(57)【要約】【課題】  液体中に配置した被加工物に対して安定したピーニング処理を施すことができるレーザピーニング装置及び方法を提供する。【解決手段】  レーザピーニング装置１は、入射面６ｂが大気に接するように配置され、かつ出射面６ｃが液体２に接するように配置されたガイド体６を有しており、このガイド体６を介してレーザビームＬを案内することにより、被加工物Ｐが配置されている液体２の液面２ａを直接通過させることなくレーザビームＬを被加工物Ｐの表面に照射できる。したがって、このレーザピーニング装置１では、液面２ａの揺らぎや液面２ａでの反射の影響を受けずにレーザビームＬを被加工物Ｐに照射でき、液体２中に配置した被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射位置や照射強度の変動を抑止できるので、安定したピーニング処理を行うことが可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中に配置した被加工物の表面にレーザビームを照射することにより、当該被加工物の表面の特性を変化させるレーザピーニング装置であって、
前記レーザビームが入射する入射面、及び前記レーザビームが前記被加工物に向けて出射する出射面を有し、前記入射面から前記出射面に向けて前記レーザビームを案内するガイド体を備え、
前記入射面は前記液体外に配置され、前記出射面は前記液体に接するように配置されていることを特徴とするレーザピーニング装置。
【請求項２】
前記ガイド体は、前記入射面から入射した前記レーザビームを前記出射面に対して反射させる反射面を更に有していることを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。
【請求項３】
前記反射面は、所定の曲率で湾曲していることを特徴とする請求項２記載のレーザピーニング装置。
【請求項４】
前記ガイド体は、グレーデッド型の屈折率分布を有していることを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。
【請求項５】
前記入射面には、反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザピーニング装置。
【請求項６】
前記出射面には、光触媒機能性膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のレーザピーニング装置。
【請求項７】
液体中に配置した被加工物の表面にレーザビームを照射することにより、当該被加工物の表面の特性を変化させるレーザピーニング方法であって、
前記レーザビームが入射する入射面、及び前記レーザビームが前記被加工物に向けて出射する出射面を有し、前記入射面から前記出射面に向けて前記レーザビームを案内するガイド体を、前記入射面が前記液体外に配置され、前記出射面が前記液体に接するように配置する工程と、
前記入射面に入射した前記レーザビームを、前記ガイド体を介して前記出射面から前記液体中に出射させ、前記被加工物の表面に前記レーザビームを照射する工程とを備えたことを特徴とするレーザピーニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の表面にレーザビームを照射することにより、当該被加工物の表面の特性を変化させるレーザピーニング装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ばね・歯車・コネクティングロッド・クランクシャフトといった自動車部品、ジェットエンジン、翼といった航空機関連部品、及び化学プラントの圧力容器などの様々な分野において、被加工物となる金属の表面を硬化させるショットピーニング処理が利用されている。ショットピーニング処理では、セラミック等の硬球を高速で被加工物の表面に衝突させ、この被加工物の表面に圧縮応力が残存する圧縮応力部を形成することにより、被加工物の表面の硬化、及び耐摩耗性の向上を図っている。
【０００３】
一方、近年では、硬球の代わりにレーザビームを用いるレーザピーニング処理の開発が進んできている。レーザピーニング処理では、レーザビームの照射によって被加工物の表面に高圧のプラズマを発生させ、このプラズマが膨張する際の反作用によって被加工物の表面に圧縮応力部を形成する。このレーザピーニング処理では、圧縮応力部を被加工物のより深い部分にまで形成することが可能であるため、ショットピーニング処理以上に被加工物の表面の硬化、及び耐摩耗性の向上が期待できる。
【０００４】
このようなレーザピーニング処理に関連する技術として、例えば特許文献１に記載のレーザピーニング方法がある。この従来のレーザピーニング方法では、電解液などの液体中に配置した被加工物に対し、集光したレーザビームを照射している。
【特許文献１】特開平７−２４６４８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように、レーザピーニング処理において被加工物を液体中に配置した場合、液体の慣性力の作用によって被加工物の表面に生じたプラズマの閉じ込め効果が高くなるため、被加工物を大気中に配置する場合に比べて、圧縮応力部の形成を容易化できる点でメリットがある。しかしながら、上述した従来のレーザピーニング方法では、レーザビームを大気中から液体中に入射させる際に、振動等による液面揺らぎや液面で生じるレーザビームの反射によって被加工物に対するレーザビームの照射位置や照射強度が変わり、安定したピーニング処理を行うことができないという問題があった。このことは、レーザビームの集光度を高めるほど顕著なものとなるため、液体中に配置した被加工物に対して安定したレーザピーニング処理を施すことができる技術が望まれていた。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、液体中に配置した被加工物に対して安定したピーニング処理を施すことができるレーザピーニング装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の解決のため、本発明に係るレーザピーニング装置は、液体中に配置した被加工物の表面にレーザビームを照射することにより、当該被加工物の表面の特性を変化させるレーザピーニング装置であって、レーザビームが入射する入射面、及びレーザビームが被加工物に向けて出射する出射面を有し、入射面から出射面に向けてレーザビームを案内するガイド体を備え、入射面は液体外に配置され、出射面は液体に接するように配置されていることを特徴としている。
【０００８】
このレーザピーニング装置では、入射面が液体外に配置され、かつ出射面が液体中に配置されたガイド体によってレーザビームを案内することにより、被加工物が配置されている液体の液面を直接通過させることなくレーザビームを被加工物の表面に照射できる。したがって、このレーザピーニング装置では、液面の揺らぎや液面での反射の影響を受けずにレーザビームを被加工物に照射でき、液体中に配置した被加工物に対するレーザビームの照射位置や照射強度の変動を抑止できるので、安定したピーニング処理を行うことが可能となる。
【０００９】
また、ガイド体は、入射面から入射したレーザビームを出射面に対して反射させる反射面を更に有していることが好ましい。この場合、レーザビームの経路を変える反射ミラーとしての機能をガイド体に持たせることができ、装置構成を単純化できる。
【００１０】
また、反射面は、所定の曲率で湾曲していることが好ましい。この場合、反射ミラーとしての機能に加え、レーザビームを集光する機能をガイド体に持たせることができ、装置構成を一層単純化できる。
【００１１】
また、ガイド体は、グレーデッド型の屈折率分布を有していることが好ましい。この場合、ガイド体に集光レンズとしての機能を持たせることができ、装置構成を単純化できる。
【００１２】
また、入射面には、反射防止膜が形成されていることが好ましい。こうすると、入射面におけるレーザビームの反射損失を低減できるので、ピーニング処理の効率を向上させることができる。
【００１３】
また、出射面には、光触媒機能性膜が形成されていることが好ましい。こうすると、液体中に配置されることによって汚れの付着し易い出射面を、光触媒機能によって自動的にクリーニングすることが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係るレーザピーニング方法は、液体中に配置した被加工物の表面にレーザビームを照射することにより、当該被加工物の表面の特性を変化させるレーザピーニング方法であって、レーザビームが入射する入射面、及びレーザビームが被加工物に向けて出射する出射面を有し、入射面から出射面に向けてレーザビームを案内するガイド体を、入射面が液体外に配置され、出射面が前記液体に接するように配置する工程と、入射面に入射したレーザビームを、ガイド体を介して出射面から液体中に出射させ、被加工物の表面にレーザビームを照射する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１５】
このレーザピーニング方法では、入射面が液体外に配置され、かつ出射面が液体中に配置されたガイド体によってレーザビームを案内することにより、被加工物が配置されている液体の液面を直接通過させることなくレーザビームを被加工物の表面に照射できる。したがって、このレーザピーニング方法では、液面の揺らぎや液面での反射の影響を受けずにレーザビームを被加工物に照射でき、液体中に配置した被加工物に対するレーザビームの照射位置や照射強度の変動を抑止できるので、安定したピーニング処理を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明に係るレーザピーニング装置及び方法によれば、液体中に配置した被加工物に対して安定したピーニング処理を施すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、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及び方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１８】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザピーニング装置を示す図である。図１に示すレーザピーニング装置１は、例えば航空機のタービンブレードや原子炉圧力容器のシュラウド溶接部といった被加工物Ｐの加工現場において、被加工物Ｐの表面を硬化させる処理を行うための装置である。
【００１９】
レーザピーニング装置１は、液体２で満たされた有底容器３と、レーザビームＬを出射する光源４と、光源４から出射したレーザビームＬを整形する導光光学系５と、導光光学系５により整形されたレーザビームＬをガイドし、加工領域に向けて出射するガイド体６とを備えて構成されている。
【００２０】
有底容器３を満たす液体２には、例えば純水が用いられる。有底容器３の底部には、例えば水平方向に駆動可能なＸ−Ｙステージ（図示しない）が設けられ、被加工物Ｐは、液体２中においてＸ−Ｙステージ上に略水平に載置される。
【００２１】
光源４には、有底容器３を満たす液体による吸収の影響が小さい波長のレーザビームＬを出射するパルスレーザが用いられる。液体２として純水を用いる場合には、例えば波長が１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザ、又は波長が５３２ｎｍの２倍高調波が用いられる。また、レーザビームＬのピークパワーは、被加工物Ｐの表面において例えば１〜数１０ＧＷ／ｃｍ２となるように設定されている。
【００２２】
導光光学系５は、光源４から出射したレーザビームＬを平行光束化するコリメートレンズ１０と、平行光束化されたレーザビームＬを有底容器３側に向けて反射させる反射ミラー１１と、平行光束化されたレーザビームＬを集光化する集光レンズ１２とによって構成されている。
【００２３】
ガイド体６は、例えば硼珪酸ガラスや石英ガラス等、レーザビームＬに対して光吸収性が小さい材料によって円筒状に形成された本体部６ａを有する光学部品である。本体部６ａの一方端面は、導光光学系５を経て有底容器３側に進行するレーザビームＬが入射する入射面６ｂとなっている。入射面６ｂには、レーザビームＬの反射損失を低減させるための反射防止膜１３が形成されている。
【００２４】
また、本体部６ａの他方端面は、本体部６ａによって案内されたレーザビームＬが被加工物Ｐに向けて出射する出射面６ｃとなっている。出射面６ｃには、例えば酸化チタンからなる光触媒機能性膜１４が形成されている。そして、ガイド体６は、本体部６ａにおける出射面６ｃ側が液体２中に浸された状態で保持部材（図示しない）によって保持され、入射面６ｂは大気に接するように配置され、出射面６ｃは、液体２に接するように配置されている。
【００２５】
次に、上述した構成を備えたレーザピーニング装置１の動作について説明する。
【００２６】
まず、光源４から有底容器３内の液体２の液面２ａと略平行にレーザビームＬを出射させる。出射したレーザビームＬは、導光光学系５によって平行光束化及び集光化されつつ有底容器３側に反射され、ガイド体６の入射面６ｂに入射する。レーザビームＬは、ガイド体６の本体部６ａによって案内されることにより、有底容器３中の液体２の液面２ａを直接通過せずに出射面６ｃから液体２中に出射し、被加工物Ｐの表面に照射される。
【００２７】
レーザビームＬが照射されると、図２に示すように、このレーザビームＬが持つ高いピークパワーによって被加工物Ｐの表面が瞬時に蒸発し、被加工物Ｐの表面で高圧のプラズマが発生・膨張する。このとき、高圧のプラズマが膨張する際の反作用によって被加工物Ｐの表面が塑性変形し、被加工物Ｐの表面から深さ約１．０ｍｍ程度に及ぶ圧縮応力部１５が形成される。この後、被加工物Ｐが載置されたＸ−Ｙステージを走査し、被加工物Ｐの表面における所望の領域に圧縮応力部１５を順次形成すると、被加工物Ｐのピーニング処理が完了する。
【００２８】
以上説明したように、レーザピーニング装置１は、入射面６ｂが大気に接するように配置され、かつ出射面６ｃが液体２に接するように配置されたガイド体６を有しており、このガイド体６を介してレーザビームＬを案内することにより、被加工物Ｐが配置されている液体２の液面２ａを直接通過させることなくレーザビームＬを被加工物Ｐの表面に照射できる。したがって、このレーザピーニング装置１では、液面２ａの揺らぎや液面２ａでの反射の影響を受けずにレーザビームＬを被加工物Ｐに照射でき、液体２中に配置した被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射位置や照射強度の変動を抑止できるので、安定したピーニング処理を行うことが可能となる。
【００２９】
また、ガイド体６の入射面６ｂには、反射防止膜１３が形成されている。例えば液体２として純水を用いた場合、液面２ａに直接レーザビームＬを入射させた場合の反射率は約２％である。これに対し、ガイド体６の入射面６ｂでのレーザビームＬの反射率は、反射防止膜１３によって約０．５％に低減される。これに加えて、ガイド体６の出射面６ｃでのレーザビームＬの反射率は、反射防止膜がなくても約０．４％程度である。したがって、ガイド体６を介してレーザビームＬを液体２中に入射させることにより、レーザビームＬの反射損失を約１％程度低減できる。この結果、被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射強度を高めることができ、ピーニング処理の効率を向上させることが可能となる。
【００３０】
さらに、ガイド体６の出射面６ｃには、光触媒機能性膜１４が形成されている。このため、液体２中に配置されることによって汚れの付着し易い出射面６ｃを、光触媒機能によって自動的にクリーニングできる。
【００３１】
本実施形態の変形例として、図３に示すレーザピーニング装置１Ａのように、円筒形状の軸を中心軸としたグレーデッド型の屈折率分布を有するロッドレンズによってガイド体６の本体部６ｄを形成してもよい。この場合、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することに加え、ガイド体６に集光レンズとしての機能を持たせることができるため、導光光学系５において集光レンズ１２を省くことが可能となり、装置構成を単純化できる。
【００３２】
［第２実施形態］
続いて、本発明に係るレーザピーニング装置の第２実施形態について説明する。本実施形態は、ガイド体６が本体部６ｅと筒部６ｆとによって構成されている点で、ガイド体６が本体部６ａのみで構成されている第１実施形態と相違し、その他の構成については第１実施形態と共通している。
【００３３】
すなわち、第２実施形態に係るレーザピーニング装置２０では、図４に示すように、ガイド体６は、アルミ等の金属によって中空の円筒形状に形成した筒部６ｆと、この筒部６ｆの一端に液密に固定された扁平な本体部６ｅとによって構成されている。このガイド体６は、本体部６ｅが固定された筒部６ｆの一端側が液体２中に浸された状態で保持部材（図示しない）によって保持されている。これにより、本体部６ｅは、液体２の液面２ａよりも深い位置に配置される。そして、本体部６ｅの入射面６ｂは筒部６ｆの内部の大気と接するように配置され、出射面６ｃは、液体２に接するように配置されている。
【００３４】
このレーザピーニング装置２０においても、ガイド体６を介したレーザビームＬの案内により、レーザビームＬが液体２の液面２ａを直接通過しないので、液面２ａの揺らぎや液面２ａでの反射の影響を受けずにレーザビームＬを被加工物Ｐに照射できる。これにより、液体２中に配置した被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射位置や照射強度の変動を抑止できるので、安定したピーニング処理を行うことが可能となる。
【００３５】
また、このレーザピーニング装置１では、ガイド体６の本体部６ｅを通過するレーザビームＬの光路長を小さくできるので、液体２中に配置した被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射位置や照射強度の変動を効果的に抑止でき、一層安定したピーニング処理を行うことが可能となる。
【００３６】
［第３実施形態］
続いて、本発明に係るレーザピーニング装置の第３実施形態について説明する。本実施形態は、ガイド体６の一端側に反射面６ｇを設けている点で、かかる反射面６ｇを設けていない第１実施形態と相違している。
【００３７】
すなわち、第３実施形態に係るレーザピーニング装置３０では、図５に示すように、ガイド体６の本体部６ａは角柱状に形成され、本体部６ａの一方端側の側面が入射面６ｂとなっており、本体部６ａの他方端面が出射面６ｃとなっている。また、本体部６ａの一方端側には、入射面６ｂに対して約４５°で傾斜する傾斜面が形成され、この傾斜面は、入射面６ｂに入射したレーザビームＬを出射面６ｃ側に向けて全反射させる反射面６ｇとなっている。そして、ガイド体６は、本体部６ａの一端側が液体２中に浸された状態で保持部材（図示しない）によって保持され、入射面６ｂは、大気に接するように配置され、出射面６ｃは、液体２に接するように配置されている。
【００３８】
このレーザピーニング装置３０においても、ガイド体６を介したレーザビームＬの案内により、レーザビームＬが液体２の液面２ａを直接通過しないので、液面２ａの揺らぎや液面２ａでの反射の影響を受けずにレーザビームＬを被加工物Ｐに照射できる。これにより、液体２中に配置した被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射位置や照射強度の変動を抑止できるので、安定したピーニング処理を行うことが可能となる。
【００３９】
また、このレーザピーニング装置３０では、レーザビームＬの経路を変える反射ミラーとしての機能をガイド体６に持たせることができるため、導光光学系５において反射ミラー１１を省くことが可能となり、装置構成を単純化できる。
【００４０】
本実施形態の変形例として、図６に示すレーザピーニング装置３０Ａのように、ガイド体６における本体部６ａの反射面６ｇを、所定の曲率で湾曲する湾曲面としてもよい。この場合、反射ミラーとしての機能に加え、レーザビームＬを集光する機能をガイド体６に持たせることができる。これにより、導光光学系５において、反射ミラー１１及び集光レンズ１２の双方を省くことが可能となり、装置構成を一層単純化できる。なお、湾曲面は、曲率が一定なものに限られず、放物面等のように曲率が連続的に変化するものであってもよい。
【００４１】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、有底容器３を満たす液体２は、純水に限られず、例えばオイルや引火性の小さい種々の溶媒を用いてもよい。液体２の種類（或いは液体２を構成する溶媒の種類）によって、レーザビームＬに対する被加工物Ｐの吸収効率は変化する。例えば、被加工物Ｐの表面の材質がアルミニウムである場合には、液体２としてオイルを用いることにより、液体２として純水を用いる場合に比べて、レーザビームＬに対する被加工物Ｐの吸収効率を１０％程度向上させることができる。
【００４２】
また、光源４には、Ｎｄ−ＹＡＧレーザに限られず、例えばエキシマーレーザのように、紫外波長のレーザを用いることもできる。この場合、ガイド体６は、例えばフッ化カルシウムやフッ化マグネシウム等、紫外光に対して光吸収性の小さい材料で形成することが好ましい。
【００４３】
さらに、被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射位置の相対的な走査は、上述したようなＸ−Ｙステージに限られるものではない。例えば、図７に示すように、ガイド体６の本体部６ａにおける入射面６ｂを出射面６ｃに対して傾斜させ、出射面６ｃの中心からずれた位置からレーザビームＬを被加工物Ｐに向けて出射させるようにし、ガイド体６の回転とＸ−Ｙステージの走査（又は反射ミラー１１の角度走査）とを組み合わせて被加工物Ｐに対するレーザビームＬの照射位置の相対的な走査を行ってもよい。
【００４４】
また、図８に示すように、有底容器３の底部に複数のコロ１８を配置し、被加工物Ｐをコロ１８上でスライドさせて、レーザビームＬの照射位置を通過させるようにしてもよい。この場合には、複数の被加工物Ｐを連続的にピーニング処理することが可能となる。なお、液体２中で被加工物Ｐをスライドさせると液面２ａに揺らぎが生じるが、上述した各実施形態においては、ガイド体６を介して液体２にレーザビームＬを入射させるので、液面２ａの揺らぎの影響を回避して、安定したピーニング処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るレーザピーニング装置を示す図である。
【図２】ピーニング処理時の被加工物の状態を示す図である。
【図３】図１に示したレーザピーニング装置の変形例を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るレーザピーニング装置を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るレーザピーニング装置を示す図である。
【図６】図５に示したレーザピーニング装置の変形例を示す図である。
【図７】本発明の変形例に係るレーザピーニング装置を示す図である。
【図８】本発明の別の変形例に係るレーザピーニング装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１，１Ａ，２０，３０，３０Ａ…レーザピーニング装置、２…液体、６…ガイド体、６ｂ…入射面、６ｃ…出射面、６ｇ…反射面、１３…反射防止膜、１４…光触媒機能性膜、Ｌ…レーザビーム、Ｐ…被加工物。
【図１】
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【図２】
2007216241.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007216241.tif 000009
【図８】
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