JP2015221918A - レーザピーニング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザピーニング処理によって、圧縮残留応力の付与と、硬度向上効果の両立を図ること。
【解決手段】レーザ装置１と、前記レーザ装置１から出射した出射ビームから、２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布を有する変換ビームを生成する光学手段と、前記変換ビームを処理対象物に照射する照射手段と、を備えたレーザピーニング装置を構成する。複数の極大値（例えば、複数のスポット）を有する変換ビームを処理対象物Ｓに照射することにより、ビーム照射によって処理対象物Ｓの表面に与えられた応力分布に変動をもたせることができ、硬度向上効果を一層高めることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザビームを金属部材の表面に照射し、照射部分の表面改質を行うためのレーザピーニング装置に関する。

金属部材の表面応力の均一化及び残留圧縮応力の付与による耐久性や耐疲労破壊性の向上、あるいは水素脆性による遅れ破壊の防止等を目的として、ショットピーニング処理による表面改質が一般的に行われてきた。このショットピーニング処理は、例えば特許文献１に示すように、処理対象物（金属部材）の表面に加圧空気等とともにショット粒を吹き付ける処理である。ショット粒を吹き付けることによって処理対象物の表面に加工硬化層が形成され、その表面の硬度を向上することができる。

近年においては、従来からのショットピーニング処理の他に、レーザピーニング処理による表面改質も一般的に行われるようになってきている。このレーザピーニング処理は、例えば特許文献２に示すように、液体中に配置した処理対象物に対してレーザビームを照射する処理である。この処理に用いられる一般的なレーザピーニング装置の構成を図７（ａ）に示す。このレーザピーニング装置では、例えば短パルスレーザ装置１００（パルス幅：１〜３０ｎｓ程度、エネルギー：数ｍＪ〜数１０Ｊ程度、パワー密度：数ＧＷ／ｃｍ^２程度、波長：１０６４ｎｍ、５３２ｎｍ）が用いられる。このレーザ装置１００から出射された出射ビームは、ファイバ等の導光手段１０１によって処理対象物Ｓの近くまで導かれる。この導光手段１０１から出射された出射ビームをレンズ１０２で集光して、処理対象物Ｓに照射する。図７（ｂ）に示すように、出射ビーム又は処理対象物Ｓのいずれかを走査して集光スポット１０４を移動することによって、大面積を速やかに処理することができる。処理対象物Ｓの前には、後述するプラズマによる衝撃力を高めるために、透明体１０３（水、ガラス等）が配置されている。

レーザ装置１００からの出射ビームは、レンズ１０２によって、均一な強度分布を有するトップハット状、又はビーム中央部に最大値を持つガウス分布状に、単一の集光スポット１０４を有するように集光される。その集光されたビームは処理対象物Ｓに照射され、その表面でそのエネルギーが吸収される。すると、その表面が瞬間的に加熱されて蒸発し、高温高圧のプラズマが発生する。このプラズマの噴出を透明体１０３が抑えそれに伴う反力として、衝撃力が処理対象物Ｓに与えられる。この衝撃力により処理対象物Ｓの表面が圧縮されることによって、その表面に圧縮残留応力が付与される。

特開２００４−１１７３７号公報 特開２００７−２１６２４１号公報

特許文献１、２に示すショットピーニング処理及びレーザピーニング処理には、それぞれ長所と短所がある。すなわち、ショットピーニング処理は、硬度向上効果が優れる一方で、圧縮残留応力付与効果が小さいといわれている。これに対し、レーザピーニング処理は、圧縮残留応力付与効果が優れる一方で、硬度向上効果はショットピーニング処理と比較して小さいといわれている。これは、レーザピーニング処理においては、表面における塑性変形の度合いがショットピーニング処理を行った場合と比較して小さいためと考えられる。

そこで、この発明は、レーザピーニング処理によって、圧縮残留応力の付与と、硬度向上効果の両立を図ることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明では、レーザ装置と、前記レーザ装置から出射した出射ビームから、２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布を有する変換ビームを生成する光学手段と、前記変換ビームを処理対象物に照射する照射手段と、を備えたレーザピーニング装置を構成した。

ここでいう、「２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布」とは、例えば、離間した２箇所のビーム強度が高い部分と、その間のビーム強度が比較的小さい部分とを有するビーム強度分布のことを指す。このように、複数の極大値（例えば、複数のスポット）を有するビームを処理対象物に照射することにより、ビーム照射によって処理対象物の表面に与えられた応力分布に変動をもたせることができる。

すなわち、ビーム強度が高い部分においては、プラズマによる高い圧力が処理対象物の表面に負荷される一方で、相対的にビーム強度が小さい部分（極大値と極大値の間の部分）においては、相対的にプラズマによってその表面に負荷される圧力が低くなる。すると、処理対象物の表面上において、２次元的に高い圧力が負荷された部分が、低い圧力が負荷された部分を挟み込むように分布することになり、このような分布によって生じた応力により、塑性変形が促進される。その結果、特許文献２に示す構成のように、トップハット状又はガウス分布状に集光された単一のスポットを有するビームを照射した場合と比較して、硬度向上効果を一層高めることができる。

前記構成においては、前記光学手段が、前記出射ビームのビーム径よりも狭い領域に複数の透孔を形成したマスク部材である構成とすることができる。

このように、マスク部材を設けることにより、このマスク部材に形成した透孔の形状、数、位置に対応して、２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布を有する変換ビームを容易に生成することができる。この透孔の形状は、例えば、円形状、スリット状、格子状、同心円状等、種々の形状から選択することができ、さらに、それらの形状を組み合わせた形状とすることもできる。また、その数や位置も、生成した変換ビームによって表面改質効果が発揮される限りにおいて適宜決めることができる。

上記のようにマスク部材を用いる構成とする代わりに、前記光学手段が、複数の前記出射ビームをそのビーム位置をずらしつつ重畳するビーム重畳部材である構成とすることもできる。

このビーム重畳部材を、例えば、単一のレーザ装置から出射された出射ビームを一旦ハーフミラー等で互いに光路が異なる分離ビームを、あるいは、異なる２つ以上のレーザ装置から出射された出射ビームを、２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布を有する変換ビームを構成するように２次元的に近い位置に集光するプリズム、ミラー、レンズ等からなる集光光学系で構成することができる。

また、単一のレーザ装置から出射された出射ビームを一旦ハーフミラー等で互いに光路が異なる分離ビームとし、この分離ビームを干渉させて干渉縞を形成することによって、あるいは、異なる２つ以上のレーザ装置から出射された出射ビームを干渉させて干渉縞を形成することによって、２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布を有する変換ビームを構成することもできる。

この発明では、レーザ装置と、前記レーザ装置から出射した出射ビームから、２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布を有する変換ビームを生成する光学手段と、前記変換ビームを処理対象物に照射する照射手段と、を備えたレーザピーニング装置を構成した。このように構成することにより、レーザピーニング処理において、単一の出射ビームをそのまま処理対象物に照射した場合と比較して、処理対象物の表面における、より大きな塑性変形を与えることができる。このため、圧縮残留応力の付与のみならず、十分な硬度向上効果も得ることができる。

このように硬度を向上させることにより、疲労強度等の向上を図ることができ、従来のレーザピーニング処理では適用が困難であった金型、自動車部品、工作機械部品等の様々な金属部品への幅広い適用が可能となる。

この発明に係るレーザピーニング装置の第一実施形態を示す構成図 図１に示すレーザピーニング装置で用いるマスク部材を示す平面図であって、（ａ）は円形状、（ｂ）はスリット状、（ｃ）は格子状、（ｄ）は同心円状、の透孔をそれぞれ形成したもの 図２（ａ）に示すマスク部材に出射ビームを入射したときに得られる変換ビームのビーム強度分布を示す図 オーステナイト系ステンレス鋼に対してレーザピーニング処理を行った後のビッカース強度試験結果を示す図 炭素鋼に対してレーザピーニング処理を行った後のビッカース強度試験結果を示す図 この発明に係るレーザピーニング装置の第二実施形態を示す構成図 （ａ）は、一般的なレーザピーニング装置を示す構成図、（ｂ）は集光スポットの移動を示す図

この発明に係るレーザピーニング装置の第一実施形態の構成を図１に示す。このレーザピーニング装置は、レーザ装置１から出射した出射ビームをレンズやミラー等の光学系に通して、処理対象物の表面に照射し、この表面の改質を行うために用いられる。以下、その構成について詳しく説明する。

この構成では、Ｎｄ：ＹＡＧの第２高調波（５３２ｎｍ）を発振するレーザ装置１を用いた。この第２高調波は、Ｎｄ：ＹＡＧの基本波（１０６４ｎｍ）と比較して水中透過性が高いためである。このレーザ装置１から出射した出射ビームは、減衰器２に入射される。この減衰器２で、出射ビームは適切な強度に減衰される。

減衰器２を通過した出射ビームは、凸レンズ３によって所定のビーム径に一旦拡径されるとともにピンホール４に通される。

拡径された出射ビームは、ミラー５に入射する。このミラー５はハーフミラーとなっていて、入射ビームの大部分が反射される一方で、一部が透過するようになっている。このミラー５を透過した出射ビームは、凸レンズ６によって集光されて、出射ビームのビーム強度をモニタするためのパワーメータ７に入射する。

その一方で、ミラー５によって反射された出射ビームは、さらに他のミラー８に入射し、このミラー８で反射されてマスク部材９に入射する。このマスク部材９の例を図２に示す。このマスク部材９は、出射ビームのビーム径よりも狭い領域に複数の透孔１０を形成したものであって、この透孔１０は、円形状（本図（ａ）を参照）、スリット状（本図（ｂ）を参照）、格子状（本図（ｃ）を参照）、同心円状（本図（ｄ）を参照）等の種々の形状とすることができる。さらに、これらの形状を組み合わせた形状とすることもできる。

例えば、本図（ａ）に示す円形状の透孔１０を形成したマスク部材９の点線で示した領域に出射ビームを入射すると、図３に示すように、４つのスポット１１を有する変換ビームを得ることができる。この変換ビームは、２次元方向に４つの極大値を有するビーム強度分布を有していて、各極大値の間にはビーム強度が小さい領域が存在する。図３に示した事例では、スポット１１同士の間隔は約０．２ｍｍ、各スポット１１の直径は約０．１ｍｍ程度であるが、このスポット間隔やスポット径は、変換ビームによる表面改質効果が損なわれない限りにおいて、マスク部材９を変更することによって適宜調整することができる。

マスク部材９の直前に位置するミラー８もハーフミラーとなっている。このミラー８を透過したマスク部材９からの戻り光を凸レンズ１２で集光した上で、ＣＣＤカメラ１３でモニタすることによって、マスク部材９に対する出射ビームの光軸合わせを容易に行うことができる。

マスク部材９を通過した変換ビームは、照射手段である凸レンズ１４に入射され、所定のビーム径に集光された上で処理対象物Ｓに照射される。この処理対象物Ｓは水１５の中に浸漬されていて、変換ビームが処理対象物Ｓの表面に到達するには、数ｍｍ程度の水１５の層を通過する必要がある。このように水１５の層を設けることにより、処理対象物Ｓの表面に変換ビームを照射することによって発生したプラズマの拡散・消失がこの水１５の層によって阻止されるため、プラズマによる衝撃力をより高めることができる。

処理対象物Ｓは、ＸＹステージ１６上に設けられている。このＸＹステージ１６に接続されたコンピュータ１７から指令を発することによって、処理対象物Ｓ表面の所定範囲全体に亘って、速やかに変換ビームを照射することができる。

次に、このレーザピーニング装置を用いて表面改質処理を行った結果について説明する。

この処理においては、上述したように、Ｎｄ：ＹＡＧの第２高調波を発振するレーザ装置１を用いた。出射ビームの波長は５３２ｎｍ、パルス幅は４ｎｍ、繰り返し周波数は１０Ｈｚである。ピンホール４の位置での出射ビームが像転送され、処理対象物Ｓの表面で結像する構成となっている。本願実施例において使用したマスク部材９は、図２（ａ）に相当するものであって、出射ビームをこのマスク部材９に通過させることにより、図３に示すように、４つのスポット１１を有する変換ビームを生成することができる。処理対象物Ｓに照射される変換ビームの最大照射強度が２．５ＧＷ／ｃｍ^２となるように、減衰器２の調整を行った。また、ビーム照射のカバレッジはＸＹステージ１６で制御し、６００％で一定とした。

処理対象物Ｓは、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）と炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）であり、そのサイズは２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍである。結晶組織の初期状態を統一するために、ステンレス鋼については１１００℃で、炭素鋼については８００℃で、予めアニーリング処理を行った。

このレーザピーニング装置による処理後に、ビッカース硬度計を用いて、各サンプルにつき１０か所ずつ、表面の硬度測定を行った。ビーム照射後の表面は荒れているため、研磨剤（０．３μｍ径のアルミナ粉）を用いて最表面層を研磨除去した上で測定を行った。前記１０か所の測定結果を平均して、そのサンプルの平均硬度を算出した。さらに、その平均硬度から、ビーム照射を行っていないサンプルの硬度を差し引いて、硬度差（硬度上昇量）を算出した。

上記の表面改質処理との比較のために、上記と同じレーザ装置１から出射される単一のスポットからなる出射ビームを用いて、同一の処理対象物Ｓに対して同様の表面改質処理を行った。この単一のスポットのビーム径は約２００μｍである。また、４つのスポット１１のビーム強度の合計と、単一のスポットのビーム強度がほぼ等しくなるように、減衰器２の調整を行った。

図４にオーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６Ｌ）に対して処理を行った際の硬度測定結果を示す。横軸はレーザのビーム強度（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）、縦軸は硬度差（Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）である。本図中の「Ｑｕａｄｒｕｐｌｅ」は４つのスポットからなるビームを照射した場合（本願実施例）、「Ｎｏｒｍａｌ」は単一のスポットからなるビームを照射した場合（比較例）を示す。ビームを４つのスポットで構成することにより、単一のスポットの場合と比較して、硬度差が大幅に上昇することが確認できた。上述したように、照射したビーム強度は、本願実施例と比較例との間で同じであることから、処理対象物に照射されるビームの形状、すなわち処理対象物に負荷される圧力分布の違いによって、両者の間の硬度差が生じていると結論付けることができる。

図５に炭素鋼（Ｓ５５Ｃ）に対して処理を行った際の硬度測定結果を示す。横軸はレーザのビーム径（Ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）、縦軸は硬度差（Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）である。この場合も、単一のスポットからなるビームを照射した場合と比較して、４つのスポット１１からなるビームを照射した場合の方が、硬度差が大幅に上昇することが確認できた。このように、この発明に係るレーザピーニング装置は、種々の鋼種、さらには種々の金属に対して適用可能性があるといえる。

この発明に係るレーザピーニング装置の第二実施形態の構成を図６に示す。このレーザピーニング装置は、第一実施形態に係るレーザピーニング装置とその基本構成は類似しているが、第一実施形態では出射ビームをマスク部材９に入射して複数のスポット１１を有する変換ビームを生成したのに対して、第二実施形態では２つのレーザ装置１ａ、１ｂから出射した出射ビームを両ビームの位置がわずかにずれるようにプリズム１８に入射して複数のスポット１１を有する変換ビームを生成した点において異なっている。この構成においても、第一実施形態において説明したように、処理対象物Ｓの硬度向上を図ることができる。なお、この第二実施形態の構成においては、一方のレーザ装置１ａにのみパワーメータ７を設けた構成としたが、他方のレーザ装置１ｂにもパワーメータ７を設ける構成とすることもできる。

上記の実施形態は例示であって、本願発明のレーザピーニング処理によって、圧縮残留応力の付与と、硬度向上効果の両立を図る、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、光学系の配置、使用するレーザのスペック（波長、パルス幅、周波数）等の諸条件を適宜変更することができる。

１（１ａ、１ｂ） レーザ装置
２ 減衰器
３、６、１２、１４ 凸レンズ
４ ピンホール
５、８ ミラー
７ パワーメータ
９ マスク部材
１０ 透孔
１１ スポット
１３ ＣＣＤカメラ
１５ 水
１６ ＸＹステージ
１７ コンピュータ
１８ プリズム（ビーム重畳部材）
Ｓ 処理対象物

Claims (3)

1. レーザ装置（１）と、
   前記レーザ装置（１）から出射した出射ビームから、２次元方向に複数の極大値を有するビーム強度分布を有する変換ビームを生成する光学手段と、
   前記変換ビームを処理対象物（Ｓ）に照射する照射手段と、
   を備えたレーザピーニング装置。
2. 前記光学手段が、前記出射ビームのビーム径よりも狭い領域に複数の透孔（１０）を形成したマスク部材（９）である請求項１に記載のレーザピーニング装置。
3. 前記光学手段が、複数の前記出射ビームをそのビーム位置をずらしつつ重畳するビーム重畳部材（１８）である請求項１に記載のレーザピーニング装置。

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