JP2024068994A - Laser peening device and laser peening method - Google Patents

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Itaru Senda
一人 今崎
Kazuto Imazaki
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Abstract

To provide a laser peening device and a laser peening method capable of applying compressive stress to an inner surface of a hole, one end of which is sealed.SOLUTION: A laser peening device 50 performs laser peening to an inner surface of a hole 20, one end of which is sealed, and which is a processing target. The laser peening device comprises: a laser generator 1 which emits a pulse laser beam 2; a laser beam transmission mechanism 21 which transmits the pulse laser beam 2 emitted from the laser generator 1, to the surface of the hole 20 being the processing target; and a fluid supply mechanism 6 for supplying fluid 18 into the hole 20. The laser peening device is characterized in using, as the laser beam transmission mechanism 21, an end cap fiber 22 comprising an optical fiber 40 fusion-spliced with an end cap 41 having a light receiving area on an incident side larger than a cross-sectional area of the optical fiber 40.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施形態は、圧縮応力を付与するレーザピーニング装置及びレーザピーニング方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to a laser peening device and a laser peening method that impart compressive stress.

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。 The surface of a material is a likely starting point for fatigue fracture and stress corrosion cracking. For this reason, by applying compressive residual stress near the surface of the material and suppressing the generation and progression of cracks, the material's resistance to fatigue fracture and stress corrosion cracking can be improved.

例えば金型の冷却水通路(水冷孔)の表面に圧縮残留応力を付与するために、冷却水通路の表面にショットピーニングを行なう場合がある。 For example, shot peening may be performed on the surface of a cooling water passage (water-cooled hole) in a mold to impart compressive residual stress to the surface of the cooling water passage.

また、レーザピーニングを用いた圧縮応力付与機構も用いられる。レーザピーニングは、施工対象の表面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、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、圧縮残留応力の大きさや、付与される深さを制御できる。さらに、光ファイバと照射ヘッドを組み合わせることにより、タービン翼植込み部やパイプの内面などの狭隘部への施工も可能となる。 A compressive stress imparting mechanism using laser peening is also used. Laser peening is a technology that imparts compressive residual stress to the surface of the target. A pulsed laser is irradiated onto the target, generating plasma, which expands. The mechanical reaction to this expansion compresses the area near the target's surface, leaving residual stress. With laser peening, the magnitude of the compressive residual stress and the depth to which it is imparted can be controlled by adjusting the application conditions, such as the energy of the laser light and the area of irradiation. Furthermore, by combining an optical fiber with an irradiation head, application to narrow areas such as turbine blade installation areas and the inner surfaces of pipes is also possible.

特開平7-290222号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-290222 特許第6107821号公報Patent No. 6107821 特許第5649332号公報Japanese Patent No. 5649332 特許第5814652号公報Patent No. 5814652 特開2022-67857号公報JP 2022-67857 A

レーザピーニングでは、パルスレーザを被施工対象物表面に照射することによりアブレーションプラズマを発生させ、プラズマの圧力により被施工対象物表面において塑性変形を生じさせることにより圧縮応力を付与する。 In laser peening, a pulsed laser is irradiated onto the surface of the workpiece to generate an ablation plasma, and the pressure of the plasma causes plastic deformation on the surface of the workpiece, thereby imparting compressive stress.

例えば一端が封止された冷却孔の内径が十分大きければレーザ光を内部に照射することが可能であるが、一般に冷却孔は例えばφ10mm以下と小口径である場合が多く、内部にレーザピーニングを行うための照射ヘッドあるいは光学系を挿入することは困難である。また、配管の内面を施工するための照射ヘッドを使用した場合、冷却孔側面にレーザピーニングを施工することはできても冷却孔底面についてはレーザ光を照射することができず応力改善を行うことはできない。 For example, if the inner diameter of a cooling hole with one end sealed is large enough, it is possible to irradiate the inside with laser light, but cooling holes are generally small in diameter, for example φ10 mm or less, making it difficult to insert an irradiation head or optical system for laser peening inside. Also, if an irradiation head for working on the inner surface of a pipe is used, while it is possible to perform laser peening on the side of the cooling hole, it is not possible to irradiate the bottom of the cooling hole with laser light, and stress improvement is not possible.

冷却孔底面にレーザ照射を行う方法として、冷却孔外部に設けた集光レンズを用いて冷却孔底面にレーザ光を集光する方法が考えられるが、冷却孔の孔径が小口径の場合や冷却孔の深さが深い場合には冷却孔にレーザ光が干渉してしまい、冷却孔の底面まで所定のエネルギーとスポット径を有するレーザ光を照射することができない可能性があった。 One method of irradiating the bottom surface of a cooling hole with a laser is to focus the laser light on the bottom surface of the cooling hole using a focusing lens installed outside the cooling hole. However, if the cooling hole has a small diameter or is deep, the laser light may interfere with the cooling hole, making it impossible to irradiate the bottom surface of the cooling hole with laser light with the specified energy and spot diameter.

実施形態に係るレーザピーニング装置は、一端が封止された被加工物である孔の内面にレーザピーニングを行うレーザピーニング装置であって、パルスレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出された前記パルスレーザ光を前記被加工物である孔の表面まで伝送するレーザ光伝送機構と、前記孔の内部に流体を供給するための流体供給機構と、から構成され、前記レーザ光伝送機構として光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバを用いることを特徴とする。 The laser peening device according to the embodiment is a laser peening device that performs laser peening on the inner surface of a hole, which is a workpiece having one end sealed, and is composed of a laser oscillator that emits pulsed laser light, a laser light transmission mechanism that transmits the pulsed laser light emitted from the laser oscillator to the surface of the hole, which is the workpiece, and a fluid supply mechanism that supplies fluid to the inside of the hole, and is characterized in that the laser light transmission mechanism uses an end cap fiber in which an end cap with a light receiving area on the incident side larger than the cross-sectional area of the optical fiber is fused to an optical fiber.

また、実施形態に係るレーザピーニング方法は、光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバにレーザ光を入射し、前記光ファイバの位置や角度を変更することで前記光ファイバの先端から前記レーザ光が照射される位置を自在に制御しながら一端が封止された孔の内面にレーザピーニングを行うことを特徴とする。 The laser peening method according to the embodiment is characterized in that laser light is incident on an end cap fiber in which an end cap with a light receiving area on the incident side larger than the cross-sectional area of the optical fiber is fused to the optical fiber, and laser peening is performed on the inner surface of a hole with one end sealed while freely controlling the position where the laser light is irradiated from the tip of the optical fiber by changing the position and angle of the optical fiber.

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、一端が封止された孔の内面に圧縮応力を付与することの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。 The embodiment of the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a laser peening device and a laser peening method that can impart compressive stress to the inner surface of a hole with one end sealed.

第1実施形態に係るレーザピーニング装置を一端が封止された孔に施工する状態を示す概念図。FIG. 4 is a conceptual diagram showing a state in which the laser peening apparatus according to the first embodiment is applied to a hole having one end sealed. 孔内部に本実施形態のレーザピーニング装置を挿入した状態を示しており、(a)は孔の中心にエンドキャップファイバが配置された状態を、(b)はレーザピーニング装置全体を平行移動させた状態を、(c)はレーザピーニング装置全体を孔の中心軸に対して傾斜させた状態を各々示す側断面図。1A and 1B are side cross-sectional views showing the state in which the laser peening apparatus of the present embodiment is inserted inside a hole, in which (a) shows a state in which an endcap fiber is placed in the center of the hole, (b) shows a state in which the entire laser peening apparatus has been translated, and (c) shows a state in which the entire laser peening apparatus has been tilted with respect to the central axis of the hole. 本実施形態のレーザピーニング装置におけるエンドキャップファイバを曲げて孔側面への施工状況を側面から観察した状況を示す側断面図。1 is a side cross-sectional view showing a state where an end cap fiber is bent and applied to a side surface of a hole in the laser peening device of the embodiment, as viewed from the side. FIG. 孔の底部を上面から見た状態を示しており、(a)は孔の中心にエンドキャップファイバが配置された状態を示す平断面図、(b)はレーザピーニング装置全体を平行移動させた状態を示す平断面図、(c)はレーザピーニング装置全体を孔の中心軸に対して傾斜させた状態を示す平断面図、(d)はレーザピーニング装置におけるエンドキャップファイバを曲げた状態を示す平断面図。1A shows the bottom of a hole as viewed from above, where (a) is a cross-sectional plan view showing an endcap fiber disposed at the center of the hole, (b) is a cross-sectional plan view showing a state in which the entire laser peening apparatus has been translated in parallel, (c) is a cross-sectional plan view showing a state in which the entire laser peening apparatus has been tilted with respect to the central axis of the hole, and (d) is a cross-sectional plan view showing a state in which the endcap fiber in the laser peening apparatus has been bent. レーザ光伝送機構の先端の構造を側面から観察した状況示し、(a)はエンドキャップファイバ先端からレーザ光を被加工対象物に照射した状態を示す平断面図、(b)から(d)は各々エンドキャップファイバの先端部の変形例を示す平面図。1A and 1B show the structure of the tip of a laser light transmission mechanism as observed from the side, where (a) is a cross-sectional plan view showing the state in which laser light is irradiated from the tip of an endcap fiber to an object to be processed, and (b) to (d) are plan views showing modified examples of the tip of the endcap fiber. (a)はエンドキャップファイバを示す側断面図、(b)はエンドキャップファイバの変形例を示す側断面図。1A is a side cross-sectional view showing an endcapped fiber, and FIG. 1B is a side cross-sectional view showing a modified example of the endcapped fiber.

(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図1は本発明の第1実施形態に係るレーザピーニング装置50の構成図であり、冷却孔内部に本発明のレーザピーニング装置50を挿入した状態の断面図を示している。
First Embodiment
[0023] Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Fig. 1 is a configuration diagram of a laser peening device 50 according to a first embodiment of the present invention, showing a cross-sectional view of the state in which the laser peening device 50 of the present invention is inserted inside a cooling hole.

このレーザピーニング装置50及びレーザピーニング方法は、金型に設けられた冷却孔20などの一端が封止された孔であって、径が例えば、数ミリ乃至十数ミリ程度(特に3mm乃至10mm程度)の孔の内面にレーザピーニングを行うものである。 This laser peening device 50 and laser peening method perform laser peening on the inner surface of a hole such as a cooling hole 20 provided in a mold, which has one end sealed and has a diameter of, for example, several millimeters to a dozen or so millimeters (particularly, about 3 mm to 10 mm).

図1に示すようにレーザピーニング装置50は、レーザ発振器1、レーザ光伝送機構21、集光レンズユニット5、流体供給機構6、カバー10、流体保管機構12、吸引機構11、エンドキャップファイバ22、保護機構26等から構成されている。そして、図1は、上記エンドキャップファイバ22を収納した保護機構26を一端が封止された冷却孔20内に挿入した状態を示している。 As shown in FIG. 1, the laser peening device 50 is composed of a laser oscillator 1, a laser light transmission mechanism 21, a focusing lens unit 5, a fluid supply mechanism 6, a cover 10, a fluid storage mechanism 12, a suction mechanism 11, an end cap fiber 22, a protection mechanism 26, etc. FIG. 1 shows the state in which the protection mechanism 26 housing the end cap fiber 22 is inserted into the cooling hole 20, one end of which is sealed.

このように保護機構26の外径は、冷却孔20の内径より小さく設定されている。上記レーザ光伝送機構21にはレーザ光2を反射させるためのミラーを少なくとも2つ具備しており、例えば図1に示す構成において第1ミラー3には外部に位置確認機構9、第2ミラー4はレーザ光2の照射角度を変更するために図示しない駆動機構を具備している。 In this way, the outer diameter of the protection mechanism 26 is set smaller than the inner diameter of the cooling hole 20. The laser light transmission mechanism 21 has at least two mirrors for reflecting the laser light 2. For example, in the configuration shown in FIG. 1, the first mirror 3 has an external position confirmation mechanism 9, and the second mirror 4 has a drive mechanism (not shown) for changing the irradiation angle of the laser light 2.

レーザ発振器1は、レーザピーニングのためのパルスレーザ光を発振(射出)する。このパルスレーザ光の波長及びパルス幅は、適宜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のパルスレーザ光を射出できる。なお、流体18の光の吸収特性に合わせてパルスレーザ光の波長を選定することで、レーザ光のエネルギーロスを小さくすることができる。 The laser oscillator 1 oscillates (emits) a pulsed laser beam for laser peening. The wavelength and pulse width of this pulsed laser beam can be selected as appropriate. For example, a Nd:YAG laser can be used to emit a pulsed laser beam with a wavelength of 1064 nm or 532 nm and a pulse width of several ns to several tens of ns. Note that energy loss of the laser beam can be reduced by selecting the wavelength of the pulsed laser beam in accordance with the light absorption characteristics of the fluid 18.

例えば、流体供給機構6に収容された流体18が水の場合、波長532nmのレーザを用いることで0.5%程度のエネルギーロスでレーザ光2を照射することができる。また、1064nmのレーザを用いた場合でも、水中の伝送距離に応じて水で吸収されるエネルギー、例えば50%吸収される場合は2倍のパルスエネルギーを照射すれば良い。 For example, if the fluid 18 contained in the fluid supply mechanism 6 is water, a laser with a wavelength of 532 nm can be used to irradiate the laser light 2 with approximately 0.5% energy loss. Even if a 1064 nm laser is used, it is sufficient to irradiate the energy absorbed by the water according to the transmission distance in water, for example, twice the pulse energy if 50% absorption is achieved.

レーザ発振器1から射出されたレーザ光2は、レーザ光伝送機構21及び筐体25内部に設けられた集光レンズユニット5を介してエンドキャップファイバ22に入射され、エンドキャップファイバ22先端から照射されたレーザ光2は冷却孔20内面に照射される。前述したとおりレーザ光伝送機構21は、第1ミラー3と、第2ミラー4の少なくとも2枚のミラーを具備しており、例えば第2ミラー4の角度を変えることでエンドキャップファイバ22への入射位置調整を行うことができ、冷却孔20の側面、底面等の内面の所定の位置にレーザ光2を照射することができる。 The laser light 2 emitted from the laser oscillator 1 is incident on the endcap fiber 22 via the laser light transmission mechanism 21 and the focusing lens unit 5 provided inside the housing 25, and the laser light 2 irradiated from the tip of the endcap fiber 22 is irradiated on the inner surface of the cooling hole 20. As described above, the laser light transmission mechanism 21 has at least two mirrors, the first mirror 3 and the second mirror 4, and the incident position on the endcap fiber 22 can be adjusted by changing the angle of the second mirror 4, for example, and the laser light 2 can be irradiated at a predetermined position on the inner surface of the side, bottom, etc. of the cooling hole 20.

さらに、筐体25内部には、必要に応じて集光レンズユニット5の前にビーム強度調整部24を配置することができる。このビーム強度調整部24は回折光学素子やシリンドリカルアレイなどから構成されるレーザ用のホモジナイザが好ましく、ガウス分布のように中心のピーク強度が高いレーザ光の強度分布を均一にする機能を備えており、レーザ光2の強度が強い場合などにエンドキャップファイバ22のダメージを軽減することができる。 In addition, inside the housing 25, a beam intensity adjustment unit 24 can be placed in front of the focusing lens unit 5 as necessary. This beam intensity adjustment unit 24 is preferably a laser homogenizer composed of a diffractive optical element, a cylindrical array, or the like, and has the function of homogenizing the intensity distribution of laser light with a high central peak intensity, such as a Gaussian distribution, and can reduce damage to the endcap fiber 22 when the intensity of the laser light 2 is high, for example.

また、例えばレーザ光伝送機構21内部にはアッテネーター17を具備することもでき、冷却孔20に照射されるパルスエネルギーを所定の強度に制御することや、図示しない制御装置との組み合わせでパルスエネルギーが所定の値よりも低い場合にはシャッター16を閉じて施工を停止することも可能である。 In addition, for example, an attenuator 17 can be provided inside the laser light transmission mechanism 21, and the pulse energy irradiated to the cooling hole 20 can be controlled to a predetermined intensity, or, in combination with a control device (not shown), the shutter 16 can be closed to stop construction if the pulse energy is lower than a predetermined value.

エンドキャップファイバ22は、図6(a)に示すように光ファイバ40に接合部43を介してエンドキャップ41と呼ばれる円筒状の部材を融着して構成されている。エンドキャップファイバ22のエンドキャップ41は図6(a)に示すように円筒状の部材が望ましいが、図6(b)に示すようにレーザ光2の入射側の受光面積が光ファイバ40との接合部43の面積より大きい円錐状のコーンロッド42のようにレーザ光2入射側はダメージ軽減のため受光面積が光ファイバ40の断面積より大きく、光ファイバ40と接合部43を介して融着による接合が可能であれば良い。このエンドキャップファイバ22において、エンドキャップ41及び光ファイバ40は同じ材質である石英が用いられ、同じ材質を用いることでレーザ光2が入射された際に接合部43における屈折率が変化しない構成になっている。 The end cap fiber 22 is constructed by fusing a cylindrical member called an end cap 41 to an optical fiber 40 via a joint 43 as shown in FIG. 6(a). The end cap 41 of the end cap fiber 22 is preferably a cylindrical member as shown in FIG. 6(a), but as shown in FIG. 6(b), it is sufficient that the light receiving area on the incident side of the laser light 2 is larger than the cross-sectional area of the optical fiber 40 to reduce damage, such as a cone-shaped cone rod 42 in which the light receiving area on the incident side of the laser light 2 is larger than the area of the joint 43 with the optical fiber 40, and that the optical fiber 40 can be joined by fusing through the joint 43. In this end cap fiber 22, the end cap 41 and the optical fiber 40 are made of the same material, quartz, and by using the same material, the refractive index at the joint 43 does not change when the laser light 2 is incident.

エンドキャップファイバ22において、光ファイバ40の口径はφ0.4~1.0mmが望ましく、光ファイバ先端から照射されたレーザ光2が被加工物表面に投影された際にφ0.6~φ1.5mmでアブレーションプラズマ13が発生するパワー密度が確保できれば良い。 In the end cap fiber 22, the diameter of the optical fiber 40 is preferably φ0.4 to φ1.0 mm, and it is sufficient to ensure a power density that generates an ablation plasma 13 with a diameter of φ0.6 to φ1.5 mm when the laser light 2 irradiated from the tip of the optical fiber is projected onto the surface of the workpiece.

また、エンドキャップ41はレーザ光入射部においてφ5~10mm程度であればエンドキャップファイバ22が損傷することなくレーザ伝送が可能となる。例えば、φ8mm×5mmのエンドキャップ41にコア径φ1.0mm×7mの光ファイバ40を融着した構造のエンドキャップファイバ22を用いた場合、パルスエネルギー160mJのレーザ光2をエンドキャップ41から入射するとファイバ40の出射端において130mJのレーザ光が出射され、エンドキャップ41及び光ファイバ40の端面反射によるロスを含んで約80%の伝送効率でのレーザ伝送をすることができる。 In addition, if the end cap 41 has a diameter of about φ5 to 10 mm at the laser light input portion, laser transmission is possible without damaging the end cap fiber 22. For example, when an end cap fiber 22 is used in which an end cap 41 having a diameter of φ8 mm x 5 mm and an optical fiber 40 having a core diameter of φ1.0 mm x 7 m is fused to the end cap 41, when laser light 2 with a pulse energy of 160 mJ is input from the end cap 41, 130 mJ of laser light is emitted from the output end of the fiber 40, and laser transmission can be performed with a transmission efficiency of about 80%, including losses due to reflections at the end faces of the end cap 41 and the optical fiber 40.

エンドキャップファイバ22の外周には保護機構26を具備することができ、冷却孔20内部に挿入する際にエンドキャップファイバ22の光ファイバ40が損傷しないよう保護することができる。また、保護機構26の外径は光ファイバ40の外径に応じて調整することが可能である。例えばコア径φ1.0mm光ファイバ40からなるエンドキャップファイバ22を用いた場合、光ファイバ40に具備される図示しないバッファ層と被覆を合わせた外径がφ3mm程度となるため、ファイバ先端保護機構(以下保護機構と呼ぶ)26の外径はφ6mm程度まで小型化が可能となる。 A protection mechanism 26 can be provided on the outer circumference of the endcap fiber 22, which can protect the optical fiber 40 of the endcap fiber 22 from damage when it is inserted into the cooling hole 20. The outer diameter of the protection mechanism 26 can be adjusted according to the outer diameter of the optical fiber 40. For example, when an endcap fiber 22 made of an optical fiber 40 with a core diameter of φ1.0 mm is used, the combined outer diameter of the buffer layer (not shown) and coating provided on the optical fiber 40 is approximately φ3 mm, so the outer diameter of the fiber tip protection mechanism (hereinafter referred to as the protection mechanism) 26 can be reduced to approximately φ6 mm.

レーザピーニングにおいて使用されるスポット径については、被施工対象物(冷却孔20内面)の材質と導入する残留応力によって変えることができる。例えば、図1に示す構成ではエンドキャプファイバ22からレーザ照射位置までの距離を変えることで所定のスポット径のレーザ光を照射することができるが、エンドキャップファイバ22から照射されたレーザ光2は光ファイバ固有の開口数(NA: Numerical Aperture)で広がるため、光ファイバ40の口径以上のスポット径でアブレーションプラズマ13が発生するレーザ光2を照射できる条件下であれば適用可能となる。 The spot diameter used in laser peening can be changed depending on the material of the object to be treated (the inner surface of the cooling hole 20) and the residual stress to be introduced. For example, in the configuration shown in FIG. 1, a laser beam with a predetermined spot diameter can be irradiated by changing the distance from the endcap fiber 22 to the laser irradiation position. However, since the laser beam 2 irradiated from the endcap fiber 22 spreads with the numerical aperture (NA) specific to the optical fiber, it can be applied under conditions where the laser beam 2 that generates the ablation plasma 13 can be irradiated with a spot diameter equal to or larger than the diameter of the optical fiber 40.

レーザピーニングでは、被施工対象物表面においてアブレーションプラズマ13を発生させ、プラズマ圧力により材料に塑性変形を生じさせることで圧縮応力を付与する。その際、プラズマを閉じ込めるために水などの流体18が必要となるが、冷却孔20は細いためポンプなどを用いて冷却孔20内部に流体18を供給しようとしてもキャビテーションが発生したり部分的に流体18が供給さないところが生じたりと安定的な施工ができない。 In laser peening, ablation plasma 13 is generated on the surface of the workpiece, and compressive stress is applied by causing plastic deformation in the material due to the plasma pressure. In this case, a fluid 18 such as water is required to confine the plasma, but because the cooling holes 20 are narrow, even if an attempt is made to supply the fluid 18 inside the cooling holes 20 using a pump or the like, cavitation occurs or there are some areas where the fluid 18 is not supplied, making stable processing impossible.

本実施形態のレーザピーニング装置50には、カバー10内部への流体18の流入を制御するための開閉ユニット7と、吸引機構11を用いて冷却孔20内部を負圧状態にするためのカバー10を具備している。冷却孔20に本実施形態のレーザピーニング装置50を設置し、開閉ユニット7を閉じた状態で吸引機構11を用いて冷却孔20内部を吸引すると、図2に示すようにカバー10内部が負圧になるとともに冷却孔20内部に残存する気泡14やゴミを事前に除去することができる。 The laser peening device 50 of this embodiment is equipped with an opening/closing unit 7 for controlling the inflow of fluid 18 into the cover 10, and a cover 10 for creating a negative pressure inside the cooling hole 20 using a suction mechanism 11. When the laser peening device 50 of this embodiment is installed in the cooling hole 20 and the inside of the cooling hole 20 is suctioned using the suction mechanism 11 with the opening/closing unit 7 closed, the inside of the cover 10 becomes negative pressure as shown in FIG. 2, and air bubbles 14 and debris remaining inside the cooling hole 20 can be removed in advance.

この状態で開閉ユニット7を開くと、内部が負圧なので流体供給機構6の内部の流体18が吸い上げられ、流体の流れ19に示す方向で流体伝送機構8を通って図3に示すように冷却孔20内部に安定的に流体18を供給することが可能となる。さらに冷却孔20の内径が小さく流体18を冷却孔20内部へ供給することが困難な場合、冷却孔20に覆いかぶさるように保護機構26に図示しない逆止弁を配置することで冷却孔20内部の流体18を優先的に排出することが可能となる。 When the opening/closing unit 7 is opened in this state, the internal pressure is negative, so the fluid 18 inside the fluid supply mechanism 6 is sucked up and passes through the fluid transmission mechanism 8 in the direction indicated by the fluid flow 19, making it possible to stably supply the fluid 18 to the inside of the cooling hole 20 as shown in FIG. 3. Furthermore, if the inner diameter of the cooling hole 20 is small and it is difficult to supply the fluid 18 to the inside of the cooling hole 20, it is possible to preferentially discharge the fluid 18 inside the cooling hole 20 by arranging a check valve (not shown) in the protection mechanism 26 so as to cover the cooling hole 20.

ここで、流体18としては水が望ましく、例えば波長532nmのパルスレーザを用いると水中での伝送ロスがほとんどない状態でのレーザピーニング施工が可能となる。また、防錆剤を混入した水やアンモニア水などの流体18を用いれば、被施工対象物の発錆を抑制しつつレーザピーニングが可能となる。アルカリイオン水、防錆油などを用いても良い。 Here, water is preferable as the fluid 18. For example, if a pulsed laser with a wavelength of 532 nm is used, laser peening can be performed with almost no transmission loss in water. Also, if a fluid 18 such as water mixed with a rust inhibitor or ammonia water is used, laser peening can be performed while suppressing rusting of the object to be treated. Alkaline ionized water, rust-preventive oil, etc. may also be used.

本実施形態には、位置確認機構9を具備することができ、レーザ光伝送機構21の先端(エンドキャップファイバ22の先端)から冷却孔20のレーザ照射位置までの距離を測定することも可能である。位置確認機構9としては、例えばレーザ距離計などを用いることができ、レーザ光伝送機構21から反射したレーザ光と冷却孔20から反射したレーザ光をそれぞれ測定することで位置を同定することができるため、冷却孔20内部のレーザ光伝送機構21の位置を外部から認識することが可能となる。位置確認機構9として、レーザ距離計に限らず、音波や光センサーなど別の光源を用いた手法、あるいはカメラによりレーザ光伝送機構21先端の画像を確認するなどの方法を用いても良い。また、レーザ光伝送機構21の先端に図5(b)に示すようにファイバ先端保護機構23を具備する場合でも前述の手法により位置を同定することが可能である。 This embodiment may be provided with a position confirmation mechanism 9, which can measure the distance from the tip of the laser light transmission mechanism 21 (the tip of the endcap fiber 22) to the laser irradiation position of the cooling hole 20. As the position confirmation mechanism 9, for example, a laser range finder or the like can be used, and the position can be identified by measuring the laser light reflected from the laser light transmission mechanism 21 and the laser light reflected from the cooling hole 20, respectively, so that the position of the laser light transmission mechanism 21 inside the cooling hole 20 can be recognized from the outside. As the position confirmation mechanism 9, it is not limited to a laser range finder, but a method using another light source such as a sound wave or a light sensor, or a method of confirming an image of the tip of the laser light transmission mechanism 21 with a camera may also be used. In addition, even if the tip of the laser light transmission mechanism 21 is provided with a fiber tip protection mechanism 23 as shown in FIG. 5 (b), the position can be identified by the above-mentioned method.

そして、この位置確認機構9によって計測されたエンドキャップファイバ22の先端またはファイバ先端保護機構23の先端からレーザ照射位置までの距離から駆動機構動作部28等によってエンドキャップファイバ22を移動させてレーザ光2の焦点位置を変更して所定のスポット径のレーザ光2を照射することができる。 Then, the endcap fiber 22 can be moved by a drive mechanism operating unit 28 or the like based on the distance from the tip of the endcap fiber 22 or the tip of the fiber tip protection mechanism 23 measured by this position confirmation mechanism 9 to the laser irradiation position, thereby changing the focal position of the laser light 2 and irradiating the laser light 2 with a predetermined spot diameter.

ここで、シャッター16を開くと、図1に示すようにレーザ光2が冷却孔20底部まで到達し、レーザピーニングを行うことが可能となる。冷却孔20底面へのレーザピーニング施工方法については、図2から図4を参照して説明する。 When the shutter 16 is opened, the laser light 2 reaches the bottom of the cooling hole 20 as shown in FIG. 1, and laser peening can be performed. The method of performing laser peening on the bottom surface of the cooling hole 20 will be described with reference to FIG. 2 to FIG. 4.

図2および図3は冷却孔20内部に本実施形態のレーザピーニング装置50を挿入した状態の側断面図を示している。また、図4は冷却孔20底部を上面から見た状態を示す断面図である。 Figures 2 and 3 show side cross-sectional views of the state in which the laser peening device 50 of this embodiment is inserted inside the cooling hole 20. Also, Figure 4 is a cross-sectional view showing the bottom of the cooling hole 20 as viewed from above.

本実施形態では、レーザ光伝送機構21の光ファイバ40外周部に保護機構26及び駆動機構27を具備しており、冷却孔20等に挿入する際にレーザ光伝送機構21が接触により損傷するのを防止することができる。さらに、図3に示すように駆動機構27を用いることでレーザ光伝送機構21先端の光ファイバ40の角度を変えることもできる。 In this embodiment, a protection mechanism 26 and a drive mechanism 27 are provided on the outer periphery of the optical fiber 40 of the laser light transmission mechanism 21, which can prevent the laser light transmission mechanism 21 from being damaged by contact when being inserted into the cooling hole 20, etc. Furthermore, as shown in FIG. 3, the angle of the optical fiber 40 at the tip of the laser light transmission mechanism 21 can be changed by using the drive mechanism 27.

例えば、駆動機構27として蛇腹状の可とう管を用い、レーザ光伝送機構21と保護機構26及び駆動機構27の間に図示しないワイヤが配置され、駆動機構27と図1に示す駆動機構動作部28をこのワイヤにより接続された構造とすることができる。駆動機構動作部28で図示しないワイヤを駆動機構動作部28側に引き上げることでレーザ光伝送機構21先端の角度を変えることができる。駆動機構動作部28には図示しないワイヤを出し入れするためのモータとワイヤの位置を測定するためのセンサーなどを具備しているのが好ましく、ワイヤを出し入れする長さによりレーザ光伝送機構21の傾斜角度の制御を行うことも可能となる。さらに、この駆動機構動作部28にエンドキャップファイバ22の軸方向に回転する回転機構を備えることでより広範囲にレーザピーニングを施工することができる。 For example, a bellows-shaped flexible tube can be used as the driving mechanism 27, and a wire (not shown) can be arranged between the laser light transmission mechanism 21 and the protection mechanism 26 and driving mechanism 27, and the driving mechanism 27 and the driving mechanism operating unit 28 shown in FIG. 1 can be connected by this wire. The angle of the tip of the laser light transmission mechanism 21 can be changed by pulling the wire (not shown) toward the driving mechanism operating unit 28. It is preferable that the driving mechanism operating unit 28 is equipped with a motor for inserting and removing the wire (not shown) and a sensor for measuring the position of the wire, and the inclination angle of the laser light transmission mechanism 21 can be controlled by the length of the wire inserted and removed. Furthermore, by providing the driving mechanism operating unit 28 with a rotation mechanism that rotates in the axial direction of the end cap fiber 22, laser peening can be performed over a wider range.

図2(a)は冷却孔20の中心にエンドキャップファイバ22が配置された状態であり、図2(a)および図4(a)に示すようにレーザ光2はレーザピーニング施工可能範囲30と同一である冷却孔20底面の中心部に照射されている。ここで、レーザピーニング装置全体を平行移動させると図2(b)のようになり、レーザ光2は冷却孔20中心から駆動機構27が冷却孔20側面に接触する範囲まで移動させることが可能となり、駆動機構動作部28によってエンドキャップファイバ22を冷却孔20の中心軸に対して回転させることで、図4(b)のレーザピーニング施工可能範囲30に示すように冷却孔20中央部に対して図4(a)のレーザピーニング施工可能範囲の周囲についてレーザピーニングを行うことが可能となる。 Figure 2(a) shows the state where the end cap fiber 22 is placed at the center of the cooling hole 20, and as shown in Figures 2(a) and 4(a), the laser light 2 is irradiated to the center of the bottom surface of the cooling hole 20, which is the same as the laser peening possible range 30. If the entire laser peening device is translated, it will become as shown in Figure 2(b), and the laser light 2 can be moved from the center of the cooling hole 20 to the range where the drive mechanism 27 contacts the side of the cooling hole 20. By rotating the end cap fiber 22 about the central axis of the cooling hole 20 by the drive mechanism operating unit 28, it is possible to perform laser peening around the laser peening possible range of Figure 4(a) with respect to the center of the cooling hole 20, as shown in the laser peening possible range 30 of Figure 4(b).

次にエンドキャップファイバ22全体を冷却孔20の中心軸に対して傾斜させると図2(c)に示すような状態となり、駆動機構動作部28によってエンドキャップファイバ22を冷却孔20の中心軸に対して回転させることで、図4(c)に示すようにレーザピーニング施工可能範囲30は図2(b)の場合よりもさらに広範囲となる。また、駆動機構27によりエンドキャップファイバ22を曲げると図3に示すような状態となり、レーザ光2の移動可能範囲はさらに広くなり、図4(d)に示すように冷却孔20底部全体や側面に対してレーザピーニングを行うことが可能となる。さらにエンドキャップファイバ22全体を冷却孔20の中心軸に対して上方に移動させていくことによって冷却孔20の側面のレーザピーニングを行うことが可能となる。 Next, when the entire endcap fiber 22 is tilted with respect to the central axis of the cooling hole 20, it becomes the state shown in FIG. 2(c), and by rotating the endcap fiber 22 with respect to the central axis of the cooling hole 20 by the driving mechanism operating unit 28, the laser peening application range 30 becomes even wider than in the case of FIG. 2(b), as shown in FIG. 4(c). Furthermore, when the endcap fiber 22 is bent by the driving mechanism 27, it becomes the state shown in FIG. 3, and the movable range of the laser light 2 becomes even wider, and it becomes possible to perform laser peening on the entire bottom and side of the cooling hole 20 as shown in FIG. 4(d). Furthermore, by moving the entire endcap fiber 22 upward with respect to the central axis of the cooling hole 20, it becomes possible to perform laser peening on the side of the cooling hole 20.

また、レーザピーニング施工可能範囲30がレーザ光2の照射角度に対して垂直から外れた場合はレーザ光2のスポット径が楕円形状となるが、楕円の面積が等価となる円と同じピーニング効果が得られるため、焦点距離の制御により対応が可能となる。 In addition, if the laser peening applicable range 30 is not perpendicular to the irradiation angle of the laser light 2, the spot diameter of the laser light 2 will be elliptical, but since the same peening effect can be obtained as with a circle with an equivalent area to the ellipse, this can be addressed by controlling the focal length.

そして、図1に示すように、吸引機構11により吸引された流体18は、流体保管機構12に保管される。保管された流体18は図示しないポンプなどを用いて流体供給機構6に戻すことで、流体18を循環して利用することも可能である。また、吸引機構11を用いて冷却孔20から流体保管機構12に引き込まれた流体18には、レーザピーニングに伴う気泡14やアブレーションプラズマ13の発生に伴う図示しない金属小片が含まれている。このため、流体供給機構6に循環利用する場合には、図示しないフィルタなどでろ過することが望ましい。 As shown in FIG. 1, the fluid 18 sucked by the suction mechanism 11 is stored in the fluid storage mechanism 12. The stored fluid 18 can be returned to the fluid supply mechanism 6 using a pump (not shown) or the like, allowing the fluid 18 to be circulated and reused. The fluid 18 drawn into the fluid storage mechanism 12 from the cooling hole 20 using the suction mechanism 11 also contains bubbles 14 resulting from laser peening and small metal pieces (not shown) resulting from the generation of ablation plasma 13. For this reason, when circulating the fluid in the fluid supply mechanism 6, it is desirable to filter the fluid using a filter (not shown) or the like.

また、レーザピーニング施工時に発生する気泡14が流体18中に残存した状態で次のパルスレーザを照射した場合、残存した気泡14にレーザ光2が照射されることでエネルギーロスが生じ、施工が不安定になる場合がある。本実施形態のレーザピーニング装置50では、レーザ光伝送機構21内に具備する第1ミラー3を介して保護機構26内部並びにレーザ照射位置の画像を確認するための気泡確認機構15を具備している。 In addition, if the next pulsed laser is irradiated while bubbles 14 generated during laser peening remain in the fluid 18, the remaining bubbles 14 may be irradiated with the laser light 2, resulting in energy loss and making the treatment unstable. The laser peening device 50 of this embodiment is equipped with a bubble confirmation mechanism 15 for confirming an image of the inside of the protection mechanism 26 and the laser irradiation position via the first mirror 3 provided in the laser light transmission mechanism 21.

以上のような構成の実施形態のレーザピーニング装置及びレーザピーニング方法によれば、アクセスが困難な一端が封止された冷却孔20等の内面に圧縮応力を付与することができる。また、例えば、予め被施工対象物の冷却孔20の位置と深さ、並びにレーザピーニング施工範囲がわかっていれば、図示しない制御装置等を用いて集光レンズユニット5の焦点距離と移動パターンをプログラミングしておき、レーザ発振器1の周波数に応じてレーザ照射位置への移動、レーザ光2の照射、気泡確認機構15を用いた残存気泡の確認などを組み合わせることで、狭隘な冷却孔20の底部にレーザピーニングを自動で行うことが可能となる。 According to the embodiment of the laser peening device and the laser peening method configured as described above, compressive stress can be applied to the inner surface of a cooling hole 20 or the like that has one end sealed and is difficult to access. Also, for example, if the position and depth of the cooling hole 20 of the object to be treated and the laser peening treatment range are known in advance, the focal length and movement pattern of the focusing lens unit 5 can be programmed using a control device (not shown) or the like, and laser peening can be automatically performed on the bottom of a narrow cooling hole 20 by combining movement to the laser irradiation position according to the frequency of the laser oscillator 1, irradiation of the laser light 2, and confirmation of remaining bubbles using the bubble confirmation mechanism 15.

(第2実施形態)
第2の実施形態について、図5を用いて説明する。図5は、レーザ光伝送機構の先端の構造を側面から観察した状況示す概念図であり、流体18中でレーザ伝送機構21からレーザ光2を被加工対象物31に照射してレーザピーニングを実施する状況を示している。
Second Embodiment
The second embodiment will be described with reference to Fig. 5. Fig. 5 is a conceptual diagram showing the structure of the tip of a laser light transmission mechanism as observed from the side, and shows a state in which laser light 2 is irradiated from a laser transmission mechanism 21 to a workpiece 31 in a fluid 18 to perform laser peening.

図5(a)において、高出力のレーザ光2を被加工対象物31に照射すると、レーザ光2は被加工対象物31に吸収され、一定の閾値以上のエネルギーに達すると被加工対象物31が気化してアブレーションプラズマ13が発生する。 In FIG. 5(a), when high-power laser light 2 is irradiated onto the workpiece 31, the laser light 2 is absorbed by the workpiece 31, and when the energy reaches a certain threshold or higher, the workpiece 31 vaporizes and an ablation plasma 13 is generated.

レーザ光伝送機構21として使用するエンドキャップファイバ22が石英製ファイバの場合、石英固有の広がり角NA=0.2で広がりながら流体18中をレーザ光2が伝播する。例えば、エンドキャップファイバ22における光ファイバ40のコア径がφ1.0mmの場合、波長532nmでパルスエネルギー40mJのレーザ光2を光ファイバ40から水中に照射して被加工対象物31として配置したニッケル基合金Alloy600に照射すると、先端から2mm離れた位置ではレーザ光2のビーム径はφ1.1mm程度の大きさに拡大されるもののエネルギー密度が高いためアブレーションプラズマ13が発生する。 When the endcap fiber 22 used as the laser light transmission mechanism 21 is a quartz fiber, the laser light 2 propagates through the fluid 18 while expanding at a divergence angle NA=0.2 specific to quartz. For example, when the core diameter of the optical fiber 40 in the endcap fiber 22 is φ1.0 mm, when laser light 2 with a wavelength of 532 nm and pulse energy of 40 mJ is irradiated from the optical fiber 40 into water and onto a nickel-based alloy Alloy 600 placed as the workpiece 31, the beam diameter of the laser light 2 expands to about φ1.1 mm at a position 2 mm away from the tip, but ablation plasma 13 is generated due to the high energy density.

流体18中ではアブレーションプラズマ13が流体18の圧力により封じ込められることで衝撃波32が発生し、この衝撃波32により被加工対象物31に塑性変形が生じ、表面近傍に圧縮応力が形成されるのがレーザピーニングのプロセスである。ここで、衝撃波32は被加工対象物31に伝播するだけでなく流体18中にも伝播され、一部はエンドキャップファイバ22にも到達する。エンドキャップファイバ22として石英製ファイバを用いた場合、図5(a)に示すようにアブレーションプラズマ13により生じた衝撃波32がエンドキャップファイバ22に到達し、その高い衝撃力により損傷する場合がある。 In the fluid 18, the ablation plasma 13 is confined by the pressure of the fluid 18, generating shock waves 32, which cause plastic deformation in the workpiece 31, forming compressive stress near the surface. This is the laser peening process. Here, the shock waves 32 propagate not only to the workpiece 31, but also through the fluid 18, with some of them reaching the endcap fiber 22. When a quartz fiber is used as the endcap fiber 22, the shock waves 32 generated by the ablation plasma 13 may reach the endcap fiber 22 and cause damage due to the high impact force, as shown in Figure 5(a).

一方、本実施形態では図5(b)に示すようにレーザ光伝送機構21の先端にファイバ先端保護機構23を具備しており、前述の衝撃波32が到達した場合においても高い耐衝撃性により損傷の発生を防止することが可能となる。ファイバ先端保護機構23はサファイアが好ましく、このサファイアはレーザ光透過性が高いため、例えばエンドキャップファイバ22としてエンドキャップファイバやテーパファイバなどに石英を用いた場合に伝送ロスの発生はほとんど生じることはない。ここで、ファイバ先端保護機構23はエンドキャップファイバ22とオプティカルコンタクト(高精密度に研磨された2つのプリズムを、接着剤を使わずに接合する技術)で配置すれば良いが、エンドキャップファイバ22と融着させても同等の機能を有する構造とすることができる。 In this embodiment, as shown in FIG. 5(b), the tip of the laser light transmission mechanism 21 is provided with a fiber tip protection mechanism 23, which has high impact resistance and can prevent damage even when the shock wave 32 described above reaches the tip of the laser light transmission mechanism 21. The fiber tip protection mechanism 23 is preferably made of sapphire, which has high laser light transparency, so that when quartz is used for the end cap fiber 22 or tapered fiber, for example, there is almost no transmission loss. Here, the fiber tip protection mechanism 23 may be placed in optical contact with the end cap fiber 22 (a technique for joining two highly precisely polished prisms without using adhesives), but it can also be fused to the end cap fiber 22 to form a structure with the same functionality.

さらに、本発明では図5(c)に示すようにエンドキャップファイバ22とファイバ先端保護機構23の間に液体33を封入配置した構造を用いることも可能である。液体33を封入配置することでオプティカルコンタクトに必要な面精度を形成するための研磨工程が不要となることや、融着を行う必要もなくなる利点がある。液体33としては水が好ましく、波長532nmのレーザ光であれば伝送ロスがほとんどなくなることや、屈折率の変化も小さくすることが可能となる。 In addition, in the present invention, it is also possible to use a structure in which a liquid 33 is enclosed between the end cap fiber 22 and the fiber tip protection mechanism 23, as shown in FIG. 5(c). Enclosing the liquid 33 has the advantage that a polishing process for forming the surface precision required for optical contact is not required, and fusion is also not required. Water is preferable as the liquid 33, and for laser light with a wavelength of 532 nm, it is possible to almost completely eliminate transmission loss and to minimize changes in the refractive index.

さらに本実施形態では、図5(d)に示すようにファイバ先端保護機構23の代わりにレーザ光を平行にするコリメートレンズユニット29を具備することも可能である。レーザ光伝送機構21としてエンドキャップファイバやテーパファイバなど石英製のファイバを用いた場合、光ファイバ40先端から射出されたレーザ光2は石英固有の広がり角NA=0.2で拡大しながら伝播されることになるが、コリメートレンズユニット29を具備することでエンドキャップファイバ22から射出されたレーザ光2のビーム径よりも大きな口径を維持しながら長距離伝送を行うことが可能となる。 In addition, in this embodiment, as shown in FIG. 5(d), it is also possible to provide a collimating lens unit 29 that collimates the laser light instead of the fiber tip protection mechanism 23. When a quartz fiber such as an endcap fiber or a tapered fiber is used as the laser light transmission mechanism 21, the laser light 2 emitted from the tip of the optical fiber 40 propagates while expanding at a divergence angle NA=0.2 that is specific to quartz. However, by providing the collimating lens unit 29, it is possible to perform long-distance transmission while maintaining a larger aperture than the beam diameter of the laser light 2 emitted from the endcap fiber 22.

例えば、エンドキャップファイバ22としてレーザ光射出端のコア径φ0.8mmのエンドキャップファイバを用いた場合、コリメートレンズユニット29でφ0.9mmの平行光として照射することが可能となり、コリメートレンズユニット29から20mm離れた位置でもφ0.9mmのビーム径でレーザ光2を射出することができる。そのため、図5(d)に示すようにアブレーションプラズマ13起因の衝撃波32の影響を受けずにレーザピーニングが行えると共に、被加工対象物31との距離を正確に維持しなくても同じビーム径で加工を行うことが可能となると共に、裕度範囲を拡大することが可能となる。 For example, when an endcap fiber with a core diameter of φ0.8 mm at the laser light emission end is used as the endcap fiber 22, it is possible to irradiate the laser light as a parallel light of φ0.9 mm with the collimator lens unit 29, and the laser light 2 can be emitted with a beam diameter of φ0.9 mm even at a position 20 mm away from the collimator lens unit 29. Therefore, as shown in FIG. 5(d), laser peening can be performed without being affected by the shock wave 32 caused by the ablation plasma 13, and processing can be performed with the same beam diameter without maintaining an accurate distance from the workpiece 31, and the tolerance range can be expanded.

これら実施形態は、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、組み合わせを行うことができる。 These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, modifications, and combinations can be made without departing from the spirit of the invention.

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同様に、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ものである。 These embodiments and variations are within the scope and spirit of the invention, as well as the scope of the invention and its equivalents as described in the claims.

1:レーザ発振器、2:レーザ光(パルスレーザ光)、3:第1ミラー、4:第2ミラー、5:集光レンズユニット、6:流体供給機構、7:開閉ユニット、8:流体伝送機構、9:位置確認機構、10:カバー、11:吸引機構、12:流体保管機構、13:アブレーションプラズマ、14:気泡、15:気泡確認機構、16:シャッター、17:アッテネーター、18:流体、19:流体の流れ、20:冷却孔、21:レーザ光伝送機構、22:エンドキャップファイバ、23:ファイバ先端保護機構、24:ビーム強度調整部、25:筐体、26:保護機構、27:駆動機構、28:駆動機構動作部、29:コリメートレンズユニット、30:レーザピーニング施工可能範囲、31:被加工対象物、32:衝撃波、33:液体、40:光ファイバ、41:エンドキャップ、42:コーンロッド、43:接合部、50:レーザピーニング装置。 1: Laser oscillator, 2: Laser light (pulsed laser light), 3: First mirror, 4: Second mirror, 5: Focusing lens unit, 6: Fluid supply mechanism, 7: Opening/closing unit, 8: Fluid transmission mechanism, 9: Position confirmation mechanism, 10: Cover, 11: Suction mechanism, 12: Fluid storage mechanism, 13: Ablation plasma, 14: Air bubble, 15: Air bubble confirmation mechanism, 16: Shutter, 17: Attenuator, 18: Fluid, 19: Fluid flow, 20: Cooling hole, 21: Laser light transmission mechanism, 22: end cap fiber, 23: fiber tip protection mechanism, 24: beam intensity adjustment section, 25: housing, 26: protection mechanism, 27: drive mechanism, 28: drive mechanism operating section, 29: collimator lens unit, 30: laser peening applicable range, 31: object to be processed, 32: shock wave, 33: liquid, 40: optical fiber, 41: end cap, 42: cone rod, 43: joint, 50: laser peening device.

Claims (11)

一端が封止された被加工物である孔の内面にレーザピーニングを行うレーザピーニング装置であって、
パルスレーザ光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出された前記パルスレーザ光を前記被加工物である孔の表面まで伝送するレーザ光伝送機構と、
前記孔の内部に流体を供給するための流体供給機構と、
から構成され、
前記レーザ光伝送機構として光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバを用いることを特徴とするレーザピーニング装置。
A laser peening apparatus for performing laser peening on an inner surface of a hole, which is a workpiece having one end sealed, comprising:
a laser oscillator that emits a pulsed laser beam;
a laser light transmission mechanism that transmits the pulsed laser light emitted from the laser oscillator to a surface of a hole that is the workpiece;
a fluid supply mechanism for supplying a fluid to the inside of the hole;
It is composed of
The laser peening apparatus is characterized in that an end cap fiber is used as the laser light transmission mechanism, the end cap being formed by fusing an end cap having a light receiving area on the incident side larger than the cross-sectional area of the optical fiber to the optical fiber.
前記被加工物表面に対向する前記エンドキャップファイバの先端に衝撃波から前記エンドキャップファイバを保護するファイバ先端保護機構を具備することを特徴とする請求項1記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 1, characterized in that the end cap fiber is provided with a fiber tip protection mechanism that protects the end cap fiber from shock waves at the tip of the end cap fiber that faces the workpiece surface. 前記ファイバ先端保護機構としてサファイアを用いることを特徴とする請求項2記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 2, characterized in that sapphire is used as the fiber tip protection mechanism. 前記エンドキャップファイバの先端と前記ファイバ先端保護機構との間に中間層として液体を封入配置したことを特徴とする請求項2または請求項3記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 2 or 3, characterized in that a liquid is enclosed as an intermediate layer between the tip of the end cap fiber and the fiber tip protection mechanism. 前記被加工物表面に対向する前記エンドキャップファイバの先端に、このエンドキャップファイバ先端から照射されたレーザ光を平行光に成形するコリメートレンズユニットを具備することを特徴とする請求項1記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 1, characterized in that the tip of the end cap fiber facing the workpiece surface is provided with a collimating lens unit that shapes the laser light irradiated from the tip of the end cap fiber into a parallel light. 前記エンドキャップファイバの先端からレーザ照射位置までの距離を計測する位置確認機構を具備し、この位置確認機構によって計測された前記エンドキャップファイバの先端からレーザ照射位置までの距離によって前記エンドキャップファイバを移動して前記パルスレーザ光の焦点位置を変更可能とすることを特徴とする請求項1記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 1, characterized in that it is provided with a position confirmation mechanism that measures the distance from the tip of the endcap fiber to the laser irradiation position, and is capable of changing the focal position of the pulsed laser light by moving the endcap fiber based on the distance from the tip of the endcap fiber to the laser irradiation position measured by this position confirmation mechanism. 前記ファイバ先端保護機構の先端からレーザ照射位置までの距離を計測する位置確認機構を具備し、この位置確認機構によって計測された前記ファイバ先端保護機構の先端からレーザ照射位置までの距離によって前記エンドキャップファイバを移動して前記パルスレーザ光の焦点位置を変更可能とすることを特徴とする請求項2記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 2, further comprising a position confirmation mechanism for measuring the distance from the tip of the fiber tip protection mechanism to the laser irradiation position, and the focal position of the pulsed laser light can be changed by moving the end cap fiber based on the distance from the tip of the fiber tip protection mechanism to the laser irradiation position measured by the position confirmation mechanism. 前記エンドキャップファイバを構成する光ファイバの外周部に可とう管を用いた駆動機構を具備し、この駆動機構は駆動機構動作部によって前記光ファイバ先端の角度を変えることを特徴とする請求項1記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 1, characterized in that it is provided with a driving mechanism using a flexible tube on the outer periphery of the optical fiber that constitutes the end cap fiber, and this driving mechanism changes the angle of the tip of the optical fiber by a driving mechanism operating part. 前記駆動機構動作部は前記エンドキャップファイバを前記被加工物である孔の中心軸に対して回転および上下動、平行移動、傾斜させることを特徴とする請求項1記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 1, characterized in that the drive mechanism operating unit rotates, moves up and down, translates, and tilts the end cap fiber relative to the central axis of the hole in the workpiece. 前記エンドキャップは、入射側の受光面積が光ファイバとの接合部の面積より大きい円錐状のコーンロッドであることを特徴とする請求項1記載のレーザピーニング装置。 The laser peening device according to claim 1, characterized in that the end cap is a cone-shaped cone rod whose light receiving area on the incident side is larger than the area of the joint with the optical fiber. 光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバにレーザ光を入射し、前記光ファイバの位置や角度を変更することで前記光ファイバの先端から前記レーザ光が照射される位置を自在に制御しながら一端が封止された孔の内面にレーザピーニングを行うことを特徴とするレーザピーニング方法。 A laser peening method characterized by irradiating laser light onto an end cap fiber in which an end cap with a light receiving area on the incident side larger than the cross-sectional area of the optical fiber is fused to the optical fiber, and performing laser peening on the inner surface of a hole with one end sealed while freely controlling the position where the laser light is irradiated from the tip of the optical fiber by changing the position and angle of the optical fiber.
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