(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生産用加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング操作の品質管理試験のための方法において、
（ａ）前記レーザ衝撃ピーニング操作によって付与された深部残留圧縮応力を有する領域がレーザ衝撃ピーニング処理表面から前記加工物（１０８）の内部にまで延びているような前記加工物（１０８）上のレーザ衝撃ピーニング処理表面の少なくとも一部分を超音波で走査する工程と、
（ｂ）前記走査から得られた信号を計数化し、そして前記走査から得られた強度値の計数化画像（４４）を形成する工程と、
（ｃ）レーザ衝撃ピーニング処理により形成した複数個のくぼみ（１５８）に対応する複数個の仮想形状（８０）内に包囲されるよう前記計数化画像（４４）の複数の点を区画して強度値を計算し、前記強度値に基づいて前記加工物（１０８）の統計関数に関する統計関数値を計算する工程と、
（ｄ）前記統計関数値を、前記レーザ衝撃ピーニング操作の品質保証あるいは前記加工物（１０８）の合格又は不合格に関する合否判定基準と比較する工程と
を含み、
前記統計関数が前記計数化画像（４４）の４つの統計的性質から成ると共に、前記４つの統計的性質が４つの式により定義されていて、第１の式は平均行列
【数１】
0004090235.tif 000002
（式中、ｄはｋ番目のくぼみ（１５８）内のｘ番目の点に関する強度値であって、それが各々の仮想形状（８０）内のＸ個の画素（４６）又は点について合計されている）であり、第２の式はくぼみ標準偏差行列
【数２】
0004090235.tif 000003
であり、第３の式は平均ベクトル
【数３】
0004090235.tif 000004
であり、かつ第４の式は複数の仮想形状（８０）のそれぞれに関する標準偏差ベクトル
【数４】
0004090235.tif 000005
であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記統計関数値を合否判定基準と比較する工程（ｄ）では、生産用加工物（１０８）と同タイプの試験用加工物（１０９）にレーザ衝撃ピーニング処理を行い且つノッチ（１５２）を付加し、所定の振動数で破損するまで振動させて合格とした試験用加工物（１０９）の高サイクル疲労相関データを合否判断基準とすることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記くぼみ（１５８）が円形であり、前記仮想形状（８０）が円形である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記走査及び放射物が、送信用及び受信用変換器（３０、３２）を使用しながら前記加工物（１０８）の両面に関して実施される超音波透過タイプのものである請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記生産用加工物（１０８）が送風機羽根であり、前記レーザ衝撃ピーニング操作によって付与された深部残留圧縮応力を有する領域は、１行当たり４個のくぼみからなる２行から構成され、該送風機羽根の前縁（ＬＥ）に沿って形成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は、レーザ衝撃ピーニングの品質保証のために使用される品質保証方法に関するものである。更に詳しく言えば本発明は、生産用レーザ衝撃ピーニング操作の品質保証のため、レーザ衝撃ピーニング処理表面の超音波試験及び統計分析のための品質保証方法に関する。
【０００２】
【背景技術の説明】
レーザ衝撃ピーニング（又は「レーザ衝撃加工」とも呼ばれる）は、加工物の表面区域にレーザ衝撃ピーニングを施すことによって付与された深部残留圧縮応力を有する領域を生み出すための方法である。通常のレーザ衝撃ピーニングは、「材料特性の変更」と称する米国特許第３８５０６９８号、「レーザ衝撃加工」と称する米国特許第４４０１４７７号、及び「材料特性」と称する米国特許第５１３１９５７号の明細書中に開示された方法と同じく、高出力パルスレーザからの複数の放射パルスを用いて加工物の表面に衝撃波を生み出すものである。当業界において理解されかつ本明細書中において使用される意味での「レーザ衝撃ピーニング」は、レーザビーム発生源からのレーザビームを用いて表面の一部分に強い局部圧縮力を生み出すものである。かかる目的は、塗装又は被覆された表面あるいは被覆されない表面の瞬間的なアブレーション又は蒸発により爆発力を生み出すことによって達成される。レーザピーニングは、加工物の外面に圧縮応力を有する保護層を生み出すために使用されてきた。これは、「レーザピーニング装置及び方法」と称する米国特許第４９３７４２１号明細書中に開示されているごとく、疲労破損に対する加工物の抵抗性をかなり高めることが知られている。これらの方法においては、操作によって生じた衝撃波を閉込めると共にそれをＬＳＰで処理すべき部品の材料本体中に転向させて有益な残留圧縮応力を生み出す閉込め媒質を得るため、加工物上に流された水のカーテンを使用するか、あるいはその他何らかの方法を使用するのが通例である。
【０００３】
レーザ衝撃ピーニングは、ガスタービンエンジン分野における数多くの用途のために開発されている。かかる用途の一部は、「オンザフライレーザ衝撃ピーニング」と称する米国特許第５７５６９６５号、「レーザ衝撃ピーニングを施したガスタービンエンジン用送風機羽根縁端」と称する同第５５９１００９号、「亀裂を防止又は転向する技術」と称する同第５５６９０１８号、「レーザ衝撃ピーニングを施したガスタービンエンジン用圧縮機羽根縁端に関するゆがみ管理」と称する同第５５３１５７０号、「レーザ衝撃ピーニングを施したターボ機械用ロータ部品」と称する同第５４９２４４７号、「接着テープで被覆されたレーザ衝撃ピーニング」と称する同第５６７４３２９号、及び「乾燥テープで被覆されたレーザ衝撃ピーニング」と称する同第５６７４３２８号の明細書中に開示されている。なお、これらの発明はいずれも本発明の譲受人に譲渡されたものである。上記及びその他の用途においては、レーザ衝撃ピーニングを用いた生産操業に際して効率的な品質保証試験が必要となる。
【０００４】
ＬＳＰは材料の深部処理であるから、体積に係わるＬＳＰ効果を表わす品質保証試験が得られれば望ましい。また、実質的に相等しい残留圧縮応力を加工物の両側に（すなわち、ガスタービンエンジン用送風機羽根の前縁に沿って）付与する両面ＬＳＰ操作又は同時両面ＬＳＰ操作に適合した品質保証（ＱＡ）方法を得ることも望ましい。
【０００５】
以前に使用されていたレーザ衝撃ピーニング品質保証技術の一例は、ＬＳＰで処理されかつ試験前にＬＳＰ処理区域にノッチを付けた前縁を有する羽根の高サイクル疲労（ＨＣＦ）試験である。この方法は試験片を破壊するものであり、実施のためにかなりの費用及び時間を消費し、かつ生産及びＬＳＰ処理部品の合否判定操作を著しく遅らせる。ＬＳＰの測定及び管理を行うための改良された品質保証方法としては、費用が安く、正確で、かつ迅速な非破壊評価（ＮＤＥ）方法が極めて望ましい。また、費用が比較的安く済むばかりでなく、加工物の試料採取を行う代りに各々の加工物に関して使用するのに十分な程度の経済性を有するようなＮＤＥ品質保証方法を得ることも望ましい。ＬＳＰは、いかなる生産技術と共に使用する場合であれ、機械設備を必要とする上、多くの時間及び費用を消費する操作である。それ故、生産設備の量又は複雑度及び（又は）生産時間を低減させ得るような技術が得られれば極めて望ましいわけである。
【０００６】
「レーザ衝撃ピーニングによって生じたくぼみの体積分析によるレーザ衝撃ピーニングの品質保証」と称する米国特許第５９４８２９３号明細書中には、レーザ衝撃ピーニング操作における１回のレーザ投射によって生み出された１個のレーザ衝撃ピーニング処理試験用くぼみの体積測定データを得るための干渉輪郭測定方法及び装置が開示されている。また、「レイリー波の臨界角の測定」と称する米国特許第５９８７９９１号、「多重超音波変換器式回転走査装置及びそれの使用方法」と称する同第５９７４８８９号、及び「平面内たわみ試験クーポンを用いてレーザ衝撃ピーニングを監視しかつ管理する方法」と称する同第５９５１７９０号の明細書中には、その他のＱＡ方法が開示されている。
【０００７】
【発明の概要】
生産用加工物のレーザ衝撃ピーニング操作の品質管理試験のための方法が開示される。かかる方法は、(a)レーザ衝撃ピーニング操作によって付与された深部残留圧縮応力を有する領域がレーザ衝撃ピーニング処理表面から加工物の内部にまで延びているような加工物上のレーザ衝撃ピーニング処理表面の少なくとも一部分を超音波で走査する工程と、(b)走査から得られた信号を計数化し、そして走査から得られた強度値の計数化画像を形成する工程と、(c)強度値に基づいて加工物の計数化画像の複数の点に関する少なくとも１つの統計関数値を計算する工程と、(d)かかる統計関数値を、レーザ衝撃ピーニング操作の品質保証あるいは加工物の合格又は不合格に関する合否判定基準と比較する工程とを含んでいる。
【０００８】
本発明の実施の一態様においては、計数化画像の複数の点が、レーザ衝撃ピーニング処理表面の一部分の内部にあるレーザ衝撃ピーニング処理くぼみに対応した１群の円によって区画される。上記の統計関数は、４つの式により定義された計数化画像の４つの統計的性質の少なくとも１つから成る。それら４つの式とは、ｋ番目のくぼみに関する平均行列ＭＭ(ｋ)、くぼみ標準偏差行列ＳＤＭ(ｋ)、１群の円内の全ての点に関する平均ベクトルＭＶ(ｘ)（ここに、ｘは各々のくぼみ内における画素の数である）、及び１群の円のそれぞれに関する標準偏差ベクトルＳＤＶ(ｘ)である。３つのタイプの統計関数として、くぼみ平均行列の平均Ｆ１、標準偏差行列の平均Ｆ２、及び標準偏差ベクトルの平均Ｆ３が挙げられる。
【０００９】
別の実施の態様においては、計数化画像の複数の点がレーザ衝撃ピーニング処理表面の一部分の内部にあるレーザ衝撃ピーニング処理くぼみを包囲する長方形によって区画されると共に、統計関数はソーベル演算子を含むソーベル関数Ｆ４である。
【００１０】
上記の合否判定基準は、試験片の統計関数データと、同一又は同様なレーザ衝撃ピーニング装置においてレーザ衝撃ピーニングを施された試験片の高サイクル疲労試験に基づく高サイクル疲労破損データとの間において予め決定された相関関係に基づいている。かかる試験片の各々は、同一又は同様なレーザ衝撃ピーニング装置においてレーザ衝撃ピーニングを施された試験片のレーザ衝撃ピーニング処理区域内に破損を促進する傷を有している。
【００１１】
本発明の上記及びその他の特徴は、添付の図面を参照しながら以下の説明を考察することによって一層良く理解されよう。
【００１２】
【好適な実施の態様の詳細な説明】
品質保証は、通例、合否判定型（すなわち、合格−不合格判定型）の分析である。本発明の方法及び技術は、生産用加工物（たとえば、図１、２及び３に示された典型的な航空機用ターボファン式ガスタービンエンジンの生産用送風機羽根１０８）に対するレーザ衝撃ピーニング操作の品質保証を行うものである。図１には、レーザ衝撃ピーニング操作の品質管理のための品質保証方法を実施するために使用される超音波走査システム１０が略示されている。本発明の方法及び技術は、生産用加工物（たとえば、米国特許第５４９２４４７、５６７４３２９、５６７４３２８及び５５９１００９号明細書中に開示されているもののごとき、典型的な航空機用ターボファン式ガスタービンエンジンの送風機羽根１０８又はその他の金属材料製物体）に対するレーザ衝撃ピーニング操作の品質保証を行うものである。本発明の方法は、各々の加工物のレーザ衝撃ピーニングの途中又は終了後、あるいは加工物バッチのレーザ衝撃ピーニングの終了後又は開始前に実施される試験である。生産操業中には、超音波強度データに関する１つ以上の関数が、所定の合否判定基準（たとえば、加工物の合否を判定するための高サイクル疲労相関データ）と比較される。
【００１３】
図２及び図３について説明すれば、生産用送風機羽根１０８は、羽根のプラットホーム１３６から羽根先端１３８まで半径方向に沿って外方に延びるエーロフォイル１３４と、プラットホーム１３６から半径方向に沿って内方に延びる基底部１４０とを含んでいる。基底部１４０は、羽根のシャンク１４４によって羽根のプラットホーム１３６に連結された羽根の根元１４２を有している。エーロフォイル１３４は、翼弦方向において前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間に延びている。送風機羽根１０８の前縁区域１５０は、エーロフォイル１３４の前縁ＬＥに沿って羽根のプラットホーム１３６から羽根先端１３８まで延びている。エーロフォイル１３４は、それの前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間に延びる圧力側壁１４６及び吸引側壁１４８を有している。前縁区域１５０は、エンジンの運転に際しエーロフォイル１３４の前縁に沿って切れ目や裂け目の起こり得る区域を含むように予め決定された第１の幅Ｗを有している。エーロフォイル１３４は、エンジンの運転時に回転する送風機羽根１０８によって発生される遠心力のために顕著な引張応力場に暴露される。エーロフォイル１３４はまた、エンジンの運転時に発生する振動にも暴露される。その結果、切れ目や裂け目は高サイクル疲労応力発生部位として作用し、そしてそれらの周囲に追加の応力集中を生み出す。
【００１４】
切れ目や裂け目から発生して延びることのある亀裂線に沿って羽根の一部分が疲労破損を起こすのを防止するため、初期の切れ目や裂け目が高サイクル疲労のために羽根の破損を引起こす可能性のある前縁ＬＥの一部分に沿ってレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５が配置されている。レーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５の内部には、圧力側壁１４６及び吸引側壁１４８の少なくとも一方（又は図示のごとくに両方）に対して同時にレーザ衝撃ピーニングを施す。このことにより、図２に示されるごとく、圧力側壁側及び吸引側壁側のレーザ衝撃ピーニング処理表面１５３及び１５４が形成されると共に、レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）によって付与された深部残留圧縮応力を有しかつレーザ衝撃ピーニング処理表面からエーロフォイル１３４中に延びる圧力側壁側及び吸引側壁側のプレストレスト領域１５５及び１５６がそれらに対応して形成される。かかるプレストレスト領域１５５及び１５６は前縁区域１５０の一部分のみに沿って図示されているが、所望ならば前縁ＬＥの全体又はより長い部分に沿って延びていてもよい。
【００１５】
かかる実施の態様に係わる所定の判定基準は、超音波強度データに関する１つ以上の関数と、図１１に示されたレーザ衝撃ピーニング済みかつノッチ付きの試験用送風機羽根１０９によって例示されるような試験用加工物の高サイクル疲労データとの相関関係に基づいている。なお、生産用及び試験用の送風機羽根１０８及び１０９には、それぞれ生産操業及び相関関係決定用のＨＣＦ試験作業に際して同じやり方でレーザ衝撃ピーニングが施される。
【００１６】
図１には、レーザ衝撃ピーニング操作の品質管理のための品質保証方法を実施するために使用される超音波走査システム１０が略示されている。かかるシステム１０は、図２に一層詳しく示されるレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５を有する生産用送風機羽根１０８によって例示される生産用及び試験用の加工物に関して使用される。かかる方法に従えば、パッチ１４５の少なくとも一部分が超音波で走査され、超音波信号が測定され、超音波信号を計数化した後に計数化超音波強度データが記録され、超音波強度信号から得られた計数化超音波強度データに関する少なくとも１つの統計関数が計算され、そしてかかる統計関数を同じタイプの統計関数に関する高サイクル疲労相関データと比較することによってレーザ衝撃ピーニング操作又はレーザ衝撃ピーニング処理製品が合格か否かが判定される。
【００１７】
図１に示された本発明の実施の一態様は超音波走査を使用するものであって、超音波走査システム１０はレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５の範囲内の送風機羽根１０８を通過して超音波受信用変換器３２に到達するように超音波ビーム２８を放射するための超音波送信用変換器３０を含んでいる。送風機羽根１０８はキャリヤ７０上に取付けられ、そしてレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５を含む羽根の一部分は水のごとき超音波媒体４０中に沈められている。キャリヤ７０は、超音波送信用変換器３０からの超音波ビーム２８がレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５を通過して超音波受信用変換器３２に到達するように送風機羽根１０８を移動させるために役立つ。その間、コンピュータ４２又はその他の記録装置により、受信用変換器からの電子信号がパッチに対するレーザ衝撃ピーニングの作用によって生じたくぼみにおける材料密度及び該くぼみの形態の関数として記録される。キャリヤ７０は、固定された超音波ビーム２８、超音波送信用変換器３０及び超音波受信用変換器３２に対して送風機羽根１０８の位置決めを行うため、図示のごとくＸ、Ｙ及びＺ方向に送風機羽根１０８を並進させると共にＡ及びＢ軸の回りに送風機羽根を回転させるための多軸運動手段を有している。キャリヤ７０の運動は、ユーザによって操作されるキーボード７６を使用しながら制御装置７４によって制御することができる。
【００１８】
記録された電子信号は超音波強度像４４に変換される。この超音波強度像４４はコンピュータ４２中に保存され、そして図４に示されるごとくコンピュータ４２の画面４８上に表示することができる。一般的に述べれば、本発明は様々な種類の放射物を使用することができる。かかる放射物はコンピュータを用いて処理され、そして計算機処理された数値配列として記録されるか、あるいは図４に示されるような複数の画素４６として計数化超音波強度像４４中に記録される。これらの記録は、次いで統計関数を用いて分析される。
【００１９】
本明細書中に例示される実施の態様においては、超音波ビーム２０によるパッチ１４５の走査に基づいて記録された強度データから得られた画素データが使用される。図４には、図１及び２におけるレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５の走査から得られた画素形式の超音波強度データを表わすディジタル画像が示されている。本発明の統計分析の一具体例において使用される画素データを区画するため、複数の画素４６の一部分を包囲する８つの仮想円８０が選択されている。各々の仮想円８０は、レーザ衝撃ピーニングを施された円形くぼみ１５８の１つに対応している。くぼみが円形でない場合には、仮想円に代るものとして他の仮想形状を使用することもできる。ほぼ８種類までの仮想形状又は円を使用することができる。
【００２０】
図５は、図４からの強度データを分析すると共に、図４に示された強度データから統計関数を計算するために使用される仮想円８０内の点１１４の配列１１２を示すものである。強度データから計算された統計関数の結果を同じタイプの統計関数に関する高サイクル疲労相関データと比較することにより、レーザ衝撃ピーニング操作又はレーザ衝撃ピーニング処理製品が合格か否かが判定される。
【００２１】
本明細書中に例示された統計関数は、計数化された超音波強度像４４の４つの統計的性質を使用するものである。これらの統計的性質は図８中の式によって定義される。それらの統計的性質とは、（羽根１本につきＫ＝８個のくぼみについて示された）ｋ番目のくぼみに関する平均行列ＭＭ(ｋ) 、くぼみ標準偏差行列ＳＤＭ(ｋ)、各々のくぼみ内のｘ番目の画素に関する平均ベクトルＭＶ(ｘ)〔ここに、ｘは各々のくぼみ内における点又は画素の総数（図示の場合は３７７個）である〕、及び標準偏差ベクトルＳＤＶ(ｘ)である。
【００２２】
図９中の式は、本発明の分析において使用するのに適した４つの選択可能な統計関数（Ｆ１〜Ｆ４）を定義するものである。かかる統計関数（Ｆ１〜Ｆ４）の各々は、それぞれの加工物又は羽根について計算される。第１の統計関数はくぼみ平均行列の平均Ｆ１であって、これは（最大で全てのくぼみを含む）１行以上のくぼみを用いて計算される。本明細書中に例示された実施の態様においては、１行当り４個のくぼみ及び羽根１本当り２行のくぼみが使用される。この場合、羽根１本当り８個のくぼみ及び各々のくぼみ内に３７７個の画素点が存在する。従って、この関数はｋ＝１〜８及びｘ＝１〜３７７にわたって合計される。測定される変数はｄk(ｘ)であるが、これはｋ番目のくぼみ内の画素強度である。先ず、各々のくぼみ(ｘ)に関する３７７個の画素強度値ｄk(ｘ)が合計され、そして得られた８つのくぼみ和を合計することによって総和が得られる。次いで、くぼみ(ｘ)の数であるＫで総和を割ることにより、各々の羽根についてくぼみ平均行列の平均Ｆ１が計算される。
【００２３】
第２の統計関数は標準偏差行列の平均Ｆ２であって、これは（最大で全てのくぼみを含む）１行以上のくぼみを用いて計算される。本明細書中に例示された実施の態様においては、１行当り４個のくぼみ及び羽根１本当り２行のくぼみが使用される。この場合にも、１行当り４個のくぼみ及び羽根１本当り２行のくぼみが使用され、そして各々のくぼみは３７７個の画素点を有している。Ｋ個のくぼみのそれぞれについて、３７７個の画素に関する標準偏差（ＳＤ）が計算される。次いで、Ｋ個のＳＤを合計した後、その和をくぼみの総数Ｋで割ればよい。
【００２４】
第３の統計関数は標準偏差ベクトルの平均Ｆ３であって、これは（最大で全てのくぼみを含む）１行以上のくぼみを用いて計算される。本明細書中に例示された実施の態様においては、１行当り４個のくぼみ及び羽根１本当り２行のくぼみが使用される。１行当り４個のくぼみ及び羽根１本当り２行のくぼみが存在するものとすれば、８個のくぼみが存在することになる。各々のくぼみは３７７個の画素点を有している。先ず、３７７個の画素のそれぞれについて、８個のくぼみに関する標準偏差ベクトル（ＳＤＶ）が計算される。次いで、３７７個のＳＤＶを合計した後、その和を点の総数である３７７で割ればよい。
【００２５】
図６には、図１及び２におけるレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５の走査から得られた画素形式の超音波強度データを表わすディジタル画像が示され、そして複数の画素（及び仮想円８０）の一部分が仮想長方形８４によって区画されている。かかる仮想長方形８４は、図９に示された第４の統計関数（ソーベル関数Ｆ４）と共に使用される画素データを区画するために使用されている。本明細書中に例示された実施の態様において使用される仮想長方形８４は、１行当り３個のくぼみ及び羽根１本当り３行のくぼみを包囲している。ソーベル関数Ｆ４の式において、ｉ及びｊは図７中の長方形８４の内部におけるｘ及びｙ方向の点を表わす。図７に例示された長方形の面積は２インチ(50.8mm)×１／２インチ(12.7mm)である。長方形８４は、ｘ方向において２インチの長さを有し、かつｙ方向において１／２インチの長さを有する。長方形内の画素強度は２５０×５０個の点に分解されるから、ｉ＝１〜２５０かつｊ＝１〜５０である。
【００２６】
関数ｄu,v は各々の点ｉ，ｊに関する９個の点ｕ，ｖにおける画素値であり、また関数ｗu,v は図１０に示されるようなｕ，ｖにおけるソーベル演算子である。本明細書中に例示された実施の態様においては、３×３のソーベル演算子Ｗが使用される。変数ｕ，ｖは配列中の位置を表わすが、それらは画像中の画素配列中における点ｉ，ｊ及び８個の周囲点を含んでいる。従って、ｕ＝１〜３かつｖ＝１〜３である。Ｆ４を取扱いの容易な小さい数にするため、スケーリング因子Ｎ（この実施の態様においては１００００）が使用される。ソーベル演算子は、画素強度データを用いたエッジ検出及び画像強調技術において使用されることが公知である。ここで使用されるソーベル演算子は、３×３の非線形エッジ強調用のものである。
【００２７】
図１０に示されるごとく、ソーベル演算子Ｗは３×３の演算子配列を成している。これは、番号５１によって表わされる配列中の中心の数である特定の画素強度Ｄにはゼロを掛ける。それはまた、図１０に示されるごとく、左から右への時計回りの方向に沿って全ての周囲の画素にそれぞれ−１、−２、−１、０、１、２、１及び０を掛ける。掛算によって得られた値の全てを合計すれば、対象とする特定の画素強度に対する新しい置換値が得られる。上から下に向かって空間的不連続性が存在しなければ、問題の画素よりも上方の画素には、問題の画素よりも下方の乗数と同等な負の数が掛けられることになる。それ故、画素数が相対的に同じであれば、その和はゼロに近くなるわけである。
【００２８】
本明細書中に例示された試験用送風機羽根１０９に関する高サイクル疲労（ＨＣＦ）相関データは、図１１に示されるごとくにレーザ衝撃ピーニングを施されかつノッチを付けられた試験用送風機羽根１０９（すなわち、破損を促進するためのノッチを付けた実物大のもの）の疲労試験結果に基づいている。試験片又は試験用送風機羽根１０９は実際の生産用送風機羽根１０８と同様にして製造されたものであるが、試験用送風機羽根１０９にはレーザ衝撃ピーニングを施してパッチ１４５を形成した後にノッチ１５２が付加されている。
【００２９】
レーザ衝撃ピーニングを施された試験用送風機羽根１０９が超音波で走査され、そして計数化された超音波強度データが統計分析のために保存される。走査から得られた計数化超音波強度データの統計分析の結果と比較する目的で生産操業に際して使用するための合否判定基準を作成するためには、ＨＣＦ試験を使用することができる。その場合には、計数化超音波強度データが記録され、そして相関関係決定目的のために分析される。すなわち、レーザ衝撃ピーニングを施された試験用送風機羽根１０９が第１モードの振動数で破損するまで振動させられる。相関関係を決定するためには、複数又はただ１個の試験用送風機羽根１０９にノッチを付け、そして高サイクル疲労試験を施せばよい。高サイクル疲労を引起こすため、レーザ衝撃ピーニングを施された各々の試験用送風機羽根１０９のレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５には（破損を促進する傷を表わす）ノッチ１５２が設けられる。かかるノッチ１５２は、羽根にレーザ衝撃ピーニングを施した後、プレストレスト領域１５５及び１５６の所定位置に設けられる。かかるノッチ１５２は、所定のモード線（たとえば、第１モード線ＬＭ）を中心として配置することができる。試験用羽根が羽根から出る強制関数の時間及び振幅に関して標準又は試験基準に適合すれば、それは合格である。次に、これらの結果を生産操業に際して使用することにより、レーザ衝撃ピーニング操作の合否を試験することができる。なお、生産用レーザ衝撃ピーニングに関するパラメータが変化しない限り、生産操業全体に対して１回の較正を行えばよいものと考えられる。
【００３０】
図１２には、送風機羽根１０８にレーザ衝撃ピーニングを施すためのレーザ衝撃ピーニング装置１０１が示されている。送風機羽根１０８は、コンピュータによって数値制御（ＣＮＣ）された５軸のマニプレータ１２７に固定された取付具１５に取付けられている。この実施の態様において示された５つの運動軸とは、ＣＮＣ加工分野において公知である通常の並進軸Ｘ、Ｙ及びＺ並びに通常の回転軸Ａ及びＣである。マニプレータ１２７は、生産用及び試験用送風機羽根１０８及び１０９の移動及び位置決めを行い、それにより「オン・ザ・フライ」の状態でレーザ衝撃ピーニングを施すために役立つ。レーザ衝撃ピーニングは、アブレーティブ媒質としてペイント又はテープを使用しながら様々なやり方で実施することができる（「粘着テープ被覆レーザ衝撃ピーニング」と称する米国特許第５６７４３２９号明細書を参照されたい）。なお、（試験片及び加工物をそれぞれ表わす）生産用送風機羽根１０８及び試験用送風機羽根１０９の前縁区域１５０にレーザ衝撃ピーニング操作を施す際には、同じレーザ衝撃ピーニング装置１０１が使用される。
【００３１】
レーザ衝撃ピーニングを施されてレーザ衝撃ピーニング処理パッチ１４５を形成するための区域においては、米国特許第５６７４３２９及び５６７４３２８号明細書中に開示されているごとく、圧力側壁側及び吸引側壁側のレーザ衝撃ピーニング処理表面１５３及び１５４はペイント又は粘着テープのごときアブレーティブ被膜で被覆され、それによって被覆表面を形成している。かかる被膜はアブレーティブ媒質を提供し、そしてその上には流水カーテン１２１のごとき透明な流体カーテンから通例成る透明な閉込め媒質が配置される。
【００３２】
レーザビームの衝撃によって誘起される深部残留圧縮応力は、２つの高出力レーザビーム１０２を繰返して投射することによって生み出すことができる。それらのレーザビームの各々は、生産用送風機羽根１０８の圧力側壁１４６及び吸引側壁１４８における圧力側壁側及び吸引側壁側の被覆されたレーザ衝撃ピーニング処理表面１５３及び１５４に対して±数ミルだけ焦点がぼかされている。各々のレーザビームは、通常の給水管１２０の末端に設けられた通常の水ノズル１２３によって供給される流水カーテン１２１を通して投射される。流水カーテン１２１は被覆表面上に流される。被膜がアブレーションを受けてプラズマを生成すると、それは材料の表面に衝撃波を及ぼす。ペイントに対する適当な代用物として、その他のアブレーティブ材料を用いて表面を被覆することもできる。このような被膜材料としては、米国特許第５６７４３２９及び５６７４３２８号明細書中に開示されているような金属箔及び粘着プラスチックテープが挙げられる。かかる衝撃波は流水カーテン１２１によって被覆表面に向けて転向させられ、そして被覆表面下方の材料中に進行衝撃波（圧力波）を生じる。かかる衝撃波の振幅及び量により、圧縮応力の深さ及び強度が決定される。このようなアブレーティブ被膜は、標的表面を保護すると共に、プラズマを発生させるために使用される。圧縮応力によるプレストレスト領域においてレーザビームの衝撃によって誘起された深部残留圧縮応力は一般に約５０〜１５０ＫＰＳＩ（キロポンド／平方インチ）であって、これはレーザ衝撃ピーニング処理表面からプレストレスト領域中に約２０〜５０ミルの深さまで延びている。
【００３３】
生産用送風機羽根１０８が連続的に移動している間に、静止した高出力レーザビーム１０２が圧力側壁側及び吸引側壁側の被覆されたレーザ衝撃ピーニング処理表面１５３及び１５４上の流水カーテン１２１を通して連続的に投射され、それによって互いに離隔したレーザ衝撃ピーニング処理円形スポット又はくぼみ１５８が形成される。生産用送風機羽根１０８には、生産操業に際し、相関関係決定のためのＨＣＦ試験作業の際と同じやり方でレーザ衝撃ピーニングが施される。制御装置１２４は、レーザ衝撃ピーニング装置１０１を調整しかつ制御することにより、被覆表面にレーザビーム１０２を管理下で投射するために使用される。なお、アブレーティブ被膜材料は流水カーテン１２１によって洗い流される。
【００３４】
本明細書中に例示された本発明方法の具体例においては、羽根を連続的に移動させながらテープ表面に対してレーザビームが連続的に投射される。それにより、互いに隣接したレーザ衝撃ピーニング処理円形スポットに様々な順序でレーザビームを投射することができる。とは言え、ビームと表面との間において相対運動が行われた場合にのみ、レーザビームを投射することもできる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施の態様を説明したが、上記の記載に基づけば本発明のその他の変更態様は当業者にとって自明であろう。それ故、前記特許請求の範囲は本発明の真の精神及び範囲に含まれる全てのかかる変更態様を包括することが意図されている。従って、アメリカ合衆国の特許証によって確保したいと望むものは、前記特許請求の範囲によって規定されかつ弁別された発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一態様に係わる方法に従い、送風機羽根のレーザ衝撃ピーニング処理パッチの一部分を超音波で走査して超音波強度像を生み出すための超音波走査システムの構成を示す略図である。
【図２】本発明の実施の一態様において使用されるレーザ衝撃ピーニング済みの生産用加工物の実例を成す生産用送風機羽根の斜視図である。
【図３】図２中の線３−３に関する送風機羽根の断面図である。
【図４】図２のレーザ衝撃ピーニング処理パッチの走査から得られた超音波強度データ及び本発明の実施の態様の一部において使用されるデータを区画する仮想円を示すコンピュータ画面の図である。
【図５】一部の統計関数を計算するために使用される、図４中の強度データの仮想円の１つに含まれる点を示す図である。
【図６】ソーベル演算子統計関数と共に使用される超音波強度データの集合を仮想長方形で包囲した、図４のコンピュータ画面の図である。
【図７】ソーベル演算子統計関数と共に使用される図６中の強度データの仮想長方形に含まれる点を示す図である。
【図８】図４中の点の強度データを分析するために使用される４つの統計的性質を示す図である。
【図９】図４及び６中の点の強度データを分析するために使用される４つの典型的な統計関数を示す図である。
【図１０】図９中のソーベル統計関数Ｆ４において使用されるソーベル演算子を示す図である。
【図１１】高サイクル疲労破損データと典型的な統計関数との間の相関関係を決定するために使用される試験片の実例を成す試験用送風機羽根の斜視図である。
【図１２】レーザ衝撃ピーニング装置に取付けられた図１及び２の羽根の概略斜視図である。
【符号の説明】
１０  超音波走査システム
２８  超音波ビーム
３０  超音波送信用変換器
３２  超音波受信用変換器
４０  超音波媒体
４２  コンピュータ
４４  計数化画像
４６  画素
４８  画面
７０  キャリヤ
７４  制御装置
７６  キーボード
８０  円
８４  長方形
１０１  レーザ衝撃ピーニング装置
１０２  レーザビーム
１０８  生産用加工物又は送風機羽根
１０９  試験用加工物又は送風機羽根
１１２  配列
１１４  点
１２１  流水カーテン
１２３  水ノズル
１２７  マニプレータ
１３４  エーロフォイル
１４５  パッチ
１４６  圧力側壁
１４８  吸引側壁
１５２  ノッチ
１５３  圧力側壁側のレーザ衝撃ピーニング処理表面
１５４  吸引側壁側のレーザ衝撃ピーニング処理表面
１５８  レーザ衝撃ピーニング処理くぼみ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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