パイプ２４が装着されており、後述する噴射ノズルからの水がレンズ２１にかからないようになっている。前端面２０の水遮蔽パイプ２４の外側には、照射装置本体１４の内側から外側に貫通する環状の噴射ノズル２５が形成されている。この噴射ノズル２５の対向する側壁には溝２５ａが形成されており、この対向する溝２５ａには多数の水遮蔽ボール２６，…が挿入されている。この多数の水遮蔽ボール２６，…は噴射ノズル２５の溝２５ａに沿って重力に従い移動できるようになっており、照射装置本体１４の向きにかかわらず、常に噴射ノズル２５の下半分を閉鎖するようになっている。そして、この噴射ノズル２５のうち水遮蔽ボール２６，…に閉鎖されていない開口から液体（水）Ｗを被加工面２７に向かって吐出し、被加工面２７の表面に水の膜を形成するようになっている。

なお、レーザパルス光Ｌの伝送は、光ファイバ１２に限らず中空パイプや反射ミラーを用いた伝送路であってもかまわない。

このように構成された本実施の形態において、光ファイバ１２から出射されるレーザパルス光Ｌは、レンズ１８，１９，２１で集光されて被加工面２７に照射される。一方、水導管２２により供給される液体（水）Ｗは、照射装置本体１４の前面に設けられた噴射ノズル２５から被加工面２７に連続的に噴射され、被加工面２７に薄い水の層を形成する。また、照射装置本体１４の前面には水遮蔽パイプ２４が設けられているので、噴射した液体（水）Ｗがレンズ２１の外表面に付着しないようになっている。噴射ノズル２５の中には水遮蔽ボール２６，…が封入されており、照射装置１３が回転しても常に下側の開口部を遮蔽して上方からのみ液体（水）Ｗを噴射する。なお、環状の噴射ノズル２５の開口部を遮蔽するには、水遮蔽ボール２６，…に限る必要はなく、図１（ｃ）に示すように、三日月状の遮蔽板２８を噴射ノズル２５の開口部に摺動自在に挿入してもよく、その他の形状のものでも良い。

このようにこの気中ピーニング加工装置１１にあっては、被加工面２７が水中に設置されていない場合でも、被加工面２７に水の層を形成することによりレーザピーニング加工が可能となる。また、前面レンズ２１の外表面に液体（水）Ｗが付着して水滴となるとレーザパルス光Ｌの一部が屈折し、被加工面２７の表面に正常に照射されない問題が起きるが、水遮蔽パイプ２４と水遮蔽ボール２６，…を設けたことにより、前面レンズ２１の外表面に水滴が発生することを防止すると同時に常にレーザ照射点の上方から水の層を形成することが可能となる。

次に、図２を用いて本発明の第２の実施の形態である気中ピーニング加工装置３１について説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成の部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図２（ａ）は、気中ピーニング加工装置３１の照射装置３２の断面概要図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中矢印Ｂ、Ｂ’方向の矢視図である。

この照射装置３２は、図１に示す装置と同様に、照射装置本体１４には中間レンズ１８，１９、前面レンズ２１が設けられ、光ファイバ１２が接続されている。この照射装置本体１４の外側には、この照射装置本体１４を取り囲む筒状のウォータジャケット３３が設けられている。このウォータジャケット３３には、水導管３４が接続されており、このウォータジャケット３３内に水を供給するようになっている。また、このウォータジャケット３３の前面外周部には、前方に向かって水を噴射する複数の噴射ノズル３５が形成されている。また、このウォータジャケット３３の外側に沿って圧縮空気管３６が配設されており、圧縮空気を供給するようになっている。この圧縮空気管３６の先端には、圧縮空気ノズル３７が設けられており、前面レンズ２１に向かって圧縮空気を吐出するようになっている。

このように構成された気中ピーニング加工装置３１にあっては、光ファイバ１２から出射されるレーザパルス光Ｌはレンズ２１で集光されて被加工面２７に照射される。また、水導管３４により供給される液体（水）Ｗは、照射装置３２の前面に設けられた噴射ノズル３５から被加工面２７に連続的に噴射され、被加工面２７に薄い水の層を形成する。さらに、噴射された液体（水）Ｗが前面レンズ２１の外表面に付着しないように、前面レンズ２１の外表面には圧縮空気が圧縮空気ノズル３７から吹き付けられる。この圧縮空気は、窒素等、他の気体であっても良いことは言うまでもない。

この気中ピーニング加工装置３１によれば、被加工面２７が水中に設置されていない場合でも、被加工面２７に水の層を形成することによりピーニング加工が可能となると同時に、被加工面２７と照射装置３２が接近している際に障害物となる水遮蔽パイプ２４を設けることなしに、前面レンズ２１の外表面に液体（水）Ｗが付着して水滴となることを、圧縮空気を施工中連続的に吹き付けることで防止することができる。もちろん、水遮蔽パイプを併用しても良い。

次に、図３を用いて本発明の第３の実施の形態である気中ピーニング加工装置４１について説明する。なお、第２の実施の形態と同一構成の部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図３（ａ）は、気中ピーニング加工装置４１の照射装置４２の断面概要図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）中矢印Ｃ、Ｃ’方向の矢視図である。

この照射装置４２は、第２の実施の形態の照射装置３２から圧縮空気管３６を取り除いた替わりに前面レンズ２１の外周に環状のヒータ４３を設けたものであり、他は同一である。

このように構成された気中ピーニング加工装置４１にあっては、第１の実施の形態と同様に、光ファイバ１２から出射されるレーザパルス光Ｌはレンズ１８，１９，２１で集光されて被加工面２７に照射される。また、水導管３４により供給される液体（水）Ｗは、照射装置４２の前面に設けられた噴射ノズル３５から被加工面２７に連続的に噴射され、被加工面２７に薄い水の層を形成する。さらに、噴射した液体（水）Ｗが前面レンズ２１の外表面に付着した場合においても、前面レンズ２１はヒータ４３により過熱されているので液滴が蒸発する。

この気中ピーニング加工装置４１によれば、被加工面２７が水中に設置されていない場合でも、被加工面に水の層を形成することによりピーニング加工が可能となると同時に、水遮蔽パイプ２４や圧縮空気管３６を設けることなしに、前面レンズ２１の外表面に付着した水滴をヒータ４３により瞬時に蒸発させて施工の障害となることを防止することができる。また、ヒータの位置は照射装置の外であっても良く、水に代えてアルコール等の揮発性の液体を用いることで蒸発の効果を高めることも可能である。

なお、付着した液体を気化させるためにはある程度の時間が必要なため、本気中ピーニング加工装置４１は、主にレーザ発振の繰り返しの遅いレーザパルス発振機と組み合わせて使用する場合に好適である。

次に、図４を用いて本発明の第４の実施の形態である気中ピーニング加工装置５１について説明する。なお、第１ないし第３の実施の形態と同一構成の部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図４（ａ）は、気中ピーニング加工装置５１の照射装置５２の断面概要図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）中矢印Ｄ、Ｄ’方向の矢視図であり、図４（ｃ）は図４（ｂ）の他の実施例である。

この照射装置５２は、図１に示す装置と同様に、その照射装置本体５３に、中間レンズ１８，１９が設けられ、先端に前面レンズ５４が設けられている。また、照射装置本体５３の後端には光ファイバ１２が接続されている。この照射装置本体５３の外側には、この照射装置本体５３を取り囲むウォータジャケット５５が設けられている。このウォータジャケット５５の後端部には水導管５６が接続されており、ウォータジャケット５５内部に水を供給するようになっている。このウォータジャケット５５の先端部には噴射口５７が形成されており、この噴射口５７には、この噴射口５７を閉止する噴射口閉止蓋５８が設けられている。

この噴射口閉止蓋５８は、遠隔で開閉可能あるいは一定圧力で自動的に開閉可能になされており、噴射口閉止蓋５８の形態は、図４（ｂ）に示すように、カメラレンズの絞りのような形状のアイリス状になされている。なお、この閉止蓋は、図４（ｃ）に示すように、扉状閉止蓋５９であってもよい。

このように構成された気中ピーニング加工装置５１にあっては、光ファイバ１２から出射されるレーザパルス光Ｌは中間レンズ１８，１９、前面レンズ５４で集光され、ウォータジャケット５５の先端の噴射口５７から被加工面２７に向かって出射される。一方、水導管５６により供給される液体（水）Ｗは、照射装置本体５３とウォータジャケット５５との間を通り噴射口５７から被加工面２７に噴射され、被加工面２７に薄い水の層を形成する。そして、レーザパルス光Ｌは液体（水）Ｗの中を通って被加工面２７まで伝送される。

この気中ピーニング加工装置５１によれば、前面レンズ５４の噴射口５７側の面は常に液体（水）Ｗに覆われている。従って、レンズ面に水滴が発生し光路が乱されることを防止することができる。また、パルスレーザ光Ｌは、前面レンズ５４を通過した後被加工面２７に到達するまで完全に液体（水）中を通過するため、光の屈折、反射等による散乱を防止することができる。

また、レーザ光路が気液２相状態になるとレーザパルス光Ｌの一部が屈折や散乱を受け、被加工面２７の表面に正常に照射されない問題が起きる。しかし、噴射口閉止蓋５８を閉じた状態で内部を液体（水）Ｗで加圧した後に噴射口閉止蓋５８を開けることにより、気中ピーニング加工装置５１の内部に圧力変動を与え、気中ピーニング加工装置５１の内部に捕捉された気泡を排出することができる。このようにして気泡を排出後にレーザ照射を開始すれば、レーザ光軸上が気液２相状態となるのを防止することが可能である。

次に、図５を用いて本発明の第５の実施の形態である気中ピーニング加工装置６１について説明する。なお、第２の実施の形態と同一構成の部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図５（ａ）は、気中ピーニング加工装置６１の照射装置６２の断面概要図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）中矢印Ｅ、Ｅ’方向の矢視図である。

この照射装置６２の照射装置本体６３には、図２に示す装置と同様に、その軸線上に光ファイバ１２が接続されており中間レンズ１８，１９が設けられている。この照射装置本体６３の外側には、この照射装置本体６３を取り囲む筒状のウォータジャケット３３が設けられている。このウォータジャケット３３には、水導管３４が接続されており、このウォータジャケット３３内に水を供給するようになっている。

照射装置本体６３の中間レンズ１９の前方には、可動ミラー６４が設けられており、中間レンズ１９を通ってきたレーザ光束を略直角に反射させるようになっている。また、この可動ミラー６４の側方には、照射装置本体６３、ウォータジャケット３３の側壁を通過する光学窓６５が設けられている。そして、可動ミラー６４で反射された光束が、この光学窓６５を通過して被加工面２７に照射されるようになっている。なお、可動ミラー６４はその角度を若干変えることができるようになっており、レーザ光束による被加工面２７の照射位置を調整できるようになっている。

この光学窓６５の周囲には、ウォータジャケット３３内の液体（水）を被加工面２７に噴射する可動噴射ノズル６６が設けられている。この可動噴射ノズル６６もその噴射角度を若干変えることができるようになっており、噴射方向の調整ができるようになっている。

また、ウォータジャケット３３の外側には圧縮空気管３６が配設されている。この圧縮空気管３６の先端には、圧縮空気ノズル３７が設けられており、光学窓６５に向かって圧縮空気を吐出するようになっている。

このように構成された気中ピーニング加工装置６１にあっては、レーザパルス光Ｌは可動ミラー６４によって照射方向を制御され、光学窓６５を介して被加工面２７に照射される。また、可動噴射ノズル６６により、液体（水）Ｗの噴射量と噴射角度を遠隔で調整できるようになっている。

この気中ピーニング加工装置６１によれば、被加工面２７が複雑な形状であっても、水の層が常に形成されるように噴流を制御することが可能である。また、レーザパルス光の照射位置の変更に伴って噴流の噴射方向を変更することが可能である。

なお、本実施形態においては、液体（水）Ｗの噴射量と噴射角度を遠隔で調整する構成としているが、噴射量と噴射角度の調整は、遠隔操作に限らず、ピーニング加工を行う現場で行うこととしてもよい。この場合は上述した作用と同様の調整をその場で行うこととなる。

次に、図６を用いて本発明の第６の実施の形態である気中ピーニング加工装置７１について説明する。なお、第１ないし第５実施の形態と同一構成の部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図６（ａ）は、タービンロータ７２の翼植込み部７３へ加工を行うための気中ピーニング加工装置７１の概念図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）中矢印Ｆ、Ｆ’方向の矢視図である。この気中ピーニング加工装置７１では、レーザパルス発振器７４、レーザパルス光を伝送するための柔軟な構造の光ファイバ７５および照射装置７６に加え、照射装置７６を遠隔で移動して位置決めを行うための照射装置移動機構７７をそなえている。この照射装置移動機構７７の先端部には、図６（ｂ）に示すように、一対の照射装置７６が設けられており、翼植込み部７３の両側にレーザ光を照射できるようになっている。また、この照射装置移動機構７７の先端部には一対の保持脚７７ａが設けられており、その先端にはローラ７７ｂがそれぞれ装着されている。そして、これらローラ７７ｂをタービンロータ７２に押圧して、照射装置移動機構７７の位置決めを行うようになっている。また、この気中ピーニング加工装置７１は、図示されない被加工面の照明装置（ランプ）および撮像装置（CCDカメラ）、映像表示および位置決め制御装置７８を有している。なお、レーザパルス光の伝送には、光ファイバに限らず複数の関節に反射ミラーを内蔵した多関節導光アームを用いてもよい。

このように構成された気中ピーニング加工装置７１にあっては、レーザパルス光の伝送に光ファイバ７５を用いたことにより照射装置７６を任意の位置に移動することが可能となった。照射装置７６を移動する照射装置移動機構７７は図示されない駆動モータにより遠隔で移動することができる。移動する際には照明装置および撮像装置により被加工面を映像表示および位置決め制御装置７８により観察しながら最適な位置にセットする。加工する際には、タービン動翼７９を取り外して翼植込み部７３に加工を行う。

この気中ピーニング加工装置７１によれば、大型の構造物に対しても遠隔で任意の位置に照射装置７６をセットして加工が可能となる。また、照明装置および撮像装置を設けたことにより、遠隔で被加工面を観察しながら最適な位置に照射装置をセットすることが可能となる。

次に、図７を用いて本発明の第７の実施の形態である気中ピーニング加工装置の施工について説明する。なお、他の実施の形態と同一構成の部分には同一符号を付してその説明を省略する。

図７（ａ）は、気中ピーニング加工装置を適用するタービンロータを示す斜視図であり、図７（ｂ）は翼植込み部にレーザ照射を行っている状態を示す斜視図である。

図７は、タービンロータの施工概念図である。本実施例では、図５に示す第５の実施の形態に記した気中ピーニング加工装置６１を用いて翼植込み部７３に加工を行う際、加工対象となるタービンロータ７２のロータシャフトを中心に回転して照射装置６２により照射を行う。また、照射装置６２にはレーザ式等の距離センサ８１が内蔵されている。

このように構成された本実施の形態において、タービン動翼を取り外した状態で順次タービンロータを回転し、溝部毎に回転方向にレーザ照射を行う。また、被加工面との距離を距離センサ８１により常時計測し、照射装置６２の位置を遠隔で自動調整する。

本実施の形態によれば、タービンロータ７２を回転することで照射装置を大きく移動することなく全ての翼植込み部の加工が可能となる。また、距離センサ８１により照射装置と被加工面の距離を測定して一定の範囲に保つことで、レーザパルスのエネルギー密度を応力改善に有効な範囲に常に保つことができる。

次に、本発明に係わる気中ピーニング加工方法を図面を参照しながら説明する。

図８は、レーザパルスのエネルギー密度と応力改善効果の関係を示す図で、レーザパルス光のパルスエネルギーが60mJ以上250mJ以下の範囲で、且つレーザパルスのエネルギー密度が１パルス当たり0.07J/mm²以上0.8J/mm²以下の範囲内においてタービンロータ材への気中ピーニング加工を行い、材料表面の応力状態を測定した結果である。黒丸で示した条件で加工を行った後に残留応力を測定し、材料表面から内部まで圧縮となって応力改善が有効であった。

なお、レーザパルスのエネルギー密度が大きくなると、レーザにより生成されるプラズマの圧力が高まる。一方、過度にエネルギー密度が大きくなるとレーザの入熱作用により極表面の応力が圧縮とはならなくなる。従って、レーザパルスのエネルギー密度は適正な範囲内に収める必要があり、0.01J/mm²以上1.5J/mm²以下の範囲、好ましくは0.07 J/mm²以上0.8 J/mm²以下の範囲とすることで本発明の効果を得ることができる。

次に、図９はレーザパルスの重畳数をパラメータにしてタービンロータ材への気中ピーニング加工を行い、材料表面の応力状態を測定した結果である。レーザパルスの重畳数が増すにつれて材料表面の残留応力が引張りから圧縮に変わり、ある程度重畳数が大きくなるとその効果は飽和していく傾向にある。

レーザパルスの重畳数が増すことで、同じ箇所にプラズマの圧力で衝撃を加える回数が増し応力改善効果も高まる。試験結果からは、レーザパルスの重畳数を４回以上で行うことによりタービンロータ材の応力改善が可能であることが分かる。

次に、図１０はレーザパルスのパルス幅を変えてタービンロータ材への気中ピーニング加工を行い、材料表面と深さ200μｍまでの応力状態を測定した結果である。パルス幅が5ns、8ns、10nsと変化しても応力値に変化はないことが分かる。

従って、レーザパルスの時間幅を5ns以上10ns以下の範囲で加工を行うことにより、同等のタービンロータ材の応力改善が可能であることが分かる。

本発明に係る第１の実施の形態を示す図であって、（ａ）は、その照射装置の断面概要図、（ｂ）は（ａ）中矢印Ａ，Ａ’方向の矢視図、（ｃ）は他の実施例を示す矢視図。 本発明に係る第２の実施の形態を示す図であって、（ａ）は照射装置の断面概要図、（ｂ）は（ａ）中矢印Ｂ、Ｂ’方向の矢視図。 本発明に係る第３の実施の形態を示す図であって、（ａ）は、照射装置の断面概要図、（ｂ）は（ａ）中矢印Ｃ、Ｃ’方向の矢視図。 本発明に係る第４の実施の形態を示す図であって、（ａ）は、照射装置の断面概要図、（ｂ）は（ａ）中矢印Ｄ、Ｄ’方向の矢視図、（ｃ）は（ｂ）の他の実施例を示す図。 本発明に係る第５の実施の形態を示す図であって、（ａ）は、照射装置の断面概要図、（ｂ）は（ａ）中矢印Ｅ、Ｅ’方向の矢視図。 本発明に係る第６の実施の形態を示す図であって、（ａ）は、タービンロータの翼植込み部へ加工を行うための気中ピーニング加工装置の概念図、（ｂ）は（ａ）中矢印Ｆ，Ｆ’方向の矢視図。 本発明に係る第７の実施の形態を示す図であって、（ａ）は、気中ピーニング加工装置置を適用するタービンロータを示す斜視図、（ｂ）は翼植込み部にレーザ照射を行っている状態を示す斜視図。 本発明に係るレーザパルスのエネルギー密度と応力改善効果の関係を示す図。 本発明に係るレーザパルスの重畳数と応力改善効果の関係を示す図。 本発明に係るレーザパルス幅と応力改善効果の関係を示す図。 レーザピーニングの原理を示す概念図。

符号の説明

Ｌ レーザパルス光
Ｗ 液体（水）
１２ 光ファイバ
１３ 照射装置
１８ 中間レンズ
１９ 中間レンズ
２１ 前面レンズ
２２ 水導管
２５ 噴射ノズル
２７ 被加工面
３２ 照射装置、
３７ 圧縮空気ノズル
４２ 照射装置
４３ ヒータ
５２ 照射装置
６２ 照射装置
６４ 可動ミラー
６６ 可動噴射ノズル
７２ タービンロータ
７３ 翼植込み部
７４ レーザパルス発振器
７７ 照射装置移動機構
７８ 制御装置
７９ タービン動翼
８１ 距離センサ

Claims (14)

1. レーザパルス光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザパルス光を気中にある被加工面近くまで伝送する導光系と、
   前記導光系からのレーザパルス光を取り込み、前記被加工面にレーザパルス光を照射する照射装置と、
   を備えた気中ピーニング加工装置であって、
   前記照射装置は、
   前記被加工面に液体を流すための噴流装置と、
   レーザパルス光を集光して出射するレンズと、
   前記レンズの近辺に設けられ前記レンズの表面に液滴が付着するのを防止する液滴付着防止装置と、
   を具備したことを特徴とする気中ピーニング加工装置。
2. 前記液滴付着防止装置は、飛散する液滴がレンズ表面に付着することを防止するため、レンズに向け気体を吹き付ける機構を具備することを特徴とする請求項１に記載の気中ピーニング加工装置。
3. 前記液滴付着防止装置は、飛散する液滴がレンズ表面に付着することを防止するための液滴を気化する機構を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気中ピーニング加工装置。
4. レーザパルス光を出射するレーザ発振器と、
   前記レーザパルス光を被加工面近くまで伝送する導光系と、
   前記導光系からのレーザパルス光を取り込み、気中に配置された前記被加工面にレーザパルス光を照射する照射装置と、
   を備えた気中ピーニング加工装置であって、
   前記照射装置は、前記被加工面に液体を流すと同時に前記被加工面に至るまでの前記液体中をレーザ光路とするための噴流装置と、この噴流装置から噴射される液体から気泡を除去する気泡除去手段とを有することを特徴とする気中ピーニング加工装置。
5. 前記気泡除去手段は、前記噴流装置の噴射口に設けられた開閉機構であることを特徴とする請求項４記載の気中ピーニング装置。
6. 前記噴流装置は、噴射する液量と噴流角度とを遠隔またはその場で調整できる機構を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置。
7. 前記導光系は複数の関節あるいは自らが柔軟な構造を有し、さらに遠隔で前記照射装置の位置決めを行うことができる移動機構を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置。
8. 前記気中ピーニング加工装置は、レーザパルス光を照射する被加工面を観察し照射位置を決めるための照明装置および撮像装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置。
9. 前記気中ピーニング加工装置は、レーザパルス光を照射する被加工面と照射装置の距離を測定するための測定装置を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置を使用して、レーザパルス光を導光系により伝送し、タービンロータ翼植込み部に照射し前記レーザパルス光を照射して材料表面に圧縮応力を付与する気中ピーニング加工方法において、ロータを回転若しくは導光系をロータ同一円周上に回転することにより施工することを特徴とする気中ピーニング加工方法。
11. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置を使用して、ピーニング加工を行う気中ピーニング加工方法において、前記照射装置からのレーザパルスのエネルギー密度を、１パルス当たり0.01J/mm²以上1.5J/mm²以下の範囲としたことを特徴とする気中ピーニング加工方法。
12. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置を使用して、ピーニング加工を行う気中ピーニング加工方法において、前記照射装置からのレーザパルスのパルスエネルギーを60mJ以上250mJ以下の範囲とし、且つレーザパルスのエネルギー密度を１パルス当たり0.07J/mm²以上0.8J/mm²以下の範囲としたことを特徴とする気中ピーニング加工方法。
13. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置を使用して、ピーニング加工を行う気中ピーニング加工方法において、前記照射装置から非加工部に照射されるレーザパルスの重畳数を４回以上としたことを特徴とする気中ピーニング加工方法。
14. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の気中ピーニング加工装置を使用して、ピーニング加工を行う気中ピーニング加工方法において、前記照射装置からのレーザパルスの時間幅を5ns以上10ns以下の範囲としたことを特徴とする気中ピーニング加工方法。

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