JP2016166543A - 被処理部材の硬化処理方法及び硬化処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームを照射した被処理面のレーザスポットから放射される熱放射光の強度に基づいてレーザスポットの温度を高精度に測定することで、被処理面に高品質で高深度の硬化層を形成する。
【解決手段】被処理部材１の曲面形状を有する被処理面２にレーザビームを照射してレーザスポット８を形成し、被処理面に硬化層を形成する方法である。先ず、レーザスポットの曲面に沿う方向を走査して複数測定位置の熱放射光を測定する。次いで、複数測定位置の熱放射光のそれぞれに対して、波長が異なる２つの分光熱放射光に分光し、これら２つの分光熱放射光の強度の比を求めることで複数測定位置の各温度を算出する。次いで、複数測定位置の前記各温度のうち一番高い値を、レーザスポットの最高温度に設定する。そして、このレーザスポットの最高温度が目標最高温度に近づくようにレーザビームのレーザ出力値を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射して硬化層を形成する被処理部材の硬化処理方法及び硬化処理装置に関する。

蒸気タービンでは、液滴化した蒸気が衝突することによりタービン低圧段翼（単にタービン翼と略称する）の蒸気入口側である前縁部にエロージョン摩耗が生じやすい。
このエロージョン摩耗を低減する技術として、エロージョンによって侵食される前縁部に火炎トーチ、或いは高周波誘導加熱を用いた硬化処理を行うことで、前縁部の耐エロージョン性を向上させる技術が知られている。

しかし、火炎トーチによる前縁部の硬化処理は、タービン翼に対して精度のよい入熱量管理が困難であり、硬さにバラツキが生じる可能性がある。また、高周波誘導加熱による前縁部の硬化処理は、多種のタービン翼形状毎に適合したコイルを製作が必要であり製造コストが高いという問題がある。
一方、例えば特許文献１に記載されているレーザビームの照射による前縁部の硬化処理は、入熱管理が容易、且つ微細処理が可能であり、様々なタービン翼形状に追従可能なので、火炎トーチ及び高周波誘導加熱による前縁部の硬化処理の問題を解決することができる。

特開２０１３−２０９９１２号

しかし、近年では蒸気タービンの高効率化に伴い、タービン翼の位置が先端になるに従い、曲面形状や厚みが変化しており、熱容量が変化するため位置ごとに硬化処理に必要な熱量が異なる。
また、タービン翼に用いられるステンレス鋼は硬化処理時の過加熱により、溶融や異常な金属組織の析出が発生することで硬度低下が生じ、耐エロージョン性の悪化を招くおそれがある。

このように、タービン翼のいずれの位置においても同等で耐エロージョン性の高い硬化層を得るためには、温度制御による入熱管理が必須である。しかし、温度制御を行うために一般的な温度計測として使用される放射温度計は、金属材料表面の加熱により放射率が変動するので正確な温度測定ができず、タービン翼の前縁部の温度制御が難しいので、耐エロージョン性の高い硬化層を形成することができない。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザビームを照射した被処理面のレーザスポットから放射される熱放射光の強度に基づいてレーザスポットの温度を高精度に測定することで、被処理面に、高品質で高深度の硬化層を形成することができる被処理部材の硬化処理方法及び硬化処理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る被処理部材の硬化処理方法は、被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射してレーザスポットを形成し、上記被処理面に硬化層を形成する際に、上記レーザスポットの上記曲面に沿う方向を走査して複数測定位置の熱放射光を測定し、上記複数測定位置の上記熱放射光のそれぞれに対して、波長が異なる２つの分光熱放射光に分光し、これら２つの分光熱放射光の強度の比を求めることで前記複数測定位置の各温度を算出し、上記複数測定位置の前記各温度のうち一番高い値を、上記レーザスポットの最高温度に設定し、このレーザスポットの最高温度が目標最高温度に近づくように上記レーザビームのレーザ出力値を制御するようにした。

また、本発明の一態様に係る被処理部材の硬化処理装置は、被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射するレーザ照射装置と、上記被処理面に形成された上記レーザビームのレーザスポットから放射される熱放射光の強度を測定する熱放射光測定部と、この熱放射光測定部が出力した情報に基づいて上記レーザ照射装置に上記レーザビームのレーザ出力値を出力する制御部と、を備え、上記熱放射光測定部は、上記レーザスポットから放射される熱放射光を集光する集光部と、集光した熱放射光を波長が異なる２つの分光熱放射光に分光するビームスプリッターと、上記２つの分光熱放射光の強度を測定する２つのフォトセンサーと、を備え、上記制御部は、上記２つのフォトセンサーが測定した上記２つの分光熱放射光の強度の比に基づいて前記レーザスポットの最高温度を算出する温度算出部と、この温度算出部で算出した上記レーザスポットの最高温度及び予め設定している目標最高温度を比較し、上記レーザスポットの最高温度が上記目標最高温度に近づくように上記レーザ照射装置が照射する上記レーザビームの上記レーザ出力値を変更する出力値変更部と、を備えている。

本発明に係る被処理部材の硬化処理方法及び硬化処理装置によれば、レーザビームを照射した被処理面のレーザスポットから放射される熱放射光の強度に基づいてレーザスポットの温度を高精度に測定することで、被処理面に高品質で高深度の硬化層を形成することができる。

本発明に係るタービン翼の前縁部にレーザビームを照射して硬化層を形成する動作を説明する図である。 本発明に係る第１実施形態の硬化処理装置の構成を示す図である。 第１実施形態の硬化処理装置を構成する熱放射光検出器を示す図である。 第１実施形態の熱放射光検出器のスキャナー部の構成を示す図である。 第１実施形態の硬化処理装置を構成する制御装置の構成を示す図である。 第１実施形態の熱放射光検出器の動作を示す図である。 本発明に係る第２実施形態の熱放射光検出器の構成を示す図である。 第２実施形態の熱放射光検出器の動作を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１実施形態：タービン翼硬化処理装置］
図１の符号１は、蒸気タービンを構成するタービン低圧段翼（タービン翼と略称する）であり、このタービン翼１の前縁部２に、液滴化した蒸気が衝突することでエロージョン摩耗が生じやすい。
図２は、タービン翼１の前縁部２にレーザビームを照射することで前縁部２に硬化層を形成する本発明に係る第１実施形態のタービン翼硬化処理装置である。

この第１実施形態のタービン翼硬化処理装置は、レーザ発生器３、レーザ照射ヘッド４、熱放射光検出器５及び制御装置６を備えている。
レーザ発生器３は、タービン翼１の前縁部２の表面に照射されるレーザビーム７を発生するものであって、例えば発振波長が９４０nm±１０nm及び９８０nm±１０nmの半導体レーザで構成されている。

レーザ照射ヘッド４はレーザ発生器３で発生したレーザビーム７を前縁部２の表面に照射するものであって、蒸気タービン翼１の前縁部２の表面で反射したレーザビーム７が入射するのを防ぐため、タービン翼１の前縁部２の表面に対してレーザビーム７が傾斜して照射される位置に配置されている。
レーザ照射ヘッド４は、図示しない移動駆動装置に連結し、図１で示す前縁部２の先端２ａから基端側２ｂに向かう送り方向（図２において紙面に直交する方向）に移動可能とされ、レーザビーム７が前縁部２の表面に照射されることで、前縁部２の表面の先端２ａから基端側２ｂにレーザスポット８が連続的に形成されていく。

熱放射光検出器５は、連結部材９を介してレーザ照射ヘッド４に連結されており、移動駆動装置によりレーザ照射ヘッド４とともに送り方向に移動する。
熱放射光検出器５は、図３に示すように、レーザスポット８から放射される熱放射光Ｂを集光する集光部１０と、集光部１０で集光した熱放射光Ｂを異なる波長（１３００nm、１５５０nm）の２つの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂに分光するビームスプリッター１１と、前記２つの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのエネルギー（強度）を測定する２つのフォトセンサー１２，１３と、ビームスプリッター１１とフォトセンサー１２，１３との間に設けられた光軸調整機構１４，１５とを備えている。

集光部１０は、レーザスポット８から放射された熱放射光Ｂをビームスプリッター１１に向けて集光するミラー１６〜１９及び絞り２０などの光学系を備えている。ここで、ミラー１７は、図４に示すように、ミラー裏側に配置した回動軸１７ａ回りに回動可能とされ、この回動軸１７ａに回転駆動源（不図示）から正逆方向の所定回転角度の回転力が伝達されることで、ミラー１７は、図４の破線で示す角度まで揺動する（以下、揺動ミラー１７と称する）。

この揺動ミラー１７の揺動動作により、図１に示すように、タービン翼１の前縁部２の曲面に沿う方向（幅方向）を走査方向としてレーザスポット８を横切る測定位置Ｌから測定位置Ｒまでの間の測定位置の熱放射光Ｂが集光部１０に集光される。
また、光軸調整機構１４，１５は、ビームスプリッター１１からフォトセンサー１２，１３に向う分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂが、フォトセンサー１２，１３の測定スポットに向うように光軸を調整する機構である。

制御装置６は、図５に示すように、入力ポート２１、演算処理部２２及び出力ポート２３を備えている。
入力ポート２１には、分光熱放射光Ｂａのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ及び分光熱放射光Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ｂが入力する。ここで、揺動ミラー１７が揺動動作を行うことで、レーザスポット８の曲面に沿う方向の分光熱放射光Ｂａのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ及び分光熱放射光Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ｂが入力ポート２１に入力する。

演算処理部２２は、ＲＯＭ（読み出し専用メモリ）２４及びＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２５を備えている。この演算処理部２２は、ＲＯＭ２４及びＲＡＭ２５を内蔵しているもの、ＲＯＭ２４及びＲＡＭ２５を外付けでパス接続したものであってもよい。
ＲＯＭ２４は、レーザスポット８の最高温度を算出する最高温度設定部２６と、レーザスポット８の最高温度に対応したレーザ発生器３のレーザ出力値の最適値を算出するレーザ出力値設定部２７とが記憶されている。
ＲＡＭ２２は、最高温度設定部２６及びレーザ出力値設定部２７の演算で使用する演算値や中間データを蓄積する領域が設けられている。
そして出力ポート２３は、レーザ出力値設定部２７で演算したレーザ出力値ＬＳをレーザ発生器３に出力する。

次に、ＲＯＭ２４の最高温度設定部２６がレーザスポット８の最高温度を算出する手順について説明する。
最高温度設定部２６は、先ず、揺動ミラー１７の揺動動作により図１に示すタービン翼１の前縁部２の曲面に沿う方向（幅方向）を、レーザスポット８を横切るようにして例えば測定位置Ｌから測定位置Ｒまで（あるいは測定位置Ｒから測定位置Ｌまで）走査する間に、フォトセンサー１２，１３から入力ポート２１を介して入力した分光熱放射光Ｂａのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ及び分光熱放射光Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ｂのうち、所定計測時間毎のエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ，Ｍｅ_Ｂを読み込む。

ここで、分光熱放射光Ｂａのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ [Ｗ／ｍ^２]と温度Ｔ[°Ｋ］との関係式は、プランクの放射則に基づく以下の（１）式で表すことができる。

ε：放射率
α_Ａ：分光熱放射光Ｂａの測定光学系の受光特性係数
λ_Ａ：分光熱放射光Ｂａの波長（１３００nm）
Ｃ１：定数
Ｃ２：定数
Ｔ：温度

また、分光熱放射光Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ｂ [Ｗ／ｍ^２]と温度Ｔ[°Ｋ］との関係式は、プランクの放射則に基づく以下の（２）式で表すことができる。

ε：放射率
α_Ｂ：分光熱放射光Ｂｂの測定光学系の受光特性係数
λ_Ｂ：分光熱放射光Ｂｂの波長（１５５０nm）
Ｃ１：定数
Ｃ２：定数
Ｔ：温度

そして、上記（１）式を上記（２）式で辺々除すると以下の（３）式が得られる。

この（３）式の第１式の分母、分子に存在している放射率εは、分光熱放射光Ｂａ及び分光熱放射光Ｂｂの各波長によらない変数であり、（３）式の第２式のように消去される。

次いで、所定計測時間毎に読み込まれた分光熱放射光Ｂａのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ及び分光熱放射光Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ｂ の比（Ｍｅ_Ａ／Ｍｅ_Ｂ）を算出し、放射率εを消去した（３）式の第２式に基づいて温度Ｔを算出する。
このように、揺動ミラー１７の揺動動作により図１に示すタービン翼１の前縁部２の曲面に沿う方向（幅方向）を、レーザスポット８を横切るようにして例えば測定位置Ｌから測定位置Ｒまで（あるいは測定位置Ｒから測定位置Ｌまで）走査する間に、フォトセンサー１２，１３から入力した分光熱放射光Ｂａのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ及び分光熱放射光Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ｂを、所定計測時間毎に読み込み、所定計測時間毎に温度Ｔを算出することにより、タービン翼１の前縁部２の曲面に沿う方向（幅方向）、すなわちレーザスポット８の曲面に沿う方向での複数測定位置の各温度Ｔが求められる。
そして、最高温度設定部２６は、複数測定位置の各温度Ｔのうち、一番高い温度をレーザスポット８の最高温度Ｔ_ＭＡＸに設定する。

次に、ＲＯＭ２４のレーザ出力値設定部２７がレーザ発生器３のレーザ出力値の最適値を算出する手順について説明する。
ＲＡＭ２２には、予め、タービン翼１の材質、レーザスポット８の面積、硬化層の深さに対応したレーザスポット８の目標最高温度Ｔ_Ｐが記憶されている。
レーザ出力値設定部２７は、最高温度設定部２６で設定したレーザスポット８の最高温度Ｔ_ＭＡＸと目標最高温度Ｔ_Ｐとを比較し、最高温度Ｔ_ＭＡＸが目標最高温度Ｔ_Ｐより低い場合には、現在の値より大きな値のレーザ出力値ＬＳを算出し、最高温度Ｔ_ＭＡＸが目標最高温度Ｔ_Ｐより高い場合には、現在の値より小さな値のレーザ出力値ＬＳを算出する。

次に、第１実施形態のタービン翼硬化処理装置が、タービン翼１の前縁部２に硬化層を形成する動作について説明する。
レーザ照射ヘッド４は、タービン翼１の前縁部２の先端２ａに配置され、移動駆動装置によりレーザ照射ヘッド４を基端側２ｂに向う送り方向に所定速度で移動していくとともに、熱放射光検出器５の揺動ミラー１７の揺動動作が行われる。
ここで、レーザ照射ヘッド４が第１回目の送り量で送り方向に移動した後に、集光部１０が図１の測定位置Ｌから測定位置Ｒに向って走査しながら熱放射光Ｂを集光するように揺動ミラー１７が揺動動作を行い、第２回目の送り量でレーザ照射ヘッド４が送り方向に移動した後に、集光部１０が測定位置Ｒから測定位置Ｌに向って走査しながら熱放射光Ｂを集光するように揺動ミラー１７が揺動動作を行い、このような動作を繰り返すように移動駆動装置及び揺動ミラー１７が動作する。

レーザ発生器３で発生したレーザビーム７がレーザ照射ヘッド４からタービン翼１の前縁部２の表面に照射されると、レーザスポット８から放射される熱放射光Ｂは、揺動ミラー１７の揺動動作により、レーザスポット８の曲面に沿う方向に走査しながら集光部１０に集光される。
レーザスポット８の曲面に沿う方向に走査しながら集光された熱放射光Ｂは、ビームスプリッター１１を通過することで波長が異なる２つの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂに分光され、分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂの強度が２つのフォトセンサー１２，１３で測定される。

ここで、図６に示すように、測定位置以外の熱放射光もビームスプリッター１１を通過して分光熱放射光として分光される。この測定位置以外の分光熱放射光がフォトセンサー１２，１３で測定されると誤差が発生するので、光軸調整機構１４，１５を動作することで、測定位置の熱放射光Ｂの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのみがフォトセンサー１２，１３の測定スポットに向うように光軸を調整する。

２つのフォトセンサー１２，１３から分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂの強度が入力した制御装置６は、これら分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂの強度の比を求めることで、上述の放射率εを消去した（３）式の第２式に基づいて温度Ｔを算出し、レーザスポット８の曲面に沿う方向での複数測定位置の各温度Ｔのうちから一番高い温度を、レーザスポット８の最高温度Ｔ_ＭＡＸに設定する。

そして、制御装置６は、最高温度Ｔ_ＭＡＸと目標最高温度Ｔ_Ｐとを比較し、最高温度Ｔ_ＭＡＸが目標最高温度Ｔ_Ｐに近づくようにレーザ出力値ＬＳを設定する。そして、制御装置６からレーザ発生器３にレーザ出力値ＬＳを出力することで、レーザ出力値ＬＳに対応したレーザビーム７がレーザ発生器３で発生し、レーザ照射ヘッド４からタービン翼１の前縁部２の表面にレーザビーム７が照射されることで、前縁部２に硬化層が形成されていく。

なお、本発明に係る被処理部材がタービン翼１に相当し、本発明に係る被処理面が前縁部２の表面に相当し、本発明に係るレーザ照射装置がレーザ発生器３及びレーザ照射ヘッド４に相当し、本発明に係る熱放射光測定部が熱放射光検出器５に相当し、本発明に係る制御部が制御装置６に相当し、本発明に係る温度算出部が最高温度設定部に相当し、本発明に係る出力値変更部がレーザ出力値設定部２７に相当し、本発明に係るスキャナー部が揺動ミラー１７に相当している。

次に、第１実施形態のタービン翼硬化処理装置の効果について説明する。
熱放射光検出器５が、レーザスポット８の曲面に沿う方向を走査して複数測定位置の熱放射光を測定し、制御装置６の最高温度設定部２６が、複数測定位置の各温度のうち一番高い温度Ｔをレーザスポット８の最高温度Ｔ_ＭＡＸとすることで、曲面形状であるレーザスポット８の最高温度Ｔ_ＭＡＸを高精度に測定することができる。

また、制御装置６の最高温度設定部２６は、複数測定位置の熱放射光のそれぞれに対して温度Ｔを算出する際には、波長が異なる２つの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂに分光し、これら２つの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂの強度の比（Ｍｅ_Ａ／Ｍｅ_Ｂ）を求めることで、上述の（３）式の第２式に基づいて温度Ｔを算出しており、その温度Ｔを算出する際に、温度、材質、表面状態などの変化により常時値が代わる放射率εが消去されている（３）式の第２式を用いているので、レーザスポット８の曲面に沿う方向での複数測定位置の各々の温度Ｔを高精度に測定することができる。

また、制御装置６のレーザ出力値設定部２７は、最高温度Ｔ_ＭＡＸと目標最高温度Ｔ_Ｐとを比較し、最高温度Ｔ_ＭＡＸが目標最高温度Ｔ_Ｐに近づくようにレーザ出力値ＬＳを設定することで、最適な出力のレーザビーム７がレーザ照射ヘッド４からタービン翼１の前縁部２の表面に照射されるようにしているので、タービン翼１の前縁部２に高品質で高深度の硬化層を形成することができる。

また、第１実施形態のタービン翼硬化処理装置は、ビームスプリッター１１とフォトセンサー１２，１３との間に設けられた光軸調整機構１４，１５が、測定位置の熱放射光Ｂの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのみがフォトセンサー１２，１３の測定スポットに向うように光軸を調整しているので、フォトセンサー１２，１３が、測定位置の分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ，Ｍｅ_Ｂを高精度に計測することができる。このため、分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ，Ｍｅ_Ｂ の比に基づいて温度Ｔを高精度に算出することができる。
なお、図２に示すタービン翼硬化処理装置を用いて蒸気タービン翼１の前縁部２を硬化処理する場合は、レーザ吸収率のばらつきを抑制するために、蒸気タービン翼１の前縁部２の表面をあらかじめ♯８０の研磨紙で磨いておくことが好ましい。

［第２実施形態：熱放射光検出部］
次に、図７は、タービン翼硬化処理装置を構成する第２実施形態の熱放射光検出器５を示すものであり、この図７で示す熱放射光検出器５は、第１実施形態のタービン翼硬化処理装置において、図３で示した熱放射光検出器５の代わりに設けられるものである。この図７において、図３で示した熱放射光検出器５と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

第２実施形態の熱放射光検出器５は、集光部１０のミラー１９とビームスプリッター１１との間に、ミラー１９から反射してきた熱放射光Ｂを集光する集光レンズ３０が配置されているとともに、集光レンズ３０で集光された熱放射光Ｂが通過する光ファイバー３１が配置されており、光ファイバー３１を通過した熱放射光Ｂがビームスプリッター１１で２つの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂに分光されるようになっている。

また、図３の熱放射光検出器５では、ビームスプリッター１１とフォトセンサー１２，１３との間に光軸調整機構１４，１５を設けていたが、この第２実施形態の熱放射光検出器５では備えていない。
この第２実施形態の熱放射光検出器５によると、レーザスポット８の曲面に沿う方向を走査しながら集光された熱放射光Ｂは、集光部１０のミラー１６、揺動ミラー１７、絞り２０、ミラー１８，１９を通過して集光レンズ３０で集光され、さらに光ファイバー３１を通過した後にビームスプリッター１１で２つの分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂに分光される。

ここで、上述の第１実施形態では、図３で示した熱放射光検出器５において、フォトセンサー１２，１３の調整位置により、測定位置の分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂ以外の光がフォトセンサー１２，１３に到達、検出される可能性がある。その際には、フォトセンサー１
２，１３にて異なる位置の熱放射光を検出するため、分光熱放射光のエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ，Ｍｅ_Ｂ の比がズレることで測定される温度Ｔにばらつきが生じる可能性がある。

これに対して、第２実施形態では、図３で示した熱放射光検出器５の代わりに図７で示した熱放射光検出器５を用いていることにより、図８に示すように、測定位置以外の熱放射光も絞り２０を通過してビームスプリッター１１側に向う。ところが、測定位置以外の熱放射光は光ファイバー３１の入口で遮断され、測定位置の熱放射光Ｂのみが光ファイバー３１を通過し、ビームスプリッター１１で分光される。したがって、分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのみがフォトセンサー１２，１３の測定スポットに向う。すなわち、光ファイバー３１が光路制限要素として機能する。

このように、第２実施形態では、図７に示した熱放射光検出器５において、集光部１０のミラー１９とビームスプリッター１１との間に、ミラー１９から反射してきた測定位置の熱放射光Ｂが通過する光ファイバー３１を配置したことで、測定位置以外の熱放射光は光ファイバー３１の入口で遮断され、フォトセンサー１２，１３が、測定位置の分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ，Ｍｅ_Ｂのみを高精度に計測することができる。そして、第２実施形態では、図７に示した熱放射光検出器５により計測された分光熱放射光Ｂａ，Ｂｂのエネルギー（強度）Ｍｅ_Ａ，Ｍｅ_Ｂ の比に基づいて温度Ｔを算出する。このため、第２実施形態では第１実施形態と比較して、温度Ｔをより高精度に算出することができる。

また、第２実施形態の熱放射光検出器５は、図３で示した光軸調整機構１４，１５が不要となるので、装置コストの低減化も図ることができる。
なお、上述の実施形態では、本発明による硬化処理の被処理部材として特にタービン翼を対象とした構成例を示したが、本発明による硬化処理の被処理部材はタービン翼に限定されるものではない。

また、本発明による硬化処理の被処理部材の材質は特に限定されるものではないが、本発明は、特定の熱処理により硬化が生じる鉄鋼系またはチタン系合金材料からなる被処理部材に好適に適用することができ、さらに、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼及び析出硬化系ステンレス鋼の何れか一つからなる被処理部材には特に好適に適用することができる。

本発明者らは、上述した第１実施形態のタービン翼硬化処理装置を使用し、制御温度１２００℃、レーザ走査速度１mm/secの条件でフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼及び析出硬化系ステンレス鋼の何れか一つの材料からなる試験片の表面にレーザビームを照射して硬化処理を行った。
この硬化処理を施した試験片を厚さ方向に切断して得られた試験片の硬化層の硬さを硬さ試験機で測定したところ、硬さが４５０Ｈｖ以上、硬化層の硬化深さが６mm以上にわたって得られていた。ここで、硬化層の表層は溶融していない。

また、本発明者らは、上述した試験片に対して硬化層の硬さが４５０Ｈｖ以上、硬化深さが６mm以上、となるレーザスポットの面積について調査した。
調査の結果、硬さが４５０Ｈｖ以上、硬化深さが６ｍｍ以上の高硬度層を得るためには、レーザスポットの面積を６００mm^２以上に設定すればよいことがわかった。
したがって、タービン翼１の前縁部２表面にレーザビーム７を照射して前縁部２を硬化処理するに際して、レーザスポット８の面積が６００mm^２以上となるレーザビーム７を照射することで、硬さが４５０Ｈｖ以上、硬化深さが６mm以上の硬化層をタービン翼1の前縁部2に形成することが可能となり、これにより、エロージョン摩耗に対するタービン翼1の寿命を延ばすことができる。その結果、メンテナンスフリーとなるタービン翼1を得ることができる。

１ タービン翼
２ 前縁部
２ａ 先端
２ｂ 基端側
３ レーザ発生器
４ レーザ照射ヘッド
５ 熱放射光検出器
６ 制御装置
７ レーザビーム
８ レーザスポット
９ 連結部材
１０ 集光部
１１ ビームスプリッター
１２，１３ フォトセンサー
１４．１５ 光軸調整機構
１６，１８，１９ ミラー
１７ 揺動ミラー
１７ａ 回動軸
２０ 絞り
２１ 入力ポート
２２ 演算処理部
２３ 出力ポート
２４ ＲＯＭ
２５ ＲＡＭ
２６ 最高温度設定部
２７ レーザ出力値設定部
３０ 集光レンズ
３１ 光ファイバー
Ｂ 熱放射光
Ｂａ，Ｂｂ 分光熱放射光
Ｍｅ_Ａ，Ｍｅ_Ｂ 分光熱放射光のエネルギー（強度）
ＬＳ レーザ出力値
Ｔ 熱放射光温度
Ｔ_ＭＡＸ 最高温度
Ｔ_Ｐ 目標最高温度

Claims (8)

1. 被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射してレーザスポットを形成し、前記被処理面に硬化層を形成する際に、
   前記レーザスポットの前記曲面に沿う方向を走査して複数測定位置の熱放射光を測定し、
   前記複数測定位置の前記熱放射光のそれぞれに対して、波長が異なる２つの分光熱放射光に分光し、
   これら２つの分光熱放射光の強度の比を求めることで前記複数測定位置の各温度を算出し、
   前記複数測定位置の前記各温度のうち一番高い値を、前記レーザスポットの最高温度に設定し、
   このレーザスポットの最高温度が目標最高温度に近づくように前記レーザビームのレーザ出力値を制御する、ことを特徴とする被処理部材の硬化処理方法。
2. 前記被処理部材は、前記被処理面を前縁部の表面とした蒸気タービン翼であり、
   この蒸気タービン翼の前記前縁部の先端から基端側に向う方向を送り方向とし、この送り方向に沿って前記レーザスポットを連続的に形成していくことを特徴とする請求項１記載の被処理部材の硬化処理方法。
3. 前記レーザスポットの面積が６００mm^２以上のレーザビームを照射することで、硬さが４５０Ｈｖ以上、硬化深さを６mm以上とした前記硬化層を前記被処理面に形成することを特徴とする請求項１又は２項記載の被処理部材の硬化処理方法。
4. 前記被処理部材の材質がフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼及び析出硬化系ステンレス鋼の何れか一つであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の被処理部材の硬化処理方法。
5. 被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射するレーザ照射装置と、
   前記被処理面に形成された前記レーザビームのレーザスポットから放射される熱放射光の強度を測定する熱放射光測定部と、
   この熱放射光測定部が出力した情報に基づいて前記レーザ照射装置に前記レーザビームのレーザ出力値を出力する制御部と、を備え、
   前記熱放射光測定部は、
   前記レーザスポットから放射される熱放射光を集光する集光部と、
   集光した熱放射光を波長が異なる２つの分光熱放射光に分光するビームスプリッターと、
   前記２つの分光熱放射光の強度を測定する２つのフォトセンサーと、を備え、
   前記制御部は、
   前記２つのフォトセンサーが測定した前記２つの分光熱放射光の強度の比に基づいて前記レーザスポットの最高温度を算出する温度算出部と、
   この温度算出部で算出した前記レーザスポットの最高温度及び予め設定している目標最高温度を比較し、前記レーザスポットの最高温度が前記目標最高温度に近づくように前記レーザ照射装置が照射する前記レーザビームの前記レーザ出力値を変更する出力値変更部と、を備えていることを特徴とする被処理部材の硬化処理装置。
6. 前記熱放射光測定部は、前記レーザスポットの前記曲面に沿う方向を走査するスキャナー部を備え、
   前記温度算出部は、前記スキャナー部の走査により前記レーザスポットの前記曲面に沿う方向に複数測定位置の熱放射光を測定し、これら複数測定位置の熱放射光のそれぞれに対して、前記２つの分光熱放射光の強度の比に基づいて前記複数測定位置の各温度を算出し、前記複数測定位置の各温度のうち一番高い値を、前記レーザスポットの最高温度とする、
   ことを特徴とする請求項５記載の被処理部材の硬化処理装置。
7. 前記熱放射光測定部の前記２つのフォトセンサーに、前記ビームスプリッターから流れてきた前記２つの分光熱放射光の軸位置を調整する光軸調整機構を設けたことを特徴とする請求項５又は６記載の被処理部材の硬化処理装置。
8. 前記熱放射光測定部のビームスプリッターに向う途中に、前記レーザスポットから放射された熱放射光が通過する光ファイバーを設けたことを特徴とする請求項５又は６記載の被処理部材の硬化処理装置。

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