JP5677033B2 - レーザ加工装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に、被加工物のレーザピーニングや焼入れ等の表面改質を行うレーザ加工装置及びその方法に関する。

この種のレーザ加工は、レーザ発振器から照射されたレーザ光をレンズやミラー等の光学系を介して被加工物の表面に集光し、被加工物の溶接、切断又はレーザピーニングや焼入れ等の表面改質を行う方法である。使用するレーザ発振器の種類と被加工物の材質によってレーザ光の吸収率が異なり、またレーザ出力の違い等によっても様々な加工を行うことができる。例えば、レーザ溶接や切断等では、数ｋＷクラスの高出力のＹＡＧレーザ、ＣＯ_２レーザ又はファイバレーザ等が用いられ、レーザ波形を連続波やパルスを使い分けることでレーザ加工部の品質を変えることもできる。

従来の高調波を用いたレーザ加工装置によるレーザピーニングや焼入れ等の表面改質について、図１８を用いて説明する。

レーザピーニングは、被加工物１２表面にパルスレーザを照射し、アブレション（後述）により被加工物１２表面に圧縮残留応力を付与する技術である。このとき、例えば、特許文献１に示されるように、アブレションにより発生する金属プラズマを閉じ込めるために、被加工物１２表面に黒色ペンキのようなコーティング膜を施すのが一般的である。また、特許文献２に示されるように、表面に透明な液体が設けられた被加工物１２表面に対してレーザ照射を行うことにより圧縮応力を付与することもできる。

レーザピーニングに用いられる光源としては、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ基本波や波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザを基本波長の１／２にした高調波が用いられている。

図１８に示すように、レーザ発振器１から出力された基本波２は、波長変換部３を通過し、ダイクロイックミラー５により、基本波２と高調波４に分離される。すなわち、高調波４は、基本波２となるレーザ光を、非線型結晶を通して１／２の出力の基本波２と１／２波長の高調波４を発生し、ダイクロイックミラー５により波長分離して元々の１／２の出力を有する高調波４だけを取り出すことにより得られる。

波長変換部３で作り出された基本波２と高調波４は、それぞれ別々の光学系により伝送される。波長変換部３を通過した高調波４は、高調波用光学系７を経由し、集光レンズ１１からなる集光光学系により所定のスポット径に集光されて被加工物１２の表面に照射される。ここで、使用する非線型結晶を変えることにより、例えば基本波の１／２〜１／５の波長を有する高調波を得ることができる。そして、図１８に示すように波長変換部３で作り出された基本波２は、ダンパー１３でパワーを吸収して廃棄されている。

一方、レーザ微細加工に用いられる光源は、パルス幅がｎｓ以上の紫外線レーザが一般的である。しかし、被加工物１２の材料によっては、加工部周辺に熱変層が形成され、また加工面の化学組成も変化するときがある。そこで最近、加工部周辺のパルス幅がピコ秒あるいはフェムト秒の超短パルスレーザ光が利用されようとしている。この超短パルスレーザ光の波長を近赤外とすると、一部の被加工材料において、加工面の化学組成も変化しないことが報告されている。

上述のように、一般にレーザ加工では１種類のレーザ光を用いて１つの加工を行うが、場合によっては２つのレーザ光を用いてレーザ加工を行うこともあり、例えば１つの被加工物に対して２つの異なる波長のレーザ光を用いて加工することにより、従来よりも加工速度を向上させたり、高品質の加工部が得られる技術が知られている（例えば、特許文献３参照）。

この２つの異なる波長を用いたレーザ加工方法については、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等の比較的高出力が得られる近赤外領域の波長を有するレーザ光を非線型結晶とダイクロイックミラー等から構成される高調波発生器に入射させ、基本波長の１／３から１／５の紫外領域の高調波を発生させ基本波長と高調波の２波長を分離して取り出し、個々の波長のレーザ光を独立した光学系により個別の加工テーブルに誘導し、別々の用途でレーザ加工を行う手法がある。

このとき、近赤外領域の波長を有する高出力が得られるレーザ光（基本波）を利用して孔加工や溝加工などの主加工を施工し、高調波発生器を通して得られた紫外領域の波長を有するレーザ光を用いてスミア除去や加工穴の整形などの従加工を施工する。

この方法では、１台のレーザ発振器を用いて２つの異なる波長のレーザ光を作り出し、それぞれ別々の加工を施工することができる。

特許第３１５６５３０号公報 特許第３３７３６３８号公報 特許第３４９１５４５号公報

上述の特許文献３に示すように、２つの異なる波長を用いたレーザ加工方法については、ＹＡＧレーザや半導体レーザ等の比較的高出力が得られる近赤外領域の波長を有するレーザ光を非線型結晶とダイクロイックミラー等から構成される高調波発生器に入射させている。

しかしながら、従来の１台のレーザ発振器から照射されるレーザ光を２つの異なる波長に変換して行うレーザ加工においては、それぞれ波長の異なるレーザ光を主加工と従加工に分離して用いることは可能であるが、波長の異なるレーザ光を同じ目的の加工に使用することはできない点に課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、１台のレーザ発振器から出力されるレーザ光を２つの異なる波長の基本波と高調波に分割し、それぞれのレーザ光を用いて同一目的の加工を行うことのできるレーザ加工装置及びその方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のレーザ加工方法の一つの態様は、レーザ出力手段によりパルスレーザ光を出力するレーザ光出力ステップと、このレーザ光出力ステップにおいて出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する高調波発生ステップと、この高調波発生ステップにおいて発生した前記基本波が伝送される基本波伝送ステップと、前記高調波発生ステップにおいて発生した前記高調波が伝送される高調波伝送ステップと、前記基本波伝送ステップより伝送された前記基本波と前記高調波伝送ステップにより伝送された前記高調波とを、同一の集光光学系によって集光し、水を介して被加工物に照射してアブレーション加工により前記被加工物に圧縮応力を付与するレーザ照射ステップと、を有し、前記レーザ照射ステップにおいて、前記基本波と前記高調波を交互に照射すること、を特徴とするものである。
本発明のレーザ加工方法の他の一つの態様は、レーザ出力手段によりパルスレーザ光を出力するレーザ光出力ステップと、このレーザ光出力ステップにおいて出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する高調波発生ステップと、この高調波発生ステップにおいて発生した前記基本波が伝送される基本波伝送ステップと、前記高調波発生ステップにおいて発生した前記高調波が伝送される高調波伝送ステップと、前記基本波伝送ステップより伝送された前記基本波と前記高調波伝送ステップにより伝送された前記高調波とを、同一の集光光学系によって集光し、水を介して被加工物に照射してアブレーション加工により前記被加工物に圧縮応力を付与するレーザ照射ステップと、を有し、前記レーザ照射ステップにおいて、前記基本波と前記高調波が前記被加工物の同一箇所に照射され、また、前記基本波と前記高調波が前記被加工物に照射されるときに、前記基本波と前記高調波のレーザ光が異なる焦点距離で、かつ、基本波施工可能範囲と高調波施工可能範囲の一部のみが重畳して他の部分が重畳しないように集光され、この基本波施工可能範囲から高調波施工可能範囲までを焦点裕度として施工すること、を特徴とするものである。
本発明のレーザ加工方法の他の一つの態様は、レーザ出力手段によりパルスレーザ光を出力するレーザ光出力ステップと、このレーザ光出力ステップにおいて出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する高調波発生ステップと、この高調波発生ステップにおいて発生した前記基本波が伝送される基本波伝送ステップと、前記高調波発生ステップにおいて発生した前記高調波が伝送される高調波伝送ステップと、前記基本波伝送ステップより伝送された前記基本波と前記高調波伝送ステップにより伝送された前記高調波とを、同一の集光光学系によって集光し、水を介して被加工物に照射してアブレーション加工により前記被加工物に圧縮応力を付与するレーザ照射ステップと、を有し、前記レーザ照射ステップにおいて、前記基本波と前記高調波が前記被加工物の同一箇所に、前記基本波と前記高調波がエネルギー分布を変えて照射されること、を特徴とするものである。

また、上記目的を達成するため、本発明のレーザ加工装置の一つの態様は、レーザ光を出力するレーザ出力手段と、このレーザ出力手段から出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する第１の高調波発生手段と、この第１の高調波発生手段により発生した前記基本波を伝送する基本波伝送光学系と、前記第１の高調波発生手段により発生した前記高調波を伝送する高調波伝送光学系と、前記基本波伝送光学系より伝送された前記基本波と前記高調波伝送光学系により伝送された前記高調波とを集光し、水を介して被加工物に照射させる集光光学系と、前記基本波と前記高調波が交互に前記集光光学系から照射されるようにタイミングをずらす手段と、を有することを特徴とするものである。
本発明のレーザ加工装置の他の一つの態様は、レーザ光を出力するレーザ出力手段と、このレーザ出力手段から出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する第１の高調波発生手段と、この第１の高調波発生手段により発生した前記基本波を伝送する基本波伝送光学系と、前記第１の高調波発生手段により発生した前記高調波を伝送する高調波伝送光学系と、前記基本波伝送光学系より伝送された前記基本波と前記高調波伝送光学系により伝送された前記高調波とを集光し、水を介して被加工物に照射させる集光光学系と、を有するレーザ加工装置であって、前記集光光学系は、前記基本波と前記高調波を前記被加工物の同一箇所に照射し、また、前記基本波と前記高調波が前記被加工物に照射されるときに、前記基本波と前記高調波のレーザ光が異なる焦点距離で、かつ、基本波施工可能範囲と高調波施工可能範囲の一部のみが重畳して他の部分が重畳しないように集光するものであり、この基本波施工可能範囲から高調波施工可能範囲までを焦点裕度として施工することが可能に構成されていること、を特徴とするものである。
本発明のレーザ加工装置の他の一つの態様は、レーザ光を出力するレーザ出力手段と、このレーザ出力手段から出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する第１の高調波発生手段と、この第１の高調波発生手段により発生した前記基本波を伝送する基本波伝送光学系と、前記第１の高調波発生手段により発生した前記高調波を伝送する高調波伝送光学系と、前記基本波伝送光学系より伝送された前記基本波と前記高調波伝送光学系により伝送された前記高調波とを集光し、水を介して被加工物に照射させる集光光学系と、を有するレーザ加工装置であって、前記基本波と前記高調波が前記被加工物の同一箇所に、前記基本波と前記高調波がエネルギー分布を変えて照射されるように構成されていること、を特徴とするものである。

本発明のレーザ加工装置及びその方法によれば、１台のレーザ発振器から出力されるレーザ光を波長が異なる基本波と高調波に分割し、それぞれのレーザ光を用いて同一目的の加工を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態の基本波と高調波を用いたレーザ加工装置を示す概念図。 レーザ光の水に対する減衰率を示す説明図で、（ａ）はレーザ光の水に対する減衰率を示すグラフ、（ｂ）はレーザ光の水に対する減衰率を示す計算式。 本発明の第１の実施の形態の第１の変形例のＰＷＲ炉内計装筒のレーザピーニング施工手段を示す説明図で、（ａ）はＰＷＲ炉内計装筒を示す概念図、（ｂ）は配管内面レーザピーニング施工手段を示す概念図。 本発明の第１の実施の形態の第２の変形例のフォーク型植込み部を有する蒸気タービン動翼のピン孔内面のレーザピーニング方法を示す説明図で、（ａ）はフォーク型植込み部を有する蒸気タービン動翼を示す概念図、（ｂ）はフォーク型植込み部を有する蒸気タービン動翼のピン孔内面のレーザピーニング方法を示す概念図。 本発明の第１の実施の形態の第３の変形例の基本波と高調波を伝送する光学系を示す説明図で、（ａ）は基本波と高調波を用いたレーザ加工装置を示す概念図、（ｂ）は基本波と高調波を用いたレーザ加工装置の光軸補正機能を示す概念図。 本発明の第１の実施の形態のレーザ加工装置の第４の変形例を示す概念図。 （ａ）は本発明の第２の実施の形態の基本波と高調波の周波数（パルス）を示す概念図、（ｂ）は第２の実施形態のレーザピーニング照射スポットを示す図。 本発明の第２の実施の形態の第１の変形例のレーザピーニングの照射密度を示す概念図。 レーザピーニングしたステンレス鋼ＳＵＳ３０４の試験結果を示す説明図で、（ａ）はその第１の例のレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の残留応力測定結果を示すグラフ、（ｂ）はその第２の例のレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の残留応力測定結果を示すグラフ。 本発明の第２の実施の形態の第２の変形例のレーザピーニング照射スポットを示す説明図で、（ａ）はレーザピーニング照射スポットを示す概念図、（ｂ）はその第１の例のレーザピーニング施工パターンを示す概念図、（ｃ）はその第２の例のレーザピーニング施工パターンを示す概念図、（ｄ）はその第３の例のレーザピーニング施工パターンを示す概念図。 本発明の第３の実施の形態の基本波と高調波を用いた焦点裕度拡大方法を示す概念図。 ガスタービン動翼植込み部の冷却口を示す概念図。 ガスタービン動翼植込み部の冷却口を示す概念図。 ガスタービン動翼植込み部の冷却口表面にレーザピーニングを行う方法を示す概念図。 ガスタービン動翼植込み部の冷却口内側面にレーザピーニングを行う方法を示す概念図。 ガスタービン動翼植込み部の冷却口内側面にレーザピーニングを行う方法を示す概念図。 本発明の第４の実施の形態の２台のレーザ発振器を用いた基本波と高調波の合成方法を示す概念図。 従来の高調波を用いたレーザ加工装置を示す概念図。

以下、本発明に係るレーザ加工装置及びその方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施の形態の基本波と高調波を用いたレーザ加工装置を示す概念図である。また、図２は、レーザ光の水に対する減衰率を示す説明図であり、（ａ）はレーザ光の水に対する減衰率を示すグラフ、（ｂ）はレーザ光の水に対する減衰率を示す計算式である。

まず、基本波と高調波を用いたレーザ加工装置１７０の構成について、図１を用いて説明する。

本図に示すように、レーザ発振器１から出力された基本波２は、第１の高調波発生手段である波長変換部３に入力されて基本波２と高調波４が作り出される。ここで、レーザ発振器１は、レーザピーニングを行うときは、ジャイアントパルスＹＡＧレーザ発振器を用いるのが好ましいが、ジャイアントパルスが形成されるレーザ発振器であればこの限りではない。また、波長変換部３は高調波の種類によって１／２から１／５までの範囲で用いることができる。例えば、波長変換部３に第２高調波用のＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）を用いたときは、ＹＡＧレーザ発振器から照射された波長１０６４ｎｍの基本波２は、波長変換部３を通ると波長１０６４ｎｍの基本波２と波長５３２ｎｍの高調波４が発生する。このとき、レーザ出力は入力値の１／２程度となるため、例えば出力２００ｍＪ／パルスの基本波２を入射したときには、出力１００ｍＪの基本波２と出力１００ｍＪの高調波４が出射されることになる。

波長変換部３で発生した基本波２と高調波４は、ダイクロイックミラー５を介して、
それぞれ別々の光学系により伝送される。波長変換部３で発生した高調波４は、高調波用光学系７を経由し、高調波出力調整部９で出力調整され、レーザ光合成部１０に伝達される。

そして、波長変換部３で発生した基本波２は、ダイクロイックミラー５を介して、基本波出力調整部８で出力調整され、基本波用光学系６を介し、レーザ光合成部１０に伝達される。このレーザ光合成部１０に伝達された高調波４及び基本波２は、合成され、集光レンズ１１からなる集光光学系により所定のスポット径に集光されて被加工物１２の表面に照射される。なお、使用する非線型結晶を変えることにより、例えば基本波の１／２から１／５の波長を有する高調波を得ることができる。

なお、上記レーザピーニングは、被加工物１２表面にパルスレーザを照射し、アブレーションにより被加工物１２の表面に圧縮残留応力を付与している。このアブレーションとは、材料の表面にパルスレーザを照射することにより材料の表面が蒸発、侵食によって分解する現象である。

このように構成された本実施の形態のレーザピーニングにおいては、レーザ光合成部１０により合成された高調波４及び基本波２が水を介して被加工物１２に照射されている。

この高調波４及び基本波２の水に対する減衰率について説明する。

レーザピーニングにおいて、被加工物１２の表面に水がある状態でジャイアントパルスレーザを照射した場合、レーザ光を水中で伝送するときには、波長によっては水に吸収されて出力が減少することが知られている。

例えば、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、波長５３２ｎｍの高調波は水３００ｍｍで約１％とほとんど水で出力が減衰しないのに対し、波長１０６４ｎｍの基本波は水５ｍｍで約９０％の出力が減衰してしまう。

このために、１台のレーザ発振器から出力されるレーザ光を２つの異なる波長の基本波２と高調波４に分割し、被加工物１２に圧縮応力を形成する等の同一目的の加工を行うときには、高調波４及び基本波２の水に対する減衰率を考慮しないで、それぞれのレーザ光を被加工物１２に照射して施工することができる。

一方、被加工物１２に同一エネルギーのレーザ光を照射して加工を行うときには、高調波４は水３００ｍｍで約１％とほとんど出力が減衰しないのに対して、波長１０６４ｎｍの基本波２は水５ｍｍで約９０％の出力が減衰してしまうことを考慮して、高調波４の照射前のエネルギーは若干増加させておく必要があるのに対して、基本波２の照射前のエネルギーは大幅に増加させておく必要がある。

本実施の形態によれば、波長変換部３で発生した基本波２と高調波４はそれぞれ別々の光学系により伝送され、レーザ光合成部１０で合成され、集光レンズ１１からレーザ光を被加工物１２の表面に水が存在する状態で照射して同一目的の加工を行うことができる。

また、光ファイバにレーザ光を入射して所定の位置までレーザ光を伝送し、光ファイバ先端から出射されたレーザ光を再度光学系で集光して被加工物１２表面に所定のスポット径で集光して同一目的の加工を行うことも可能である。

図３は、本発明の第１の実施の形態の第１の変形例のＰＷＲ炉内計装筒のレーザピーニング施工手段を示す説明図で、（ａ）はＰＷＲ炉内計装筒を示す概念図、（ｂ）は配管内面レーザピーニング施工手段を示す概念図である。

例えば、図３（ａ）に示すような配管形状を呈するＰＷＲ（Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）型プラントの炉内計装筒（ＢＭＩ：Ｂｏｔｔｏｍ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）の内面にレーザピーニングを施工する場合について説明する。このＢＭＩノズル７１は、ＰＷＲ原子炉のＰＷＲ炉底部７２に設けられている。

図３（ｂ）に示すように、光ファイバに代表されるレーザ光伝送手段７３の先端に照射ヘッド７４が設置されている。この照射ヘッド７４は、非球面ミラー７５を用いて反射させつつ集光するようにしてレーザ光７６を施工部に集光させる。また他の変形例として非球面ミラーの代わりに集光レンズを介してミラーで集光してもよい。

仮に、レーザ光伝送手段７３から加工対象物であるＢＭＩノズル７１の先端までの距離が２５ｍｍであったときには、図２（ｂ）に示す減衰率を表す計算式から算出すると、基本波２を照射したときの減衰率が約７５％となる。レーザピーニングを施工する際に、基本波２と高調波４を同じエネルギーにするときには、波長変換部３で発生したレーザ光をダイクロイックミラー５で分離した後に、基本波出力調整部８と高調波出力調整部９を用いて伝送するエネルギーの比率を変え、その後の光学系における伝送ロスも加味することにより達成される。

例えば、レーザ発振器１の出力が２００ｍＪ／パルスのレーザ光を用いたときに、波長変換部３で基本波２と高調波４それぞれのエネルギーを１００ｍＪとした後で、基本波の水中での減衰率７５％と同じ値になるように、高調波のエネルギーを２５％減衰させればよい。

本実施の形態においては、この減衰させる方法として、基本波出力調整部８と高調波出力調整部９において高調波レーザ光の偏光特性を利用し、直線偏光で出てくる高調波が偏光フィルタ（図示せず）を通過する際の偏光方向を調整すれば容易にエネルギーを調整することができ、加工点において同じエネルギーを用いたレーザピーニングが達成される。

本実施の形態によれば、１台のレーザ発振器１から出力されるレーザ光を２つの異なる波長の基本波２と高調波４を作り出し、レーザ光伝送手段７３を介してそれぞれのレーザ光を用いてＢＭＩノズル７１の表面において同じエネルギーを用いたレーザピーニングを施工することができる。

図４は、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例のフォーク型植込み部を有する蒸気タービン動翼のピン孔内面のレーザピーニング方法を示す説明図で、（ａ）はフォーク型植込み部を有する蒸気タービン動翼を示す概念図、（ｂ）はフォーク型植込み部を有する蒸気タービン動翼のピン孔内面のレーザピーニング方法を示す概念図である。

配管形状の加工対象物の内径に光ファイバから出射されたレーザ光を照射するレーザピーニングについて説明する。配管形状の加工対象物の内径がφ５ｍｍ以上であれば、光ファイバから出射されたレーザ光を非球面ミラーを介して被加工物表面に集光することができる。この適用例としては、図３（ａ）、（ｂ）に示すようなＢＭＩノズルや、図４（ａ）（ｂ）に示すようなガスタービン部品である蒸気タービン翼ピン孔に係る円筒状形状において、本実施形態によるレーザピーニングの施工が可能である。

図４（ａ）に示すように、蒸気タービンの動翼８１は、ピン孔８３にピンを挿入することによりディスク８２に固定されている。レーザピーニングに係る施工は、フォーク型植込み部を有する蒸気タービンの動翼８１をディスク８２に固定するためのピンを挿入するためのピン孔８３の内面に適用される。

図４（ｂ）に示すように、蒸気タービンの動翼８１のピン孔８３は、内径が７〜２０ｍｍ程度であり、形状も円筒状であるので本実施の形態によるレーザピーニング施工が可能である。

本実施の形態において、照射ヘッドの機能を有するレーザ光出射手段８８がレーザ光伝送手段８４によりピン孔８３内に挿入される。このレーザ光伝送手段８４先端のレーザ光出射手段８８からレーザ光８６が照射される。レーザ光集光手段８５により所定のスポット径に成形されて図示しない水が被加工物の表面に存在する状態で出射口８７よりレーザ光８６が照射される。このレーザ光出射手段８８を回転させながらピン孔８３の軸方向に移動させることにより、ピン孔８３の内面にレーザ光８６が照射され、ピン孔８３の内面に圧縮残留応力を形成することが可能となる。

本実施の形態によれば、１台のレーザ発振器１から出力されるレーザ光を２つの異なる波長の基本波２と高調波４を作り出し、レーザ光伝送手段８４を介してそれぞれのレーザ光を用いて蒸気タービン動翼のピン孔８３の内面において同じエネルギーを用いたレーザピーニングを施工することができる。

図５は、本発明の第１の実施の形態の第３の変形例の基本波と高調波を伝送する光学系を示す説明図で、（ａ）は基本波と高調波を用いたレーザ加工装置を示す概念図、（ｂ）は基本波と高調波を用いたレーザ加工装置の光軸補正機能を示す概念図である。 図５に示すように、レーザ発振器１から出力された基本波２は、第１の高調波発生手段である波長変換部３に入力されて基本波＋高調波１３２が作り出される。この波長変換部３で発生した基本波＋高調波１３２は、レーザ光調整部１３１を介して伝送される。そして、この基本波＋高調波１３２は、集光レンズ１１からなる集光光学系により所定のスポット径に集光されて被加工物１２の表面に照射される。

一般に、図１８に示すように、波長変換部３において基本波２と高調波４に分離した後に、この基本波２をダイクロイックミラー５を介してダンパー１３に廃棄している。

本実施の形態において、ダイクロイックミラー５を使用しないで、このままレーザ光調整部１３１と集光レンズ１１を介して被加工物１２に照射することができる。

なお、図５（ａ）に示すように、波長変換部３において作り出された基本波＋高調波１３２からなるレーザ光はそれぞれ同軸に照射される。一方、図５（ｂ）に示すように、基本波２と高調波４が照射される角度が同軸にならないときもある。

本実施の形態においては、波長変換部３から照射された基本波２と高調波４はレーザ光調整部１３１に入射される。そして、図５（ｂ）に示すように、同軸方向に修正する必要があるときには、色消機能付集光レンズ２１を用いて、集光される基本波２と高調波４の焦点位置が同じになるように修正される。

本実施の形態によれば、１台のレーザ発振器１から出力されるレーザ光を２つの異なる波長の基本波２と高調波４を作り出し、レーザ光調整部１３１を介してそれぞれのレーザ光を用いて被加工物１２の表面においてレーザピーニングを施工することができる。

図６は、本発明の第１の実施の形態のレーザ加工装置の第４の変形例を示す概念図である。

波長変換部３において基本波２と高調波４を発生させた後に、ダイクロイックミラー５を介して基本波２と高調波４に分離している。このダイクロイックミラー５で基本波２と高調波４をそれぞれ別々の光路に分けて伝送しているので、図６に示すように、このまま別々の集光レンズ１１ａ、１１ｂを用いて異なる２つの被加工物１２の表面又は同じ被加工物１２でも異なる２箇所の部位について基本波２と高調波４を照射することができる。

本実施の形態によれば、１台のレーザ発振器１から出力されるレーザ光を２つの異なる波長の基本波２と高調波４を作り出し、別々の集光レンズ１１ａ、１１ｂを用いて異なる２つの被加工物１２の表面又は同じ被加工物１２でも異なる２箇所の部位にレーザピーニングを施工することができる。かくして、一つの被加工物１２に対して同時に２箇所の加工が行えるために加工時間の短縮が可能となる。

次に、図７を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。図７（ａ）は、本発明の第２の実施の形態の基本波と高調波の周波数（パルス）を示す概念図、図７（ｂ）は本実施の形態によるレーザピーニングの照射スポットを示す図である。

図１において、レーザ発振器１から照射された基本波２のレーザ光は、波長変換部３において基本波２と高調波４が作り出され、一旦はそれぞれ別の光学系を用いて伝送され、同じ集光レンズ１１を介して集光することによりレーザピーニングを行っている。

このレーザピーニングを水中で行うときには、基本波２と高調波４で水中でのレーザ光減衰率が異なるために、集光レンズ１１から被加工物１２の表面までの距離に応じて基本波２と高調波４のレーザ出力を基本波出力調整部８と高調波出力調整部９で調整することにより、被加工物１２表面の加工点において同じ出力でレーザピーニングを行うことができる。

さらに、単位時間当たりのパルス数を変化させたいときには、上記集光レンズ１１により照射される基本波２と高調波４の照射間隔を制御することにより実現できる。例えば、１００Ｈｚのレーザ発振器１においては、基本波２と高調波４の照射のタイミングについて図示しないタイミング調整部を用いて所定の時間に変動することが可能となる。

すなわち、基本波２と高調波４に分離した後で、図７（ａ）に示すように、基本波の周波数１２１で照射するタイミングを高調波の周波数１２２の中間とし、図７（ｂ）に示すように高調波スポット６１と基本波スポット６２を交互に照射することにより、基本波２と高調波４のタイミングを調整することにより、２００Ｈｚのレーザ発振器と同等にすることが可能となる。

本実施の形態において、このタイミングをずらす手段としては、パルス周波数に関わる時間分を光が移動するような光学系や、図示しないシャッタを用いてシャッタ開閉のタイミングを周波数に合わせてもよい。このようにすれば照射のタイミングをずらすことが可能なので、３次元加工機等を用いてレーザ光の照射位置を制御することが可能となる。

図８は、本発明の第２の実施の形態の第１の変形例のレーザピーニングの照射密度を示す概念図であり、図９は、レーザピーニングしたステンレス鋼ＳＵＳ３０４の試験結果を示す説明図で、（ａ）はその第１の例のレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の残留応力測定結果を示すグラフ、（ｂ）はその第２の例のレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の残留応力測定結果を示すグラフである。

レーザピーニングにおいては、照射するレーザ光のエネルギーや単位面積当りの照射密度を変えることにより被加工物１２の表面に形成される残留応力が変わる。この単位面積あたりの照射密度とは、図８に示すように、施工範囲５３内をレーザ光５１により照射して施工するときに、レーザ光駆動軌跡５２に沿って図示しない駆動装置によりレーザ光５１を照射するパルス数密度を示している。この照射密度は、駆動装置により、スポット径の中心間距離を変更したり、スポットの照射状態を歯抜け状態にする等の対応をして変更している。

本実施の形態において、図９（ａ）に示すように、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４の試験結果において、照射エネルギーが２００ｍＪで同じ照射密度の場合（この例では５０パルス／ｍｍ^２）には、太線４１のように表層数μｍの表面は残留応力が−２００ＭＰａ程度で、その直下は−５００ＭＰａと高い圧縮応力になり、その後なだらかに応力が０に向かって小さくなり、深さ１ｍｍまで圧縮応力が形成されていた。一方、照射エネルギーが２０ｍＪのときには、細線４２のように表面残留応力は−６００ＭＰａと高く、その後徐々に値は０に向かっていく。応力改善深さについては０．５ｍｍまでとエネルギーが２００ｍＪの場合に比べると浅くなる傾向が認められた。このように、パルスエネルギーが高い場合には形成される圧縮応力の絶対値としては低くなる傾向があるものの、深さ方向の改善効果は高くなる。一方、パルスエネルギーが低い場合には、表面に付与される圧縮応力の値は高くなるものの、深さ方向の改善効果は低くなる傾向が認められる。

一方、図９（ｂ）に示すように、細線４３のように、パルスエネルギー２００ｍＪでレーザピーニングした後に２０ｍＪでレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の応力測定結果、すなわち、エネルギーの異なるレーザのタイミングをずらして同じ位置に照射することにより、表面残留応力も高い状態に維持することができる。

図１０は、本変形例のレーザピーニング照射スポットを示す説明図で、（ａ）はレーザピーニング照射スポットを示す概念図、（ｂ）はその第１の例のレーザピーニング施工パターンを示す概念図、（ｃ）はその第２の例のレーザピーニング施工パターンを示す概念図、（ｄ）はその第３の例のレーザピーニング施工パターンを示す概念図である。

図１０（ａ）に示すように、エネルギーの高いレーザ光である高調波スポット６１を先に照射し、少なくともレーザ光のパルス幅以上遅いタイミングで次のエネルギーの低いレーザ光である基本波スポット６２を照射する。そして、図１０（ｂ）に示すように、高調波スポット６１の照射と基本波スポット６２の照射とを繰り返して施工を行う。また、図１０（ａ）や図１０（ｂ）では基本スポット６２と高調波スポット６１のスポット径を変えているが、図１０（ｃ）に示すように、同じ大きさでも効果は得られる。また、被加工物１２の材料や表面に形成したい応力によってスポット径の大きさ、エネルギーの比率又は照射密度をそれぞれ変えても可能である。また、被加工物１２の表面の応力場を変えたいときには、図１０（ｄ）に示すように、照射するスポットを同じ位置にしなくてもよく、またスポット径を変えてもよい。パルスエネルギーは１０ｍＪ／パルス〜５．０Ｊ／パルス、スポット径としてはφ０．１〜２．０ｍｍの範囲であれば同様の効果が得られる。

本実施の形態によれば、１台のレーザ発振器１から出力されるレーザ光を２つの異なる波長の基本波２と高調波４を作り出し、それぞれのレーザ光を用いて、例えば、パルスエネルギー２００ｍＪでレーザピーニングした後に２０ｍＪでレーザピーニングし、すなわち、エネルギーの異なるレーザのタイミングをずらして同じ位置に照射することにより、施工対象物の表面直下でもある程度深い位置でも好適な圧縮残留応力を付与することができる。

ただし、場合によっては基本波２と高調波４でレーザ光が集光する位置が変わってしまうときもあるので、このときには、集光レンズ１１の手前に図示しない色消しレンズ（タブレットレンズ）を配置することにより焦点位置を同じ位置に制御することが可能となる。また、図１０（ｄ）に示すように、照射エネルギーを変えて施工すれば、従来と同等の施工速度で被加工物１２の表面の応力分布を任意に制御することも可能である。

図１１は、本発明の第３の実施の形態の基本波と高調波を用いた焦点裕度拡大方法を示す概念図であり、図１２はガスタービン動翼植込み部の冷却口を示す概念図、図１３はガスタービン動翼植込み部の冷却口を示す概念図、図１４はガスタービン動翼植込み部の冷却口表面にレーザピーニングを行う方法を示す概念図、図１５はガスタービン動翼植込み部の冷却口内側面にレーザピーニングを行う方法を示す概念図、図１６はガスタービン動翼植込み部の冷却口内側面にレーザピーニングを行う方法を示す概念図である。

図１２に示すように、図示しないガスタービン動翼は、ロータ内面に設けられた冷却口１０３から冷却用ガスをガスタービン動翼内部の冷却口に導出することにより、運転中のガスタービン動翼内部を冷却している。ガスタービン動翼植込み部１０１は、クリスマスツリー部１０２と呼ばれる形状を呈しており、その付け根の部分に冷却口１０３が存在する。

実機プラントにおいては、ガスタービンはその出力により異なるものの運転中に約１３００℃まで温度が上昇し、冷却口１０３においても１０００℃近くまで温度が上昇する。冷却口１０３には図１３に示すような位置に結晶粒界の応力腐食酸化現象に起因するクラック（Ｈｏｌｄ Ｔｉｍｅ Ｃｒａｃｋｉｎｇ）といわれるき裂が発生している事例が確認されている。き裂の発生を防止するためには、表面に圧縮残留応力を形成するのが効果的である。

ところが、図１２に示すように、冷却口１０３は複雑な形状を呈しているため、一般には、レーザピーニングを行うために必要な焦点位置の制御が困難である。

そこで、冷却口１０３近傍に本実施の形態によるレーザピーニングを施工することにより、き裂の発生を防止することとする。

すなわち、図１１に示すように、基本波９１と高調波９２を同時に照射し、集光レンズ９３により集光されるときに、基本波施工可能範囲９４と高調波施工可能範囲９５を併用することにより、基本波＋高調波施工可能範囲９６に示されるように焦点裕度を広くとることが可能となる。この結果、冷却口１０３内面で照射ヘッドを回転させるだけでレーザピーニングの施工が可能となる。

なお、例えば集光レンズ９３に波長によって屈折率が変わるレンズを採用することにより、図１１に示すように基本波と高調波の焦点位置をずらして基本波＋高調波施工可能範囲９６を得ることができる。

本実施の形態によれば、図１４に示すように、冷却口１０３の表面をレーザピーニングするときには、レーザ光１０６を集光レンズ１０４を介して集光しながらミラー１０５で反射させて冷却口１０３表面に照射させる。このとき、図１４に示すようにこのままミラー１０５を軸中心に回転させただけではミラー１０５から冷却口１０３までの距離が変動してしまうが、本実施の形態においては、図１１に示す基本波＋高調波施工可能範囲９６に示されるように焦点裕度を用いることにより焦点裕度が広くなるために、回転方向の移動だけでレーザピーニングが可能となる。

また、本実施の形態によれば、図１５、図１６に示すように、冷却口１０３の内面を施工するときには、ミラー１０５を回転させることによりレーザ光駆動軌跡１０７に沿ってレーザ光１０６が冷却口１０３の内側面に照射される。すなわち、一般には、レーザピーニングの焦点裕度内に入らないため施工ができなかったが、基本波＋高調波施工可能範囲９６に示されるように焦点裕度を用いることにより焦点裕度が拡大するために、冷却口１０３の内側面のレーザピーニングに係る施工が可能となる。

図１７は、本発明の第４の実施の形態の２台のレーザ発振器１５１、１５２を用いた基本波と高調波の合成方法を示す概念図である。

２台のレーザ発振器１５１、１５２を用いて施工するレーザピーニングに代表される高調波を用いたレーザ加工を行う一例について説明する。一般的には、１台のレーザ発振器から１系統の高調波を照射してレーザ加工を行っている。

図１７に示すように、第１のレーザ発振器１５１から照射されたレーザ光を第１の波長変換部１５３を用いて第１の基本波１６４と第１の高調波１６１を作り出す。このレーザ光は、第１のダイクロイックミラー１５５によりそれぞれ第１の基本波１６４と第１の高調波１６１の光路に分けられる。

第２のレーザ発振器１５２から照射されたレーザ光についても同様に、第２のレーザ発振器１５２から照射されたレーザ光を第２の波長変換部１５４を用いて第２の基本波１６５と第２の高調波１６２を作り出す。このレーザ光は、第２のダイクロイックミラー１５６によりそれぞれ第２の基本波１６５と第２の高調波１６２の光路に分けられる。

それぞれの基本波１６４、１６５と高調波１６１、１６２の出力はほぼ同じとなるが、もともとレーザ発振器１５１、１５２から照射されたエネルギーの約１／２となる。

ここで、第１の基本波１６４と、基本波用ミラー１５７を介した第２の基本波１６５を基本波合成部１５８に伝送し合成することにより、合成された第３の基本波１６６のエネルギーは、元の第１のレーザ発振器１５１及び第２のレーザ発振器１５２のエネルギーとほとんど同じになる。

そこで、この合成された第３の基本波１６６をさらに設けた第３の波長変換部１５９に入射して、新たな第４の基本波１６７と第３の高調波１６３を作りだす。第３のダイクロイックミラー１６０を用いて分離することで、第１、第２の高調波１６１、１６２と同じエネルギーを有する第３の高調波１６３を作り出すことが可能となる。第４の基本波１６７は、基本波用ミラー１６８を介して伝送される。

このように構成された本実施の形態において、２台のレーザ発振器１５１、１５２から高調波１６１、１６２、１６３の３経路を作り出すことが可能となる。ここで、第４の基本波１６７に対しては、上記と同様に新たに設けた図示しないレーザ発振器から照射された同じエネルギーの基本波を合成して、さらに図示しない波長変換部を用いることで新たな高調波の光路を作り出すことができる。

本実施の形態によれば、従来１台のレーザ発振器から１系統の高調波を得ていたが、２台のレーザ発振器から３系統の同じエネルギーを有する高調波を得ることが可能となり、レーザピーニングに係る施工速度の大幅な改善を図ることができる。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、各実施の形態の構成を組み合わせて、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１…レーザ発振器、２…基本波、３…波長変換部、４…高調波、５…ダイクロイックミラー、６…基本波用光学系、７…高調波用光学系、８…基本波出力調整部、９…高調波出力調整部、１０…レーザ光合成部、１１，１１ａ，１１ｂ…集光レンズ、１２…被加工物、１３…ダンパー、２１…色消機能付集光レンズ、４１…パルスエネルギー２００ｍＪ／パルスでレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の応力測定結果、４２…パルスエネルギー２０ｍＪ／パルスでレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の応力測定結果、４３…パルスエネルギー２００ｍＪでレーザピーニングした後、２０ｍＪでレーザピーニングしたＳＵＳ３０４鋼の応力測定結果、５１…レーザ光、５２…レーザ光駆動軌跡、５３…施工範囲、６１…高調波スポット、６２…基本波スポット、７１…ＢＭＩノズル、７２…ＰＷＲ炉底部、７３…レーザ光伝送手段、７４…照射ヘッド、７５…非球面ミラー、７６…レーザ光、８１…動翼、８２…ディスク、８３…ピン孔、８４…レーザ光伝送手段、８５…レーザ光集光手段、８６…レーザ光、８７…出射口、８８…レーザ光出射手段、９１…基本波、９２…高調波、９３…集光レンズ、９４…基本波施工可能範囲、９５…高調波施工可能範囲、９６…基本波＋高調波施工可能範囲、１０１…ガスタービン動翼植込み部、１０２…クリスマスツリー部、１０３…冷却口、１０４…集光レンズ、１０５…ミラー、１０６…レーザ光、１０７…レーザ光移動軌跡、１２１…基本波の周波数、１２２…高調波の周波数、１３１…レーザ光調整部、１３２…基本波＋高調波、１５１…第１のレーザ発振器、１５２…第２のレーザ発振器、１５３…第１の波長変換部、１５４…第２の波長変換部、１５５…第１のダイクロイックミラー、１５６…第２のダイクロイックミラー、１５７…基本波用ミラー、１５８…基本波合成部、１５９…第３の波長変換部、１６０…第３のダイクロイックミラー、１６１…第１の高調波、１６２…第２の高調波、１６３…第３の高調波、１６４…第１の基本波、１６５…第２の基本波、１６６…第３の基本波、１６７…第４の基本波、１６８…基本波用ミラー、１７０…レーザ加工装置。

Claims (6)

1. レーザ出力手段によりパルスレーザ光を出力するレーザ光出力ステップと、
   このレーザ光出力ステップにおいて出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する高調波発生ステップと、
   この高調波発生ステップにおいて発生した前記基本波が伝送される基本波伝送ステップと、
   前記高調波発生ステップにおいて発生した前記高調波が伝送される高調波伝送ステップと、
   前記基本波伝送ステップより伝送された前記基本波と前記高調波伝送ステップにより伝送された前記高調波とを、同一の集光光学系によって集光し、水を介して被加工物に照射してアブレーション加工により前記被加工物に圧縮応力を付与するレーザ照射ステップと、を有し、
   前記レーザ照射ステップにおいて、前記基本波と前記高調波を交互に照射すること、
   を特徴とするレーザ加工方法。
2. レーザ出力手段によりパルスレーザ光を出力するレーザ光出力ステップと、
   このレーザ光出力ステップにおいて出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する高調波発生ステップと、
   この高調波発生ステップにおいて発生した前記基本波が伝送される基本波伝送ステップと、
   前記高調波発生ステップにおいて発生した前記高調波が伝送される高調波伝送ステップと、
   前記基本波伝送ステップより伝送された前記基本波と前記高調波伝送ステップにより伝送された前記高調波とを、同一の集光光学系によって集光し、水を介して被加工物に照射してアブレーション加工により前記被加工物に圧縮応力を付与するレーザ照射ステップと、を有し、
   前記レーザ照射ステップにおいて、前記基本波と前記高調波が前記被加工物の同一箇所に照射され、また、前記基本波と前記高調波が前記被加工物に照射されるときに、前記基本波と前記高調波のレーザ光が異なる焦点距離で、かつ、基本波施工可能範囲と高調波施工可能範囲の一部のみが重畳して他の部分が重畳しないように集光され、
   この基本波施工可能範囲から高調波施工可能範囲までを焦点裕度として施工すること、
   を特徴とするレーザ加工方法。
3. レーザ出力手段によりパルスレーザ光を出力するレーザ光出力ステップと、
   このレーザ光出力ステップにおいて出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する高調波発生ステップと、
   この高調波発生ステップにおいて発生した前記基本波が伝送される基本波伝送ステップと、
   前記高調波発生ステップにおいて発生した前記高調波が伝送される高調波伝送ステップと、
   前記基本波伝送ステップより伝送された前記基本波と前記高調波伝送ステップにより伝送された前記高調波とを、同一の集光光学系によって集光し、水を介して被加工物に照射してアブレーション加工により前記被加工物に圧縮応力を付与するレーザ照射ステップと、を有し、
   前記レーザ照射ステップにおいて、前記基本波と前記高調波が前記被加工物の同一箇所に、前記基本波と前記高調波がエネルギー分布を変えて照射されること、
   を特徴とするレーザ加工方法。
4. レーザ光を出力するレーザ出力手段と、
   このレーザ出力手段から出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する第１の高調波発生手段と、
   この第１の高調波発生手段により発生した前記基本波を伝送する基本波伝送光学系と、
   前記第１の高調波発生手段により発生した前記高調波を伝送する高調波伝送光学系と、
   前記基本波伝送光学系より伝送された前記基本波と前記高調波伝送光学系により伝送された前記高調波とを集光し、水を介して被加工物に照射させる集光光学系と、
   前記基本波と前記高調波が交互に前記集光光学系から照射されるようにタイミングをずらす手段と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
5. レーザ光を出力するレーザ出力手段と、
   このレーザ出力手段から出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する第１の高調波発生手段と、
   この第１の高調波発生手段により発生した前記基本波を伝送する基本波伝送光学系と、
   前記第１の高調波発生手段により発生した前記高調波を伝送する高調波伝送光学系と、
   前記基本波伝送光学系より伝送された前記基本波と前記高調波伝送光学系により伝送された前記高調波とを集光し、水を介して被加工物に照射させる集光光学系と、
   を有するレーザ加工装置であって、
   前記集光光学系は、前記基本波と前記高調波を前記被加工物の同一箇所に照射し、また、前記基本波と前記高調波が前記被加工物に照射されるときに、前記基本波と前記高調波のレーザ光が異なる焦点距離で、かつ、基本波施工可能範囲と高調波施工可能範囲の一部のみが重畳して他の部分が重畳しないように集光するものであり、
   この基本波施工可能範囲から高調波施工可能範囲までを焦点裕度として施工することが可能に構成されていること、
   を特徴とするレーザ加工装置。
6. レーザ光を出力するレーザ出力手段と、
   このレーザ出力手段から出力された前記レーザ光が入力され基本波と高調波を発生する第１の高調波発生手段と、
   この第１の高調波発生手段により発生した前記基本波を伝送する基本波伝送光学系と、
   前記第１の高調波発生手段により発生した前記高調波を伝送する高調波伝送光学系と、
   前記基本波伝送光学系より伝送された前記基本波と前記高調波伝送光学系により伝送された前記高調波とを集光し、水を介して被加工物に照射させる集光光学系と、
   を有するレーザ加工装置であって、
   前記基本波と前記高調波が前記被加工物の同一箇所に、前記基本波と前記高調波がエネルギー分布を変えて照射されるように構成されていること、
   を特徴とするレーザ加工装置。

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