KR100525998B1 - 금속공작물의레이저충격피닝방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면 융제성 매개물(61)을 갖는 테이프(59), 바람직하게는 융제층(61)의 일 측부상에 접착층(60)을 갖는 자기 접착식 테이프에 의해서 접착식으로 덮여지고 레이저 비임(2)이 발사될 때 표면위로 물(21)로 이루어진 커튼을 유동시켜 부품의 레이저 충격 피닝 표면(54)상에 레이저(2)를 발사함으로써 금속 부품을 레이저 충격 피닝하는 방법이 제공된다. 부품과 레이저 빔 사이에 연속적이 이동이 제공되며 레이저 빔이 연속적으로 발사되어 결과적으로 부품의 레이저 충격 피닝 표면상에 비교적 일정한 주기 사이에서 반복하여 펄스가 발생된다. 융제층을 기화하기에 충분한 출력을 갖는 레이저 빔을 사용하면 펄스가 표면상에 레이저 빔 스폿을 형성하여 레이저 충격 피닝 처리에 의해서 발생되는 심층의 압축성 잔류 응력을 갖는 영역이 표면으로부터 부품속으로 연장되어 진다.

Description

금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법{ADHESIVE TAPE COVERED LASER SHOCK PEENING}
관련 특허 출원
본 출원은 발명의 명칭이 "접착 테이프로 피복된 레이저 충격 피닝(ADHESIVE TAPE COVERED LASER SHOCK PEENING)"인 계류중인 미국 특허 출원(GE DOCKET NO.13DV-12149)과, 발명의 명칭이 "레이저 충격 피닝식 터보 기계용 로터 부품(LASER SHOCK PEENED ROTOR COMPONENTS FOR TURBOMACHINERY)"인 미국 특허 출원 제 08/319,346 호와, 발명의 명칭이 "레이저 충격 피닝식 가스 터빈 엔진의 팬 블레이드 에지(LASER SHOCK PEENED GAS TURBINE ENGINE FAN BLADE EDGES)"인 미국 특허 출원 제 08/373,133 호와, 발명의 명칭이 "레이저 충격 피닝식 가스 터빈 엔진 압축기 블레이드 에지(LASER SHOCK PEENED GAS TURBINE ENGINE COMPRESSOR BLADE EDGES)"인 미국 특허 출원 제 08/399,285 호와, 발명의 명칭이 "급속한 레이저 충격 피닝(ON THE FLY LASER SHOCK PEENING)"인 미국 특허 출원 제 08/362,362 호와 관련이 있다.
발명의 분야
본 발명은 가스 터빈 엔진 부품의 레이저 충격 피닝에 관한 것으로, 특히 유체 유동 차단 커튼을 사용하지 않고 레이저 충격 피닝에 의해서 공작물에 가해지는 국부적인 압축 잔류 응력을 발생하는 삭마 매질(削摩 媒質 : ablative medium)을 구비하는 테이프로 공작물의 레이저 충격 피닝 표면을 접착하여 피복하는 것에 관한 것이다.
관련기술
레이저 충격 피닝 또는 레이저 충격 처리라 칭하는 것은, 공작물의 표면 영역을 레이저 충격 피닝 가공함으로써 가해진 깊은 압축 잔류 응력의 영역을 형성하는 방법이다. 레이저 충격 피닝은 일반적으로 발명의 명칭이 "재료 특성의 변경(Altering Material Properties)"인 미국 특허 제 3,850,698 호, 발명의 명칭이 "레이저 충격 처리"인 미국특허 제 4,401,477 호 및 발명의 명칭이 "재료 특성"인 미국특허 제 5,131,957 호에 개시된 방법과 유사하게 공작물의 표면상에 충격파를 발생시키도록 고출력 펄스형 레이저로부터 다수의 방사 펄스를 사용한다. 본 명세서에서 사용한 바와 같이 그리고 당해 기술분야에서 이해되고 있는 바와 같이, 레이저 피닝이란, 레이저빔 공급원으로부터의 레이저빔을 이용하여 도장 표면이나 피복된 표면 또는 피복되지 않은 표면의 순간적인 삭마 또는 증발에 의한 폭발력을 발생시킴으로써 표면의 일부에 강한 국부적 압축력을 제공하는 것을 의미한다. 레이저 피닝은, 공작물의 외부 표면에 압축 응력을 가한 보호층을 형성하기 위해 이용되어 왔으며, 이것은 발명의 명칭이 "레이저 피닝 시스템 및 방법"인 미국특허 제 4,937,421 호에 개시된 바와 같이 피로 파괴에 대한 공작물의 저항력을 상당히 증가시키는 것으로 공지되어 있다. 전형적으로, 이들 방법은 공작물의 표면 위로 흐르는 물의 커튼(curtain)을 이용한다. 물의 커튼은 차단 매질을 제공하며, 이 과정에서 발생된 충격파를 차단하고, 또 그 충격파를 레이저 스피닝 가공된 부품의 재료의 벌크 내로 방향 전환하여 유익한 잔류 응력을 발생시킨다. 이러한 차단 매질은, 또한 가공에서 발생되는 파편 및 미사용된 임의의 레이저빔 에너지를 제거하는 담체로서의 역할을 한다. 물은 ND : YAG 빔 파장에 대하여 투명하고 또 생산시에 실행하기가 쉽기 때문에 이상적인 차단 매질이다. 본 발명자는 레이저 충격 피닝 가공한 부품상에 삭마 매질을 제공하는 공작물의 표면과 물 사이의 간극을 본질적으로 0으로 하여 물의 커튼을 연속적으로 접촉상태로 유지하는 것이 유용한 것으로 판단하였다. 물의 커튼은 종종 깊이가 1㎜ 이상이 되게 유지해야만 한다. 많은 표면 장력 효과와 부품의 형상 때문에, 본질적으로 간극을 0으로 하는 것과 소망의 깊이를 유지하기가 곤란하게 되고, 그 결과 예상되는 레이저 충격 피닝 효과가 상실된다. 발명의 명칭이 "레이저 충격 피닝 방법 및 장치"인 미국 특허 제 13DV12153 호의 발명은, 개량된 물 수용 특성과 물의 커튼 특성을 제공하는 수단을 개시하고 있다.
레이저 충격 피닝은 임의의 생산 기술로서, 기계 장치를 이용하고 시간이 소모되며 비용이 많이 든다. 따라서, 본 발명은 시간이 소요되는 도장 공정을 시간이 소요되지 않는 테이프 접착 공정으로 대체하는 것에 관한 것이다.
본 발명에 따른 레이저 충격 피닝에 의해서 가해진 깊은 잔류 응력의 영역은 공작물의 표면층 구역과 혼동되지 않는데, 이 공작물의 표면층 구역은 발명의 명칭이 "정확하지 않은 공작물의 정렬 또는 보정 장치 및 방법(Method And Apparatus For Truing Or Straightening Out Of True Pieces)"인 미국 특허 제 5,235,838 호에 개시되어 있는 바와 같이, 공작물을 국부적으로 가열하여 그에 의해서 경화하는 레이저빔을 사용한 경화법에 의해서 발생되는 국부적으로 한정된 압축 잔류 응력을 갖는 구역이다. 본 발명은 발명의 명칭이 "재료 특성의 변경"인 미국 특허 제 3,850,698 호, 발명의 명칭이 "레이저 충격 처리"인 미국 특허 제 4,401,477 호 및 발명의 명칭이 "재료 특성"인 미국 특허 제 5,131,957 호에 개시된 방법과 유사하게 고 출력 펄스발생 레이저로부터 발생되는 다수의 방사 펄스를 사용하여, 공작물의 표면상에 충격파를 발생시킨다. 본 명세서에서 사용되고 당해 기술분야에 알려진 바와 같이, 레이저 피닝은 레이저빔 원(laser beam source)으로부터의 레이저빔을 이용하여 표면의 일부에 국부적인 강한 압축력을 발생시키는 것을 의미한다. 레이저 피닝은, 공작물의 외부 표면에 압축 응력을 가한 보호층을 형성하는데 이용되고, 이것은 발명의 명칭이 "레이저 삭마 시스템 및 방법"인 미국 특허 제 4,937,421 호에 개시된 바와 같이 피로 파괴에 대한 공작물의 저항력을 상당히 증가시키는 것으로 공지되어 있다. 한 가지 문제점은 레이저 충격 피닝 가공법의 제조 비용이 엄청나게 비쌀 수 있다는 것이다. 본 발명에 따른 레이저 충격 피닝 과정은 레이저 충격 피닝 가공을 위한 가격을 절감한 방법을 제공하도록 설계되어 있다.
발명의 요약
본 발명은, 삭마 매질을 갖는 테이프, 바람직하게는 삭마 층의 한쪽에 접착층이 있는 자기 접착 테이프(self adhering tape)로 접착하여 피복된 부품의 건식 레이저 충격 피닝 테이프 점착 표면상에 레이저를 발사함으로써 금속 부품을 레이저 충격 피닝 가공하는 방법에 관한 것이다. 레이저빔이 발사되는 표면 위로 물의 커튼이 유동한다. 한가지의 특정한 방법은 부품을 연속적으로 이동시킴과 동시에 정지 레이저빔을 연속적으로 발사하는 것인데, 이것은 부품의 일부분상에 비교적 일정 기간에 걸쳐 반복적으로 펄스를 발생시킨다. 삭마 매질을 증발시키기에 충분한 출력을 갖는 레이저빔을 사용하면, 펄스는 레이저빔에 의해서 표면상에 레이저빔 스폿을 형성하며, 또한 레이저 충격 피닝 공정에 의해서 가해지고 레이저 충격 피닝 가공된 표면으로부터 부품속으로 연장되는 깊은 압축 잔류 응력을 갖는 영역을 형성한다. 부품을 직선상으로 이동시켜, 전체적으로 등간격의 직선상으로 정합하는 중심점을 갖는 적어도 일렬의 중첩된 원형 레이저빔 스폿을 형성할 수도 있고, 또한 부품을 이동시키고 레이저빔을 발사하여, 인접한 열의 스폿이 중첩되는 전체적으로 등간격의 직선상으로 정합하는 중심점을 갖는 일렬 이상의 중첩된 원형 레이저빔 스폿을 형성할 수도 있다. 레이저빔을 발사하고 부품을 이동시킬 수도 있다. 인접한 열에 있는 인접한 스폿의 중심점이, 이 중심점이 직선상으로 정렬된 선을 따르는 방향으로 대략 일정한 거리만큼 편위되도록 레이저 발사의 각각의 순서에서 새로운 테이프를 사용하여 이들 공정을 반복할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 레이저 충격 피닝 가공된 테이프 점착 표면은 한 조의 순서를 사용하여 레이저 충격 피닝 가공되는데, 표면의 각각의 순서에 테이프가 점착된 후에, 부품이 연속적으로 이동하는 동시에 표면상에 정지 레이저빔이 연속적으로 발사되어 인접한 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿이 상이한 순서로 명중하므로, 어떠한 순서에서도 레이저 스폿이 중첩되지 않는다. 보다 특정한 실시예에 있어서, 인접한 열에 있는 인접한 스폿의 중심점이 상기 중심점이 일직선상으로 정렬되는 선을 따르는 방향으로 전체적으로 동일 양만큼 서로 편위되도록 레이저빔이 발사되고 부품을 이동시킨다.
이점
본 발명의 이점은 여러 가지로서, 비용, 시간, 노동력 및 레이저 충격 피닝가공의 복잡성을 감소시키는 것을 들 수 있다. 본 발명은 번잡하고 비용이 많이 들며 시간이 많이 소요되는 도장, 재 도장 및 도료 건조 공정을 시간이 거의 소요되지 않는 테이프 점착 공정으로 대체할 뿐만 아니라, 차단 유체, 전형적으로는 물을 유동시킬 필요가 없다. 또한, 도장과 도료 건조와 레이저 충격 피닝 표면 위로 차단 유체를 유동시키는데 필요한 재료의 기계 설비가 필요 없다. 또한 도료 건조 단계가 필요 없기 때문에 공정이 더 신속하게 된다.
본 발명에 의해 제공되는 이점 중 하나는, 높은 인장 응력 및 진동 응력 장에서 동작하도록 설계된 블레이드와 같은 가스 터빈 엔진 부품의 일부분의 표면을 레이저 충격 피닝 가공하는 비용면에서 보다 효율적인 방법이라는 것이다. 이것에 의해, 엔진 부품은 팬 블레이드의 전연부와 후연부에 흠(nick)이나 균열(tear)에 의한 피로 파괴에 보다 잘 견딜 수 있고 그리고 종래의 구성의 팬 블레이드 보다도 수명이 길어진다. 본 발명의 또 다른 이점은, 팬과 압축기 블레이드와 다른 부품들이 종래에서와 같이 전연부와 후연부를 따르는 두께의 증가 없이 상업적으로 수용 가능한 수명을 제공할 수 있는 비용면에서 효율적인 방법으로 구성될 수 있다. 본 발명은 저렴한 가격의 방법으로 기존의 팬 및 압축기 블레이드를 개조하여, 가스 터빈 엔진 블레이드의 안전하고 신뢰할 만한 작동을 제공함과 아울러 고가의 재 설계 노력 또는 현재 빈번히 행해지거나 필요한 바와 같은 의심스러운 팬 블레이드의 빈번한 교체를 회피하도록 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명의 전술한 일면 및 기타 다른 특징은 이하 상세한 설명에서 첨부된 도면과 관련하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 처리되는 팬 블레이드의 사시도,
도 2는 도 1의 처리된 팬 블레이드의 단면도,
도 3은 본 발명의 방법을 도시하는 레이저 충격 피닝 시스템에서 테이프를 점착하여 장착된 도 1의 블레이드의 개략적인 사시도,
도 3a는 도 3의 설비의 부분적인 단면도 및 부분적인 개략도,
도 3b는 도 3a의 블레이드 에지에 테이프로 점착된 다른 방법의 단면도,
도 4는 도 2의 팬 블레이드의 전연부를 따라 레이저 충격 피닝 표면상에 레이저 충격 피닝 원형 스폿의 패턴을 도시하는 개략도,
도 5는 소정 순서내에서 중첩되지 않는 레이저 충격 피닝 원형 스폿의 4개의 순서를 갖는 특정 패턴의 개략도,
도 1 및 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 충격 피닝 가공하기 위한 예시적인 항공기용 터보 팬 가스 터빈 엔진의 팬 블레이드(8)의 대표적인 개략도를 도시하고 있다. 팬 블레이드(8)는 블레이드 플랫폼(36)으로부터 블레이드 팁(38)까지 방사상 외향으로 연장되는 에어포일(airfoil)(34)을 구비하고 있다. 팬 블레이드(8)는 플랫폼(36)으로부터 근원부(root section)(40)의 방사상 내향단부(37)까지 방사상 내향으로 연장된 근원부(40)를 구비한다. 근원부(40)의 방사상 내향단부(37)에는 블레이드 자루(44)에 의해 플랫폼(36)에 결합되는 블레이드 근원(42)이 있다. 에어포일(34)은 에어포일의 전연(LE)과 후연(TE) 사이에서 익현 방향으로 연장된다. 에어포일(34)의 익현(C)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 블레이드의 각 단면에서 전연(LE)과 후연(TE) 사이의 선을 나타낸다. 에어포일(34)의 압력측(46)은 화살표(V)로 표시된 바와 같이 일반적인 회전방향을 향하고 있고, 흡입측(48)은 에어포일의 반대쪽에 있으며, 중심(ML)은 익현방향으로 2개의 면의 대체로 중간에 배치되어 있다.
팬 블레이드(8)는 에어포일(34)의 전연(LE)을 따라 블레이드 플랫폼(36)으로부터 블레이드 팁(38)까지 연장되는 전연부(50)를 갖는다. 전연부(50)는 예정된 제 1 폭(W1)을 갖고 있어 전연부(50)는 에어포일(34)의 전연을 따라 발생할 수 있는 흠 및 균열(52)을 에워싼다. 에어포일(34)은 엔진 동작중의 팬 블레이드(8)의 회전에 의해서 발생되는 원심력에 의해서 상당한 인장 응력 장(tensile stress field)에 놓인다. 또한, 에어포일(34)은 엔진 가동중에 발생되는 진동을 받으며, 흠 및 균열(52)은 고 사이클 피로 응력 발생 장소(high cycle fatigue stress riser)가 되어, 그 주위에 여분의 응력 집중을 발생시킨다.
흠 및 균열에서 발생되어 그로부터 확대될 우려가 있는 균열선(crack line)을 따르는 블레이드의 일부분의 피로 파손(fatigue failure)에 대항하기 위해서, 압력측(46)과 흡입측(48)중 적어도 하나 그리고 바람직하게는 그 양자에 2에 도시된 바와 같이 레이저 충격 피닝 가공된 표면으로부터 에어포일(34) 내로 연장되는 레이저 충격 피닝 가공(laser shock peening : LSP)에 의해 발생되는 깊은 압축 잔류 응력을 갖는 레이저 충격 피닝 표면(54)과 예비 응력이 가해진 영역(56)을 형성한다. 바람직하게는, 예비 응력이 가해진 영역(56)은 폭(W1) 전체에 걸쳐 익현방향으로 전연부(50)와 동일하게 연장되고, 그리고 에어포일(34) 내로 충분히 깊게 침입하여 폭(W1)의 적어도 일부에 대해 합체된다. 예비 응력이 가해진 영역(56)은 전연(LE)을 따라 반경방향으로 전연부(50)와 함께 연장되어 있지만, 그 보다 더 짧을 수도 있다.
도 3 및 도 3a에는 본 발명의 레이저 충격 피닝 방법 및 장치(1)에 따라서, "신속하게(on the fly)" 레이저 충격 피닝을 실행하도록 블레이드를 이동시키고 위치설정하기 위해 사용되는 로봇 아암(28)에 장착되어 있는 블레이드(8)가 도시되어 있다. 도시된 본 발명은 레이저 충격 피닝 표면(54)으로 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따라 전연부(50)를 레이저 충격 피닝 가공하는데 사용되며, 상기 레이저 충격 피닝 표면(54)은 중첩된 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿(58)을 갖는 접착 테이프(59)층으로 피복되어 있다. 한편, 종래의 레이저 충격 피닝 가공법에서는, 레이저 충격 피닝 표면(54)은 레이저 충격 피닝의 각 순서 전에 도장되어 있다. 하나 이상의 층이 확실히 예상될 수 있으며, 이것은 본 발명의 청구범위에 포함되어 있지만, 본 발명은 레이저 충격 피닝 표면(54)에 테이프(59)를 적어도 한 층으로 접착하여 피복시켜 레이저 충격 피닝 테이프 표면(55)을 제공한다. 테이프(59)는 양호한 삭마 매질과 접착성 매질을 제공해야 한다. 바람직하게는, 테이프(59)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 접착 재료의 접착 층(60)과 삭마 재료(ablative material)의 삭마 층(61)을 갖는 자기 접착제(self-adhesive)이다. 삭마 층에 적당한 재료는, 비닐 플라스틱 필름 또는 호일과 같은 플라스틱을 포함한다. 테이프(59)에 적당한 공급원은 스카치 블랜드 번호 471의 플라스틱 필름 테이프(SCOTCH BRAND NO.471 PLASTIC FILM TAPE)이며, 이것에 두께가 약 0.102mm인 흑색 안료를 칠한 비닐 플라스틱의 지지체를 입히고, 또 약 0.025mm 두께의 고무 접착층을 설치할 수 있다. 접착층이 없는 테이프(59) 형태의 삭마 매질을 레이저 충격 피닝 표면(54)에 직접 도포되는 적절한 접착 재료와 함께 사용될 수도 있다. 테이프(59)의 랩은 충격 피닝 표면(54)에 대고 비비거나 또는 다른 방법으로 눌러 테이프와 레이저 충격 피닝 표면 사이에 존재할 수 있는 기포를 제거해야만 한다. 테이프는, 본 발명에서는 표면(54)의 피막으로 간주된다. 또한, 팬 블레이드(8)는 에어포일(34)의 후연(TE)을 따라 블레이드 플랫폼(36)으로부터 블레이드 팁(38)까지 연장되는 후연부(70)를 갖는다. 후연부(70)는 사전 설정된 제 2 폭(W2)을 가지며, 이것은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 레이저 충격 피닝 표면(54)과, 이 표면으로부터 에어포일(34) 내로 연장되는, 레이저 충격 피닝 가공(LSP)에 의해 가해지는 깊은 압축 잔류 응력을 갖는 레이저 및 예비 응력이 가해진 영역(56)을 형성하는 것이 바람직할 수도 있다.
폐입 수단(閉入 手段 : confining means)은 물 공급 관(19)의 단부에 있는 물 노즐(20)에 의해서 공급되는 물(21)과 같은 투명한 유체의 커튼이다. 본 명세서에 도시되어 있는 레이저 충격 피닝 장치(1)는, 레이저빔 장치를 포함하며, 이 장치는 발진기 및 전치 증폭기를 갖는 발생기(31)와, 예비 증폭된 레이저빔을 각각 제 1 및 제 2 증폭기(30, 32)를 갖는 두 개의 빔 광전달 회로에 공급하는 빔 분할기와, 레이저빔(2)을 전송하고 또 레이저 충격 피닝용 테이프 점착 표면(55)에 집속하는 광소자를 포함하는 광학계(35)를 구비하고 있다. 제어기(24)를 사용하여 레이저빔을 변조하고, 또 레이저 충격 피닝용 테이프 점착 표면(55)에 제어된 상태로 레이저빔(2)을 발사할 수도 있다.
예비 압축 응력이 가해진 영역(56)에서 레이저빔 충격에 의해 유도된 깊은 압축 잔류 응력은, 대체로 약 3.52×107kg/m2 내지 10.55×107kg/m2(약 50 내지 150klb/in2)로 되어, 레이저 충격 피닝 표면(54)으로부터 레이저 충격에 의해 유도된 압축 잔류 응력이 가해진 영역(56) 내로 약 0.51mm 내지 약 1.27mm 깊이까지 침투한다. 레이저빔 충격에 의해 유도된 깊은 압축 잔류 응력은, 레이저 충격 피닝 테이프 표면(55)에 대하여 ±수 mm 이내의 초점이 흐려진 고 에너지 레이저빔(2)을 반복적으로 발사함으로써 발생된다. 전형적으로는, 레이저빔(2)은 기가와트(GW)/㎠ 급 정도의 피크 출력 밀도를 가지며, 종래 기술에서 테이프 점착 표면(55)위로 흐르는 유수의 커튼을 사용하지 않고 발사된다. 삭마 매질은 제거되어 플라즈마를 발생시키고, 그 결과 재료의 표면상에 충격파가 발생한다. 이러한 충격파는 투명한 차단 층(21) 또는 변형예로서 도 3b에 도시된 실시예에서는 다수의 테이프 랩의 조합 두께에 의해서 테이프 점착 표면을 향하여 재배향되어 테이프 점착 표면 아래의 재료에 진행 충격파(압력파)를 발생시킨다. 이러한 충격파의 진폭과 양이 압축 응력의 깊이와 강도를 결정한다. 테이프는 표적 면을 보호하고 플라즈마를 발생시키고, 폭발을 제한하며 충격파를 레이저 충격 피닝 표면(54)으로 향하게 하기 위해 사용된다. 제거된 테이프 재료는 유수의 커튼으로 씻겨진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 레이저는 순차적으로 "신속하게" 발사되어서 레이저 충격 피닝 테이프 점착 표면(55)이 레이저 충격 피닝 테이프 점착 표면(55)에서 한 번 이상의 순서의 발사에 의해 레이저 충격 피닝 가공된다. 본 발명의 방법의 바람직한 실시예는, 블레이드를 연속적으로 이동시키면서 테이프 점착 표면상에 레이저빔을 연속적으로 발사하여 인접한 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿이 상이한 순서로 명중하도록 한다. 그러나, 그 대신에 빔과 표면 사이의 상대적인 이동이 달성되는 한, 레이저빔을 이동시킬 수도 있다.
도 4 및 도 5는 4개의 순서(S1 내지 S4)의 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿(58)(원으로 표시됨)의 패턴을 도시하고 있다. 인접하지 않은 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿(58)의 대응하는 중심(X)이 열 중심선(62)을 따르는 특징을 설명하기 위해, 순서(S1)는 다른 순서의 점선 원과 대조적으로 실선으로 도시되어 있다. 순서의 패턴은 레이저 충격 피닝 테이프 점착 표면(55)을 완전히 덮고 있다. 레이저 충격 피닝 원형 스폿(58)은 중첩되는 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿의 열(64) 내에서 직경(D)을 갖는다. 이 패턴은 레이저 충격 피닝 테이프 점착 표면(55)상에 중첩된 충격 피닝 가공된 원형 스폿의 다수의 중첩 열(64)일 수도 있다. 제 1 중첩은 소정 열 내의 인접한 레이저 충격 피닝 원형 스폿(58) 사이에서 있으며, 일반적으로 인접한 레이저 충격 피닝 원형 스폿(58)의 중심점(x)사이의 제 1 편위(O1)에 의해서 한정되며 직경(D)의 약 30% 내지 약 50% 이상에 걸쳐서 변할 수 있다. 제 2 중첩은 인접한 열 내의 인접한 레이저 충격 피닝 원형 스폿(58) 사이에 있으며, 일반적으로 인접한 열 중심선(62) 사이의 제 2 편위(O2)에 의해서 한정되고, 레이저빔의 용도 및 강도 또는 변량에 따라 직경(D)의 약 30% 내지 50%에 걸쳐 변할 수 있다. 제 3 중첩은 인접한 열(64) 내의 인접한 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿(58)의 중심점(X) 사이의 직선적인 편위(linear offset)(O3)의 형태로서, 특정 용도에 따라 직경(D)의 약 30% 내지 약 50%에 걸쳐 변할 수 있다.
이 방법은, 미사용 또는 미사용에 가까운 테이프가 에어포일의 표면상에 임의의 감지할 수 있을 정도의 영향이나 손상 없이 제거되도록 설계되어 있다. 이것은, 블레이드의 동작에 대해 원치 않는 공기역학적 영향을 미칠 수도 있는 레이저에 의한 미소한 오염 또는 재 용해부도 방지하기 위한 것이다. 전체의 패턴을 덮는데는 몇 개의 순서가 필요할 수도 있고, 레이저 발사의 각 순서 사이에서 레이저 충격 피닝 표면(54)의 재테이프 점착을 행한다. 각 순서에서 발사되는 레이저는 다수의 레이저 발사 또는 펄스를 가지며, 발사 사이에는 종종 "랩(rep)"이라 칭하는 주기를 둔다. 랩 사이에, 다음 펄스가 다음 레이저 충격 피닝 원형 스폿(58)의 장소에서 발생하도록 부품을 이동시킨다. 바람직하게는, 부품은 연속적으로 이동되며 레이저빔의 펄스 또는 발사시에 적절한 위치에 있도록 타이밍을 맞춘다. 각 순서를 1회 이상 반복하여, 각각의 레이저 충격 피닝 가공된 원형 스폿(58)을 1회 이상 명중시킨다. 이것은 각 발사 또는 레이저 펄스에 보다 낮은 레이저 출력을 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 일 실시예는 길이가 약 27.94cm인 에어포일과 약 8.89cm인 익현(C)과 전연(LE)을 따라 길이가 약 5.08cm인 레이저 충격 피닝 표면(54)을 갖는 팬 블레이드(8)이다. 레이저 충격 피닝 표면(54)의 폭은 약 1.3cm이다. 전연(LE)에 가장 가까운 레이저 충격 피닝된 원형 스폿(58)의 제 1 열(64)은 약 0.68cm인 레이저 스폿 직경(D)의 약 20% 만큼 전연을 지나 연장됨으로써, 전연으로부터 약 1.37cm 연장된 레이저 충격 피닝 표면(54) 아래의 예비 응력이 가해진 영역(56)에 깊은 압축 잔류 응력을 발생시킨다. 연속적인 레이저 발사와 블레이드 이동의 4개의 순서를 사용한다. 레이저의 랩 사이의 발사가 각 순서 사이에서 재테이프 점착을 요구하는 비삭마 테이프 점착 표면상에 있는 스폿(58)에 대해 실행된다. 각 스폿(58)은 3번 명중하므로, 레이저 충격 피닝 표면(54)의 합계 12회의 테이프 점착 및 테이프 재 점착에 대해 4회의 3조가 사용된다.
도 5에는 본 발명에 따른 레이저 충격 피닝 가공법의 변형 실시예가 도시되어 있다. 이 가공법은, 5열의 레이저 충격 피닝 스폿을 사용하고 레이저 충격 피닝 표면(54)의 전체 영역을 4회의 순서(S1, S2, S3, S4)로 피복하는 것에 의해 팬 블레이드의 전연의 전체 또는 그 일부를 레이저 충격 피닝하기 위해 사용될 수 있다. 레이저 충격 피닝 가공법은 제 1 순서로부터 개시되며, 이 순서에서 블레이드가 연속적으로 이동하고 레이저빔이 연속적으로 발사되거나 또는 펄스 구동되는 동안 4개의 스폿이 순서(1)에서 레이저 충격 피닝 가공된다. 부품은 S1과 같은 소정의 순서에서 인접한 레이저 충격 피닝 가공된 스폿 사이를 이동하도록 시간 조절된다. 이 타이밍은 블레이드에 대한 연속적인 레이저 발사의 펄스 사이의 랩과 일치한다. 모두 5열의 중첩된 레이저 충격 피닝된 원형 스폿(58)은, 동일 순서의 다른 레이저 충격 피닝 원형 스폿이 그 둘레의 테이프에 영향을 미치지 않도록 이격된 각 순서의 스폿을 갖는다. 순서 1 전에, 제 1 테이프 점착이 실행되고, 이 순서 1은 도 4에 완전한 원으로 도시되어 있는 한편, 순서(S2, S3, S4)에서와 같은 다른 레이저 충격 피닝된 스폿은 점선, 일점 쇄선, 이점 쇄선의 원으로 각각 도시되어 있다. 순서(S1)와 순서(S2) 사이와 같은 다음 순서 전에, 레이저 충격 피닝 가공될 레이저 충격 피닝 표면(54)의 전체 영역이 재테이프 점착된다. 이러한 재테이프 점착공정은, 레이저 충격 피닝 표면의 임의의 나 금속(naked metal)에 레이저빔이 직접 명중하는 것을 방지한다. 인접한 스폿 사이와 열 사이의 공간이 약 30%인 5열의 구역을 피복하는 경우, 1회의 테이프 점착과 3회의 테이프 재 점착이 필요하므로, 실제로는 부품은 총 4회 테이프 점착되고, 이는 그 대신에 사용된 도장 및 재 도장보다도 노동력과 기계설비의 소모가 적고 더 신속하게 이루어진다. 본 발명자는 팬 블레이드와 같은, 2열 내지 5열을 갖는 소정의 부품을 레이저 충격 피닝하는 것이 바람직하다는 것을 알아냈다. 또한, 본 발명자는 최대 3회 이상으로 각 스폿(58)을 레이저 충격 피닝 가공하는 것이 바람직하다는 것을 알아냈다. 각 스폿(58)이 3회 명중하는 경우, 전체 12회의 테이프 점착을 위한 순서 S1-S4의 3조에 대해 1회의 재 테이프 점착이 필요하다.
본 발명의 바람직한 실시예를, 그 원리를 설명하기 위해서 상세히 설명했지만, 첨부된 청구범위에 규정된 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 바람직한 실시예에 대하여 각종의 변경 또는 수정을 가할 수 있다.

Claims (13)

  1. 금속 공작물의 레이저 충격 피닝하는 방법에 있어서,
    공작물상의 레이저 충격 피닝 표면을 삭마 매질(削摩 媒質) 및 접착층을 갖는 자기 접착 테이프로 접착에 의해 피복함으로써 테이프 점착된 표면을 형성하는 단계와,
    레이저빔과 금속 공작물 사이에 연속적인 운동을 제공하면서 비교적 일정한 주기 사이에서 반복적으로 파동하는 레이저빔을 공작물의 테이프 점착된 표면에 연속적으로 발사하는 단계와,
    테이프의 삭마 매질을 펄스에 의해서 증발시키기에 충분한 에너지를 갖는 레이저빔을 발사하고, 레이저빔 스폿을 테이프상에 형성하며, 그리고 레이저빔의 펄스화에 의해서 가해지는 깊은 압축 잔류 응력을 갖는 영역을 공작물에 형성하여 상기 영역이 레이저 충격 피닝 표면으로부터 공작물 내로 연장되게 하는 단계와,
    레이저빔이 발사되는 테이프 위로 유체 커튼을 유동시켜, 상대적인 운동이 수행되는 동안 중첩하는 레이저빔 스폿의 패턴을 형성하는 단계를 포함하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 항의 방법을 이용하여 공작물의 양측을 동시에 레이저 충격 피닝 가공하는 단계를 더 포함하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공작물을 직선적으로 이동시키고 레이저빔을 고정되게 유지하여, 전체적으로 등간격의 직선상으로 정합하는 중심점을 갖는 일렬의 중첩된 원형 레이저빔 스폿을 형성하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 공작물을 이동시키고 레이저빔을 발사하여, 인접한 열의 스폿이 중첩되는 전체적으로 등간격의 직선상으로 정합하는 중심점을 갖는 일렬 이상의 중첩된 원형 레이저빔 스폿을 형성하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    레이저빔을 발사하고 공작물을 이동시켜, 인접한 열에 있는 인접한 스폿의 중심점이, 상기 중심점이 직선상에서 정합하는 선을 따르는 방향으로 전체적으로 동일 양만큼 서로 편위되도록 하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 레이저 충격 피닝 표면을 한 조의 순서를 사용하여 레이저 충격 피닝하고, 각각의 순서는, 깊은 압축 잔류 응력을 갖는 영역을 형성하는 충격파를 발생시키도록 플라즈마를 발생시키기에 적합한 테이프로 표면을 테이프 점착한 후, 공작물을 연속적으로 이동시키는 동시에 고정 레이저빔을 표면상에 연속적으로 발사하여 인접한 레이저 충격 피닝 원형 스폿이 상기 조의 상이한 순서로 명중하도록 하는 단계를 포함하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    레이저빔을 발사하고 공작물을 이동시켜, 인접한 열에 있는 인접한 스폿의 중심점이, 상기 중심점이 직선상에서 정합하는 선을 따르는 방향으로 전체적으로 동일 양만큼 서로 편위되도록 하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    다수의 상기 순서를 더 포함하며, 대략 각각의 스폿에 상기 복수의 상이한 순서로 1회 이상 명중시키고 그리고 상기 순서의 임의의 순서로 1회만 명중되도록 하는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착성 테이프는 삭마 매질을 포함하는 삭마 층의 한쪽에는 접착층을 갖는 접착 테이프인
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면의 일부분이 상기 접착 테이프의 하나 이상의 층으로 피복되는
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착 테이프는 플라스틱 테이프인
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 투명한
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명한 유체는 물인
    금속 공작물의 레이저 충격 피닝 방법.
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