JP5118324B2 - レーザピーニング装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザピーニング装置に関する。

従来、機械部品等の表面に残留応力を与えて改質する方法としてレーザピーニング法が用いられている。
一般に、レーザピーニング法による加工は、レーザビームを被加工面に集光照射し、発生するプラズマを被加工面上に形成された水、油その他の液体の慣性媒体中に閉じ込め、これにより発生する衝撃波圧力を被加工面に与えることにより行う。プラズマによる衝撃波圧力を被加工面に効果的に与えるため、プラズマを閉じ込める水、油その他の液体を被加工面上に形成する必要がある。

特許文献１及び２には、被加工面上に水膜その他の液膜を形成し、この液膜によりプラズマを閉じ込めるレーザピーニング法が記載されている。なお、同文献によれば、被加工面には、予め黒色ペイント等の保護膜が塗布される。また、特許文献２段落００１３には、水膜として流水を用いることが記載されている。

特許文献３には、水中にレーザ照射ヘッド及び被加工物を設置して行うレーザピーニング法が記載されている（同文献段落０００４，図１０，１１参照）。
また、同文献には、ウォータージェット・レーザ併用ピーニング法が記載されている（同文献特許請求の範囲，図１等参照）
特開２０００−２４６４６８号公報 特開２００２−３４６８４７号公報 特開２００２−３４６８４７号公報

しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
特許文献３に記載されるような水中にレーザ照射ヘッド及び被加工物を設置して行うレーザピーニング法にあっては、レーザ照射ヘッド等の装置浸水部及び被加工物の大きさに対応し得る大きな水槽が必要となるという問題がある。
また、水膜式、水中式、ウォータージェット併用式に拘わらず、水を用いれば水による腐食等が問題となり、他の液体を用いれば液体の種類によっては汚染が問題となる。
さらに、水槽への貯水や、水膜を形成するための流水のために、プラズマを閉じ込める液体を大量に消費するという問題がある。
また、特許文献３に記載のウォータージェット・レーザ併用ピーニング法にあっては、ウォータージェットの流動作用により気泡圧壊効果が半径方向に分散し、有効面積は大きくなるものの残留応力の浸透深さが浅くなるという特質を有しており（同文献段落0021参照）、レーザピーニング単独による本来の深い加工が施せない。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、プラズマを閉じ込める液体による腐食、汚染、同液体の大量消費を防ぐことができ、水槽等の大型の装置を用いることのない、クリーンかつ省エネルギーで利便性に優れたレーザピーニング装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、被加工物の局所の表面上にプラズ
マを閉じ込める液体を形成保持する液体保持ヘッドと、
前記液体保持ヘッドに保持された液体を介して前記表面にレーザを照射するレーザ照射ヘッドとを備え、
前記液体保持ヘッドは、前記液体を静止状態に保持可能であることを特徴とするレーザピーニング装置である。

請求項２記載の発明は、前記液体保持ヘッドは、前記液体を定形に保持する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である。

請求項３記載の発明は、前記液体保持ヘッドが前記液体を静止状態に保持した状態において前記被加工物を移動させる移動装置を備える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である。

請求項４記載の発明は、前記レーザ照射ヘッドと前記液体保持ヘッドとの間に配置される集光レンズを備える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である。

請求項５記載の発明は、レーザ照射ヘッドと、液体保持ヘッドとを備え、
前記液体保持ヘッドは、
プラズマを閉じ込める液体が充填されることにより前記液体を形成保持する液体保持室と、
前記液体保持室の一つの窓であって、前記レーザ照射ヘッドからのレーザを前記液体保持室に入射させる透明部材により密閉された入射窓と、
前記液体保持室の他の一つの窓であって、前記液体保持室に入射したレーザのその後の進路に配置され、前記被加工物の表面を前記液体保持室に保持された前記液体に接液させる対物窓と、
前記対物窓の周囲に形成され、前記被加工物の表面との間で前記対物窓からの前記液体の漏液を封止する対物端面と、
前記対物端面と前記被加工物の表面との間が封止された状態において前記液体保持室に前記液体を導入することが可能な導入口とを有することを特徴とするレーザピーニング装置である。

請求項６記載の発明は、前記液体保持ヘッドは、前記導入口とは別に、前記対物端面と前記被加工物の表面との間が封止された状態において前記液体保持室から前記液体を排出することが可能な排出口を有することを特徴とする請求項５に記載のレーザピーニング装置である。

請求項７記載の発明は、前記対物端面と前記被加工物の表面との間が封止された状態において前記被加工物を移動させる移動装置を備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザピーニング装置である。

請求項８記載の発明は、前記レーザ照射ヘッドと前記入射窓との間に配置される集光レンズを備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザピーニング装置である。

本発明によれば、被加工物の加工対象部位である局所の表面上に、プラズマを閉じ込める液体を形成保持する液体保持ヘッドを備えるため、レーザ照射ヘッドその他の装置や被加工物の加工不要部位、作業員等を浸水、散水等により接液させることを防ぐことができる。
そのため、本発明によれば、同液体による腐食、汚染が防がれクリーンである。
また、本発明によれば、水槽等の大型の装置を用いることがなく、同液体の消費量を抑えることができ、従って装置構成材や消費材を縮小でき、その結果として製造・使用時における省力化をももたらすことができるから、少資源化、省エネルギー化を促進できる。 加えて、水槽等の大型の装置を用いることがないため、例えば運用中の航空機等輸送機器の既存部品への施行が可能となり、飛躍的に適用範囲を拡大することができる。
さらに、本発明によれば、同液体を大量に扱う必要はなく、被加工物の大きさに制限もなく、レーザ照射ヘッド等の装置の浸水、作業場での散水等による使い勝手の悪さは軽減されるから、使用者にとっての利便性が向上する。例えば、レーザ照射ヘッドの交換、使用後のメンテナンスは容易に行うことができる。また、レーザ照射ヘッド等の装置に防水加工を施す必要はない。
以上のように、本発明によれば、クリーンかつ省エネルギーで利便性に優れたレーザピーニング装置を構成することができる。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。図１は本発明の一実施形態に係るレーザピーニング装置の断面図である。

図１に示すように本実施形態の係るレーザピーニング装置は、液体保持ヘッド１と、レーザ照射ヘッド２と、集光レンズ３と、被加工物移動装置４とを備える。
液体保持ヘッド１は、側壁体１１と、窓ガラス１２と、ガラス押さえ１３と、О−リング１８，１９とを備えて構成される。

側壁体１１は、両端開口の筒状で金属その他の材料により形成される。側壁体１１の内側に液体保持室１０が形成されている。側壁体１１の一方の開口は液体保持室１０の入射窓１４、他方の開口は液体保持室１０の対物窓１５となる。入射窓１４は、窓ガラス１２により密閉される。窓ガラス１２の材料としてはレーザ透過性能及び耐久性に優れた石英ガラス等の透明材料を適用する。対物窓１５は、被加工物Ｗの表面に合わされることで密閉状態となる。

側壁体１１の一方の開口部（入射窓１４周囲）に窓ガラス１２を嵌め入れる段差が形成されており、窓ガラス１２はこれに嵌め入れられ、ガラス押さえ１３によって脱落しないように押さえられる。ガラス押さえ１３は、ボルト等によって構成され、適所に数箇所設けられる。

本実施形態によれば、窓ガラス１２の交換が必要な場合に、窓ガラス１２のみ交換でき、側壁体１１を使い続けることができる。また、側壁体１１にレーザの透過性は必要とされない。

対物窓１５周囲の側壁体１１の端面は、被加工物Ｗの表面との間で対物窓１５からの漏液を封止する対物端面２０として形成されている。漏液をより確実に防ぐために対物端面２０には、２重のО−リング１８，１９が付設されている。О−リング１８，１９は、対物端面２０と被加工物Ｗの表面との間に圧力をもって挟まれ圧縮変形することにより、対物端面２０及び被加工物Ｗの表面に対して密着性を高め、封止力が高まるものである。封止構造として他の手段を用いても良い。

側壁体１１の外周面には、液体導入口１６と、液体排出口１７とが形成されている。側壁体１１の壁部には、液体導入口１６と液体保持室１０に繋ぐ液体導入路１６ａと、液体排出口１７と液体保持室１０に繋ぐ液体排出路１７ａとが形成されている。

なお、液体導入口１６、液体導入路１６ａと、液体排出口１７、液体排出路１７ａとは同一形状に形成してもよいし異なる形状に形成しても良い、また、どちらが導入用でどちらが排出用であるかを定めて用いる必要はないし、それを定めて用いても良い。また、双方とも導入排出用として兼用しても良い。本実施形態においては、一方を導入用、他方を排出用に定めて使用する。

液体導入口１６には、液体導入管５の一端が接続される。液体排出口１７には、液体排出管６の一端が接続される。図示しないが、液体導入管５の他端にはプラズマを閉じ込める水、油その他の液体Ｒが貯蔵された液体タンク、同液体Ｒを液体保持室１０へ送出するポンプ、バルブ等が設置され、液体排出管６の他端には排液タンク、バルブ等が設置される。上記液体タンクと上記排液タンクとを共通として循環式としてもよい。

液体導入口１６は、以上のように構成され、対物端面２０と被加工物Ｗの表面との間が封止された状態において液体保持室１０に液体Ｒを導入することが可能である。
液体排出口１７は、以上のように構成され、対物端面２０と被加工物Ｗの表面との間が封止された状態において液体保持室１０から液体Ｒを排出することが可能である。

図１に示すように、レーザ照射ヘッド２、集光レンズ３、入射窓１４、対物窓１５は、レーザ照射ヘッド２から出射されるレーザの光軸上に配置される。レーザの経路に沿って集光レンズ３は、レーザ照射ヘッド２と、入射窓１４との間に配置される。
レーザ照射ヘッド２から対物窓１５までのレーザ経路において、適当な光学部品を設置して反射、屈折などによりレーザの光軸を曲げた構成としてもよい。例えば、液体保持室１０内に鏡を設置し、入射窓１４へのレーザの入射方向と、対物窓１５へのレーザの進行方向とを直角に構成するなどの構成変更は任意である。但し、液体保持室１０内に設置される部品は、液体Ｒによる侵食の対象となる。本実施形態にあっては、図１に示すように、入射窓１４から対物窓１５までのレーザ経路は一直線状としている。

被加工物移動装置４は、移動ベース４１を直交３軸方向に移動させることができる移動装置であり、螺子シャフト、ギア等の機械で構成可能である。被加工物移動装置４にモータ、制御装置等を備えて、移動ベース４１を数値制御可能に構成することが好ましい。

液体保持ヘッド１と、レーザ照射ヘッド２と、集光レンズ３と、被加工物移動装置４の本体４２は、適当な固定具、支持具により図示しない基台に固定されている。

次に、以上のように構成された本実施形態のレーザピーニング装置による加工動作につき説明する。
まず、被加工物Ｗを移動ベース４１に固定する。
次に、被加工物移動装置４により被加工物Ｗを図１に示すＸ軸方向に移動させて被加工物Ｗの加工対象部位の表面を対物端面２０（のО−リング１８，１９）に押圧する。これにより、対物端面２０と被加工物Ｗの表面との間が封止された状態となる。
次に、液体導入口１６から液体Ｒを液体保持室１０に導入し充填する。これにより、液体保持室１０に液体Ｒが充填され、被加工物Ｗの局所の表面上に液体Ｒを液体保持室１０の形に形成し、液体保持室１０の形に定形に保持することができる。

次に、レーザ照射ヘッド２からパルスレーザＰを出射して、液体保持室１０に露出した被加工物Ｗの表面に照射する。レーザ照射ヘッド２から出射したパルスレーザＰは、集光レンズ３により液体保持室１０に露出した被加工物Ｗの表面上に焦点を合わせて集光される。パルスレーザＰは集光されつつ、窓ガラス１２及び液体保持室１０内の液体Ｒを透過して、液体保持室１０に露出した被加工物Ｗの表面に照射される。

パルスレーザＰが液体保持室１０に露出した被加工物Ｗの表面に照射されると、同表面付近の液体保持室１０内に充填された液体Ｒ中においてプラズマが発生する。
発生したプラズマは、液体保持室１０内に充填された液体Ｒによって閉じ込められ、効果的にプラズマ爆発による衝撃波圧力を被加工物Ｗに付与する。
衝撃波圧力が付与された被加工物Ｗの表層に圧縮残留応力が残る。
以上により、被加工物Ｗにレーザピーニング加工が施される。

加工中は、液体排出口１７側のバルブを閉めて液体保持室１０内の液体Ｒを静止状態に保持しても良いし、液体保持室１０内の液体Ｒの充填状態を保ちつつ、液体導入口１６からの液体Ｒの導入と液体排出口１７から液体Ｒの排出を同時に行って、液体保持室１０内の液体Ｒを流動状態に保持してもよい。

適宜、被加工物移動装置４によって、被加工物Ｗを図１に示すＹ，Ｚ軸方向に移動して被加工物Ｗの加工が必要な未加工部位にレーザピーニング加工を上述と同様にして施す。その際、被加工物Ｗの移動は、対物端面２０と被加工物Ｗの表面との間が封止された状態において行う。

必要な加工が終了したら、液体導入管５の液体導入口１６に接続された開口端と反対側の開口端を大気圧下に開放し、液体排出口１７から液体Ｒを排出して、液体保持室１０を空にする。その後、移動装置４によって被加工物ＷをＸ軸方向に移動させて、被加工物Ｗを液体保持ヘッド１から離し、移動ベース４１から被加工物Ｗを取り外す。

以上の実施形態によれば、加工中に液体Ｒは液体導入管５、液体保持ヘッド１及び液体排出管６内に密閉されており、被加工物の取り外し時等における液体Ｒの外部への漏洩もわずかな量に抑えることができる。また、液体Ｒの消費量も少量に抑えることができる。したがって、プラズマを閉じ込める液体として水以外の液体を容易に用いることができる。

従来の水膜式、水中式のレーザピーニング法にあっては、プラズマを閉じ込める液体として水以外の液体を用いることは、汚染性、消費量等の問題により困難であった。プラズマを閉じ込める液体として水を用いて航空機部品で多用されているようなアルミ部品へレーザピーニング加工を施工する場合は、施工後の腐食を防ぐ為に、乾燥工程が必要になるという問題もあった。
しかし、本実施形態によれば、液体Ｒとして防食性の液を用いることができ、これにより以上のすべての問題は解決される。

また、プラズマを閉じ込める液体として水よりも密度の大きい液体をレーザピーニングに適用することにより、より高い圧縮残留応力を被加工物に付与することがきる。
また、従来の水中式のレーザピーニングで水以外の液体を用いる場合、透明度の問題でレーザ透過能が著しく低下してしまう場合があり、十分なピーニング効果を被加工物材料中に付与することができないという問題があった。
本実施形態によれば、汚染性、消費量、透過性の問題を懸念することなく、水よりも密度の大きい液体や、水よりも高価な液体、水よりも透過率の低い液体を実用することが可能になり、それらの液体による有益な加工特性等の技術的恩恵を得ることができる。

以上説明したように、本実施形態のレーザピーニング装置は、クリーンかつ省エネルギーで利便性に優れており、レーザピーニング装置の汎用性を高めることができる。
また、本実施形態のレーザピーニング装置を適用することにより、プラズマを閉じ込める液体として水以外の機能性をもった液体を用いたレーザピーニングの汎用性を高めることができる。
なお、本願発明者らの実験によれば、液体Ｒとして水を用いた本実施形態のレーザピーニング装置により、従来の水中式のレーザピーニングと同等の圧縮残留応力を付与することができた。

本発明の一実施形態に係るレーザピーニング装置の断面図である。

符号の説明

１ 液体保持ヘッド
２ レーザ照射ヘッド
３ 集光レンズ
４ 被加工物移動装置
５ 液体導入管
６ 液体排出管
１０ 液体保持室
１１ 側壁体
１２ 窓ガラス
１４ 入射窓
１５ 対物窓
１６ 液体導入口
１６ａ 液体導入路
１７ 液体排出口
１７ａ 液体排出路
１８，１９ О−リング
２０ 対物端面
４１ 移動ベース
Ｐ パルスレーザ
Ｒ 液体
Ｗ 被加工物

Claims (8)

1. 被加工物の局所の表面上にプラズマを閉じ込める液体を形成保持する液体保持ヘッドと、
   前記液体保持ヘッドに保持された液体を介して前記表面にレーザを照射するレーザ照射ヘッドとを備え、
   前記液体保持ヘッドは、前記液体を静止状態に保持可能であることを特徴とするレーザピーニング装置。
2. 前記液体保持ヘッドは、前記液体を定形に保持する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. 前記液体保持ヘッドが前記液体を定形に保持した状態において前記被加工物を移動させる移動装置を備える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。
4. 前記レーザ照射ヘッドと前記液体保持ヘッドとの間に配置される集光レンズを備える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。
5. レーザ照射ヘッドと、液体保持ヘッドとを備え、
   前記液体保持ヘッドは、
   プラズマを閉じ込める液体が充填されることにより前記液体を形成保持する液体保持室と、
   前記液体保持室の一つの窓であって、前記レーザ照射ヘッドからのレーザを前記液体保持室に入射させる透明部材により密閉された入射窓と、
   前記液体保持室の他の一つの窓であって、前記液体保持室に入射したレーザのその後の進路に配置され、前記被加工物の表面を前記液体保持室に保持された前記液体に接液させる対物窓と、
   前記対物窓の周囲に形成され、前記被加工物の表面との間で前記対物窓からの前記液体の漏液を封止する対物端面と、
   前記対物端面と前記被加工物の表面との間が封止された状態において前記液体保持室に前記液体を導入することが可能な導入口とを有することを特徴とするレーザピーニング装置。
6. 前記液体保持ヘッドは、前記導入口とは別に、前記対物端面と前記被加工物の表面との間が封止された状態において前記液体保持室から前記液体を排出することが可能な排出口を有することを特徴とする請求項５に記載のレーザピーニング装置。
7. 前記対物端面と前記被加工物の表面との間が封止された状態において前記被加工物を移動させる移動装置を備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザピーニング装置。
8. 前記レーザ照射ヘッドと前記入射窓との間に配置される集光レンズを備えることを特徴とする請求項５に記載のレーザピーニング装置。

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