JP4695363B2 - 単一ヘッド式レーザによる高スループットレーザショックピーニング - Google Patents

Description

本発明は、レーザショックピーニングに関し、より具体的には、単一ヘッド式レーザを有するレーザショックピーニングレーザ用の装置及び方法に関する。

レーザショックピーニング（ＬＳＰ）又は別の言い方をするとレーザショックプロセシングは、物品の表面区域をレーザショックピーニングすることによって加えられた深い圧縮残留応力の領域を形成するための方法である。レーザショックピーニングは一般的には、高出力及び低出力パルスレーザによる１つ又はそれ以上の放射パルスを使用して、物品の表面において強い衝撃波を生成するものであり、これは、特許文献１、特許文献２及び特許文献３に開示されている方法に類似している。当該技術で知られておりかつ本明細書で使用する場合、レーザショックピーニングは、レーザビーム源からのパルスレーザビームを利用して、レーザビームの衝突点において、その表面の薄膜又はその表面上の皮膜（テープ又はペイントのような）のプラズマを形成する瞬間的なアブレーション（ａｂｌａｔｉｏｎ）又は蒸発によって爆発力を発生させることにより、表面の一部に強力な局所的圧縮力を生成することを意味する。

ガスタービンエンジン分野での多くの用途ためにレーザショックピーニングが開発されてきており、その幾つかが、以下の特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８及び特許文献９に開示されており、これら全ての特許は本特許出願人に譲渡されている。

約２０〜約５０ジュールの高エネルギーレーザビーム又は約３〜約１０ジュールの低エネルギーレーザビームが使用されてきており、他のエネルギー水準が検討されている。例えば、特許文献８及び特許文献１０を参照されたい。低エネルギーレーザビームは、ネオジムでドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＮｄＹＡＧ）、Ｎｄ：ＹＬＦ及びその他のような異なるレーザ材料を使用して生成可能である。低エネルギーレーザショックピーニングでは、レーザ装置のコストを低減し、保守費用を削減し、またレーザショックピーニング工程のコストを低減する努力が注がれてきた。しかしながら、これらのレーザ機械は依然として、従来型のレーザボール盤に比べるとより複雑かつ高価である。レーザボール盤は、一般的に単一のレーザを有している。

５〜１５ナノ秒の立上り区間（ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ）の一過性立上り時間と２０〜５０ナノ秒の全幅半値パルス持続時間とを有する２０〜５０ジュール（Ｊ）／パルスのオーダの大レーザパルスが発生可能であることは知られている。これらの大レーザパルスを発生させるには、レーザ発生器は、ＬＳＰで必要とするエネルギーを供給するために６個から一ダース以上のガラスレーザロッド又はヘッドを組み込んだ複雑かつ物理的に大型のものとなる。これらのレーザは、２、３秒毎に１パルスの状態からおよそ毎秒２パルスまでのパルス発生に限定される。５〜１０ジュールのオーダのパルスエネルギーを供給する低エネルギーレーザは、Ｎｄ：ＹＡＧロッドクリスタルのような別のレーザ技術の使用を可能にする。これらは、低エネルギーにおいてではあるがおよそ１０ヘルツのより速いパルス繰返し数で同一の一過性特性を提供可能である。

５０ジュールでのガラス又は５ジュールでのＹＡＧのいずれの場合でも、注目のエネルギーを発生させるのに必要なレーザヘッド又はロッドの数により、これらのシステムは複雑、高価、かつ維持費が高いものになり、ＬＳＰ製造において使用し難いものになっている。
米国特許第３８５０６９８号 特開昭５８−２０７３２１号 特表平０５−５０３７３８号 米国特許第５７５６９６５号 米国特許第５５９１００９号 米国特許第５５３１５７０号 米国特許第５４９２４４７号 特表平１１−５０８８２６号 特表平１１−５０９７８２号 特開平１１−２５４１５６号

従って、レーザショックピーニング（ＬＳＰ）用の単一ヘッド式レーザを組み込んだレーザショックピーニング装置及び方法を得ることは、非常に望ましい。

主ビーム通路に沿って一次レーザビームを発生するためのレーザショックピーニング装置におけるレーザユニットは、単一のレージングロッドのみを有するパルス自励発振器を含む。自励発振器の外部にある例えばポッケルスセルのような電気光学スイッチは、主ビーム通路に沿って作動可能に配置されて、自励発振器からの初期緩速立上り時間の一次レーザビームを遮断しかつレージングロッドからの一次レーザビームのパルスを尖鋭化する。

レーザユニットの例示的な実施形態では、電気光学スイッチは、ダンプ通路に沿って主ビーム通路からダンプにエネルギーを廃棄する。少なくとも１つの光伝送回路を使用して、一次レーザビームから少なくとも１つの固定レーザビームを形成し、その固定レーザビームを少なくとも１つのレーザショックピーニング標的区域に向けて配向する。電気光学スイッチに制御可能に結合された遅延発生器を使用して、電気光学スイッチを起動させることができる。遅延発生器に作動可能に結合された高速光ダイオードを使用して、レーザ発振器からの初期レーザ出力パルスを測定しかつ遅延発生器を起動させてポッケルスセルを切り替えるようにすることができる。レーザユニットのより具体的な実施形態では、電源、フラッシュランプ及びレージングロッドは、１ジュール以上のエネルギー、約数百マイクロ秒の立上り時間及び約２００〜３００マイクロ秒から１ミリ秒までの範囲のパルス持続時間を有するレーザ出力パルスを、該レージングロッドから発射するように設定される。ポッケルスセルは、一次レーザビームを尖鋭化して該一次レーザビームが少なくとも１ジュールのエネルギーを有するようになるように設定される。

レーザショックピーニング装置の例示的な実施形態では、ビームスプリッタを主ビーム通路に沿って電気光学スイッチの後に作動可能に設置して、一次レーザビームを１つの光伝送回路を含む２つの光伝送回路に沿って分割するようにする。２つの光伝送回路は、１つの固定レーザビームを含む２つの固定レーザビームを形成するように作動可能である。２つの光伝送回路は、１つのレーザショックピーニング標的区域を含む２つのレーザショックピーニング標的区域に向けて固定レーザビームを配向する。

図１に示すのは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）多軸マニュピレータ１２７内に取付けられたガスタービンエンジンブレード８で示した物品又はワークピースをレーザショックピーニングするためのショックピーニング装置１０である。固定レーザビーム２は、標的区域４２に向けて配向される。図１に示すレーザショックピーニング装置１０は、発振器３３を有するレーザユニット３１を含む。コントローラ２４を使用して、レーザビーム装置を調整しかつ起動させて制御した方法でレーザビーム２を皮膜付きレーザショックピーニング表面５５上に発射でき、またマニュピレータ１２７の作動及び移動を制御できる。

レーザユニット３１は、図２に一層具体的に示している。レーザユニット３１内の発振器３３は、単一のレージングロッド３６のみを有する。例示的な発振器３３は、従来型のパルスＹＡＧ自励発振器である。そのような発振器の例には、本来は穿孔用に製造されたＣｏｎｖｅｒｇｅｎｔ−Ｐｒｉｍａ Ｐ５０及びその他のＹＡＧレーザがある。これらのレーザは、１〜５０ジュールで、１〜１００ヘルツ（Ｈｚ）以上で、約２００〜３００マイクロ秒から１ミリ秒以上のパルス幅でレーザを発生する。これらは、Ｔｒｕｍｐｆ、Ｒｏｆｉｎ Ｓｉｎａｒ、Ｌａｓａｇ及びＪＫなどの幾つかのベンダから購入可能である。レーザは、多くの方法で５００ワット以下の、一般的には２００ワット以下の平均出力（例えば、繰返し数×エネルギー／パルス）と組み合わせたパラメータを使用して作動させることができる。自励発振器の立上り区間の立上り時間は、数百マイクロ秒のオーダであり、このオーダでは、緩速過ぎてレーザショックピーニング用の爆風（ブラスト）波及び音響波を生成できない。

自励レーザ発振器３３の外部にある電気光学スイッチ又はポッケルスセル（Ｐｏｃｋｅｌｓ ｃｅｌｌ）６４を使用して、自励発振器の初期緩速立上り時間の一次レーザビーム３４を遮断し、主ビーム通路６６からエネルギーを廃棄する。予め定めた時間において、ポッケルスセルの状態を「オン」状態に変化させ、出力パルスの残りの部分は、ポッケルスセルを通り、光学系３５を通って進み、この光学系３５において、レーザショックピーニングする物品のレーザショックピーニング表面５５上に集束される。Ｎｄ：イッテルビウムのような他のレーザ媒体を使用することができ、この媒体は、１０ヘルツ又はそれ以上の周波数（処理速度のため）で１〜５０ジュールを発生可能であること以外には重要でないことが分かっている。

自励ＹＡＧレーザ発振器３３は、一対のフラッシュランプ７０によってポンピングされ、この一対のフラッシュランプは、レージングロッド３６を作動させかつ約１０ヘルツ又はそれ以上の周波数で電源７２によって駆動される。自励ＹＡＧレーザ発振器３３のレージングロッド３６からのレーザ出力パルス７４は、ジュール対時間（ＪｖｓＴ）の形態で表した図２の第１のエネルギー上昇グラフ８０によって示すように立上り時間が数１００マイクロ秒でありかつパルス持続時間が約２００〜３００マイクロ秒から１ミリ秒までである状態の１ジュール以上のエネルギー有する。出力パルス７４は、初期状態ではオフであるポッケルスセル６４に送給される。オフ状態では、ポッケルスセル６４は、自励ＹＡＧレーザ発振器３３からの出力パルス７４の全てのエネルギーを、主ビーム通路６６と整列していないダンプ通路８９に沿ってダンプ８８内に吸収及び／又は廃棄する。主ビーム通路６６は、ダンプ通路８９に対して鋭角のダンプ角度９１になっている。ポッケルスからの破棄されたエネルギー７８は、廃棄エネルギーグラフ８４にジュール対時間の形態でグラフ表示している。

出力パルス７４の初期部分がダンプ８８内に廃棄された後に、ポッケルスセル６４は、短時間（一般的には５ナノ秒以下）でオンに変わり、その後主ビーム通路６６を下流方向に進む一次レーザビーム３４内に、図２の第２のエネルギー上昇グラフ８２によって示すように、尖鋭化パルス７６が形成される。この時点で、一次レーザビーム３４は、少なくとも１ジュール（１ジュール以下のエネルギーはレーザパルスの一過性立上り区間から廃棄されている）のエネルギーを有しており、集束レンズ９０を含むビーム光伝送回路４３を通してレーザショックピーニング表面５５に送給され、レーザショックピーニング表面５５において、一次レーザビームは該表面に衝撃を与えてレーザショックピーニングプロセスのための爆風波と音響圧縮波とを生成する。

レーザパルス発射に関連するポッケルスセル６４のタイミングは、重要である。自励発振器は、電源７２のパルシングによってポッケルスセル６４を起動させる繰返し数が十分には正確でない可能性があり、ポッケルスセル６４に制御可能に結合した遅延発生器１０３を使用して、ポッケルスセル６４を起動させることができる。高速光ダイオード１０４を使用して、レーザ出力時における初期レーザパルスを正確に測定しかつ遅延発生器１０３を起動させて、予め定められかつ繰返し可能な遅延でポッケルスセル６４を切り替えて高速レーザショックピーニングパルスの立上り区間の立上り時間を正確に形成させる。

ビームスプリッタ４９は、固定レーザビーム２を形成するのに使用される２つのビーム光伝送回路４３内に一次レーザビームを供給する。ビーム光伝送回路４３の各々は、固定レーザビーム２を標的区域４２へ向けて配向する光学系３５を含む。光学系３５は、レーザショックピーニング表面５５上にレーザビーム２を伝送しかつ集束させる、レンズ９０を備えた光学要素を含む。

標的区域４２内に位置するレーザショックピーニング表面５５は、ブレード８の前縁ＬＥのそれぞれ正圧側面４６及び負圧側面４８上に図示されている。レーザショックピーニング表面５５は、特表平１１−５０８８２６号及び特表平１１−５０９７８２号に開示されているような被覆表面を形成するために、塗料又は接着テープのようなアブレーティブ（ａｂｌａｔｉｖｅ）皮膜５７で被覆されている。皮膜５７はアブレーティブ媒体を形成し、このアブレーティブ媒体上に例えば流水のカーテン２１などの流体カーテンのような透明な閉込め媒体を配置する。レーザショックピーニングの間、水ノズル１９によって供給される流水カーテン２１を透過して固定レーザビーム２をレーザショックピーニング表面５５上に発射しながら、ブレード８を移動させる。一般的にレーザショックピーニングプロセスを使用して、レーザショックピーニングした表面５４上に一部重なり合ったレーザショックピーニングされた円形スポット５８を形成する。

レーザビームショック誘起の深い圧縮残留応力が、圧縮プレストレスド（ｐｒｅ−ｓｔｒｅｓｓｅｄ）（加圧）領域５６内に形成される。圧縮残留応力は一般的に、約５０〜１５０ＫＰＳＩ（キロポンド・パー・スクェアインチ）であり、レーザショックピーニングした表面５４からプレストレスド領域内に連続的に約２０〜５０ミルの深さまで延びる。レーザビームショック誘起の深い圧縮残留応力は、レーザショックピーニング表面５５に対して通常プラスマイナス約２００〜３００ミルほど焦点を外したレーザビーム２を反復して発射することによって形成される。

レーザビーム２は、急速に皮膜５７をアブレーションして、材料の表面上に衝撃波を生じるプラズマを発生させる。表面を被覆するのにペイントに代わる好適な代替材料として他のアブレーティブ材料を使用することができる。これらの皮膜材料には、特表平１１−５０８８２６号及び特表平１１−５０９７８２号に開示されているような金属箔又は接着性プラスチックテープが含まれる。アブレーティブ皮膜５７を全く使用しない場合には、物品の材料をアブレーションすることもできる。これらの衝撃波は、流水カーテン２１によって被覆表面に向けて再配向されて、被覆表面の下の材料内に伝播衝撃波（圧力波）を発生させる。これらの衝撃波の振幅と量が圧縮応力の深さと強さとを決定する。アブレ−ティブ皮膜５７は、標的表面を保護しかつプラズマを発生させるのにも使用される。

本明細書では、本発明の好ましくかつ例示的な実施形態と考えられるものを説明してきたが、同業者には本明細書での教示から本発明の他の変更が明らかである。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

単一ロッド式レーザを有するレーザショックピーニングシステムの概略図。 図１に示すレーザショックピーニングシステムのレーザ及び光学系の概略図。

符号の説明

２ 固定レーザビーム
８ ガスタービンエンジンブレード
１０ レーザショックピーニング装置
２１ 流水カーテン
２４ コントローラ
３１ レーザユニット
３３ 自励レーザ発振器
３４ 一次レーザビーム
３６ 単一のレージングロッド
３５ 光学系
４２ レーザショックピーニング標的区域
４３ 光伝送回路
５７ アブレーティブ皮膜
６４ 電気光学スイッチ
６６ 主ビーム通路
７０ フラッシュランプ
７２ 電源
８８ ダンプ
８９ ダンプ通路
１０３ 遅延発生器
１０４ 光ダイオード

Claims (9)

1. 単一のレージングロッド（３６）のみを備えたパルス自励発振器（３３）を含む、主ビーム通路（６６）に沿って一次レーザビーム（３４）を発生するレーザユニット（３１）と、
   前記自励発振器（３３）の外部で前記一次レーザビーム（３４）の主ビーム通路（６６）に沿って作動可能に配置されて、該自励発振器（３３）からの初期緩速立上り時間の一次レーザビーム（３４）を遮断しかつ該主ビーム通路（６６）からエネルギーを廃棄する電気光学スイッチ（６４）と、
   前記一次レーザビーム（３４）から、少なくとも１つのレーザショックピーニング標的区域（４２）のピーニング表面に集束する少なくとも１つの固定レーザビーム（２）を形成しかつ前記１つの固定レーザビーム（２）を前記少なくとも１つのレーザショックピーニング標的区域（４２）に向けて配向するための少なくとも１つの光伝送回路（４３）と、
   を含むレーザショックピーニング装置（１０）。
   
2. 前記電気光学スイッチ（６４）がポッケルスセルである、請求項１記載の装置。
3. 前記電気光学スイッチ（６４）からダンプ（８８）に至りかつそれに沿って前記主ビーム通路（６６）からエネルギーを廃棄するダンプ通路（８９）をさらに含む、請求項１又は２記載の装置。
4. 前記電気光学スイッチ（６４）を起動させるために該電気光学スイッチ（６４）に制御可能に結合された遅延発生器（１０３）をさらに含む、請求項３記載の装置。
5. 前記レージングロッド（３６）を作動させるために作動可能に配置された少なくとも１つ又は一対のフラッシュランプ（７０）と、
   前記フラッシュランプ（７０）に駆動可能に接続された電源（７２）と、
   をさらに含み、
   前記電源が、前記フラッシュランプ（７０）を約１０ヘルツ又はそれ以上の周波数で給電するように設定されている、
   請求項１記載の装置。
6. 前記電源（７２）、フラッシュランプ（７０）及びレージングロッド（３６）が、１ジュール以上のエネルギー、約数百マイクロ秒の立上り時間及び約２００〜３００マイクロ秒から１ミリ秒までの範囲のパルス持続時間を有するレーザ出力パルス（７４）を、該レージングロッド（３６）から発射するように設定され、
   前記電気光学スイッチがポッケルスセル（６４）であり、前記ポッケルスセルが、前記一次レーザビーム（３４）のエネルギーパルスを尖鋭化して該一次レーザビームが少なくとも１ジュールのエネルギーを有するようになるように設定されている、
   請求項５記載の装置。
7. 前記ポッケルスセル（６４）を起動させるために該ポッケルスセル（６４）に制御可能に結合された遅延発生器（１０３）をさらに含む、請求項３又は請求項６記載の装置。
8. 前記レーザ発振器（３３）からの初期レーザ出力パルスを測定するために前記レーザユニット（３１）内に作動可能に配置されかつ前記遅延発生器（１０３）を起動させて前記ポッケルスセル（６４）を切り替えるために該遅延発生器（１０３）に作動可能に結合された高速光ダイオード（１０４）をさらに含む、請求項７記載の装置。
9. 前記レーザショックピーニング区域に向けて配向された流体ノズルをさらに含む、請求項１又は請求項８記載の装置。

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