JP2010247213A - レーザピーニング施工装置及びレーザピーニング施工方法並びに金属材料製品 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物を水中に浸漬する、あるいはコーティングするといった準備の必要がなく、機器の設置にも手間を要さないから、現地で構築中または構築後の機械部品や鋼構造物を加工対象とする場合でも、簡便で安全かつ確実なレーザピーニング加工ができる。
【解決手段】レーザ光10を通す光ファイバ４と、透明液11を通すホース５と、光ファイバを通過したレーザ光を集光させるレンズ６とを内蔵した筒状の胴体部２と、これの先端に連結されて前記レンズと被加工物との間隔空間を囲み、該囲み内に前記ホースを通過した透明液を充満させて前記光ファイバを通過したレーザ光の伝播媒体とする筒状の頭部３とからなるハンディ施工筒１を有するレーザピーニング施工装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザピーニング施工装置に関し、特に、現地で構築中または構築後の機械部品や鋼構造物（船舶、建築構造物、橋梁等）を対象として疲労寿命を延命化させるためのレーザピーニング加工を簡便に行いうるレーザピーニング施工装置に関する。

近年、機械部品や鋼構造物に加わる応力または熱の繰り返しに起因する金属疲労による破損事故が多数発生している。このような状況の中、鋼材等の金属材料の延命化技術が必要とされている。この延命化技術の１つとして、従来、特許文献１，２，３に記載されているようなレーザピーニング技術が知られている。
特許文献１に記載の技術は、被加工物を透明液中に設置し、前記被加工物表面上で照射位置を変えながらパルスレーザ光を照射して前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させることを特徴としている（特許文献１：特許請求の範囲）。

照射されている瞬間に被加工物の表面ではパルスレーザ光が吸収され、瞬時にごく表面のみが加熱され、急激に蒸発し高温高圧のプラズマが発生する。この瞬間的な高温プラズマの噴出によりその反力として衝撃力が被加工物に加えられる。この衝撃力により被加工物の表面は、圧縮され、塑性変形されることが基本的な現象理解である（特許文献１：［0012］）。これにより、圧縮残留応力が被加工物の表面に与えられる（特許文献１：［0013］）。この現象が発生する場において、透明液体はそれの持つ慣性力により、発生したプラズマを閉じ込める効果がある。透明液体中では、気中や真空中で照射する場合に比較して数１０倍以上の衝撃力が得られる。また、透明液体の冷却作用によりレーザ光の照射による熱影響を最小限にすることが可能である。このようにして被加工物の表面に圧縮応力を残留させることができる（特許文献１：［0014］）。

特許文献２に記載の技術は、「透明」をレーザ衝撃ピーニングに使用するレーザビームに対して透明であると定義した上で、透明閉じ込め層から離間したアブレーション媒体層と、これらの間にある透明液体閉じ込め媒体とを有する一体型レーザ衝撃ピーニングコーティングである（特許文献２：特許請求の範囲）。
これによれば、コーティングされた基板上に十分な出力でレーザビームを発射することにより、レーザ衝撃ピーニング面から基板内へ延びる深い圧縮残留応力を有する領域を形成する、アブレーション媒体層の少なくとも一部を気化する（特許文献２：［0006］）。本方法は、エーロフォイル（基板、動翼）の表面に目に見える影響や損傷を与えることなく、未使用のテープまたはほぼ未使用のテープ（アブレーション媒体層）のみをアブレーションできるように構成される。これは動翼の動作に好ましくない空力作用を及ぼすおそれのある、レーザによる小さな欠陥または再溶解さえも防止するためである（特許文献２：［0018］）。

特許文献３の技術は、金属物体に対するレーザピーニング処理において、レーザビームの照射スポットの重畳処理を２回に分けて行うものであり、これによれば、第１回目の重畳照射処理により、十分な残留圧縮応力の導入深さを得た後に、第２回目の重畳照射処理を行うことで、内部に比べて低下している被加工材表面付近の残留圧縮応力を補強しさらに強化するので、寿命が長い金属物体を製造することができる（特許文献３：［0008］）。

特開平７−２４６４８３号公報 特開２００６−１５９２９０号公報 特開２００８−１７８８８８号公報

上記従来のレーザピーニング技術は、鋼構造物、機械部品の応力の繰り返しを受ける金属疲労に対する長寿命化のための有力な手法として確立されたものである。しかしながら、レーザによる衝撃波を対象物に効率的に付与するために、被加工物をコーティング材で被覆する（特許文献２）か、被加工物を水中（透明液中）に設置する（特許文献１，３）などの必要があり、準備や機器の設置に非常な手間や費用がかかる。そのため、従来のレーザーピーニング技術では、現地で構築中または構築後の機械部品や鋼構造物が被加工物となる場合、簡便に施工するのが困難であるという課題があった。

本発明者らは前記課題を解決するための手段を鋭意検討し、その結果、レーザピーニングに用いる装置において、被加工物の手前に位置するレーザ通過点から被加工物面内に位置するレーザ集光点までのレーザ光路を囲む部分をハンディな筒型として、該筒内に透明液例えば水を通流させる構造とすることで、簡便で安全かつ確実なレーザピーニング施工が可能であることに想到し、この知見に基づいて、以下の要旨構成になる本発明をなした。
［請求項１］ レーザピーニング施工装置であって、レーザ光を通す光ファイバと、透明液を通すホースと、前記光ファイバを通過したレーザ光を集光させるレンズとを内蔵した筒状の胴体部と、該胴体部の先端に連結されて前記レンズと被加工物との間隔空間を囲み、該囲み内に前記ホースを通過した透明液を充満させて前記光ファイバを通過したレーザ光の伝播媒体とする筒状の頭部とからなるハンディ施工筒を有することを特徴とするレーザピーニング施工装置。
［請求項２］ 前記筒状の頭部は、透明な材料からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング施工装置。
［請求項３］ 前記筒状の頭部の先端に、レーザ光通過用の貫通孔を有する軟質高分子層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザピーニング施工装置。
［請求項４］ 前記筒状の頭部は、先端形状の相異なる複数のものが用意されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザピーニング施工装置。
［請求項５］ 請求項１〜４のいずれか１項に記載されたレーザピーニング施工装置を用いてレーザピーニング加工することを特徴とするレーザピーニング施工方法。
［請求項６］ 請求項５に記載されたレーザピーニング施工方法によりレーザピーニング加工されてなる金属材料製品。

本発明によれば、被加工物を水中に浸漬する、あるいはコーティングするといった準備の必要がなく、機器の設置にも手間を要さないから、現地で構築中または構築後の機械部品や鋼構造物を加工対象とする場合でも、簡便で安全かつ確実なレーザピーニング加工が可能である。

本発明のレーザピーニング施工装置の１例を示す模式図 頭部先端部分の好適構造の１例を示す模式図 本発明によるレーザピーニング施工方法の実施形態の１例を示す模式図

図１は、本発明に用いるハンディ施工筒の１例を示す概略断面図である。ハンディ施工筒１は、筒状の胴体部２と、胴体部２の先端に連結された筒状の頭部３とからなる。胴体部２は、レーザ光10を通す光ファイバ４と、透明液11を通すホース５と、光ファイバ４を通過したレーザ光を集光させるレンズ６とを内蔵している。頭部３は、レンズ６と被加工物７との間隔空間を囲み、該囲み内にホース５を通過した透明液11を充満させて、光ファイバ４を通過したレーザ光10の伝播媒体とする役割を演ずる。透明液は、レーザ光に対して透明なものであれば何でもよいが、経済性の点からみて、水が最も好ましい。

用いうるレーザとしては、ガラスレーザ、ＹＡＧレーザ、銅蒸気レーザ、エキシマレーザ（特許文献１［0051］）や、ジャイアントパルスが得られる可視レーザ（特許文献１［0053］）、ＹＶ０４レーザ（特許文献３［0020］）などが挙げられるが、比較的低出力で光ファイバに通すことができるという点で、ＹＡＧレーザが最適である。
なお、図示を省略するが、施工作業性の点から、胴体部２としては、レーザ光10の通過／遮断の切替え用スイッチ手段、および／または、透明液11の通過／遮断の切替え用スイッチ手段を設けたものが好ましい。

ハンディ施工筒１は、施工の容易さを考慮して、握り易く、位置を狙い易い形状とし、かかる形状として好ましいのは、例えば長さ５０〜２００ｍｍ程度、外径２０〜４０ｍｍ程度の筒状である。この筒の断面形状は円形、楕円形、多角形等々のいずれの形状であってもよい。
胴体部２の材質は、耐熱・耐食性に富むものが好ましく、鉄系金属またはアルミなどの非鉄金属もしくは、耐熱性のある強化プラスチックなどが挙げられる。レンズ６は、胴体部２の先端近傍に配置するものとし、該配置する位置は、レンズ６から被加工物７までの光路長（レンズ６と被加工物７との間隔空間長さ）がレンズ６の焦点距離となるように調整可能な位置とする。

頭部３は、ホース５から送給される透明液（水）11を、光ファイバ４を通過したレーザ光10の伝播媒体として内部に充填可能な筒状に構成される。前記充填された透明液11からなる媒体は、被加工物７へのレーザ光10の集光により発生したアークによって該アーク近傍の透明液11が瞬時に蒸発・電離して生成したプラズマ８からの衝撃波を効果的に被加工物７に伝える媒体としての役割をも演ずる。

頭部３の筒内に充填された透明液11は、その一部が、頭部３の筒先端（開口を有する）とその接触相手である被加工物７との間に生じる隙間から漏洩するが、この漏洩分はホース５から常時あるいは随時補給するものとすればよい。
頭部３の材質は、耐熱・耐食性に富み、かつ、透明液11の充填状況やアーク発生状況を目視観察できるように、透明なものが好ましく、なかでも、紫外線等の有害な光線を遮断して可視光線のみ透過する材質がより好ましい。当該材質としては、強化プラスチック、もしくは、ガラスに紫外線等の有害光線を遮断可能なフィルタ皮膜を付したもの、などが好適である。

頭部３の内径は、前記生成したプラズマによる熱影響が及ばない程度の大きさの内径とすることが好ましい。
また、例えば図２に示すように、頭部３の先端に、レーザ光10通過用の貫通孔13を有する軟質高分子層12を設けると、被加工物７表面の凹凸を吸収できて施工の作業性が向上するため、好ましい。軟質高分子層12としては例えばゴム層等が好ましく用いうる。貫通孔13は、プラズマ８からの熱影響が及ばないような孔径のものとされる。

さらに、同図に示すように、軟質高分子層12の外面側（被加工物７との対面側）に、被加工物７面上で容易に滑り移動する滑膜層14を設けると、施工の際にハンディ施工筒１をより円滑に移動させることができ、施工の作業性がさらに向上するため、より好ましい。滑膜層14の材質としては、例えばテフロン（デュポン社の登録商標名）の名で知られるフッ素樹脂ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などが好ましい。

また、被加工物７の表面形状が種々異なっても対応できるように、頭部としては、先端形状を相異させた複数のものを用意しておくことが好ましい。これら先端形状の相異なる複数の頭部は、施工の際、被加工物の表面形状に応じて交換して使用することができる。
本発明によるレーザピーニング施工方法では、例えば図３に示すように、ハンディ施工筒１の胴体部２を、鉛筆を握る感覚で手に持つ。なお、安全性を考慮して保護手袋の着用が望ましい。そして、頭部３の先端を、被加工物７中の目的の箇所すなわち圧縮残留応力を導入したい位置（例えば溶接部９の周辺等）に当てる。頭部３の筒内に透明液が充満したのを確認した上で、レーザ光を照射する。目視により、詳細位置を確認しながら、目的の箇所のピーニングが完了するまでハンディ施工筒１を繰り返し移動させる。

上記のような施工作業において、ハンディ施工筒は、これを人手で持つ代わりに、産業用ロボットに持たせるようにしてもよい。

実施例では、表１に示す装置仕様に沿って設計・製作したレーザピーニング施工装置（この装置のハンディ施工筒は図２に例示した好適構造を有する）を用いた。板厚１５ｍｍの鋼板（降伏点４３３ＭＰａ、引張強度５５１ＭＰａ）の中央部に突合せ溶接を行い、止端近傍幅５０ｍｍ（ビード方向）×奥行２０ｍｍの範囲を施工対象箇所として、図３に例示したのと同様の方法でレーザピーニング加工を施した。この施工箇所について、施工前と施工後のビード直角方向の残留応力を、Ｘ線応力測定装置（リガク社製 微小部Ｘ線応力測定装置）を用いて測定した。測定の結果、施工前は２２０ＭＰａ程度の引張残留応力を示したが、施工後は−３３２ＭＰａ程度の圧縮残留応力を示した。

１ ハンディ施工筒
２ 胴体部
３ 頭部
４ 光ファイバ
５ ホース
６ レンズ
７ 被加工物
８ プラズマ
９ 溶接部
10 レーザ光
11 透明液（水）
12 軟質高分子層（ゴム層）
13 貫通孔
14 滑膜層

Claims (6)

1. レーザピーニング施工装置であって、レーザ光を通す光ファイバと、透明液を通すホースと、前記光ファイバを通過したレーザ光を集光させるレンズとを内蔵した筒状の胴体部と、該胴体部の先端に連結されて前記レンズと被加工物との間隔空間を囲み、該囲み内に前記ホースを通過した透明液を充満させて前記光ファイバを通過したレーザ光の伝播媒体とする筒状の頭部とからなるハンディ施工筒を有することを特徴とするレーザピーニング施工装置。
2. 前記筒状の頭部は、透明な材料からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング施工装置。
3. 前記筒状の頭部の先端に、レーザ光通過用の貫通孔を有する軟質高分子層を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザピーニング施工装置。
4. 前記筒状の頭部は、先端形状の相異なる複数のものが用意されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザピーニング施工装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載されたレーザピーニング施工装置を用いてレーザピーニング加工することを特徴とするレーザピーニング施工方法。
6. 請求項５に記載されたレーザピーニング施工方法によりレーザピーニング加工されてなる金属材料製品。

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