JP2020110825A - レーザピーニング装置およびレーザピーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】施工後に残留応力を測定すること無く、レーザピーニング施工の品質を予測できるレーザピーニング装置およびレーザピーニング方法を提供する。【解決手段】一態様に係るレーザピーニング装置は、レーザ光を発生するレーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザ光を伝送して施工対象に照射する光学系と、前記レーザ光によって施工対象上に発生したプラズマの形状を撮影する撮影部と、を具備する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明の実施形態は，レーザピーニング装置およびレーザピーニング方法に関する。

材料の表面は、疲労破壊や応力腐食割れなどが発生する起点になり易い。このため、圧縮残留応力を材料の表面近傍へ付与して、き裂の発生、進展を抑制することで、材料の耐疲労破壊性、耐応力腐食割れ性を向上することができる。

レーザピーニングは、施工対象に圧縮残留応力を付与する技術である。施工対象にパルスレーザを照射してプラズマを発生、膨張させる。この膨張の力学的反作用により施工対象の表面近傍が圧縮され、プラズマの消滅後にその応力が残留する。レーザピーニングでは、レーザ光のエネルギー、照射面積などの施工条件を調節することで、残留応力の大きさや、付与される深さを制御できる。

レーザピーニングによって所望の残留応力を得るのは容易ではない。まず、レーザピーニングの適切な施工条件は、ノウハウであり、経験に基づいて、設定せざるを得ないことも多い。さらに、施工対象（の形状）や周囲環境によっては、施工部に照射されるレーザ光のエネルギーや照射面積が不安定化することもある。この場合、施工によって所望の残留応力が得られない可能性がある。
従い、施工部に所望の残留応力が付与され、施工品質が確保されていることを確認するためには、例えば逐次研磨を併用したＸ線応力測定法や穿孔法によって、施工後に残留応力の測定を行う。

しかし、実製品や狭隘部など、施工後に残留応力の測定を行うことが困難な場合がある。そのため、施工後の残留応力測定をすることなく品質を予測できる技術の開発が望まれている。

特許第５３７５４７６号公報

本発明は、施工後に残留応力を測定すること無く、レーザピーニング施工の品質を予測できるレーザピーニング装置およびレーザピーニング方法を提供することを目的とする。

一態様に係るレーザピーニング装置は、レーザ光を発生するレーザ発振器と、前記レーザ発振器からのレーザ光を伝送して施工対象に照射する光学系と、前記レーザ光によって施工対象上に発生したプラズマの形状を撮影する撮影部と、を具備する。

施工後に残留応力を測定すること無く、レーザピーニング施工の品質を予測できるレーザピーニング装置およびレーザピーニング方法を提供できる。

第１の実施形態に係るレーザピーニング装置の模式図である。 第１の実施形態の変形例１に係るレーザピーニング装置の模式図である。 第１の実施形態の変形例２に係るレーザピーニング装置の模式図である。 施工対象にレーザを照射した際に発生するプラズマを示す模式図である。 第１の実施形態に係るレーザピーニングの手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態の変形例１に係るレーザピーニングの手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態の変形例２に係るレーザピーニングの手順を示すフローチャートである。 レーザの強度と残留応力の関係を表すグラフである。 プラズマＰの形状を表す模式図である。 プラズマＰの形状を表す模式図である。 プラズマＰの形状を表す模式図である。 プラズマＰの形状を表す模式図である。 プラズマＰのアスペクト比の時間変化を表す模式図である。 プラズマＰのアスペクト比の時間変化を表す模式図である。 第２の実施形態に係るレーザピーニング装置の模式図である。 第２の実施形態の変形例１に係るレーザピーニング装置の模式図である。 第２の実施形態の変形例２に係るレーザピーニング装置の模式図である。 第１の実施形態に係るレーザピーニングの手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態の変形例１に係るレーザピーニングの手順を示すフローチャートである。 第１の実施形態の変形例２に係るレーザピーニングの手順を示すフローチャートである。 プラズマＰのアスペクト比と残留応力の時間変化を表す模式図である。 プラズマＰのアスペクト比と残留応力の時間変化を表す模式図である。

以下、本発明に係るレーザピーニング装置について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１Ａ，図１Ｂ，図１Ｃは、第１の実施形態およびその変形例１，２に係るレーザピーニング装置の模式図である。図２は施工対象にレーザを照射した際に発生するプラズマを示す模式図である。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃは、第１の実施形態およびその変形例１，２に係るレーザピーニング方法のフローチャートである。

図１Ａに示すように、第１の実施形態に係るレーザピーニング装置は、レーザ発振器１１、光学系１２、相対変位部１３，撮影部１５、表示部１６を備える。

レーザ発振器１１は、レーザピーニングのためのレーザ光（例えば、パルスレーザ）Ｌを発振する。このレーザ光Ｌには、適宜の波長、パルス幅を選択することができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いて、波長１０６４ｎｍ、あるいは５３２ｎｍ、パルス幅が数ｎｓ〜数十ｎｓのパルスレーザを発生できる。

光学系１２は、レーザ発振器１１が発振したレーザ光Ｌを施工対象Ｏに導く光学伝送系である。光学系１２は、適宜に配置されたミラー１２１（プリズムでもよい）、レンズ１２２などの各種光学素子を有し、レーザ光Ｌを集光して施工対象Ｏの施工対象箇所に導く。施工対象Ｏにレーザ光Ｌを照射することで、プラズマＰが発生し、その膨張圧力によって、施工対象Ｏに残留応力が付与される。このとき、プラズマＰは、パルスレーザのパルス幅に対応して、生成、消滅する。
光学系１２は、レンズ１２２と施工対象Ｏ間の距離を調節可能とするレンズ駆動部１２３を備える。レンズ１２２と施工対象Ｏ間の距離を調節することで、施工対象Ｏ上でのレーザ光Ｌのスポット径（照射面積）を適宜に変更できる。

相対変位部１３は、レンズ１２２と施工対象Ｏ間の相対的位置を調節可能とする駆動機構である。レンズ１２２と施工対象Ｏ間の相対的位置を調節することで、レーザ光Ｌを施工対象Ｏ上の適宜の位置に照射、スキャンすることができる。
ここでは、相対変位部１３は、施工対象Ｏを載置し、ＸＹ方向に平面的に移動可能としている。

ここで、施工対象Ｏを移動させる以外に、次のような構成を採用できる。すなわち、光学系１２の少なくとも一部を内蔵し、レーザ光Ｌを施工対象Ｏに照射する施工ヘッドを用いると共に、この施工ヘッド自体または施工ヘッド中の光学系１２を移動させる。

撮影部１５は、施工対象Ｏ上のプラズマを撮影する。レーザ光Ｌのパルス幅が短いことから、個々のプラズマＰを撮影するためには、撮影部１５は、応答が高速であることが好ましい。撮影部１５には、例えば、イメージインテンシファイアＣＣＤ（Image intensifier Charge Coupled Device）カメラや高速度カメラを用いることができる。
プラズマＰの撮影には、レーザ光Ｌの波長を含まない波長帯の光を用いることが好ましい。このために、撮影部１５が、レーザ光Ｌの波長の光を遮断するフィルタを備えることができる。

ここで、施工箇所が狭隘部などにあって、直接観察することが難しいことがある。このような場合に備え、撮影部１５が小型ミラーやファイバースコープなどを有してもよい。これらを介してプラズマＰの形状を観察できる。

以下、プラズマＰの形状について説明する。
図２に示すように、レーザ光Ｌを施工対象Ｏに照射するとプラズマＰが発生する。このとき、施工対象Ｏの表面からプラズマＰの先端までの距離（幅）を縦幅Ｗ１、施工対象Ｏの表面上での広がり（幅）を横幅Ｗ２とする。
横幅Ｗ２に対する縦幅Ｗ１の比（Ｗ１／Ｗ２、以下、アスペクト比）をプラズマＰの形状として定義できる。

例えば、撮影部１５で撮影されたプラズマＰのイメージ（画像）を処理し（例えば、二値化）、縦横２方向での明部（または暗部）の広がりの大きさを数値化することで、縦幅Ｗ１、横幅Ｗ２を求めることができる。この画像処理は、後述の画像処理部によって行うことができる。

なお、縦幅Ｗ１と横幅Ｗ２はプラズマＰの膨張が最大に達した時に計測することが好ましい。 このためには、例えば、プラズマＰが発生、膨張、消滅する過程において、複数の（プラズマＰの）画像（イメージ）を取得する。複数の画像それぞれで縦幅Ｗ１と横幅Ｗ２を求め、その中から最大の縦幅Ｗ１（横幅Ｗ２）を選択すればよい。

表示部１６は、撮影部１５によって得られたプラズマＰの形状の情報を表示する。プラズマＰの形状の情報とは、例えば、撮影したプラズマＰの画像そのもの、プラズマＰの画像を処理して得た縦幅Ｗ１および横幅Ｗ２、アスペクト比などである。画像、アスペクト比のいずれでも、プラズマＰの形状の変化、ひいては残留応力の変化を推測できる。後述のように、プラズマＰの形状と付与される残留応力の関連性が発明者らによって見出されている。

プラズマＰの画像を処理して、その縦幅Ｗ１、横幅Ｗ２、アスペクト比等を形状パラメータとして得る場合、レーザピーニング装置は、画像処理演算を行う画像処理部をさらに有する。撮影したプラズマＰの画像自体を表示部１６で表示するだけであれば、画像処理部は必須ではない。

画像処理部は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ：Central Processing Unit）などのハードウェアと、これを動作させるプログラムなどのソフトウェアから構成できる。既述のように、画像処理部は、プラズマＰのイメージ（画像）を処理することで、縦幅Ｗ１、横幅Ｗ２を求めることができる。
なお、撮影部１５（カメラ）をパーソナルコンピュータに接続し、パーソナルコンピュータによって、画像の処理とプラズマＰの形状情報表示を行ってもよい。この場合、パーソナルコンピュータは、画像処理部および表示部として機能する。

撮影部１５は、計測したプラズマＰの形状を施工中、あるいは施工後に出力することができる。このため、撮影部１５は、メモリなどの記憶手段を有する。その際、プラズマＰの形状と経過時間とを関連付けて出力することで、オペレータが施工中、あるいは施工後に、施工中でのプラズマＰの形状変化を評価できる。

図３Ａは、図１Ａの装置構成によるレーザピーニングに関するフローチャートを示す。
まず、レーザ光Ｌの照射条件を決定し、レーザピーニングの施工を開始する（ステップＳ１１）。次に、施工中のプラズマＰの形状を撮影部１５により撮影する（ステップＳ１２）。最後に、施工中、あるいは施工後にプラズマＰの形状の情報を表示することで、オペレータがプラズマＰの形状を評価できる（ステップＳ１３）。
ここで表示する情報は、撮影したプラズマＰの画像そのものでも、形状パラメータでもよい。

撮影したプラズマＰの画像を施工中にリアルタイムでオペレータが確認する場合、オペレータがレーザの全パルスのプラズマＰを肉眼で認識することは、困難である。一般的な施工条件におけるパルスの周波数は、肉眼で追随可能な周波数よりも高い。しかしながら、プラズマＰの形状が変化した状態がある程度連続する場合（不適切な施工が連続する場合）は、肉眼でも施工の異常を認識でき、不適切な施工と評価することができる。
なお、形状パラメータを表示する場合、形状パラメータを表やグラフ等で経時的に表示することで、オペレータの判断を容易とすることができる。

本実施形態において、施工中、あるいは施工後に、オペレータがレーザピーニング施工中のプラズマＰの形状を評価し、施工状態を確認できる。

ここで、レーザ強度、残留応力、およびプラズマＰの形状の関係について説明する。
一般にレーザ強度を高めるほど付与される残留応力も高くなる関係にあるが、あるレーザ強度を超えると、レーザ強度を高めると残留応力は低下する。
次のように、発明者らは、「レーザ強度と付与される残留応力の関係の変化」とプラズマＰの形状に相関があることを見出した。
具体的には、レーザ強度を高めるほど付与される残留応力も高くなる関係にあるときは、プラズマＰが横幅の大きい形状を呈するが、レーザ強度が「レーザ強度と付与される残留応力の関係が変化する値」を超えると、プラズマＰが縦幅の大きい形状を呈するようになる。

以下、ニッケル合金（Ａｌｌｏｙ６００）をレーザピーニングの施工対象Ｏとした例を用いて説明する。
図４は、Ａｌｌｏｙ６００にレーザピーニングを施した場合のレーザ強度と残留応力（表面近傍（表面から１５μｍ〜４５μｍ）の残留応力）の関係を表すグラフである。８種類の異なるレーザ強度で施工したデータが示される。
レーザ強度は、この内の最大のレーザ強度を基準に、規格化されている。また、残留応力は、最大のレーザ強度での施工で、表面からの深さ４５μｍに付与された残留応力を基準に、規格化されている。
この図に示すように、レーザ強度が０．２（基準強度）前後で、レーザ強度と残留応力の関係が変化している。レーザ強度が０．２未満では、圧縮残留応力はレーザ強度の増加に対し単調増加している。一方、レーザ強度が０．２を超えると、圧縮残留応力はレーザ強度の増加に対し単調減少している。

図５Ａ〜図５Ｄはそれぞれ、図４において、レーザ強度がそれぞれ０．０８、０．１６，０．３３，１．００のときのプラズマＰの形状を表す模式図である。レーザ強度を変えながら水中でアブレーションプラズマを発生させ，各レーザ強度におけるプラズマをＩＣＣＤ（Image intensifier Charge Coupled Device）カメラで観察した結果を模式的に示している。

図５Ａ、図５Ｂでは、プラズマＰは試料の表面に沿う長い形状を有する（比較的アスペクト比が小さい。後述の図６Ｂの符号Ｇ２に対応）。図５Ｃでは、プラズマＰは略球形状を有する。図５Ｄでは、プラズマＰは試料の表面の垂直方向に長い形状を有する（比較的アスペクト比が大きい。後述の図６Ｂの符号Ｇｐに対応）。
すなわち、レーザ強度の増加に対し圧縮残留応力が単調増加する、レーザ強度０．２未満の条件では，プラズマＰは試験片表面に沿うように広がる。これに対し、圧縮残留応力が単調減少し始める、レーザ強度が０．２以上かつ０．２に比較的近い条件では，プラズマＰはより球状に近い形状となる。さらに、レーザ強度が１．００程度まで増加すると、プラズマは試料の法線方向に広がる。

以上のように，レーザピーニングにより生じる材料表面近傍の残留応力はプラズマＰの形状と相関がある。このため、施工中のプラズマＰの形状変化から、レーザピーニング施工の適否を判定可能である。
なお、レーザの強度と残留応力の関係が逆転する基準強度は、材料、施工条件などによって異なると考えられる。このため、プラズマＰの形状と残留応力の関係の方が、レーザの強度と残留応力の関係よりも普遍性を有する。

図１Ｂに示すように、レーザピーニング装置は、記憶部１７、形状変化判定部１８をさらに備えてもよい。

記憶部１７は撮影部１５が計測したプラズマＰの形状（例えば、画像、アスペクト比）のデータを記憶する。記憶したプラズマＰの形状データは、形状変化判定部１８での判定に利用される。
ここで、記憶部１７は、プラズマＰの形状のみではなく、形状からの計算値（平均値や中央値）のデータを記憶することが好ましい。レーザピーニング装置が、形状からの計算値（平均値や中央値）を自動計算する機能をさらに具備することで、比較に用いる平均値や中央値のデータを逐次に更新できる。

形状変化判定部１８は、計測した最新のプラズマＰの形状を記憶部１７に記憶されたプラズマＰの形状と比較し、プラズマＰの形状が変化したかを判定する。この比較の際、直前のプラズマＰの形状と比較するか、あるいはこれまでの平均値や中央値などと比較するかは任意である。
平均値や中央値を用いる場合、施工開始からの全データを用いてもよいし、直前の所定個数のプラズマＰの形状を用いてもよい。より具体的には、例えば撮影したプラズマＰの形状と、それ以前のプラズマＰの形状とで、比較対象とする形状パラメータ（例えば、アスペクト比、縦幅Ｗ１、横幅Ｗ２）の変化量について、しきい値判定を行う。

この比較には、記憶部１７に記憶されたプラズマＰの形状の情報に換えて、予め設定したプラズマＰの形状の情報を用いることができる。例えば、アスペクト比の許容値を予め設定し、施工時に観測するプラズマＰの形状がこの許容値を超過したかのしきい値判定を行う。すなわち、計測されたプラズマＰの形状、設定されたプラズマＰの形状はいずれも、プラズマＰの形状が変化したかを判定するための基準として用いることができる。

ここで、施工中の瞬間的な急変を検知したい場合、撮影したプラズマＰの形状と、その直前のプラズマＰの形状をリアルタイムで比較することが好ましい。
なお、レーザピーニング開始後、数パルス分レーザを照射するまでは判定対象外とすることが好ましい。動作開始直後のプラズマＰは多少の不安定性を有することがあるためである。

形状変化判定部１８による形状変化判定を施工中に出力するか、施工後に出力するかは任意である。
形状変化判定部１８は、施工中に形状変化判定を行い、形状変化の判定が出力された場合に警報を出力する機能や、施工を中止するインターロック機能を有してもよい。

図３Ｂは、図１Ｂの装置構成によるレーザピーニングに関するフローチャートを示す。
まず、レーザ光Ｌの照射条件を決定し、レーザピーニング施工を開始する（ステップＳ１１）。次に、施工中のプラズマＰを撮影して画像処理を行う（ステップＳ１４）。図３Ｂの装置構成では、プラズマＰの形状パラメータを用いて形状変化を判定するため、画像処理を行う。

その後、プラズマＰの形状が変化したか否かが判定される（ステップＳ１５）。この判定には、記憶部１７に記憶されたプラズマＰの形状または設定されたプラズマＰの形状が用いられる。
前者の場合、形状変化判定部１８は、計測したプラズマＰの形状を記憶部１７に記憶された直前のプラズマＰの形状（あるいは、これまでの平均値や中央値など）と比較して、形状が変化したか否かを判断する。後者の場合、形状変化判定部１８は、計測したプラズマＰの形状を設定と比較して、形状が変化したか否かを判断する。
形状変化判定部１８は、プラズマＰの形状が変化していると判断すると、形状変化判定を出力する。

形状変化判定が出力されると、形状変化判定部１８のインターロック機能により、レーザピーニング施工が中止される（ステップＳ１６）。
ここでは、施工を中止しているが、警報を出力して施工を継続してもよい。また、形状変化判定の出力回数が所定回数未満までは警報を発報して施工を継続し、所定回数に達したら施工を中止してもよい。警報を発報して施工を継続する場合は、次のステップＳ１７へ進む。

ステップＳ１５ａで、プラズマＰの形状が変化していないと判断された場合、計測したプラズマＰの形状（形状自体および／または計算値）を記憶部１７に記憶し、測定データを更新する（ステップＳ１７）。
これら一連の工程を施工完了まで継続して行う（ステップＳ１８）。

このように構成された本実施の形態において、プラズマＰの形状に基づいて、レーザピーニングの施工状況の適否を評価でき、ひいては施工部に所定の条件でレーザピーニング施工されたことを保証することができる。

図１Ｃに示すように、レーザピーニング装置は、駆動制御部１９をさらに備えてもよい。
駆動制御部１９は、形状変化判定部１８と連動し、施工中に形状変化判定が出力された際にプラズマＰの形状が改善するように施工条件を変更する。
施工条件には、レーザ光Ｌのエネルギー、パルス幅、照射面積、パルス密度などがある。
駆動制御部１９は、例えば、レーザ発振器１１の制御、施工ヘッドの移動制御、光学系１２の移動制御（例えば、レンズ駆動部１２３によるレンズ１２２の移動）、施工対象物Ｏの移動制御の少なくともいずれかを行い、施工条件を変更する。

形状変化判定部１８がプラズマＰの形状が変化したと判定したとき（基準から外れたとき）、駆動制御部１９は、施工条件を変更する（例えば、レーザ光Ｌのエネルギーを低減する）。この結果、プラズマＰの形状が復帰すると、この変更した施工条件で施工が続行される。一方、変更した施工条件でもプラズマＰの形状が基準から外れているときは、さらに施工条件を変更する（例えば、レーザ光Ｌのエネルギーをさらに低減する）。このように、必要に応じて、施工条件の変更および形状の確認が繰り返される（一種のフィードバック制御）。

図３Ｃは、図１Ｃの装置構成によるレーザピーニングに関するフローチャートを示す。
まず、レーザ光Ｌの照射条件を決定し、レーザピーニング施工を開始する（ステップＳ１１）。次に、施工中のプラズマＰの形状を撮影して画像処理を行う（ステップＳ１４）。

その後、プラズマＰの形状が変化したか否かが判定される（ステップＳ２１）。この判定は、既述のように、記憶部１７に記憶されたプラズマＰの形状または設定されたＰの形状を用いることができる。

形状変化判定部１８がプラズマＰの形状の変化を出力した場合、駆動制御部１９がレーザ光Ｌの施工条件を変更する（ステップＳ２２）。なお、施工条件を変更しても、プラズマＰの形状が復帰しない場合、施工条件が再度変更される。
これら一連の工程を施工完了まで継続して行う（ステップＳ２３）。

本実施形態において、施工中にプラズマＰの形状変化が生じた際に施工条件をリアルタイムに変更することで、常に所定の施工条件でレーザピーニングが施工されたことを保証することができる。また、施工の中止や、やり直しによる工数の増加、施工の長時間化等を回避することができる。

ここで、施工条件を変更してもプラズマＰの形状が復帰しない場合（例えば、所定の回数の条件変更を行った場合や、ハードウェアの制約等で条件変更が不可能となった場合）は、施工を中止してもよい。
また、プラズマＰの形状が基準から外れていた施工分について、施工を自動でやり直してもよい。
さらに、プラズマＰの形状が基準を外れた回数に対する許容値を設定しておき、この許容値を超えない場合は施工を継続してもよい。許容値としては、例えば、プラズマＰの形状が連続で基準を外れた回数の上限値や、あるレーザパルスの照射回数におけるプラズマＰの形状が基準を外れた回数の上限値等である。

図６Ａ，図６Ｂを使って第１の実施形態にかかる施工管理の例を示す。
図６Ａ，図６Ｂは、プラズマＰの形状の判定基準として、アスペクト比０．５を上限値として閾値判定する例を示している。符号Ａｓはプラズマ形状判定基準を示す。
図６Ａは施工が安定している場合のプラズマＰの形状の時間変化Ｇ１を、図６Ｂは施工が不安定化した場合のプラズマＰの形状の時間変化Ｇ２を表す。

図６Ａに示すように施工が安定している場合、プラズマのアスペクト比は予め設定したプラズマ形状判定基準Ａｓを超えず、継続して施工が行われる。しかし、図６Ｂに示すように施工が一時的に不安定化した場合、予め設定したプラズマ形状判定基準Ａｓを超えるアスペクト比Ａｐの状態Ｇｐを示す。
プラズマ形状判定基準Ａｓを超えるアスペクト比が検出された場合、形状変化判定部１８に具備されるインターロックによる施工中止、警報発報、駆動制御部１９による施工条件の変更等が行われる。

レーザピーニング装置が形状変化判定部１８や駆動制御部１９を備えない場合は、オペレータが図６Ａ，図６Ｂに示すようなプラズマＰの形状の時間変化を表す記録などを基に、施工部に対して施工の適否を判定する。

ここでは、アスペクト比の上限値のみをプラズマ形状判定基準Ａｓとする場合を例に説明したが、プラズマ形状判定基準Ａｓとして上限値のみ用いるか、下限値のみ用いるか、両者を用いるかは任意である。
例えば、本実施形態ではアスペクト比が低い（すなわち横幅が大きい）施工条件で施工する前提で説明した。しかし、付与したい応力条件によってはアスペクト比が高い施工条件で施工する場合も有り得る。この場合は、アスペクト比の下限値を設定して判定を行う。

本実施形態のレーザピーニング装置によれば、撮影したプラズマＰの形状に基づいて、施工の適否を評価することができる。
また、施工中におけるプラズマ形状の変化やアスペクト比を用いて施工の適否を自動で判定し、施工中または施工後の施工品質評価、施工中における施工中止、適切な施工条件への変更、施工のやり直しを行うことができる。

（第２の実施形態）
図７Ａ，図７Ｂ、図７Ｃは、第２の実施形態およびその変形例１，２に係るレーザピーニング装置の模式図である。図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃは、第２の実施形態およびその変形例１，２に係るレーザピーニング方法のフローチャートである。

図７Ａに示すように、第２の実施形態にかかるレーザピーニング装置は、レーザ発振器１１、光学系１２、相対変位部１３，撮影部１５、データベース２１、応力推定部２２を備える。

レーザ発振器１１、光学系１２、相対変位部１３，撮影部１５は、第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
データベース２１は、様々な材料におけるプラズマＰの形状と材料表面近傍に生じる残留応力との関係を表すデータを有する。
応力推定部２２は、データベース２１を参照することで、プラズマＰの形状から施工部の表面近傍に付与された残留応力を推定する。

データベース２１を作成するには、様々なレーザピーニング条件で施工し、施工中のプラズマＰの形状を計測する。施工後に逐次研磨を組み合わせたＸ線応力測定法や穿孔法などにより施工部の表面近傍に生じた残留応力を計測する。この計測から、施工対象の材料と施工中のプラズマＰの形状と施工部の表面近傍に生じる残留応力を関係づけ、データベース２１を作成する。より具体的にはプラズマＰの形状パラメータと残留応力の関係を、材料の種類毎等に格納する。

図８Ａは、図７Ａの装置構成によるレーザピーニングに関するフローチャートを示す。
まず、レーザ光Ｌの照射条件を決定し、レーザピーニング施工を開始する（ステップＳ１１）。次に、施工中のプラズマ形状を撮影して画像処理を行う（ステップＳ１４）。施工中、あるいは施工後に応力推定部２２がデータベース２１を参照し、施工部の残留応力を推定する（ステップＳ３１，Ｓ３２）。

このように構成された本実施の形態において、レーザピーニング施工中のプラズマＰの形状を計測し、施工中、あるいは施工後に、データベースと照らし合わせる。この結果、施工部の表面近傍に生じる残留応力を各種応力測定なしに推定できる。

また、図７Ｂに示すように、レーザピーニング装置は、警告部２３をさらに備えてもよい。
警告部２３は、応力推定部２２が推定した残留応力が予め設定された残留応力条件を満たさない場合に警告を出力する。
警告部２３には、インターロック機能を具備することもできる。インターロック機能を有効にすることで、施工部の残留応力が予め設定された残留応力条件を満たさない場合、レーザピーニング施工を即座に中止できる。

図８Ｂは、図７Ｂの装置構成によるレーザピーニングに関するフローチャートを示す。
まず、施工部に付与する残留応力の条件、レーザ光Ｌの照射条件を決定し、レーザピーニング施工を開始する（ステップＳ１１ａ、Ｓ１１ｂ）。次に、施工中のプラズマＰの形状を撮影して画像処理を行う（ステップＳ１４）。

応力推定部２２がプラズマＰの形状を基にデータベース２１を参照し（ステップＳ３１）、施工部の表面近傍に生じる残留応力を推定する（ステップＳ３２）。
推定される残留応力が予め設定した残留応力条件を満たす場合は施工を継続する（ステップＳ３３，Ｓ３４）。一方、残留応力条件を満たさない場合、警告部２３が警告を出力する（ステップＳ３５）。
警告部２３のインターロック機能が有効である場合、レーザピーニング施工を即座に中止させる（ステップＳ３６，Ｓ３７）。
このような一連の工程を施工完了まで繰り返す（ステップＳ３４）。
このように構成された本実施の形態において、レーザピーニング施工中のプラズマＰの形状から施工部に所定の残留応力が生じていることを保証できる。

図７Ｃに示すように、レーザピーニング装置は、駆動制御部２４を備えてもよい。
駆動制御部２４は、応力推定部２２が推定した残留応力が予め設定された残留応力条件を満たさない場合に、レーザピーニングの施工条件を変更する。
駆動制御部２４はデータベース２１、応力推定部２２と連動し、生じる残留応力が所定の条件を満たすようにレーザ光Ｌのエネルギー、照射面積、パルス幅などレーザピーニング施工条件を変更する。

図８Ｃは、図７Ｃの装置構成によるレーザピーニングに関するフローチャートを示す。
まず、施工部に付与する残留応力の条件、レーザ光Ｌの照射条件を決定し、レーザピーニング施工を開始する（ステップＳ１１ａ、Ｓ１１ｂ）。次に、施工中のプラズマＰの形状を撮影して画像処理を行う（ステップＳ１４）。

応力推定部２２がプラズマＰの形状を基にデータベース２１を参照し（ステップＳ３１）、施工部の表面近傍に生じる残留応力を推定する（ステップＳ３２）。
データベース２１を参照し推定される残留応力が設定した残留応力条件を満たさない場合、駆動制御部２４がレーザ光Ｌのエネルギー、照射面積、パルス幅などレーザピーニング施工条件を変更する（ステップＳ３８）。
これらの一連の工程を施工完了まで行う（ステップＳ３４）。

このように構成された本実施形態において、残留応力条件を満たさなくなった場合に施工条件をリアルタイムに変更し、常に所定の残留応力が施工部に付与されることを保証することができる。

図９Ａ，図９Ｂを使って施工管理の例を示す。
図９Ａ，図９Ｂは、残留応力の判定基準として用いる閾値である残留応力判定基準Ｔｓを上限値−８００ＭＰａとした場合の例である。
図９Ａは施工が安定している場合のプラズマＰの形状の時間変化Ｇ１とその際に表面近傍に生じる残留応力の推定値Ｔ１を表す。図９Ｂは施工が不安定化した場合のプラズマＰの形状の時間変化Ｇ２とその際に表面近傍に生じる残留応力の推定値Ｔ２を表す。

図９Ａに示すように施工が安定している場合、推定される残留応力は残留応力判定基準Ｔｓを超えず、継続して施工が行われる。
しかし、図９Ｂに示すように施工が不安定化した場合、予め設定した残留応力判定基準Ｔｓを超える残留応力の推定値Ｔｐを示す。残留応力判定基準Ｔｓを超える残留応力の推定値Ｔｐが検出された場合、警告部２３に具備されるインターロックによる施工の中止や、駆動制御部２４による施工条件の変更が行われる。

なお、ここでは残留応力の上限値のみを残留応力判定基準Ｔｓとする場合を例に説明したが、残留応力判定基準Ｔｓとして上限値のみ用いるか、下限値のみ用いるか、両者を用いるかは任意である。

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。

１１： レーザ発振器、１２： 光学系、１３： 相対変位部、１５： 撮影部、１６： 表示部、１７： 記憶部、１８： 形状変化判定部、１９： 駆動制御部、２１： データベース、２２： 応力推定部、２３： 警告部、２４： 駆動制御部、１２１： ミラー、１２２： レンズ、１２３： レンズ駆動部

Claims (10)

1. 施工対象にレーザ光を照射して圧縮残留応力を付与するレーザピーニング装置であって、
   レーザ光を発生するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器からのレーザ光を伝送して施工対象に照射する光学系と、
   前記レーザ光によって施工対象上に発生したプラズマの形状を撮影する撮影部と、を具備するレーザピーニング装置。
2. 前記撮影部による撮影に基づいて得られた前記プラズマの形状の情報を表示する表示部、
   をさらに具備する請求項１記載のレーザピーニング装置。
3. 前記撮影部が撮影した画像に基づいて、前記プラズマの形状に関する形状パラメータを求める画像処理部、
   をさらに具備する請求項１または２に記載のレーザピーニング装置。
4. 前記形状パラメータを基準値と比較して、プラズマの形状変化を判定する形状変化判定部、
   をさらに具備する請求項３記載のレーザピーニング装置。
5. 前記形状パラメータを記憶する記憶部をさらに具備し、
   前記形状変化判定部が、前記記憶部に記憶され、かつ判定対象とするプラズマより前に発生したプラズマの形状パラメータを前記基準値として、前記プラズマの形状変化を判定する、
   請求項４記載のレーザピーニング装置。
6. 前記形状変化判定部が前記プラズマの形状が変化したと判定したときに、レーザピーニングの施工条件を変更する駆動制御部
   をさらに具備する請求項４または５に記載のレーザピーニング装置。
7. 前記形状パラメータと残留応力との関係を表すデータベースと、
   前記撮影されたプラズマの形状と前記データベースに基づいて、前記施工対象に付与される残留応力を推定する応力推定部と、
   をさらに具備する請求項３に記載のレーザピーニング装置。
8. 前記応力推定部が推定した残留応力が設定された残留応力条件を満たすかを判定し、前記残留応力条件を満たさない場合に、レーザピーニングの施工条件を変更する駆動制御部
   をさらに具備する請求項７に記載のレーザピーニング装置。
9. 前記形状パラメータが、前記プラズマの縦幅、横幅、および縦幅と横幅の比であるアスペクト比、の少なくとも何れかを含む
   請求項３乃至請求項８のいずれか１項に記載のレーザピーニング装置。
10. 施工対象にレーザ光を照射して圧縮残留応力を付与するレーザピーニング方法であって、
    レーザ光を発生する工程と、
    前記レーザ光を伝送して施工対象に照射する工程と、
    前記レーザ光によって施工対象上に発生したプラズマの形状を撮影する工程と、
    前記撮影に基づいて得られた前記プラズマの形状の情報を表示する工程と、
    を具備するレーザピーニング方法。

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