JP6845328B2 - レーザピーニング加工装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法に関する。

従来、物体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加工が知られている。典型的なレーザピーニング加工は、液体で覆われた状態で被加工物の被加工面にレーザビームを集光照射することによって行われる。液体で覆われた被加工物の被加工面にレーザビームが集光照射されると、レーザビームの照射によって発生するプラズマを液体中に閉じ込めることができる。この結果、衝撃波の圧力が被加工面に付与される。これにより、被加工物内部に生じた圧縮応力を残留応力として残留させることができる。

具体例として、被加工物を水中に浸漬せずにレーザピーニング加工を行うことができるように、直径が４０ｍｍで長さ２００ｍｍの筒状体に水を供給することが可能なハンディタイプのレーザピーニング装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、液体を使用せずにレーザピーニング加工を行うことができるように、固体の透明層を有する被覆部材をスライドさせながら被覆部材を介してレーザをパルス照射する装置も提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１０−２４７２１３号公報 特開２０１４−１７６８７０号公報

本発明は、レーザピーニング加工を行うために要求される作業環境上の制約を軽減することを目的とする。

本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レンズで前記レーザ光を集光して被加工物に照射する照射系とを備え、前記照射系は、液体を介さずに大気中に露出された状態で前記被加工物に前記レーザ光を照射するように構成され、かつ前記照射系は、一方の開口端が前記レーザ発振器と連結され、前記レーザ光の散乱光を遮蔽するための遮光材で構成された筒状のノズルと、前記ノズルの他方の開口端に取付けられ、前記被加工物の表面に接触させながら滑らせるための弾性体とを有するものである。

また、本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工方法は、上述したレーザピーニング加工装置を用いて前記被加工物のレーザピーニング加工を行うことによって製品又は半製品を製造するものである。

本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置の構成図。 図１に示すノズルの先端部分における拡大断面図。 図２に示す弾性体の下面図。 図１乃至図３に示す弾性体の別の構造例を示す正面図。 図１に示すエア取込口の構造を示す拡大断面図。 図４に示すエア取込口の右側面図。

実施形態

本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置及びレーザピーニング加工方法について添付図面を参照して説明する。

（構成及び機能）
図１は本発明の実施形態に係るレーザピーニング加工装置の構成図である。

レーザピーニング加工装置１は、液体を介さずに大気中に露出された状態で被加工物Ｗのレーザピーニング加工を行う装置である。そのために、レーザピーニング加工装置１は、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２、被加工物Ｗにレーザ光Ｌを照射する照射系３、レーザ発振器２に電力を供給する電源４、電源４を制御するための制御装置５及びレーザピーニング加工によって生じる被加工物Ｗの屑を回収するための集塵機６を有する。

照射系３は、液体を介さずに大気中に露出された状態で被加工物Ｗにレーザ光Ｌを照射するように構成される。このため、照射系３は、レンズ７をノズル８の内部に配置した単純な構成とすることができる。レンズ７は、レーザ発振器２で発振されたレーザ光Ｌを集光して被加工物Ｗに照射するための光学素子である。

大気中に露出された状態で被加工物Ｗのレーザピーニング加工を行うためには、レーザ光Ｌが十分な強度を有していることが条件となる。パルスレーザの強度Ｉは、パルスエネルギをＥ、パルスレーザが照射されるビームスポットの面積をＳ、パルス幅をｔとすると、Ｉ＝Ｅ／（Ｓ・ｔ）で表される。従って、パルスエネルギＥが一定であっても、パルス幅ｔが小さくなれば、パルスレーザの強度Ｉは大きくなる。

パルス幅ｔが数ピコ秒以下であるピコ秒レーザやフェムト秒レーザは、超短パルスと呼ばれる。超短パルスのうち特にパルス幅ｔがフェムト秒（１０００兆分の１秒）オーダであるフェムト秒レーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等のナノ秒レーザとは異なり、水等の液体を介さずに大気中で被加工物Ｗのレーザピーニング加工を行うために十分な強度Ｉを有する。

そこで、レーザ発振器２を、レーザ光Ｌとしてフェムト秒レーザを発振するフェムト秒レーザ発振器で構成することが実用的である。但し、レーザピーニング加工に要求されるパルスレーザの強度Ｉが小さい場合には、ピコ秒レーザ発振器でレーザ発振器２を構成してもよい。レーザピーニング加工の対象は、アルミニウム、鉄、チタン等の塑性変形する金属となる。このため、レーザピーニング加工の対象となる材質によって、レーザピーニング加工に要求されるパルスレーザの強度Ｉが決定される。以降では、主としてフェムト秒レーザ発振器でレーザ発振器２を構成する場合について説明する。

Ｎｄ：ＹＡＧレーザ等を発振する従来のナノ秒レーザ発振器は、長さが１ｍ程度で重さが約５０ｋｇ程度もある大型の発振器である。このため、ナノ秒レーザ発振器を用いてレーザピーニング加工を行う場合には、ナノ秒レーザ発振器を固定し、被加工物をロボット等で保持しながら移動させることが実用的となる。

これに対して、長さが６００ｍｍ程度のフェムト秒レーザ発振器を用いれば、レーザピーニング加工装置１を、作業者による手持ち式の装置とすることができる。すなわち、レンズ７及びノズル８を含む照射系３を連結したレーザ発振器２を作業者が手で移動させながら被加工物Ｗのレーザピーニング加工を行うことが現実的となる。或いは、照射系３を連結したレーザ発振器２をロボットのアームに取付けて照射系３を移動させながらレーザピーニング加工を行うことも現実的となる。

このため、被加工物Ｗが航空機構造体のように大型であっても、容易にノズル８を被加工物Ｗに向けてレーザピーニング加工を行うことができる。すなわち、被加工物Ｗを固定した状態でレーザピーニング加工を行うことが容易となる。

しかも、上述したように、レーザ発振器２をフェムト秒レーザ発振器等で構成すれば、レーザピーニング加工を行うために水等の液体やコーティングが不要となる。このため、ナノ秒レーザ発振器を用いてレーザピーニング加工を行う場合に必要であった、液体を供給するための設備が不要となる。

その反面、フェムト秒レーザ発振器等で構成されるレーザピーニング加工装置１の場合には、レーザ光Ｌの強度が大きいため、安全性を確保することが重要となる。すなわち、レーザ光Ｌを遮蔽し、レーザ光Ｌはもちろん、レーザ光Ｌの散乱光が作業者の目に入らないようにすることが重要である。特に、レーザピーニング加工装置１をポータブルタイプとする場合には、ノズル８の先端が様々な方向に向けられる可能性がある。このため、レーザ光Ｌが直接人の目に入らないようにすることが必要不可欠である。

そこで、レーザ光Ｌの散乱光を遮蔽するために、ノズル８を筒状の遮光材で構成することができる。遮光材の例としては、軽量なアルミニウムが挙げられる。そして、ノズル８の一方の開口端をレーザ発振器２と連結することができる。また、ノズル８の他方の開口端には、被加工物Ｗの表面に接触させながら滑らせるための弾性体９を取付けることができる。

これにより、レーザピーニング加工の施工ポイントも含めてレーザ光Ｌの光路を完全にノズル８で塞ぐことができる。その結果、レーザ光Ｌはもちろん、レーザ光Ｌの散乱光が作業者の目に入る事故を防止することができる。しかも、ノズル８の被加工物Ｗにおける先端には弾性体９が取付けられるため、被加工物Ｗの損傷を回避することができる。すなわち、被加工物Ｗを損傷させることなく、レーザ光Ｌ、反射光及び散乱光をノズル８内に密閉することができる。

但し、被加工物Ｗと弾性体９との間に隙間が生じた状態でレーザ光Ｌが照射されると、隙間からレーザ光Ｌの散乱光又は反射光が漏れる恐れがある。そこで、弾性体９の被加工物Ｗとの接触状態を検知するセンサ１０をレーザピーニング加工装置１に設けることができる。

弾性体９と被加工物Ｗとの間における接触状態を検知するセンサ１０の実用的な例としては、圧力センサや光学式の位置センサが挙げられる。例えば、光学式の位置センサを用いる場合であれば、被加工物Ｗの表面から弾性体９までの距離を検出することによって、弾性体９が被加工物Ｗの表面に密着しているか否かを検出することができる。一方、図示されるように圧力センサ１０Ａを用いれば、被加工物Ｗの表面から弾性体９に負荷される圧力を検出することによって、弾性体９が被加工物Ｗの表面に密着しているか否かを検出することができる。

ノズル８は筒状であるため、被加工物Ｗとの間における隙間の発生を完全に抑止するために好適な弾性体９の構造はＯリング状となる。そこで、Ｏリング状の弾性体９と、ノズル８の先端との間に、Ｏリング状の圧力センサ１０Ａを介在させることができる。これにより、弾性体９が被加工物Ｗに接触している場合において被加工物Ｗから弾性体９に負荷される圧力を、圧力センサ１０Ａで検出することができる。

圧力センサ１０Ａを簡易に構成することを重視する場合には、レーザ光Ｌの光軸方向における環状領域の圧力を、単一の成分として出力する圧力センサ１０Ａを、ノズル８の先端に取付けることができる。この場合、圧力センサ１０Ａから出力される圧力の測定値に対する閾値処理によって、弾性体９が被加工物Ｗの表面に接触しているか否かを検出することができる。

一方、リング状の弾性体９が被加工物Ｗの表面に確実に密着しているか否かを検出することを重視する場合には、弾性体９の少なくとも異なる３点における圧力を検出する圧力センサ１０Ａをノズル８の先端に取付けることができる。この場合、少なくとも３点における圧力の測定値に対する閾値処理によって、弾性体９が被加工物Ｗの表面に完全に密着しているか否かを検出すること可能となる。すなわち、弾性体９の少なくとも３点における圧力の測定値がいずれも閾値以上又は閾値を超えた場合に限り、弾性体９が被加工物Ｗの表面に完全に密着していると判定することができる。

従って、弾性体９には、被加工物Ｗとの間における潤滑性及び被加工物Ｗの表面に密着させるための弾性の他、圧力センサ１０Ａに圧力を伝達する特性が要求されることになる。特に、レーザピーニング加工前において被加工物Ｗの表面は洗浄されるため、被加工物Ｗとの間において潤滑性を確保することが重要である。

上述のような要求を満たす弾性体９の材質の例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリアミド樹脂（ナイロン）及びポリアセタール樹脂が挙げられる。弾性体９は、単一の材質で構成せずに、複数の材質で構成するようにしてもよい。すなわち、複数の材料を重ね合せたラミネート材で弾性体９を構成することもできる。従って、弾性体９を、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド樹脂及びポリアセタール樹脂の少なくとも１つで構成することができる。

圧力センサ１０Ａ等のセンサ１０の出力側は、電源４を制御するための制御装置５と接続することができる。そうすると、制御装置５において、弾性体９が被加工物Ｗと接触しているか否か、又はリング状の弾性体９が被加工物Ｗの表面に完全に密着しているか否かといった弾性体９と被加工物Ｗとの間における接触状態を制御装置５において自動判定することができる。

そして、弾性体９と被加工物Ｗとの間における接触状態に応じてレーザ発振器２の電源４を制御することによってレーザ光Ｌの発振を停止させることができる。すなわち、弾性体９が被加工物Ｗと接触していないと判定された場合又は弾性体９が被加工物Ｗの表面に完全に密着していないと判定された場合には、レーザ光Ｌの反射光又は散乱光が弾性体９と被加工物Ｗとの間における隙間から漏れないようにレーザ発振器２の電源４を自動的にオフに切換えることができる。

その場合には、センサ１０から出力された検出信号に基づいて弾性体９と被加工物Ｗとの間における接触状態を判定し、かつ判定結果に応じてレーザ発振器２の電源４をオフに切換えるための制御信号を生成する信号処理プログラムを読込ませた電子回路によって制御装置５を構成することができる。

別の例として、ノズル８がロボットアームで保持されている場合のように、弾性体９と被加工物Ｗとの間に隙間が生じても直ぐに事故が起こる可能性が低い場合には、弾性体９と被加工物Ｗとの間における接触状態の判定結果を表示装置に表示させたり、或いは音声やランプでレーザピーニング加工装置１のユーザに通知するのみとしてもよい。

このようなセンサ１０を用いた安全対策によって、レーザ光Ｌはもちろん、レーザ光Ｌの反射光又は散乱光が人の目に入る事故を一層確実に防止することができる。

レーザ光Ｌを被加工物Ｗに照射することによって被加工物Ｗのレーザピーニング加工を行うと、被加工物Ｗの一部が屑として生じる。従来のように液体中においてレーザピーニング加工を行う場合には、被加工物の屑が液体の流れに乗って除去されるが、液体を使用しないレーザピーニング加工の場合には被加工物Ｗの屑を除去することが重要である。特に、ノズル８でレーザ光Ｌの光路を密閉する場合には、ノズル８内において施工ポイントに被加工物Ｗの屑が滞留してレーザ光Ｌを遮らないようにすることが重要である。

そこで、レーザ光Ｌの照射によってノズル８内に生じる被加工物Ｗの屑を集塵機６で回収することが適切である。集塵機６とノズル８内は、連結チューブ１１で連結することができる。連結チューブ１１は、金属製又はゴム製のチューブで構成することができる。

図２は図１に示すノズル８の先端部分における拡大断面図であり、図３は図２に示す弾性体９の下面図である。

ノズル８内では、レーザ光Ｌの障害物となり得る被加工物Ｗの屑が舞い上がらないようにすることが、適切な強度のレーザ光Ｌを被加工物Ｗの表面に照射する観点から好ましい。そこで、連結チューブ１１を、できるだけ被加工物Ｗの表面に近い弾性体９と連結することができる。そのために、弾性体９の被加工物Ｗ側に、ノズル８内から被加工物Ｗの屑を吸引するための溝９Ａを形成することができる。弾性体９に形成される溝９Ａは、ノズル８内外を連通することを目的とするため、溝９Ａの長さ方向は弾性体９の半径方向となる。

そして、連結チューブ１１のノズル８側を、リング状の弾性体９の被加工物Ｗ側に形成された溝９Ａと連結することができる。連結チューブ１１がゴム製であれば、例えば接着剤で連結チューブ１１の先端を弾性体９に接着することができる。また、連結チューブ１１が金属製であれば、例えばねじ等を利用した止め具で連結チューブ１１の先端を弾性体９に連結することができる。

図示された例では、レーザ光Ｌの照射点を挟んで両側に２つの溝９Ａが弾性体９に形成されている。このため、２本の連結チューブ１１で、弾性体９の２つの溝９Ａと集塵機６が連結されている。このように少なくとも２つの溝９Ａを等間隔で弾性体９に設けることが、レーザピーニング加工の施工ポイント付近において被加工物Ｗの屑を通過させないようにする観点から好ましい。そして、弾性体９の溝９Ａ及び連結チューブ１１の数を増やせば、被加工物Ｗの屑の集塵効果を向上させることができる。すなわち、レーザピーニング加工の施工ポイントにおいて発生した被加工物Ｗの屑を、レーザ光Ｌの光路に干渉しないように、集塵機６で弾性体９の各溝９Ａから放射状に吸引することができる。

図４は図１乃至図３に示す弾性体９の別の構造例を示す正面図である。

弾性体９には、溝９Ａに代えて貫通孔９Ｂを形成してもよい。例えば、図４に例示されるように弾性に富んだリング状の弾性層９Ｃに溝を形成し、潤滑性に富んだリング状の潤滑層９Ｄを重ねることによって貫通孔９Ｂを有する弾性体９を製作することができる。そして、弾性体９に形成された貫通孔９Ｂと連結チューブ１１を連結することができる。もちん、図４に示す例に限らず、単層の弾性体９に貫通孔９Ｂを形成しても良い。

レーザピーニング加工の施工ポイント付近に被加工物Ｗの屑を滞留させないためには、被加工物Ｗの屑を回収するための集塵用エアの排出口のみならず、集塵用エアの取込口についても適切な位置に設けることが望ましい。具体的には、ノズル８内において施工ポイントを横切らずに連結チューブ１１に向かう集塵用エアの層流が形成されることが望ましい。

そこで、ノズル８のレンズ７よりも被加工物Ｗ側に、集塵用エアをノズル８内に取込むためのエア取込口８Ａを形成することが適切である。但し、レーザ光Ｌの散乱光がノズル８の外部に漏れない構造を有するエア取込口８Ａをノズル８に形成することが事故防止の観点から好ましい。

図５は図１に示すエア取込口８Ａの構造を示す拡大断面図であり、図６は図４に示すエア取込口８Ａの右側面図である。

例えば、図５及び図６に示すように、エア取込口８Ａの構造を、レーザ光Ｌとノズル８の外部とをエア取込口８Ａを介して直線的に結ぶことができないような構造とすることができる。具体的には、レーザ光Ｌの光軸に対して垂直な方向に隙間を空けて配置された２重構造を有する壁面によって、エア取込口８Ａを形成することができる。図５及び図６に示す例の他、レーザ光Ｌの光軸に対して傾斜する２枚の壁面でエア取込口８Ａを形成することもできる。

また、ノズル８を円筒状とし、ノズル８の中心軸をレーザ光Ｌの光軸からシフトさせるようにしてもよい。つまり、ノズル８を偏心させてもよい。そうすると、ノズル８において集塵用エアの渦を形成し、かつ渦の中心をレーザピーニング加工の施工ポイントからシフトさせることができる。これにより、被加工物Ｗの屑を、レーザピーニング加工の施工ポイントに滞留させることなく、弾性体９に形成された各溝９Ａ又は各貫通孔９Ｂから集塵機６で吸引することができる。

そして、以上のような構成を有するレーザピーニング加工装置１を用いて被加工物Ｗのレーザピーニング加工を行うことによって、製品又は半製品を製造することができる。

（効果）
以上のようなレーザピーニング加工装置１及びレーザピーニング加工方法は、フェムト秒レーザ等の超短パルスレーザを用いることによって液体やコーティング等の媒体を不要にしたものである。このため、レーザピーニング加工装置１及びレーザピーニング加工方法によれば、ナノ秒レーザを使用する場合に比べて、レーザ発振器２のサイズを飛躍的に小さくすることができる。その結果、レーザピーニング加工装置１のポータブル化が可能となる。

また、レーザピーニング加工装置１及びレーザピーニング加工方法は、超短パルスレーザの使用や液体を使用しないことによる弊害として考えられる強度の高い光の漏れや被加工物Ｗの屑の滞留を回避するために、レーザ光Ｌの遮蔽と、被加工物Ｗの屑の集塵を行うことができるようにしたものである。特に、ノズル８の先端に弾性体９を取付けることによって、被加工物Ｗの損傷を回避しつつ、レーザ光Ｌ、散乱光及び反射光の漏れを抑止することができる。しかも、弾性体９に形成した溝９Ａ又は貫通孔９Ｂから被加工物Ｗの屑を集塵することができる。その結果、レーザ光Ｌが屑で遮られることを回避し、良好な条件で被加工物Ｗのレーザピーニング加工を行うことができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

Claims (5)

1. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   レンズで前記レーザ光を集光して被加工物に照射する照射系とを備え、
   前記照射系は、液体を介さずに大気中に露出された状態で前記被加工物に前記レーザ光を照射するように構成され、かつ
   前記照射系は、
   一方の開口端が前記レーザ発振器と連結され、前記レーザ光の散乱光を遮蔽するための遮光材で構成された筒状のノズルと、
   前記ノズルの他方の開口端に取付けられ、前記被加工物の表面に接触させながら滑らせるための弾性体と、
   を有するレーザピーニング加工装置。
2. 前記弾性体の前記被加工物との接触状態を検知するセンサと、
   前記接触状態に応じて前記レーザ発振器の電源を制御することによって前記レーザ光の発振を停止させる制御装置と、
   を更に備える請求項１記載のレーザピーニング加工装置。
3. 前記レーザ光の照射によって前記ノズル内に生じる前記被加工物の屑を回収するための集塵機と、
   前記集塵機と前記ノズル内を連結する連結チューブとを更に備え、
   前記連結チューブの前記ノズル側を、リング状の前記弾性体の前記被加工物側に形成された溝又は前記弾性体に形成された貫通孔と連結した請求項１又は２記載のレーザピーニング加工装置。
4. 前記屑を回収するためのエアを前記ノズル内に取込むためのエア取込口であって、前記レーザ光の散乱光が前記ノズルの外部に漏れない構造を有するエア取込口を前記ノズルに形成した請求項３記載のレーザピーニング加工装置。
5. 請求項１乃至４記載のレーザピーニング加工装置を用いて前記被加工物のレーザピーニング加工を行うことによって製品又は半製品を製造するレーザピーニング加工方法。

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