JP2020116613A - レーザピーニング装置及びレーザピーニング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザエネルギを増大させることなく高いピーニング効果を実現できること。【解決手段】施工対象物１１の表面１１ａにパルスレーザＬを照射して施工対象物を改質するレーザピーニング装置１０において、施工対象物の表面にパルスレーザＬを照射して、施工対象物の表面近傍にプラズマＰを生成させるパルスレーザ装置１４と、プラズマＰ中の荷電粒子に外部磁場Ｂを作用させる外部磁場発生装置１５と、を有して構成されたものである。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態はレーザピーニング装置、及びこのレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法に関する。

従来のレーザピーニング装置による施工対象物の材料特性の改善は、パルスレーザを施工対象物の表面に照射し、パルスレーザの諸パラメータ、例えばレーザエネルギ等を適正に制御することで、施工対象物における残留応力の引張応力を圧縮応力に変化させる残留応力の深さ方向分布の改善や、疲労強度の向上を図るというものである。

特開２０１２−２５０２７５号公報

上述の従来技術では、パルスレーザの諸パラメータ、例えばレーザエネルギを制御することで、施工対象物における残留応力の深さ方向分布の改善や疲労強度の向上を図っているが、引張応力から圧縮応力への応力変化量や疲労強度の変化量には限界がある。また、レーザエネルギを増加させても、やがて応力の増加量や疲労強度の変化量に飽和がみられたり、施工対象物の表面に損傷が生じたりする。また、レーザピーニング装置の小型化や光学部品の熱的損傷による劣化を低減するためには、レーザピーニング装置の軽量化や耐久性の向上に向けて、従来よりも低いレーザエネルギで、従来と同等のピーニング効果を発揮する手段が求められている。

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、レーザエネルギを増大させることなく高いピーニング効果を実現できるレーザピーニング装置及びレーザピーニング方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態におけるレーザピーニング装置は、施工対象物の表面にレーザを照射して前記施工対象物を改質するレーザピーニング装置において、前記施工対象物の表面に前記レーザを照射して、前記施工対象物の表面近傍にプラズマを生成させるレーザ装置と、前記プラズマ中の荷電粒子に磁場を作用させる外部磁場発生装置と、を有して構成されたことを特徴とするものである。

本発明の実施形態におけるレーザピーニング方法は、施工対象物の表面にレーザを照射して前記施工対象物を改質するレーザピーニング方法において、前記施工対象物の表面近傍にプラズマを生成させる前記レーザを、前記施工対象物の表面に照射するレーザ照射ステップと、前記プラズマ中の荷電粒子に磁場を作用させる外部磁場印加ステップと、を有することを特徴とするものである。

本発明の実施形態によれば、レーザエネルギを増大させることなく高いピーニング効果を実現できる。

第１実施形態に係るレーザピーニング装置の構成を示すブロック図。 図１の外部磁場発生装置を示す構成図。 図１のパルスレーザ装置によるレーザ照射状況、外部磁場発生装置による磁場印加状況、及びプラズマの挙動を示すグラフ。 第２実施形態に係るレーザピーニング装置における外部磁場発生装置を示す構成図。 第３実施形態に係るレーザピーニング装置における外部磁場発生装置を示す構成図。 図１のパルスレーザ装置によるレーザ照射状況、外部磁場発生装置による磁場印加状況の他の例を示すグラフ。

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１〜図３）
図１に示すように、レーザピーニング装置１０は、施工対象物１１の表面１１ａに、液体あるいは気体のプラズマ封じ込め物質１２を存在させた状態で、パルスレーザ装置１４からプラズマ生成用のパルスレーザＬを照射し、外部磁場発生装置１５が発生したプラズマ制御用の外部磁場Ｂを、パルスレーザＬの照射により生成されたプラズマＰの存在領域に印加してレーザピーニングを行うものである。

施工対象物１１は、例えば、大型構造物の一部分や組み立て部品の一つであって、ニッケル合金材質である。このレーザピーニング装置１０によって、施工対象物１１の表面１１ａから内部の深い範囲まで圧縮残留応力を発生させることで、疲労強度を向上させる。

上述のレーザピーニング装置１０は、封じ込め物質供給装置１３、プラズマ生成用のパルスレーザ装置１４、プラズマ制御用の外部磁場発生装置１５、タイミング調整部１６、モニタリング装置１７、プラズマ評価部１８、及びフィードバック部１９を有して構成される。

封じ込め物質供給装置１３は、空気中で施工対象物１１の表面１１ａに、純水やアルコール類などの液体、または空気や希ガス、非爆発性ガスなどの気体のプラズマ封じ込め物質１２を供給して、施工対象物１１の表面１１ａをプラズマ封じ込め物質１２で覆うものである。なお、プラズマ封じ込め物質１２は、磁性流体のような、外部磁場印加で磁化して、何らかのプラズマ封じ込め作用のある局所磁場を生成するような物質を用いることもできる。この封じ込め物質供給装置１３は、例えば、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及びホースなど（図示せず）などを含む。但し、施工対象物１１の表面１１ａ全体が水槽内の純水に浸漬されている場合などでは、封じ込め物質供給装置１３を省略してもよい。

パルスレーザ装置１４は、プラズマ生成用のパルスレーザＬを施工対象物１１の表面１１ａに照射し、レーザエネルギによって施工対象物１１の表面１１ａ近傍にプラズマＰを生成する装置である。このパルスレーザ装置１４は、パルスレーザＬを施工対象物１１の表面１１ａに伝送し、集光して照射するための光ファイバ、レンズ、ミラー等の光学素子を（不図示）を備える。パルスレーザ装置１４は、タイミング調整部１６からのトリガー信号によりパルスレーザＬの照射タイミングが規定される動作モードで使用される。

ここで、パルスレーザＬは、例えばＮｄ：ＹＡＧパルスレーザであり、プラズマ封じ込め物質１２が純水の場合であれば、波長が２倍波（波長５３２ｎｍ）で、パルス時間幅が数ｎｓのものであればよい。例えば、空気中であれば、波長は基本波（波長１０６４ｎｍ）でよい。このパルスレーザＬのレーザ波長は、プラズマ封じ込め物質１２の光吸収特性に応じて、吸収による透過率の低減効果ができるだけ小さな波長領域の範囲内で適宜選択される。また、追加のプラズマ封じ込め物質１２として、ピーニング施工面には、ペイント加工やテーピング加工などがされていてもよい。なお、ピーニング施工面への熱影響を低減するために、ピークエネルギーやパワーが十分大きいレーザの場合には、パルス幅はｐｓ、ｆｓなどの短パルスレーザを用いることができる。また、パルスレーザＬの繰り返し周波数は例えば１００Ｈｚである。

外部磁場発生装置１５は、例えば図２に示すように、導線を巻いたコイル状の単一の電磁石２０に電源２１から電流（後述のパルス電流）が供給されることで、プラズマ制御用の外部磁場Ｂを、施工対象物１１の表面１１ａ近傍におけるプラズマＰの存在領域に印加して、プラズマＰ中の荷電粒子に外部磁場Ｂを作用させて、その荷電粒子の運動状態を制御するものである。この外部磁場発生装置１５は、電磁石２０の中心位置にパルスレーザＬが通過するように設置される。

また、外部磁場発生装置１５は、電磁石２０の端面から湧き出す磁力線Ｓの湧き出し部が施工対象物１１の表面１１ａに対向するような外部磁場Ｂを、プラズマＰの存在領域に印加する。なお、外部磁場発生装置１５は、電磁石２０の端面に吸い込まれる磁力線Ｓの吸い込み部が施工対象物１１の表面１１ａに対向するような外部磁場Ｂを印加してもよい。いずれの場合も、外部磁場発生装置１５が印加する外部磁場Ｂは、施工対象物１１の表面１１ａ近傍におけるプラズマＰの存在領域で、パルスレーザＬの光軸Ｌ０に対して平行な磁場になっている。

外部磁場発生装置１５の電源２１はパルス電源が好ましく、例えばコンデンサに充填された電荷をスイッチングして、電磁石２０にパルス電流を供給する。従って、電磁石２０が発生する外部磁場Ｂは、時間的に変化する動的な磁場（パルス磁場）である。また、この外部磁場Ｂは、電磁石２０のコイル巻き数や電源２１のコンデンサの充填電圧、電源２１のコンデンサからの放電の時定数などが調整されることで、例えば約０．１〜１０Ｔの範囲に設定されるのが好ましい。

電磁石２０からの磁力線Ｓの空間分布の調整は、例えば、パルスレーザＬに平行な磁場領域を広範囲に確保するために、電磁石２０のコイル内径及びコイル長さを大きく設定する。あるいは、電磁石２０の端面を施工対象物１１の表面１１ａに近づけるように電磁石２０の配置位置を変更することで、電磁石２０からの磁力線Ｓの空間分布を調整してもよい。また、外部磁場発生装置１５は、タイミング調整部１６からのトリガー信号により、外部磁場Ｂの印加タイミングが規定される動作モードで使用される。

タイミング調整部１６は、図１及び図３に示すように、パルスレーザ装置１４によるパルスレーザＬの照射タイミング（レーザ照射タイミングＸ）と、外部磁場発生装置１５による外部磁場Ｂの印加タイミング（磁場印加タイミングＹ）とをそれぞれ調整するものである。このタイミング調整部１６は、パルスレーザ装置１４のレーザ照射タイミングＸと外部磁場発生装置１５の磁場印加タイミングＹとを同期させるために、つまり、パルスレーザ装置１４と外部磁場発生装置１５との作動開始時間の時間差をゼロまたは任意の値に調整するために、パルスレーザ装置１４へケーブル２２ｃを介して、外部磁場発生装置１５へケーブル２２ｄを介して、それぞれ専用のトリガー信号（矩形のパルス信号）を送信する。

ここで、上述のパルスレーザ装置１４の作動開始時間はレーザ照射タイミングＸの照射開始時点Ｘ１であり、外部磁場発生装置１５の作動開始時間は磁場印加タイミングＹの印加開始時点Ｙ１である。また、上記任意の値は、図３の破線で示すように印加開始時点Ｙ１が照射開始時点Ｘ１よりも早い負の値、または印加開始時点Ｙ１が照射開始時点Ｘ１よりも遅い正の値である。図３では、上記任意の値が負の値であるときの照射開始時点Ｘ１と印加開始時点Ｙ１との時間差を符号ｔで示している。

レーザ照射タイミングＸの照射開始時点Ｘ１と磁場印加タイミングＹの印加開始時点Ｙ１の時間差をゼロとし、照射開始時点Ｘ１と印加開始時点Ｙ１と一致させてパルスレーザ装置１４と外部磁場発生装置１５とを同時に動作させる場合には、例えばケーブル２２ｃと２２ｄを同一長さに設定し、タイミング調整部１６が、パルスレーザ装置１４と外部磁場発生装置１５へそれぞれのトリガー信号を同時に送信する。なお、タイミング調整部１６は、照射開始時点Ｘ１と印加開始時点Ｙ１との時間差を、必要に応じて調整可能に構成されている。

照射開始時点Ｘ１と印加開始時点Ｙ１との時間差を調整するために必要な時間分解能としては、例えばパルスレーザ装置１４（パルスレーザＬ）のパルス時間幅を基準にすると約１/１０程度で十分であり、０．１〜１ｎｓ程度の分解能をタイミング調整部１６が有していればよい。

モニタリング装置１７は、図１に示すように、パルスレーザ装置１４からのパルスレーザＬの照射によって施工対象物１１の表面１１ａ近傍に生成されるプラズマＰの状態（プラズマＰの温度状態、圧力状態、体積または形状状態）を、特にプラズマＰの温度及び圧力と相関関係にあるプラズマＰの発光強度を観察することで監視する。ここで、モニタリング装置１７により観察されるプラズマＰの発光強度としては、発光量の総量、または発光元素成分毎の発光波長のスペクトル強度である。

モニタリング装置１７としては、例えばプラズマ発光分析装置が用いられる。このモニタリング装置１７は、プラズマＰの生成、成長（膨張）、減衰、消滅の過程と相関するプラズマＰの発光量の総量を、またはプラズマＰにおける発光元素成分毎の発光波長のスペクトル強度を、それぞれ時間分解して観察する。例えば、プラズマＰの発光成分を集光レンズ２３を経て分光器２４Ａの入射光スリット(不図示)に導光し、この分光器２４Ａ内の回折格子(不図示)で分光された波長スペクトル成分を時間ゲート付きのＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ ＣＣＤ）カメラ２４Ｂで撮像すればよい。
プラズマＰにおける発光元素成分毎の発光波長のスペクトル強度を時間分解して観察する場合には、モニタリング装置１７は、例えば施工対象物１１がニッケル合金であれば主要成分であるニッケルやクロムの紫外波長領域の発光スペクトルを、プラズマ封じ込め媒質１２が純水であれば水素や酸素の発光スペクトルをそれぞれ時間分解して観察することで、プラズマＰの温度状態、圧力状態、体積または形状状態を監視する。

モニタリング装置１７の発光分析に必要な時間分解能としては、パルスレーザＬのパルス時間幅の約１／１０程度であれば十分であり、例えばパルスレーザ装置１４（パルスレーザＬ）のパルス時間幅を基準にすると、０．１〜１ｎｓ程度の分解能であり、この分解能をモニタリング装置１７が有していればよい。なお、図３では、プラズマＰの生成、成長（膨張）、減衰、消滅の過程を示すプラズマＰの発光量の総量を、外部磁場発生装置１５による外部磁場Ｂが存在する場合について曲線Ｍで、外部磁場発生装置１５による外部磁場Ｂが存在しない場合について曲線Ｎでそれぞれ示している。

プラズマ評価部１８は、図１及び図３に示すように、パルスレーザ装置１４のレーザ照射タイミングＸ及び外部磁場発生装置１５の磁場印加タイミングＹの一部を変更したときにモニタリング装置１７から出力されるプラズマＰの発光強度に基づいて、このプラズマＰの発光強度が最大（即ちプラズマＰの温度及び圧力が最大）になるプラズマＰの最適な状態を確保すべく、レーザ照射タイミングＸ及び磁場印加タイミングＹの一部を分析し評価して決定する。そして、プラズマ評価部１８は、パルスレーザ装置１４のレーザ照射タイミングＸ及び外部磁場発生装置１５の磁場印加タイミングＹを、決定した上記一部を備えるレーザ照射タイミングＸ及び磁場印加タイミングＹに調整するように、タイミング調整部１６へ制御信号を送信する。

ここで、レーザ照射タイミングＸ及び磁場印加タイミングＹの一部は、レーザ照射タイミングＸの照射開始時点Ｘ１と磁場印加タイミングＹの印加開始時点Ｙ１との時間差、及び磁場印加タイミングＹの時間幅（磁場印加時間幅）Ｗｙである。

パルスレーザ装置１４のレーザ照射タイミングＸにおける時間幅（レーザ照射時間幅）Ｗｘは数ｎｓであるが、外部磁場発生装置１５の磁場印加タイミングＹの時間幅Ｗｙは、レーザ照射タイミングＸの時間幅Ｗｘよりも長く、数十〜数百ｎｓに設定される。これは、パルスレーザＬの照射により生成された施工対象物１１に由来の金属プラズマ成分（例えばニッケル、クロムのそれぞれのプラズマ成分）が、パルスレーザＬの照射終了後にもプラズマ封じ込め媒質１２と相互に作用しながら、プラズマ封じ込め媒質１２に由来のプラズマ成分（例えば水素、酸素のそれぞれのプラズマ成分）と共に数十〜数百ｎｓの時間をかけて膨張し拡散するので、その時間についても外部磁場Ｂを印加させる必要があるからである。

プラズマ評価部１８は、モニタリング装置１７から出力されるプラズマＰの発光強度が最大（即ちプラズマＰの温度及び圧力が最大）になるように、レーザ照射タイミングＸの照射開始時点Ｘ１と磁場印加タイミングＹの印加開始時点Ｙ１との時間差、及び磁場印加タイミングＹの時間幅Ｗｙを調整するための制御信号をタイミング調整部１６へ送信する。プラズマ評価部１８は、これを繰り返して、プラズマＰの発光強度が最大となる、照射開始時点Ｘ１と印加開始時点Ｙ１との時間差及び磁場印加タイミングＹの時間幅Ｗｙを決定し、この決定した時間差及び時間幅Ｗｙに設定するための制御信号をタイミング調整部１６へ送信する。このように、プラズマ評価部１８は、プラズマＰの温度、圧力及び衝撃波を最大にするためのレーザピーニングの作動条件（照射開始時点Ｘ１と印加開始時点Ｙ１との時間差、及び磁場印加タイミングＹの時間幅Ｗｙ）を設定する。

プラズマ評価部１８は例えば電子計算機であり、モニタリング装置１７から出力されるプラズマＰの発光強度を、ケーブル２２ａを介して入力する。また、プラズマ評価部１８から出力される制御信号は、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２２ｂを介してタイミング調整部１６へ送信される。なお、プラズマ評価部１８にて分析されるプラズマＰの発光強度のデータが、ケーブル２２ｅを介して外部磁場発生装置１５へ送信されることで、この外部磁場発生装置１５は、外部磁場Ｂの強度を適正にすべく、電源２１（図２）のコンデンサにおける充電電圧を最適に調整してもよい。

次に、上述のレーザピーニング装置１０を用いたレーザピーニング方法について述べる。
まず、施工対象物１１の表面１１ａにおけるパルスレーザＬが照射される領域に、封じ込め媒質供給装置１３を用いてプラズマ封じ込め媒質１２を供給する封じ込め媒質供給ステップを実施する。次に、施工対象物１１の表面１１ａにおけるプラズマ封じ込め媒質１２が存在する領域に、パルスレーザ装置１４を用いてパルスレーザＬを照射して、施工対象物１１の表面１１ａ近傍にプラズマＰを生成させるレーザ照射ステップを実施する。

次に、施工対象物１１の表面１１ａ近傍のプラズマＰの存在領域に、プラズマＰ中の荷電粒子の運動状態を制御する外部磁場Ｂを印加する外部磁場印加ステップを実施する。この外部磁場印加ステップの実施によって、外部磁場Ｂ無しの場合に施工対象物１１の表面１１ａから上方へ高速の初速度で放射状に拡散していたプラズマＰ中の荷電粒子は、荷電粒子間のクーロン力だけでなく、外部磁場Ｂによるローレンツ力の作用で運動方向が曲げられ、加速しながら互いの衝突頻度が増加して、長時間封じ込められながら十分に衝突する。このため、プラズマＰは加熱されて温度が上昇し、外部磁場Ｂ無しの場合に比べて圧力が増加し、プラズマＰが施工対象物１１に与える衝撃波Ｚも従来に比べて強くなる。

この衝撃波Ｚにより施工対象物１１に対してピーニングが実行される。このとき生じているプラズマＰの発光強度をモニタリング装置１７で観察してプラズマＰの状態（特に温度、圧力状態）を監視し、モニタリング装置１７からの出力を基にプラズマ評価部１８がプラズマＰの状態を評価するプラズマ評価ステップを実施する。このプラズマ評価ステップでは、プラズマＰの特に温度及び圧力が最適な状態になるように、パルスレーザ装置１４のレーザ照射タイミングＸの照射開始時点Ｘ１と外部磁場発生装置１５の磁場印加タイミングＹの印加開始時点Ｙ１との時間差、及び磁場印加タイミングＹの時間幅Ｗｙを調整して、レーザピーニングの作動条件を最適化する。

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
（１）図１に示すように、パルスレーザ装置１４からのパルスレーザＬの照射により施工対象物１１の表面１１ａ近傍に生成されるプラズマＰの圧力を、施工対象物１１の表面１１ａ近傍におけるプラズマＰの存在領域へ外部磁場発生装置１５により外部磁場Ｂを印加してプラズマＰの膨張を抑えることで、より一層増大させる。つまり、この外部磁場Ｂの印加により、施工対象物１１の表面１１ａから放射状に拡散するプラズマＰ中の荷電粒子は、外部磁場Ｂからのローレンツ力の作用で運動方向が曲げられ、加速して、封じ込められながら互いに衝突する衝突頻度が増加する。これにより、プラズマＰの温度が上昇し、プラズマＰの圧力がより一層増大して、施工対象物１１の表面１１ａの広範囲に長時間に亘って高効率に作用する。

この結果、施工対象物１１に与える衝撃波Ｚが増強して、レーザピーニングによる高いピーニング効果、即ち、施工対象物１１の表面１１ａから深い範囲まで残留効力の引張応力を圧縮応力に変化させる残留応力の深さ方向分布の改善と、疲労強度の向上を共に実現できる。また、外部磁場発生装置１５から外部磁場Ｂが印加されない従来の場合よりも低いレーザエネルギのパルスレーザＬを照射したときにも、従来と同等のピーニング効果を発揮できる。

（２）施工対象物１１の表面１１ａへのパルスレーザＬの照射によって生成されるプラズマＰ中の荷電粒子は、施工対象物１１の材質によって異なる初速度で、また異なる立体角で放射状に膨張し拡散する。この場合においても、モニタリング装置１７がプラズマＰの発光強度を観察してプラズマＰの状態（特に温度、圧力状態）を監視し、モニタリング装置１７の出力を基にプラズマ評価部１８がプラズマＰの状態を評価して、このプラズマＰを最適な状態（特にプラズマＰの圧力を最大）にすべくレーザピーニングの作動条件を調整して設定する。この作動条件は、パルスレーザ装置１４のレーザ照射タイミングＸの照射開始時点Ｘ１と外部磁場発生装置１５の磁場印加タイミングＹの印加開始時点Ｙ１との時間差、及び磁場印加タイミング１１の時間幅Ｗｙである。この結果、様々な材質の施工対象物１１であっても、それぞれの材質の施工対象物１１に最適なレーザピーニングの作動条件を求めることができる。

［Ｂ］第２実施形態（図４）
図４は、第２実施形態に係るレーザピーニング装置における外部磁場発生装置を示す構成図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を用いることにより説明を簡略化し、または省略する。

本第２実施形態のレーザピーニング装置２５が第１実施形態と異なる点は、外部磁場発生装置２６が、角柱状の２個の永久磁石２７を組み合わせ、一方の永久磁石２７のＮ極と他方の永久磁石２７のＳ極とを対向配置させて構成された点である。

これらの永久磁石２７間に磁力線Ｓを生じさせることで形成される外部磁場Ｂは、パルスレーザ装置１４から照射されるパルスレーザＬの光軸Ｌ０に対して垂直な磁場であり、パルスレーザＬの照射により施工対象物１１の表面１１ａ近傍に生成されるプラズマＰの存在領域に印加される。また、２個の永久磁石２７間に形成される外部磁場Ｂは、時間的に変化しない静的な磁場である。

また、これら２個の永久磁石２７の少なくとも一方は、一次元の移動ステージ（不図示）に搭載される。この移動ステージによって２個の永久磁石２７の配置位置が変更されることで、対向する永久磁石２７間の距離が調整される。これにより、プラズマＰの存在領域における永久磁石２７間の磁力線Ｓの空間分布が調整される。ここで、永久磁石２７は、例えばネオジウム磁石などであって、強力な磁場を有し、耐久性が高いものが選定される。

上述の外部磁場発生装置２６を備えたレーザピーニング装置２５は、図１のレーザピーニング装置１０におけるタイミング調整部１６、フィードバック部１９、ケーブル２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄが省略され、封じ込め媒質供給装置１３、パルスレーザ装置１４、外部磁場発生装置２６、モニタリング装置１７、プラズマ評価部１８、ケーブル２２ａ、２２ｅ、及び前述の永久磁石２７を搭載する移動ステージを有して構成される。

モニタリング装置１７は、プラズマＰの温度状態、圧力状態、体積または形状状態を、プラズマＰの発光強度（例えば発光量の総量など）を観察することで監視する。また、プラズマ評価部１８は、永久磁石２７の配置位置を変更したときのモニタリング装置１７の出力（プラズマＰの発光強度）に基づいて、プラズマＰの特に温度及び圧力が最適な状態（特にプラズマＰの圧力が最大）になる永久磁石２７の配置位置を分析し評価して決定し、移動ステージにより永久磁石２７を移動させることで、永久磁石２７の位置を、決定した配置位置に調整する。

以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。

（３）施工対象物１１の表面１１ａへのパルスレーザＬの照射によって生成されるプラズマＰ中の荷電粒子は、施工対象物１１の材質によって異なる初速度で、また異なる立体角で放射状に膨張し拡散する。この場合においても、モニタリング装置１７がプラズマＰの発光強度を観察してプラズマＰの状態（特に温度、圧力状態）を監視し、モニタリング装置１７の出力を基にプラズマ評価部１８がプラズマＰの状態を評価して、このプラズマＰを最適な状態（特にプラズマＰの圧力を最大）にすべくレーザピーニングの作動条件（つまり永久磁石２７の配置位置）を調整して設定する。この結果、様々な材質の施工対象物１１であっても、それぞれの材質の施工対象物１１に最適なレーザピーニングの作動条件を求めることができる。

［Ｃ］第３実施形態（図５）
図５は、第３実施形態に係るレーザピーニング装置における外部磁場発生装置を示す構成図である。この第３実施形態において第１実施形態と同様なについては、第１実施形態と同一の符号を用いることにより説明を簡略化し、または省略する。

この第３実施形態のレーザピーニング装置３０が第１実施形態と異なる点は、外部磁場発生装置３１がリング状の単一の永久磁石３２からなり、この永久磁石３２のＮ極の端面から湧き出す磁力線Ｓが、施工対象物１１の表面１１ａに対向するように配置されて構成された点である。

この永久磁石３２の配置によって、永久磁石２７により形成される外部磁場Ｂは、パルスレーザ装置１４から照射されるパルスレーザＬの光軸Ｌ０に対して平行な磁場となり、パルスレーザＬの照射により施工対象物１１の表面１１ａ近傍に生成されるプラズマＰの存在領域に印加される。この永久磁石３２により形成される外部磁場Ｂは、時間的に変化しない静的な磁場である。

また、永久磁石３２は、その中心に、パルスレーザ装置１４から照射されたパルスレーザＬが通過するように構成されている。更に、永久磁石３２は、例えば一次元の移動ステージに搭載されて、施工対象物１１の表面１１ａに対する配置位置が変更可能に構成される。この永久磁石３２の配置位置の変更により、施工対象物１１の表面１１ａ近傍に生成されるプラズマＰの存在領域における永久磁石３２の磁力線Ｓの空間分布が調整される。この永住磁石３２も、例えばネオジウム磁石などであって、強力な磁場を有し、耐久性が高いものが選定される。

上述の外部磁場発生装置３１を備えたレーザピーニング装置３０は、図１のレーザピーニング装置１０に対してタイミング調整部１６、フィードバック部１９、ケーブル２２ｂ、２２ｃ及び２２ｄが省略され、封じ込め物質供給装置１３、パルスレーザ装置１４、外部磁場発生装置３１、モニタリング装置１７、プラズマ評価部１８、ケーブル２２ａ、２２ｅ及び前述の永久磁石３２を搭載する移動ステージを有して構成される。

モニタリング装置１７は、プラズマＰの温度状態、圧力状態、体積または形状状態を、プラズマＰの発光強度（例えば発光量の総量など）を観察することで監視する。また、プラズマ評価部１８は、永久磁石３２の施工対象物１１に対する配置位置を変更したときのモニタリング装置１７の出力（プラズマＰの発光強度）に基づいて、プラズマＰの特に温度及び圧力が最適な状態（特にプラズマＰの圧力が最大）になる永久磁石３２の配置位置を分析し評価して決定し、移動ステージにより永住磁石３２を移動させることで、永久磁石３２の位置を、決定した配置位置に調整する。

以上のように構成されたことから、本第３実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

（４）施工対象物１１の表面１１ａへのパルスレーザＬの照射によって生成されるプラズマＰ中の荷電粒子は、施工対象物１１の材質によって異なる初速度で、また異なる立体角で放射状に膨張し拡散する。この場合においても、モニタリング装置１７がプラズマＰの発光強度を観察してプラズマＰの状態（特に温度、圧力状態）を監視し、モニタリング装置１７の出力を基にプラズマ評価部１８がプラズマＰの状態を評価して、このプラズマＰを最適な状態（特にプラズマＰの圧力を最大）にすべくレーザピーニングの作動条件（つまり、永久磁石３２の施工対象物１１に対する配置位置）を調整して決定する。この結果、様々な材質の施工対象物１１であっても、それぞれの材質の施工対象物１１に最適なレーザピーニングの作動条件を求めることができる。

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。これらの実施形態は、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、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

例えば、外部磁場発生装置１５は、同軸状に複数に組み合わされた電磁石、対向して複数組み合わされた電磁石、または永住磁石と電磁石が例えば同軸状に組み合わされた磁石により構成されてもよい。更に、対向配置磁石には磁器回路を構成するヨークが追加されていてもよい。
また、別の例として、図６のように、外部磁場発生装置１５は、時間的に動的な外部磁場(振動磁場)を磁場印加タイミングＹ０により与えてもよい。この外部磁場(振動磁場)により、拡散するプラズマＰ中の荷電粒子は外部磁場(振動磁場)に封じ込められながら振動して、互いに衝突する衝突頻度が増加する。これにより、プラズマＰの温度が上昇し、プラズマＰの圧力がより一層増大して、施工対象物１１の表面１１ａの広範囲に長時間に亘って高効率に作用する。

１０…レーザピーニング装置、１１…施工対象物、１１ａ…施工対象物の表面、１４…パルスレーザ装置、１５…外部磁場発生装置、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、２５…レーザピーニング装置、２６…外部磁場発生装置、２７…永久磁石、３０…レーザピーニング装置、３１…外部磁場発生装置、３２…永久磁石、Ｂ…外部磁場、Ｌ…パルスレーザ、Ｐ…プラズマ、Ｓ…磁力線、Ｘ…レーザ照射タイミング、Ｘ１…照射開始時点、Ｙ…磁場印加タイミング、Ｙ１…印加開始時点

Claims (12)

1. 施工対象物の表面にレーザを照射して前記施工対象物を改質するレーザピーニング装置において、
   前記施工対象物の表面に前記レーザを照射して、前記施工対象物の表面近傍にプラズマを生成させるレーザ装置と、
   前記プラズマ中の荷電粒子に磁場を作用させる外部磁場発生装置と、を有して構成されたことを特徴とするレーザピーニング装置。
2. 前記施工対象物の表面が、液体または気体のプラズマ封じ込め物質で覆われて構成されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザピーニング装置。
3. 前記外部磁場発生装置は、単一のもしくは複数組み合された永久磁石、または単一のもしくは複数組み合された電磁石、または前記永久磁石と前記電磁石とが組み合わされた磁石により構成され、プラズマの存在領域に、時間的に変化しない静的な磁場または時間的に変化する動的な磁場を印加するよう構成され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装置。
4. 前記レーザ装置のレーザ照射タイミング及び前記外部磁場発生装置の磁場印加タイミングをそれぞれ調整するタイミング調整部を、更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザピーニング装置。
5. 前記タイミング調整部は、レーザ装置のレーザ照射タイミングと外部磁場発生装置の磁場印加タイミングとを同期させるように構成されたことを特徴とする請求項４に記載のレーザピーニング装置。
6. 前記プラズマの温度状態、圧力状態、体積または形状状態を監視するモニタリング装置と、レーザ照射タイミング及び磁場印加タイミングを変更したときの前記モニタリング装置の出力に基づいて、前記プラズマが最適な状態になる前記レーザ照射タイミング及び前記磁場印加タイミングを分析し評価して決定し、この決定した前記レーザ照射タイミング及び前記磁場印加タイミングに調整するようにタイミング調整部へ制御信号を出力するプラズマ評価部と、を更に有することを特徴とする請求項４または５に記載のレーザピーニング装置。
7. 前記外部磁場発生装置は、磁石の配置位置を変更することで、プラズマの存在領域における前記磁石の磁力線の空間分布を調整可能に構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザピーニング装置。
8. 前記プラズマの温度状態、圧力状態、体積または形状状態を監視するモニタリング装置と、磁石の配置位置を変更したときの前記モニタリング装置の出力に基づいて、前記プラズマが最適な状態になる前記磁石の配置位置を分析し評価して決定し、この決定した配置位置に前記磁石の位置を調整させるプラズマ評価部と、を更に有することを特徴とする請求項７に記載のレーザピーニング装置。
9. 前記外部磁場発生装置は、施工対象物の表面近傍のプラズマの存在領域に、レーザの光軸に対し平行な磁場を印加するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザピーニング装置。
10. 前記外部磁場発生装置は、施工対象物の表面近傍のプラズマの存在領域に、レーザの光軸に対し垂直な磁場を印加するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のレーザピーニング装置。
11. 前記外部磁場発生装置は、施工対象物の表面近傍のプラズマの存在領域に、磁力線の湧き出し部または吸い込み部を前記施工対象物の表面に対向させるような磁場を印加するように構成されたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーザピーニング装置。
12. 施工対象物の表面にレーザを照射して前記施工対象物を改質するレーザピーニング方法において、
    前記施工対象物の表面近傍にプラズマを生成させる前記レーザを、前記施工対象物の表面に照射するレーザ照射ステップと、
    前記プラズマ中の荷電粒子に磁場を作用させる外部磁場印加ステップと、を有することを特徴とするレーザピーニング方法。