特開 2024-68994 レーザピーニング装置及びレーザピーニング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024068994

(43)【公開日】2024-05-21

(54)【発明の名称】レーザピーニング装置及びレーザピーニング方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/356 20140101AFI20240514BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240514BHJP

   B23K 26/03 20060101ALI20240514BHJP

【ＦＩ】

B23K26/356

B23K26/064 K

B23K26/03

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022179726

(22)【出願日】2022-11-09

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100118474

【弁理士】

【氏名又は名称】寺脇 秀▲徳▼

(74)【代理人】

【識別番号】100141911

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 譲

(72)【発明者】

【氏名】千田 格

(72)【発明者】

【氏名】今崎 一人

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168AC02

4E168AD18

4E168CA13

4E168DA02

4E168DA03

4E168DA06

4E168DA24

4E168DA38

4E168EA13

4E168EA17

4E168EA24

4E168FB09

4E168FC01

4E168KA04

(57)【要約】

【課題】一端が封止された孔の内面に圧縮応力を付与することのできるレーザピーニング装置及びレーザピーニング方法を提供する。
【解決手段】
一端が封止された被加工物である孔２０の内面にレーザピーニングを行うレーザピーニング装置５０であって、パルスレーザ光２を射出するレーザ発振器１と、前記レーザ発振器１から射出された前記パルスレーザ光２を前記被加工物である孔２０の表面まで伝送するレーザ光伝送機構２１と、前記孔２０の内部に流体１８を供給するための流体供給機構６と、から構成され、前記レーザ光伝送機構２１として光ファイバ４０にこの光ファイバ４０の断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップ４１を融着したエンドキャップファイバ２２を用いることを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一端が封止された被加工物である孔の内面にレーザピーニングを行うレーザピーニング装置であって、
パルスレーザ光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出された前記パルスレーザ光を前記被加工物である孔の表面まで伝送するレーザ光伝送機構と、
前記孔の内部に流体を供給するための流体供給機構と、
から構成され、
前記レーザ光伝送機構として光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバを用いることを特徴とするレーザピーニング装置。

【請求項2】

前記被加工物表面に対向する前記エンドキャップファイバの先端に衝撃波から前記エンドキャップファイバを保護するファイバ先端保護機構を具備することを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。

【請求項3】

前記ファイバ先端保護機構としてサファイアを用いることを特徴とする請求項２記載のレーザピーニング装置。

【請求項4】

前記エンドキャップファイバの先端と前記ファイバ先端保護機構との間に中間層として液体を封入配置したことを特徴とする請求項２または請求項３記載のレーザピーニング装置。

【請求項5】

前記被加工物表面に対向する前記エンドキャップファイバの先端に、このエンドキャップファイバ先端から照射されたレーザ光を平行光に成形するコリメートレンズユニットを具備することを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。

【請求項6】

前記エンドキャップファイバの先端からレーザ照射位置までの距離を計測する位置確認機構を具備し、この位置確認機構によって計測された前記エンドキャップファイバの先端からレーザ照射位置までの距離によって前記エンドキャップファイバを移動して前記パルスレーザ光の焦点位置を変更可能とすることを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。

【請求項7】

前記ファイバ先端保護機構の先端からレーザ照射位置までの距離を計測する位置確認機構を具備し、この位置確認機構によって計測された前記ファイバ先端保護機構の先端からレーザ照射位置までの距離によって前記エンドキャップファイバを移動して前記パルスレーザ光の焦点位置を変更可能とすることを特徴とする請求項２記載のレーザピーニング装置。

【請求項8】

前記エンドキャップファイバを構成する光ファイバの外周部に可とう管を用いた駆動機構を具備し、この駆動機構は駆動機構動作部によって前記光ファイバ先端の角度を変えることを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。

【請求項9】

前記駆動機構動作部は前記エンドキャップファイバを前記被加工物である孔の中心軸に対して回転および上下動、平行移動、傾斜させることを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。

【請求項10】

前記エンドキャップは、入射側の受光面積が光ファイバとの接合部の面積より大きい円錐状のコーンロッドであることを特徴とする請求項１記載のレーザピーニング装置。

【請求項11】

光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバにレーザ光を入射し、前記光ファイバの位置や角度を変更することで前記光ファイバの先端から前記レーザ光が照射される位置を自在に制御しながら一端が封止された孔の内面にレーザピーニングを行うことを特徴とするレーザピーニング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、圧縮応力を付与するレーザピーニング装置及びレーザピーニング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

材料の表面は、疲労破壊や応力腐食割れなどが発生する起点になり易い。このため、 圧縮残留応力を材料の表面近傍へ付与して、き裂の発生、進展を抑制することで、材料の耐疲労破壊性、耐応力腐食割れ性を向上することができる。

【0003】

例えば金型の冷却水通路（水冷孔）の表面に圧縮残留応力を付与するために、冷却水通路の表面にショットピーニングを行なう場合がある。

【0004】

また、レーザピーニングを用いた圧縮応力付与機構も用いられる。レーザピーニングは、施工対象の表面に圧縮残留応力を付与する技術である。施工対象にパルスレーザを照射してプラズマを発生、膨張させる。この膨張の力学的反作用により施工対象の表面近傍が圧縮され、応力が残留する。レーザピーニングでは、レーザ光のエネルギー、照射面積などの施工条件を調節することで、圧縮残留応力の大きさや、付与される深さを制御できる。さらに、光ファイバと照射ヘッドを組み合わせることにより、タービン翼植込み部やパイプの内面などの狭隘部への施工も可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平７－２９０２２２号公報

【特許文献2】特許第６１０７８２１号公報

【特許文献3】特許第５６４９３３２号公報

【特許文献4】特許第５８１４６５２号公報

【特許文献5】特開２０２２－６７８５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

レーザピーニングでは、パルスレーザを被施工対象物表面に照射することによりアブレーションプラズマを発生させ、プラズマの圧力により被施工対象物表面において塑性変形を生じさせることにより圧縮応力を付与する。

【0007】

例えば一端が封止された冷却孔の内径が十分大きければレーザ光を内部に照射することが可能であるが、一般に冷却孔は例えばφ10mm以下と小口径である場合が多く、内部にレーザピーニングを行うための照射ヘッドあるいは光学系を挿入することは困難である。また、配管の内面を施工するための照射ヘッドを使用した場合、冷却孔側面にレーザピーニングを施工することはできても冷却孔底面についてはレーザ光を照射することができず応力改善を行うことはできない。

【0008】

冷却孔底面にレーザ照射を行う方法として、冷却孔外部に設けた集光レンズを用いて冷却孔底面にレーザ光を集光する方法が考えられるが、冷却孔の孔径が小口径の場合や冷却孔の深さが深い場合には冷却孔にレーザ光が干渉してしまい、冷却孔の底面まで所定のエネルギーとスポット径を有するレーザ光を照射することができない可能性があった。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態に係るレーザピーニング装置は、一端が封止された被加工物である孔の内面にレーザピーニングを行うレーザピーニング装置であって、パルスレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出された前記パルスレーザ光を前記被加工物である孔の表面まで伝送するレーザ光伝送機構と、前記孔の内部に流体を供給するための流体供給機構と、から構成され、前記レーザ光伝送機構として光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバを用いることを特徴とする。

【0010】

また、実施形態に係るレーザピーニング方法は、光ファイバにこの光ファイバの断面積より入射側の受光面積が大きいエンドキャップを融着したエンドキャップファイバにレーザ光を入射し、前記光ファイバの位置や角度を変更することで前記光ファイバの先端から前記レーザ光が照射される位置を自在に制御しながら一端が封止された孔の内面にレーザピーニングを行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、一端が封止された孔の内面に圧縮応力を付与することのできるレーザピーニング装置及びレーザピーニング方法を提供することを目的とする。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】第１実施形態に係るレーザピーニング装置を一端が封止された孔に施工する状態を示す概念図。

【図2】孔内部に本実施形態のレーザピーニング装置を挿入した状態を示しており、（ａ）は孔の中心にエンドキャップファイバが配置された状態を、（ｂ）はレーザピーニング装置全体を平行移動させた状態を、（ｃ）はレーザピーニング装置全体を孔の中心軸に対して傾斜させた状態を各々示す側断面図。

【図3】本実施形態のレーザピーニング装置におけるエンドキャップファイバを曲げて孔側面への施工状況を側面から観察した状況を示す側断面図。

【図4】孔の底部を上面から見た状態を示しており、（ａ）は孔の中心にエンドキャップファイバが配置された状態を示す平断面図、（ｂ）はレーザピーニング装置全体を平行移動させた状態を示す平断面図、（ｃ）はレーザピーニング装置全体を孔の中心軸に対して傾斜させた状態を示す平断面図、（ｄ）はレーザピーニング装置におけるエンドキャップファイバを曲げた状態を示す平断面図。

【図5】レーザ光伝送機構の先端の構造を側面から観察した状況示し、（ａ）はエンドキャップファイバ先端からレーザ光を被加工対象物に照射した状態を示す平断面図、（ｂ）から（ｄ）は各々エンドキャップファイバの先端部の変形例を示す平面図。

【図6】（ａ）はエンドキャップファイバを示す側断面図、（ｂ）はエンドキャップファイバの変形例を示す側断面図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態に係るレーザピーニング装置５０の構成図であり、冷却孔内部に本発明のレーザピーニング装置５０を挿入した状態の断面図を示している。

【0014】

このレーザピーニング装置５０及びレーザピーニング方法は、金型に設けられた冷却孔２０などの一端が封止された孔であって、径が例えば、数ミリ乃至十数ミリ程度（特に３ｍｍ乃至１０ｍｍ程度）の孔の内面にレーザピーニングを行うものである。

【0015】

図１に示すようにレーザピーニング装置５０は、レーザ発振器１、レーザ光伝送機構２１、集光レンズユニット５、流体供給機構６、カバー１０、流体保管機構１２、吸引機構１１、エンドキャップファイバ２２、保護機構２６等から構成されている。そして、図１は、上記エンドキャップファイバ２２を収納した保護機構２６を一端が封止された冷却孔２０内に挿入した状態を示している。

【0016】

このように保護機構２６の外径は、冷却孔２０の内径より小さく設定されている。上記レーザ光伝送機構２１にはレーザ光２を反射させるためのミラーを少なくとも２つ具備しており、例えば図１に示す構成において第１ミラー３には外部に位置確認機構９、第２ミラー４はレーザ光２の照射角度を変更するために図示しない駆動機構を具備している。

【0017】

レーザ発振器１は、レーザピーニングのためのパルスレーザ光を発振（射出）する。このパルスレーザ光の波長及びパルス幅は、適宜選択することができる。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いて、波長１０６４ｎｍ、あるいは５３２nm、パルス幅が数ns～数十nsのパルスレーザ光を射出できる。なお、流体１８の光の吸収特性に合わせてパルスレーザ光の波長を選定することで、レーザ光のエネルギーロスを小さくすることができる。

【0018】

例えば、流体供給機構６に収容された流体１８が水の場合、波長５３２nmのレーザを用いることで０．５％程度のエネルギーロスでレーザ光２を照射することができる。また、１０６４ｎｍのレーザを用いた場合でも、水中の伝送距離に応じて水で吸収されるエネルギー、例えば５０％吸収される場合は２倍のパルスエネルギーを照射すれば良い。

【0019】

レーザ発振器１から射出されたレーザ光２は、レーザ光伝送機構２１及び筐体２５内部に設けられた集光レンズユニット５を介してエンドキャップファイバ２２に入射され、エンドキャップファイバ２２先端から照射されたレーザ光２は冷却孔２０内面に照射される。前述したとおりレーザ光伝送機構２１は、第１ミラー３と、第２ミラー４の少なくとも２枚のミラーを具備しており、例えば第２ミラー４の角度を変えることでエンドキャップファイバ２２への入射位置調整を行うことができ、冷却孔２０の側面、底面等の内面の所定の位置にレーザ光２を照射することができる。

【0020】

さらに、筐体２５内部には、必要に応じて集光レンズユニット５の前にビーム強度調整部２４を配置することができる。このビーム強度調整部２４は回折光学素子やシリンドリカルアレイなどから構成されるレーザ用のホモジナイザが好ましく、ガウス分布のように中心のピーク強度が高いレーザ光の強度分布を均一にする機能を備えており、レーザ光２の強度が強い場合などにエンドキャップファイバ２２のダメージを軽減することができる。

【0021】

また、例えばレーザ光伝送機構２１内部にはアッテネーター１７を具備することもでき、冷却孔２０に照射されるパルスエネルギーを所定の強度に制御することや、図示しない制御装置との組み合わせでパルスエネルギーが所定の値よりも低い場合にはシャッター１６を閉じて施工を停止することも可能である。

【0022】

エンドキャップファイバ２２は、図６（ａ）に示すように光ファイバ４０に接合部４３を介してエンドキャップ４１と呼ばれる円筒状の部材を融着して構成されている。エンドキャップファイバ22のエンドキャップ４１は図６（ａ）に示すように円筒状の部材が望ましいが、図６（ｂ）に示すようにレーザ光２の入射側の受光面積が光ファイバ４０との接合部４３の面積より大きい円錐状のコーンロッド４２のようにレーザ光２入射側はダメージ軽減のため受光面積が光ファイバ４０の断面積より大きく、光ファイバ４０と接合部４３を介して融着による接合が可能であれば良い。このエンドキャップファイバ２２において、エンドキャップ４１及び光ファイバ４０は同じ材質である石英が用いられ、同じ材質を用いることでレーザ光２が入射された際に接合部４３における屈折率が変化しない構成になっている。

【0023】

エンドキャップファイバ２２において、光ファイバ４０の口径はφ０．４～１．０mmが望ましく、光ファイバ先端から照射されたレーザ光２が被加工物表面に投影された際にφ０．６～φ１．５mmでアブレーションプラズマ１３が発生するパワー密度が確保できれば良い。

【0024】

また、エンドキャップ４１はレーザ光入射部においてφ５～１０mm程度であればエンドキャップファイバ２２が損傷することなくレーザ伝送が可能となる。例えば、φ８ｍｍ×５mmのエンドキャップ４１にコア径φ１．０mm×７mの光ファイバ４０を融着した構造のエンドキャップファイバ２２を用いた場合、パルスエネルギー１６０mJのレーザ光２をエンドキャップ４１から入射するとファイバ４０の出射端において１３０mJのレーザ光が出射され、エンドキャップ４１及び光ファイバ４０の端面反射によるロスを含んで約８０％の伝送効率でのレーザ伝送をすることができる。

【0025】

エンドキャップファイバ２２の外周には保護機構２６を具備することができ、冷却孔２０内部に挿入する際にエンドキャップファイバ２２の光ファイバ４０が損傷しないよう保護することができる。また、保護機構２６の外径は光ファイバ４０の外径に応じて調整することが可能である。例えばコア径φ１．０mm光ファイバ４０からなるエンドキャップファイバ２２を用いた場合、光ファイバ４０に具備される図示しないバッファ層と被覆を合わせた外径がφ３mm程度となるため、ファイバ先端保護機構（以下保護機構と呼ぶ）２６の外径はφ６mm程度まで小型化が可能となる。

【0026】

レーザピーニングにおいて使用されるスポット径については、被施工対象物（冷却孔２０内面）の材質と導入する残留応力によって変えることができる。例えば、図１に示す構成ではエンドキャプファイバ２２からレーザ照射位置までの距離を変えることで所定のスポット径のレーザ光を照射することができるが、エンドキャップファイバ２２から照射されたレーザ光２は光ファイバ固有の開口数（NA: Numerical Aperture）で広がるため、光ファイバ４０の口径以上のスポット径でアブレーションプラズマ１３が発生するレーザ光２を照射できる条件下であれば適用可能となる。

【0027】

レーザピーニングでは、被施工対象物表面においてアブレーションプラズマ１３を発生させ、プラズマ圧力により材料に塑性変形を生じさせることで圧縮応力を付与する。その際、プラズマを閉じ込めるために水などの流体１８が必要となるが、冷却孔２０は細いためポンプなどを用いて冷却孔２０内部に流体１８を供給しようとしてもキャビテーションが発生したり部分的に流体１８が供給さないところが生じたりと安定的な施工ができない。

【0028】

本実施形態のレーザピーニング装置５０には、カバー１０内部への流体１８の流入を制御するための開閉ユニット７と、吸引機構１１を用いて冷却孔２０内部を負圧状態にするためのカバー１０を具備している。冷却孔２０に本実施形態のレーザピーニング装置５０を設置し、開閉ユニット７を閉じた状態で吸引機構１１を用いて冷却孔２０内部を吸引すると、図２に示すようにカバー１０内部が負圧になるとともに冷却孔２０内部に残存する気泡１４やゴミを事前に除去することができる。

【0029】

この状態で開閉ユニット７を開くと、内部が負圧なので流体供給機構６の内部の流体１８が吸い上げられ、流体の流れ１９に示す方向で流体伝送機構８を通って図３に示すように冷却孔２０内部に安定的に流体１８を供給することが可能となる。さらに冷却孔２０の内径が小さく流体１８を冷却孔２０内部へ供給することが困難な場合、冷却孔２０に覆いかぶさるように保護機構２６に図示しない逆止弁を配置することで冷却孔２０内部の流体１８を優先的に排出することが可能となる。

【0030】

ここで、流体１８としては水が望ましく、例えば波長532nmのパルスレーザを用いると水中での伝送ロスがほとんどない状態でのレーザピーニング施工が可能となる。また、防錆剤を混入した水やアンモニア水などの流体１８を用いれば、被施工対象物の発錆を抑制しつつレーザピーニングが可能となる。アルカリイオン水、防錆油などを用いても良い。

【0031】

本実施形態には、位置確認機構９を具備することができ、レーザ光伝送機構２１の先端（エンドキャップファイバ２２の先端）から冷却孔２０のレーザ照射位置までの距離を測定することも可能である。位置確認機構９としては、例えばレーザ距離計などを用いることができ、レーザ光伝送機構２１から反射したレーザ光と冷却孔２０から反射したレーザ光をそれぞれ測定することで位置を同定することができるため、冷却孔２０内部のレーザ光伝送機構２１の位置を外部から認識することが可能となる。位置確認機構９として、レーザ距離計に限らず、音波や光センサーなど別の光源を用いた手法、あるいはカメラによりレーザ光伝送機構２１先端の画像を確認するなどの方法を用いても良い。また、レーザ光伝送機構２１の先端に図５（ｂ）に示すようにファイバ先端保護機構２３を具備する場合でも前述の手法により位置を同定することが可能である。

【0032】

そして、この位置確認機構９によって計測されたエンドキャップファイバ２２の先端またはファイバ先端保護機構２３の先端からレーザ照射位置までの距離から駆動機構動作部２８等によってエンドキャップファイバ２２を移動させてレーザ光２の焦点位置を変更して所定のスポット径のレーザ光２を照射することができる。

【0033】

ここで、シャッター１６を開くと、図１に示すようにレーザ光２が冷却孔２０底部まで到達し、レーザピーニングを行うことが可能となる。冷却孔２０底面へのレーザピーニング施工方法については、図２から図４を参照して説明する。

【0034】

図２および図３は冷却孔２０内部に本実施形態のレーザピーニング装置５０を挿入した状態の側断面図を示している。また、図４は冷却孔２０底部を上面から見た状態を示す断面図である。

【0035】

本実施形態では、レーザ光伝送機構２１の光ファイバ４０外周部に保護機構２６及び駆動機構２７を具備しており、冷却孔２０等に挿入する際にレーザ光伝送機構２１が接触により損傷するのを防止することができる。さらに、図３に示すように駆動機構２７を用いることでレーザ光伝送機構２１先端の光ファイバ４０の角度を変えることもできる。

【0036】

例えば、駆動機構２７として蛇腹状の可とう管を用い、レーザ光伝送機構２１と保護機構２６及び駆動機構２７の間に図示しないワイヤが配置され、駆動機構２７と図１に示す駆動機構動作部２８をこのワイヤにより接続された構造とすることができる。駆動機構動作部２８で図示しないワイヤを駆動機構動作部２８側に引き上げることでレーザ光伝送機構２１先端の角度を変えることができる。駆動機構動作部２８には図示しないワイヤを出し入れするためのモータとワイヤの位置を測定するためのセンサーなどを具備しているのが好ましく、ワイヤを出し入れする長さによりレーザ光伝送機構２１の傾斜角度の制御を行うことも可能となる。さらに、この駆動機構動作部２８にエンドキャップファイバ２２の軸方向に回転する回転機構を備えることでより広範囲にレーザピーニングを施工することができる。

【0037】

図２（ａ）は冷却孔２０の中心にエンドキャップファイバ２２が配置された状態であり、図２（ａ）および図４（ａ）に示すようにレーザ光２はレーザピーニング施工可能範囲３０と同一である冷却孔２０底面の中心部に照射されている。ここで、レーザピーニング装置全体を平行移動させると図２（ｂ）のようになり、レーザ光２は冷却孔２０中心から駆動機構２７が冷却孔２０側面に接触する範囲まで移動させることが可能となり、駆動機構動作部２８によってエンドキャップファイバ２２を冷却孔２０の中心軸に対して回転させることで、図４（ｂ）のレーザピーニング施工可能範囲３０に示すように冷却孔２０中央部に対して図４（ａ）のレーザピーニング施工可能範囲の周囲についてレーザピーニングを行うことが可能となる。

【0038】

次にエンドキャップファイバ２２全体を冷却孔２０の中心軸に対して傾斜させると図２（ｃ）に示すような状態となり、駆動機構動作部２８によってエンドキャップファイバ２２を冷却孔２０の中心軸に対して回転させることで、図４（ｃ）に示すようにレーザピーニング施工可能範囲３０は図２（ｂ）の場合よりもさらに広範囲となる。また、駆動機構２７によりエンドキャップファイバ２２を曲げると図３に示すような状態となり、レーザ光２の移動可能範囲はさらに広くなり、図４（ｄ）に示すように冷却孔２０底部全体や側面に対してレーザピーニングを行うことが可能となる。さらにエンドキャップファイバ２２全体を冷却孔２０の中心軸に対して上方に移動させていくことによって冷却孔２０の側面のレーザピーニングを行うことが可能となる。

【0039】

また、レーザピーニング施工可能範囲３０がレーザ光２の照射角度に対して垂直から外れた場合はレーザ光２のスポット径が楕円形状となるが、楕円の面積が等価となる円と同じピーニング効果が得られるため、焦点距離の制御により対応が可能となる。

【0040】

そして、図１に示すように、吸引機構１１により吸引された流体１８は、流体保管機構１２に保管される。保管された流体１８は図示しないポンプなどを用いて流体供給機構６に戻すことで、流体１８を循環して利用することも可能である。また、吸引機構１１を用いて冷却孔２０から流体保管機構１２に引き込まれた流体１８には、レーザピーニングに伴う気泡１４やアブレーションプラズマ１３の発生に伴う図示しない金属小片が含まれている。このため、流体供給機構６に循環利用する場合には、図示しないフィルタなどでろ過することが望ましい。

【0041】

また、レーザピーニング施工時に発生する気泡１４が流体１８中に残存した状態で次のパルスレーザを照射した場合、残存した気泡１４にレーザ光２が照射されることでエネルギーロスが生じ、施工が不安定になる場合がある。本実施形態のレーザピーニング装置５０では、レーザ光伝送機構２１内に具備する第１ミラー３を介して保護機構２６内部並びにレーザ照射位置の画像を確認するための気泡確認機構１５を具備している。

【0042】

以上のような構成の実施形態のレーザピーニング装置及びレーザピーニング方法によれば、アクセスが困難な一端が封止された冷却孔２０等の内面に圧縮応力を付与することができる。また、例えば、予め被施工対象物の冷却孔２０の位置と深さ、並びにレーザピーニング施工範囲がわかっていれば、図示しない制御装置等を用いて集光レンズユニット５の焦点距離と移動パターンをプログラミングしておき、レーザ発振器１の周波数に応じてレーザ照射位置への移動、レーザ光２の照射、気泡確認機構１５を用いた残存気泡の確認などを組み合わせることで、狭隘な冷却孔２０の底部にレーザピーニングを自動で行うことが可能となる。

【0043】

（第２実施形態）
第２の実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、レーザ光伝送機構の先端の構造を側面から観察した状況示す概念図であり、流体１８中でレーザ伝送機構２１からレーザ光２を被加工対象物３１に照射してレーザピーニングを実施する状況を示している。

【0044】

図５（ａ）において、高出力のレーザ光２を被加工対象物３１に照射すると、レーザ光２は被加工対象物３１に吸収され、一定の閾値以上のエネルギーに達すると被加工対象物３１が気化してアブレーションプラズマ１３が発生する。

【0045】

レーザ光伝送機構２１として使用するエンドキャップファイバ２２が石英製ファイバの場合、石英固有の広がり角ＮＡ＝０．２で広がりながら流体１８中をレーザ光２が伝播する。例えば、エンドキャップファイバ２２における光ファイバ４０のコア径がφ１．０ｍｍの場合、波長５３２ｎｍでパルスエネルギー４０ｍＪのレーザ光２を光ファイバ４０から水中に照射して被加工対象物３１として配置したニッケル基合金Alloy６００に照射すると、先端から２ｍｍ離れた位置ではレーザ光２のビーム径はφ１．１ｍｍ程度の大きさに拡大されるもののエネルギー密度が高いためアブレーションプラズマ１３が発生する。

【0046】

流体１８中ではアブレーションプラズマ１３が流体１８の圧力により封じ込められることで衝撃波３２が発生し、この衝撃波３２により被加工対象物３１に塑性変形が生じ、表面近傍に圧縮応力が形成されるのがレーザピーニングのプロセスである。ここで、衝撃波３２は被加工対象物３１に伝播するだけでなく流体１８中にも伝播され、一部はエンドキャップファイバ２２にも到達する。エンドキャップファイバ２２として石英製ファイバを用いた場合、図５（ａ）に示すようにアブレーションプラズマ１３により生じた衝撃波３２がエンドキャップファイバ２２に到達し、その高い衝撃力により損傷する場合がある。

【0047】

一方、本実施形態では図５（ｂ）に示すようにレーザ光伝送機構２１の先端にファイバ先端保護機構２３を具備しており、前述の衝撃波３２が到達した場合においても高い耐衝撃性により損傷の発生を防止することが可能となる。ファイバ先端保護機構２３はサファイアが好ましく、このサファイアはレーザ光透過性が高いため、例えばエンドキャップファイバ２２としてエンドキャップファイバやテーパファイバなどに石英を用いた場合に伝送ロスの発生はほとんど生じることはない。ここで、ファイバ先端保護機構２３はエンドキャップファイバ２２とオプティカルコンタクト（高精密度に研磨された2つのプリズムを、接着剤を使わずに接合する技術）で配置すれば良いが、エンドキャップファイバ２２と融着させても同等の機能を有する構造とすることができる。

【0048】

さらに、本発明では図５（ｃ）に示すようにエンドキャップファイバ２２とファイバ先端保護機構２３の間に液体３３を封入配置した構造を用いることも可能である。液体３３を封入配置することでオプティカルコンタクトに必要な面精度を形成するための研磨工程が不要となることや、融着を行う必要もなくなる利点がある。液体３３としては水が好ましく、波長５３２ｎｍのレーザ光であれば伝送ロスがほとんどなくなることや、屈折率の変化も小さくすることが可能となる。

【0049】

さらに本実施形態では、図５（ｄ）に示すようにファイバ先端保護機構２３の代わりにレーザ光を平行にするコリメートレンズユニット２９を具備することも可能である。レーザ光伝送機構２１としてエンドキャップファイバやテーパファイバなど石英製のファイバを用いた場合、光ファイバ４０先端から射出されたレーザ光２は石英固有の広がり角ＮＡ＝０．２で拡大しながら伝播されることになるが、コリメートレンズユニット２９を具備することでエンドキャップファイバ２２から射出されたレーザ光２のビーム径よりも大きな口径を維持しながら長距離伝送を行うことが可能となる。

【0050】

例えば、エンドキャップファイバ２２としてレーザ光射出端のコア径φ０．８ｍｍのエンドキャップファイバを用いた場合、コリメートレンズユニット２９でφ０．９ｍｍの平行光として照射することが可能となり、コリメートレンズユニット２９から２０ｍｍ離れた位置でもφ０．９ｍｍのビーム径でレーザ光２を射出することができる。そのため、図５（ｄ）に示すようにアブレーションプラズマ１３起因の衝撃波３２の影響を受けずにレーザピーニングが行えると共に、被加工対象物３１との距離を正確に維持しなくても同じビーム径で加工を行うことが可能となると共に、裕度範囲を拡大することが可能となる。

【0051】

これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。

【0052】

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0053】

１：レーザ発振器、２：レーザ光（パルスレーザ光）、３：第１ミラー、４：第２ミラー、５：集光レンズユニット、６：流体供給機構、７：開閉ユニット、８：流体伝送機構、９：位置確認機構、１０：カバー、１１：吸引機構、１２：流体保管機構、１３：アブレーションプラズマ、１４：気泡、１５：気泡確認機構、１６：シャッター、１７：アッテネーター、１８：流体、１９：流体の流れ、２０：冷却孔、２１：レーザ光伝送機構、２２：エンドキャップファイバ、２３：ファイバ先端保護機構、２４：ビーム強度調整部、２５：筐体、２６：保護機構、２７：駆動機構、２８：駆動機構動作部、２９：コリメートレンズユニット、３０：レーザピーニング施工可能範囲、３１：被加工対象物、３２：衝撃波、３３：液体、４０：光ファイバ、４１：エンドキャップ、４２：コーンロッド、４３：接合部、５０：レーザピーニング装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】