JP2019084550A - レーザーピーニング装置およびレーザーピーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ封じ込め物質が施工対象物表面を覆っている状態でその施工対象物表面にレーザーを照射してその施工対象物表面の改質を行うレーザーピーニング装置において、圧縮応力や応力深さを増加させる。【解決手段】実施形態によれば、レーザーピーニング装置１０は、施工対象物表面１１ａにプラズマｐを生成させるプラズマ生成用パルスレーザーＬ１を施工対象物表面１１ａに照射するプラズマ生成用レーザー装置１４と、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１の照射によって生成されたプラズマｐを加熱するプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２を施工対象物表面１１ａに照射するプラズマ加熱用レーザー装置１５とを有する。【選択図】図１

Description

実施形態は、レーザーピーニング装置およびそれを用いたレーザーピーニング方法に関する。

従来のレーザーピーニング装置による物質内応力改善は、シングルショットのレーザーパルスを施工対象物質表面に照射し、その諸パラメータ、たとえばパルス時間幅、エネルギー、ビーム径、カバレッジ等を適正に制御することで、物質の残留応力の深さ方向分布の改善を行うというものである。

また、このような装置の改良として、施工対象物質の前面と背面の２方向からレーザーパルスを照射する体系を構成し、その２つのレーザーパルスを同時に照射する制御を行うことで、２つのレーザーパルスによって発生するそれぞれの衝撃波が、相対する表面上で同時に衝突を受けるようにして、さらに応力の改善効果を向上させる技術が知られている。

特開２００１−２９３５８３号公報

上述した従来の技術では、２つのレーザーパルスによって発生するそれぞれの衝撃波が、施工対象物質の相対する表面上で同時に衝突を受けるようにする。そのために、施工対象物質の前面照射部でのレーザービーム中心位置が、背面照射部でのレーザービーム中心位置と真正面で相対するように、試行錯誤無しに１回で整合させるような複雑な光軸調整が必要となるという課題があった。

また、施工対象物質の形状によっては、円筒形や円錐形などの場合のように、レーザー照射光学系がアクセス困難で、前面と背面の両方から同時にレーザーパルスを導光することが困難となる場合があるという課題があった。

そこで、本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、圧縮応力や応力深さを増加させるレーザーピーニング装置およびレーザーピーニング方法を提供することを目的とする。

実施形態に係るレーザーピーニング装置は、プラズマ封じ込め物質が施工対象物表面を覆っている状態でその施工対象物表面にレーザーを照射してその施工対象物表面の改質を行うレーザーピーニング装置であって、前記施工対象物表面にプラズマを生成させるプラズマ生成用パルスレーザーを前記施工対象物表面に照射するプラズマ生成用レーザー装置と、前記プラズマ生成用パルスレーザーの照射によって生成されたプラズマを加熱するプラズマ加熱用パルスレーザーを前記施工対象物表面に照射するプラズマ加熱用レーザー装置と、を有することを特徴とする。

また、実施形態に係るレーザーピーニング方法は、プラズマ封じ込め物質が施工対象物表面を覆っている状態でその施工対象物表面にプラズマ生成用パルスレーザーを照射して前記施工対象物表面にプラズマを生成させるプラズマ生成用レーザー照射ステップと、前記プラズマ生成用レーザー照射ステップで生成された前記プラズマが消滅する前にプラズマ加熱用パルスレーザーを前記施工対象物表面に照射することによって、前記プラズマを加熱するプラズマ加熱用レーザー照射ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、レーザーピーニングにおいて、圧縮応力や応力深さを増加させることができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザーピーニング装置の構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態に係るレーザーピーニング装置によるレーザーピーニング中の照射部付近の状況を模式的に示す立断面図。 本発明の第１の実施形態に係るレーザーピーニング装置におけるプラズマ生成用パルスレーザーとプラズマ加熱用パルスレーザーの時間変化を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態に係るレーザーピーニング装置におけるプラズマ生成用パルスレーザーとプラズマ加熱用パルスレーザーの時間変化を示すグラフ。

以下、本発明に係るレーザーピーニング装置およびレーザーピーニング方法の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザーピーニング装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、レーザーピーニング装置１０は、施工対象物１１の表面（施工対象物表面）１１ａに、純水などのプラズマ封じ込め物質１２を存在させた状態で、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１とプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２を照射してレーザーピーニングを行うものである。施工対象物１１は、たとえば、大型構造物の一部分であって、ステンレス鋼材質である。このレーザーピーニング装置１０により、施工対象物１１の内部の残留応力の深さ方向分布の改善を行い、引張から圧縮への大きな応力変化を奥深くまで発生させることができる。

レーザーピーニング装置１０は、封じ込め物質供給装置１３と、プラズマ生成用レーザー装置１４と、プラズマ加熱用レーザー装置１５と、タイミング調整部１６と、モニタリング装置１７と、プラズマ評価部１８と、フィードバック部１９とを有する。

封じ込め物質供給装置１３は、施工対象物表面１１ａに純水などのプラズマ封じ込め物質１２を供給するためのものであって、たとえば、プラズマ封じ込め物質１２を貯蔵するタンクや、プラズマ封じ込め物質１２を送るためのポンプやホースなど（図示せず）などを含む。ただし、施工対象物表面１１ａ全体が純水に浸漬されている場合などには特別の封じ込め物質供給装置１３はなくともよい。

プラズマ生成用レーザー装置１４は、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１を施工対象物表面１１ａに照射する装置である。また、プラズマ加熱用レーザー装置１５は、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２を施工対象物表面１１ａに照射する装置である。プラズマ生成用レーザー装置１４およびプラズマ加熱用レーザー装置１５には、それぞれ、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１およびプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２を施工対象物表面１１ａに集光して照射するためのレンズやミラー（図示せず）が取り付けられている。

プラズマ生成用パルスレーザーＬ１およびプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２は、施工対象物表面１１ａにおいて高エネルギー密度状態でオーバーラップするように、ミラー等で光軸調整を行い、レンズ等により集光される。

ここで、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１は、たとえばＮｄ：ＹＡＧパルスレーザーで、波長は２倍波（波長５３２ｎｍ）で、パルス時間幅は数ｎｓのものであればよい。また、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２は、たとえばＮｄ：ＹＡＧパルスレーザーで、波長は３倍波（波長３５５ｎｍ）で、パルス時間幅は数１０ｎｓのものを選ぶとよい。２台のレーザーの繰り返し周波数は同一として、たとえば１００Ｈｚとし、外部トリガーで発振のタイミングが相対的に規定される動作モードで使用する。

プラズマ生成用パルスレーザーＬ１は、施工対象物表面１１ａに対してほぼ垂直となるように照射し、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２は、施工面に対して斜め方向から照射する体系とする。

タイミング調整部１６は、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１とプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２との照射時間間隔を調節するものである。タイミング調整部１６は、プラズマ生成用レーザー装置１４とプラズマ加熱用レーザー装置１５との照射時間間隔（立ち上がり時間の遅れ）を調節するために、ケーブル２０ｃおよびケーブル２０ｄを介して、それぞれ、ＴＴＬタイプのトリガー信号をプラズマ生成用レーザー装置１４およびプラズマ加熱用レーザー装置１５に送る。照射時間間隔を調節するために必要な時間分解能としては、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１とプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２のうち、パルス時間幅の短い方の約１／１０程度があればよく、本実施形態においては、プラズマ生成用レーザー装置１４のパルス幅を基準にすると０．１ｎｓ程度分解能があればよい。

モニタリング部１７は、レーザー照射によって施工対象物表面１１ａに生成されるプラズマｐの状態を把握するものである。モニタリング部１７としては、たとえばプラズマ発光分析装置を用いることができる。モニタリング部１７を用いて、プラズマｐの生成・成長（膨張）・減衰（消滅）の過程と相関のある発光量を時間分解してモニタリングする。発光分析に必要な時間分解能としては、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１およびプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２のうち、パルス時間幅の短い方の約１／１０程度があればよく、本実施形態においては、プラズマ生成用レーザー装置１４のパルス幅を基準にすると０．１ｎｓ程度分解能があればよい。

プラズマ評価部１８は、モニタリング部（プラズマ発光分析装置）１７の出力を、ケーブル２０ａを介して受信し、プラズマｐの状態を分析する。プラズマ評価部１８は、たとえば電子計算機である。プラズマ評価部１８の出力は、たとえば、電子計算機に内蔵されたフィードバック部（インターフェースボード）１９から、ケーブル２０ｂを介してタイミング調整部１６へ送られる。タイミング調整部１６は、前記照射時間間隔をゼロないしは任意の正の値で設定調整する制御信号を、ケーブル２０ｃおよびケーブル２０ｄを介して、それぞれ、プラズマ生成用レーザー装置１４およびプラズマ加熱用レーザー装置１５に送る。

本実施形態では、レーザーパルスの立ち上がり開始時間を揃えて、同時照射を行う。そのため、ケーブル２０ｃ，２０ｄの長さは同一に揃え、２つのトリガー信号を同時出力するため、タイミング調整部１６の遅延時間はゼロに設定する。

なお、本実施形態ではタイミング調整部１６の遅延時間をゼロに設定するので、この場合は、タイミング調整部１６が存在しなくてもよい。

つぎに、第１の実施形態に係るレーザーピーニング装置１０の動作について説明する。図２は、第１の実施形態に係るレーザーピーニング装置によるレーザーピーニング中の照射部付近の状況を模式的に示す立断面図である。図３は、第１の実施形態に係るレーザーピーニング装置におけるプラズマ生成用パルスレーザーとプラズマ加熱用パルスレーザーの時間変化を示すグラフである。

プラズマ生成用パルスレーザーＬ１のパルス時間幅Ｔ１はプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２のパルス時間幅Ｔ２よりも短い。パルス時間幅Ｔ１はたとえば１０ｎｓ程度であり、パルス時間幅Ｔ２はたとえば５０〜１００ｎｓ程度である。また、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１とプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２のパルス周期Ｔｐは同じで、たとえば数ｍｓ程度である。パルスエネルギーのピーク値は、図３ではプラズマ生成用パルスレーザーＬ１の方がプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２よりも高いが、これらは同程度でもよく、またプラズマ加熱用パルスレーザーＬの方が高くてもよい。

施工対象物表面１１ａに、金属プラズマを生成するためのプラズマ生成用パルスレーザーＬ１と、生成したプラズマを加熱するためのプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２とを照射する。プラズマ生成用パルスレーザーＬ１とプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の両方を照射することを「ダブルパルス照射」と呼ぶ。この実施形態では、図３に示すように、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１とプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の照射開始は同時とする。レーザーパルスの立ち上がり開始時間を揃えて、同時照射を行うため、プロセスの前半時間領域ではプラズマ生成用パルスレーザーＬ１のパルスによるプラズマ生成が先行し、後半領域ではプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２のパルスによるプラズマの加熱が追従して進行する。

本実施形態によるダブルパルス照射のレーザーピーニングにおいては、図２に示すように、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１のパルスエネルギーでプラズマｐの生成を行うとともに、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２のパルスエネルギーでさらにプラズマｐの加熱が十分行われる。そのため、プラズマｐの成長は十分大きくなり、プラズマｐの圧力や温度は高く、またこの時発生する子法ｓも、従来のシングルパルス照射に比べて、より強くなる。

なお、従来のシングルパルス照射のレーザーピーニングでは、プラズマ成長は、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１のみのパルスエネルギーだけで、短時間にプラズマ生成から加熱までを行うため、プラズマの成長は十分大きくならずプラズマの圧力や温度は低く、またこの時発生する衝撃波ｓもあまり強くならない。このため、従来のシングルパルス照射のレーザーピーニングでは、引張から圧縮への応力変化量には限界があり、深さ方向分布においても奥深く応力改善が得られないという限界があった。

この実施形態で、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１の波長は２倍波（５３２ｎｍ）で、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の波長は３倍波（３５５ｎｍ）にすることで、プラズマの加熱プロセスで吸収される１光子当たりの量子エネルギーは短波長の方が大きくなって加熱効率が上がる作用も得られる。また、プラズマを封じ込める物質、すなわち本実施形態においては純水の、光吸収係数が２倍波よりも３倍波の波長の方がより小さいため、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２のパルスエネルギーの純水による吸収ロスを抑えられる作用も得られる。

また、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２をプラズマ生成用パルスレーザーＬ１に対して斜めに照射することにより、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１に起因して生成する気泡ｂによる外乱効果を抑制する作用も得られる。この場合、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１の照射方向と施工対象表面１１ａに対する垂直方向（法線方向）とのなす第１の角度と、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の照射方向と施工対象表面１１ａに対する垂直方向（法線方向）とのなす第２の角度について、第２の角度が第１の角度より大きくなるので、プラズマ加熱用パルスレーザーの前記施工対象物表面への照射方向が、前記プラズマ生成用パルスレーザーの前記施工対象物表面への照射方向よりも、前記施工対象物表面に垂直な方向から離れ、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の光路がプラズマ生成用パルスレーザーＬ１の光路より長くなる。

上記説明では、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１は施工対象物表面１１ａに対して垂直方向からの照射とし、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２を斜め方向から照射するものとした。しかし、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１とプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の両方を施工対象物表面１１ａに対して垂直方向からの照射としてもよい。その場合は、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１に起因して生成する気泡ｂによるプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２への外乱作用があるが、それ以外はプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２を斜め方向から照射する場合と同様の作用が得られる。

上記説明では、モニタリング部１７として、プラズマ発光分析装置の例を説明した。しかし、モニタリング部１７としては、たとえば、衝撃波検出分析装置、またはプローブ光の散乱減衰率・吸光度分析装置等の光学方式／音響方式分析装置などを用いこともできる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係るレーザーピーニング装置におけるプラズマ生成用パルスレーザーとプラズマ加熱用パルスレーザーの時間変化を示すグラフである。

この第２の実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態の構成と同様である。この第２の実施形態では、図４に示すように、プラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の立ち上がり時間は、プラズマ生成用パルスレーザーＬ１の立ち上がり時間よりも遅れ時間Ｔｄだけ遅れている。ただし、遅れ時間Ｔｄはプラズマ生成用パルスレーザーＬ１のパルス時間幅Ｔ１よりも短い。

封じ込め物質供給装置１３による純水の供給圧力状況によっては、プラズマを成長・加熱するプラズマ加熱用パルスレーザーＬ２の照射タイミングをプラズマ生成用パルスレーザーＬ１に対して適当な遅れ時間Ｔｄだけ遅らせることが、最適な加熱条件を設定できる場合がある。そこで、この第２の実施形態では、プラズマ状態を把握するモニタリング装置（プラズマ発光分析装置）１７からの発光量を時間分解してモニタリングし、たとえばその発光量が最大となるように調節し、プラズマの生成・成長（膨張）が最大となるようにプロセス管理する。これにより、プラズマの加熱を最大限に行い、プラズマの圧力や温度を最大に高く、またこの時発生する衝撃波ｓも最大にすることができる。

この第２の本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、前面と背面の両方向から照射しなくても、プラズマの生成・成長（膨張）が最大となるようにプロセス管理することができる。これにより、プラズマの加熱を最大限に行え、またこの時発生する衝撃波ｓも最大にする作用が得られ、圧縮応力量や応力深さをさらに増加させる効果が得られる。

［他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…レーザーピーニング装置、 １１…施工対象物、 １１ａ…表面（施工対象物表面）、 １２…プラズマ封じ込め物質、 １３…封じ込め物質供給装置、 １４…プラズマ生成用レーザー装置、 １５…プラズマ加熱用レーザー装置、 １６…タイミング調整部、 １７…モニタリング装置、 １８…プラズマ評価部、 １９…フィードバック部、 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ…ケーブル、 Ｌ１…プラズマ生成用パルスレーザー、 Ｌ２…プラズマ加熱用パルスレーザー、 ｂ…気泡、 ｐ…プラズマ、 ｓ…衝撃波

Claims (9)

1. プラズマ封じ込め物質が施工対象物表面を覆っている状態でその施工対象物表面にレーザーを照射してその施工対象物表面の改質を行うレーザーピーニング装置であって、
   前記施工対象物表面にプラズマを生成させるプラズマ生成用パルスレーザーを前記施工対象物表面に照射するプラズマ生成用レーザー装置と、
   前記プラズマ生成用パルスレーザーの照射によって生成されたプラズマを加熱するプラズマ加熱用パルスレーザーを前記施工対象物表面に照射するプラズマ加熱用レーザー装置と、
   を有することを特徴とするレーザーピーニング装置。
2. 前記プラズマ生成用レーザー装置および前記プラズマ加熱用レーザー装置の照射のタイミングを調整するタイミング調整部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のレーザーピーニング装置。
3. 前記タイミング調整部は、前記プラズマ生成用レーザー装置による前記プラズマ生成用パルスレーザーの照射の開始の後で当該プラズマ生成用パルスレーザーの照射が終了する前に、前記プラズマ加熱用レーザー装置による前記プラズマ加熱用パルスレーザーの照射が開始されるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のレーザーピーニング装置。
4. 前記プラズマの状態を監視するモニタリング装置をさらに有し、
   前記タイミング調整部は、前記モニタリング装置の出力に基づいて前記プラズマ生成用レーザー装置および前記プラズマ加熱用レーザー装置の照射のタイミングを調整するように構成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のレーザーピーニング装置。
5. 前記プラズマ生成用パルスレーザーの波長が前記プラズマ加熱用パルスレーザーの波長以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザーピーニング装置。
6. 前記プラズマ加熱用パルスレーザーの前記施工対象物表面への照射方向が、前記プラズマ生成用パルスレーザーの前記施工対象物表面への照射方向よりも、前記施工対象物表面に垂直な方向から離れるように構成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のレーザーピーニング装置。
7. 前記プラズマ加熱用パルスレーザーのパルス時間幅が前記プラズマ生成用パルスレーザーのパルス時間幅よりも長いこと、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のレーザーピーニング装置。
8. 前記プラズマ封じ込め物質を前記施工対象物表面に供給する封じ込め物質供給装置をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載のレーザーピーニング装置。
9. プラズマ封じ込め物質が施工対象物表面を覆っている状態でその施工対象物表面にプラズマ生成用パルスレーザーを照射して前記施工対象物表面にプラズマを生成させるプラズマ生成用レーザー照射ステップと、
   前記プラズマ生成用レーザー照射ステップで生成された前記プラズマが消滅する前にプラズマ加熱用パルスレーザーを前記施工対象物表面に照射することによって、前記プラズマを加熱するプラズマ加熱用レーザー照射ステップと、
   を有することを特徴とするレーザーピーニング方法。

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