(57)【要約】  空洞を有するワークピースと共に使用されるための、レーザ衝撃ピーニング装置が、提供される。この装置は、空洞の長手方向の内側に挿入するように構成された、管状本体を含む。管状本体は、レーザ送達チャネルの境界となる、周壁を有し、かつ、当該レーザ送達チャネルから当該周壁を通って外側に延びている、アパーチャを有する。光学デバイスは、当該レーザ送達チャネルに配置されている。当該光学デバイスは、レーザビームを当該アパーチャを通して外側に向けるように、構成される。さらに、当該周壁は、オーバーレイ水の流れを当該アパーチャに運ぶように構成された、水送達チャネルを画定する内部表面を、有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースと共に使用される装置であって、前記ワークピースが、前記ワークピースの空洞内の表面を有し、
前記ワークピースの内面のそばの前記空洞の長手方向の内側に挿入するように構成された、管状本体であって、レーザ送達チャネルの境界となる周壁を含み、前記レーザ送達チャネルから前記周壁を通って外側に延びている、アパーチャを伴う、管状本体と、
前記レーザ送達チャネル内に配置され、かつレーザビームを前記アパーチャを通して外側に向けるように構成された、光学デバイスと、を備え、
前記周壁が、オーバーレイ水の流れを前記アパーチャに運ぶように構成された水送達チャネルを画定する、内部表面を有する、装置。
【請求項２】
前記管状本体が、空気−水出口を有しており、かつ、前記レーザ送達チャネルとは別に、前記アパーチャを前記空気−水出口と連絡させる、空気−水戻りチャネルを画定している、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記空気−水出口が、前記管状本体の外端部分に配置されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
光ファイバを前記レーザ送達チャネルと接続し、圧気ラインを前記レーザ送達チャネルと接続し、液圧ラインを前記水送達チャネルと接続するように構成された、結合具をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記光学デバイスが、前記アパーチャから長手方向に離間された、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
ワークピースと共に使用される装置であって、前記ワークピースが、前記ワークピースの空洞内の表面を有し、
前記ワークピースの内面のそばの前記空洞に挿入するように構成された、ビーム送達デバイスであって、レーザ送達チャネルの境界となる周壁を含み、前記レーザ送達チャネルから前記周壁を通って外側に延びている、アパーチャを伴う、ビーム送達デバイスと、
前記レーザ送達チャネル内に配置され、かつレーザビームを前記アパーチャを通して外側に向けるように構成された、光学デバイスと、
前記ワークピースを取付け位置に係合するように構成された、支持装置であって、前記取付け位置において、前記支持装置が、前記ワークピースに解放可能に取り付けられて、前記送達デバイスを前記空洞内で支持する、支持装置と、
を備える、装置。
【請求項７】
前記支持装置が、前記送達デバイスを前記空洞に挿入するように構成された、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記支持装置が、前記送達デバイスを前記空洞内に移動させるように構成された、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記支持装置が、前記送達デバイスを前記空洞内で回転させるように構成された、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記支持装置が、前記送達デバイスの深さを前記空洞内で変化させるように構成された、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記支持装置が、圧縮性の要素であって、前記支持装置が前記取付け位置にあるときに、前記圧縮性の要素が、前記ワークピースの外面の輪郭に一致するように構成された、圧縮性の要素を含む、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記支持装置が、真空圧の力の下で前記支持装置を前記取付け位置に保持するための手段、を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項１３】
前記支持装置が、開いた側を有する真空チャンバの閉じた境界を画定するハウジングを含み、かつ、前記支持装置が前記取付け位置にあるときに、前記ワークピースの外面が前記真空チャンバの前記開いた側を閉じるように構成された、請求項６に記載の装置。
【請求項１４】
前記支持装置が、前記送達デバイスを、マウント構造からレーザ源まで延びている光ファイバと、結合するように構成された、請求項６に記載の装置。
【請求項１５】
前記支持装置が、前記送達デバイスを、オーバーレイ水の源と、結合するように構成された、請求項６に記載の装置。
【請求項１６】
前記支持装置上にレーザビーム増幅器をさらに備えた、請求項６に記載の装置。
【請求項１７】
ワークピースと共に使用される装置であって、前記ワークピースが、開口部を伴う外面と、前記開口部から内側に延びている空洞を画定する内面と、を有し、
前記ワークピースの前記内面のそばの前記空洞の内側に挿入するように構成された、ビーム送達デバイスであって、レーザ送達チャネルの境界となる周壁を含み、前記レーザ送達チャネルから前記周壁を通って外側に延びている、アパーチャを伴う、ビーム送達デバイスと、
前記レーザ送達チャネル内に配置され、かつレーザビームを前記アパーチャを通して外側に向けるように構成された、光学デバイスと、
前記ワークピースを取付け位置に係合するように構成された、支持装置であって、前記支持装置が、前記取付け位置において前記送達デバイスを前記空洞の内側で支持し、かつ、前記支持装置が、前記送達デバイスと相互接続されて前記送達デバイスを前記空洞内に移動させるモータ付駆動部を含む、支持装置と、
前記支持装置から遠隔の、レーザビーム源と、
前記支持装置を前記レーザビーム源と相互接続する、光ファイバと、
を備える、装置。
【請求項１８】
前記支持装置が、レーザビーム増幅器を含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記支持装置が、圧縮性の要素であって、前記支持装置が前記取付け位置にあるときに、前記圧縮性の要素が、前記ワークピースの前記外面の輪郭に一致するように構成された、圧縮性の要素を含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記支持装置が、開いた側を有する真空チャンバの閉じた境界を画定するハウジングを含み、かつ、前記支持装置が前記取付け位置にあるときに、前記ワークピースの前記外面が前記真空チャンバの前記開いた側を閉じるように構成された、請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
この出願は、参照により組み込まれる、２０１８年４月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／６６１，１６１号明細書の優先権を主張するものである。
【０００２】
この技術は、レーザビーム送達デバイスと、ワークピースと動作可能に係合されたデバイスを支持するための装置と、を含む。
【背景技術】
【０００３】
レーザ衝撃ピーニングの動作では、時として、隠れているか、又はワークピースの外側からのレーザビームによるアクセスのための直接見通し線から外れている表面を、レーザピーニングする必要がある。そのような表面は、例えばワークピースの空洞の内側に、見出される場合がある。
【発明の概要】
【０００４】
空洞を有するワークピースと共に使用されるための、レーザ衝撃ピーニング装置が、提供される。この装置は、空洞の長手方向の内側に挿入するように構成された、管状本体を含む。管状本体は、レーザ送達チャネルの境界となる、周壁を有する。アパーチャは、レーザ送達チャネルから周壁を通って外側へ延びている。光学デバイスは、レーザ送達チャネル内に配置されており、レーザビームをアパーチャを通して外側に向けるように、向き付けられている。さらに、周壁は、オーバーレイ水の流れをアパーチャに運ぶための水送達チャネルを画定する内部表面を、有する。
【０００５】
支持装置は、ワークピースを取付け位置に係合するように、構成される。当該取付け位置において、支持装置は、ワークピースに解放可能に取り付けられる。取付け位置にあるとき、支持装置は、空洞と一直線に、送達デバイスを支持する。所与の例では、支持装置は、真空圧の力の下で、取付け位置に、解放可能に保持されることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】レーザ衝撃ピーニングで処理されることとなる、ワークピースの断面図である。
【図２】レーザ衝撃ピーニングにおける使用のための、デバイスの断面図である。
【図３】図２の３−３線でとられた断面図である。
【図４】図２のデバイスと共に使用される装置の正面図である。
【図５】図４に示される部分の拡大断面図である。
【図６】１つ以上のワークピースをレーザ衝撃ピーニングで処理するための可搬システムに含まれる、構成要素の図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面に示される構造は、特許請求の範囲に記載される構造要素の例である、部分を含む。したがって、図示される構造は、当業者が、特許請求の範囲に記載される発明をどのように作り、及び使用することができるかの例を含む。それらは、特許請求の範囲に記載されていない限定を課すことなく、特許法の実施可能要件及びベストモード要件を満たすために、本明細書で説明されている。一実施形態の１つ以上の要素は、本発明の任意の特定の実装への必要に応じて、別のものの１つ以上の要素と組み合わせて、又はその代わりとして、使用され得る。
【０００８】
図１に示される装置１０は、レーザ衝撃ピーニングによる処理のためのワークピースである。ワークピース１０は、開口部１５を伴う外面１２を有する。ワークピースの内面１６は、外面１２から内側に延びている空洞１７を画定する。所与の例における空洞１７は、ボアである。そのようなワークピース１０は、複数の重なり合う部分２０を有し得、ボア１７は、１つのそのような部分２０に、開いた内端２３を有し得る。
【０００９】
図１の例では、内面１６及びボア１７は、軸２５を中心とする円筒形状を有し、ワークピース１０を通って連続的に延びている。ここで、ワークピース１０は、外面１２の開口部１５から、開いた内端２３まで、均一な直径Ｄ１を有する。ボア１７は、部分２０を一緒に留めるためのリベットなどの、留め具を受け入れるように構成される。したがって、ワークピース１０は、ボア１７の内面１６の長さに沿って、初めからの又は交換時の留め具との係合に適した、レーザ衝撃ピーニングを必要とし得る。
【００１０】
図２及び図３に示される装置１００は、レーザ衝撃ピーニングでワークピースを処理するための、レーザビーム送達デバイスである。ターゲティングデバイスと呼ばれ得る送達デバイス１００は、ワークピースの空洞内の表面で、ワークピース上にレーザビームを向けるように構成される。図１に示される例を参照すると、送達デバイス１００は、そのようにして、ボア１７の内面１６でのレーザ衝撃ピーニングによる処理のために、レーザビームをワークピース１０に送達するように構成される。
【００１１】
図示される例では、送達デバイス１００は、管状本体１０２及び端キャップ１０４を含む、別個の部分を有する。管状本体１０２は、軸１０９を中心とする円筒形状の細長い周壁１０６を有する。周壁１０６の外面１１０は、均一な外径Ｄ２を有する。送達デバイス１００の外径Ｄ２は、ワークピース１０の内径Ｄ１よりも小さい。
【００１２】
端キャップ１０４の開いた最上部１１２は、管状本体１０２の開いた最下部１１４に、接合されている。端キャップ１０４も、円筒形状を有し、同じ均一な外径Ｄ２を提供する外面１１８を伴っており、図１に示される鉛直の向きで見られる通りの軸１０９に沿って、同軸に下方に突出している。
【００１３】
送達デバイス１００のフランジ部分１２０は、管状本体１０２の上端に配置されている。フランジ１２０は、軸１０９に平行な、平坦な対向する側面１２２及び１２４を有しており、軸１０９を中心として直径Ｄ３を有する円形の周縁１２６を伴っている。
【００１４】
直径Ｄ３は、直径Ｄ２よりも大きく、かつ、ワークピース１０の外面１２の開口部１５の直径よりも大きい。アパーチャ１２７は、支持装置に送達デバイス１００を取り付けるために、留め具のためのフランジ１２０を通って延びている。ここで、当該支持装置は、送達デバイス１００を、ワークピース１０の外面１２の開口部１５を通して、ボア１７内に挿入する。支持装置は、図４に示されるアプリケータデバイス１２８を含むことができる。
【００１５】
内部壁１３０は、管状本体１０２を横切って真っ直ぐに延びている。内部壁１３０は、内部空間を、弧状のセグメントとして形作られた第１及び第２のチャネル１３３及び１３５に分割する弦として、形作られている。第１のチャネル１３３は、管状本体１０２の最上部に開いた上端１３７を有し、かつ、管状本体１０２の最下部１１４から上方に短い距離が離間された開いた下端１３９を有する。第２のチャネル１３５は、開いた上端及び開いた下端１４１及び１４３を、第１のチャネル１３５の開いた上端及び開いた下端のそばに、有する。円筒形の下端チャンバ１４５は、チャネル１３３及び１３５と、開いた最下部１１４と、の間に配置されている。
【００１６】
ミラーマウント１５０は、開いた上端１３７を通って第１のチャネル１３３内に向けられたレーザビームによってとられる、所定の経路内で、内部壁１３０上に配置されている。図示される例では、所定の経路は、軸１０９を中心とする。ミラー１５２は、ミラーマウント１５０にマウントされており、かつ、レーザビームを、第１のチャネル１３３を越えて、周壁１０６を通って延在するビーム送達スロット１５５（図２）に向けるように、軸１０９に対して傾斜している。
【００１７】
図２及び図３にさらに示されるように、周壁１０６は、周壁の厚みの中に第３のチャネル１５７を画定する、内部表面を有する。第３のチャネル１５７は、第１のチャネル１３３の開いた上端１３７のそばに、開いた上端１５９を有し、かつ、周壁１０６を通って長手方向に下方に、ビーム送達スロット１５５へと延びている。
【００１８】
上記のように、送達デバイス１００は、ワークピース１０のボア１７内への挿入のために構成される。さらに、管状本体は、ボア１７内で軸方向に延在しており、ワークピース１０の内面１６に近接して位置付けられたビーム送達スロット１５５を伴っている。スロット１５５から放出されたレーザビームは、送達デバイス１００を軸１０９の周りで回転させてビームを内面１６の周りで円周方向に移動させることによって、及び送達デバイス１００を軸２５に沿って移動させて内面１６の長さに沿ってボア１７の深さを通してビームを移動させることによって、プログレッシブに内面１６のエリア全体に対して向けられることができる。
【００１９】
ワークピース１０の内面１６にレーザビームが当てられるとき、水が、透明なオーバーレイとして、内面１６に、同時に当てられる。このことは、水の流れを、第３のチャネル１５７内に導き、第３のチャネル１５７を通して導くことによって、達成される。第３のチャネル１５７から出てくる水の流れは、ビーム送達スロット１５５を通して軸方向に下方に流れる。水の流れは、このようにして、ビーム送達スロット１５５のそばのワークピースの隣接する内面１６上にわたって、軸方向に導かれる。
【００２０】
水オーバーレイの一部は、ワークピースの内面１６と、管状本体１０２の外面１１０と、の間に放射状に配置されている空間を通して逃げるであろう。しかしながら、水の一部又は大部分は、ビーム送達スロット１５５から、下端チャンバ１４５を通って、端キャップ１４内へ、下方に流れ続けるであろう。したがって、送達デバイス１００から水を除去するための手段として、加圧された空気の流れが、第１のチャネル１３３を通して下方に同時に与えられる。加圧された空気の流れは、第１のチャネル１３３の開いた下端１３９から出てきて、端チャンバ１４５を通って、端キャップ１４へと下方に進み、そこで、第２のチャネル１３５の開いた下端に向かって、及び第２のチャネル１３５の開いた下端を通って、上方に戻る。そうでなければ端キャップ１４内に集まるであろう水は、空気と水の両方が第２のチャネル１３５を通して上方にかつ外側に追いやられるように、加圧された空気の流れによって運ばれる。好ましくは、加圧された空気の流れは、第２のチャネル１３５の出口端の真空圧によって追いやられる。
【００２１】
送達デバイス１００の特定の特徴は、ミラー１５２の、送達スロット１５５に対して相対的な配置に関する。図２に示されるように、図示される例のミラー１５２は、送達スロット１５５から軸方向に上方に離間されている。このことは、ミラー１５２を、送達スロット１５５で第３のチャネル１５７から出てくる水の流れの乱流から、距離を置いて保つのに役立ち、そのようにして、反射されたレーザビームが、水によって不利な影響を受けないことを確実にするのに役立つ。
【００２２】
図４に示されるように、送達デバイス１００をボア１７に挿入するためのアプリケータデバイス１２８は、フレーム２００上で支持される複数の構成要素を有する。これらは、アプリケータデバイス１２８をワークピースに解放可能に取り付けるための真空封止チャンバ２０３を伴う、ハウジング２０２を含む。所与の例では、アプリケータデバイス１２８は、図１のワークピース１０に取り付けられて示される。アプリケータデバイス１２８の他の部分は、上記のようにボア１７内で送達デバイス１００を移動させるためのモータ付回転駆動部２０６及びモータ付垂直駆動部２０８と共に、増幅されたビームをデバイス１００に提供するためのレーザビーム増幅器２０４を含む。図４の例では、ユーザインターフェースを伴うコントローラ２１０も、提供されている。
【００２３】
ハウジング２０２は、封止チャンバ２０３の閉じた境界を画定するが、しかしまた、封止チャンバ２０３に、開いた最下部２１４も提供する。封止リング２１６は、開いた最下部２１４の周りに完全に延びている。図４の取付け位置では、開いた最下部２１４は、ワークピース１０の外面１２に面しており、封止リング２１６が、外面１２の上に重なっている。（概略的に示されている）ポンプ２１８は、封止チャンバ２０３内に真空圧を提供する。ワークピース１０の外面１２が、封止チャンバ２０３の最下部に、閉じた境界を効果的に画定することで、真空圧は、アプリケータデバイス１２８を、外面１２上の所定の位置に保持する。封止リング２１６は、取付け場所での気密封止への必要に応じて、外面１２の輪郭を採用するように、適合している。取付けされる装置１２８が所定の位置にしっかりと保持されることを確実にするために、吸着カップ２２０も、提供され得る。
【００２４】
図５に最もよく示されるように、送達デバイス１００は、封止チャンバ２０３内のプラットフォーム２３０に留められている。結合具２３２は、送達デバイス１００を、オーバーレイ水の源から延在する液圧ライン、及び送達デバイス１００を通して水を駆動するための加圧された空気の源から延在する圧気ラインと、相互接続するように、構成される。
【００２５】
結合具２３２はさらに、送達デバイス１００をレーザビーム増幅器２０４と相互接続する光ファイバに係合するように、構成される。増幅器２０４は、ワークピース１０の内面１６でのレーザ衝撃ピーニングのためにパルス化されるレーザビームの、遠隔の源と相互接続されている。増幅器２０４を、遠隔レーザ源の代わりに、アプリケータデバイス１２８に配置することにより、図４の配置は、増幅されたビームが送達デバイス１００に到達するために通過しなければならない光ファイバの長さを、減少させる。このことは、増幅器２０４と送達デバイス１００との間のエネルギー損失の、対応する減少を提供する。
【００２６】
使用において、アプリケータデバイス１２８は、多数のボア１７のそれぞれでレーザ衝撃ピーニングの動作を実行するために、ワークピース１０の外面１２上のあちらこちらに移動されてもよい。アプリケータデバイス１２８は、最初、選択されたボア１７の上方に配置されており、ターゲティングデバイス１００は、位置合わせされているが、ボア１７から上方に退避されている。垂直駆動部２０８及び真空ポンプ２１８は、コントローラ２１０の影響下で作動させられて、アプリケータデバイス１２８を所定の位置に固定し、送達デバイス１００を長手方向にボア１７内へ移動させる。次に、増幅器２０４、遠隔レーザ源、並びに水及び加圧された空気の源は、上記のようにレーザピーニングの動作を実行するために、コントローラ２１０によって作動させられることができる。レーザピーニングの動作が完了すると、真空ポンプ２１８は、別の場所への移動のためにアプリケータデバイス１２８を解放するために、非活動化されることができる。
【００２７】
図６は、１つ以上のワークピースの複数の表面の場所でレーザピーニングを実行するための、システム３００の例を示す。このシステム３００は、航空機の翼の、複数の桁留め具ボアの内面でレーザピーニングを実行するために、特に適している。示すように、システム３００は、複数の表面の場所の全体にわたってビーム送達デバイス１００を配備するように構成された、可搬構成要素を含む。システム３００の可搬構成要素は、アプリケータデバイス３１０の形態の支持装置を含む。可搬構成要素は、囲い３２０、検証台３３０、水除去真空室３４０、及び逆浸透水システム３５０を、さらに含む。
【００２８】
上記のアプリケータデバイス１２８とは異なり、アプリケータデバイス３１０のこの例は、ユーザインターフェースを有するコントローラを含まない。しかしながら、アプリケータデバイス３１０は、他の点では、図４のアプリケータデバイス１２８と実質的に同じ構造及び機能で、構成される。アプリケータデバイス３１０は、そのようにして、ワークピースとの解放可能な結合のために構成されて、上記と同じ方法で、送達デバイス１００のような送達デバイスを支持及び移動する。アプリケータデバイスは、このようにして、航空機の翼の上面上の、複数のボアの場所の、間に配備されることができる。
【００２９】
囲い３２０は、アプリケータデバイス３１０に、すべて上記のような、レーザビーム、電力、オーバーレイ水、及び水を除去するための空気の流れを、提供するための構成要素を有する。囲い３２０はさらに、ワークピースにアプリケータデバイス３１０を取り付ける真空ポンプを操作するための制御信号、さらには、ワークピースボア内で送達デバイスを挿入し、前進させ、退避し、及び回転させるモータを操作するための制御信号を、アプリケータデバイス３１０に提供するための、ユーザインターフェース及びコントローラを有する。示されるように、この例における囲い３２０は、フロアじゅうを転がるための車輪３６０を有する。
【００３０】
検証台３３０は、囲い３２０とアプリケータデバイス３１０との間に動作可能に置かれる。システム３００のこの構成要素は、スポットサイズ、エネルギー、時間プロファイルなどの特性を検証するために、アプリケータデバイス３１０においてレーザビームを評価するためのコントローラを含む。アンビリカル３６２は、囲い３２０を、アプリケータデバイス３１０及び検証台３３０と通信させて、囲い３２０がアプリケータデバイス３１０及び検証台３３０の両方を動作させるための必要に応じて、電力、オーバーレイ水、空気、及び制御信号を運ぶ。この例では、検証台は、フロアじゅうを転がるための車輪も有する。検証台３３０は、航空機の翼に対する相対的な近接及び機動性のために、シザーリフト又は他の適切な巻上げデバイスで運ばれることもできる。
【００３１】
水除去真空室３４０は、ベンチュリデバイスを含む。当該ベンチュリデバイスは、囲い３２０から空気ライン３７０を通して提供される、空気の流れによって駆動される。真空空気ライン３７２は、水除去真空室３４０から、レーザビーム送達デバイスからの過剰な水が回収され除去される必要がある場所まで、延ばされている。
【００３２】
逆浸透水システム３６０は、工場にある源から得られた水を浄化して、浄化された水を囲いの中のタンクに供給するために、システム３００に含まれる。
【００３３】
この書面による説明は、本発明の実行のベストモードを用意するものであり、かつ、特許請求の範囲に記載される要素の例を提示することにより、当業者が本発明を作り、及び使用することを可能にするように、本発明を説明するものである。それらの要素の詳細な説明は、文言上でも均等論の下でも、特許請求の範囲に記載されていない限定を課すものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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