KR0165905B1 - 레이져 쇽크 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 처리면내에 있어 피로 강도의 불균일을 제거하는 것을 목적으로 하며, 그 구성으로는 센서(17a)를 갖는 막두께계(17b)에 의해 흡수 코트재(도료)의 막두께를 측정하면서, 도료 분무 제어 장치(18)에 의해 흡수 코트재의 분무를 제어하고, 일정 두께의 도포막을 형성한다. 거기서, 중첩재료 형성후의 레이져 조사시 도료의 증발, 충격의 인가를 균일한 것으로 할 수 있고, 광범위의 레이져 쇽크 처리를 균일하게 행할 수 있고, 타겟트(16) 표면에 균일한 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다. 따라서, 처리면내에 있어서의 피로 강도의 불균일을 없앨 수 있다.

Description

레이져 쇽크 처리 방법

제1도는 제1실시예의 구성을 개략 나타낸 도면.

제2도는 도포막 두께와 잔류 응력의 관계를 나타낸 도면.

제3도는 조사 숏트수와 도포막 두께의 관계를 나타낸 도면.

제4도는 내마모성과 잔류 응력의 관계를 나타낸 도면.

제5도는 내마모성과 도포막 두께의 관계를 나타낸 도면.

제6도는 제2실시예의 구성을 개략 나타낸 도면.

제7도는 레이져 파워 밀도와 최외표면의 잔류 응력의 관계를 나타낸 도면.

제8도는 조사 숏트수와 레이져 파워 밀도의 관계를 나타낸 도면.

제9도는 조사 피치폭과 피로 강도의 관계를 나타낸 도면.

제10도는 제3실시예의 구성을 나타낸 도면.

제11도는 제3실시예의 실시조건을 나타낸 도면.

제12도는 제3실시예의 특성을 나타낸 도면.

제13도는 제4실시예의 구성을 나타낸 도면.

제14도는 제4실시예의 공작물 위치와 응력의 관계를 나타낸 도면.

제15도는 제4실시예의 특성을 나타낸 도면.

제16도는 용사 처리의 모식도이며, 제16a도는 용사 노즐의 선단부 확대도.

제17도는 레이져 쇽크 처리의 모식도.

제18도는 실린더 블록의 가공공정을 나타낸 플로챠트.

제19도는 실린더 블록의 보어 변형량을 나타낸 도면.

제20도는 용사 피막의 전단 밀착강도를 나타낸 도면.

제21도는 용사 피막 기공률을 나타낸 도면.

제22도는 용사 피막의 잔류 응력을 나타낸 도면.

제23도는 종래의 구성을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 레이져 발진기 12,13,14 : 거울

15 : 집광 렌즈 16 : 타켓트(target)

17a : 센서 17b : 막두께계

18 : 도료 분무 제어 장치 19 : 컴퓨터

20 : 흡수 코트재 형성 노즐 21 : 중첩 재료 형성 노즐

22 : 건조기

[산업상의 이용분야]

본 발명은 금속성의 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 흡수 재료층을 설치하고, 그 위를 광투과성 부재층으로 커버한후 레이져광 펄스를 조사해서 흡수 재료의 증발에 의거해서 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리에 관한 것이다.

[종래의 기술]

종래부터 금속 재료의 기계적 강도등의 물성을 개량하기 위해, 금속 재료에 충격을 가해 압축 잔류 응력을 증가시키는 것이 행해지고 있다. 이와 같은 방법의 하나로 레이져 쇽크 처리 방법이 있고, 이것에 의해 국부적으로 큰 충격을 줄 수가 있기 때문에 각종의 용도로 이용되고 있다.

예를 들면, 일본국 특개소 58-120716호 공보에는 레이져 쇽크 처리 방법의 종래예가 나타나 있고, 제23도는 이 종래예의 설명도이다. 제23도에 있어서 금속성 타겟트(41)의 도면에 있어서의 상면(41a) 및 하면(41b)에는 레이져광 펄스를 흡수하는 흡수 코트재(도료(도시않음))가 도포되어 있다. 타겟트(41)의 상면(41a)에는 제1중첩재료(광투과성 부재)(42)가 배치되고, 타겟트(41)의 하면(41b)에는 제2중첩재료(광투과성 부재)(43)가 배치되어 있다.

레이져 장치(44)에서 조사되는 고에너지-단(短)펄스형의 레이져광 펄스(51)는 분광기(하프 미러)(45)에 의해 레이져광 펄스(52) 및 레이져광 펄스(53)로 나누어진다. 레이져광 펄스(52)는 제1거울(46) 및 제2거울(47)에 의해 차례로 반사되고, 제1볼록렌즈(48)에 의해 모여져 제1중첩재료(42)를 투과하여 타겟트(41)의 상면(41a)의 상기 도료에 조사된다. 한편 레이져광 펄스(53)는 제3거울(49)에 의해 반사되고 제2볼록렌즈(50)에 의해 모여져 제2중첩재료(43)를 투과하여 타겟트(41)의 하면(41b)의 도료에 조사된다.

조사된 레이져광 펄스(52,53)에 의해 상기 도료의 표면에서 순간적으로 가스가 증발하여 팽창하나 제1 및 제2중첩재료(42,43)가 배치되어 있으므로 여기의 압력이 순간적으로 상승하여 타겟트(41)의 상면(41a) 및 하면(41b)에 압력의 충격파가 부가되게 된다. 이 충격파에 의해 타겟트(41) 표면에 압축 잔류 응력이 생긴다. 그리고 이 압축 잔류 응력에 의해 타겟트(41)의 피로 강도가 향상된다.

이와 같이 이 종래예에 의해 금속성의 타겟트(41)의 원하는 부위에 압축 잔류 응력을 부여할 수가 있다. 따라서 국부적으로 힘이 걸리는 크랭크 샤프트의 구부러진 부분의 피로 강도 상승등에 적합하다.

[발명이 해결하고자 하는 과제]

그러나 이 레이져 쇽크 처리는 비교적 새로운 기술이고, 실제로 처리를 한 데이타등의 축적이 적다. 그래서 이 종래예의 수법으로 실제로 각종의 실험을 행한바 충분히 피로 강도가 상승되지 아니한 경우도 많이 생겼다.

또한, 상기 레이져 쇽크 처리에 대해서 면밀히 연구한 결과 타겟트(41)의 상면(41a) 및 하면(41b)에 도포되는 도료의 두께가 불균일하면 압축 잔류 응력의 불균일이 생기고, 타겟트(41)의 일부분에 있어서 상기 압축 잔류 응력이 부족하면 그 부분에서 피로 강도가 부족한 것을 알았다.

특히 타겟트(41)의 표면에서 보다 깊은곳까지 효과를 미치기 때문에 동일한 곳에 다수회 레이져광 펄스를 조사하는 경우나 부분 중복 조사에 의해 큰면적을 연속 처리하는 경우에는 각 레이져광 펄스를 조사하기 전에 타겟트(41)의 조사면에 도료를 재도포한다. 이 경우 1회의 레이져 조사에 의해 타겟트(41)위의 도료가 모두 증발하는 것은 아니기 때문에, 각 레이져광 펄스를 조사하기 전에 도포막 두께를 일정하게 제어하는 것이 곤란하고 도료의 두께에 불균일이 생기기 쉬운 것을 알았다.

타겟트의 종류에 따라서는 부위에 따라 요구되는 잔류 응력이 다른 경우가 있으나 종래예에서는 이것에 대처할 수가 없었다.

또 종래예에서는 흡수 코트재와 중첩재료(42 또는 43)를 도포한 후의 양자를 합친 막두께를 일정하게 유지할 수가 없었고, 이 때문에 레이져광 펄스의 조사시마다 초점 거리에 어긋남이 생겨 타겟트(41)로의 균일한 잔류 응력 부여를 할 수가 없었다.

다시 도료를 도포하면 이것을 건조하는 공정이 필요하고, 이것을 생략하고 싶다고 하는 요망이 있었다. 특히 처리를 반복해서 행하는 경우에는 건조 공정을 생략하면 처리하기가 용이해지기 때문에 이러한 요망이 컸다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하는 것을 과제로 하여 이루어진 것이고, 타겟트(41)의 피로 강도의 향상이 충분하고 처리면 내에서의 피로 강도의 불균일이 거의 없는 레이져 쇽크 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단 및 작용]

본 발명은, 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용해서, 금속제 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하는 공정으로서, 상기 흡수 재료층을 그 두께를 계측하면서 형성하여 흡수 재료층이 소정의 두께로 되도록 제어하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위를 광투과 부재층으로 커버하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재층을 통과시켜 흡수 재료층에 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 흡수 재료층의 막두께를 검지하면서, 막두께를 원하는 막두께로 형성한다. 그리고, 원하는 두께의 흡수 재료층의 표면이 레이져광 펄스의 충격에 의해 증발하고, 이 증발 가스가 팽창한다. 여기에서 광투과 부재가 광투과 부재가 위치하는 방향으로의 증발 가스의 팽창을 억제한다. 이때문에 상기 증발 가스의 팽창에 의한 압력의 충격파가 금속제의 공작물의 표면에 인가되나 이 충격파나 막두께에 따른 크기로 되고, 금속성의 공작물에 원하는 크기의 압축 잔류 응력이 생긴다. 이 결과, 이 금속성의 공작물의 피로 강도를 균일하게 향상시킬 수가 있다.

또 부위에 따라 도포막의 두께를 변경함으로써 금속성 공작물에 있어서의 강도(예를들자면 내마모성)가 필요한 부위에 이것에 대응한 잔류 응력을 부여할 수가 있다.

또 본 발명은 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용하여 금속제 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위를 광투과 부재층으로 커버하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재층을 통과시켜 흡수 재료층에 조사하는 공정으로서, 조사되는 레이져광의 초점 거리를 조정하여 소정 강도의 레이져광 펄스를 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 흡수 재료층과 광투과 부재의 양편을 합친 막두께의 변화에 의하지 않고 레이져 조사 펄스마다 그것의 초점 거리를 조정하기 때문에, 항상 가장 적합한 레이져 파워 밀도로 처리할 수 있다.

또 본 발명은 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용해서 금속제 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위를 광투과 부재층으로 커버하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재층을 통과시켜 흡수 재료층에 조사하는 공정으로서, 조사되는 레이져광의 조사 위치를 미조사 부분이 발생하지 않는 피치로 차례로 이동시키면서 조사를 행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명에 의하면 금속성의 공작물의 표층 부분 전체에, 강도 향상에 가장 적합한 압축 잔류 응력 분포를 부여할 수가 있기 때문에 큰 면적의 것이라도 피로 강도를 균일하게 향상시킬 수가 있다.

또 본 발명은 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용해서 금속제 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 광흡수 재료로 이루어지고 소정의 두께로 형성된 흡수 필름을 설치하는 공정과, 설치된 흡수 필름위에 광투과 부재로 설치하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재를 통과시켜 흡수 필름에 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 흡수용 필름을 이용하여, 균일한 두께의 광흡수 재료층을 용이하게 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용하여 금속제 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면을 화학 연마하는 공정과, 화학 연마된 표면상에 광흡수 재료의 층을 형성하는 공정과, 광흡수 재료층위에 광투과 부재를 배치하는 공정과, 광투과 부재를 통과시켜 광흡수 재료에 레이져광 펄스를 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 화학 연마에 의해 면조도(面粗度)를 향상시킬 수 있다. 그래서, 효과적인 레이져 쇽크 처리를 행할 수 있다.

또한, 본 발명은 레이져의 조사에 의해 흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용해서 금속제 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 용사 피막을 형성하는 공정과, 형성된 용사 피막위에 흡수 재료층을 형성하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위에 광투과 부재층을 형성하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재층을 통과시켜, 흡수 재료층에 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의하면, 용사 피막을 형성시킨 다음, 이 용사 피막에 대하여 레이져 쇽크 처리를 행한다. 따라서, 용사 피막의 표면을 거칠게 하는 일없이 용사 피막에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다. 따라서, 엔진의 실린더 내벽등의 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 흡수재료층의 두께를 금속제 공작물의 부위에 따라서 변경시키는 것을 특징으로 한다. 따라서, 각 부위에 대하여, 필요에 따른 잔류 응력의 부여가 행해진다. 예를들면, 각 부위의 내마모성의 요구 레벨에 따른 잔류 응력을 부여할 수 있다.

[실시예]

[실시예 1]

다음에, 본 발명의 제1실시에를 제1도 내지 제5도를 참조하여 설명한다. 제1도는 본 실시예의 장치구성의 개략을 나타내고, 제2도는 도포막 두께와 표면의 잔류 응력의 관계를 나타내고, 제3도는 조사 숏트수와 도포막 두께의 관계를 나타낸다. 또한, 제4도는 내마모성과 잔류 응력의 관계를 나타내고, 제5도는 내마모성과 도포막 두께의 관계를 나타낸다.

제1도는, 제1발명의 장치의 개략을 나타내는 것이고, 레이져 발진기(11)(Q 스위치 부가 YAG(Yttrium Aluminium Garnet) 레이져; Q-switched YAG laser)에서 나온 레이져를 복수의 거울(12,13,14)로 순차 반사시키고, 집광 렌즈(15)(초점거리 f=150㎜)에 의해 모아, 금속성 타겟트(16) 표면에 조사한다. 타겟트(16) 표면에는 레이져 조사전에 레이져의 흡수율을 촉진시키고, 레이져 흡수에 의해 증발 팽창하는 흡수 코트재(흑색의 도포막(도시하지 않음))와, 레이져 흡수에 따라서 증발 팽창된 도포막 가스를 가두고, 타겟트(16) 표층부에 충격파를 생기게 할 중첩재료(도시하지 않음)를 상기 순서로 도포하여 둔다.

여기서, 도포막 두께는, 레이져 조사전의 흡수 코트재의 막두께를 센서(17a)를 가진 막두께계(17b)로 계측한다. 그리고, 계측결과를 컴퓨터(19)에 공급한다. 상기 컴퓨터(19)는 도료 분무 제어 장치(18)를 제어하고, 흡수 코트재 형성 노즐(20)로부터의 도료 분무량을 피드백 제어하여, 그 막두께를 소정의 것으로 제어한다.

또한, 본 예에서는, 막두께계(17b)로서 피셔 스코프(Fisher Scope; 상품명)를 이용하였다. 상기 피셔 스코프는 전자식의 비파괴 막두께 측정기이고, 자성금속상의 비자성피막, 절연피막을 측정하는 것이다. 자력선을 발하는 측정용의 프로브(probe)를 타겟트로 향하게 함에 따라서 타겟트에서 발하는 자력선의 증감을 검출하는 것으로, 프로브와 자성체와의 거리를 검출하고, 도포막의 두께를 측정할 수 있다. 다른 형식의 막두께계를 사용하여도 된다.

즉, 건조기(22)는, 건조 공기를 분무하는 것이고, 흡수 코트재 및 중첩재료를 건조시키기 위한 것이다. 이 건조기(22)로부터의 건조 공기를 분무하면서, 흡수 코트재 및 중첩재료를 형성시킴에 따라서, 흡수 코트재와 중첩재료의 건조를 촉진시키고, 소정 막두께의 도포막 형성을 신속하게 행할 수 있다.

타겟트(16)에는, 알루미늄 합금 A5052(JIS), 구조용 탄소강 S45C(JIS), 조질(調質)처리(담금질 풀림 처리)한 크롬강(SCr430 (JIS)) 2종류의 합계 4개의 재료를 사용했다. 또한 흡수 코트재는, 수지(알키드 수지와 니트로 셀룰로스와의 혼합물) 80wt%, 첨가재(파라핀 왁스) 11wt% 및 안료(카본과 황산바륨과의 혼합물) 9wt%를 사용하고, 흡수 코트재 형성 노즐(20)에 의해 4㎏f/㎠의 분무 공기압으로 도포되었다. 중첩재료는, 니트로 셀룰로스 래커계의 클리어 래커를 사용하고, 중첩재료 형성 노즐(21)에 의해 4㎏f/㎠의 분무 공기압으로 도포되었다. 표 1에 처리 조건의 상세를 나타냈다.

제2도는, 도포막 두께와 최외표면의 잔류 응력의 관계를 나타낸 것이다. 이것에서, A5052 및 S45C에서는, 도포막 두께 30∼60㎛ 부근에서 잔류 응력이 크게 되고, SCr 430에서는 50∼100㎛ 부근에서 압축 잔류 응력이 크게 된다. 이와 같이, 압축 잔류 응력을 최대로 되게 하는 최적의 도포막 두께가 존재하고, 최적의 도포막 두께는 타겟트(16) 재료의 경도가 높게 됨에 따라서 두꺼운 막쪽으로 이동하여 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이때의 레이져의 조사 파워밀도는 2.0GW/㎠이다.

한편, 제3도에 조사 숏트수와 도포막 두께의 관계를 나타냈다. 이것에서, 본 발명에서는 조사 숏트수에 대한 도포막 두께의 변동이 ±5% 이내로 안정되어 있는데 반하여, 종래예에서는, ±40%나 변동하고 있는 것을 알 수 있다. 바꾸어 말하면, 40%의 도포막 두께의 변동은, 제2도에서 약 20㎏f/㎟의 잔류 응력값의 변동에 상당하는 것을 알았고, 도포막 두께의 변동은 피로 강도의 저하에 대하여 크게 영향을 주고 있는 것을 미루어 생각할 수 있다.

따라서, 도포막 두께의 최적 제어에 따라서 크고 또한 균일한 압축 잔류 응력의 부여가 가능하게 되는 것을 알았다.

한편, 타겟트의 종류에 따라서는, 장소에 따라서, 잔류 응력을 변경하고 싶은 경우도 있다. 예를들면 어느 부품에 있어서는, 사용상태에 있어서 응력이 집중되는 부위가 있고, 이곳에서의 잔류 응력을 크게 하고 싶다고 하는 요구가 있다. 또한, 부품에 따라서는, 다른 부품과 미끄럼 운동하는 부위에 높은 내마모성을 부여하고 싶다고 하는 요구가 있다.

본 실시예에 의하면, 상술한 것처럼, 도포막의 두께를 제어하는 것으로 원하는 잔류 응력이 얻어진다. 그래서, 처리하는 타겟트의 부위에 따른 요구 레벨, 예를들면 내마모성의 요구 레벨에 따라서 도포막 두께를 제어함으로써, 잔류 응력의 최적 제어가 행해진다.

제4도는, 타겟트의 부위에 따른 내마모성의 요구 레벨과, 이 내마모성의 요구 레벨을 얻는데 필요한 타겟트 표면의 잔류 응력의 최적 분포의 일예를 나타낸 도면이다. 이와 같이, 내마모성의 요구 레벨이 큰 A의 영역에서는 잔류 응력으로서 -95㎏f/㎟, 내마모성의 요구 레벨이 작은 B 영역에서는 잔류 응력으로서 -65㎏f/㎟, 내마모성의 요구 레벨이 중정도인 C 영역에서는 -82㎏f/㎟이 요구된다. 타겟트 표면에서의 잔류 응력을 제2도의 관계에 의거하여, 도포막의 두께로 치환하면, 제5도에 나타낸 것처럼, 내마모성의 레벨과 도포막 두께의 관계가 얻어진다. 즉, 내마모성의 요구 레벨이 큰 A의 영역에서는 도포막 두께 50㎛, 내마모성의 요구 레벨이 작은 B 영역에서는 도포막 두께 15㎛, 내마모성 요구 레벨이 중정도인 C 영역에서는 도포막 두께 30㎛가 요구된다. 그래서, 본 실시예에 의해, 요구되는 도포막 두께를 제어하고, 요구되는 최적 도포막 두께의 도포막을 형성하여, 레이져 쇽크 처리를 행하므로 요구되는 잔류 응력 분포를 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 의해, 도포막 두께를 제어할 수 있기 때문에, 내마모성의 최적 설계등을 위한 도포막 두께의 최적 제어가 가능하게 된다.

[실시예 2]

다음에, 본 발명의 제2의 실시예를 제6도 내지 제8도를 참조하여 설명한다. 제6도는, 본 실시예의 구성예의 개략을 나타내고, 제7도는 레이져 파워밀도와 최외측 표면의 잔류 응력의 관계를 나타내고, 즉 제8도는 조사 숏트수와 레이져 파워밀도의 관계를 나타낸다.

제6도는, 제2발명의 장치를 개략 나타낸 것이고, 레이져 발진기(81), 복수의 거울(82,83,84), 금속성 타겟트(86), 흡수 코트재 형성 노즐(91), 중첩재료 형성 노즐(92), 센서(87a), 막두께계(87b), 도료 분무 제어 장치(88), 컴퓨터(89)는 각각 제1도의 대응하는 부재와 동일한 구성을 가지고 있고, 동일하게 작용한다.

그리고, 본 실시예에서는, 집광 렌즈(85)가 모터(90b)를 가진 초점거리 자동 조정 장치(90a)에 의해 조정가능하게 되어 있다. 즉, 본 실시예에서는, 막두께계(87b)에서 구해진 도포막 및 중첩재료의 합계 두께가 컴퓨터(89)에 공급되고, 컴퓨터(89)가 이들 데이터에 의거하여, 레이져광이 도포막내로 집광되는 위치를 연산 산출한다. 그리고, 상기 연산결과에 의거하여, 초점거리 자동조정장치(90a)가 모터(90b)의 회전을 제어하고, 집광렌즈(85)의 타겟트(86)에 대한 위치를 조정하고, 초점거리를 제어한다. 따라서, 항상 최적 레이져 조사파워를 도포막에 부여할 수 있고, 이것에 의거하여 소정의 충격을 타겟트에 인가할 수 있다. 또한, 프로브의 절대위치와 계측된 도포막 두께로부터 레이져를 집광하는 절대적 위치도 검출할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 상술한 바와 동일하게 막두께를 일정하게 제어하고 있기 때문에, 초점거리의 제어와 아울러 효과적인 레이져 쇽크 처리가 행해진다.

제7도는, 레이져 파워 밀도와 최외표면의 잔류 응력의 관계를 나타낸 것이고, 레이져 파워밀도가 2 내지 15GW/㎠의 범위에서는, 레이져 파워밀도를 크게 할수록 큰 압축 잔류 응력을 부여할 수 있지만, 레이져 파워밀도가 15GW/㎠를 넘으면, 레이져 파워밀도를 크게 하면 역으로 압축 잔류 응력이 작게 되는 것을 알았다. 레이져 파워밀도를 크게 하면 역으로 압축 잔류 응력이 작게 되는 현상을 오우버 피이닝(over-peening)이라고 말하며, 압축 잔류 응력의 피크값이 타겟트의 최외표면으로부터 약간 내측으로 이동하고, 최외표면에서는 역으로 압축 잔류 응력이 저하하는 현상이다.

제8도는, 조사 숏트수와 레이져 파워밀도의 관계를 나타낸 것이고, 종래예에서는, 레이져 파워밀도의 목표치(4.0GW/㎠)에 대하여 약 18%의 레이져 파워밀도의 저하를 알 수 있었다. 이것에 대하여, 본 발명에서는, 레이져 파워밀도의 저하를 2% 이하로 할 수 있었다. 바꿔말하면, 18%의 레이져 파워밀도의 저하는 제7도보다 약 4㎏f/㎟의 잔류 응력의 저하에 상당하는 것을 알았고, 레이져 파워밀도의 저하는 피로 강도의 저하에 대하여 크게 영향을 주고 있는 것을 미루어 생각할 수 있다. 따라서, 레이져 파워밀도의 변동을 억제하는 제어에 의해, 원하는 잔류 응력을 균일하게 부여할 수 있는 것을 알았다.

제9도는, 자동차용 엔진의 구성부품인 커넥팅 로드에 적용시킨 경우의 레이져 조사 피치폭과 피로강도의 관계를 나타내는 특성도이다.

제9도중에 나타낸 것처럼, 조사 피치폭(P)이 0.87d(d는 레이져 스포트 직경)를 넘는 경우에는, 예를들면 P=1.0d인 경우에는, 검은색으로 표시한 것처럼 레이져 미조사 부분이 잔존함으로써 처리후의 피로강도는 레이져조사를 행하지 않은 경우의 그것과 비교하여 거의 차이를 알 수 없다. 한편, 조사 피치폭(P)이 0.87d 이하인 경우에는, 에를들면, P=0.2d인 경우에는, 레이져 미조사 부분은 잔존하지 않고, 중복 조사부의 연속에 따라 타겟트의 표면에서부터 보다 깊은곳까지 효과를 미치게 되어, 큰폭으로 처리면내 균일한 피로강도 향상을 달성할 수 있었다.

따라서, 조사 피치폭을 레이져 스포트 직경의 약 0.87배 이하로 함으로써, 처리면내의 변동이 적어 균일한 피로 강도 향상이 가능하게 되는 것을 알았다.

[실시예 3]

제10도는 제3실시예의 구성의 개략을 나타내고, 제11도는 제3실시예의 도료의 막두께를 나타내고, 제12도는 제3실시예에 의한 잔류 응력을 나타낸다.

제10도 내지 제12도에 있어서, 금속성 공작물(111)의 평탄한 도시상면(111a)에 흑색 폴리필름(두꼐 40㎛)(112)이 배치되어 있다. 또한, 필름(112)은 후술하는 막상 레이져광흡수재의 한 종류이다.

공작물(111)은 담금질 풀림 처리한 SCr 430 강이다. 또한 필름(112)의 성분은, 수지(알키드 수지의 니트로 셀룰로스와의 혼합물) 80wt%, 첨가재(파라핀 왁스) 11wt% 및 안료(카본과 황산바륨의 혼합물) 9wt%이고, 필름(112)의 폭은 약 25㎜이다. 필름(112)은, 제1릴(reel)(115)에 감겨 있고, 제2릴(116)에 순차로 감겨지도록 배치되어 있다. 즉, 부호 115a는 제1릴(115)의 회전 방향, 부호 116a는 제2릴(116)의 회전방향, 117은 필름(112)의 이동방향을 나타낸다.

또한, 광투과성 부재로서의 투명한 아크릴판(113)이 필름(112)의 도시상면(112a)(공작물(111)에 대응하는 부분)에 설치되어 있다. 아크릴판(113)의 도시 수평방향의 크기는 약 40㎜×25㎜이다. 부호 118은 이 아크릴판(113)에 인가된 힘(1∼3㎏f/㎠)의 방향을 나타낸다.

레이져광 펄스(114)는, 네오디뮴 Nd:YAG 레이져광이고, 파장이 1.06㎛, 펄스 에너지가 1.4J, 펄스폭이 10nsec, 주기가 0.1초, 스포트 직경이 3㎜, 파워밀도가 2GW/㎠(압력의 충격파가 발생하는데 필요한 최저의 파워밀도)이다. 이 레이져광 펄스(114)는, 아크릴판(113)을 투과하여 필름(112)의 상면(112a)에 조사된다.

이상의 구성에 따라서, 레이져광 펄스(112)를 아크릴판(113)을 통해 필름(112)의 상면(112a)(공작물(111)에 대응하는 부분)에 조사하면, 필름(112)에 레이져광 펄스(114)가 흡수된다. 그 결과, 필름(112)의 상면(112a)이 증발하고, 그 증발가스가 팽창한다. 또한, 아크릴판(113)의 존재에 의해 도시 상방에서의 상기 증발가스의 팽창이 억제된다. 이 때문에, 압력의 급격한 변동에 수반하여 발생한 충격파가 공작물(111)의 상면(111a)에 인가된다.

상기 충격파에 따라, 공작물(111)의 상면(111a)에 압축 잔류 응력이 생긴다. 또한 이 경우 상술한 종래예와 같은 레이져광 흡수용 도료의 도포 및 건조가 불필요하게 된다. 또한 필름(112)이 이동가능하기 때문에, 레이져광 펄스(114)의 공작물(111)의 동일 장소에 대한 다수회 조사 및 공작물(111)의 큰면적 부분에 대한 연속적인 조사를 효율좋게 행할 수 있다. 즉, 아크릴(113)을 상방으로 도피시킨 상태에서 필름(112)을 이동시켜, 새로운 필름에 의한 처리를 반복할 수 있다.

이 경우, 제11도의 선 a로 나타낸 것처럼, 필름(112)의 두께(도포막 두께에 상당함)가 균일하기 때문에, 제12도의 선 a로 나타낸 것처럼, 균일한 잔류 응력이 발생한다. 이 때문에, 공작물(111)의 피로강도가 균일하게 향상된다. 또한, 잔류 응력의 국부적인 측정을 행하기 위하여, 지름이 0.15㎜φ인 콜리메터(collimator)를 사용하고, X선으로 측정하고 있다(크롬 관구사용). 또한, 제11도의 선 b 및 제12도의 선 b는 상술한 종래예의 특성을 나타낸다. 이와같이, 종래예에서는 공작물의 장소에 따라 도료 두께가 다르고 균일하지 않기 때문에, 공작물에 부여하는 잔류 응력이 균일하지 않다.

[실시예 4]

제13도는, 본원의 제4실시예를 나타낸다. 제13도에서, 금속성 공작물(테스트 피스)(121)은 화학 연마된 것이다. 화학연마의 조건은 (1) 연마액이 불화수소(HF) 1몰/리터와 과산화 수소수(HO) 2몰/리터와의 혼합액이며, (2) 연마온도는 40℃이고, (3) 연마시간은 3분이다.

공작물(121)은 수조(122)내의 증류수(123)중에 배치되며, 공작물(121)의 상면(121a)에는 막형상 레이져광 흡수재로서 레이져광 펄스를 흡수하는 도료(상기 필름(112)과 같은 성분이며, 공작물(121)의 상면(121a)에 직접 중첩 도포되며 두께 40㎛임(도시생략))가 도포되어 있다. 또한, 수조(water receptacle)(122)는 받침대(124) 상에 얹혀있다.

YAG 레이져(125)는 레이져광 펄스(125a)를 발생시킨다. 레이져광 펄스(125a)는 파장이 1.06㎛, 펄스 에너지가 1.4J. 펄스폭이 10nsec, 레이져 파워밀도가 5GW/㎠이다. 이 레이져광 펄스(125a)는 제1거울(126), 제2거울(127) 및 제3거울(128)에 의해 순차 반사되며 볼록렌즈(포커스 렌즈)(129)에 의해 모아져 증류수(123)를 거쳐서 공작물(121)의 상면(121a)의 상기 도료에 조사된다.

이상의 구성에 있어서, 우선, 화학연마에 의해서 공작물(121)의 표면(상면 121a를 포함)의 면조도가 향상된다. 따라서, 이 위에 형성된 도료를 균일한 두께로 할 수 있어, 레이져광 펄스(125a)에 의해서 발생하는 충격을 균일한 것으로 할 수 있다.

다음에 공작물(121)의 상면(121A)에 도포된 상기 도료의 표면이 레이져광 펄스(125a)의 충격에 의해 증발하고 이 증발 가스가 팽창한다. 또한, 증류수(123)가 상술의 제3실시예에 있어서의 아크릴판(113)과 마찬가지의 작동을 한다. 이 결과 상술의 제3실시예와 마찬가지로 공작물(121)에 압축 잔류 응력을 발생시킬 수 있다. 이 때문에 공작물(121)의 피로강도를 현저하게 향상시킬 수 있다.

[실시예 5]

제14도는 본원의 제5실시예를 도시한다. 제14도의 위쪽 도면은 자동차 엔진의 구성부품인 커넥팅 로드(131)의 평면을 도시하며, 제14도의 아래 도면은 커넥팅 로드(131)의 도시 가로방향의 각 부분에 대응한 위치에서의 엔진 작동시의 응력 분포를 도시한다.

도면에서 커넥팅 로드(131)는 대단부(大端部)(132), 컬럼부(133) 및 소단부(小端部)(134)로 이루어진다. 또한, 대단부(132)에는 캡(136)이 볼트(137)와 너트(138)에 의해 고정되어 있다. 또한, 부호 135는 대단부(132)에 형성된 기름구멍이다.

커넥팅 로드(131)는 소정 형상으로 기계 가공후, 대단부(132)의 내면(132a) 및 소단부(134)의 내면(134a)이 마스킹되며, 마스킹되어 있지 않은 부분이 화학연마된다. 그후, 응력이 집중되기 쉬운 대단부(132)와 컬럼부(133)와의 경계의 측면부분, 대단부(132)의 기름구멍(135) 근처 및 소단부(134)와 컬럼부(133)의 경계의 측면 부분이 이하의 조건으로 레이져 쇽크 처리된다. 또한, 레이져광 펄스는 상기 제4실시예의 것과 같으며 상기 응력 집중 부위에 조사된다.

막형상 레이져광 흡수재로서의 코트재인 도료(두께 40㎛)의 성분은 상기 제4실시예의 도료의 성분과 같다. 이 도료는 커넥팅 로드(131)의 상술의 레이져 쇽크 처리부위에 도포된다. 또, 상술의 제4실시예와 마찬가지로 증류수가 단열 고정하기 위한 중첩재료에 사용되고 있다.

제14도의 아래도면에 있어서, 가로축은 커넥팅 로드(131)의 도시 가로방향 각부의 위치에 대응하고 있다. 또, 세로축은 엔진 작동시에 커넥팅 로드(131)에 작용하는 응력 분포를 도시한다.

제15도는 제14도의 커넥팅 로드(131)를 종래기술의 방법으로 처리한 경우와 제5실시예의 방법에 의한 경우의 비교를 나타낸다. 도면에 있어서 비교예 1 내지 3은 종래 기술이다. 비교예 1은 기계 가공만의 경우이며, 비교예 2는 기계 가공후에 화학연마한 경우이고, 비교예 3은 기계 가공한 후에 숏트 피닝 처리한 경우이다. 실시예는 기계가공한 후에 화학연마하고, 또한 레이져 쇽크 처리한 경우이고, 면조도가 양호하고 잔류 응력이 크다. 또, 피로 강도의 측정은 기계 공진식의 피로 시험기(30㎐에서 하중의 방향을 107회 왕복시키는 피로 시험)에 의한 것이다.

표 2는 이들 경우의 면조도와 잔류 응력(최외측 표면에서의 값)을 나타낸다.

표 2의 비교예 1과 비교예 2의 대비에 의해서 커넥팅 로드(131)의 면조도(10점 평균조도)는 화학연마에 의해서 3.5㎛Rz까지 향상된다. 또한, 비교예 2와 실시예와의 대비에 의해서 이 면조도는 후공정에서 실시되는 레이져 쇽크 처리로도 유지된다.

비교예 3과 실시예와의 대비에 의해서 레이져 쇽크 처리는 쇼트 피닝 처리와 동등의 잔류 응력(최외표면에서 -36㎏f/㎟)을 부여할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 비교예 1과 비교예 3과의 대비에 의해서 숏트 피닝 처리에선 면조도가 열화하지만 비교예 2와 실시예를 대비하면 레이져 쇽크 처리에선 면조도가 열화하지 않음을 알 수 있다.

또한, 표 2에 나타내고 있지 않으나 비교예 2를 숏트 피닝 처리할 경우의 면조도 및 잔류 응력은 비교예 1을 숏트 피닝 처리한 경우의 것과 같다.

제15도의 피로강도는 비교예 1이 1.5톤, 비교예 2가 2.4톤, 비교예 3이 2.5톤에 대해서 실시예가 3.3톤으로 매우 우수하다.

피로 시험에 있어서 비교예 1-3의 파단 위치가 응력이 집중하는 소단부(134)와 컬럼부(133)와의 경계 또는 기름구멍(135)인데 대해서, 실시예의 파단 위치는 소단부(134)의 내면(134a)이다. 이것은 실시예에서 목적한 부위가 충분히 강화되어 있음을 뒷받침하고 있다.

실시예에 의한 피로강도 향상이 비교예 1에 대해서 1.8톤(120% 증대)이다. 이것은 비교예 2에 나타낸 면조도 향상에 따르는 피로강도 향상분 0.9톤(2.4톤-1.5톤)과 비교예 3에 나타낸 잔류 응력의 부여에 따르는 피로강도 향상분 1.0톤(2.5톤-1.5톤)의 합과 거의같다. 이것은 실시예가 면조도의 향상과 압축 잔류 응력의 부여라는 양쪽의 효과를 함께 이끌어낼 수 있다는 것을 시사하는 것이다.

또한, 상술의 각 실시예에 한정되지 않고, 화학 연마를 행한 후, 상술의 제1 내지 제4실시예에 있어서의 방법을 사용해서 레이져 쇽크 처리를 할 수도 있다.

[실시예 6]

다음에, 제6실시예에 대해서 설명한다. 이 제6실시예는 모재(母材)상에 형성된 용사 피막의 내마모성을 향상시키기 위해서 레이져 쇽크 처리를 이용하는 것이다.

종래부터 금속재료의 표면의 성질을 바꾸기 위해서 표면에 용사(flame spraying) 피막의 형성이 행해지고 있다. 그리고 일본국 특개평 5-271900호 공보(JP-A-5271900)에는 용사 피막에 대해서 숏트 피닝 처리를 실시함으로써, 용사 피막에 압축의 잔류 응력을 부여하고 용사 피막의 모재에 대한 밀착력을 높이고, 또 기공(氣孔)을 감소시키는 것이 나타내어져 있다. 그러나, 숏트 피닝 처리는 경질 입자(세라믹 입자)를 용사 피막에 충돌시켜서 가압하는 것이어서 용사 피막의 표면이 거칠어진다는 문제가 있었다.

그래서, 본 실시예에선 숏트 피닝을 대신해서 레이져 쇽크 처리를 채용한다. 이하, 본 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시예에선 차량의 내연기관에 쓰이는 알루미늄 합금제 실린더 블록에 용사 피막을 형성하고 이것을 레이져 쇽크 처리한다. 또한, 알루미늄 합금으로선 AC2C, A390 등이 채용된다.

실린더 블록의 용사 처리 장치의 설명도를 제16도에, 레이져 쇽크 처리 장치의 설명도를 제17도에, 가공 공정 전체의 플로챠트를 제18도에 도시한다.

용사 처리는 제16도에 도시하듯이, 실린더 블록(201)의 보어 내표면(202)에 대해서 용사 노즐(213)로부터 분말을 용사하는 것에 의해서 행한다. 용사 노즐(213)은 제16a도에 도시하듯이 내부가 끝이 가는 형상으로 형성된 금속제의 케이싱(215)의 중심에 바늘 형상의 텅스텐 전극(216)을 설치한 구성을 갖고 있다. 그리고, 케이싱(215)의 기단측에는 가스 유입구(215a), 선단측에는 분말 유입구(215b)가 설치되며 선단에는 노즐 구멍(215c)이 설치되어 있다.

이 같은 용사 노즐(213)에 의해 가스를 가스 유입구(215a)로부터 도입하고 케이싱(215)내를 고속으로 유동시키며 분말 유입구(215b)로부터 분말(212)을 공급하면 케이싱(215)의 내부가 끝이 가는 형상으로 되어 있기 때문에 고속의 가스류에 분말(212)이 흡입된다. 한편, 텅스텐 전극(216)과 케이싱(215) 사이에는 소정의 고주파 전압이 인가되어 있으며, 노즐 선단부분에 있어서 플라즈마가 발생하고 분말을 함유한 가스류가 플라즈마 젯트(214)로서 분사된다.

그리고, 용사 노즐(213)의 선단을 원하는 방향으로 향하게 함으로써, 원하는 부위에 용사할 수 있다. 이 예에선 용사 노즐(213)을 회전시키는 동시에 상하 방향으로 이동시킴으로써 실린더 블록(201)의 내주면에 전체적으로 용사를 행하고 있다.

또, 레이져 쇽크 처리장치는 제17도에 도시하듯이 레이져광원(221)과 이 레이져광원으로부터의 레이져광을 반사하는 거울(222a)과 집광 렌즈(223)와 거울(222b)을 갖고 있다. 그리고, 레이져광원(221)으로부터의 레이져광을 거울(222a), 집광 렌즈(223), 거울(222b)을 거쳐서 실린더 블록(201)의 내표면(202)의 소정 부분(203)에 조사한다.

한편, 실린더 블록(201)의 내표면(202)의 부분(203)에는 흡수 코트로서 흑색 도료가 도포되며 그 위에 광 투과성의 중첩재료가 설치되어 있으며 레이져의 조사에 의해서 흑색 도료가 증발해서 레이져 쇽크 처리가 행해진다.

다음에 가공처리에 대해서 제18도에 의거해서 설명한다. 우선, 실린더 블록 대체적인 형상을 갖는 조형재(粗形材)에 대해서, 거친 구멍내기 처리(보어거친가공)를 행하고 이어서 뚫린 구멍에 대해서 중정도 마무리 가공을 행한다. 그리고, 세정한 후, 용사막의 밀착력 향상을 위한 쇼트 블라스트 처리를 하다.

이같이 해서 숏트 블라스트 처리를 실시한 보어 내면에 플라즈마 용사를 행한다. 분말로선, 예컨대, Al-15% 함유 Si 분말(입자경 1500메시 이하)와 Fe-O.3% 함유 C 분말(입자경 1500메시 이하)를 1:1의 비율로 혼합한 혼합 분말을 사용한다. 또, 용사층의 두께는 예컨대 0.5㎜로 한다.

또한, 실린더 블록(201)의 정밀도 유지를 위해서 처리 온도는 150℃ 이하로 설정한다. 또, 용사재의 분말의 입자경을 10㎛ 이하로 하고 용사 노즐(213)로부터의 플라즈마젯트(214) 중의 용융분말 입자의 유속을 상승시킨다. 이것에 의해서 얻어지는 용사층의 실린더 블록(201)에 대한 밀착성과 내박리성을 확보한다.

그리고, 보어 내표면에 대해서 마무리 가공을 행한 후, 용사 피막에 대해서 레이져 쇽크 처리를 실시하고, 용사 피막에 잔류 응력을 부여하여 내마모성을 향상시킨다.

이 레이져 쇽크 처리는 보어 내주면(202)에서 내마모성이 요구되는 부위(203)에 대해, 흡수코트재 및 중첩재료를 도포한 후, 레이져펄스를 조사하여 행한다.

여기서 레이져 쇽크 처리는 예컨대 다음과 같은 조건에서 행한다. 레이져광으로서 파장 1.06㎛, 펄스에너지 1.4J, 펄스폭 10nsec의 Nd:YAG 레이져를 사용한다. 레이져의 스포트 직경은 레이져 파워밀도가 2GW/㎠로 되게 거울(222a,222b), 집광 렌즈(223)에 의해서 3㎜로 되게 조정한다. 흑색 도료는 수지(알키드 수지, 니트로 셀룰로스) 80wt%, 첨가제(파라핀 왁스) 11wt%, 안료(카본, 황산 바륨) 9wt%의 성분으로 하고 4㎏f/㎠ 정도의 분사 공기압으로 도포했다. 도포량은 두께 50㎛로 했다. 또, 중첩재료는 니트로셀룰로스 래커계의 클리어 래커를 사용하여 4㎏f/㎠의 공기압으로 도포했다.

여기에서 흑색 도료의 두께는 상술의 실시예에 나타낸 장치에 의해서 피드백 제어하여 정확하게 제어하는 것이 적합하다. 또한, 상술의 제1 내지 제5중의 어느 한 실시예의 방법으로 레이져 쇽크 처리를 행해도 좋다.

이같이 해서 보어의 내표면의 레이져 쇽크 처리가 종료한 경우엔 도료등을 제거한 후 지석(砥石)으로 호닝을 하여, 내표면의 마무리를 행한다.

제19도에 용사후의 실린더 블록의 보어 변형량을 도시한다. 여기에서 보어 원주면내에 있어서의 보어 직경의 최대치와 최소치의 차를 보여 보어 변형량으로 했다. 이같이, 본 발명에 의하면, 변형량을 0.05㎜로 할 수 있다. 또한, 제19도에 도시한 비교예는, 용사를 행한 후에, 처리 온도를 200℃까지 상승시켜, 용사 피막의 밀착성 개선을 행한 예이다. 이와 같이, 처리 온도를 200℃로 하면, 변형량이 커진다. 따라서, 본 실시예와 같이, 처리 온도를 150℃ 이하로 설정함으로써, 변형량을 작게할 수 있음을 알 수 있다.

제20도에 용사 피막의 전단 밀착강도, 제21도에 용사 피막의 기공율(氣孔率)을 도시한다. 본 발명에서는, 용사입자의 지름을 10㎛ 이하로 했기 때문에, 용사입자가 기재(基材)에 침입하는 효과를 말하는 투병효과가 증대하여, 치밀화와 함께, 용사 피막이 치밀화하여 전단밀착 강도를 8㎏f/㎟로 큰 것으로 할 수가 있고, 또한 기공율을 약 2%로 낮게 할 수 있다. 비교예는 비교적 큰 입자경 분말을 사용한 예이며, 이 경우에는 전단 밀착강도가 3㎏f/㎟ 정도로 작고, 또한 기공율은 약 5%로 커져 있다.

또한, 용사 피막의 형성에 있어서, 초기에는 입자경이 10㎛인 것을 사용하고, 그후 입자경 3∼5㎛인 것을 사용함으로써, 입자경이 큰 것과, 작은 것이 조합되어, 모재표면에의 밀착력을 보다 향상할 수 있다.

제22도는, 용사 피막의 잔류 응력을 도시한 것으로, 본 실시예의 레이져 쇽크 처리에 의해 -17㎏f/㎟이라는 큰 압축 잔류 응력을 용사 피막에 부여할 수 있음을 알 수 있다. 잔류 응력이 클수록 내마모성에 우수하기 때문에 본 실시예에 의해, 큰 내마모성이 얻어진다. 또한, 레이져 쇽크 처리에서는, 도포막의 증발에 의해 충격파를 얻기 때문에 보어 내표면의 면조도에 대한 악영향은 거의 없다. 그래서, 정밀도가 높은 면조도를 유지한채, 내마모성을 크게 개선할 수 있다.

[발명의 효과]

본 발명에 의하면, 흡수재료층의 막두께를 검지하면서, 균일하게 형성한다. 그리고, 균일한 두께의 흡수 재료층 표면이 레이져광 펄스의 충격에 의해 증발하고, 이 증발 가스가 팽창한다. 여기서, 광투과 부재는 광투과 부재가 위치하는 방향으로의 증발가스 팽창을 억제한다. 이 때문에 상기 증발가스의 팽창에 의한 압력의 충격파가 금속제 공작물 표면에 인가되지만, 이 충격파가 균일한 크기가 되어, 금속성 공작물에 균일한 압축 잔류 응력이 생긴다. 이 결과, 이 금속성 공작물의 피로강도를 균일하게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 흡수재료층과 광투과부재 양쪽을 합친 막두께의 변화에 상관없이, 레이져 조사 펄스마다 그 초점거리를 조정하기 때문에, 항상 최적인 레이져 파워 밀도로 처리할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 금속성 공작물의 표층부 전체에 강도향상에 최적인 압축 잔류 응력 분포를 부여할 수 있기 때문에, 큰면적의 것으로도 피로강도를 균일하게 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 필름을 이용해 균일한 두께의 흡수 재료층을 용이하게 얻을 수 있다.

또한, 화학연마에 의해, 공작물의 면조도를 상승시킬 수 있기 때문에, 효과적인 레이져 쇽크 처리를 행할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 용사 피막을 형성한 후, 이 용사 피막에 대해, 레이져 쇽크 처리를 행한다. 따라서, 용사 피막의 표면을 거칠게 하지 않고 용사 피막에 압축 잔류 응력을 부여할 수 있다. 따라서, 엔진의 실린더 내벽등의 내마모성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명 장치에 의하면 금속제 공작물에 대해, 제1발명의 레이져 쇽크 처리를 행할 수 있다.

또한, 부위에 따라 도포막의 두께를 변경함으로써, 금속성 공작물에 있어서의 강도(예를들면, 내마모성)가 필요한 부위에 이것에 대응한 잔류 응력을 부여할 수 있다.

Claims (23)

1. 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용해서, 금속제 공작물(16,86)에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하는 공정으로서, 상기 흡수 재료층을 그 두께를 계측하면서 형성하고, 흡수 재료층의 두께를 제어하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위를 광투과 부재층(113)으로 커버하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기한 광투과 부재층을 통과시켜 흡수 재료층에 조사하는 공정을 포함하고, 상기 흡수 재료층을 형성하는 공정에 있어서는 흡수 재료를 상기 금속제 공작물의 표면에 분무하여 흡수 재료층을 형성하는 동시에, 계측된 흡수 재료층의 두께에 따라 흡수 재료의 분무량을 피이드백 제어하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 흡수 재료층의 형성은 분무된 흡수 재료를 건조시키면서 행하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
3. 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용하여, 금속제 공작물(16,86)에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위를 광투과 부재층(113)으로 커버하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재층을 통과시켜, 흡수 재료층에 조사하는 공정으로서, 조사하는 레이져광의 초점 거리를 조정하면서 레이져광 펄스를 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 레이져광 펄스를 조사하는 공정에서는 조사되는 레이져광 펄스를 집광하는 집광 렌즈(85)의 위치를 모터(90b)로 이동시켜서 초점 거리를 조정하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 레이져광 펄스를 조사하는 공정에서는 막두께계에 의해 상기 흡수 재료층과 광투과 부재층의 합계의 두께를 계측하고, 이 계측치에 기초하여 초점 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
6. 제3항에 있어서, 상기 흡수 재료층을 형성하는 공정은 상기 흡수 재료층을 그 두께를 계측하면서 형성하고, 흡수 재료층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
7. 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용하여, 금속제 공작물(16,86)에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하는 공정으로서, 상기 흡수 재료층을 그 두께를 계측하면서 형성하고, 흡수 재료층의 두께를 제어하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위를 광투과 부재층(113)으로 커버하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재층을 통과시켜, 흡수 재료층에 조사하는 공정으로서, 상기 레이져광 펄스의 조사 위치를 미조사 부분이 발생하지 않는 피치로 차례로 이동시키면서 조사를 행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 피치는 레이져광 펄스 조사 반경의 0.87배 이하인 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 흡수 재료층을 형성하는 공정은 상기 흡수 재료층을 그 두께를 계측하면서 형성하고, 흡수 재료층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 레이져광 펄스를 조사하는 공정은 조사하는 레이져광의 초점 거리를 조정하면서 레이져광 펄스를 조사하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
11. 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용하여, 금속제 공작물(111)에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면에 레이져광을 흡수하는 광흡수 재료로 이루어지는 흡수 필름(112)을 설치하는 공정과, 설치된 흡수 필름위에 광투과 부재로 설치하는 공정과, 레이져광 펄스(114)를 상기 광투과 부재를 통과시켜, 흡수 필름에 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 흡수 필름(112)은 릴(115,116)에 감겨 있고, 적절하게 인출이 가능한 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 광투과 부재는 판형상의 투명 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 광투과 부재는 아크릴판(113)인 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
15. 제13항에 있어서, 광투과 부재를 흡수 필름(112) 위에서 분리한 상태로 흡수 필름을 이동시키고 재차 광투과 부재를 새로운 흡수 필름위에 설치함으로써, 동일한 장소에 대해서 복수회 레이져 조사를 행하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
16. 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용하여, 금속제 공작물(121)에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물의 표면을 화학 연마하는 공정과, 화학 연마된 표면위에 광흡수 재료의 층을 형성하는 공정과, 광흡수 재료층 위에 광투과 부재를 배치하는 공정과, 광투과 부재를 통과시켜, 광흡수 재료에 의해 레이져광 펄스(125a)를 조사하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 광투과 부재를 배치하는 공정은 광흡수 재료의 층이 형성된 금속제 공작물을 광투과성의 액체중에 침지함으로써 행하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 액체는 증류수(123)인 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
19. 제16항에 있어서, 화학 연마하는 금속제 공작물의 표면을 불화수소 및 과산화 수소로 처리하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
20. 제1항에 있어서, 상기 흡수 재료층의 두께를 금속제 공작물의 부위에 대응해서 변경하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
21. 레이져의 조사에 의해 광흡수 재료를 증발시키고, 이 증발에 의거한 압력 상승을 이용해서, 금속제 공작물에 쇽크를 주는 레이져 쇽크 처리 방법에 있어서, 금속제 공작물(201)의 표면에 용사 피막을 형성하는 공정과, 형성된 용사 피막위에 흡수 재료층을 형성하는 공정과, 형성된 흡수 재료층위에 광투과 부재층을 형성하는 공정과, 레이져광 펄스를 상기 광투과 부재층을 통과시켜, 흡수 재료층에 조사하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
22. 제21항에 있어서, 상기 흡수 재료층을 형성하는 공정은 흡수 재료층을 구 두께를 계측하면서 형성하고, 흡수 재료층의 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.
23. 제21항에 있어서, 상기 용사 피막을 형성하는 공정은 입자경 10㎛ 이하의 분말을 사용한 플라즈마 용사에 의해서 용사 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이져 쇽크 처리 방법.