JP7068207B2 - レーザピーニング装置およびレーザピーニング方法 - Google Patents

Description

この発明の実施形態は、レーザ光を照射することにより残留圧縮応力を発生させて材料の改質を図るためのレーザピーニング装置およびレーザピーニング方法に関する。

原子力プラントにおいては、定期点検時に炉内外の機器に対して自動機を用いてアクセスし、各種保全工法が実施されている。その中でも、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（ＳＣＣ）対策として、その発生を効果的に防止できるレーザピーニング技術が開発されている。

レーザピーニングでは、たとえば、パルス幅５ｎｓｅｃ～１０ｎｓｅｃ程度のレーザ光を集光レンズで直径１ｍｍ程度のスポットに集光して、被加工面（照射対象）に照射する。このとき、材料表面がエネルギを吸収してプラズマ化する。プラズマの周囲がレーザ光の波長に対して透明な液体により覆われている場合、プラズマの膨張が妨げられてプラズマの内部圧力は数ＧＰａ程度に達し、被加工面に衝撃を加える。その際に強力な衝撃波が発生し、材料内部に伝播して塑性変形を引き起こして残留応力を圧縮状態に変える。

レーザピーニングは、ショットピーニングやウォータジェットピーニング等の他のピーニング技術と比べると、効果は材料強度への依存は小さく、材料表面から１ｍｍ程度の板厚の内部までピーニングの効果が及ぶ。また、施工時の反力がなく、施工装置の小型化が容易で狭あい部への施工性に優れている。

前述の通り、レーザピーニングはプラズマの圧力によって施工対象表層に塑性変形を加えるプロセスであるが、レーザの照射径やエネルギを適切な範囲で照射することで、前述の圧縮効果を得ることができる。

特許第３４６１９４８号公報

レーザ光はその直進性から、前述の適切な範囲を逸脱した範囲においても残存し、照射対象に照射され吸収されることで熱の影響が出る。このような事象が発生する場合としては、レーザ光を遮断しないまま照射対象から離れる場合がある。その場合に、レーザ光の焦点を過ぎたレーザ光が、照射対象から離れた位置に残存し、照射されることとなる。

レーザ光の照射スポットが十分に小さい場合は、レーザ光の照射が必要以上に繰り返されることになり、無駄な照射となるが、照射される材料への悪影響は比較的小さい。しかし、レーザ光の照射位置が焦点を過ぎて照射スポットが大きくなると、照射エネルギ密度が極端に低下し、ピーニング効果が得られないだけでなく、レーザ光の吸収による発熱や酸化を生じ、その照射条件によっては、引っ張り残留応力を発生させる可能性がある。

このような有害な照射を防ぐために、レーザ発振器内部あるは外部に設置したレーザ光遮断用のシャッタを閉じることが行われる。しかしながら、面と面が交差するように照射面の接線の傾きが不連続となるような境界（以下、不連続部）においては、レーザ光のスポット径やエネルギなどに関して、適切な範囲で施工している状態から、境界を跨いだ瞬間に照射条件が逸脱する場合がある。

連続面のみを対象に照射する場合は、レーザ照射ヘッドの動作終了とともにシャッタ開閉を制御する。しかし、前述のような不連続部に対しては予め作成した動作軌跡あるいはその場で作成する動作軌跡をもとにしたシャッタ制御だけでは、残存光を十分に遮断することは困難である。実施工環境で想定される照射対象との位置関係のずれなどがあるからである。

特に、レーザ発振器自体の運転停止と運転再開には比較的長時間を要するので、レーザ発振器の運転を継続しながらレーザ光の照射を素早く停止できるのが望ましい。また、レーザ発振器で生じたレーザ光を遮断するシャッタを長時間閉じた状態に保持すると、シャッタの過熱が起こるのでその対策も必要である。

本発明の実施形態は前述の課題を考慮してなされたものであり、不連続部を含むような照射対象であっても、残存レーザ光による有害なレーザ光照射を抑制可能なレーザピーニング装置、およびレーザピーニング方法を提供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装置は上記課題を解決するために、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ光が透過する透明な液体中の照射対象に前記レーザ光を照射して前記照射対象を施工する照射ノズルと、前記レーザ発振器で発生したレーザ光を前記照射ノズルに伝送する光伝送装置と、前記光伝送装置に設けられて前記レーザ光を開閉可能なシャッタと、前記照射ノズルから前記照射対象に向かう前記レーザ光の光路に沿って流れる液体を前記照射ノズルに供給する液体供給装置と、前記照射対象を施工するのに適当な前記レーザ光の照射が行われているかどうかを表す照射施工情報を得る照射施工センサと、前記照射施工センサで得られた前記照射施工情報に基づいて前記シャッタを制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記レーザ光の照射による前記照射対象の施工が行われているときに、前記照射施工情報に基づいて、前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われているか否かを判定し、前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われていないと判定したときに前記シャッタを閉じるように前記シャッタを制御し、前記シャッタを閉じた後に前記シャッタを開くとともに、前記照射ノズルから前記照射対象に向かう前記レーザ光の光路内に前記レーザ光の透過を妨げる阻害流体を介在させて前記レーザ光を遮断するように構成されていること、を特徴とする。

また、本発明の実施形態に係るレーザピーニング方法は、レーザ光が透過する透明な液体中の照射対象に、シャッタを開き照射ノズルから前記レーザ光を照射して前記照射対象の照射施工を行う照射ステップと、前記照射対象の照射施工点を覆うとともに前記レーザ光の光路に沿って流れる液体を前記照射対象に向かって供給する液体供給ステップと、前記照射ステップにおける前記レーザ光の前記照射施工に適した前記レーザ光の照射が行われているかどうかを表す照射施工情報を照射施工センサにより取得する照射施工情報取得ステップと、前記照射ステップが行われているときに、前記照射施工情報に基づいて、前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われているか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップで前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われていないと判定したときに、前記シャッタを閉じ前記照射施工を停止させる照射施工停止ステップと、前記シャッタを閉じた後に前記シャッタを開くとともに、前記照射ノズルから前記照射対象に向かう前記レーザ光の光路内に前記レーザ光の透過を妨げる阻害流体を介在させて前記レーザ光を遮断するステップと、を備えていること、を特徴とする。

本発明の実施形態によれば、不連続部を含むような照射対象であっても、残存レーザ光による有害なレーザ光照射を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法における照射ノズルと照射対象との位置関係を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法における時間変化を示すタイミングチャートであって、（ａ）は照射施工センサとして音響センサを用いた場合の照射施工センサの出力、（ｂ）は照射されるレーザの強度、（ｃ）はシャッタ閉の制御信号を表す。 本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法の手順を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法において、照射施工センサとして光センサを用いた場合の照射施工センサの出力の時間変化の例を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法の手順を示すフロー図である。 本発明の第４の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。 本発明の第５の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。 本発明の第６の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。

以下に、図面を参照しながら本発明に係るレーザピーニング装置およびレーザピーニング方法の実施の形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。レーザピーニング装置１１は、照射ノズル１２と、レーザ発振器１３と、光伝送装置１４と、液体供給装置１５と、制御部１６とを備えている。

レーザ発振器１３はレーザ光３０を発生させるもので、そのレーザ光３０は光伝送装置１４を経て照射ノズル１２へ送られる。光伝送装置１４には、ミラー１７およびシャッタ１８が含まれる。

照射ノズル１２は気液分離素子２５を備える。気液分離素子２５は照射ノズル１２内を気中部分と液中部分とに仕切るものである。光伝送装置１４から送られたレーザ光３０は、気液分離素子２５までは気中を通り、気液分離素子２５を通過した後は、透明な液体中を通って照射ノズル１２の先端１２ａから照射対象１００（図２）に向かって進む。

液体供給装置１５は、レーザ光を透過する透明な水などの液体を照射ノズル１２の液体部分に供給するものであって、液体供給ポンプ１９、液体供給配管２０、流量計２１および流量調整装置２２を含む。液体供給ポンプ１９によって昇圧された液体が、液体供給配管２０を経て照射ノズル１２に供給される。液体供給配管２０に流量計２１が取り付けられている。流量調整装置２２は、流量計２１で検出された流量に基づいて、照射ノズル１２に供給される液体の流量が設定された流量の範囲に入るように調整する。流量の調整は、たとえば、液体供給ポンプ１９の回転速度の調整によって行われる。その他の例としては、液体供給配管２０に流量調整弁（図示せず）を設けて、それにより流量調整を行うようにしてもよい。

図１に示す例では、液体供給配管２０から照射ノズル１２内に供給される液体は、照射ノズル１２内を通るレーザ光３０の方向に垂直に、そのレーザ光３０が通る光路の両側からその光路に向かうように供給される。照射ノズル１２内に供給された液体は、照射ノズル１２の先端１２ａから、レーザ光３０の進む方向に、照射対象１００（図２）に向けて噴射され、レーザ光３０と同軸の噴流３１が形成される。液体供給配管２０から照射ノズル１２内に液体が供給される位置は、図１に示すように互いに対向する２箇所としてもよいし、１箇所または３箇所以上としてもよい。

また、図１に示す例では、例えば液体供給配管２０を照射ノズル１２の軸方向（すなわち、レーザ光３０や照射ノズル１２の先端１２ａから噴射される噴流３１の方向）に対して垂直に取り付けることで、液体供給配管２０から照射ノズル１２内に供給される液体が、照射ノズル１２内のレーザ光３０の方向に垂直に供給されるように構成しているが、これに限らず、液体供給配管２０を照射ノズル１２の軸方向に対して角度を付けて取り付け、液体供給配管２０から照射ノズル１２内に供給される液体が、照射ノズル１２内のレーザ光３０の方向に対して角度を有して供給されるように構成してもよい。

なお、液体供給配管２０から照射ノズル１２内に供給される液体については、照射ノズル１２内のレーザ光３０の方向に対する旋回成分（すなわち、照射ノズル１２の軸方向に対する周方向成分）の速度を有さないように照射ノズル１２内に供給することが好ましく、液体供給配管２０から照射ノズル１２内への液体の流入方向は、レーザ光３０の方向（照射ノズル１２の軸方向）に垂直な断面に投影した場合に、中心点となるレーザ光３０の位置に放射状（半径方向）に流入するように構成することが好ましい。

光伝送装置１４を経て照射ノズル１２へ送られたレーザ光３０は、噴流３１の中を通って照射ノズル１２の先端１２ａから照射対象１００に向けて照射される。照射対象１００に向かうレーザ光は、照射対象１００の表面で集光される。

レーザ光３０は、液体の噴流３１の中を進み、また、噴流３１によって照射対象１００の表面に液体が供給される。そのため、照射対象１００の物体が空気中にあっても、照射施工を行うことができる。また、照射対象１００の物体が液体中に浸漬されていても、同様に照射施工を行うことができる。換言すると、液体の噴流３１は照射対象１００の照射施工点を覆うとともに、例えばレーザ光３０と同軸など、レーザ光３０の光路に沿って流れるように照射対象に向かって噴射（供給）される。

照射ノズル１２の先端１２ａの近くに照射施工センサ３５が取り付けられている。照射施工センサ３５は、噴流３１が照射対象１００に噴射され、レーザ光３０が照射対象１００に照射されて、照射施工が行われているときに、適切なレーザ光の照射が行われているかどうかを表す照射施工情報（照射施工信号）を得るためのセンサである。照射施工センサ３５は、たとえば、照射施工部（照射施工点）で発生する音響を検出する音響センサである。照射施工センサ３５の出力信号は制御部１６に送られる。

この実施形態のように照射施工センサ３５に音響センサを用いた場合は、たとえば光と比較して指向性が小さいため、設置条件に裕度がある。

シャッタ１８は、レーザ発振器１３から発せられたレーザ光が照射ノズル１２に到達する手前でそのレーザ光を遮るものであって、開閉可能である。シャッタ１８は、レーザ光３０をダンパ（図示せず）へ反射させる構造のものや、それ自体でレーザ光３０のエネルギを吸収する構造のものなどがある。

シャッタ１８の近くにはシャッタ１８の温度を検出するシャッタ温度センサ３６が設置されている。シャッタ温度センサ３６の出力信号は制御部１６に送られる。

制御部１６は、照射施工センサ３５の出力およびシャッタ温度センサ３６の出力信号を受信して、それらの信号に基づいて流量調整装置２２およびシャッタ１８を制御する。制御部１６の具体的な制御内容については、図４を参照して後述する。

図１に示す例では、照射ノズル１２とレーザ発振器１３と光伝送装置１４とシャッタ１８は、駆動装置４０に取り付けられ、駆動装置４０によって、照射対象１００との相対位置関係を変えることができる。なお、光伝送装置１４に光ファイバケーブル（図示せず）を採用することなどにより、照射ノズル１２とレーザ発振器１３との相対位置関係を柔軟に変えることができるようにでき、そのような場合は、レーザ発振器１３などを固定設置して、照射ノズル１２のみを移動可能とすることもできる。

図２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置１１を用いたレーザピーニング方法における照射ノズル１２と照射対象１００との位置関係を示す説明図である。照射対象１００は、たとえば円管状であり、その一端の開口端部に、照射ノズル１２から液体の噴流３１を送るとともにその液中を通るレーザ光３０を照射する。照射対象１００を固定して、このレーザピーニング装置１１による照射施工を行いながら照射ノズル１２を、図２の矢印Ａの方向に移動するものとする。レーザ光３０の照射点が図２の第１の照射点５０から不連続点である第２の照射点５１までの間は、レーザ光３０の照射点（照射施工点）が照射対象１００の上の所望の位置にあり、所望の条件で照射施工が行われる。

照射ノズル１２が、第２の照射点５１から矢印Ａの方向にさらに移動すると、レーザ光３０の照射点は、円管状の照射対象１００の端部から内部に急に移動し、レーザ光３０の集光位置からずれた位置を照射することになる。このとき、極端に広い面積を照射することになり、レーザ光３０の照射を続けると、照射対象１００の円管内部の表面に、レーザピーニングの条件から外れた条件のレーザ光が照射され、そのとき照射された部分では残留引っ張り応力が生じることがありうる。また、その前の施工で残留圧縮応力が生じていた部分の残留圧縮応力が弱まることがありうる。このような事態は、レーザピーニングによって残留圧縮応力を生じさせる目的に反し、好ましくない。

この発明の実施形態によれば、このような、好ましくないレーザ光の照射を回避することができる。すなわち、照射施工センサ３５によって、照射施工の状況を監視し、レーザ光３０の照射点が不連続点である第２の照射点５１を過ぎたことを検出したときに、ただちにレーザ光３０の照射を停止する。

図３は、本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置１１を用いたレーザピーニング方法における時間変化を示すタイミングチャートであって、（ａ）は照射施工センサとして音響センサを用いた場合の照射施工センサの出力、（ｂ）は照射されるレーザの強度、（ｃ）はシャッタの制御信号を表す。ここで、照射ノズル１２を図２の矢印Ａの方向に移動して、照射点が第１の照射点（施工開始点）５０から第２の照射点（不連続点）５１に移動し、さらに第２の照射点５１を通り越して矢印Ａの方向に移動する。

図３に示されるように、施工開始点から照射点が不連続点を通過する前までは、通常の施工が行われており、照射レーザのパルスＰ１に対応した通常の施工レベルの音響信号が検出される。しかし、照射点が不連続点を通過した後は、照射レーザが施工に適切な条件から外れる。したがって、照射レーザのパルスＰ２が照射されても通常の施工レベルよりもはるかに低い音響信号だけが検出される。したがって、音響センサを用いた照射施工センサ３５の出力により、照射点が不連続点を通過したことがわかる。ここで、制御部１６が、音響信号に基づいて、レーザピーニングの条件を満たさない照射が行われていることを検知し、シャッタ１８の閉信号を送信する（図３（ｃ））。音響信号の急落は、例えばしきい値判定によって検出する。

図４は、本発明の第１の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法の手順を示すフロー図である。以下に、図４に沿って、レーザピーニング方法について説明する。

はじめに、駆動装置４０を用いて照射ノズル１２を初期位置に移動する（ステップＳ１１）。つぎに、液体供給装置１５により、照射ノズル１２から噴流液の噴射を開始する（ステップＳ１２）。つぎに、シャッタ１８を閉じた状態でレーザ発振器１３の動作を開始する（ステップＳ１３）。

つぎに、シャッタ１８を開き、照射施工を開始する（ステップＳ１４）。その後、照射施工センサ３５の出力信号の監視を継続し、照射施工センサ３５の出力信号が急落したかどうかを判定する（ステップＳ１５）。この判定ステップＳ１５でＹＥＳと判定したときは、レーザ照射点が不連続点を通過したと判定したものとして、シャッタ１８を閉じる（ステップＳ１６）。これにより、レーザ光３０による照射対象１００の表面への照射施工を停止させて有害なレーザ光照射を自動的に防ぐことができる。

その後、シャッタ温度センサ３６の出力の監視を継続し、シャッタ１８の温度が設定値を超えたとき（ステップＳ１７でＹＥＳのとき）に、制御部１６からの指令により、流量調整装置２２が設定流量を変更して、噴流液の流量変更を行う（ステップＳ１８）。このときの設定流量範囲は、通常の流量よりも著しく大きな第１の設定流量よりも大きいか、通常の流量よりも著しく小さな第２の設定流量よりも小さいものとする。

言い換えると、レーザが伝送されないような流量として、通常流量よりも大きい所定の第１設定流量、または通常流量よりも小さい所定の第２設定流量を設定しておく。そして、第１設定流量よりも大きい流量、または第２設定流量よりも小さい流量に噴流液を制御する。

液体供給装置１５から供給される噴流液の流量が著しく大きくなると、噴流３１が安定せず、周囲の気体を巻き込むことが考えられる。これにより、その気体が、レーザ光３０が液中を透過する上でその透過を妨げる阻害流体となる。逆に、液体供給装置１５から供給される噴流液の流量が著しく小さくなった場合も、噴流３１が安定せず、レーザ光３０が液中を透過する上でその透過を妨げる阻害流体が発生し、レーザ光３０の光路中に阻害流体が介在し、シャッタ１８が開いてもレーザ光は阻害流体によって進路が妨害されて照射対象１００に到達しない状態になる。

噴流液の流量が、阻害流体が生じる設定範囲内に入ったとき（ステップＳ１９でＹＥＳのとき）に、制御部１６からの指令によりシャッタ１８が開く（ステップＳ２０）。シャッタ１８が開くことにより、シャッタ１８の過熱を防ぐことができる。また、このとき、照射ノズル１２の先端１２ａからレーザ光が出射されるが、噴流液の流量が、阻害流体が生じる設定範囲内に入っていることから、照射ノズル１２の先端１２ａから出射されたレーザ光は阻害流体によって進路が妨害され、照射対象１００に到達しない。これにより、レーザ光３０による照射対象１００の表面への照射施工を停止させて有害なレーザ光の照射を防ぐことができる。

つぎに、施工が完了していなければ（ステップＳ２１でＮＯの場合）、照射ノズル１２をつぎの施工初期位置に移動する（ステップＳ２２）。つぎに、噴流液の流量を初期化する（ステップＳ２３）。つぎに、シャッタ１８を開くステップＳ１４に戻る。

なお、上記手順では、ステップＳ１９でＹＥＳになった後、すなわち噴流液の流量が設定範囲内に入った後にシャッタ１８が開くものとしたが、噴流液の流量が設定範囲内に入ったことを確認する前にシャッタ１８を開いても短時間のうちに噴流液の流量が設定範囲内に入るのであれば、実際的には問題ない。

なお、上記説明では流量調整装置２２は液体供給装置１５の一部を構成するものであるとしたが、このような構成に代えて、流量調整装置２２の機能が制御部１６に含まれるものとしてもよい。

また、上記説明では、制御部１６が照射施工センサ３５の出力信号に基づいて適当な照射が行われてないと判定した場合、まずシャッタ１８による第１の照射施工停止制御を行ない、その後シャッタ１８が開いた際にレーザ光３０の光路中に阻害流体を介在させる第２の照射施工停止制御を行なう例を示したが、シャッタ１８による第１の照射施工停止制御と阻害流体を介在させる第２の照射施工停止制御を同時に行なっても、また阻害流体を介在させる第２の照射施工停止制御をシャッタ１８による第１の照射施工停止制御に先立って行っても構わない。

特にシャッタ１８による第１の照射施工停止制御と阻害流体を介在させる第２の照射施工停止制御を同時に行なう場合、シャッタ１８を閉じた後にシャッタ１８の温度が設定値を超えてシャッタ１８が開いたとしても、その時点で阻害流体を介在させる第２の照射施工停止制御が行なわれていることとなるため、より確実にレーザ光３０による照射対象１００の表面への照射施工を停止させることができる。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、不連続部を含むような照射対象であっても、残存レーザ光による有害なレーザ光照射を抑制することができ、またシャッタの過熱を防ぐことができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法において、照射施工センサとして光センサを用いた場合の照射施工センサの出力の時間変化の例を示すタイミングチャートである。

この第２の実施形態は第１の実施形態の変形である。第１の実施形態では、照射施工センサ３５は音響センサであるとしたが、この第２の実施形態では、照射施工センサ３５は光センサである。その他の点では第１の実施形態と同様である。

第１の実施形態の場合と同様に、図２に示す照射施工の状況で、照射ノズル１２を矢印Ａの方向に移動して、照射点が第１の照射点（施工開始点）５０から第２の照射点（不連続点）５１に移動し、さらに第２の照射点５１を通り越して矢印Ａの方向に移動する。

この場合、図５に示されるように、施工開始点から照射点が不連続点を通過する前までの通常の施工が行われている間は、通常の施工レベルの光信号が検出される。しかし、照射点が不連続点を通過した後は、通常の施工が行われず、通常の施工レベルよりもはるかに低い光信号だけが検出される。したがって、光センサを用いた照射施工センサ３５の出力により、照射点が不連続点を通過したことがわかる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態の場合と同様に、不連続部を含むような照射対象であっても、残存レーザ光による有害なレーザ光照射を抑制することができ、またシャッタの過熱を防ぐことができる。

この実施形態のように照射施工センサ３５に光センサを用いた場合は、照射施工情報の観測が速い（光速）ため照射点の不連続部通過からシャッタ１８を閉じるまでの時間が短いという利点がある。

［第３の実施形態］
図６は、本発明の第３の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。この第３の実施形態は、第１または第２の実施形態の変形であって、レーザピーニング装置１１は、液中のレーザ光の伝達を阻害する阻害流体を照射ノズル１２内に注入するための阻害流体注入装置６０と、照射ノズル１２内への阻害流体の注入量を測定する阻害流体注入量測定装置６５とを有する。阻害流体は、たとえば空気などのガスである。

気液分離素子２５で液体部と気体部に仕切られた照射ノズル１２の液体部に、阻害流体注入部６１が設けられている。阻害流体注入装置６０から供給される阻害流体は、阻害流体注入部６１を通して照射ノズル１２の液体部に注入される。阻害流体注入装置６０から注入される阻害流体の流量や注入のタイミングは制御部１６によって制御される。照射ノズル１２の液体部に阻害流体が注入されることにより、照射ノズル１２から出射されるレーザ光の照射が阻止される。

上記以外の構成は、第１の実施形態とほぼ同様である。この第３の実施形態では、照射施工中に、レーザ照射点が不連続点を通過した時に、阻害流体注入部６１を通して阻害流体が注入されて、照射ノズル１２から出射されるレーザ光の照射が阻止される。このとき、第１の実施形態で説明したような流量調整装置２２による液体の流量変更を行う必要はない。ただし、図６に示すように液体供給配管２０からの液体の供給と別途に阻害流体を注入する場合は、照射ノズル１２内へ供給される流体の総量が過剰にならないように、阻害流体の注入開始に合わせて液体供給配管２０からの液体供給量を低下させるか供給停止することも考えられる。

図７は、第３の実施形態に係るレーザピーニング装置を用いたレーザピーニング方法の手順を示すフロー図である。この第３の実施形態では、第１の実施形態のフロー図（図４）と比較して次のステップが相違する。すなわち、第３の実施形態では、噴流液の流量変更を行うステップＳ１８に代えて阻害流体を注入するステップＳ１１８を行う。また、噴流液の流量が設定範囲内に入ったか否かを判定するステップＳ１９に代えて、阻害流体流量が設定値を超えたか否かを判定するステップＳ１１９を行う。また、噴流液流量を初期化するステップＳ２３に代えて、阻害流体の注入を停止するステップＳ１２３を行う。前述したように液体供給配管２０からの液体供給量を変更している場合は、供給量を初期化する（図示せず）。その他の各ステップは第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態では、照射施工中に、レーザ照射点が不連続点を通過した時に、阻害流体が注入されて、照射ノズル１２から出射されるレーザ光の照射が阻止される。これにより、第１の実施形態の場合と同様に、不連続部を含むような照射対象であっても、残存レーザ光による有害なレーザ光照射を抑制することができ、またシャッタの過熱を防ぐことができる。

なお、第３の実施形態は、照射対象１００全体が液体中に浸漬されている場合に適用すると有利である。ただし、照射対象１００全体が気体中にある場合にも適用可能である。

上記説明で、阻害流体は、たとえば空気などのガスであるとしたが、通常の照射施工中にレーザ光が通る液体と屈折率が異なる流体であれば液体であってもよく、また、レーザ光の透過を妨げる不透明な流体であってもよい。また、阻害流体注入装置６０を、逆止弁を介して液体供給配管２０の途中に接続し、液体供給配管２０から供給する液体に混在させて供給してもよい（図示せず）。

［第４の実施形態］
図８は、本発明の第４の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。この第４の実施形態は第３の実施形態の変形であって、阻害流体注入部６１を照射ノズル１２に設けず、照射ノズル１２の先端１２ａ付近に、照射ノズル１２とは別に設ける。その他の構成は第３の実施形態と同様である。

この第４の実施形態によれば、阻害流体が注入されると、照射ノズル１２の先端１２ａから噴出した液体の噴流３１に阻害流体が混入し、レーザ光の透過が阻止される。これにより、第３の実施形態と同様に、不連続部を含むような照射対象であっても、残存レーザ光による有害なレーザ光照射を抑制することができ、またシャッタの過熱を防ぐことができる。

［第５の実施形態］
図９は、本発明の第５の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。この第５の実施形態は第１、第３、第４の実施形態の変形であって、シャッタ温度センサ３６を用いずに噴流液流量の制御または阻害流体の注入を行うものである。

第５の実施形態では、照射施工信号が急落してシャッタを閉じる（ステップＳ１６）とともに、噴流液流量変更または阻害流体の注入を開始する（ステップＳ２１８）。

次に、噴流液または阻害流体によってレーザ光の照射を阻止できる状態になったかどうかを判定する。すなわち、噴流液流量が設定範囲内か、または、阻害流体流量が設定値よりも大きいかを判定する（ステップＳ２１９）。噴流液または阻害流体によってレーザ光の照射を阻止できる状態になった場合（ステップＳ２１９でＹＥＳの場合）に、シャッタを開く（ステップＳ２０）。

ここで、本実施形態においては、照射施工信号の急落の検出に応じてシャッタ閉の制御信号と阻害流体の注入を開始する制御信号の両方を制御部１６が送信してもよい。また、制御装置１６がタイマーを備えて、ステップＳ１６の後に所定時間が経過してからステップＳ２１８を行うものとしてもよい。

レーザピーニング装置１１の実際の構成にもよるが、シャッタ閉の信号が送信されて実際にシャッタ１８が閉じるまでの時間よりも、噴流液流量変更または阻害流体の注入開始信号が送信されて実際にレーザ光の照射が阻止されるまでの時間のほうが長いと考えられる。本実施形態によれば、シャッタ１８により素早くレーザ光を遮断するとともに、シャッタ温度センサ３６を用いることなくレーザのシャッタ１８への照射を抑制することができる。

［第６の実施形態］
図１０は、本発明の第６の実施形態に係るレーザピーニング装置の構成図である。この第６の実施形態は第１の実施形態の変形である。照射施工センサ３５として、振動センサ３５ａを用い、その振動センサ３５ａをレーザピーニングの施工対象物（照射対象１００）に固定する。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

施工に適切な条件のレーザが照射された場合と、施工に適切な条件から外れたレーザが照射された場合とでは、対象物に生じる振動に差が生じる。より具体的には、照射されるレーザが施工に適切な条件から外れることで、ある周波数成分の振動が小さくなる。したがって、施工対象物におけるある周波数の振動の信号強度を照射施工情報とすることで、第１の実施形態と同様の制御を行うことが可能である。

前述の第１または第２の実施形態の構成では、照射施工センサ３５として音響センサまたは光センサを用い、音や光が、照射点と照射施工センサ３５の間に介在する環境（水や周囲気体）によるノイズを受ける場合がある。それに対して、この第６の実施形態では、上述のとおり対象物に設置した振動センサ３５ａを用いる。振動センサ３５ａは施工対象物を伝達する振動を検出するため、低ノイズであり環境変化の影響が小さい。また、振動センサ３５ａは、音響センサや光センサを用いる場合と異なり、照射ノズル１２から見て照射対象１００の裏側の面や、円管状の照射対象１００の内側面等に設置することもできる。

［他の実施形態］
以上いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態の特徴を組み合わせることもできる。たとえば、照射施工センサ３５，３５ａとしては、施工環境等に応じて適切なものを選択することができ、また複数種類を併用することも可能である。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。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、変更を行うことができる。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。

１１…レーザピーニング装置、 １２…照射ノズル、 １２ａ…先端、 １３…レーザ発振器、 １４…光伝送装置、 １５…液体供給装置、 １６…制御部、 １７…ミラー、 １８…シャッタ、 １９…液体供給ポンプ、 ２０…液体供給配管、 ２１…流量計、 ２２…流量調整装置、 ２５…気液分離素子、 ３０…レーザ光、 ３１…噴流、 ３５…照射施工センサ、 ３５ａ…振動センサ（照射施工センサ）、 ３６…シャッタ温度センサ、 ４０…駆動装置、 ５０，５１…照射点、 ６０…阻害流体注入装置、 ６１…阻害流体注入部、６５…阻害流体注入量測定装置、 １００…照射対象

Claims (8)

1. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   前記レーザ光が透過する透明な液体中の照射対象に前記レーザ光を照射して前記照射対象を施工する照射ノズルと、
   前記レーザ発振器で発生したレーザ光を前記照射ノズルに伝送する光伝送装置と、
   前記光伝送装置に設けられて前記レーザ光を開閉可能なシャッタと、
   前記照射ノズルから前記照射対象に向かう前記レーザ光の光路に沿って流れる液体を前記照射ノズルに供給する液体供給装置と、
   前記照射対象を施工するのに適当な前記レーザ光の照射が行われているかどうかを表す照射施工情報を得る照射施工センサと、
   前記照射施工センサで得られた前記照射施工情報に基づいて前記シャッタを制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記レーザ光の照射による前記照射対象の施工が行われているときに、前記照射施工情報に基づいて、前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われているか否かを判定し、
   前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われていないと判定したときに前記シャッタを閉じるように前記シャッタを制御し、
   前記シャッタを閉じた後に前記シャッタを開くとともに、前記照射ノズルから前記照射対象に向かう前記レーザ光の光路内に前記レーザ光の透過を妨げる阻害流体を介在させて前記レーザ光を遮断するように構成されていること、
   を特徴とするレーザピーニング装置。
2. 前記シャッタの温度を検出するシャッタ温度センサをさらに有し、
   前記制御部は、前記シャッタを閉じた後に、前記シャッタ温度センサで得られた前記シャッタの温度が所定の上限温度を超えた場合に、前記シャッタを開くとともに前記照射ノズルから前記照射対象に向かう前記レーザ光の光路内に前記レーザ光の透過を妨げる阻害流体を介在させて前記レーザ光を遮断するように構成されていること、
   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. 前記液体供給装置は、前記液体の供給流量を調整する流量調整装置を備え、
   前記制御部は、前記シャッタ温度センサで得られた前記シャッタの温度が前記上限温度を超えた場合に、前記液体供給装置による前記液体の供給流量を通常の流量よりも大きな流量または前記通常の流量よりも小さな流量に変更することによって前記阻害流体を発生させるように構成されていること、
   を特徴とする請求項２に記載のレーザピーニング装置。
4. 前記照射ノズルは、前記照射対象に向かう前記光路内に前記阻害流体を注入可能に構成され、
   前記照射ノズルに注入された阻害流体注入量を測定する阻害流体注入量測定装置をさらに有し、
   前記制御部は、前記シャッタ温度センサで得られた前記シャッタの温度が前記上限温度を超えた場合に前記阻害流体を前記照射ノズルに注入するとともに、前記阻害流体注入量測定装置によって得られた前記阻害流体注入量が所定値を超えた時に前記シャッタを開くように構成されていること、
   を特徴とする請求項２に記載のレーザピーニング装置。
5. 前記照射施工センサは音響レベルを検出する音響センサであって、
   前記制御部は、前記照射施工センサで得られた音響レベルが所定の値よりも低下したときに前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われなくなったと判定するように構成されていること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザピーニング装置。
6. 前記照射施工センサは、前記照射対象に照射されて反射されたレーザ光の強度を検出する光センサであって、
   前記制御部は、前記照射施工センサで得られたレーザ光の強度が所定の値よりも低下したときに前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われなくなったと判定するように構成されていること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザピーニング装置。
7. 前記照射施工センサは、前記照射対象に対して固定された振動センサであって、
   前記制御部は、前記照射施工センサで得られた振動の強度が所定の値よりも低下したときに前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われなくなったと判定するように構成されていること、
   を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のレーザピーニング装置。
8. レーザ光が透過する透明な液体中の照射対象に、シャッタを開き照射ノズルから前記レーザ光を照射して前記照射対象の照射施工を行う照射ステップと、
   前記照射対象の照射施工点を覆うとともに前記レーザ光の光路に沿って流れる液体を前記照射対象に向かって供給する液体供給ステップと、
   前記照射ステップにおける前記レーザ光の前記照射施工に適した前記レーザ光の照射が行われているかどうかを表す照射施工情報を照射施工センサにより取得する照射施工情報取得ステップと、
   前記照射ステップが行われているときに、前記照射施工情報に基づいて、前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われているか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップで前記レーザ光が前記照射対象を施工するのに適当な照射が行われていないと判定したときに、前記シャッタを閉じ前記照射施工を停止させる照射施工停止ステップと、
   前記シャッタを閉じた後に前記シャッタを開くとともに、前記照射ノズルから前記照射対象に向かう前記レーザ光の光路内に前記レーザ光の透過を妨げる阻害流体を介在させて前記レーザ光を遮断するステップと、
   を備えていること、を特徴とするレーザピーニング方法。

Images