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【発明の名称】 レーザ衝撃ピーニングにおいて閉込め媒質の流れの条件設定及び制御を行うための方法
【発明者】 【氏名】ウェイン・リー・ローレンス

【氏名】リチャード・ユージーン・クラッセン
【要約】 【課題】加工物のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）において閉込め媒質を流すための透明閉込め媒質ノズルの条件設定方法の提供。

【解決手段】閉込め媒質ノズル１２３を通して閉込め媒質を流し、かつ閉込め媒質の流量を設定する工程Ａと、ノズル１２３を通して被加工表面１５４上に閉込め媒質を流すように、ノズル１２３の位置決めを行う工程Ｂと、被加工表面１５４と反対側に位置する被加工物の側壁１４８に取付けられた超音波変換器の使用により、被加工表面１５４上における閉込め媒質層の厚さを測定する工程を経て設定する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）に際して閉込め媒質（１２１）を流すための透明閉込め媒質ノズル（１２３）の条件設定を行うための方法において、レーザ衝撃ピーニングを施すべき加工物（１０８）の１つのパッチ（１４５）に関連した試験片の相関表面（１５４）上の少なくとも１つの点（Ａ）に関し、前記閉込め媒質ノズル（１２３）を通して前記閉込め媒質（１２１）を流しかつ前記閉込め媒質の流量を設定する工程Ａと、前記ノズル（１２３）を通して前記相関表面（１５４）上に前記閉込め媒質（１２１）を流すように前記ノズル（１２３）の位置決めを行う工程Ｂと、前記相関表面（１５４）の反対側に位置する前記試験片の側壁（１４８）に取付けられた超音波変換器（２０）の使用により、前記相関表面（１５４）上における閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）を測定する工程Ｃとを実施することを含む方法。
【請求項２】 前記試験片が前記加工物（１０８）であり、かつ前記相関表面が前記加工物（１０８）の第１の側壁上にある第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）である請求項１記載の方法。
【請求項３】 前記工程Ｃにおいて測定された閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）を閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）に関する所定の値又は値範囲と比較する工程Ｄと、前記工程Ｄにおける比較結果に基づき、前記閉込め媒質の流量及び（又は）前記ノズルの位置を再設定すべきか、あるいは前記工程Ａにおいて設定された前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置を使用しながら前記加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）を続行すべきかを決定する工程Ｅとを更に含む請求項１記載の方法。
【請求項４】 前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置の少なくとも一方を再設定して前記工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆを更に含む請求項３記載の方法。
【請求項５】 前記加工物（１０８）の前記パッチ（１４５）上におけるレーザ衝撃すべきスポットの中心点（Ａ）に関して前記工程Ｂ及びＣが実施される請求項２記載の方法。
【請求項６】 前記加工物（１０８）の前記パッチ（１４５）上におけるレーザ衝撃すべき複数のスポット（１５８）の対応する複数の中心点に関して前記工程Ｂ及びＣが実施される請求項２記載の方法。
【請求項７】 前記工程Ｃにおいて前記点の各々に関し測定されかつ記録された閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）を閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）に関する所定の値又は値範囲と比較する工程Ｄと、前記工程Ｄにおける比較結果に基づき、前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置の少なくとも一方を再設定すべきか、あるいは前記工程Ａにおいて設定された前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置を使用しながら前記加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）を続行すべきかを決定する工程Ｅとを更に含む請求項６記載の方法。
【請求項８】 前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置の少なくとも一方を再設定して前記工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆを更に含む請求項７記載の方法。
【請求項９】 レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）用の少なくとも１つの固定レーザビーム（１０２）発生源及び前記加工物（１０８）を保持する制御可能な第１のマニプレータ（１２７）を具備したレーザ衝撃ピーニング装置（１０）において前記方法が実施されると共に、前記加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）に際して前記加工物の姿勢及び位置を整合させるため、前記工程Ａ及びＢの間において前記加工物の姿勢及び位置の少なくとも一方が前記第１のマニプレータ（１２７）によって調整される請求項７記載の方法。
【請求項１０】 前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置の少なくとも一方を再設定して前記工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆを更に含む請求項９記載の方法。
【請求項１１】 前記ノズルの位置の設定及び再設定が前記ノズル（１２３）を保持する制御可能な第２のマニプレータ（１８）を用いて行われる請求項９記載の方法。
【請求項１２】 前記工程Ａ〜Ｅが第１組の工程を成す場合において、前記工程Ａ〜Ｅが第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）に関して実施された後、第１の側壁上にある第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）の反対側に位置する前記加工物（１０８）の第２の側壁上にある前記加工物（１０８）の第２のレーザ衝撃ピーニング表面（１５５）に関して第２組の工程Ａ〜Ｅが実施される請求項７記載の方法。
【請求項１３】 前記第１組及び第２組の工程が、前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置の少なくとも一方を再設定して前記第１組及び第２組の工程中の前記工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆを更に含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】 レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）用の少なくとも１つの固定レーザビーム（１０２）発生源及び前記加工物（１０８）を保持する制御可能な第１のマニプレータ（１２７）を具備したレーザ衝撃ピーニング装置（１０）において前記方法が実施されると共に、前記加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）に際して前記加工物の姿勢及び位置を整合させるため、前記工程Ａ及びＢの間において前記加工物の姿勢及び位置の少なくとも一方が前記第１のマニプレータ（１２７）によって調整される請求項１３記載の方法。
【請求項１５】 前記ノズルの位置の設定及び再設定が前記ノズル（１２３）を保持する制御可能な第２のマニプレータ（１８）を用いて行われる請求項１４記載の方法。
【請求項１６】 製造加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）プロセス中において流れる閉込め媒質（１２１）の厚さ（Ｔ）を制御するための方法において、前記方法が、加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）に際して閉込め媒質（１２１）を流すための透明閉込め媒質ノズル（１２３）の条件設定を行うための条件設定操作を実施する工程と、複数の加工物（１０８）にレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）を施す工程と、前記閉込め媒質の厚さ（Ｔ）を点検するための点検操作を実施する工程とを含んでいて、前記条件設定操作は、前記加工物（１０８）の第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）上における少なくとも１つの点（Ａ）に関し、前記閉込め媒質ノズル（１２３）を通して前記閉込め媒質（１２１）を流しかつ前記閉込め媒質の流量を設定する工程Ａと、前記ノズル（１２３）を通して前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）上に前記閉込め媒質を流すように前記ノズル（１２３）の位置決めを行う工程Ｂと、第１の側壁上にある前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）の反対側に位置する前記加工物（１０８）の第２の側壁に取付けられた超音波変換器（２０）の使用により、前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）上における閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）を測定する工程Ｃとを実施することから成り、また前記点検操作は、前記工程Ｂ及びＣを繰返した後、前記工程Ｃにおいて測定された閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）を閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）に関する所定の値又は値範囲と比較する工程Ｄと、前記工程Ｄにおける比較結果に基づき、前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置の少なくとも一方を再設定すべきか、あるいは前記工程Ａにおいて設定された前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置を使用しながら前記加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）を続行すべきかを決定する工程Ｅとを実施することから成ることを特徴とする方法。
【請求項１７】 前記閉込め媒質の流量及び前記ノズルの位置の少なくとも一方を再設定して前記工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆを更に含む請求項１６記載の方法。
【請求項１８】 前記加工物（１０８）の前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）上におけるレーザ衝撃すべき複数のスポット（１５８）の対応する複数の中心点の各々に関して前記工程Ｂ及びＣが実施される請求項１７記載の方法。
【請求項１９】 前記レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）が、前記中心点の各々に関して前記加工物（１０８）の位置及び姿勢の少なくとも一方を変化させることを含む請求項１８記載の方法。
【請求項２０】 前記工程Ａ〜Ｅが第１組の工程を成す場合において、前記工程Ａ〜Ｅが第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）に関して実施された後、第１の側壁上にある前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）の反対側に位置する前記加工物（１０８）の第２の側壁上にある前記加工物（１０８）の第２のレーザ衝撃ピーニング表面（１５５）に関して第２組の工程Ａ〜Ｅが実施される請求項１９記載の方法。
【請求項２１】 前記加工物（１０８）が前縁（ＬＥ）及び後縁（ＴＥ）を有するエーロフォイル（１３４）を含むガスタービンエンジン部品（１０８）であり、前記第１及び第２の側壁が前記エーロフォイル（１３４）の凸形吸引側壁（１４８）及び凹形圧力側壁（１４６）であり、かつ前記パッチ（１４５）が前記前縁及び前記後縁の一方に沿って配置されている請求項１９記載の方法。
【請求項２２】 前記超音波変換器（２０）と前記エーロフォイル（１３４）との間にエポキシ樹脂音響結合材（１７５）が配置される請求項１９記載の方法。
【請求項２３】 前記超音波変換器（２０）と前記エーロフォイル（１３４）との間にエポキシ樹脂音響結合材（１７５）が配置される請求項１６記載の方法。
【請求項２４】 製造加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）プロセス中において流れる閉込め媒質（１２１）の厚さ（Ｔ）を制御するための方法において、加工物（１０８）のレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）に際して前記加工物（１０８）の第１の側壁上にある第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）上に閉込め媒質（１２１）を流すための透明閉込め媒質ノズル（１２３）の条件設定を行うための条件設定操作が実施されると共に、前記条件設定操作は、前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）上におけるレーザ衝撃すべき複数のスポット（１５８）の対応する複数の中心点に関し、閉込め媒質ノズル（１２３）を通して前記閉込め媒質（１２１）を流しかつ前記閉込め媒質の流量を設定する工程Ａと、前記加工物（１０８）を保持しかつ前記加工物の姿勢及び位置を設定するために役立つ第１の制御可能なマニプレータ（１２７）並びに前記ノズル（１２３）を保持しかつ前記ノズルの姿勢及び位置を設定するために役立つ第２の制御可能なマニプレータ（１８）を使用しながら、前記点の各々に関し、前記ノズル（１２３）を通して前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）上に前記閉込め媒質を流すように前記ノズル（１２３）の位置決めを行う工程Ｂと、第１の側壁上にある前記第１のレーザ衝撃ピーニング表面（１５４）の反対側に位置する前記加工物（１０８）の第２の側壁に取付けられた超音波変換器（２０）の使用により、レーザ衝撃ピーニングを施すべき前記点のそれぞれに対応した複数の閉込め媒質層の厚さ（Ｔ）を測定しながら、前記第２のマニプレータ（１８）を用いて前記ノズルの姿勢及び位置を調整する工程Ｃとを実施することから成る方法。
【請求項２５】 それぞれの前記点上において所定の閉込め媒質厚さ（Ｔ）に等しい閉込め媒質厚さ（Ｔ）の測定値が得られるように前記点の各々に関して前記ノズルの姿勢及び位置の設定値のスケジュールを計算する工程と、前記点の各々に関する前記スケジュールに従って前記ノズルの姿勢及び位置を設定すると共に、前記点上に前記閉込め媒質（１２１）を流しながら前記点の各々にレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）装置からのレーザビーム（１０２）パルスを投射することによって前記加工物（１０８）にレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）を施す工程とを更に含む請求項２４記載の方法。
【請求項２６】 それぞれの前記点上において所定の閉込め媒質厚さ（Ｔ）範囲内の閉込め媒質厚さ（Ｔ）が得られるように前記点の各々に関して前記ノズルの姿勢及び位置の設定値のスケジュールを計算する工程と、前記点の各々に関する前記スケジュールに従って前記ノズルの姿勢及び位置を設定すると共に、前記点上に前記閉込め媒質（１２１）を流しながら前記点の各々にレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）装置からのレーザビーム（１０２）パルスを投射することによって前記加工物（１０８）にレーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）を施す工程とを更に含む請求項２４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（ＬＳＰ）に関するものであって、更に詳しく言えば、レーザ衝撃ピーニング操作に際して加工物のレーザ衝撃区域上における水又はその他の閉込め媒質の流れの条件設定及び制御を行うための方法に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】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い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１つ以上の放射パルスを用いて加工物の表面に強い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パルス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、該表面の薄い層あるいは該表面上の被膜（たとえば、テープ又はペイント）の瞬間的なアブレーション又は蒸発により、レーザビームの衝突点において爆発力を生み出すことによって達成される。
【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ている。
【０００４】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、プラズマ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。このような媒質は、プラズマが急激に衝撃波圧力を発生して塑性変形をもたらし、それに伴ってＬＳＰ効果を構成する残留応力パターンを生み出すことを可能にする。水のカーテンは、加工によって発生した衝撃波を閉込めてそれをＬＳＰを施すべき部品の材料本体中に転向させ、それによって有益な残留圧縮応力を生み出すための閉込め媒質を提供する。このような閉込め媒質はまた、加工によって生成された残骸及び使用されないレーザビームエネルギーを除去するためのキャリヤとしても役立つ。水は、ＮＤ：ＹＡＧビーム波長に対して透明であると共に製造時の取扱いが容易であり、従って理想的な閉込め媒質である。水のカーテンは、ＬＳＰを施すべき加工物又は部品の表面に連続的に接触させておくことが必要であると共に、最小の所定厚さ又は厚さ範囲を有することが必要である。多くの場合、水のカーテンは約０．０２インチの深さに保つことが必要である。
【０００５】現行の技術は、ビデオモニタによって閉込め媒質を絶えず監視するというものである。この場合には、オペレータは十分な注意力が要求されるばかりでなく、厚さの測定値データを得ることができない。
【０００６】
【発明の概要】加工物のレーザ衝撃ピーニングに際して閉込め媒質を流すための透明閉込め媒質ノズルの条件設定を行うための本発明方法は、レーザ衝撃ピーニングを施すべき加工物の１つのパッチに関連した試験片の相関表面上の少なくとも１つの点に関して下記の工程を実施することから成っている。それらの工程は、閉込め媒質ノズルを通して閉込め媒質を流しかつ閉込め媒質の流量を設定する工程Ａと、ノズルを通して相関表面上に閉込め媒質を流すようにノズルの位置決めを行う工程Ｂと、相関表面の反対側に位置する試験片の側壁に取付けられた超音波変換器の使用により、相関表面上における閉込め媒質層の厚さを測定する工程Ｃとを含んでいる。超音波変換器は、相関表面の反対側に位置する試験片の側壁に取付けられている。本発明の実施の一態様に従えば、加工物が試験片として使用され、そして相関表面は加工物の第１の側壁上にある第１のレーザ衝撃ピーニング表面である。本発明の好適な実施の態様は、工程Ｃにおいて測定されかつ記録された閉込め媒質層の厚さを閉込め媒質層の厚さに関する所定の値又は値範囲と比較する工程Ｄと、工程Ｄにおける比較結果に基づき、閉込め媒質の流量及び（又は）ノズルの位置を再設定すべきか、あるいは工程Ａにおいて設定された閉込め媒質の流量及びノズルの位置を使用しながら加工物のレーザ衝撃ピーニングを続行すべきかを決定する工程Ｅとを更に含んでいる。必要ならば、閉込め媒質の流量及びノズルの位置の少なくとも一方を再設定して工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆが実施される。
【０００７】本発明の実施の一態様に従えば、レーザ衝撃ピーニングを施すべき加工物のパッチ上における複数の点に関して工程Ｂ及びＣを実施することが要求される。この場合、工程Ｄにおいては、工程Ｃにおいて各々の点に関し測定されかつ記録された閉込め媒質層の厚さが閉込め媒質層の厚さに関する所定の値又は値範囲と比較される。次いで、工程Ｅを実施することにより、工程Ｄにおける比較結果に基づき、閉込め媒質の流量及び（又は）ノズルの位置を再設定すべきか、あるいは工程Ａにおいて設定された閉込め媒質の流量及びノズルの位置を使用しながら加工物のレーザ衝撃ピーニングを続行すべきかが決定される。必要ならば、閉込め媒質の流量及び（又は）ノズルの位置を再設定して工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆが実施される。
【０００８】本発明の方法は、レーザ衝撃ピーニング用の少なくとも１つの固定レーザビーム発生源及び加工物を保持する制御可能な第１のマニプレータを具備したレーザ衝撃ピーニング装置において実施されることが好ましい。工程Ａ及びＢの間においては、加工物のレーザ衝撃ピーニングに際して加工物の姿勢及び位置を整合させるため、加工物の姿勢及び（又は）位置が第１のマニプレータによって調整される。なお、ノズルの位置の設定及び再設定はノズルを保持する制御可能な第２のマニプレータを用いて行われる。
【０００９】両側レーザ衝撃ピーニングを行う場合には、工程Ａ〜Ｅが第１組の工程を成すと共に、工程Ａ〜Ｅが第１のレーザ衝撃ピーニング表面に関して実施された後、第１の側壁上にある第１のレーザ衝撃ピーニング表面の反対側に位置する加工物の第２の側壁上にある加工物の第２のレーザ衝撃ピーニング表面に関して第２組の工程Ａ〜Ｅが実施される。特定の実施の態様においては、本発明の方法はエーロフォイルを含むガスタービンエンジン用羽根部品（たとえば、前縁及び後縁を有するタービン羽根、圧縮機羽根又は送風機羽根）に対して実施される。この場合、第１及び第２の側壁はエーロフォイルの凸形吸引側壁及び凹形圧力側壁であり、そしてパッチは前縁及び後縁の一方に沿って配置されている。本発明の実施の一態様に従えば、超音波変換器とエーロフォイルとの間にエポキシ樹脂音響結合材が配置される。
【００１０】本発明の更に別の実施の態様に従えば、それぞれの点上において所定の閉込め媒質厚さが得られるように各々の点に関してノズルの姿勢及び位置の設定値のスケジュールを計算し、次いで点上に閉込め媒質を流しながら各々の点にレーザ衝撃ピーニング装置からのレーザビームパルスを投射することによって加工物にレーザ衝撃ピーニングを施すために本発明の方法が使用される。かかるレーザ衝撃ピーニングに際しては、スケジュールによってノズルの姿勢及び（又は）位置の変化が要求される各パルス投射に先立ち、各々の点に関するスケジュールに従ってノズルの姿勢及び位置が設定される。
【００１１】本発明の利点は数多いが、その１つとしては、レーザ衝撃ピーニングプロセス中において閉込め媒質又は水カーテン用ノズルの条件設定を行う工程並びに閉込め媒質又は水カーテン用ノズルの品質保証試験を行う工程に関する費用、時間、労力及び複雑度の低減が挙げられる。本発明のもう１つの利点は、レーザ衝撃ピーニングプロセス中における水カーテンの厚さの品質保証試験を実際の製造部品に関してプロセスの現場で加工に対しリアルタイムで実施するというプロセス中品質管理が可能となることである。本発明は、レーザ衝撃ピーニングに際して品質保証試験を実施するために必要な作業停止時間を大幅に短縮することができる。
【００１２】本発明は、閉込め媒質の条件設定及び制御を行うためのより正確な方法を提供する。精度の向上は、レーザ衝撃ピーニングに際して閉込め媒質の厚さが不十分であったために劣った高サイクル疲労（ＨＣＦ）試験結果を示すことのある部品に対する再加工を低減又は排除するために役立つ。本発明はまた、流量とノズルの位置及び姿勢との間におけるデータの監視手段を提供し、そして部品上における閉込め媒質の超音波試験によって測定された閉込め媒質の厚さとの相関関係を得ることを可能にする。これはまた、レーザ衝撃ピーニングに際してレーザビーム投射時の流量データの監視をも可能にし、それによってレーザ衝撃ピーニングプロセスの現場におけるリアルタイムの品質保証監視を可能にする。
【００１３】
【好適な実施の態様の詳細な説明】以下、添付の図面を参照しながら本発明の上記及びその他の特徴を詳しく説明しよう。
【００１４】図１には、レーザ衝撃ピーニングを実施するために使用されるレーザ衝撃ピーニング装置１０及び試験用の加工物が略示されている。加工物の実例として、レーザ衝撃ピーニングを施すべきパッチ１４５を有するエーロフォイル１３４を含む羽根１０８が示されている。羽根１０８は、コンピュータによって数値制御（ＣＮＣ）された５軸の第１のマニプレータ１２７に固定された取付具に取付けられている。かかるマニプレータの一例は、アメリカ合衆国サウス・カロライナ州（２９７１０）クローバ市ハフマンウェイ１０５０所在のハフマン・コーポレーション(Huffman Corporation) から商業的に入手可能である。この実施の態様において示された５つの運動軸は、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並びに通常の第１、第２及び第３の回転軸Ａ、Ｂ及びＣを含んでいる。第１のマニプレータ１２７は、連続的に羽根の移動及び位置決めを行い、それにより本発明の実施の態様に従って「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使用される。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（詳しくは、「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）。
【００１５】更に図３、７及び８について説明すれば、エーロフォイル１３４の凸形吸引側壁１４８及び凹形圧力側壁１４６は、羽根１０８の両側においてパッチ１４５の内部に第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５をそれぞれ有している。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、第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５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。かかるペイント又はテープはアブレーティブ媒質を提供するが、その上には図１に示された水流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。
【００１６】レーザ衝撃ピーニング操作に際しては、羽根１０８は連続的に移動される。その間、レーザ衝撃ピーニング装置１０の使用により、被覆された第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５上の流水カーテン１２１を通して静止した高出力レーザビーム１０２が連続的に投射され、それによって互いに離隔したレーザ衝撃ピーニングスポット１５８が形成される。また、図２に一層詳しく示されるごとく、給水管１２０に連結された給水路１１９の末端に設けられた水ノズル１２３によって流水カーテン１２１が供給される。図５に一層詳しく示されるごとく、本発明は条件設定操作に際してオシロスコープ又はコンピュータ１７により監視される超音波変換器２０を用いて流水カーテン１２１の厚さＴ（通例約０．０２インチ）を設定しかつ監視するための方法を提供する。なお、コンピュータ１７は超音波変換器から厚さ測定値を計算すると共に、条件設定中を通じて結果をコンピュータディスプレイ又はモニタ１９上に表示するために使用される。本発明の方法はまた、コンピュータ１７及び（又は）制御装置２４に接続されかつそれらによって監視された計量装置２２を用いて流水カーテン１２１の水流量を測定する。なお、制御装置２４もレーザ衝撃ピーニング装置１０を監視しかつ（あるいは）制御するために使用される。ノズル１２３を通過する水の流量を制御するため、給水管１２０中には流量弁２６が設けられている。所望ならば、図１に示されるごとく、流量弁２６を制御しかつ流量弁及びノズル１２３を通過する水の流量を調整するために制御装置２４が使用される。
【００１７】加工物又は羽根１０８のレーザ衝撃ピーニングに際して閉込め媒質（すなわち、流水カーテン１２１）を流すための透明閉込め媒質ノズル１２３の条件設定を行うための方法は、図１０のフローチャートに示されるような工程Ａ〜Ｆを含んでいる。かかる方法は、レーザ衝撃ピーニングを施すべき加工物の１つのパッチに関連した試験片の相関表面上における、（図３中にレーザ衝撃ピーニングスポット１５８の１つの中心点Ａとして一層詳しく示されている）少なくとも１つの点に関して実施される。試験片は実際の加工物とは異なる物体（たとえば、平坦なクーポン又は成形されたクーポン）であり得るが、より高い精度及びより一貫した結果を得るためには実際の加工物を使用することが好ましい。その場合の相関表面は、第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５の一方である。
【００１８】工程Ａは、閉込め媒質ノズル１２３を通して閉込め媒質を流しかつそれの流量を設定することから成っている。それの流量は、コンピュータ１７及び（又は）制御装置２４に接続されかつそれらによって監視される計量装置２２を用いて測定される。更に図２、３及び４について述べれば、工程Ｂは、エーロフォイル１３４に向けて閉込め媒質（水）を水流１３５として下向きに流し、そして第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５の一方における水スポット１２９に当てるようにノズル１２３の位置決めを行うことから成っている。水流１３５がレーザ衝撃ピーニング表面のどこに当たって水スポット１２９を形成するか、及び水流１３５がレーザ衝撃ピーニングスポット１５８に対していかなる角度を成すかは、適当な厚さＴを有する一様な流水カーテン１２１を形成するために重要なパラメータである。図２は凸形吸引側壁１４８の斜視図であって、ノズル１２３の位置及び姿勢を示している。本明細書中で使用される「ノズルの位置」は、ノズル１２３の出口１２５の位置並びに中心点Ａ及びレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５に対するノズルの姿勢又は角方位を含んでいる。水ノズル１２３及び給水路１１９は調整可能であって、手動で調整することもできるし、あるいは図５に示されるごとく制御装置２４で制御し得る第２の随意マニプレータ１８を用いて自動的に調整することもできる。
【００１９】図３及び４には、エーロフォイル１３４の凹形圧力側壁１４６に対する水ノズル１２３の位置及び姿勢が示されている。それの位置は、互いに直交する第１、第２及び第３の軸Ｘ１、Ｙ１及びＺ１のそれぞれに沿った方向における第１、第２及び第３の距離Ｄ１、Ｄ２及びＤ３によって測定される。ここで、第１の軸Ｘ１はエーロフォイル１３４の底辺１４９から前縁ＬＥに平行に延びるものであり、また第２の軸Ｙ１は底辺及び前縁の平面内に位置するものである。原点５０は、底辺と前縁ＬＥとの交点に位置している。ノズル１２３の姿勢は、水流１３５の角方位として定義されるものであって、水流１３５と第１、第２及び第３の軸Ｘ１、Ｙ１及びＺ１のそれぞれとの間における第１、第２及び第３の角Ａ１、Ａ２及びＡ３によって表わされる。第１、第２及び第３の距離Ｄ１、Ｄ２及びＤ３並びに第１、第２及び第３の角Ａ１、Ａ２及びＡ３は、実験によって決定されるか、あるいは経験的又は半経験的方法によって決定される。
【００２０】関連するレーザ衝撃ピーニングスポットのそれぞれを覆って一様な水流及び流水カーテン１２１の適正な厚さＴを得るためには、水スポット１２９と関連する円形のレーザ衝撃ピーニングスポット１５８のそれぞれとの間における良好な水スポット距離ＷＤ１を実験によって決定することができる。
【００２１】図５に示されるごとく、ノズルの位置及び姿勢を手動によって調整し、そして各々の羽根１０８に関するレーザ衝撃ピーニング操作を通じて同じ状態に保持することができる。すなわち、手動調整可能な給水路１１９〔たとえば、ロックライン(Loc-Line)ブランドの１／４インチモジュラホース〕を使用することによって水流１３５の方向及び位置が決定される。なお、ノズルの位置及び姿勢を調整すると共に流水カーテン１２１の水流の一様性を点検するため、レーザポインタ１６０の使用により、鏡１０７で反射されたＨｅ−Ｎｅビーム１０３が図１中のレーザビーム１０２と同じ経路に沿って投射される。
【００２２】工程Ｃは、十分に一様な流水カーテン１２１が確立された後に実施される。工程Ｃは、超音波変換器２０の使用により、第１のレーザ衝撃ピーニング表面１５４として示された相関表面上における閉込め媒質層の厚さＴを測定して記録することを含んでいる。超音波変換器２０は、相関表面と反対側に位置する加工物の側壁に取付けられている。本発明の図示された実施の態様においては、加工物は試験片であり、相関表面は第１の側壁又は凹形圧力側壁１４６上における第１のレーザ衝撃ピーニング表面１５４であり、そして超音波変換器２０は羽根１０８のエーロフォイル１３４の凸形吸引側壁１４８に取付けられている。エポキシ樹脂音響結合材の層１７５の使用により、エーロフォイル１３４の凸形吸引側壁１４８に対して超音波変換器２０が音響学的に結合されかつ機械的に定着されている。使用されたエポキシ樹脂の一例は、デブコン(Devcon)社製の５分エポキシ樹脂である。超音波変換器は事後に取外され、そして乾燥したエポキシ樹脂は削り取られる。かかる材料の使用は、変換器とエーロフォイルとが直接に接触していない場合でも、変換器の平らな接触面がエーロフォイルと変換器との間で超音波の送受信を行うことを可能にするための連続音響媒質を提供する。
【００２３】本発明の別の実施の態様に従えば、工程Ｃにおいて測定された閉込め媒質層の厚さＴを閉込め媒質層の厚さに関する所定の値又は値範囲と比較する工程Ｄが含まれる。これに続いて、工程Ｄにおける比較結果に基づき、閉込め媒質の流量及び（又は）ノズルの位置を再設定すべきか、あるいは工程Ａにおいて設定された閉込め媒質の流量及びノズルの位置を使用しながら加工物のレーザ衝撃ピーニングを続行すべきかを決定する工程Ｅが実施される。必要ならば、閉込め媒質の流量及び（又は）ノズルの位置を再設定して工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆが実施される。
【００２４】本発明の実施の一態様に従えば、レーザ衝撃ピーニングを施すべき加工物又は羽根１０８のパッチ１４５上における複数（２つ以上）の点（たとえば、一部又は全部のレーザ衝撃ピーニングスポット１５８の中心点Ａ）に関して工程Ｂ及びＣを実施することが要求される。図６には、５列の部分的に重なり合ったレーザ衝撃ピーニングスポット１５８が１０１〜１１２、２０１〜２１２、３０１〜３１２、４０１〜４１１及び５０１〜５１１の番号を付けて示されている。奇数番及び偶数番のレーザ衝撃ピーニングスポット１５８には相異なるパスによってレーザ衝撃ピーニングが施されるが、それらのパスの間にパッチ１４５を再被覆することもできる。１０１〜１１２、２０１〜２１２、３０１〜３１２、４０１〜４１１及び５０１〜５１１の番号を付けた４列の部分的に重なり合ったレーザ衝撃ピーニングスポット１５８の間におけるレーザ衝撃ピーニングスポット１５８の重なりは図示されていない。部分的に重なり合ったレーザ衝撃ピーニングスポット１５８の互いに隣接した列同士及び互いに隣接したレーザ衝撃ピーニングスポット同士は、約３０％の重なり部分を有するのが通例であり、またレーザ衝撃ピーニングスポットは約０．２５インチの大きさを有するのが通例である。
【００２５】工程Ｄにおいては、工程Ｃにおいて各点に対して測定されかつ記録された閉込め媒質層の厚さＴが閉込め媒質層の厚さに関する所定の値又は値範囲と比較される。次いで、工程Ｅを実施することにより、工程Ｄにおける比較結果に基づき、閉込め媒質の流量及び（又は）ノズルの位置を再設定すべきか、あるいは工程Ａにおいて設定された閉込め媒質の流量及びノズルの位置を使用しながら加工物のレーザ衝撃ピーニングを続行すべきかが決定される。必要ならば、閉込め媒質の流量及び（又は）ノズルの位置を再設定して工程Ｃ、Ｄ及びＥを繰返す工程Ｆが実施される。
【００２６】同時両側レーザ衝撃ピーニングを行うためには、第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５に関して工程Ａ〜Ｅが実施される。典型的な実施の態様においては、本発明の方法はエーロフォイルを含むガスタービンエンジン用羽根部品（たとえば、前縁及び後縁を有するタービン羽根、圧縮機羽根又は送風機羽根）に対して実施される。その他の種類の加工物に対しても本発明の方法を適用することができるのであって、かかる加工物としては静翼のエーロフォイルが挙げられるが、それのみに限定されるわけではない。
【００２７】本発明の更に別の実施の態様に従えば、それぞれの点上において所定の閉込め媒質厚さが得られるように各々の点に関してノズルの姿勢及び位置の設定値のスケジュールを計算し、次いで点上に閉込め媒質を流しながら各々の点にレーザ衝撃ピーニング装置からのレーザビームパルスを投射することによって加工物にレーザ衝撃ピーニングを施すために本発明の方法が使用される。かかるレーザ衝撃ピーニングに際しては、スケジュールによってノズルの姿勢及び（又は）位置の変化が要求される各パルス投射に先立ち、各々の点に関するスケジュールに従ってノズルの姿勢及び位置が設定される。
【００２８】図７及び８について説明すれば、羽根１０８はプラットホーム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を含んでいる。羽根１０８はまた、プラットホーム１３６から基底部１４０の内端１３７まで半径方向に沿って内方に延びる基底部１４０をも含んでいる。基底部１４０の内端１３７には羽根の根元１４２が設けられているが、これはシャンク１４４によってプラットホーム１３６に連結されている。エーロフォイル１３４は、翼弦方向においては前縁ＬＥと後縁ＴＥとの間に延びている。エーロフォイル１３４の翼弦ＣＨは、図８に示されるごとく、羽根の各横断面において前縁ＬＥと後縁ＴＥとを結ぶ直線である。エーロフォイル１３４の圧力側壁１４６は矢印Ｖによって表わされる全体回転方向に対面しており、また吸引側壁１４８はエーロフォイルの反対側に位置している。中心線ＭＬは、翼弦方向に沿いながら２つの側壁の概して中間に配置されている。
【００２９】羽根１０８の前縁区域１５０は、エーロフォイル１３４の前縁ＬＥに沿ってプラットホーム１３６から羽根先端１３８まで延びている。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。
【００３０】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の一部に沿ってレーザ衝撃ピーニング済みのパッチ１４５が配置されている。レーザ衝撃ピーニング済みのパッチ１４５は、送風機羽根又は圧縮機羽根の場合に典型的な第１モード破壊線Ｌが発生することのある前縁ＬＥの一部に沿って配置されている。レーザ衝撃ピーニング済みのパッチ１４５においては、圧力側壁１４６及び吸引側壁１４８の少なくとも一方（好ましくは両方）に対して同時にレーザ衝撃ピーニングを施すことにより、図８に示されるごとく、背中合せに配置された第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５が形成されていると共に、レーザ衝撃ピーニング（ＬＳＰ）によって付与された深い残留圧縮応力を有しかつレーザ衝撃ピーニング表面からエーロフォイル１３４中に延びるプレストレスト羽根領域１５６及び１５７が形成されている。かかるプレストレスト羽根領域１５６及び１５７は前縁区域１５０の一部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。
【００３１】再び図１について説明すれば、図示されたレーザ衝撃ピーニング装置１０は、発振器、前置増幅器及びビームスプリッタを具備した通常の発生器１３１を含んでいる。ビームスプリッタは予備増幅されたレーザビームを２つのビーム光学伝送回路に供給するが、それらの伝送回路はそれぞれ第１及び第２の増幅器を有している。光学系３５は、レーザビーム１０２を第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５上に伝達しかつ集束させるための鏡及びレンズのごとき光学部品を含んでいる（詳細については、上記のごとき米国特許第５７５６９６５号及びその他のレーザ衝撃ピーニング関係特許の明細書を参照されたい。）制御装置２４もまた、レーザ衝撃ピーニング装置１０を調整しかつ制御することにより、レーザビーム１０２を被覆された第１及び第２のレーザ衝撃ピーニング表面１５４及び１５５上に制御下で投射するために使用される。なお、本発明の実施の一態様に従えば、制御装置２４はノズル１２３の位置及び姿勢を制御するためにも使用される。アブレーションを受けた被膜材料は、流水カーテン１２１によって洗い流される。
【００３２】閉込め媒質層の厚さに関する所定の値又は値範囲は、様々な方法によって決定することができる。１つの方法は、試験用の加工物又は羽根について高サイクル疲労試験を行うというものである。図９には、ノッチ付きの試験用羽根１０９が示されている。これは実際の製造羽根１０８と同じものであるが、試験用羽根１０９に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。試験用羽根１０９のレーザ衝撃ピーニングに際しては、計量装置２２並びにノズル１２３及び水スポット１２９の位置及び姿勢に関するパラメータの使用により、試験毎に厚さＴが測定されかつ記録される。これらのパラメータは試験毎に異なる厚さＴを得るよう変動される。次いで、それぞれの試験用羽根１０９についてＨＣＦ試験が実施され、そして破壊するまで継続される。このような試験結果から、ＨＣＦ性能と流水カーテン１２１の厚さＴとの相関関係が明らかにされる。このようにして、閉込め媒質層の厚さに関する所定の値又は値範囲が決定され、そして工程Ａ〜Ｄ及び工程Ｅ〜Ｆを有する方法において使用される。
【００３３】ＨＣＦ試験は、羽根の所定の第１モード破壊線Ｌに沿って破壊を引起こす振動数でノッチ付きの試験用羽根を振動させるものである。かかる相関試験は、羽根を励振して高サイクル疲労を引起こすため羽根に加えられる力の量に基づくことが好ましい。それはまた、試験用羽根１０９のレーザ衝撃ピーニングのための条件設定に際してコンピュータ１７に接続されかつそれによって監視される計量装置２２を使用することにより、流水カーテン１２１の流量と関係づけることもできる。次いで、加工物のレーザ衝撃ピーニングに際し、流量とＨＣＦデータとの相関関係を使用してレーザ衝撃ピーニング装置１０を監視しかつ（あるいは）制御することにより、適正な閉込め媒質層の厚さを設定したり、かつ（あるいは）流量が不適格であることをオペレータに警告したりすることができる。計量装置２２に警報器を設けることもできるし、あるいはそれを制御装置に接続して監視された閉込め媒質層の厚さ又は流量が不適格である場合には警報又は警告メッセージを発するようにすることもできる。
【００３４】以上、本発明の原理を説明するために本発明の好適な実施の態様を詳しく説明したが、前記特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲から逸脱することなく、好適な実施の態様に対して様々な変更又は改変を施し得ることは言うまでもない。
【出願人】 【識別番号】３９００４１５４２
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【出願日】 平成１２年８月２９日（２０００．８．２９）
【代理人】 【識別番号】１０００９３９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 研一
【公開番号】 特開２００１−１７４２４５（Ｐ２００１−１７４２４５Ａ）
【公開日】 平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】 特願２０００−２５８２８０（Ｐ２０００−２５８２８０）