JP2007155743A - リアルタイムプロセス監視用のレーザ衝撃ピーニングプラズマ診断センサ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ衝撃加工中に、リアルタイムのピーニング品質および許容できないピーニング事象の原因を非破壊的に決定することのできるシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】レーザ衝撃事象を監視するためのシステムおよび方法が、コントローラ（１４）に接続された検出器（２０、７４、１１０）を含む。コントローラ（１４）は、検出器（２０、７４、１１０）から、加工物（２６、５６、１２０）でのレーザ衝撃事象に関連する放出（３６、７５、１２８）を示す信号を受け取るように構成される入力を含む。プロセッサ（１６、７６、１４０）が、その入力に接続され、放出（３６、７５、１２８）に関連する信号から許容できないピーニング事象の原因を決定するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）の有効性の測定に関し、より詳細には、加工される部品に結合されるレーザエネルギーの量にアクセスするために、ＬＳＰプロセス中に形成されるプラズマからの光放出をリアルタイムで監視するための、システムおよび方法に関する。

レーザ衝撃ピーニングまたはレーザ衝撃加工は、それによって衝撃波が部品または加工物の表面に当たり、その部品の外層内に圧縮残留応力の領域を生成するプロセスである。加工部品の外層内の圧縮残留応力は、繰返し疲労破壊に対する加工部品の耐用寿命を延ばすことが、よく理解されよう。当然のことながら、部品が疲労破壊に耐える能力は、衝撃波がその部品と結合する品質に一部、依存する。すなわち、部品の表面で衝撃波が適切に結合されない場合、その結果生じるピーニングプロセスのピーニングの品質が、有害な影響を受ける。

レーザ衝撃ピーニングプロセス中、高強度パルス発振レーザビームが、加工されるべき金属部品上に集束される。好ましくは、レーザビームのエネルギーの、加工される部品との結合を改善するために、加工される部品と接触して配置される吸収層およびその部品に隣接して配置される透明な閉込め層が使用される。集束レーザビームは、通常は水である閉込め層を通過し、吸収層に当たる。吸収層は一般に、テープ、ペイント、またはインクの薄い層またはコーティングから形成される。高ピーク出力レーザビームの、吸収層との相互作用により、プラズマが生成される。膨張するプラズマは衝撃波を作り出し、閉込め層がそれを部品に反射して戻し、初期衝撃波のかなりの部分が、加工される部品に確実に向けられるようにし、それにより、レーザのエネルギーによって生成される衝撃波の部品との結合を向上させる。当然のことながら、閉込め層のブレークダウン、吸収層のブレークスルー、および望ましくないレーザフルエンス値は、レーザエネルギーの部品との、望ましくない、予期しない、また場合によっては許容できない結合を招くおそれがある。

レーザ衝撃ピーニングの現在の慣行では、加工される部品が所望の加工効果を達成するために、網羅的な破壊試験を必要とする。すなわち、多くの部品が加工されるときは、加工部品の合計数のうちの精選されたいくつかが、それらの部品の残りの部品の品質を決定するために、不良について試験されることになる。このタイプの破壊試験はしばしば、実施および実行するのに、時間および費用がかかる。さらに、そのような試験は、リアルタイムで、加工される部品の個々のピーニング品質を示さない。不良試験される部品は、どんな試験の前も、完全に加工される。したがって、試験部品を不良試験する時間をとるために、後続の部品の加工が中断されることがあり、そうしないと、品質基準を満たさない部品を製造する可能性が続く可能性がある。加工手順の中断および／または品質基準を満たさない後続の部品の製造は、プロセス効率に有害な影響を与える。

他のシステムおよびプロセスでは、サンプル部品加工によって、プロセス効率を改善しようと試みる。すなわち、これらのシステムでは、はるかに小さい部品またはクーポンを加工し、そのクーポンを試験することによって、結合の品質を決定する。これらの手法により、品質制御のリアルタイムの側面が向上する。しかし、それらの手法ではまた、試験クーポンの結合の品質を、加工される実際の部品の結合と関連付けなければならない。そのような試験は、得られたデータが加工される実際の部品と関連付けられていないとき、誤ったデータ特徴づけおよび関連を招くおそれがある。さらに他のシステムでは、表面硬度値およびピーニング深さおよび形状データなど、加工部品の特性の測定によって、結合の品質を非破壊試験する。そのような手法では、結合品質におけるリアルタイムの変化を説明することができず、多くのピーニング部位のごくわずかだけしか分析しない。さらに他のシステムでは、パラメータおよび部品の加工中に得られたデータを監視し、精選された一群の部品を破壊試験し、加工中に得られた網羅的なデータを、破壊試験された部品のデータと比較する。

この手法は、一群の加工部品の各部品の品質比較を可能にするが、そのプロセスはまだ、制御品質データを得るために、精選された一群の部品の破壊試験を必要とする。これらのシステムは、部品の不良試験に比べて、ピーニングプロセスのリアルタイムの監視を提供し拡張するが、それらのシステムは、リアルタイムベースでの、またはピーニング性能における、望ましくない結果の原因を決定する能力を提供することができない。すなわち、レーザフルエンス、閉込め層ブレークダウン、または吸収層ブレークスルーのいずれかに関連する低いピーニング品質の原因を、ピーニング単位にリアルタイムで決定することができない。
米国特許第６０７５５９３号公報

したがって、レーザ衝撃加工中に、リアルタイムのピーニング品質および許容できないピーニング事象の原因を非破壊的に決定することのできるシステムおよび方法を設計することができれば、望ましいはずである。

本発明は、前述の問題を解決する、レーザ衝撃ピーニングプロセスをリアルタイム監視することのできるシステムおよび方法を提供する。プロセッサは、検出器から、加工物でのレーザ衝撃事象に関連する放出を示す信号を受け取るように構成される入力を含む。プロセッサは、その入力に接続され、放出に関連する信号から許容できないピーニング事象の原因を決定するように構成される。

本発明の一態様によれば、ピーニング品質監視システムが開示される。ピーニング品質監視システムは、検出器およびプロセッサから信号を受け取るように構成される入力を有する。その入力によって受け取られた信号は、加工物でのレーザ衝撃事象に関連する放出を示す。プロセッサは、その入力に接続され、許容できないピーニング事象をリアルタイムで監視しかつその信号から許容できないピーニング事象の原因を決定するように構成される。

本発明の別の態様では、レーザ源、検出器、プロセッサを有するレーザ衝撃加工システムが開示される。レーザ源は、加工物に向けたレーザビームの放出によってピーニング事象を開始するように構築され、検出器は、そのピーニング事象に関連する信号を得るように構成される。プロセッサは、その検出器に接続され、得られた信号からピーニング品質を決定し、許容できないピーニング品質の原因を決定するように構成される。

本発明のもう１つの態様では、レーザ衝撃ピーニング事象中に生成された放出を得る段階と、得られた放出を所望の放出と比較する段階と、得られた放出の、所望の放出との比較からピーニング性能を決定する段階とを含む、レーザ衝撃プロセスを監視する方法を開示する。

本発明のその他の様々な特徴、目的、および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面から、明らかになるであろう。

それらの図面は、本発明を実行するための、現在企図しているいくつかの実施形態を示す。

図１は、本発明によるレーザ衝撃ピーニングシステム１０を示す。システム１０は、それに接続されたコンピュータ１６を有するコントローラ１４に接続された、レーザ源１２を含む。そのレーザからのトランジスタ／トランジスタ論理回路（ＴＴＬ）パルスが検出器コントローラをトリガし、レーザパルスおよびピーニング事象の開始を示す。好ましくは、レーザ源１２は、約２〜２０ジュールのパルスを生成するように構成され、約２０マイクロ秒の持続時間だけ所望のパルスを持続することができる。当然のことながら、そのようなレーザ源は、単なる例示であり、様々な持続時間だけ様々なパルスエネルギーを生成するように構成される他のレーザ源も考えられ、特許請求の範囲に含まれる。

一実施形態では、検出器２０を有する分光計１８が、コントローラ１４に接続され、入口スリットを所期のピーニング部位２２に向けるようにして配置される。矢印２４で示されるレーザビームが、レーザ源１２から放出され、加工物２６に向けられる。レーザビーム２４は、レンズ２８によって加工物２６上に集束される。加工物２６に比較的間近に維持される吸収層３０および閉込め層３２が、レーザ源１２と加工物２６の間に配置される。吸収層３０は一般に、加工物２６に直接塗布される黒色ペイントまたはテープ層である。閉込め層３２は、透明材料で、しばしば水であり、吸収層３０とレーザ源１２の間に、吸収層３０に隣接して配置される。ノズル３４は、閉込め層３２の流れを、吸収層３０の全体にわたって向ける。

システム１０の動作中、レーザビーム２４が、レンズ２８によって吸収層３０上に集束される。吸収層３０上へのレーザビーム２４の衝突により、吸収層３０の少なくとも一部が蒸発し、それによって高温プラズマが生成される。プラズマが生成され、膨張するにつれて、吸収層３０でレーザビーム２４の衝突部位から外へと、衝撃波が一般に放射状に伝播する。閉込め層３２は、加工物２６から離れて伝播する一部の衝撃波を、加工物２６に向け直す。閉込め層３２はそれにより、ピーニングに関連する加工物２６中に残留圧縮応力を生成するためにレーザビーム２４のエネルギーが使用される効率を高める。

吸収層３０上へのレーザビーム２４の衝突によって生成されるプラズマは、形を成し冷えるにつれて、プラズマ成分、すなわち高エネルギー電子およびイオン、励起イオン、ならびに原子の脱励起に関連する光を放出する。レーザ誘導プラズマプルームから生成されるスペクトルは、レーザパルスの衝突後の観測時間に著しく依存して変わる。したがって、ピーニング事象が生じた後の観測時間を制御することによって、プラズマからの特定の放出を検出することができる。ピーニング事象後の最初の数十ナノ秒間に検出されるスペクトルは一般に、単調な連続である。その後、ピーニング事象に関連するイオン放出線がスペクトルを支配し、ピーニング事象後のさらに後程、原子放出線がスペクトルを支配する。したがって、時間分解分光法を使用し、プラズマの開始に続く特定の遅延に検出器２０をゲート制御することによって、対象のスペクトルを得ることができる。プラズマの作成後の所望の区間中だけスペクトルを得ることにより、早期の大きな連続放出をなくすことができるので、スペクトル分析中の望ましくないまたはバックグラウンドの放出の影響を最小限に抑えることができる。信号対バックグラウンドノイズは、対象の放出の存続期間にほぼ等しいゲート持続時間を選ぶことによって最大化される。

矢印３６で示される、レーザ衝撃プロセス中に作成されるプラズマプルームは、収集レンズ４０によって、分光計１８の入口スリット３８上に映し出される。分光計１８内に進んだ光３６は、回折格子（図示せず）に衝突し、その回折格子によって分散され、それにより、レーザピーニングプロセス中に蒸発する材料に特有なスペクトルを形成する。分散したスペクトルは、検出器２０の表面（図示せず）に向けられる。検出器２０は、対象のスペクトルが得られる指定時間だけオンにされるように、コントローラ１４のゲート４２によってゲート制御される。コントローラ１４は、対象のスペクトルがプラズマによって放出されるまで、検出器２０の動作が遅延されるように、遅延発生器４４を含む。コントローラ２０の遅延発生器４４は、検出器２０をオンにすることが、レーザビーム２４の発生と同期されるように、レーザ源１２および検出器２０に接続される。コントローラ１２のゲート４２は、レーザビーム２４の発生後の所望の時間に所望の持続時間だけ、検出器２０がオン／オフされるようにする。この分光計／ＩＣＣＤ検出器対を使用することにより、レーザフルエンスの変化と、吸収層ブレークスルーや閉込め層ブレークダウンなどのプロセス不良機構とによく相関した、プラズマからの時間分解放出が識別され、その時間分解放出により、レーザエネルギーが加工物にどの位結合されるかのリアルタイム監視がもたらされる。レーザ衝撃プロセスのそのような監視により、レーザ衝撃ピーニングプロセスの、リアルタイムでの実行中の監視および検出がもたらされる。したがって、検出器２０のゲート制御によって生成される遅延により、各ピーニング事象に関連する、レーザフルエンス、閉込め層３２の性能、および／または吸収層３０の性能の、個々のピーニング事象監視が可能になる。そのようにして、システム１０は、ピーニング性能のリアルタイム監視を提供する。

検出器２０は、コントローラ１４に検出器２０によって伝達される信号が処理されコンピュータ１６に送られるように、コントローラ１４に接続される。コンピュータ１６上に存在するソフトウェアが、受け取ったデータを分析し、検出器によって得られたスペクトルを提示する。さらに以下で論じられるように、コンピュータ１６は、得られたスペクトルを所望のスペクトルと比較して、そこから、各ピーニングの品質だけでなく、ピーニング性能または許容できないピーニング事象の原因も決定することができる。

１つまたは複数のスペクトル的および時間的分解信号が、ＬＳＰプロセスパラメータまたは不良機構と相関すると識別された後、分光計／ＩＣＣＤ検出器対を、対象の放出だけを得る検出器／フィルタ対と置き換えることができる。図２は、そのような検出器／フィルタ対を有する、本発明によるシステム５０の別の実施形態を示す。

図２に示されているように、レーザ源５２は、矢印５４で示されるレーザビームを、加工物５６に向けて放出する。レンズ５８は、加工物５６に塗布された吸収層６０上にレーザビーム５４を集束させる。透明材料の閉込め層６２、好ましくは矢印６４で示される水の流れが、吸収層６０および加工物５６に隣接して配置される。コントローラ６８は、遅延発生器７０と、レーザ源５２および光電子増倍管ＰＭＴベース検出器７４に同期される制御ゲート７２とを含む。ディスプレイ７６は、検出器７４に接続され、検出器７４によって受け取られる、矢印７１で示される特定の波長の光の量を示す信号を表示するように構成される。検出器７４は、一般にピーニング部位８１に向けられる入力開口７８を含む。レンズ８０は、入力開口７８とピーニング部位８１の間に配置され、入力開口７８上にピーニング部位８１で生成されたプラズマプルームを映し出す。

フィルタ８２が、レンズ８０と検出器７４の入力開口７８との間に配設される。加工物に結合されたレーザフルエンスおよび閉込め層ブレークダウン事象を監視するために、フィルタ８２は好ましくは、約４５５ｎｍを中心とする、半値全幅３ｎｍ狭帯域バンドパスフィルタである。検出器の遅延は好ましくは２μｓであり、ゲート幅は１０μｓである。テープブレークスルーを監視するために、フィルタ８２は好ましくは、３７０ｎｍを中心とする、半値全幅１０ｎｍ狭帯域バンドパスフィルタである。検出器の遅延は好ましくは１０μｓで、ゲート幅１０μｓである。当然のことながら、それぞれの事象に関連する遅延およびゲート幅はオーバラップするので、検出器／フィルタ対は、加工物に結合されたレーザフルエンスおよび１ピーニング事象あたりの水または閉込め層ブレークダウンのうちの１つに特有のデータを得る。それらのゲートおよび持続時間は単に好ましいものであり、他のゲートおよび持続時間、一般に１ナノ秒〜１００マイクロ秒も考えられ、特許請求の範囲に含まれることを、さらに理解されたい。さらに、識別された特定のフィルタは例示的なものであり、対象のどんな所望の波長の通過も可能にするように構成される他のフィルタも考えられることも理解されたい。

フィルタ８２は、レーザフルエンス、閉込め層６２ブレークダウン、および／または吸収層６０ブレークスルー事象など、特定のレーザ衝撃加工事象に関連する、明らかに識別可能なプラズマ放出が検出器７４に進むことを可能にするように、選択される。当然のことながら、フィルタ８２は、どんな波長の光の通過も可能にするように選択することができ、その場合、対象の放出は明らかに識別可能である。コントローラ６８のゲート７２は、検出器７４をオン／オフして、レーザフルエンス、閉込め層６２ブレークダウン、および／または吸収層６０ブレークスルーに関連する特定の放出の発生によって定義される、対象の区間で得られたプラズマ放出７５を示す信号を、ディスプレイ７６に出力する。したがって、システム５０は、システム１０のように、リアルタイムでピーニング固有の方式で、ピーニング性能またはレーザ衝撃プロセスの性能を監視するように構成される。

図３は、本発明のさらに別の好ましい実施形態を示す。図３に示されているように、レーザ衝撃加工システム１００は、遅延発生器１０６および制御ゲート１０８を有する検出器コントローラ１０４をトリガするレーザ源１０２を含む。コントローラ１０４は、光電子増倍管（ＰＭＴ）ベース検出器１１０に接続される。矢印１１２で示されるレーザビームは、レーザ源１０２から放出され、レーザビーム１１２をピーニング部位１１６に向けるように構成されるミラー１１４に向けられる。レンズ１１８は、レーザビーム１１２をピーニング部位１１６上に集束させる。ピーニング部位１１６は一般に、吸収層１２２、およびそれに隣接して配置され、一般に矢印１２４で示される水の流れである閉込め層を有する加工物１２０に近接する。エンクロージャ１２６は一般に、ピーニング事象に伴う破片およびはねた水がエンクロージャから漏れるのを避けるために、加工環境を隔離する。

矢印１２８で示される、レーザ衝撃ピーニング事象によって生成されたプラズマプルームは、エンクロージャ１２６を超えて進み、レンズ１１８およびミラー１１４を通過し、光１２８を検出器１１０に向ける別のミラー１３０に向けられる。光１２８は、別のレンズ１３４およびフィルタ１３６によってそれぞれ、検出器１１０の入口開口１３２上に映し出され、フィルタされる。加工物および閉込め層ブレークダウン事象に結合されたレーザフルエンスを監視するために、フィルタ１３６は好ましくは、約４５５ｎｍを中心とし、特定の波長の光がそれを貫通して検出器１１０に届くのを可能にするように構成される、３ｎｍ半値全幅狭帯域バンドパスフィルタである。検出器の遅延は好ましくは、２μｓであり、ゲート幅は１０μｓである。テープブレークスルーを監視するために、フィルタ１３６は好ましくは、３７０ｎｍを中心とする１０ｎｍ半値全幅狭帯域バンドパスフィルタである。検出器の遅延は好ましくは、１０μｓであり、ゲート幅は１０μｓである。当然のことながら、フィルタ１３６は、特定のプラズマ放出に関連する、対象以外の波長の通過を可能にするように選択することもできる。同様に、遅延およびゲート持続時間は、対象の放出を得るために選択され、１ナノ秒〜１００マイクロ秒とすることができ、あるいは、対象の放出がピーニング事象から放出され得るどんな遅延およびゲート持続時間でもよい。個々のピーニング品質を示すリアルタイム出力を提供するために、ディスプレイ１４０が検出器１１０に接続される。システム１０および５０に比べて、システム１００は、レーザビームをそれに向け、かつ所望のプラズマ光をそこから集めるために、ピーニング事象でただ１つの見通し線しか必要としない。そのようなシステムは、システムの構成要素の代替構成を提供し、同時に、レーザ源と検出および制御構成要素をどちらもピーニング事象から十分に距離を置くことを確実にする。また、以下でさらに論じられるように、コントローラ１０４、検出器１１０、およびフィルタ１３６は、レーザフルエンス、閉込め層１２４ブレークダウン、および／または吸収層１２２ブレークスルーに関連する、所望のスペクトルデータだけを得るために協調する。したがって、システム１００は、リアルタイムでピーニング品質を監視し、不十分なピーニング品質原因の識別を可能にするように構成される。

図４は、試験される波長およびレーザ衝撃加工信号強度の関数として得られたスペクトルのグラフを示す。図４に示されているように、レーザパルス衝突から検出器初期化までの好ましい遅延２μｓ、検出器の好ましい１０μｓゲート幅のアクティブ化、ならびに水閉込め層およびそれに塗布された吸収層をもつＴｉ−６−４サンプル部品上に集束されるレーザ１２を用いてシステム１０を使用することにより、波長約４５５．３８ｎｍに関連するピーク放出１４０がレーザフルエンスおよび閉込め層ブレークダウン事象にうまく相関し、吸収層ブレークスルーの場合、チタン放出がないことがわかった。当然のことながら、上記の事象に関連し得る、他の識別可能な放出も存在する。しかし、４５５ｎｍを中心とする３ｎｍ半値全幅フィルタを使用すると、システム５０および１００の場合と同様に、ピーク放出１４０に関連する放出が、明確に迅速に識別可能である。

図５に示されているように、システム１０で得られるピーニング信号強度およびシステム５０または１００で得られる電圧信号は、ピーニング事象のレーザフルエンスに個々にうまく相関する。すなわち、レーザフルエンスの関数として図４に示されているピーク放出１４０に関連するピーク振幅のプロットは、約４５５ｎｍでの放出に関連する、測定されたピーク強度とレーザフルエンスの間の比較的線形である関連を表している。曲線１４２に沿って存在する点は、レーザフルエンスの関数として所望のピーニング事象の存在を示す。さらに、曲線１４４および１４６上かつ／またはそれらの間に存在する値は、許容できるが所望未満のピーニング品質事象の存在を示す。当然のことながら、曲線１４４および１４６は、曲線１４２で表されるレーザフルエンスの関数として所望のピーニング事象に関連する検出器信号からの、検出器信号の逸脱の許容範囲１４８を提供するように、定義可能である。したがって、曲線１４４および１４６は、レーザフルエンスの関数として、許容できるが所望未満のピーニング事象となる許容検出器信号値の範囲を定量化する。言い換えれば、個々のピーニングピーク放出１４０のピーク振幅またはＰＭＴ信号を、そのピーニング事象に関連するレーザフルエンスと関連付けると、曲線１４４および１４６を超える結果値は、レーザフルエンスの関数としてピーニング単位で許容できないピーニング事象を示す。

システム１０、５０、および１００はまた、各ピーニング事象ごとの、閉込め層のリアルタイム性能も監視する。システム１０では、各ピーニング事象ごとに波長約４５５ｎｍでの分光計によって得られる放出のピーク振幅を比較すると、複数のレーザフルエンス値のそれぞれに対して、複数の緊密に関連するピーク放出が得られた。それに比べて、システム５０および１００では、複数のレーザフルエンスでの複数のピーニング事象を、オシロスコープディスプレイ上で測定される最大電圧と比較すると、それぞれのフルエンスに対して、複数のよく関連したピーニング事象が得られた。各システムは、いくつかの異常値１５０、すなわち図５の曲線１４４および１４６を超える値を提示した。

図４に示されているスペクトルのような、所望のピーニング事象の生成中に得られるスペクトルを、異常値１５０の生成中に得られるそれぞれのスペクトルと比較すると、各異常値の生成中に得られるスペクトルが、図４に示されているバックグラウンドスペクトル１５２に比べて、比較的大きなバックグラウンドスペクトルよりも大きい対象の放出を提示することが示唆された。異常値１５０に関連するスペクトルを、それぞれのレーザフルエンスでの意図的な閉込め層ブレークダウンによって得られるスペクトルと比較すると、それらの異常値は、閉込め層ブレークダウンを起こしたピーニング事象を示すものであることが示唆された。図５の曲線１４６の上方に存在し、システム１０を使って決定されるピーク強度、またはシステム５０もしくは１００で得られるＰＭＴ電圧を有する、異常値１５０に関連する値は、閉込め層ブレークダウンを示す。すなわち、レーザエネルギーは、閉込め層内でのプラズマ形成によって消散し、部品表面に届かず、それにより、ピーニング品質に有害な影響を与えなかった。当然のことながら、同等の部品では、ピーニング深さ、または部品の歪みが、レーザフルエンスに一部、直接関係する。同じレーザフルエンスで生成されるスペクトルにおける、より小さいレーザフルエンス値でも、所望の信号よりも大きい、大きなバックグラウンド信号を有するスペクトルであれば、レーザのエネルギーの一部が、部品に向けられずに、閉込め層中でのプラズマの形成で失われるという点で、より低い品質のピーニング事象を示すことになる。したがって、放出スペクトルを試験すると、閉込め層性能が決まる。

同様に、システム１０で、裸の部品に対して行われたピーニング事象および閉込め層だけを有する部品に対して行われた一連のピーニング事象から、一連のスペクトルが得られた。図６に示されているように、裸の部品へのレーザビームの衝突後に得られるスペクトル１５４は、幾分アクティブなバックグラウンド信号１６０よりも大きい２つのピーク放出１５６、１５８を含む。図７に示されているスペクトル１６６の放出ピーク１６２、１６４は、図６のスペクトル１５４に示されている同じピーク放出１５６、１５８を示す。図６に示されているスペクトル１５４と、図７に示されているスペクトル１６６とを比較すると、ピーク放出１５６、１５８および１６２、１６４は、閉込め層をもつピーニング事象中およびもたないピーニング事象中の、裸の部品からの放出に関連し、したがって吸収層ブレークスルーを示すことがわかる。すなわち、吸収層をもたず、水閉込め層をもつ部品およびそれをもたない部品から検出されたスペクトルを比較すると、その部品の元素組成の放出に関連する放出が、明らかに識別される。

ピーニングプロセス中の特定のピーニング事象中に得られるスペクトルでは、そのスペクトルがピーク放出１５６、１５８または１６２、１６４を含む場合、吸収層ブレークスルーが発生している。部品の加工中では、そのような放出の検出は、吸収層ブレークスルーを示し、その結果、望ましくないピーニングの影響を示すことになる。スペクトルが得られ、ピーク放出が存在しない場合、吸収層の所望の性能が確認されたことになる。当然のことながら、吸収層ブレークスルーに関連するピーク放出の値は、加工される部品の材料に関連するスペクトル放出に応じて変わることになる。すなわち、他の部品材料が、図６および７に示されている例示的なデュアルピーク放出よりも容易に識別可能な放出を有し得る。分析されるスペクトルについては、波長約３７０ｎｍを有する放出はチタン放出として容易に識別可能であることがわかっている。当然のことながら、プラズマ放出において部品の存在を示す他の放出も検出された。しかし、約３７０ｎｍでの放出が、吸収層ブレークスルーに関連するとして最も容易に識別可能であった。システム１０は、それが吸収層ブレークスルー事象を決定する際にスペクトルを使用する。システム５０および１００では、分光計／ＩＣＣＤ検出器対が、（この特定のケースでは）３７０ｎｍを中心とする狭帯域バンドパス光フィルタおよびゲート制御ＰＭＴと置き換えられる。吸収層ブレークスルーを監視するＰＭＴ信号の大きな増大は、吸収層ブレークスルー事象を示す。

システム１０、５０、および１００はそれぞれ、個々のピーニング事象に対するレーザフルエンス、閉込め層ブレークダウン、吸収層ブレークスルーのいずれかを監視するように構成されるレーザ衝撃加工システムを個々に提供する。すなわち、ピーニング事象のプラズマに関連する所望のスペクトルまたはスペクトル的にフィルタされた光の取得によって、その結果生じるピーニングの品質を決定することができるだけでなく、望ましくないピーニング結果の原因を容易に決定し、訂正することもできる。さらに、システム１０、５０、および１００はそれぞれ、任意選択のデータベースを備えることもできる。任意選択のデータベースは、システム１０、５０、１００のいずれかの検出器、プロセッサ、および／またはコンピュータのいずれかに接続し、放出信号および／またはそれに関連した分析を記録し維持するように構成することもできる。したがって、データベースは、複数の部品のうちの一部品の、複数のピーニングのそれぞれに対するピーニング品質履歴を提供することになる。さらに、データベースは、特定の放出に関連するデータをデータベースに記録するものと考えられ、データを複数のピーニング事象のうちの１つのピーニング事象および複数の部品のうちの１つの部品に関連付けている。したがって、システム１０、５０、および１００は、部品の各ピーニング事象の品質の履歴を監視し、かつ維持するものと考えられる。

したがって、本発明の一実施形態は、検出器およびプロセッサから信号を受け取るように構成される入力を有するピーニング品質監視システムを含む。その入力によって受け取られる信号は、加工物でのレーザ衝撃事象に関連する放出を示す。プロセッサは、その入力に接続され、許容できないピーニング事象をリアルタイムで監視しかつその信号から許容できないピーニング事象の原因を決定するように構成される。

本発明の別の実施形態は、レーザ源、検出器、およびプロセッサを有するレーザ衝撃加工システムを含む。レーザ源は、加工物に向けたレーザビームの放出によってピーニング事象を開始するように構築され、検出器は、ピーニング事象に関連する信号を得るように構成される。プロセッサは、検出器に接続され、得られた信号からピーニング品質を決定し、許容できないピーニング品質の原因を決定するように構成される。

本発明のもう１つの実施形態は、レーザ衝撃ピーニング事象中に生成された放出を得る段階と、得られた放出を所望の放出と比較する段階と、得られた放出の所望の放出との比較からピーニング性能を決定する段階とを含む、レーザ衝撃プロセスを監視する方法を含む。

本発明は、好ましい実施形態に関して述べてきたが、明記されたもの以外に、等価物、代替物、および改変物が可能であり、添付の特許請求の範囲に含まれることが理解されよう。

本発明の一実施形態による監視システムを有するレーザ衝撃ピーニングシステムの図である。 本発明によるレーザ衝撃ピーニング監視システムの別の実施形態の図である。 本発明の好ましい実施形態によるレーザ衝撃ピーニング監視システムの図である。 図１に示されているシステムで得ることが可能な、例示的なスペクトルのグラフである。 図４に示されているピーク放出に関連するレーザフルエンスおよび検出器出力のグラフである。 閉込め層および吸収層のない部品上へのレーザビーム衝突によって得られる例示的なスペクトルのグラフである。 水閉込め層を有するが吸収層を有さない部品上へのレーザビーム衝突によって得られる例示的なスペクトルのグラフである。

符号の説明

１０ レーザ衝撃ピーニングシステム
１２ レーザ源
１４ コントローラ
１６ コンピュータ
１８ 分光計
２０ 検出器
２２ 所期のピーニング部位
２４ レーザビーム
２６ 加工物
２８ レンズ
３０ 吸収層
３２ 閉込め層
３４ ノズル
３６ プラズマプルーム
３８ 入口スリット
４０ 収集レンズ
４２ ゲート
４４ 遅延発生器
５０ システム
５２ レーザ源
５４ レーザビーム
５６ 加工物
５８ レンズ
６０ 吸収層
６２ 閉込め層
６４ 水の流れ
６８ コントローラ
７０ 遅延発生器
７１ 特定波長の光量を示す信号
７２ 制御ゲート
７４ 光電子増倍管ＰＭＴベース検出器
７５ プラズマ放出
７６ ディスプレイ
７８ 入力開口
８０ レンズ
８１ ピーニング部位
８２ フィルタ
１００ レーザ衝撃加工システム
１０２ レーザ源
１０４ 検出器コントローラ
１０６ 遅延発生器
１０８ 制御ゲート
１１０ 光電子増倍管（ＰＭＴ）ベース検出器
１１２ レーザビーム
１１４ ミラー
１１６ ピーニング部位
１１８ レンズ
１２０ 加工物
１２２ 吸収層
１２４ 水の流れ
１２６ エンクロージャ
１２８ プラズマプルーム
１３０ ミラー
１３２ 入口開口
１３４ レンズ
１３６ フィルタ
１４０ ディスプレイ
１４２ 曲線
１４４ 曲線
１４６ 曲線
１４８ 逸脱の許容範囲
１５０ 異常値
１５２ バックグラウンドスペクトル
１５４ スペクトル
１５６ ピーク放出
１５８ ピーク放出
１６０ アクティブなバックグラウンド信号
１６２ 放出ピーク
１６４ 放出ピーク
１６６ スペクトル

Claims (10)

1. 検出器（２０、７４、１１０）から、加工物（２６、５６、１２０）でのレーザ衝撃事象に関連する放出（３６、７５、１２８）を示す信号を受け取るように構成される入力と、
   前記入力に接続され、許容できないピーニング事象をリアルタイムで監視しかつ前記信号から前記許容できないピーニング事象の原因を決定するように構成されるプロセッサ（１６、７６、１４０）と
   を備える、ピーニング品質監視システム。
2. 前記プロセッサ（１６、７６、１４０）が、前記許容できないピーニング事象の原因を、前記放出（３６、７５、１２８）に基づいて、閉込め層ブレークダウン、吸収層ブレークスルー、および許容できないレーザフルエンスのうちの少なくとも１つとさらに決定する、請求項１記載のピーニング品質監視システム。
3. 前記検出器（７４、１１０）が、フィルタ済み入力光電子増倍管であり、前記放出（７５、１２８）が、特定の波長の発光である、請求項１記載のピーニング品質監視システム。
4. 前記レーザ衝撃事象の場所と前記検出器（７４、１１０）の間に配設されるフィルタ（８２、１３６）をさらに備え、前記信号が、前記フィルタ（８２、１３６）を通過する対象の発光である、請求項３記載のピーニング品質監視システム。
5. 前記フィルタ（８２、１３６）が、４５５ｎｍを中心とする３ｎｍのＦＷＨＭフィルタおよび３７０ｎｍを中心とする１０ｎｍのＦＷＨＭフィルタのうちの少なくとも１つとしてさらに定義される、請求項４記載のピーニング品質監視システム。
6. 前記検出器（２０）が、それに接続されるインテンシファイア付き電荷結合素子を有する分光計であり、前記分光計が、前記放出（３６）からスペクトルを得る、請求項１記載のピーニング品質監視システム。
7. レーザ源（１２、５２、１０２）に接続されかつ選択された持続時間のレーザ起因プラズマ放出時間に合わせて前記検出器（２０、７４、１１０）の動作をゲート制御するように構成されるコントローラ（１４、６８、１０４）をさらに備える、請求項１記載のピーニング品質監視システム。
8. 複数のピーニングの各ピーニングごとに、前記レーザ源（１２、５２、１０２）から放出されるレーザビーム（２４、５４、１１２）が前記加工物（２６、５６、１２０）に衝突した後、所望の時間だけ前記検出器（２０、７４、１１０）の作動を遅延させるために、前記検出器（２０、７４、１１０）に動作可能に接続される検出器コントローラ（４４、７０、１０６）をさらに備える、請求項７記載のピーニング品質監視システム。
9. 前記加工物（２６、５６、１２０）にレーザビームが衝突した後の前記所望の時間が少なくとも約１ナノ秒であり、前記検出器コントローラ（４４、７０、１０６）により、前記検出器（２０、７４、１１０）が少なくとも１０マイクロ秒の持続時間だけ前記信号を得る、請求項８記載のピーニング品質監視システム。
10. ディスプレイ装置（１６、７６、１４０）に接続され、前記プロセッサ（１６、７６、１４０）が、前記ディスプレイ装置（１６、７６、１４０）上に前記許容できないピーニング事象の原因を表示するように構成される、請求項１記載のピーニング品質監視システム。

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