連続動作レーザショックピーニング
【課題】 本発明は、レーザショックピーニングに関し、より具体的には、レーザショックピーニング中にレーザ発射と動作システムとを同期させる装置及び方法に関する。
【解決手段】 レーザコントローラ（２４）は、レーザビーム（２）を起動することなしにレーザフラッシュランプ（７０）をあるフラッシュレート（７３）で点滅させるスタンバイモードと、レーザビームパルス（７７）の形態のレーザビーム（２）を起動して発射する発射モードとを有する。レーザコントローラ（２４）は、レーザビームパルス（７７）を発射するために電子制御動作コントローラ（２５）によってレーザインターフェースコントローラ（２４）に供給されるトリガー信号（９３）と、フラッシュレート（７３）とを実質的にレーザビームパルス（７７）が発生されることになる時間において同期させる同期手段（２７）を含む。
【解決手段】 レーザコントローラ（２４）は、レーザビーム（２）を起動することなしにレーザフラッシュランプ（７０）をあるフラッシュレート（７３）で点滅させるスタンバイモードと、レーザビームパルス（７７）の形態のレーザビーム（２）を起動して発射する発射モードとを有する。レーザコントローラ（２４）は、レーザビームパルス（７７）を発射するために電子制御動作コントローラ（２５）によってレーザインターフェースコントローラ（２４）に供給されるトリガー信号（９３）と、フラッシュレート（７３）とを実質的にレーザビームパルス（７７）が発生されることになる時間において同期させる同期手段（２７）を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザショックピーニングに関し、より具体的には、レーザショックピーニング中にレーザ発射と動作システムとを同期させる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザショックピーニング（ＬＳＰ）は、レーザショック加工とも呼ばれ、物品の表面区域をレーザショックピーニングすることによって加えられる深い圧縮残留応力の領域を生成するためのプロセスである。レーザショックピーニングは一般的に、高出力及び低出力パルスレーザによる１つ又はそれ以上の放射パルスを使用して、物品の表面において強い衝撃波を生成するものであり、これは、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されている方法と類似している。レーザショックピーニングは、当該技術分野で知られており且つ本明細書で使用する場合、レーザビーム源からのパルスレーザビームを利用して、レーザビームの衝突点において、その表面の薄層又はプラズマを形成するその表面上のコーティング（テープ又はペイントのような）を瞬間的にアブレーション又は蒸発によって爆発力を発生させることにより、表面の一部に強力な局所的圧縮力を生成することを意味する。
【０００３】
ガスタービンエンジン分野で多くの用途向けにレーザショックピーニングが開発されてきており、その幾つかは、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９に開示されており、これらの全ての特許は本特許出願人に譲渡されている。
【０００４】
約２０から約５０ジュールの高エネルギーレーザビーム又は約３から約１０ジュールの低エネルギーレーザビームが使用されてきており、他のエネルギー水準が企図される。例えば、高エネルギーレーザを使用するＬＳＰ加工を開示する、特許文献８、及び特許文献１０を参照されたい。低エネルギーレーザビームは、ネオジムドープのイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ ＹＡＧ）、Ｎｄ：ＹＬＦ、及びその他のような異なるレーザ材料を使用して生成することができる。
【０００５】
レーザショックピーニングで大きな区域をカバーするためには、多数のレーザショットを取得する必要があり、従って、レーザを発射及び移動段階及びシステムの同期を必要とするＬＳＰ連続プロセスを有することが望ましい。レーザショックピーニングされるべき全区域をレーザショックピーニングされたスポットで覆うためには、レーザが異なる場所で加工物に衝突するようにレーザショックピーニングされる加工物とレーザビームとの間で移動を行う必要がある。連続的移動で加工を行う場合に同期が無いければ、スポットの１つのパス又は層から次のパス又は層へのレーザショックピーニングのスポット配置に対して必要な再現性要件を満たすことはできない。１つの層又はパス上へのレーザショックピーニングされたスポットは、以前の層又はパス上へのスポットの間にヒットしなければならない。
【０００６】
レーザショックピーニングは通常、加工物の固定位置への移動が含まれ、移動が停止するとレーザが発射されて、次いで部品の移動を再開し、次のレーザ発射のために加工物を再配置する。この停止と開始動作が、レーザショックピーニングされる区域又はパッチが完了するまで繰り返される。オンザフライレーザショックピーニングは、特許文献１０で開示されており、これは、レーザビームスポットの重複する列を形成する固定送り速度移動システムにより固定の一定レーザパルスレートを使用することを含む。重複しないショットを１つの層の上で加工するため、及びより以前の層からなるレーザショックピーニングされたスポットと重複する後続の層の上にあるスポット間にレーザショックピーニングされたスポットを配置するために必要となるレーザショックピーニングされたスポットをより正確に位置付けることが望ましい。
【特許文献１】米国特許第３，８５０，６９８号公報
【特許文献２】米国特許第４，４０１，４４７号公報
【特許文献３】特表０６−５０５８３４号公報
【特許文献４】米国特許第５，７５６，９６５号公報
【特許文献５】米国特許第５，５９１，００９号公報
【特許文献６】米国特許第５，５３１，５７０号公報
【特許文献７】米国特許第５，４９２，４４７号公報
【特許文献８】特表１１−５０８８２６号公報
【特許文献９】特表１１−５０９７８２号公報
【特許文献１０】特表２０００−５０４８９０号公報
【特許文献１１】米国特許第６，１５９，６１９号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
連続動作レーザショックピーニング装置は、加工物をレーザショックピーニングするためにレーザビームを発生するレーザユニットと、加工物を連続的に移動させて位置決めするようにマニピュレータに制御可能に接続された動作コントローラと、レーザユニットからレーザビームを変調して発射するレーザコントローラとを含む。レーザ発射システムは、レーザビームをレーザユニットから発射するために使用される。動作コントローラは、レーザコントローラに動作可能に接続されて、動作コントローラの速度制御からの軸位置フィードバックに基づいてレーザビームを発射する。本装置の例示的な実施形態は、レーザユニットにおいてレージングロッドを作動させるように動作可能に配置された少なくとも１つのフラッシュランプを含む。レーザコントローラは、レーザユニットからレーザビームを変調して発射するための第１及び第２のモードを有する。第１のモードは、レーザビームを起動することなしにフラッシュランプをあるフラッシュレートで点滅させるスタンバイモードである。第２のモードは、レーザビームパルスの形態でレーザビームを起動して発射する発射モードである。レーザコントローラは、レーザビームのレーザビームパルスを発射するために、電子制御動作コントローラによってレーザインターフェースコントローラに供給されるトリガー信号と、フラッシュランプの点滅のフラッシュレートとを、実質的にレーザビームパルスが発生されることになる時間において同期させる同期手段を含む。
【０００８】
連続動作レーザショックピーニング装置の１つの例示的な実施形態は、レーザコントローラに動作可能に接続され、且つマニピュレータの１つ又はそれ以上の軸に沿って所定間隔に基づいてレーザビームを発射するようにプログラムされた動作コントローラを含む。所定間隔は、動作コントローラによって発生されたエンコーダ計数値に基づき、且つ軸に沿う距離を表す。
【０００９】
本装置の更に別の特定の実施形態では、レーザユニットの発振器は、前方及び後方ミラーとフラッシュランプとの間に動作可能に配置されたレージングロッドを含む。シャッターは、前方ミラーとレージングロッドとの間に配置され、Ｑスイッチは、レージングロッドと後方ミラーとの間に配置される。Ｑスイッチは、レーザビームパルスを起動して発射するために、レーザコントローラに制御可能に接続される。
【００１０】
本装置の更に別の特定の代替的実施形態では、発振器は、前方及び後方ミラーとフラッシュランプとの間に動作可能に配置されたレージングロッドを含む。二重ポッケルセルが、発振器からビームを導き出すパスに沿って発振器と高速シャッターとの間に直接的に配置される。高速シャッターと二重ポッケルセルは、レーザコントローラに制御可能に接続される。
【００１１】
連続動作レーザショックピーニングを行う方法は、発振器を有するレーザユニットを使用して加工物のレーザショックピーニング表面上にレーザビームからなるレーザビームパルスを発射して、レーザショックピーニング表面上にレーザビームの少なくとも単一のパスでレーザショックピーニングされたスポットの少なくとも第１の列を形成する段階を含む。本方法は更に、レーザインターフェースコントローラでレーザユニットを変調及び制御してレーザショックピーニング表面上にレーザビームを発射する段階と、電子制御動作コントローラによって制御されるマニピュレータを使用して加工物を連続的に移動させて位置決めする段階と、レーザインターフェースコントローラに対する動作コントローラの速度制御からの軸位置フィードバックに基づいてレーザビームパルスを発射する段階とを含む。更に別の特定の本方法の実施形態は、トリガー信号の列の少なくとも最初のパルスに対して電子制御動作コントローラがレーザビームパルスを発射するのを遅延させるヘッダーをトリガー信号上に配置する段階を含む。該方法の更に別の特定の実施形態は、レーザショックピーニングパッチがレーザショックピーニングされた表面上に形成されることになるパッチ区域の両遠位端において開始及び停止マスクを配置する段階と、レーザショックピーニング表面上でレーザビームの各パス上の開始マスクに向けてレーザビームパルスの少なくとも最初の１つを発射する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１及び図２に示すのは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ)多軸マニピュレータ１２７内に取り付けられたガスタービンエンジンブレードで示す物品又は加工物８をレーザショックピーニングするための連続動作レーザショックピーニング装置１０である。本明細書ではコンピュータ数値制御（ＣＮＣ)５軸マニピュレータ１２７が示され、図１においてそれぞれＸ、Ｙ、及びＺで表記された通常の並進運動のＸ、Ｙ、及びＺ軸と、ＣＮＣ機械加工ではよく知られたそれぞれ通常の第１、第２、及び第３の回転軸Ａ、Ｂ、及びＣを有する。マニピュレータ１２７を用いて、レーザショックピーニングを施すためにブレードを連続的に移動させて位置決めし、すなわち加工物８と固定レーザビーム２との間で連続移動を可能にする。レーザショックピーニングは、アブレーティブ媒体としてのペイント又はテープを使用して（詳細には、特表１１−５０８８２６号公報を参照）幾つかの種々の方法で実施することができる。
【００１３】
固定レーザビーム２は、加工物８のレーザショックピーニング表面５５上でのターゲット領域４２に配向される。レーザショックピーニング装置１０は、発振器３３、レーザインターフェースコントローラ２４及び電子制御動作コントローラ２５を有するレーザユニット３１を含む。レーザインターフェースコントローラ２４は、レーザユニット３１を変調して制御し、レーザビーム２を被覆又は非被覆レーザショックピーニング表面５５に発射するのに使用される。電子制御動作コントローラ２５は、マニピュレータ１２７の速度及び位置決めを含む動作及び移動を制御するのに使用される。レーザショックピーニング装置１０は更に、レーザビームパス６６に沿った前置増幅器４７とビームスプリッタ４９を含む。ビームスプリッタ４９は、前置増幅されたレーザビームを、２つのビーム光学伝送回路４３へ供給する。ビーム光学伝送回路４３の各々は、第１の増幅器３９、第２の最終増幅器４１、及び光学系３５を含む。光学系３５は、レーザビーム２をレーザショックピーニング表面５５に伝送して合焦する光学要素を含む。
【００１４】
ターゲット領域４２内に位置するレーザショックピーニング表面５５は、加工物８として表わされたブレードの前縁ＬＥのそれぞれ正圧側面４６及び負圧側面４８上に示されている。レーザショックピーニング表面５５は、ペイント又はアブレーティブテープなどのアブレーティブ被覆５７で被覆され、特表１１−５０８８２６号公報及び特表１１−５０９７８２号公報で開示されたような被覆面を形成する。被覆５７は、アブレーティブ媒体を形成し、この上に流水の流体カーテン２１のような透明な閉じ込め媒体が配置される。レーザショックピーニング中、固定レーザビーム２を発射して、レーザショックピーニング表面５５上で水ノズル１９によって供給される水流カーテン２１を透過させながら、ブレード（加工物８）を移動させる。レーザショックピーニングプロセスは通常、レーザショックピーニングされた表面５４上に重複する円形のレーザショックピーニングされたスポット５８を形成するのに使用される。
【００１５】
レーザビームショック誘起の深い圧縮残留応力は、圧縮性プレストレス領域５６内に形成される。圧縮残留応力は通常、約５０〜１５０ＫＰＳＩ（キロポンドパースクエアインチ）であり、レーザショックピーニングされた表面５４から約２０〜５０ミルの深さまでプレストレス領域内へ連続的に延びる。レーザビームショック誘起の深い圧縮残留応力は、レーザショックピーニング表面５５に対して通常プラスマイナス数百ミルほど焦点を外したレーザビーム２を繰り返し発射することによって生成される。
【００１６】
レーザユニット３１は、図２においてより詳細に示されている。レーザユニット３１内の発振器３３は、単一のレージングロッド３６を有する。例示的な発振器３３は、一般的なパルスＹＡＧ自励発振器である。そのような発振器の例には、当初は穿孔用に製造されたＣｏｎｖｅｒｇｅｎｔ−Ｐｒｉｍａ Ｐ５０並びに他のＹＡＧレーザがある。これらのレーザは、１から５０ジュール、１〜１００Ｈｚを超える周波数でパルス幅が数百マイクロ秒から１ミリ秒を超える出力を発生する。これらは、Ｔｒｕｍｐｆ、Ｒｏｆｉｎ、Ｓｉｎａｒ、Ｌａｓａｇ及びＪＫなどの幾つかのベンダーから購入可能である。レーザは、５００ワットより少ない、通常は２００ワットより少ない平均出力（例えば、反復率ｘエネルギー／パルス）と多くの方法で組み合わせたパラメータで作動することができる。自励ＹＡＧレーザ発振器３３は、レージングロッド３６を作動させる一対のフラッシュランプ７０によってポンピングされる。
【００１７】
連続動作レーザショックピーニング装置１０は、加工物８を連続的に移動させながら、レーザインターフェースコントローラ２４により、レーザビーム装置を変調して発射させることによって連続したレーザショックピーニングを可能にし、該レーザビーム装置は、加工物上の精密に制御された位置にある被覆されたレーザショックピーニング表面５５にレーザビーム２の特異なレーザビームパルス７７を配向する。レーザ発射システム１２５は、レーザユニット３１からレーザビーム２を発射するために使用され、レーザコントローラ２４に動作可能に接続されて動作コントローラ２５の速度制御１２９からの軸位置フィードバックに基づいてレーザビーム２を発射する動作コントローラ２５を含む。
【００１８】
図４には、レーザユニット３１内のレージングロッド３６を作動させるように動作可能に配置された少なくとも１つのフラッシュランプ７０を含むレーザ発射システム１２４の第１の例示的な実施形態が示されている。図３に示すように、レーザコントローラ２４は、レーザユニット３１からレーザビーム２を変調して発射するための第１及び第２のモードを有する。第１のモードは、レーザビーム２を起動することなくレーザランプ周波数又はフラッシュレート７３でフラッシュランプ７０を点滅させるスタンバイモードである。１つの例示的なフラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３は、約１０Ｈｚ、すなわち１秒当たり１０サイクル又は繰り返し数である。スタンバイモードでは、レーザは熱的安定性を保持する。しかしながら、レーザは、レーザコントローラ２４によって発振器のＱスイッチ９９に送信されるパルス状トリガー信号９３が無いために、レーザビームパルス７７の形態のレーザビーム２を形成することにはならない。発振器のＱスイッチ９９は、ポッケルセルとして示されている。
【００１９】
第２のモードは、レーザビームパルス７７を発射する発射モードである。トリガー信号９３は、電子制御動作コントローラ２５によってレーザインターフェースコントローラ２４に供給され、発射モード中に正確な時間で開始するレーザビーム２のレーザビームパルス７７を発射する。トリガー信号９３は、通常はフラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３と一致するトリガー周波数９５を有する一連のトリガーパルス１７３を含む。これにより、フラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３で、図１、図６、及び図７に示すような単一のパスにおいて又は一列に沿って均等に間隔を置いて配置されたレーザショックピーニングされたスポット５８が形成されることになる。
【００２０】
図７は、レーザショックピーニングされたスポット５８の第１、第２、及び第３の列Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３をそれぞれ有するレーザショックピーニングされた表面５４上のレーザショックピーニングされたパッチ５３を示す。第１、第２、及び第３の列Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３の各々は、第１及び第２のシーケンス１及び２の各々の形態の第１、第２、及び第３のパスでそれぞれ作られる。各シーケンスのうちの１つの間の各列の１つにおける全てのレーザショックピーニングされたスポット５８は、レーザショックピーニングされた表面５４を覆うレーザビーム２の単一パスで形成される。
【００２１】
本明細書で説明する例示的な連続動作レーザショックピーニング方法において、各シーケンスでの各パスは、離間して配置された重複しないレーザショックピーニングされたスポット５８、すなわちシーケンス１の第１の列Ｒ１内のレーザショックピーニングされたスポット５８の１つの列を形成する。各列のいずれかにおける重複するレーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、異なるシーケンスの異なるパス期間を使用して形成される。本明細書で説明する例示的な連続動作レーザショックピーニング方法では、重複するレーザショックピーニングされたスポット５８の第１、第２、及び第３の列Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３は、第１及び第２のシーケンス１及び２の各々において第１、第２、及び第３のパスかでそれぞれ作られる。重複するレーザショックピーニングされたスポット５８の各列は、２つのパスで作られるが、より多くのパスを使用しても良い。
【００２２】
列、シーケンス、列の層（各列に沿う複数のパス）、及び１つの列内又は異なる列内で隣接するレーザショックピーニングされたスポット５８間の重複６０量の数の多くの変形形態がある。本明細書で説明する例示的なレーザショックピーニングされたパッチ５３におけるレーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、３つの列を有し、ここでは、列Ｒ２のような各列内でレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものは、約３０％だけ重複するが、列Ｒ１及びＲ３内のように隣接する列ではレーザショックピーニングされたスポット５８とは重複しない。レーザショックピーニングされたパッチ５３内でのレーザショックピーニングされたスポット５８のパターンの多くの変形形態が可能であり、多くは、当該技術分野で公知である。代替として、レーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、隣接列におけるレーザショックピーニングされたスポット５８が重複できること、或いは各列及び隣接列の内の列においてレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものが重複できることを含むことができる。レーザショックピーニングのために１０％から５０％の重複６０が使用されることは公知である。名称が「リップストップ（Ｒｉｐｓｔｏｐ）レーザショックピーニング」の米国特許第６，１５９，６１９号で開示されたような、１つ又はそれ以上の列の重複しないレーザショックピーニングされたスポット５８を備えるレーザショックピーニングされたパッチを提供することは、望ましいものとすることができる。
【００２３】
レーザショックピーニングされたスポット５８の各１つは、レーザビームパルス７７の中の１つによって形成され、該レーザビームパルスは、通常フラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３と一致するトリガー周波数９５で起動する信号９５のトリガーパルス１７３に基づいて発射される。トリガー周波数９５はまた、マニピュレータ１２７によって保持され且つ電子制御動作コントローラ２５によって制御される加工物８のレーザショックピーニングされた表面５４の送り速度に関係する。
【００２４】
レーザコントローラ２４は、実質的にレーザビームパルス７７が図３に示すように発生する時間でトリガー信号９３とレーザランプフラッシュレート７３とを同期させる同期手段２７を提供するようにプログラムされている。トリガー信号９３は、動作コントローラによる加工物の位置決めに基づく。本明細書で説明する例示的な動作コントローラ２５は、動作制御信号とも呼ばれるＴＴＬ（トランジスタ論理信号）信号を与える。トリガー信号９３として機能する動作制御信号は、加工物の位置決め、すなわち加工物上でのレーザビーム２の相対位置を示す。発射時（すなわち、トリガー信号９３が電子制御動作コントローラ２５によってレーザインターフェースコントローラ２４に送られる時間）には、レーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３（すなわちＴＴＬ信号）とは完全に同期する。
【００２５】
例示的なレーザユニット３１は、通常は２．５から５ジュール（Ｊ）の範囲の定格出力を有する低出力レーザの代表的なものである。他の適切な低出力範囲は、０．５Ｊから１０Ｊを含む。本明細書で開示する連続レーザショックピーニング方法は、約０．５ｍｍから３ｍｍの範囲の直径Ｄを有するレーザショックピーニングされたスポット５８を含む。ここで使用された例示的なレーザユニットの出力は４Ｊであり、レーザショックピーニングされたスポット５８は、約１．８５から１．９５ｍｍの直径Ｄを有する。
【００２６】
レーザコントローラ２４が１０Ｈｚトリガー信号９３の第１のパルス１１２を動作コントローラ２５から受信すると、レーザコントローラ２４は、レーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３を同期させて、レーザビームパルス７７を発射する第２のモードすなわち発射モードに切り換える。この時点において、レーザコントローラ２４からのレーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３とは同期化されることになる。これは、フラッシュランプ速度７３をトリガー信号９３と同期させるフラッシュランプ速度７３のスタッター波形１１０によって図３に示す。レーザは、トリガー信号９３がフラッシュランプ速度７３と関連して受信される時間に応じて、トリガー信号９３の第１のパルス１１２（又はそれ以上のパルス）に対して望ましいレーザビームパルス７７を生成することはできない。第１のパルス１１２、又は所要であればそれ以上のパルスは、レーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３とが同期する十分な時間を許容するためのトリガー信号９３用のヘッダー１１１としての役割を果たす。レーザコントローラ２４又は動作コントローラ２５は、レーザコントローラ２４からのトリガーパルスを図４に発振器のＱスイッチ９９として示すレーザトリガー機構に送信することによって、ヘッダー１１１後の第２のパルス１１３（又はより高い番号）に基づいてレーザビームパルス７７の発射を開始するようにプログラムされる。ヘッダー１１１は、レーザコントローラ２４にトリガー信号９３の列１１４の少なくとも第１のパルス１１２に対するレーザビームパルス７７の発射を遅延させる。レーザは、動作コントローラ２５からのトリガー信号９３の列１１４（各パスに対し１つ）が終わると待機モードに戻る。レーザショックピーニングされたスポットの各列に対する各パスは、トリガー信号９３の１つの列１１４に対応する。
【００２７】
レーザビームパルス７７を起動する２つの例示的なレーザトリガー機構を本明細書で説明する。第１の例示的なレーザトリガー機構１２４が図４に示される。レーザユニット３１の発振器３３は、前方及び後方ミラー１３７及び１３９とフラッシュランプ７０との間に動作可能に配置されたレージングロッド３６を含む。シャッター１４９は、前方ミラー１３７とレージングロッド３６との間に配置され、第１の例示的なレーザトリガー機構１２４として機能するＱスイッチ９９は、レージングロッド３６と後方ミラー１３９との間に配置される。Ｑスイッチ９９とシャッター１４９は、レーザコントローラ２４に制御可能に接続される。レーザコントローラ２４は、レーザビームパルス７７を発射するためにトリガーパルス１７３を発振器のＱスイッチ９９へ送信する。
【００２８】
第２の例示的なレーザトリガー機構１４４が図５に示される。図５に示す発振器３３は、前方及び後方ミラー１３７及び１３９とフラッシュランプ７０との間に動作可能に配置されたレージングロッド３６を含む。二重ポッケルセル１８１の形態のスライサは、レーザビームパス６６に沿って発振器３３の外側の高速シャッター１５１との間に配置される。第２の例示的なレーザトリガー機構１４４は、レーザコントローラ２４に制御可能に接続された二重ポッケルセル１８１及び高速シャッター１５１を含む。レーザコントローラ２４は、レーザビームパルス７７を発射するためにトリガーパルス１７３を二重ポッケルセル１８１に送信する。高速シャッター１５１は、二重ポッケルセル１８１に従属している。高速シャッター１５１は、エネルギーを介した流出がレーザの後段によって増幅され、レーザから出る不要な低エネルギーパルスを生成するのを防止する。第２の例示的なレーザトリガー機構１４４は、第１の例示的なレーザトリガー機構１２４を使用するレーザ出力と比較すると、最初のレーザ発射から最後の発射までの発振器のレーザ出力に対してより大きな安定性をもたらす。このより大きな安定性は、より不変で一貫性のあるエネルギー及び通常熱的不安定性によって影響を受けるレーザパルスパラメータによって証明される。
【００２９】
電子制御動作コントローラ２５及びレーザインターフェースコントローラ２４は、発射モード中に電気トリガーパルス１７３を１つ又はそれ以上の並進軸の所定間隔で発生させて正確な時間でレーザビーム２のレーザビームパルス７７を発射するように設定することができる。このことは、所望の距離毎の既知のエンコーダ計数値（トリガー信号９３として直接的に機能することもできる）をその時間に発生したレーザビームパルス７７を使用して調整することによるか、或いは、加工物８上の所望の位置において等しい間隔及び送り速度を備える動作コントローラ２５からの出力をフラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３に通常整合されたトリガー周波数９５を有するトリガーパルス１７３に適応させるようにプログラミングすることによって達成される。これによって、先行する列のスポットに関連して直接的に位置付けされるべきレーザショックピーニングされたスポット５８の複数の列に対して間隔の正確な再現性をもたらすことになる。
【００３０】
第１のレーザビームパルス７７の衝突外れを許容することができない可能性のある加工物を加工する場合には、図６に示すように、レーザショックピーニングされたパッチ５３がレーザショックピーニングされた表面５４上に形成されることになるパッチ区域１８０の遠位端１７６に開始及び停止マスク１７２及び１７４をそれぞれ配置することができる。開始及び停止マスクを使用する場合には、２つのマスクの間の加工物上の全てのスポットに先行して、第１のレーザビームパルス７７（又はそれ以上）をマスク上に発射することができる。レーザショックピーニング表面５５上のレーザビーム２のパス毎にレーザビームパルス７７の少なくとも最初のパルスが開始マスク１７２に衝突する。送り速度は、出力パルス周波数を決定することになるので、重要な役割を果たすことができる。本明細書で開示する例示的な方法は、電子制御動作コントローラ２５からの一定のトリガー信号９３だけでなく、レーザビームパルス７７を発射する基準として軸位置を使用する。従って、正確なレーザショックピーニングされるスポット５８に従う外形を必要とする表面を加工する時に位置を得ることができる。
【００３１】
連続動作レーザショックピーニングプロセス及び装置１０を用いて、１つの列内又は列間で異なる重複６０の割合を有するレーザショックピーニングされたスポット５８から構成される混成のレーザショックピーニングされたパッチを生成することができる。混成パッチは、一定のエネルギー及びスポット寸法を使用するが、加工物上の重複６０の量を変化させる。混成パッチの大きな利点は、余分な層を追加することなく、加工物に応じたニーズの変化と共にＬＳＰ効果を変えることができる点である。例えば、材料厚さにばらつきを有する加工物の全区域に対して同一のスポットの重複６０割合を適用することは、レーザショックピーニングされた表面又はパスの一部の区域については良好に作用するが、他の区域を歪ませる可能性がある。このような場合、レーザビームのエネルギーは、良好なＬＳＰ効果を与えるために増大させることができるが、加工物のより薄い部分では歪曲が問題となる。多くの場合、第２の層を加工物の局所的に厚い部分で使用して、当該区域でのＬＳＰ効果を得る。混成パッチは、そのプロセスを単一層にまで低減することができる。レーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、各列内のレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものだけの重複、隣接する列内でのレーザショックピーニングされたスポット５８だけの重複、又は各列と隣接する列のもの内でのレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものの重複を含むことができる。
【００３２】
本発明の好ましく且つ例示的な実施形態とみなされるものを本明細書で説明してきたが、本発明の他の変更形態は、当業者であれば本明細書の教示から明らかであろう。更に、請求項に示す参照番号は、本発明の範囲を狭めることを意図するものではなく、その理解を容易にするためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】連続動作レーザショックピーニングシステムの概略図。
【図２】図１に示すレーザショックピーニングシステムのレーザ及び光学系の概略図。
【図３】図１に示すレーザの作動を示すグラフ。
【図４】図１に示すレーザショックピーニングシステムのための第１の例示的なレーザ発振器の概略図。
【図５】図１に示すレーザショックピーニングシステムのための第２の例示的なレーザ発振器の概略図。
【図６】図１に示すレーザショックピーニングシステムでの加工のために、開始及び停止マスクと、レーザショックピーニングされたスポットの例示的なアレイを備える加工物の側面図。
【図７】図１に示すレーザショックピーニングされたスポットを加工するシーケンスの概略図。
【符号の説明】
【００３４】
２ レーザビーム
８ 加工物
１０ 連続動作レーザショックピーニング装置
２４ レーザコントローラ、レーザインターフェースコントローラ
２５ 動作コントローラ、電子制御動作コントローラ
３１ レーザユニット
３３ 発振器
３６ レーザ発信棒
５５ レーザショックピーニング表面
５８ レーザショックピーニングされたスポット
７０ フラッシュランプ
７３ フラッシュレート
７７ レーザビームパルス
９３ トリガー信号
９９ Ｑスイッチ
１１１ ヘッダー
１２４ レーザ発射システム
１２７ マニピュレータ
１２９ 速度制御
１３７ 前方ミラー
１３９ 後方ミラー
１４９ シャッター
１５１ 高速シャッター
１８１ 二重ポッケルセル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザショックピーニングに関し、より具体的には、レーザショックピーニング中にレーザ発射と動作システムとを同期させる装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザショックピーニング（ＬＳＰ）は、レーザショック加工とも呼ばれ、物品の表面区域をレーザショックピーニングすることによって加えられる深い圧縮残留応力の領域を生成するためのプロセスである。レーザショックピーニングは一般的に、高出力及び低出力パルスレーザによる１つ又はそれ以上の放射パルスを使用して、物品の表面において強い衝撃波を生成するものであり、これは、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に開示されている方法と類似している。レーザショックピーニングは、当該技術分野で知られており且つ本明細書で使用する場合、レーザビーム源からのパルスレーザビームを利用して、レーザビームの衝突点において、その表面の薄層又はプラズマを形成するその表面上のコーティング（テープ又はペイントのような）を瞬間的にアブレーション又は蒸発によって爆発力を発生させることにより、表面の一部に強力な局所的圧縮力を生成することを意味する。
【０００３】
ガスタービンエンジン分野で多くの用途向けにレーザショックピーニングが開発されてきており、その幾つかは、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９に開示されており、これらの全ての特許は本特許出願人に譲渡されている。
【０００４】
約２０から約５０ジュールの高エネルギーレーザビーム又は約３から約１０ジュールの低エネルギーレーザビームが使用されてきており、他のエネルギー水準が企図される。例えば、高エネルギーレーザを使用するＬＳＰ加工を開示する、特許文献８、及び特許文献１０を参照されたい。低エネルギーレーザビームは、ネオジムドープのイットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｎｄ ＹＡＧ）、Ｎｄ：ＹＬＦ、及びその他のような異なるレーザ材料を使用して生成することができる。
【０００５】
レーザショックピーニングで大きな区域をカバーするためには、多数のレーザショットを取得する必要があり、従って、レーザを発射及び移動段階及びシステムの同期を必要とするＬＳＰ連続プロセスを有することが望ましい。レーザショックピーニングされるべき全区域をレーザショックピーニングされたスポットで覆うためには、レーザが異なる場所で加工物に衝突するようにレーザショックピーニングされる加工物とレーザビームとの間で移動を行う必要がある。連続的移動で加工を行う場合に同期が無いければ、スポットの１つのパス又は層から次のパス又は層へのレーザショックピーニングのスポット配置に対して必要な再現性要件を満たすことはできない。１つの層又はパス上へのレーザショックピーニングされたスポットは、以前の層又はパス上へのスポットの間にヒットしなければならない。
【０００６】
レーザショックピーニングは通常、加工物の固定位置への移動が含まれ、移動が停止するとレーザが発射されて、次いで部品の移動を再開し、次のレーザ発射のために加工物を再配置する。この停止と開始動作が、レーザショックピーニングされる区域又はパッチが完了するまで繰り返される。オンザフライレーザショックピーニングは、特許文献１０で開示されており、これは、レーザビームスポットの重複する列を形成する固定送り速度移動システムにより固定の一定レーザパルスレートを使用することを含む。重複しないショットを１つの層の上で加工するため、及びより以前の層からなるレーザショックピーニングされたスポットと重複する後続の層の上にあるスポット間にレーザショックピーニングされたスポットを配置するために必要となるレーザショックピーニングされたスポットをより正確に位置付けることが望ましい。
【特許文献１】米国特許第３，８５０，６９８号公報
【特許文献２】米国特許第４，４０１，４４７号公報
【特許文献３】特表０６−５０５８３４号公報
【特許文献４】米国特許第５，７５６，９６５号公報
【特許文献５】米国特許第５，５９１，００９号公報
【特許文献６】米国特許第５，５３１，５７０号公報
【特許文献７】米国特許第５，４９２，４４７号公報
【特許文献８】特表１１−５０８８２６号公報
【特許文献９】特表１１−５０９７８２号公報
【特許文献１０】特表２０００−５０４８９０号公報
【特許文献１１】米国特許第６，１５９，６１９号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
連続動作レーザショックピーニング装置は、加工物をレーザショックピーニングするためにレーザビームを発生するレーザユニットと、加工物を連続的に移動させて位置決めするようにマニピュレータに制御可能に接続された動作コントローラと、レーザユニットからレーザビームを変調して発射するレーザコントローラとを含む。レーザ発射システムは、レーザビームをレーザユニットから発射するために使用される。動作コントローラは、レーザコントローラに動作可能に接続されて、動作コントローラの速度制御からの軸位置フィードバックに基づいてレーザビームを発射する。本装置の例示的な実施形態は、レーザユニットにおいてレージングロッドを作動させるように動作可能に配置された少なくとも１つのフラッシュランプを含む。レーザコントローラは、レーザユニットからレーザビームを変調して発射するための第１及び第２のモードを有する。第１のモードは、レーザビームを起動することなしにフラッシュランプをあるフラッシュレートで点滅させるスタンバイモードである。第２のモードは、レーザビームパルスの形態でレーザビームを起動して発射する発射モードである。レーザコントローラは、レーザビームのレーザビームパルスを発射するために、電子制御動作コントローラによってレーザインターフェースコントローラに供給されるトリガー信号と、フラッシュランプの点滅のフラッシュレートとを、実質的にレーザビームパルスが発生されることになる時間において同期させる同期手段を含む。
【０００８】
連続動作レーザショックピーニング装置の１つの例示的な実施形態は、レーザコントローラに動作可能に接続され、且つマニピュレータの１つ又はそれ以上の軸に沿って所定間隔に基づいてレーザビームを発射するようにプログラムされた動作コントローラを含む。所定間隔は、動作コントローラによって発生されたエンコーダ計数値に基づき、且つ軸に沿う距離を表す。
【０００９】
本装置の更に別の特定の実施形態では、レーザユニットの発振器は、前方及び後方ミラーとフラッシュランプとの間に動作可能に配置されたレージングロッドを含む。シャッターは、前方ミラーとレージングロッドとの間に配置され、Ｑスイッチは、レージングロッドと後方ミラーとの間に配置される。Ｑスイッチは、レーザビームパルスを起動して発射するために、レーザコントローラに制御可能に接続される。
【００１０】
本装置の更に別の特定の代替的実施形態では、発振器は、前方及び後方ミラーとフラッシュランプとの間に動作可能に配置されたレージングロッドを含む。二重ポッケルセルが、発振器からビームを導き出すパスに沿って発振器と高速シャッターとの間に直接的に配置される。高速シャッターと二重ポッケルセルは、レーザコントローラに制御可能に接続される。
【００１１】
連続動作レーザショックピーニングを行う方法は、発振器を有するレーザユニットを使用して加工物のレーザショックピーニング表面上にレーザビームからなるレーザビームパルスを発射して、レーザショックピーニング表面上にレーザビームの少なくとも単一のパスでレーザショックピーニングされたスポットの少なくとも第１の列を形成する段階を含む。本方法は更に、レーザインターフェースコントローラでレーザユニットを変調及び制御してレーザショックピーニング表面上にレーザビームを発射する段階と、電子制御動作コントローラによって制御されるマニピュレータを使用して加工物を連続的に移動させて位置決めする段階と、レーザインターフェースコントローラに対する動作コントローラの速度制御からの軸位置フィードバックに基づいてレーザビームパルスを発射する段階とを含む。更に別の特定の本方法の実施形態は、トリガー信号の列の少なくとも最初のパルスに対して電子制御動作コントローラがレーザビームパルスを発射するのを遅延させるヘッダーをトリガー信号上に配置する段階を含む。該方法の更に別の特定の実施形態は、レーザショックピーニングパッチがレーザショックピーニングされた表面上に形成されることになるパッチ区域の両遠位端において開始及び停止マスクを配置する段階と、レーザショックピーニング表面上でレーザビームの各パス上の開始マスクに向けてレーザビームパルスの少なくとも最初の１つを発射する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１及び図２に示すのは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ)多軸マニピュレータ１２７内に取り付けられたガスタービンエンジンブレードで示す物品又は加工物８をレーザショックピーニングするための連続動作レーザショックピーニング装置１０である。本明細書ではコンピュータ数値制御（ＣＮＣ)５軸マニピュレータ１２７が示され、図１においてそれぞれＸ、Ｙ、及びＺで表記された通常の並進運動のＸ、Ｙ、及びＺ軸と、ＣＮＣ機械加工ではよく知られたそれぞれ通常の第１、第２、及び第３の回転軸Ａ、Ｂ、及びＣを有する。マニピュレータ１２７を用いて、レーザショックピーニングを施すためにブレードを連続的に移動させて位置決めし、すなわち加工物８と固定レーザビーム２との間で連続移動を可能にする。レーザショックピーニングは、アブレーティブ媒体としてのペイント又はテープを使用して（詳細には、特表１１−５０８８２６号公報を参照）幾つかの種々の方法で実施することができる。
【００１３】
固定レーザビーム２は、加工物８のレーザショックピーニング表面５５上でのターゲット領域４２に配向される。レーザショックピーニング装置１０は、発振器３３、レーザインターフェースコントローラ２４及び電子制御動作コントローラ２５を有するレーザユニット３１を含む。レーザインターフェースコントローラ２４は、レーザユニット３１を変調して制御し、レーザビーム２を被覆又は非被覆レーザショックピーニング表面５５に発射するのに使用される。電子制御動作コントローラ２５は、マニピュレータ１２７の速度及び位置決めを含む動作及び移動を制御するのに使用される。レーザショックピーニング装置１０は更に、レーザビームパス６６に沿った前置増幅器４７とビームスプリッタ４９を含む。ビームスプリッタ４９は、前置増幅されたレーザビームを、２つのビーム光学伝送回路４３へ供給する。ビーム光学伝送回路４３の各々は、第１の増幅器３９、第２の最終増幅器４１、及び光学系３５を含む。光学系３５は、レーザビーム２をレーザショックピーニング表面５５に伝送して合焦する光学要素を含む。
【００１４】
ターゲット領域４２内に位置するレーザショックピーニング表面５５は、加工物８として表わされたブレードの前縁ＬＥのそれぞれ正圧側面４６及び負圧側面４８上に示されている。レーザショックピーニング表面５５は、ペイント又はアブレーティブテープなどのアブレーティブ被覆５７で被覆され、特表１１−５０８８２６号公報及び特表１１−５０９７８２号公報で開示されたような被覆面を形成する。被覆５７は、アブレーティブ媒体を形成し、この上に流水の流体カーテン２１のような透明な閉じ込め媒体が配置される。レーザショックピーニング中、固定レーザビーム２を発射して、レーザショックピーニング表面５５上で水ノズル１９によって供給される水流カーテン２１を透過させながら、ブレード（加工物８）を移動させる。レーザショックピーニングプロセスは通常、レーザショックピーニングされた表面５４上に重複する円形のレーザショックピーニングされたスポット５８を形成するのに使用される。
【００１５】
レーザビームショック誘起の深い圧縮残留応力は、圧縮性プレストレス領域５６内に形成される。圧縮残留応力は通常、約５０〜１５０ＫＰＳＩ（キロポンドパースクエアインチ）であり、レーザショックピーニングされた表面５４から約２０〜５０ミルの深さまでプレストレス領域内へ連続的に延びる。レーザビームショック誘起の深い圧縮残留応力は、レーザショックピーニング表面５５に対して通常プラスマイナス数百ミルほど焦点を外したレーザビーム２を繰り返し発射することによって生成される。
【００１６】
レーザユニット３１は、図２においてより詳細に示されている。レーザユニット３１内の発振器３３は、単一のレージングロッド３６を有する。例示的な発振器３３は、一般的なパルスＹＡＧ自励発振器である。そのような発振器の例には、当初は穿孔用に製造されたＣｏｎｖｅｒｇｅｎｔ−Ｐｒｉｍａ Ｐ５０並びに他のＹＡＧレーザがある。これらのレーザは、１から５０ジュール、１〜１００Ｈｚを超える周波数でパルス幅が数百マイクロ秒から１ミリ秒を超える出力を発生する。これらは、Ｔｒｕｍｐｆ、Ｒｏｆｉｎ、Ｓｉｎａｒ、Ｌａｓａｇ及びＪＫなどの幾つかのベンダーから購入可能である。レーザは、５００ワットより少ない、通常は２００ワットより少ない平均出力（例えば、反復率ｘエネルギー／パルス）と多くの方法で組み合わせたパラメータで作動することができる。自励ＹＡＧレーザ発振器３３は、レージングロッド３６を作動させる一対のフラッシュランプ７０によってポンピングされる。
【００１７】
連続動作レーザショックピーニング装置１０は、加工物８を連続的に移動させながら、レーザインターフェースコントローラ２４により、レーザビーム装置を変調して発射させることによって連続したレーザショックピーニングを可能にし、該レーザビーム装置は、加工物上の精密に制御された位置にある被覆されたレーザショックピーニング表面５５にレーザビーム２の特異なレーザビームパルス７７を配向する。レーザ発射システム１２５は、レーザユニット３１からレーザビーム２を発射するために使用され、レーザコントローラ２４に動作可能に接続されて動作コントローラ２５の速度制御１２９からの軸位置フィードバックに基づいてレーザビーム２を発射する動作コントローラ２５を含む。
【００１８】
図４には、レーザユニット３１内のレージングロッド３６を作動させるように動作可能に配置された少なくとも１つのフラッシュランプ７０を含むレーザ発射システム１２４の第１の例示的な実施形態が示されている。図３に示すように、レーザコントローラ２４は、レーザユニット３１からレーザビーム２を変調して発射するための第１及び第２のモードを有する。第１のモードは、レーザビーム２を起動することなくレーザランプ周波数又はフラッシュレート７３でフラッシュランプ７０を点滅させるスタンバイモードである。１つの例示的なフラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３は、約１０Ｈｚ、すなわち１秒当たり１０サイクル又は繰り返し数である。スタンバイモードでは、レーザは熱的安定性を保持する。しかしながら、レーザは、レーザコントローラ２４によって発振器のＱスイッチ９９に送信されるパルス状トリガー信号９３が無いために、レーザビームパルス７７の形態のレーザビーム２を形成することにはならない。発振器のＱスイッチ９９は、ポッケルセルとして示されている。
【００１９】
第２のモードは、レーザビームパルス７７を発射する発射モードである。トリガー信号９３は、電子制御動作コントローラ２５によってレーザインターフェースコントローラ２４に供給され、発射モード中に正確な時間で開始するレーザビーム２のレーザビームパルス７７を発射する。トリガー信号９３は、通常はフラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３と一致するトリガー周波数９５を有する一連のトリガーパルス１７３を含む。これにより、フラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３で、図１、図６、及び図７に示すような単一のパスにおいて又は一列に沿って均等に間隔を置いて配置されたレーザショックピーニングされたスポット５８が形成されることになる。
【００２０】
図７は、レーザショックピーニングされたスポット５８の第１、第２、及び第３の列Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３をそれぞれ有するレーザショックピーニングされた表面５４上のレーザショックピーニングされたパッチ５３を示す。第１、第２、及び第３の列Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３の各々は、第１及び第２のシーケンス１及び２の各々の形態の第１、第２、及び第３のパスでそれぞれ作られる。各シーケンスのうちの１つの間の各列の１つにおける全てのレーザショックピーニングされたスポット５８は、レーザショックピーニングされた表面５４を覆うレーザビーム２の単一パスで形成される。
【００２１】
本明細書で説明する例示的な連続動作レーザショックピーニング方法において、各シーケンスでの各パスは、離間して配置された重複しないレーザショックピーニングされたスポット５８、すなわちシーケンス１の第１の列Ｒ１内のレーザショックピーニングされたスポット５８の１つの列を形成する。各列のいずれかにおける重複するレーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、異なるシーケンスの異なるパス期間を使用して形成される。本明細書で説明する例示的な連続動作レーザショックピーニング方法では、重複するレーザショックピーニングされたスポット５８の第１、第２、及び第３の列Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３は、第１及び第２のシーケンス１及び２の各々において第１、第２、及び第３のパスかでそれぞれ作られる。重複するレーザショックピーニングされたスポット５８の各列は、２つのパスで作られるが、より多くのパスを使用しても良い。
【００２２】
列、シーケンス、列の層（各列に沿う複数のパス）、及び１つの列内又は異なる列内で隣接するレーザショックピーニングされたスポット５８間の重複６０量の数の多くの変形形態がある。本明細書で説明する例示的なレーザショックピーニングされたパッチ５３におけるレーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、３つの列を有し、ここでは、列Ｒ２のような各列内でレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものは、約３０％だけ重複するが、列Ｒ１及びＲ３内のように隣接する列ではレーザショックピーニングされたスポット５８とは重複しない。レーザショックピーニングされたパッチ５３内でのレーザショックピーニングされたスポット５８のパターンの多くの変形形態が可能であり、多くは、当該技術分野で公知である。代替として、レーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、隣接列におけるレーザショックピーニングされたスポット５８が重複できること、或いは各列及び隣接列の内の列においてレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものが重複できることを含むことができる。レーザショックピーニングのために１０％から５０％の重複６０が使用されることは公知である。名称が「リップストップ（Ｒｉｐｓｔｏｐ）レーザショックピーニング」の米国特許第６，１５９，６１９号で開示されたような、１つ又はそれ以上の列の重複しないレーザショックピーニングされたスポット５８を備えるレーザショックピーニングされたパッチを提供することは、望ましいものとすることができる。
【００２３】
レーザショックピーニングされたスポット５８の各１つは、レーザビームパルス７７の中の１つによって形成され、該レーザビームパルスは、通常フラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３と一致するトリガー周波数９５で起動する信号９５のトリガーパルス１７３に基づいて発射される。トリガー周波数９５はまた、マニピュレータ１２７によって保持され且つ電子制御動作コントローラ２５によって制御される加工物８のレーザショックピーニングされた表面５４の送り速度に関係する。
【００２４】
レーザコントローラ２４は、実質的にレーザビームパルス７７が図３に示すように発生する時間でトリガー信号９３とレーザランプフラッシュレート７３とを同期させる同期手段２７を提供するようにプログラムされている。トリガー信号９３は、動作コントローラによる加工物の位置決めに基づく。本明細書で説明する例示的な動作コントローラ２５は、動作制御信号とも呼ばれるＴＴＬ（トランジスタ論理信号）信号を与える。トリガー信号９３として機能する動作制御信号は、加工物の位置決め、すなわち加工物上でのレーザビーム２の相対位置を示す。発射時（すなわち、トリガー信号９３が電子制御動作コントローラ２５によってレーザインターフェースコントローラ２４に送られる時間）には、レーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３（すなわちＴＴＬ信号）とは完全に同期する。
【００２５】
例示的なレーザユニット３１は、通常は２．５から５ジュール（Ｊ）の範囲の定格出力を有する低出力レーザの代表的なものである。他の適切な低出力範囲は、０．５Ｊから１０Ｊを含む。本明細書で開示する連続レーザショックピーニング方法は、約０．５ｍｍから３ｍｍの範囲の直径Ｄを有するレーザショックピーニングされたスポット５８を含む。ここで使用された例示的なレーザユニットの出力は４Ｊであり、レーザショックピーニングされたスポット５８は、約１．８５から１．９５ｍｍの直径Ｄを有する。
【００２６】
レーザコントローラ２４が１０Ｈｚトリガー信号９３の第１のパルス１１２を動作コントローラ２５から受信すると、レーザコントローラ２４は、レーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３を同期させて、レーザビームパルス７７を発射する第２のモードすなわち発射モードに切り換える。この時点において、レーザコントローラ２４からのレーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３とは同期化されることになる。これは、フラッシュランプ速度７３をトリガー信号９３と同期させるフラッシュランプ速度７３のスタッター波形１１０によって図３に示す。レーザは、トリガー信号９３がフラッシュランプ速度７３と関連して受信される時間に応じて、トリガー信号９３の第１のパルス１１２（又はそれ以上のパルス）に対して望ましいレーザビームパルス７７を生成することはできない。第１のパルス１１２、又は所要であればそれ以上のパルスは、レーザランプフラッシュレート７３とトリガー信号９３とが同期する十分な時間を許容するためのトリガー信号９３用のヘッダー１１１としての役割を果たす。レーザコントローラ２４又は動作コントローラ２５は、レーザコントローラ２４からのトリガーパルスを図４に発振器のＱスイッチ９９として示すレーザトリガー機構に送信することによって、ヘッダー１１１後の第２のパルス１１３（又はより高い番号）に基づいてレーザビームパルス７７の発射を開始するようにプログラムされる。ヘッダー１１１は、レーザコントローラ２４にトリガー信号９３の列１１４の少なくとも第１のパルス１１２に対するレーザビームパルス７７の発射を遅延させる。レーザは、動作コントローラ２５からのトリガー信号９３の列１１４（各パスに対し１つ）が終わると待機モードに戻る。レーザショックピーニングされたスポットの各列に対する各パスは、トリガー信号９３の１つの列１１４に対応する。
【００２７】
レーザビームパルス７７を起動する２つの例示的なレーザトリガー機構を本明細書で説明する。第１の例示的なレーザトリガー機構１２４が図４に示される。レーザユニット３１の発振器３３は、前方及び後方ミラー１３７及び１３９とフラッシュランプ７０との間に動作可能に配置されたレージングロッド３６を含む。シャッター１４９は、前方ミラー１３７とレージングロッド３６との間に配置され、第１の例示的なレーザトリガー機構１２４として機能するＱスイッチ９９は、レージングロッド３６と後方ミラー１３９との間に配置される。Ｑスイッチ９９とシャッター１４９は、レーザコントローラ２４に制御可能に接続される。レーザコントローラ２４は、レーザビームパルス７７を発射するためにトリガーパルス１７３を発振器のＱスイッチ９９へ送信する。
【００２８】
第２の例示的なレーザトリガー機構１４４が図５に示される。図５に示す発振器３３は、前方及び後方ミラー１３７及び１３９とフラッシュランプ７０との間に動作可能に配置されたレージングロッド３６を含む。二重ポッケルセル１８１の形態のスライサは、レーザビームパス６６に沿って発振器３３の外側の高速シャッター１５１との間に配置される。第２の例示的なレーザトリガー機構１４４は、レーザコントローラ２４に制御可能に接続された二重ポッケルセル１８１及び高速シャッター１５１を含む。レーザコントローラ２４は、レーザビームパルス７７を発射するためにトリガーパルス１７３を二重ポッケルセル１８１に送信する。高速シャッター１５１は、二重ポッケルセル１８１に従属している。高速シャッター１５１は、エネルギーを介した流出がレーザの後段によって増幅され、レーザから出る不要な低エネルギーパルスを生成するのを防止する。第２の例示的なレーザトリガー機構１４４は、第１の例示的なレーザトリガー機構１２４を使用するレーザ出力と比較すると、最初のレーザ発射から最後の発射までの発振器のレーザ出力に対してより大きな安定性をもたらす。このより大きな安定性は、より不変で一貫性のあるエネルギー及び通常熱的不安定性によって影響を受けるレーザパルスパラメータによって証明される。
【００２９】
電子制御動作コントローラ２５及びレーザインターフェースコントローラ２４は、発射モード中に電気トリガーパルス１７３を１つ又はそれ以上の並進軸の所定間隔で発生させて正確な時間でレーザビーム２のレーザビームパルス７７を発射するように設定することができる。このことは、所望の距離毎の既知のエンコーダ計数値（トリガー信号９３として直接的に機能することもできる）をその時間に発生したレーザビームパルス７７を使用して調整することによるか、或いは、加工物８上の所望の位置において等しい間隔及び送り速度を備える動作コントローラ２５からの出力をフラッシュランプ周波数又はフラッシュレート７３に通常整合されたトリガー周波数９５を有するトリガーパルス１７３に適応させるようにプログラミングすることによって達成される。これによって、先行する列のスポットに関連して直接的に位置付けされるべきレーザショックピーニングされたスポット５８の複数の列に対して間隔の正確な再現性をもたらすことになる。
【００３０】
第１のレーザビームパルス７７の衝突外れを許容することができない可能性のある加工物を加工する場合には、図６に示すように、レーザショックピーニングされたパッチ５３がレーザショックピーニングされた表面５４上に形成されることになるパッチ区域１８０の遠位端１７６に開始及び停止マスク１７２及び１７４をそれぞれ配置することができる。開始及び停止マスクを使用する場合には、２つのマスクの間の加工物上の全てのスポットに先行して、第１のレーザビームパルス７７（又はそれ以上）をマスク上に発射することができる。レーザショックピーニング表面５５上のレーザビーム２のパス毎にレーザビームパルス７７の少なくとも最初のパルスが開始マスク１７２に衝突する。送り速度は、出力パルス周波数を決定することになるので、重要な役割を果たすことができる。本明細書で開示する例示的な方法は、電子制御動作コントローラ２５からの一定のトリガー信号９３だけでなく、レーザビームパルス７７を発射する基準として軸位置を使用する。従って、正確なレーザショックピーニングされるスポット５８に従う外形を必要とする表面を加工する時に位置を得ることができる。
【００３１】
連続動作レーザショックピーニングプロセス及び装置１０を用いて、１つの列内又は列間で異なる重複６０の割合を有するレーザショックピーニングされたスポット５８から構成される混成のレーザショックピーニングされたパッチを生成することができる。混成パッチは、一定のエネルギー及びスポット寸法を使用するが、加工物上の重複６０の量を変化させる。混成パッチの大きな利点は、余分な層を追加することなく、加工物に応じたニーズの変化と共にＬＳＰ効果を変えることができる点である。例えば、材料厚さにばらつきを有する加工物の全区域に対して同一のスポットの重複６０割合を適用することは、レーザショックピーニングされた表面又はパスの一部の区域については良好に作用するが、他の区域を歪ませる可能性がある。このような場合、レーザビームのエネルギーは、良好なＬＳＰ効果を与えるために増大させることができるが、加工物のより薄い部分では歪曲が問題となる。多くの場合、第２の層を加工物の局所的に厚い部分で使用して、当該区域でのＬＳＰ効果を得る。混成パッチは、そのプロセスを単一層にまで低減することができる。レーザショックピーニングされたスポット５８のパターンは、各列内のレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものだけの重複、隣接する列内でのレーザショックピーニングされたスポット５８だけの重複、又は各列と隣接する列のもの内でのレーザショックピーニングされたスポット５８の隣接するものの重複を含むことができる。
【００３２】
本発明の好ましく且つ例示的な実施形態とみなされるものを本明細書で説明してきたが、本発明の他の変更形態は、当業者であれば本明細書の教示から明らかであろう。更に、請求項に示す参照番号は、本発明の範囲を狭めることを意図するものではなく、その理解を容易にするためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】連続動作レーザショックピーニングシステムの概略図。
【図２】図１に示すレーザショックピーニングシステムのレーザ及び光学系の概略図。
【図３】図１に示すレーザの作動を示すグラフ。
【図４】図１に示すレーザショックピーニングシステムのための第１の例示的なレーザ発振器の概略図。
【図５】図１に示すレーザショックピーニングシステムのための第２の例示的なレーザ発振器の概略図。
【図６】図１に示すレーザショックピーニングシステムでの加工のために、開始及び停止マスクと、レーザショックピーニングされたスポットの例示的なアレイを備える加工物の側面図。
【図７】図１に示すレーザショックピーニングされたスポットを加工するシーケンスの概略図。
【符号の説明】
【００３４】
２ レーザビーム
８ 加工物
１０ 連続動作レーザショックピーニング装置
２４ レーザコントローラ、レーザインターフェースコントローラ
２５ 動作コントローラ、電子制御動作コントローラ
３１ レーザユニット
３３ 発振器
３６ レーザ発信棒
５５ レーザショックピーニング表面
５８ レーザショックピーニングされたスポット
７０ フラッシュランプ
７３ フラッシュレート
７７ レーザビームパルス
９３ トリガー信号
９９ Ｑスイッチ
１１１ ヘッダー
１２４ レーザ発射システム
１２７ マニピュレータ
１２９ 速度制御
１３７ 前方ミラー
１３９ 後方ミラー
１４９ シャッター
１５１ 高速シャッター
１８１ 二重ポッケルセル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続動作レーザショックピーニング装置（１０）であって、
加工物（８）をレーザショックピーニングするためにレーザビーム（２）を発生するレーザユニット（３１）と、
前記加工物（８）を連続的に移動させて位置決めするようにマニピュレータ（１２７）に制御可能に接続された動作コントローラ（２５）と、
前記レーザユニット（３１）から前記レーザビーム（２）を変調して発射させるレーザコントローラ（２４）と、
前記レーザユニット（３１）から前記レーザビーム（２）を発射させるレーザ発射システム（１２４）と、
を備え、
前記動作コントローラ（２５）が、前記レーザコントローラ（２４）に制御可能に接続されて、該動作コントローラ（２５）の速度制御（１２９）からの軸位置フィードバックに基づいて前記レーザビーム（２）を発射させることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記レーザユニット（３１）においてレージングロッド（３６）を作動させるように動作可能に配置された少なくとも１つのフラッシュランプ（７０）を更に備え、
前記レーザコントローラ（２４）が前記レーザユニット（３１）から前記レーザビーム（２）を変調して発射させるための第１及び第２のモードを有し、該第１のモードが前記レーザビーム（２）を起動することなしに前記フラッシュランプ（７０）をあるフラッシュレート（７３）で点滅させるスタンバイモードであり、前記第２のモードが前記レーザビームパルス（７７）の形態で前記レーザビーム（２）を起動して発射させる発射モードである請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記レーザビーム（２）のレーザビームパルス（７７）を発射するために、前記電子制御動作コントローラ（２５）によって前記レーザインターフェースコントローラ（２４）に供給されるトリガー信号（９３）と、フラッシュランプ（７０）の点滅のフラッシュレート（７３）とを、実質的に前記レーザビームパルス（７７）が発生されることになる時間において同期させる同期手段（２７）を更に備える請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記レーザコントローラ（２４）に動作可能に接続され、且つ前記マニピュレータ（１２７）の１つ又はそれ以上の軸に沿って所定間隔に基づいてレーザビーム（２）を発射するようにプログラムされた前記動作コントローラ（２５）を更に備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記所定間隔が、前記動作コントローラ（２５）によって発生されたエンコーダ計数値に基づき、且つ軸に沿う距離を表すことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記トリガー信号（９３）を送信するように動作可能な前記電子制御動作コントローラ（２５）と、フラッシュランプ（７０）を同一の周波数で点滅させるように動作可能な前記レーザコントローラ（２４）とを更に備える請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前方及び後方ミラー（１３７及び１３９）とフラッシュランプ（７０）との間に動作可能に配置されたレージングロッド（３６）を含む発振器（３３）を更に備え、
前記発振器（３３）が前記前方ミラー（１３７）と前記レージングロッド（３６）との間に配置されたシャッター（１４９）と、前記レージングロッド（３６）と後方ミラー（１３９）との間に配置されたＱスイッチ（９９）とを更に含み、前記Ｑスイッチ（９９）が前記レーザビームパルス（７７）を起動して発射するために、前記レーザコントローラ（２４）に制御可能に接続されたことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記前方及び後方ミラー（１３７及び１３９）と前記フラッシュランプ（７０）との間に動作可能に配置されたレージングロッド（３６）を含む発振器（３３）と、
前記発振器（３３）から導き出すビームパス（６６）に沿って前記発振器（３３）と高速シャッター（１５１）との間に直接的に配置される二重ポッケルセル（１８１）と、
を更に備え、
前記レーザコントローラ（２４）が前記レーザビームパルス（７７）を起動して発射するために、前記二重ポッケルセル（１８１）と前記高速シャッター（１５１）とに制御可能に接続された請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記電子制御動作コントローラ（２５）によって前記レーザインターフェースコントローラ（２４）に供給されるトリガー信号（９３）がヘッダー（１１１）を含み、前記レーザコントローラ（２４）及び前記動作コントローラ（２５）の内の１つが、前記ヘッダー（１１１）の後にレーザビームパルス（７７）の発射を開始するようにプログラムされている請求項３に記載の装置。
【請求項１０】
連続動作レーザショックピーニング方法であって、
発振器（３３）を有するレーザユニット（３１）を使用して加工物（８）のレーザショックピーニング表面（５５）上にレーザビーム（２）のレーザビームパルス（７７）を発射して、前記レーザショックピーニング表面（５５）上に前記レーザビーム（２）の少なくとも単一のパスでレーザショックピーニングされたスポット（５８）の少なくとも第１の列（Ｒ１）を形成する段階と、
レーザインターフェースコントローラ（２４）で前記レーザユニット（３１）を変調及び制御して、前記レーザショックピーニング表面（５５）上に前記レーザビーム（２）を発射する段階と、
電子制御動作コントローラ（２５）によって制御されるマニピュレータ（１２７）を使用して前記加工物（８）を連続的に移動させて位置決めする段階と、
前記レーザコントローラ（２４）に対する前記動作コントローラ（２５）の速度制御（１２９）からの軸位置フィードバックに基づいて前記レーザビームパルス（７７）を発射する段階と、
を含む方法。
【請求項１】
連続動作レーザショックピーニング装置（１０）であって、
加工物（８）をレーザショックピーニングするためにレーザビーム（２）を発生するレーザユニット（３１）と、
前記加工物（８）を連続的に移動させて位置決めするようにマニピュレータ（１２７）に制御可能に接続された動作コントローラ（２５）と、
前記レーザユニット（３１）から前記レーザビーム（２）を変調して発射させるレーザコントローラ（２４）と、
前記レーザユニット（３１）から前記レーザビーム（２）を発射させるレーザ発射システム（１２４）と、
を備え、
前記動作コントローラ（２５）が、前記レーザコントローラ（２４）に制御可能に接続されて、該動作コントローラ（２５）の速度制御（１２９）からの軸位置フィードバックに基づいて前記レーザビーム（２）を発射させることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記レーザユニット（３１）においてレージングロッド（３６）を作動させるように動作可能に配置された少なくとも１つのフラッシュランプ（７０）を更に備え、
前記レーザコントローラ（２４）が前記レーザユニット（３１）から前記レーザビーム（２）を変調して発射させるための第１及び第２のモードを有し、該第１のモードが前記レーザビーム（２）を起動することなしに前記フラッシュランプ（７０）をあるフラッシュレート（７３）で点滅させるスタンバイモードであり、前記第２のモードが前記レーザビームパルス（７７）の形態で前記レーザビーム（２）を起動して発射させる発射モードである請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記レーザビーム（２）のレーザビームパルス（７７）を発射するために、前記電子制御動作コントローラ（２５）によって前記レーザインターフェースコントローラ（２４）に供給されるトリガー信号（９３）と、フラッシュランプ（７０）の点滅のフラッシュレート（７３）とを、実質的に前記レーザビームパルス（７７）が発生されることになる時間において同期させる同期手段（２７）を更に備える請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記レーザコントローラ（２４）に動作可能に接続され、且つ前記マニピュレータ（１２７）の１つ又はそれ以上の軸に沿って所定間隔に基づいてレーザビーム（２）を発射するようにプログラムされた前記動作コントローラ（２５）を更に備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記所定間隔が、前記動作コントローラ（２５）によって発生されたエンコーダ計数値に基づき、且つ軸に沿う距離を表すことを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記トリガー信号（９３）を送信するように動作可能な前記電子制御動作コントローラ（２５）と、フラッシュランプ（７０）を同一の周波数で点滅させるように動作可能な前記レーザコントローラ（２４）とを更に備える請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前方及び後方ミラー（１３７及び１３９）とフラッシュランプ（７０）との間に動作可能に配置されたレージングロッド（３６）を含む発振器（３３）を更に備え、
前記発振器（３３）が前記前方ミラー（１３７）と前記レージングロッド（３６）との間に配置されたシャッター（１４９）と、前記レージングロッド（３６）と後方ミラー（１３９）との間に配置されたＱスイッチ（９９）とを更に含み、前記Ｑスイッチ（９９）が前記レーザビームパルス（７７）を起動して発射するために、前記レーザコントローラ（２４）に制御可能に接続されたことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記前方及び後方ミラー（１３７及び１３９）と前記フラッシュランプ（７０）との間に動作可能に配置されたレージングロッド（３６）を含む発振器（３３）と、
前記発振器（３３）から導き出すビームパス（６６）に沿って前記発振器（３３）と高速シャッター（１５１）との間に直接的に配置される二重ポッケルセル（１８１）と、
を更に備え、
前記レーザコントローラ（２４）が前記レーザビームパルス（７７）を起動して発射するために、前記二重ポッケルセル（１８１）と前記高速シャッター（１５１）とに制御可能に接続された請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記電子制御動作コントローラ（２５）によって前記レーザインターフェースコントローラ（２４）に供給されるトリガー信号（９３）がヘッダー（１１１）を含み、前記レーザコントローラ（２４）及び前記動作コントローラ（２５）の内の１つが、前記ヘッダー（１１１）の後にレーザビームパルス（７７）の発射を開始するようにプログラムされている請求項３に記載の装置。
【請求項１０】
連続動作レーザショックピーニング方法であって、
発振器（３３）を有するレーザユニット（３１）を使用して加工物（８）のレーザショックピーニング表面（５５）上にレーザビーム（２）のレーザビームパルス（７７）を発射して、前記レーザショックピーニング表面（５５）上に前記レーザビーム（２）の少なくとも単一のパスでレーザショックピーニングされたスポット（５８）の少なくとも第１の列（Ｒ１）を形成する段階と、
レーザインターフェースコントローラ（２４）で前記レーザユニット（３１）を変調及び制御して、前記レーザショックピーニング表面（５５）上に前記レーザビーム（２）を発射する段階と、
電子制御動作コントローラ（２５）によって制御されるマニピュレータ（１２７）を使用して前記加工物（８）を連続的に移動させて位置決めする段階と、
前記レーザコントローラ（２４）に対する前記動作コントローラ（２５）の速度制御（１２９）からの軸位置フィードバックに基づいて前記レーザビームパルス（７７）を発射する段階と、
を含む方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−７５９０２（Ｐ２００６−７５９０２Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００５−１９９５２８（Ｐ２００５−１９９５２８）
【出願日】平成１７年７月８日（２００５．７．８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９９５２８（Ｐ２００５−１９９５２８）
【出願日】平成１７年７月８日（２００５．７．８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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