阅读说明：本技术 激光喷丸加工装置 (Laser shot-peening device ) 是由 中野麻由 足立隆史 于 2018-04-04 设计创作，主要内容包括：实施方式所涉及的激光喷丸加工装置,具备振荡出激光的激光振荡器和通过透镜将所述激光聚光并照射于被加工物的照射系统,所述照射系统构成为在不经由液体而露出于大气中的状态下对所述被加工物照射所述激光。另外,实施方式所涉及的激光喷丸加工方法,是通过使用所述的激光喷丸加工装置进行所述被加工物的激光喷丸加工来制造成品或者半成品的方法。(A laser peening apparatus according to an embodiment includes a laser oscillator that oscillates a laser beam, and an irradiation system that condenses the laser beam through a lens and irradiates the laser beam onto a workpiece, and the irradiation system is configured to irradiate the workpiece with the laser beam in a state of being exposed to the atmosphere without passing through a liquid. In addition, the laser peening method according to the embodiment is a method of manufacturing a finished product or a semi-finished product by performing laser peening of the workpiece using the laser peening apparatus.)

激光喷丸加工装置

技术领域

本发明的实施方式涉及激光喷丸加工装置以及激光喷丸加工方法。

背景技术

以往，作为对物体的表面赋予残留应力来进行改性的方法，已知有激光喷丸加工。典型的激光喷丸加工是通过在被液体覆盖的状态下将激光束聚光照射于被加工物的被加工面而进行的。如果激光束聚光照射到被液体覆盖的被加工物的被加工面，则能够将因激光束的照射而产生的等离子体封闭在液体中。其结果，冲击波的压力被赋予至被加工面。由此，能够使在被加工物内部产生的压缩应力作为残余应力残留。

作为具体例子，提出了一种便携式激光喷丸装置，该便携式激光喷丸装置能够向直径为40mm且长度为200mm的筒状体供给水，以便能够不将被加工物浸渍在水中而进行激光喷丸加工(例如参照专利文献1)。另外，还提出了一种装置，其一边使具有固体的透明层的覆盖部件滑动一边隔着覆盖部件对激光进行脉冲照射，以使得能够不使用液体而进行激光喷丸加工(例如参照专利文献2)。

专利文献1：日本特开2010-247213号公报

专利文献2：日本特开2014-176870号公报

发明内容

本发明的目的在于减轻为了进行激光喷丸加工而要求的作业环境上的限制。

本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工装置包括：激光振荡器，其振荡出激光；以及照射系统，其利用透镜将所述激光聚光并照射至被加工物，所述照射系统构成为在不经由液体而露出于大气中的状态下向所述被加工物照射所述激光。

另外，本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工方法是通过使用上述激光喷丸加工装置进行所述被加工物的激光喷丸加工来制造成品或半成品的方法。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工装置的结构图。

图2是图1所示的喷嘴的前端部分的放大剖面图。

图3是图2所示的弹性体的仰视图。

图4是表示图1至图3所示的弹性体的其他构造例的主视图。

图5是表示图1所示的空气取入口的构造的放大剖面图。

图6是图4所示的空气取入口的右侧视图。

具体实施方式

参照附图对本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工装置和激光喷丸加工方法进行说明。

(结构和功能)

图1是本发明的实施方式所涉及的激光喷丸加工装置的结构图。

激光喷丸加工装置1是在不经由液体而露出于大气中的状态下进行被加工物W的激光喷丸加工的装置。因此，激光喷丸加工装置1具有振荡激光L的激光振荡器2、向被加工物W照射激光L的照射系统3、向激光振荡器2供给电力的电源4、用于控制电源4的控制装置5以及用于对由激光喷丸加工产生的被加工物W的碎屑进行回收的集尘器6。

照射系统3构成为在不经由液体而露出于大气中的状态下对被加工物W照射激光L。因此，照射系统3能够形成为将透镜7配置在管嘴8的内部的简单的结构。透镜7是用于将由激光振荡器2振荡的激光L聚光并照射至被加工物W的光学元件。

为了在露出于大气中的状态下进行被加工物W的激光喷丸加工，激光L具有足够的强度成为条件。如果将脉冲能量设为E、将对脉冲激光进行照射的射束点(beam spot)的面积设为S、将脉冲宽度设为t，则脉冲激光的强度I由I＝E/(S·t)表示。因此，即使脉冲能量E恒定，如果脉冲宽度t变小，则脉冲激光的强度I也变大。

脉冲宽度t小于或等于几皮秒的皮秒激光或飞秒激光被称为超短脉冲。在超短脉冲中特别是脉冲宽度t为飞秒(1000兆分之一秒)量级的飞秒激光与Nd：YAG激光等纳秒激光不同，为了不经由水等液体而在大气中进行被加工物W的激光喷丸加工，具有足够的强度I。

因此，由使振荡出飞秒激光作为激光L的飞秒激光振荡器构成激光振荡器2是实用的。但是，在激光喷丸加工所要求的脉冲激光的强度I小的情况下，也可以由皮秒激光振荡器构成激光振荡器2。激光喷丸加工的对象是铝、铁、钛等塑性变形的金属。因此，根据成为激光喷丸加工的对象的材质，确定激光喷丸加工所要求的脉冲激光的强度I。下面，主要对由飞秒激光振荡器构成激光振荡器2的情况进行说明。

振荡出Nd：YAG激光等的以往的纳秒激光振荡器是具有长度为1m左右且重量也达50kg左右的大型振荡器。因此，在使用纳秒激光振荡器进行激光喷丸加工的情况下，将纳秒激光振荡器固定，一边用机器人等保持被加工物一边使其移动是实用的。

与此相对，如果使用长度为600mm左右的飞秒激光振荡器，则激光喷丸加工设备1可以是由操作者手持的装置。即，作业者一边用手使连结有包含透镜7及喷嘴8在内的照射系统3的激光振荡器2移动一边进行被加工物W的激光喷丸加工是现实的。或者，将连结有照射系统3的激光振荡器2安装于机器人的臂，一边使照射系统3移动一边进行激光喷丸加工也是现实的。

因此，即使被加工物W如航空器构造体那样大型，也能够容易地使喷嘴8朝向被加工物W进行激光喷丸加工。即，在固定了被加工物W的状态下容易进行激光喷丸加工。

而且，如果如上所述由飞秒激光振荡器等构成激光振荡器2，则不需要为了进行激光喷丸处理所需要的水等液体或涂层。因此，不需要在使用纳秒激光振荡器进行激光喷丸加工的情况下所需要的用于供给液体的设备。

另一方面，在由飞秒激光振荡器等构成的激光喷丸加工装置1的情况下，由于激光L的强度大，因此确保安全性是重要的。即，遮蔽激光L，使激光L以及激光L的散射光不进入操作者的眼睛是重要的。特别是，在激光喷丸加工装置1为便携式的情况下，喷嘴8的前端有可能朝向各种方向。因此，必须使得激光L不直接进入人的眼睛。

因此，为了遮蔽激光L的散射光，能够由筒状的遮光材料构成喷嘴8。作为遮光材料的例子，可以举出轻量的铝。而且，能够将喷嘴8的一个开口端与激光振荡器2连结。另外，能够在喷嘴8的另一个开口端安装用于与被加工物W的表面接触并滑动的弹性体9。

由此，能够通过喷嘴8完全堵塞还包括激光喷丸加工的施工点在内的激光L的光路。其结果，能够防止激光L以及激光L的散射光进入操作者的眼睛的事故。而且，在喷嘴8的被加工物W的前端安装弹性体9，因此，能够避免被加工物W的损伤。即，能够在不损伤被加工物W的情况下将激光L、反射光以及散射光密闭在喷嘴8内。

但是，如果在被加工物W和弹性体9之间产生间隙的状态下照射激光L，则激光L的散射光或反射光有可能从间隙泄漏。因此，能够将检测弹性体9与被加工物W的接触状态的传感器10设置于激光喷丸加工装置1。

作为检测弹性体9和被加工物W之间的接触状态的传感器10的实用例，举出压力传感器、光学式的位置传感器。例如，在使用光学式的位置传感器的情况下，通过检测从被加工物W的表面到弹性体9的距离，能够检测弹性体9是否与被加工物W的表面紧贴。另一方面，如果如图所示使用压力传感器10A，则通过检测从被加工物W的表面施加于弹性体9的压力，能够检测弹性体9是否与被加工物W的表面紧贴。

喷嘴8为筒状，因此，为了完全抑制与被加工物W之间的间隙的产生而优选的弹性体9的构造为O形环状。因此，能够在O形环状的弹性体9和喷嘴8的前端之间设置O形环状的压力传感器10A。由此，在弹性体9与被加工物W接触的情况下，能够通过压力传感器10A检测从被加工物W施加于弹性体9的压力。

在重视简易地构成压力传感器10A的情况下，能够将压力传感器10A安装于喷嘴8的前端，该压力传感器10A将激光L的光轴方向上的环状区域的压力作为单一成分输出。在这种情况下，通过对从压力传感器10A输出的压力的测定值进行阈值处理，能够检测弹性体9是否与被加工物W的表面接触。

另一方面，在重视对环状的弹性体9是否可靠地与被加工物W的表面紧贴进行检测的情况下，能够将对弹性体9的至少不同的3个点处的压力进行检测的压力传感器10A安装于喷嘴8的前端。在该情况下，通过对至少3个点处的压力的测定值进行阈值处理，能够检测出弹性体9是否完全与被加工物W的表面紧贴。即，仅在弹性体9的至少3个点处的压力的测定值都大于或等于阈值或超过阈值的情况下，才能够判定为弹性体9完全与被加工物W的表面紧贴。

因此，弹性体9除了要求与被加工物W之间的润滑性以及用于与被加工物W紧贴的表面的弹性之外，还要求具有向压力传感器10A传递压力的特性。特别是，在激光喷丸加工前对被加工物W的表面进行清洗，因此，在与被加工物W之间确保润滑性是重要的。

作为满足所述要求的弹性体9的材质的例子，举出聚四氟乙烯(PTFE)、聚酰胺树脂(尼龙)以及聚缩醛树脂。弹性体9也可以不由单一的材质构成，而由多种材质构成。即，也可以由重叠了多种材料的层压材料构成弹性体9。因此，弹性体9可以由聚四氟乙烯、聚酰胺树脂和聚缩醛树脂中的至少一种构成。

压力传感器10A等的传感器10的输出侧能够与用于控制电源4的控制装置5连接。这样，在控制装置5中，能够自动判定弹性体9是否与被加工物W接触、或者环状的弹性体9是否完全与被加工物W的表面紧贴这样的弹性体9与被加工物W之间的接触状态。

而且，根据弹性体9与被加工物W之间的接触状态来控制激光振荡器2的电源4，由此，能够使激光L的振荡停止。即，在判定为弹性体9未与被加工物W接触的情况下或者判定为弹性体9未与被加工物W的表面完全紧贴的情况下，能够将激光振荡器2的电源4自动地切换为断开，以使得激光L的反射光或者散射光不会从弹性体9与被加工物W之间的间隙泄漏。

在该情况下，能够由读入了信号处理程序的电子电路构成控制装置5，该信号处理程序基于从传感器10输出的检测信号而判定弹性体9与被加工物W之间的接触状态，并且与判定结果相应地生成用于将激光振荡器2的电源4切换为断开的控制信号。

作为其他例子，在如喷嘴8由机械臂保持的情况这种即使在弹性体9与被加工物W之间产生间隙，但立即引发事故的可能性也低的情况下，也可以将弹性体9与被加工物W之间的接触状态的判定结果显示于显示装置，或者仅通过声音或灯通知给激光喷丸加工装置1的用户。

通过使用了这样的传感器10的安全对策，不仅是激光L，还能够可靠地防止激光L的反射光或散射光进入人的眼睛的事故。

如果通过将激光L照射于被加工物W来进行被加工物W的激光喷丸加工，则被加工物W的一部分作为碎屑而产生。在如以往那样在液体中进行激光喷丸加工的情况下，被加工物的碎屑随着液体的流动而被去除，但在不使用液体的激光喷丸加工的情况下，去除被加工物W的碎屑是重要的。特别是，在通过喷嘴8对激光L的光路进行密闭的情况下，重要的是在喷嘴8内被加工物W的碎屑不会滞留于施工点而遮挡激光L。

因此，通过集尘器6对因激光L的照射而在喷嘴8内产生的被加工物W的碎屑进行回收是适当的。集尘器6和喷嘴8内能够通过连结管11而连结。连结管11能够由金属制或橡胶制的管构成。

图2是图1所示的喷嘴8的前端部分的放大剖面图，图3是图2所示的弹性体9的仰视图。

从将适当强度的激光L照射到被加工物W的表面的观点出发，优选使可能成为激光L的障碍物的被加工物W的碎屑在喷嘴8内不飞扬。因此，能够将连结管11与尽可能和被加工物W的表面接近的弹性体9连结。因此，能够在弹性体9的被加工物W侧形成用于从喷嘴8内吸引被加工物W的碎屑的槽9A。形成于弹性体9的槽9A的目的在于将喷嘴8内外连通，因此槽9A的长度方向为弹性体9的半径方向。

而且，能够将连结管11的喷嘴8侧与在环状的弹性体9的被加工物W侧形成的槽9A连结。如果连结管11为橡胶制，则例如能够通过粘接剂将连结管11的前端与弹性体9粘接。另外，如果连结管11为金属制，则例如能够通过利用了螺钉等的紧固件将连结管11的前端与弹性体9连结。

在图示的例子中，两个槽9A夹着激光L的照射点而在两侧形成于弹性体9。因此，通过两根连结管11将弹性体9的两个槽9A与集尘器6连结。这样，从在激光喷丸加工的施工点附近不使被加工物W的碎屑通过的观点出发，优选在弹性体9等间隔地设置至少两个槽9A。而且，如果增加弹性体9的槽9A以及连结管11的数量，则能够提高被加工物W的碎屑的集尘效果。即，能够通过集尘器6从弹性体9的各槽9A呈放射状地吸引在激光喷丸加工的施工点产生的被加工物W的碎屑，以使得该碎屑不干扰激光L的光路。

图4是表示图1至图3所示的弹性体9的其他构造例的主视图。

也可以在弹性体9形成贯通孔9B来取代槽9A。例如，如图4所示，通过在富有弹性的环状的弹性层9C形成槽，将富有润滑性的环状的润滑层9D重叠，从而能够制作具有贯通孔9B的弹性体9。而且，能够将在弹性体9形成的贯通孔9B与连结管11连结。当然，不限于图4所示的例子，也可以在单层的弹性体9形成贯通孔9B。

为了使被加工物W的碎屑不滞留在激光喷丸加工的施工点附近，优选不仅将用于对被加工物W的碎屑进行回收的集尘用空气的排出口设置在适当的位置，而且将集尘用空气的取入口也设置在适当的位置。具体而言，优选在喷嘴8内形成不横穿施工点而朝向连结管11的集尘用空气的层流。

因此，在与喷嘴8的透镜7相比更靠被加工物W侧，形成用于将集尘用空气取入到喷嘴8内的空气取入口8A是适当的。但是，从防止事故的观点出发，优选在喷嘴8形成具有激光L的散射光不向喷嘴8的外部泄漏的构造的空气取入口8A。

图5是表示图1所示的空气取入口8A的构造的放大剖面图，图6是图4所示的空气取入口8A的右侧视图。

例如，如图5和图6所示，能够将空气取入口8A的构造设为如下构造，即，不能经由空气取入口8A将激光束L和喷嘴8的外部直线地连结。具体而言，能够通过在相对于激光L的光轴垂直的方向上隔开间隙配置的具有双重构造的壁面而形成空气取入口8A。除了图5及图6所示的例子之外，也能够由相对于激光L的光轴倾斜的2个壁面形成空气取入口8A。

另外，也可以将喷嘴8设为圆筒状，使喷嘴8的中心轴从激光L的光轴偏移。即，也可以使得喷嘴8偏心。这样，在喷嘴8中形成集尘用空气的旋涡，并且能够使旋涡的中心从激光喷丸加工的施工点偏移。由此，能够通过集尘器6从在弹性体9形成的各槽9A或各贯通孔9B吸引被加工物W的碎屑，而不会使被加工物W的碎屑滞留在激光喷丸加工的施工点。

而且，通过使用具有以上那样的结构的激光喷丸加工装置1进行被加工物W的激光喷丸加工，能够制造成品或半成品。

(效果)

如上所述的激光喷丸加工装置1和激光喷丸加工方法，通过使用飞秒激光等超短脉冲激光而不需要液体、涂层等介质。因此，根据激光喷丸加工装置1和激光喷丸加工方法，与使用纳秒激光的情况相比，能够使激光振荡器2的尺寸飞跃性地减小。其结果，能够使激光喷丸加工装置1便携化。

另外，激光喷丸加工装置1和激光喷丸加工方法为了避免被认为是由超短脉冲激光的使用、不使用液体而引起的弊端的强度高的光的泄漏、被加工物W的碎屑的滞留，能够进行激光L的遮蔽和被加工物W的碎屑的集尘。特别是，通过在喷嘴8的前端安装弹性体9，能够避免被加工物W的损伤并且抑制激光L、散射光以及反射光的泄漏。而且，能够从在弹性体9形成的槽9A或贯通孔9B对被加工物W的碎屑进行集尘。其结果，能够避免激光L被碎屑遮挡并在良好的条件下进行被加工物W的激光喷丸加工。

(其他实施方式)

以上，记载了特定的实施方式，但所记载的实施方式只不过是一个例子，并不限定发明的范围。这里记载的新的方法及装置能够以各种其他方式具体实现。另外，在这里记载的方法以及装置的方式中，能够在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换以及变更。所附的权利要求书及其等同物作为包含于发明的范围及主旨的内容，包含这样的各种方式及变形例。