JP5171088B2 - レーザ表面改質装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルスレーザ光を材料の表面に照射することにより材料表面を改質するレーザ表面改質装置及びその方法に関する。

レーザを利用する技術として、レーザ超音波検査装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このレーザ超音波検査技術は、パルスレーザの光音響効果によって被検査体に超音波を発生させ、この超音波を干渉計等の光学的手法で検出する技術であり、非接触探傷、さらには材料評価を高精度に行うことができるものである。

また、レーザを応用する技術として、レーザ表面改質装置が実用化されている。このレーザ表面改質装置は、ＹＡＧレーザ等の短パルスレーザ光を材料の表面に照射することによって、アブレーションにより生成されるプラズマを利用するものである。このレーザ光が照射される材料は、レーザ光の減衰を防ぐために、レーザ光に対して透明な液体で覆うことを特徴としている。この透明な液体で覆うことにより、プラズマの圧力が空気中で照射するよりも上昇することに注目した技術である。この上昇したプラズマの圧力で、材料表面の残留応力の改善や材料強度の向上等の表面改質を行うものである。

原子力プラントにおいては、原子炉炉内構造物の溶接部に残留している引張応力に起因した応力腐食割れ対策として、水中でパルス幅数ナノ秒程度の短パルスレーザ光を材料表面に照射する技術が知られている（例えば、非特許文献１、２参照）。このレーザ表面改質技術は、引張残留応力を低減又は圧縮応力に変換することにより、その発生を防止して表面改質するもので、レーザピーニングとして実用化されている。
特開２００３−１８５６３９号公報 日本原子力学会誌、Ｖｏｌ．４２、Ｎｏ．６、５６７〜５７３頁、２０００年 日本材料学会誌「材料」、Ｖｏｌ．４９、Ｎｏ．２、１９３〜１９９頁、２０００年

上述した従来のパルスレーザを利用した表面改質法においては、レーザ光が照射された材料表面において、生成されたプラズマが冷却されて生じる粒子や液体が分解してできる気泡が発生する。

しかし、これらの粒子や気泡は、レーザ光を反射、散乱あるいは吸収して材料表面に到達するレーザ光のエネルギーを減衰してしまうために、材料表面に噴射される透明液体から粒子や気泡を除去する必要がある、という課題があった。

また、従来は、市水等の十分に清浄した液体をレーザ光の照射点に直接噴射していた。しかし、透明液体中に微粒子や気泡が存在したときに、やはり、上述と同様に、レーザ光を減衰させる原因となるところに課題があった。

さらに、反射や吸収等がないと推定されるような肉眼で確認できるよりもさらに小さな微粒子があっても、レーザ光は散乱し、照射点に到達するレーザ光は減衰し、処理能力の低下が免れないところに課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、透明液体中の微粒子等によるレーザ光の減衰を防止し、処理能力の低下を防止することのできるレーザ表面改質装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な
液体で覆われた被照射材料の表面に照射してアブレーションによりこの被照射材料の表面
層の改質を行うレーザ表面改質装置において、前記パルスレーザ光を発生させるレーザ発
振器と、前記液体が貯溜される貯蔵タンクと、前記液体が液体供給配管を経由して移送さ
れる液体移送ポンプと、この液体供給配管に介在し前記液体より粒子を除去する除去手段
と、前記レーザ発振器より伝達されたパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記
除去手段により前記粒子が除去された液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料
に噴射するレーザ照射装置と、を有し、前記液体として、酸素を含まない液体を用いるこ
とを特徴とするものである。

上記目的を達成するため、本発明は、パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な
液体で覆われた被照射材料の表面に照射してアブレーションによりこの被照射材料の表面
層の改質を行うレーザ表面改質方法において、レーザ発振器により前記パルスレーザ光を
発生させるステップと、貯蔵タンクに前記液体が貯溜されるステップと、この貯溜された
液体より除去手段を介して粒子が除去されるステップと、前記レーザ発振器より伝達され
たパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記除去手段により前記粒子が除去され
た液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料に噴射するステップと、を有し、前
記液体が酸素を含まない液体であることを特徴とする。

本発明のレーザ表面改質装置及びその方法によれば、被照射材料を覆う透明な液体中の微粒子を除去することにより、レーザ光が微粒子により反射し又は散乱するのを防止し、レーザ光の被照射材料のレーザ照射点に到達する効率を向上させ、表面改質の能力を大幅に向上することができる。

以下、本発明に係るレーザ表面改質装置及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態のレーザ表面改質装置の概略構成を示す平面図であり、図２は、レーザ表面改質方法の原理を示す概念図であり、図３は、図１のレーザ照射装置及びその周辺部を拡大して示す平面図であり、図４は、本発明の第１の実施の形態のレーザ表面改質装置の変形例を示す平面図である。

まず、図２を用いて、レーザ表面改質方法の原理について説明する。パルス幅１０^−８秒程度以下のパルスレーザ光１は、集光レンズ２を経由して直径１ｍｍ程度のスポットに集光して被照射材料３の表面に照射される。そうすると、このパルスレーザ光１は、被照射材料３表面においてエネルギーを吸収してプラズマ化する。このプラズマ４の周囲がレーザ光の波長に対して透明な液体６により覆われているときは、プラズマ４の膨張が妨げられてプラズマ４の内部圧力は数ＧＰａ程度に達する。この高圧に達したプラズマ４は、被照射材料３の表面をたたくことになる。このときに、強力な衝撃波５が発生する。この衝撃波５は、被照射材料３の内部に伝播して塑性変形を引き起こし、残留応力を圧縮状態に変化させる。また、照射条件を選択することにより、被照射材料３の表面層の硬度を上昇させて材料強度を向上させることができる。

次に、本発明の第１の実施の形態のレーザ表面改質装置について、図１を用いて説明する。液体貯蔵タンク１４に貯溜された液体６は、液体移送ポンプ１５により、ろ過器１６を介して液体供給配管９を経由してレーザ照射装置１０に供給される。この
ろ過器１６によりろ過された液体６は、このレーザ照射装置１０を介して被照射材料３上のレーザ照射点Ａに噴射される。一方、レーザ発振器１２で発生したパルスレーザ光１は、光ファイバ１３を経由してレーザ照射装置１０に伝送され、被照射材料３上のレーザ照射点Ａに噴射される。

このレーザ表面改質装置のレーザ照射装置１０の基本構成について、図３を用いてさらに詳しく説明する。レーザ照射装置１０の液体噴射ノズル８を介してレーザ光１と同軸に噴射される液体の流れ１１の中には、微粒子７が多数含入されている。

一般に、粒子による光の散乱を類別すると、パルスレーザ光１の光路上に存在する微粒子７の径がレーザ光１の波長よりも大きいときには、様々な波長の光を散乱する非選択的散乱が発生する。微粒子７の径が波長と同程度のときには、やはり波長を選ばないミー散乱が発生する。そして、微粒子７の径が波長の１０分の１以下の場合には光の波長に依存するレイリー散乱が発生する。したがって、レーザ光１の波長よりも大きな粒径の微粒子７を除去した液体６を噴射すれば、様々な波長の光を散乱する非選択的散乱の発生を防止することができる。さらに、波長の１０分の１よりも大きな粒径の微粒子７を除去すれば、ミー散乱の発生をも防止することができる。

そこで、本実施の形態においては、液体６をろ過器１６介してレーザ照射装置１０に供給する構成をとっており、このろ過器１６の中には、図示されていないフィルタが設置されている。このフィルタのろ過性能を選択することにより、レーザ光１の波長よりも粒径が大きな微粒子７を除去することが可能である。

表面改質に一般に用いられるＹＡＧレーザ光の場合は、赤外光である基本波は波長１．０６μｍ、可視光の２倍波では波長０．５３μｍである。このために、それぞれ約１μｍ又は約０．５μｍ以上の粒径の微粒子７を有効に捕集するフィルタを選択すると、反射や吸収、非選択的散乱等を防止することができる。また、この波長の１０分の１である約０．１μｍ又は約０．０５μｍ以上の粒径の微粒子を有効に捕集するフィルタを選択すれば、さらにレーザ光１のミー散乱を防ぐことが可能である。

なお、液体供給配管９にろ過器１６を介在させなくても、図４に変形例として示すように、液体貯蔵タンク１４に予めろ過された液体６’を貯溜してもよい。

本実施の形態によれば、レーザ発振器１２で発生したパルスレーザ光１は、レーザ照射装置１０を介して被照射材料３上のレーザ照射点Ａに噴射される。一方、液体貯蔵タンク１４に貯溜された液体６は、ろ過器１６のフィルタを介してあるいは予めろ過された液体６’としてレーザ照射装置１０に供給される。このようにろ過された液体６（６’）を噴射することにより、レーザ光１の波長よりも粒径が大きな微粒子７が除去される。この微粒子７を除去することにより、レーザ光１が微粒子７により反射し又は散乱するのを防止し、レーザ光１の被照射材料３のレーザ照射点Ａに到達する効率を向上させ、従来に比較して表面改質の能力を大幅に向上することができる。

次に、図１を用いて、本実施の形態のレーザ表面改質装置の変形例について説明する。

図１において、レーザ発振器１２は、例えば、波長０．５３μｍのパルスＹＡＧレーザ光を発生するとする。この場合、液体貯蔵タンク１４に貯溜されている液体６（６’）としては、このレーザ光１の波長に対して透明な水を用いることとする。

この水は非常に安価で入手が容易であり、揮発性の液体や有害な液体を取り扱う際に必要な防護設備や液体処理設備等を必要とせず、場所を選ばずに安価に施工装置を設置することが可能である。

かくして、本変形例によれば、透明な水を用いることにより、場所を選ばずに安価にレーザ表面改質装置を設けることができ、従来に比較して表面改質の能力を大幅に向上することができる。

次に、図１を用いて、本実施の形態のレーザ表面改質装置の他の変形例について説明する。

図１において、液体貯蔵タンク１４に貯蔵された液体６（６’）として、一旦沸騰させた水等の溶存酸素を含まない液体、油等の構成元素に酸素を含まない液体又は液体窒素等の低温の液体のいずれかを用いることとする。

一般に、水中で表面改質を実施したときに、水はアブレーションに伴い分解され、酸素と水素となる。水素は気泡となって液体の流れ１１に伴って除去される。しかし、酸素は、被照射材料３が金属等のときは照射面に吸収されて、厚さ１μｍ程度の酸化膜が形成される。また、照射していない表面が酸化されてしまう可能性がある。

したがって、液体６（６’）として溶存酸素を含まない液体を用いることにより、被照射材料３の施工面以外の酸化を抑制することができる。また、構成元素として酸素を含まない液体を用いることにより、レーザ光１を照射した表面に酸化膜層が形成されることを防ぐことができる。

一方、レーザ光１により形成される図２に示すプラズマ４は非常に高温であり、照射条件によっては施工面に引張残留応力が形成される恐れがある。

そこで、液体６として非常に低温の液体窒素等を用いることにより、被照射材料３の施工面を急速に冷却してプラズマ４による熱影響を抑制することが可能である。

本変形例によれば、液体６（６’）として溶存酸素を含まない液体、油等の構成元素に酸素を含まない液体を用いることにより、被照射材料３の酸化や、施工面の酸化膜層の形成を抑制することができる。また、液体６（６’）として低温の液体を用いることにより、施工面の熱影響を低減できる。かくして、被照射材料３の施工面に圧縮残留応力が形成され、施工面における応力腐食割れの発生を抑制することが可能である。

図５は、本発明の第２の実施の形態のレーザ表面改質装置の概略構成を示す平面図である。本図は、図１の液体貯蔵タンク１４の代わりに施工槽１８を設けたものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、被照射材料３は施工槽１８内に設置されている。この施工槽１８は、貯溜された液体６を循環して使用するものである。このため、液体循環供給配管９’を、施工槽１８から液体移送ポンプ１５、ろ過器１６を介してレーザ照射装置１０に連絡するよう配置する。

このように構成された本実施の形態において、施工槽１８に貯溜された液体６にはプラズマ４が冷却されて生成された微粒子７が多数含まれている。このために、液体移送ポンプ１５を駆動して微粒子７が多数含まれている液体６を液体循環供給配管９’を介して循環させて、ろ過器１６によりろ過している。

本実施の形態によれば、被照射材料３を施工槽１８の内部に設置し、施工槽１８に溜まった液体６をろ過器１６を経由して循環使用することにより、図１の液体貯蔵タンク１４を設けずに連続して施工を行うと共に、少ない液体６でレーザ表面改質に係る施工を行うことができる。

図６は、本発明の第３の実施の形態のレーザ表面改質装置の概略構成を示す平面図である。本図は、図１のレーザ表面改質装置に自動エア抜き弁１７を設けたものであり、図１と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

本図に示すように、レーザ発振器１２で発生したパルスレーザ光１は、レーザ照射装置１０に伝送され、被照射材料３の表面に照射される。一方、液体貯蔵タンク１４に貯溜された液体６は、液体移送ポンプ１５により移送される。ろ過器１６を経由し自動エア抜き弁１７を介して液体を移送し、液体供給配管９を経由してレーザ照射装置１０を経由してレーザ照射点Ａに噴射する構成となっている。

一般に、液体の流れ１１の中に気泡１９が存在する。この気泡１９が、レーザ光１を散乱して減衰する原因となる。

このように構成された本実施の形態において、自動エア抜き弁１７を設けることにより、液体の流れ１１の中に存在する気泡１９を除去している。上述の微粒子７の除去に加えて、この気泡１９を自動エア抜き弁１７により除去することにより、さらにレーザ光１の減衰を抑制することが可能である。かくして、レーザ光１の減衰を防止して被照射材料３の表面改質の能力を大幅に向上することができる。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の各実施例を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態のレーザ表面改質装置の概略構成を示す平面図。 レーザ表面改質方法の原理を示す概念図。 図１のレーザ照射装置及びその周辺部を拡大して示す平面図。 本発明の第１の実施の形態のレーザ表面改質装置の変形例を示す平面図。 本発明の第２の実施の形態のレーザ表面改質装置の概略構成を示す平面図。 本発明の第３の実施の形態のレーザ表面改質装置の概略構成を示す平面図。

符号の説明

１…パルスレーザ光、２…集光レンズ、３…被照射材料、４…プラズマ、５…衝撃波、６，６’…液体、７…微粒子、８…液体噴射ノズル、９…液体供給配管、９’…液体循環供給配管、１０…レーザ照射装置、１１…液体の流れ、１２…レーザ発振器、１３…光ファイバ、１４…液体貯蔵タンク、１５…液体移送ポンプ、１６…ろ過器、１７…自動エア抜き弁、１８…施工槽、１９…気泡。

Claims (6)

1. パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な液体で覆われた被照射材料の表面に照
   射してアブレーションによりこの被照射材料の表面層の改質を行うレーザ表面改質装置に
   おいて、
   前記パルスレーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   前記液体が貯溜される貯蔵タンクと、
   前記液体が液体供給配管を経由して移送される液体移送ポンプと、
   この液体供給配管に介在し前記液体より粒子を除去する除去手段と、
   前記レーザ発振器より伝達されたパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記除
   去手段により前記粒子が除去された液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料に
   噴射するレーザ照射装置と、を有し、
   前記液体として、酸素を含まない液体を用いることを特徴とするレーザ表面改質装置。
2. パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な液体で覆われた被照射材料の表面に照
   射してアブレーションによりこの被照射材料の表面層の改質を行うレーザ表面改質装置に
   おいて、
   前記パルスレーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   前記液体が貯溜されこの液体の中に被照射材料が浸漬された施工槽と、
   この液体が液体供給配管を経由して移送される液体移送ポンプと、
   この液体供給配管に介在し前記液体より粒子を除去する除去手段と、
   前記レーザ発振器より伝達されたパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記除
   去手段により前記粒子が除去された液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料に
   噴射するレーザ照射装置と、を有し、
   前記液体として、酸素を含まない液体を用いることを特徴とするレーザ表面改質装置。
3. パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な液体で覆われた被照射材料の表面に照
   射してアブレーションによりこの被照射材料の表面層の改質を行うレーザ表面改質装置に
   おいて、
   前記パルスレーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   前記液体が貯溜される貯蔵タンクと、
   前記液体が液体供給配管を経由して移送される液体移送ポンプと、
   この液体供給配管に介在し前記液体より粒子を除去する除去手段と、
   前記レーザ発振器より伝達されたパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記除
   去手段により前記粒子が除去された液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料に
   噴射するレーザ照射装置と、を有し、
   前記液体として、液体窒素を用いることを特徴とするレーザ表面改質装置。
4. パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な液体で覆われた被照射材料の表面に照
   射してアブレーションによりこの被照射材料の表面層の改質を行うレーザ表面改質装置に
   おいて、
   前記パルスレーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   前記液体が貯溜されこの液体の中に被照射材料が浸漬された施工槽と、
   この液体が液体供給配管を経由して移送される液体移送ポンプと、
   この液体供給配管に介在し前記液体より粒子を除去する除去手段と、
   前記レーザ発振器より伝達されたパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記除
   去手段により前記粒子が除去された液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料に
   噴射するレーザ照射装置と、を有し、
   前記液体として、液体窒素を用いることを特徴とするレーザ表面改質装置。
5. パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な液体で覆われた被照射材料の表面に照
   射してアブレーションによりこの被照射材料の表面層の改質を行うレーザ表面改質方法に
   おいて、
   レーザ発振器により前記パルスレーザ光を発生させるステップと、
   貯蔵タンクに前記液体が貯溜されるステップと、
   この貯溜された液体より除去手段を介して粒子が除去されるステップと、
   前記レーザ発振器より伝達されたパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記除
   去手段により前記粒子が除去された液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料に
   噴射するステップと、
   を有し、前記液体が酸素を含まない液体であることを特徴とするレーザ表面改質方法。
6. パルスレーザ光をレーザ光の波長に対して透明な液体で覆われた被照射材料の表面に照
   射してアブレーションによりこの被照射材料の表面層の改質を行うレーザ表面改質方法に
   おいて、
   レーザ発振器により前記パルスレーザ光を発生させるステップと、
   貯蔵タンクに前記液体が貯溜されるステップと、
   この貯溜された液体より除去手段を介して粒子が除去されるステップと、
   前記レーザ発振器より伝達されたパルスレーザ光を前記被照射材料に噴射しかつ前記除
   去手段により前記粒子が除去された液体を前記パルスレーザ光と同軸に前記被照射材料に
   噴射するステップと、
   を有し、前記液体が液体窒素であることを特徴とするレーザ表面改質方法。

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