JP2007300093A - Lspのオンザフライエネルギー変更 - Google Patents

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Abstract

【課題】 1秒未満のエネルギーレベル間切換時間を実現するオンザフライのアナログスイッチング方法およびシステムとレーザ衝撃ピーニング用のレーザヘッドを提供する。
【解決手段】 アナログスイッチを、1秒未満の切換時間を実現する可変抵抗装置とともに用いる。本発明の優位性の1つは、エネルギーおよび時間効率の良いシステムをもたらす1秒未満の切換時間が、実現されることである。本レーザ衝撃ピーニング加工では、処理される線形領域間の標準休止中に切換が起きるので、切換目的用の遅延を起こさない。
【選択図】図5

Description

本発明は、一般にレーザ衝撃ピーニングに関し、詳細には、レーザ衝撃ピーニング加工の際に、レーザエネルギーレベルをその場で切り替えるためのオンザフライアナログスイッチングを行う方法及びシステムに関する。
レーザ衝撃ピーニング(あるいはレーザショック加工とも呼ばれる)は、物品の表面領域に深い圧縮残留応力の領域を発生させる方法である。典型的に、レーザ衝撃ピーニングは、高エネルギーからの1以上の放射パルス、即ち、1〜50ジュール以上のエネルギーのパルスレーザ光を用いて、物品の表面で強烈な衝撃波を発生させる。LSPの典型的な方法は、「材料特性を変化させること」と題された米国特許第3,850,698号、「レーザ衝撃加工」と題された米国特許第4,401,477号、および「材料特性」と題された米国特許第5,131,957号に開示されている。また、LSPの低エネルギーのレーザ光を使用することは、「低エネルギーレーザを用いるレーザ衝撃ピーニング」と題された米国特許第5,932,120号に開示されている。当該分野で理解されかつここで用いるレーザ衝撃ピーニングは、レーザ光の衝突点で爆発的な力を発生させて、その表面の薄い層またはプラズマを形成するその表面のコーティング(テープや塗料など)を瞬間的に除去または蒸発させることにより、レーザ光源からのパルスレーザ光を利用して表面の部分に強力な局所圧縮力を発生させることを意味する。
レーザ衝撃ピーニングは、ガスタービンエンジン分野での種々の用途について開発が行われており、その中には以下のようなものが含まれる。すなわち、「オンザフライレーザ衝撃ピーニング」と題された米国特許第5,756,965号、「レーザ衝撃ピーニング加工したガスタービンエンジンファンブレードエッジ」と題された米国特許第5,591,009号、「レーザ衝撃ピーニング加工したガスタービンエンジンコンプレッサブレードエッジ用のひずみ制御」と題された米国特許第5,531,570号、「ターボ機構部分用のレーザ衝撃ピーニング加工したロータ部品」と題された米国特許第5,492,447号、「粘着テープで覆われたレーザ衝撃ピーニング」と題された米国特許第5,674,329号、および「乾燥テープで覆われたレーザ衝撃ピーニング」と題された米国特許第5,674,328号などである。
「レーザピーニングシステムおよび方法」と題する米国特許第4,937,421号に開示されるように、レーザ衝撃ピーニングは、疲労破壊に対する物品の抵抗を著しく増加させることが公知である、物品の外側表面に圧縮応力を加えた保護層を作るために用いられている。これらの方法は典型的に、物品全体に流れる水のカーテンを用い、またその他の方法のいくつかではプラズマ閉じ込め媒体を形成する。この媒体により、プラズマは、塑性変形を引き起こす衝撃波圧力と、レーザ衝撃ピーニング効果を成す関連する残留応力パターンとを急速に実現することが可能となる。レーザ衝撃ピーニング加工する部品の材料の大半に衝撃波を発生させる加工を閉じ込めて再指向させ、有益な圧縮残留応力を発生させるために、水のカーテンは閉じ込め媒体を形成する。
急速に拡大するプラズマからの圧力パルスは、移動する衝撃波を部品に与える。レーザパルスにより起きるこの圧縮衝撃波は、部品の深くに塑性圧縮ひずみを引き起こす。これらの塑性ひずみは、材料の動的弾性率と一致する残留応力を発生させる。レーザ衝撃ピーニング加工した工業部品中の残留圧縮応力については多くの有益な利点が実証され、また特許化されている。これらの包括的な圧縮応力は、部品中の残留引張応力と平衡を保っている。追加された残留引張応力は、部品の疲労に対する能力を局所的に低下させるため、部品の疲労に対する能力は低下および/または最低になる。
レーザ衝撃ピーニングは、特定の課題を解決するために、部品上の選択的な場所で行う。平衡を保っている引張応力は、レーザ衝撃ピーニング加工した領域の端で通常発生する。引張応力の小さくて狭いバンドや線は、パッチの端に沿って、レーザ衝撃ピーニング加工したパッチ領域に最隣接する領域に集中する。広範な有限要素解析が行われて、これらの引張応力がどこに存在するかが究明され、また引張バンドが物品や部品の不活性な部分で終わるように(即ち、曲げ、ねじり、あるいはその他の振動モードの1つにおいて高応力線上ではないように)、LSPパッチが設計されかつ寸法が入れられた。レーザ衝撃ピーニング加工した領域とレーザ衝撃ピーニング加工していない領域との間の遷移領域において、これらの引張応力レベルを減少させることが望ましい。
レーザピーニング加工の際には、レーザヘッドが、直線運動で、処理する領域全体を移動する。各直線空間の間の時間遅延は、約1秒である。レーザ衝撃ピーニングを用いるほとんどの用途では、レーザ衝撃ピーニング加工する選択領域用に、種々のエネルギーレベルおよびレーザヘッドが必要である。あるエネルギーレベルをいくつかの直線領域に用い、その後、次の直線領域用の別のエネルギーレベルあるいは別のレーザヘッドに切換える。直線領域間の遅延時間は約1秒であるので、レーザヘッド間またはエネルギーレベル間の切換をその1秒の遅延以内に行い、最適なエネルギー使用と最も効率的なシステムを確保すべきである。過去には、切換を容易にするためにデジタルスイッチを用いたが、これらのデジタルスイッチに対する時間調節は1秒よりも長く、そのため、エネルギーレベルおよびレーザヘッド切換に対する切換遅延の際に、エネルギー及び時間の損失が発生した。
米国特許第6,711,189B1号公報 米国特許第6,700,916B1号公報 米国特許第6,479,790B1号公報 米国特許第6,462,825B1号公報 米国特許第6,151,345号公報 米国特許第5,987,042号公報 米国特許第5,936,986号公報 米国特許第5,689,330号公報 米国特許第4,601,037号公報 米国特許第4,517,436号公報 米国特許第2005/0092724A1号公報 米国特許第2005/0045607A1号公報 米国特許第2004/0262277A1号公報 米国特許第2004/0238509A1号公報 国際公開特許第03/058827A2号公報
それゆえ、エネルギーレベル間およびレーザヘッド間の切換を、線形領域間の遅延の際に達成できるように、1秒未満の切換時間を実現する切換機構に対する需要がある。
本発明の1つの実施形態は、レーザ衝撃ピーニング工程においてレーザ装置を制御する方法を目的としている。本方法は、レーザ衝撃ピーニング加工を行うように構成されたレーザ装置であって、第1のインピーダンスを持ちかつ第1のエネルギーレベルを実現するように構成された第1の回路を有するレーザ装置を提供する段階からなる。次の段階は、第2のインピーダンスを持ちかつ、第2のインピーダンスを第1の回路に接続して第2のエネルギーレベルを実現するか、あるいは第2のインピーダンスを第1の回路から分離するように構成された切換機構を備える第2の回路を、第1の回路に接続することからなる。次の段階は、切換機構が第2のインピーダンスを1秒未満で分離するように切換機構を制御することからなる。次に、本方法は、切換機構によって第2のインピーダンスが分離されたことに応答して、第1のエネルギーレベルでレーザ装置を作動させ、切換機構が第2のインピーダンスを1秒未満で接続するように切換機構を制御し、さらに第2のインピーダンスが接続されたことに応答して、第2のエネルギーレベルでレーザ装置を作動させる段階からなる。
本発明の別の実施形態は、レーザ衝撃ピーニング加工に用いるレーザ装置のレーザヘッドのパワーレベルを制御するシステムを目的としており、第1のインピーダンスを有する第1の回路であって、レーザ装置の第1の出力パワーレベルを発生させるように構成された第1の回路と、第2のインピーダンスを有する第2の回路と、第1の回路と第2の回路とを接続あるいは切り離すように構成されて配置される切換装置とを備えるシステムにおいて、切換装置は、第2の回路を第1の回路に1秒未満で接続し、かつ第2の回路を第1の回路から1秒未満で切り離し、さらに第2の回路を第1の回路に接続することにより、レーザ装置から第2の出力パワーレベルを発生させる。
本発明のさらに別の実施形態は、レーザ衝撃ピーニング加工に用いるレーザ装置のレーザヘッドのパワーレベルを制御するシステムを目的としており、信号を発生させてレーザヘッドを起動させるように構成されたレーザ制御コンピュータと、トリガー信号をレーザ制御コンピュータから受信し、所定の遅延をトリガー信号中に取り込んで遅延したトリガー信号を発生させるように構成されたデジタル遅延発生器と、遅延したトリガー信号を受信し、レーザヘッドに発射信号を供給してレーザヘッドの作動を開始するように構成されたレーザパルス形成回路網充電器と、所定の遅延をデジタル遅延発生器に供給するように構成された制御機構とを備えるシステムにおいて、所定の遅延は、レーザヘッドの出力パワーレベルを制御するために用いる。
本発明の優位性の1つは、アナログスイッチにより実現される切換時間の減少である。アナログスイッチが1秒未満の最大切換時間を実現することにより、レーザ衝撃ピーニング加工の自然休止中に、不要な遅延を起こすことなく、レーザヘッドまたはエネルギーレベルを切り換えることが可能になる。
本発明の別の優位性は、1秒未満の切換時間にために、加工中にエネルギーが節約されることである。システムは、処理される線形領域間で起きる切換を待つ必要がないため、システムは、アイドリング無しに連続的に動作する。
本発明のさらに別の優位性は、システムの効率性である。切換時間が1秒未満であるため、システムは、無駄な時間やエネルギーを費やすことなく連続的に動作し、それにより最適に効率的なシステムを創り出す。
本発明のその他の特徴及び優位性は、本発明の原理を例として示す添付図面とともに、次の好適な実施形態のより詳細な説明から、明らかになるであろう。
可能な限り、同じまたは類似の部品には、全ての図面において、同じ参照番号を用いる。
図1を参照すると、レーザ衝撃ピーニングは、2つの高エネルギーレーザ光2を発射すること含む。各高エネルギーレーザ光2は、塗料の層55および水の層60に覆われた表面54の先端(LE)の両側で、表面54に関して±数ミル焦点をぼかしている。図2に示すように、塗料層55は吸収層として働き、水の層60は閉じ込め媒体として働く透明層である。レーザ光2からのレーザパルスが塗料層55と水の層60の薄い吸収オーバーレイと干渉すると、表面プラズマが生じる。プラズマが広がるにつれて、衝撃波が表面54中に励振される。水の透明層60は、レーザ放射に対して透明であるため、衝撃波の強度を著しく増加させる。再び図1を参照すると、レーザ光2は、通常大きさがギガワット/cmのオーダーのピークパワー密度を有し、好適に流水21のカーテンである水の透明層60を通して発射される。塗料は除去されてプラズマを発生させることにより、材料の表面54上に衝撃波が起きる。これらの衝撃波は、流水21のカーテンにより、塗装された表面54に再び向かい、塗料層55の下の材料表面54中に移動する衝撃波(圧力波)を発生させる。これらの衝撃波の振幅と量は、表面材料37中の圧縮応力の深さと強度とを決める。
図1は、本発明の1つの実施形態による、表面材料54を連続的に移動および位置決めしてレーザ衝撃ピーニングを「オンザフライ(on the fly)」で実現するために用いる従来のロボットアーム27に取付けた、処理すべき表面材料54を有する装置1を示す。先端(LE)のレーザ衝撃ピーニング加工した表面54は、除去できる塗料層55で塗装されている。次に、表面材料54を、表面54上の流水21のカーテンを通して 固定されたレーザ光2を連続的に発射しながら、連続的に移動させて、重なり合うレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58を形成する。流水21のカーテンは、従来の給水管19の終端で従来の水ノズル23により供給されるように例示されている。レーザ衝撃ピーニング装置1は、発振器、プリアンプ、前記増幅されたレーザ光2を2つのビーム光学透過回路中に供給するビームスプリッタを有する従来の発生器31を備える。ビーム光学透過回路は、それぞれ、レーザ衝撃ピーニング加工した表面54上のレーザ光2を制御により透過させかつ焦点合わせを行う光学素子を含む、第1および第2の増幅器と光学素子35を備える。除去された塗料材料は、流水21のカーテンにより洗い流される。
図3を参照すると、レーザは、順次、あるいは「オンザフライ」で、急速に発射されるので、レーザ衝撃ピーニング加工した表面54は、表面を塗装する2つ以上の連続操作で、レーザ衝撃ピーニング加工される。その後、隣接するレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58が異なる連続操作で打ち込まれるように、表面54上でレーザ光2を連続的に発射しながら、表面材料54を連続的に移動させる。レーザ衝撃ピーニング加工した表面は、レーザ光2により処理される先端(LE)を有する。図3と4は、そのような4つの連続操作S1〜S4のレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58(円により示す)のパターンを示す。図4において、点線で示すその他の連続操作の円とは対照的に、S1連続操作は実線の円で示され、横列の中心線62に沿ったそれらの対応する中心Xを有するレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58は、隣接する円形スポット58が無いという特徴が示されている。連続操作のパターンは、レーザ衝撃ピーニング加工した表面54を完全に覆っている。重なり合うレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58の横列64中において、レーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58は、直径Dを有する。パターンは、レーザ衝撃ピーニング加工した表面54上の重なり合うレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58の多数の重なり合う横列64である。第1の重なりは、所定の横列における隣接するレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58間のものであり、隣接するレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58の中心X間の第1のオフセットO1により一般に定義され、直径Dの約30%〜50%あるいはそれ以上外れる。第2の重なりは、隣接する横列における隣接するレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58間のものであり、隣接する横列の中心線62間の第2のオフセットO2により一般に定義される。第2の重なりは、用途、およびレーザ光の強度あるいは送りの滑らかさに依存して、直径Dの約30%〜50%外れる。第3の重なりは、隣接する横列64における隣接するレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58の中心X間の線形オフセットO3の形をとり、特定の用途に依存して、直径Dの約30%〜50%外れる。
図4を参照すると、全パターンを覆うためにいくつかの連続操作が必要であり、レーザ衝撃ピーニング加工した表面54の再塗装がレーザ発射の各連続操作間で行われる。各連続操作用のレーザ発射は、多数のレーザ発射あるいは、しばしば「繰返し」と呼ばれる発射間の期間を伴うパルスを有する。繰返しの際に、次のレーザ衝撃ピーニング加工する円形スポット58の位置で次のパルスが発生するように、その部分を移動させる。好適には、その部分を、連続的に移動させて、レーザ光のパルスあるいは発射において適切な位置になるようにタイミングを合わせる。各連続操作における1回以上の繰返しにより、各レーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット58には2回以上の打ち込みが可能となる。材料表面が比較的薄い(例えば、0.04”以下)場合には、LSPパッチにより覆われる領域の加工の際に、レーザエネルギーを変化させることが必要である。本発明により、発射の異なる連続操作に対して必要なレーザヘッド間およびエネルギーレベル間で、レーザ2を切換えることが可能となる。レーザヘッド切換の際に、レーザ衝撃ピーニング加工には、1秒未満の遅延がある。
図5を参照すると、本発明の1つの実施形態は、1秒未満でレーザエネルギーレベルを変化させることが可能なアナログ回路である。この短い切換時間は、レーザパルス形成回路網制御手段80から電圧を受け取り、かつインピーダンス回路を通った後にレーザパルス形成回路網制御手段80に電圧を戻すように接続されるアナログ回路を備えることにより達成される。レーザ上にある既存のインピーダンスまたは抵抗70と直列な外部インピーダンスまたは抵抗68を有することにより、アナログ回路が動作する。さらに、3つ以上のエネルギーレベルがレーザヘッドに必要な場合には、所望のエネルギーレベル用に構成された付加外部インピーダンスまたは抵抗および対応する制御リレーを、外部インピーダンスまたは抵抗68およびその対応する制御リレーと並列に接続する。好適な実施形態において、異なるエネルギーレベルは、レーザ制御上に位置する電流抵抗器と直列な外部抵抗器を切換えることにより得られる。レーザ制御上に位置する電流抵抗器と直列な抵抗器は、レーザヘッドに達する電圧レベルを変化させることにより、レーザ衝撃ピーニング用途に対するレーザのエネルギーレベルを制御する。各制御リレー76、78に対する2つの制御出力72、74は、回路中に含まれる。第2のリレー78が作動してパルス形成回路網(PFN)制御が開回路になることを妨げる前に、第1のリレー76を作動させることが必要である。一時的な開回路の発生により、レーザからのエラーおよびレーザピーニングシステムにおいてエラーが生じる。
図6を参照すると、本発明は、第2の概略構成において配置されるアナログ制御器または回路も備える。この回路も、レーザエネルギーレベルを1秒未満で変化させることが可能である。レーザが表面上の次の区画または横列に移動して繰返し間のレーザ衝撃ピーニングを行うとき、この1秒未満の切換は、レーザが既に遅延している期間中に起きる。外部インピーダンスまたは抵抗68および対応する制御リレーは、レーザ制御装置上に位置する既存のインピーダンスまたは抵抗70と並列に配置される。レーザ制御上に位置する電流抵抗器と並列な外部抵抗器は、レーザヘッドに達する電圧レベルを変化させることにより、レーザ衝撃ピーニング用途に対するレーザのエネルギーレベルを制御する。このアナログ回路は、システム中で制御される各レーザヘッドに対して同じものが設けられる。さらに、3つ以上のエネルギーレベルがレーザヘッドに必要な場合には、所望のエネルギーレベル用に構成された付加外部インピーダンスまたは抵抗およびその対応する制御リレーを、外部インピーダンスまたは抵抗68と並列に接続する。この構成の利点は、1つの必要なリレー76装置において、PFN制御手段が開回路になることを妨げるために、1つの制御出力72だけですむことである。CNC制御またはロボット制御をこの回路とともに用いることができ、コンデンサなどのその他の装置は、同様に回路中に接続してもよい(例えば、RC時定数回路とともに用いる)。
図7を参照すると、本発明は、レーザヘッド94の出力パワーレベルを制御してレーザのエネルギーレベルを変化させるデジタル制御器も備える。デジタル制御器は、レーザ制御コンピュータ92と充電/パルス形成回路網82との間に位置する外部遅延発生器83のスイッチを入れて作動させる。この回路網は、レーザピーニング加工の作業中にレーザ増幅器ヘッド94を点滅させる。レーザ制御コンピュータ92は、信号を発生してレーザヘッド94を作動させ、レーザを発射させる。デジタル遅延発生器83は、レーザ制御コンピュータ92からトリガー信号を受信して、所定の遅延をトリガー信号に取り込むことにより、遅延のあるトリガー信号を形成する。次に、レーザパルス形成回路網82は、遅延されたトリガー信号を受信し、信号をレーザヘッド94に供給してレーザの発射を起動する。ロボット制御またはCNC84は、設定または変更可能な所定の遅延を、デジタル遅延発生器83に提供するために用いる。
好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲内において種々の変更が可能であり、かつ等価物により本発明の要素を代替可能であることは、当該分野の技術者には理解できるであろう。さらに、本発明の本質的な範囲内において種々の変形を行い特定の材料または材料を本発明の教示に採用することも可能である。そのため、本発明は、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された特別な実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の請求項の範囲内に収まるすべての実施形態を含むことが意図されている。
本発明で使用可能なレーザ衝撃ピーニングシステムの図である。 レーザ衝撃ピーニング用の表面上の水の層および塗料層の図である。 表面に沿ってレーザ衝撃ピーニング加工した表面上のレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポットのパターンの図である。 所定のシークエンス内において重ならないレーザ衝撃ピーニング加工した円形スポットの4つのシークエンスを有する特定パターンの図である。 第1のアナログスイッチング方法の概略図である。 第2のアナログスイッチング方法の概略図である。 デジタルスイッチング方法の概略図である。
符号の説明
1 装置
2 レーザ光
19 給水管
21 流水カーテン
23 水ノズル
27 ロボットアーム
31 従来の発生器
35 光学素子
54 表面材料
55 塗料層
58 レーザ衝撃ピーニング加工した円形スポット
60 水の層
62 横列の中心線
64 横列
68 外部インピーダンスまたは抵抗
70 既存のインピーダンスまたは抵抗
72 第1の出力
74 第2の出力
76 第1の制御リレー
78 第2の制御リレー
80 回路網制御手段から
81 回路網制御手段に戻す
82 充電/パルス形成回路網
83 外部遅延発生器
84 CNC/ロボット制御
86 レーザ制御コンピュータ
88 トリガー線
90 レーザヘッド
92 レーザ制御コンピュータ
94 レーザ増幅器ヘッド

Claims (10)

  1. レーザ衝撃ピーニング加工に用いるレーザ装置(1)のレーザヘッド(90)のパワーレベルを制御するシステムであって、
    第1のインピーダンス(70)を有し、レーザ装置(1)の第1の出力パワーレベルを発生させるように構成された第1の回路と、
    第2のインピーダンス(68)を有する第2の回路と、
    第1の回路と第2の回路とを接続あるいは切り離すように構成されて配置された切換装置とを備え、
    切換装置は、第2の回路を第1の回路に1秒未満で接続し、かつ第2の回路を第1の回路から1秒未満で切り離し、
    第2の回路を第1の回路に接続することにより、レーザ装置(1)から第2の出力パワーレベルを発生させることを特徴とするシステム。
  2. 切換装置は、第1の回路と直列に、第2の回路を接続するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  3. 切換装置は、第2のインピーダンス(68)と直列に接続される第1の制御リレー(76)と、第2のインピーダンス(68)と並列に接続される第2の制御リレー(78)とを備えることを特徴とする請求項2に記載のシステム。
  4. 第1の制御リレー(76)は常時開制御リレーであり、第2の制御リレー(78)は常時閉制御リレーであることを特徴とする請求項3に記載のシステム。
  5. 切換装置は、第1の回路と並列に、第2の回路を接続するように構成されたことを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  6. 切換装置は、第2のインピーダンス(68)と直列に接続される第1の制御リレー(76)を備えることを特徴とする請求項5に記載のシステム。
  7. 第1の制御リレーは、常時閉制御リレーであることを特徴とする請求項6に記載のシステム。
  8. 第1のインピーダンス(70)は第1の抵抗であり、第2のインピーダンス(68)は第2の抵抗であることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
  9. 第1の出力パワーレベルは、第1の回路と直列に接続される第2の回路に応答する第2の出力パワーレベルより大きく、
    第1の出力パワーレベルは、第1の回路と並列に接続される第2の回路に応答する第2の出力パワーレベルより小さいことを特徴とする請求項8に記載のシステム。
  10. 付加インピーダンスを有する少なくとも1つの付加回路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のシステム。
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