特許 7114518 レーザ加工装置およびレーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-29

(45)【発行日】2022-08-08

(54)【発明の名称】レーザ加工装置およびレーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/356 20140101AFI20220801BHJP

   C21D 7/06 20060101ALI20220801BHJP

【ＦＩ】

B23K26/356

C21D7/06 B

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2019051612

(22)【出願日】2019-03-19

(65)【公開番号】P2020151740

(43)【公開日】2020-09-24

【審査請求日】2021-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【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】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】千田 格

(72)【発明者】

【氏名】辻 明宏

(72)【発明者】

【氏名】椎原 克典

(72)【発明者】

【氏名】今崎 一人

(72)【発明者】

【氏名】市川 博也

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００７／０２３４７７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００５－１３１７０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５４２４００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３１２９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１３１６２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／３５６

Ｃ２１Ｄ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルスレーザを施工対象に照射して残留応力を付与するレーザ照射装置と、
前記施工対象の材料および所望の残留応力の情報を受け取る入力部と、
材料、施工条件、および残留応力の対応関係を表す残留応力データを記憶する記憶部と、
前記残留応力データに基づいて、前記施工対象の材料および前記所望の残留応力に対応する施工条件を選択する選択部と、
を具備し、
前記選択部は、
前記残留応力データ内に、前記施工対象の材料を見出せない場合、前記残留応力データ内から前記施工対象の材料に近接する材料を選択する
レーザ加工装置。

【請求項2】

前記入力部が、前記施工対象の材料、前記所望の残留応力、および残留応力が付与される所望の深さの情報を受け取り、
前記残留応力データが、材料、施工条件、残留応力、および深さの対応関係を表し、
前記選択部が、前記残留応力データに基づいて、前記施工対象の材料、前記所望の残留応力、および前記所望の深さに対応する施工条件を選択する
請求項１記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

パルスレーザを施工対象に照射して残留応力を付与するレーザ照射装置と、
前記施工対象の材料および所望の残留応力の情報を受け取る入力部と、
材料、施工条件、および残留応力の対応関係を表す残留応力データを記憶する記憶部と、
前記残留応力データに基づいて、前記施工対象の材料および前記所望の残留応力に対応する施工条件を選択する選択部と、
を具備し、
前記選択部が、前記残留応力データ内に前記材料および前記所望の残留応力に対応する施工条件を見出せない場合、前記所望の残留応力に対応する衝撃圧力を算出し、前記衝撃圧力に基づいて施工条件を決定する算出部
をさらに具備するレーザ加工装置。

【請求項4】

前記入力部が、前記施工対象の材料、前記所望の残留応力、および残留応力が付与される所望の深さの情報を受け取り、
前記残留応力データが、材料、施工条件、残留応力、および深さの対応関係を表し、
前記選択部が、前記残留応力データに基づいて、前記施工対象の材料、前記所望の残留応力、および前記所望の深さに対応する施工条件を選択する
請求項３記載のレーザ加工装置。

【請求項5】

前記算出部が、
前記施工対象の降伏応力以上の衝撃圧力を選択し、
前記衝撃圧力に基づいて、前記施工対象に付与される残留応力を算出し、
前記算出された残留応力が前記所望の残留応力に対応するかを判断し、
前記算出された残留応力が前記所望の残留応力に対応する場合に、前記衝撃圧力を前記所望の残留応力に対応する衝撃圧力とする
請求項３または４に記載のレーザ加工装置。

【請求項6】

前記算出部が、
前記算出された残留応力が前記所望の残留応力に対応しない場合、前記衝撃圧力を変更し、
前記変更された衝撃圧力に基づいて、前記施工対象に付与される残留応力を再算出し、
前記再算出された残留応力が前記所望の残留応力に対応する場合に、前記変更された衝撃圧力を前記所望の残留応力に対応する衝撃圧力とする
請求項５に記載のレーザ加工装置。

【請求項7】

前記記憶部が、材料と物性を対応して表す物性データをさらに記憶し、
前記算出部が、
前記物性データに基づいて、前記施工対象の材料に対応する物性を選択し、
前記衝撃圧力および前記選択された物性に基づいて、前記施工対象に付与される残留応力を算出する、
請求項５または６に記載のレーザ加工装置。

【請求項8】

前記算出部は、
前記物性データ内に、前記施工対象の材料を見出せない場合、前記物性データ内から前記施工対象の材料に近接する材料の物性を選択する
請求項７に記載のレーザ加工装置。

【請求項9】

前記算出部は、決定した前記施工条件を、制約条件と照合して施工可否を判定し、施工可と判定した場合は当該施工条件による施工を実行し、施工否と判定した場合は、当該施工条件の見直し、または前記入力部に入力された前記所望の残留応力の見直しを要求する、
請求項３乃至８のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項10】

前記算出部は、前記施工対象の第１施工部位に対する前記施工条件として第１施工条件を決定し、前記施工対象の第２施工部位に対する前記施工条件として第２施工条件を決定し、前記第１施工条件、前記第２施工条件、および前記第１施工条件から前記第２施工条件へ移行する途中の施工条件について、制約条件と照合して施工可否を判定する、
請求項９記載のレーザ加工装置。

【請求項11】

前記残留応力データ内に前記施工対象の材料がない場合に、前記残留応力データに前記施工対象での残留応力の測定結果を追加する
請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

【請求項12】

レーザ光を施工対象に照射して、残留応力を付与するレーザ加工方法であって、
前記施工対象の材料および所望の残留応力の情報を入力する工程と、
材料、施工条件、および残留応力の関係を表す残留応力データに基づいて、前記施工対象の材料および前記所望の残留応力に対応する施工条件を選択する工程と、
を具備し、
前記施工条件を選択する工程では、前記残留応力データ内に、前記施工対象の材料を見出せない場合、前記残留応力データ内から前記施工対象の材料に近接する材料を選択する
レーザ加工方法。

【請求項13】

レーザ光を施工対象に照射して、残留応力を付与するレーザ加工方法であって、
前記施工対象の材料および所望の残留応力の情報を入力する工程と、
材料、施工条件、および残留応力の関係を表す残留応力データに基づいて、前記施工対象の材料および前記所望の残留応力に対応する施工条件を選択する工程と、
を具備し、
前記施工条件を選択する工程では、前記残留応力データ内に前記材料および前記所望の残留応力に対応する施工条件を見出せない場合、前記所望の残留応力に対応する衝撃圧力を算出し、前記衝撃圧力に基づいて施工条件を決定する
レーザ加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は，レーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ加工は、レーザ光を対象物に集光することで、対象物を加工する技術である。レーザ発振器から照射されたレーザ光を、レンズやミラーなどの光学系を介して、対象物の表面に集光する。レーザ加工により、対象物の溶接、切断、あるいは表面改質（ピーニングや焼入れなど）が可能となる。

【0003】

このうち、ピーニング（レーザピーニング）は、対象物にパルスレーザを照射し、アブレーションにより対象物に残留応力を付与する。この場合、アブレー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、対象物の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が、表面に透明な液体が設けられた対象物にレーザを照射することで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、パルス幅はナノ秒のレーザ発振器が使用されることが多い。なお、サブナノ秒やフェムト秒といった超短パルスレーザを用いたレーザピーニングの事例も見受けられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第３３７３６３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

レーザ加工機は一般に販売されており、溶接や切断などの加工分野で利用されている。また、近年ではレーザピーニング装置も市販されるようになり、産業用ロボットと組み合わせることでタービン翼や薄板の変形加工（ピーンフォーミング）などに利用されている。

【0006】

ここで、レーザピーニングのようにパルスレーザを材料に照射してプラズマを発生させるプロセスでは、例えば、パルスエネルギー、スポット径、パルス密度を主なパラメータとして施工を行う。これらのパラメータの適正な設定はノウハウであり、同じ施工装置を用いたとしても経験に基づいて選定せざるを得ないことが多い。
本発明は、レーザピーニングの施工条件の設定の容易化を図ったレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一態様に係るレーザ加工装置は、レーザ照射装置、入力部、記憶部、選択部を具備する。レーザ照射装置は、パルスレーザを施工対象に照射して残留応力を付与する。入力部は、前記施工対象の材料および所望の残留応力の情報を受け取る。記憶部は、材料、施工条件、および残留応力の関係を表す残留応力データを記憶する。選択部は、残留応力データに基づいて、前記施工対象の材料および前記所望の残留応力に対応する施工条件を選択する。前記選択部は、前記残留応力データ内に、前記施工対象の材料を見出せない場合、前記残留応力データ内から前記施工対象の材料に近接する材料を選択する。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、レーザピーニングの施工条件の設定の容易化を図ったレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るレーザ加工装置の模式図である。

【図2】レーザ照射パターンを示す模式図である。

【図3】物性データの一例を示す模式図である。

【図4】残留応力データの一例を表す模式図である。

【図5】残留応力データの一例を表す模式図である。

【図6】残留応力データの一例を表す模式図である。

【図7】レーザ加工方法の手順を表すフローチャートである。

【図8】実施形態に係るレーザ加工システムの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態に係るレーザ加工装置について、図面を参照して説明する。
（第1の実施形態）
図１～図７を用いて第1の実施形態を説明する。図１は第1の実施形態に係るレーザピーニング装置１０を示す概念図である。
レーザピーニング装置１０は、レーザ発振器１１、光伝送部１２、集光部１３、保持・移動部１４、制御部１５（入力部１６、ＤＢ記憶部１７、算出部１８、駆動部１９）を有する。

【0011】

レーザ発振器１１は、レーザ光Ｌ（パルスレーザ）を発振、照射する。レーザ発振器１１から発せられたレーザ光Ｌは、光伝送部１２を経由し、集光部１３で集光されて、施工対象Ｏの表面に照射される。
レーザ発振器１１を制御することで、パルスエネルギーを調節できる。

【0012】

レーザピーニングには、レーザ発振器１１に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。後述のように、水中で施工する場合、ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ）を用いれば、レーザ光出力がほとんど減衰することなく伝送可能となる。
但し、ジャイアントパルスＹＡＧレーザ発振器以外のレーザ発振器１１も利用可能である。レーザ発振器１１から照射されるパルスレーザによって、施工対象Ｏの表面上にプラズマが形成され、レーザアブレーションが行えれば良い。

【0013】

光伝送部１２は、レーザ発振器１１から発せられたレーザ光Ｌを集光部１３まで伝送する光伝送機構であり、ベース（光学定盤など）、光学部品（レンズ、ミラーなど）、調整機構などを有する。ベース上に光学部品、調整機構を配置することで、集光部１３までレーザ光を伝送する。
なお、光伝送部１２が光ファイバを有し、レーザ光Ｌを長距離伝送してもよい。

【0014】

集光部１３は、レーザ光Ｌを施工対象Ｏ上に集光する集光機構、例えば、レンズである。集光部１３によって、レーザ光Ｌが施工対象Ｏ上で集光し、レーザ光Ｌのスポットが形成される。集光部１３は、複数の光学部品（例えば、複数のレンズ、角度を変えるためのミラー）により構成しても良い。
集光部１３を制御する（例えば、レンズと施工対象Ｏの距離を変化させる）ことで、レーザ光Ｌのスポット径を調節できる。

【0015】

施工対象Ｏは、レーザピーニングの施工対象であり、保持・移動部１４に保持される。
施工対象Ｏの表面に液体（例えば、水）が０．１ｍｍ以上あることが好ましい。レーザアブレーションにより発生したプラズマを閉じ込めるためである。
このため、施工対象Ｏの表面に液体（水等）を供給するノズル等を設けてもよい。
また、集光部１３の先端に液体を噴出するノズルを設けてもよい。ノズルから噴出する液体をレーザ光Ｌと同軸で、施工対象Ｏまで送ることで、安定的なレーザピーニングが容易となる。
既述のように、液体が水の場合、ＹＡＧレーザの第２高調波を用いることが好ましい。

【0016】

保持・移動部１４は、施工対象Ｏを保持、移動するための機構である。施工中に保持・移動部１４が施工対象Ｏを移動することで、施工対象Ｏ上でレーザ光Ｌをスキャンできる。
保持・移動部１４を用いることで、図２に示すように、レーザスポットＳｐをレーザ光駆動軌跡Ｔに沿って移動し、施工範囲Ａをレーザで処理できる。
保持・移動部１４の移動速度を変えることで、施工範囲Ａでの照射密度（パルス密度：単位面積当たりにパルスレーザを照射する密度）を調節できる。レーザ発振器１１のパルス周期および施工対象Ｏの移動速度によって、照射密度（パルス密度）が定まる。

【0017】

なお、保持・移動部１４を用いず（施工対象Ｏは動かさず）、レーザ光Ｌを移動させる、または両方を移動させてもよい。また、施工対象Ｏの表面に対するレーザ光Ｌの照射角度を変更可能に構成されてもよい。この場合、光伝送部１２及び集光部１３を移動させることができる。例えば、光伝送部１２に光ファイバを用い、その光ファイバのレーザ光出射端と集光部１３を内包して移動可能なレーザ照射ヘッドを具備して実現する。施工対象Ｏをレーザ光Ｌに対して相対的に移動させれば、レーザスポットＳｐのスキャンが可能となる。

【0018】

制御部１５は、レーザピーニング装置１０全体（レーザ発振器１１、光伝送部１２、集光部１３、保持・移動部１４）を制御するものであり、入力部１６、ＤＢ記憶部１７、算出部１８、駆動部１９を有する。

【0019】

入力部１６は、施工対象Ｏの材料（後述の識別情報）や物性パラメータを入力する入力手段、あるいはデータ読み取り手段である。入力手段は、例えば、キーボード、タッチパネルである。データ読み取り手段は、例えば、メモリ、ディスクなどの媒体からデータを読み取るドライブである。
入力部１６は、ＤＢ記憶部１７へのデータ（例えば、残留応力測定データ）の入力にも用いることができる。

【0020】

ＤＢ記憶部１７は、メモリ、ハードディスクなどの記憶手段であり、レーザピーニングに関するデータベースを記憶する。
データベースは、次のような情報を含む。
・物性データ（図３参照）
・残留応力データ（残留応力プロファイル、図４～図６参照）

【0021】

図３に示すように、物性データは、材料（ここでは、ＳＵＳ３１６Ｌ，純Ａｌ，１２Ｃｒ鋼、Ａｌｌｏｙ６２５，７１８，６００）と、その物性（例えば、密度、ヤング率、ポアソン比、体積弾性率、せん断弾性率、比熱、熱伝導率）を対応して表す。この材料名（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ）は、材料を識別する識別情報である。
これらの材料の物性は、後述の衝撃圧力からの残留応力の算出（図７のステップＳ２２）に用いることができる。
なお、物性データは、降伏応力を含むことが好ましい。後述の衝撃圧力の選択（図７のステップＳ２１）において、降伏応力の情報を用いるためである。

【0022】

残留応力データは、施工対象Ｏの材料、レーザピーニングの施工条件、施工対象Ｏに付与される残留応力、および残留応力が付与される施工対象Ｏの深さの対応関係を表す。ここでは、残留応力データは、施工対象Ｏの深さと残留応力の関係を表す残留応力プロファイルによって表現されている。図４～図６の横軸は施工対象Ｏの表面からの深さ、縦軸は測定された残留応力を示す。
尚、施工対象Ｏの深さ方向の残留応力は、Ｘ線法（エッチング併用）、穿孔法などにより測定できる。前者では、電解研磨を用いて、施工対象Ｏの表面を応力解放が極力発生しないように研磨し、Ｘ線回折により残留応力を求める。

【0023】

図４～図６には、材料、施工条件（パルスエネルギー、スポット径、及び照射密度）、残留応力、および深さ（表面からの距離）の関係が示される。
図４では、１２Ｃｒ鋼について、パルスエネルギー、スポット径、照射密度を変化している（グラフＧ１１，Ｇ１２）。
Ｇ１１：パルスエネルギー７０ｍＪ、スポット径φ０．７ｍｍ、照射密度２７パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした１２Ｃｒ鋼の応力測定結果
Ｇ１２：パルスエネルギー７０ｍＪ、スポット径φ０．７ｍｍ、照射密度４５パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした１２Ｃｒ鋼の応力測定結果

【0024】

図５では、７０６合金について、パルスエネルギー、スポット径、照射密度を変化している（グラフＧ２１～Ｇ２４）。但し、パルスエネルギーを比較的高エネルギーとしている。
図６では、７０６合金について、パルスエネルギー、スポット径を固定し、照射密度を変化している（グラフＧ３１～Ｇ３４）。但し、パルスエネルギーを比較的低エネルギーとしている。

【0025】

Ｇ２１：パルスエネルギー３００ｍＪ、スポット径φ０．８ｍｍ、照射密度２００パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果
Ｇ２２：パルスエネルギー３００ｍＪ、スポット径φ０．８ｍｍ、照射密度１００パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果
Ｇ２３：パルスエネルギー２００ｍＪ、スポット径φ０．６ｍｍ、照射密度１００パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果
Ｇ２４：パルスエネルギー２００ｍＪ、スポット径φ０．６ｍｍ、照射密度５０パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果

【0026】

Ｇ３１：パルスエネルギー２０ｍＪ、スポット径φ０．３ｍｍ、照射密度７２０パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果
Ｇ３２：パルスエネルギー２０ｍＪ、スポット径φ０．３ｍｍ、照射密度３６０パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果
Ｇ３３：パルスエネルギー２０ｍＪ、スポット径φ０．３ｍｍ、照射密度２００パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果
Ｇ３４：パルスエネルギー２０ｍＪ、スポット径φ０．３ｍｍ、照射密度１００パルス／ｍｍ^２でレーザピーニングした７０６合金の応力測定結果

【0027】

算出部（選択部）１８は、施工条件を決定（選択）する（後述のステップＳ１５）。
すなわち、材料、施工条件（パルスエネルギー、スポット径、照射密度）を変化させた複数の残留応力プロファイルを用いることで、施工対象Ｏの材料および所望の残留応力条件（所望の残留応力、所望の深さ）に応じた施工条件を決定（選択）できる。

【0028】

算出部１８は、後述のように、残留応力条件（所望の残留応力、所望の深さ）に対応する衝撃圧力の算出、施工条件の算出、施工可能かの判断も行う（後述のステップＳ２１～Ｓ２６）。なお、この詳細は後述する。
算出部１８は、プロセッサ（例えば、ＣＰＵ： Central Processing Unit）等のハードウェアとプログラム等のソフトウェアから構成できる。

【0029】

駆動部１９は、施工条件に従って、レーザ発振器１１、光伝送部１２、集光部１３、保持・移動部１４を駆動・制御する。
駆動部１９が、レーザ発振器１１、光伝送部１２、集光部１３、保持・移動部１４を駆動、制御することで、施工条件（パルスエネルギー、スポット径、照射密度など）を変更することができる。

【0030】

なお、レーザピーニング装置１０は、情報を表示する表示装置（例えば、液晶表示装置、ＥＬ表示装置）を備えてもよい。表示装置を用いて、後述の施工条件、設定条件をユーザに提示できる。

【0031】

図７は、レーザピーニング装置１０を用いるレーザピーニング方法の手順を表すフローチャートである。以下、この手順を説明する。

【0032】

（１）まず施工対象Ｏの材料情報を入力する（ステップＳ１１）。次に、付与したい残留応力条件を入力する（ステップＳ１２）。

【0033】

この材料情報は、例えば、材料を識別する識別情報（例えば、材料の名称）、材料の物性情報である。物性情報は、図３に示した密度、ヤング率、ポアソン比、体積弾性率、せん断弾性率、比熱、熱伝導率、（必要であれば、降伏応力）の全部または一部である。
場合により、ａ）識別情報のみ、ｂ）識別情報と物性情報、ｃ）物性情報のみを適宜に選択して入力できる。入力部１６が、例えば、施工対象Ｏの材料の識別情報を受け取る。

【0034】

残留応力条件は、付与したい残留応力および残留応力が付与される施工対象Ｏの深さが挙げられる。
場合により、ａ）残留応力のみ、ｂ）残留応力および深さ、ｃ）深さのみを適宜に選択して入力できる。入力部１６が、例えば、所望の残留応力（必要に応じて、所望の深さ）の情報を受け取る。

【0035】

（２）入力した材料情報が、物性データに存在するか否かが判断される（ステップＳ１３）。
例えば、入力した材料情報が識別情報の場合、物性データ中の識別情報がサーチされる。
この判断が「Ｙｅｓ」であれば、入力した材料情報が用いられる。一方、この判断が「Ｎｏ」であれば、入力した材料情報に近接する材料の情報が物性データから選択される（ステップＳ１４）。

【0036】

材料が近接するか否かは、材料の物性値を比較することで、判断される。材料間の物性値の相違が基準値より小さければ、材料が近接するとしてよい。近接する材料が複数あるときには、最も近い材料が選択される。

【0037】

ここで、材料には複数種の物性値があるため、材料の比較上で問題となる。ここでは、物性のうち密度を優先的に用いるものとする。密度はレーザピーニングへの影響が大きく、かつ測定も容易である。施工対象Ｏの物性値すべてが不明であっても、密度は測定容易である。
施工対象Ｏと密度が近い材料が複数ある場合、他の物性値を用いて、材料間の近接の程度を判断できる。

【0038】

なお、施工対象Ｏの材料の物性値の一部が判っているが、後述の残留応力の算出（ステップＳ２２）には不十分な場合、判明している物性値に基づいて物性データ中から近接する材料を選択してもよい。

【0039】

物性値に基づいて、物性データ中から施工対象Ｏと近接する材料を選択した場合、選択した材料の物性値の全てをそのまま用いる必要はない。すなわち、施工対象Ｏの材料の物性値の一部が判っていれば、その物性値を用いて、選択した材料の物性値を補正してもよい。例えば、施工対象Ｏの材料と選択した材料の物性値の差に基づいて、選択した材料の物性値を補正する。

【0040】

（３）入力した残留応力条件に対応する施工条件が、残留応力データから選択できるか（残留応力データ中に存在するか）否かが判断される（ステップＳ１５）。

【0041】

施工条件が、残留応力データから選択できるか（残留応力データ中に存在するか）は、例えば、次のように判断される。
材料が１２Ｃｒ鋼の場合、最大圧縮応力値が－５００ＭＰａ以上なら、図４のグラフＧ１１，Ｇ１２の条件いずれかを用いればよい。一方、圧縮応力の深さが１０００μｍの場合、残留応力データの範囲内では施工条件がない。

【0042】

図５及び図６に示す７０６合金では、パルスエネルギー、スポット径、照射密度を変えることで圧縮応力深さは４００μｍから１０００μｍ以上の範囲まである程度の自由度を持って選定できる。
図５に示す条件範囲であれば深さ１０００μｍ以上の条件が選定できる。
また、図６に示す条件範囲であれば圧縮応力深さ５００μｍ以下で－１０００ＭＰａ以上の圧縮応力を付与できる条件を選定できる。例えば、施工対象Ｏの厚さが薄くレーザピーニングによる変形を防止したい場合などに有用である。

【0043】

（４）ステップＳ１５での判断が「Ｙｅｓ」であれば、残留応力データに基づいて、施工条件が選択される。その後、この施工条件に基づいて、施工手段（レーザ発振器１１，光伝送部１２，集光部１３，保持・移動部１４）毎の設定条件が決定され（ステップＳ１６）、設定条件の入力、施工の実施が行われる（ステップＳ１７，Ｓ１８）。
なお、必要に応じて、選択あるいは決定された施工条件、設定条件をユーザに提示してもよい。すなわち、レーザピーニング装置１０は、このような推奨する情報を表示する表示装置を備えることができる。

【0044】

（５）残留応力条件に対応する施工条件が、残留応力データに存在しない場合（ステップＳ１５での判断が「Ｎｏ」の場合）、解析に基づいて施工条件が決定される（ステップＳ２１～Ｓ２５）。

【0045】

すなわち、材料の物性値に基づいて付与可能な残留応力を解析的に求める。このとき、次のように、残留応力条件を満たす衝撃圧力を特定するための繰り返し計算（一種の収束演算）が行われる（ステップＳ２１～Ｓ２４）。

【0046】

１）衝撃圧力の選択（ステップＳ２１）
算出部１８は、施工対象Ｏの降伏応力以上の衝撃圧力を選択する。
この衝撃圧力は、レーザアブレーション中に、施工対象Ｏの表面に印加される圧力をいう。施工対象Ｏに衝撃圧力を印加する結果、レーザアブレーションの終了後（衝撃圧力の消失後）、施工対象Ｏに応力が残留する（残留応力の付与）。

【0047】

衝撃圧力には、施工対象Ｏの降伏応力以上の値が選択される。施工対象Ｏの表面に残留応力を付与するためである。衝撃圧力が降伏応力より小さければ、衝撃圧力の消失後に施工対象Ｏは当初の状態に復帰し、残留応力は付与されない。

【0048】

但し、ここで選択される衝撃圧力は、仮の値で差し支えない。後述のように、衝撃圧力に基づいて残留応力が（必要に応じて深さも）算出され（ステップＳ２２）、これらの値が残留応力条件を満たせば（ステップＳ２３）、選択した衝撃圧力が適正であることになる。
すなわち、当初選択される衝撃圧力は、初期値であり、その精度は問われない。例えば、降伏応力に１より大きい定数を乗じて、衝撃圧力としてもよい。

【0049】

２）残留応力の算出（ステップＳ２２）
算出部１８は、衝撃圧力に基づいて、残留応力を算出する。
この算出は、線形の力学モデルを用いた数値計算により行うことができる。すなわち、レーザピーニングで材料に導入されるエネルギーは小さく局所的である。従い、材料に誘起されるひずみは微小であり、マクロ的な変形は発生しない。このため、近似的な線形演算によって残留応力を算出できる。

【0050】

例えば、物性データ中の物性値を用い、衝撃圧力を境界条件とする力学的モデルについて、有限要素法などによって数値計算を行う。この結果。施工対象Ｏの表面から印加される衝撃圧力がその内でどのように伝播し、衝撃圧力の消滅後に、どのように残留するか（残留応力、深さ）が算出される。

【0051】

３）残留応力条件を満たすかの判断（ステップＳ２３）
算出部１８は、算出された残留応力が残留応力条件（所望の残留応力、深さ）を満たすかを判断する。

【0052】

残留応力条件を満たすかは、算出された残留応力などと所望の残留応力などとの差Ｄが、基準値Ｓｔより小さいか否かによって、判断できる。この差Ｄの絶対値が基準値Ｓｔより小さければ（｜Ｄ｜＜Ｓｔ）、残留応力条件を満たすと判断できる。

【0053】

残留応力と深さの双方が問題となる場合、この双方について算出値と所望値の差Ｄ１，Ｄ２を求め、これらの絶対値がそれぞれの基準値Ｓｔ１，Ｓｔ２より小さければ（｜Ｄ１｜＜Ｓｔ１，かつ｜Ｄ２｜＜Ｓｔ２）、残留応力条件を満たすと判断できる。

【0054】

この判断が「Ｙｅｓ」であれば、要求された残留応力条件を満たす衝撃圧力が求められたことになる。
一方、この判断が「Ｎｏ」であれば、衝撃圧力を変更して（ステップＳ２４）、残留応力を算出し、残留応力条件を満たすかを再度判断する（ステップＳ２１～Ｓ２３）。

【0055】

通常、衝撃圧力の初期値を比較的小さな値とし、衝撃圧力を大きくしてゆく。但し、算出された残留応力が大きすぎる場合には、衝撃圧力を小さくすることが好ましい。例えば、算出された残留応力と所望の残留応力の差に基づいて、衝撃圧力を変更することで、残留応力条件を満たす衝撃圧力に到るまでの回数を低減できる（収束の加速）。

【0056】

この衝撃圧力の変更、残留応力の算出、残留応力条件を満たすかの判断は、要求された残留応力条件を満たす衝撃圧力が求められるまで、繰り返し行われる。

【0057】

（６）衝撃圧力に基づく、施工条件の算出（ステップＳ２５）
算出部１８は、求められた衝撃圧力に基づいて、施工条件を算出する。
この算出には、衝撃圧力とレーザピーニング施工条件との関係を示す様々な計算式（後述の式（１）～（４））を用いることができる。

【0058】

レーザアブレーションによる衝撃圧力は一般に式（１）で表されることが知られている（参考文献：例えば、Lindl, Phys. Plasma 2. 3933 (1995)）
Ｐ ＝ ８６０×（Ｉ／１０^１４Ｗ／ｃｍ^２）^２／３×（λ／１μｍ）^－２／３
・・式（１）
ここで、Ｉ： レーザ光Ｌの集光強度（１０^１４Ｗ／ｃｍ^２）
λ： レーザの波長（μｍ）

【0059】

また、次の条件では、衝撃圧力は式（２）で表される
レーザ強度： ３×１０^－６～７×１０^１３Ｗ／ｃｍ^２
パルス幅： １．５ｍｓ～５００ｐｓ
波長：１０．６μｍ～２４８ｎｍ
パルスエネルギー：１００ｍＪ～１０ｋＪ

【0060】

Ｐ ＝ ｂ×（Ｉ‘λ√τ）^ｎ×Ｉ’ ・・・式（２）
ここで、Ｉ’： レーザ強度（ＧＷ／ｃｍ^２）
λ： レーザ波長（μｍ）
τ： レーザのパルス幅（ｎｓ）
ｂ、ｎ： 材料定数（物質によって変化する）

【0061】

アブレーションにより発生したプラズマを水のような媒質を用いて閉じ込めるような場合、発生する圧力Ｐ’は次式（３）で表される。
Ｐ’ ＝ ０．０１×（α／（２α＋３））^１／２×Ｚ^１／２×Ｉ^１／２ ・・・式（３）
Ｚ（ｇ／ｃｍ^２ｓ）： 衝撃インピーダンス
α： レーザ照射により物質が得る内部エネルギーのうち熱エネルギーに変換される割合

【0062】

水を媒質として用いた場合、衝撃圧力Ｐ‘_Ｗ（ＧＰａ）は式（４）で表される。
Ｐ’_Ｗ ＝ １．０２×Ｉ^１／２ ・・・式（４）
すなわち、水中でのレーザピーニング施工は、レーザ強度を決めれば材料表面から導入可能な衝撃圧力を算出できる。また、この計算式に基づいて、媒質に応じた衝撃圧力を算出できる。

【0063】

このように、選択された衝撃圧力を発生させられるレーザ光Ｌの集光強度等を演算により求めることができる。算出部１８は、選択された衝撃圧力に基づいた演算によりレーザ光Ｌの集光強度等を求め、選択された衝撃圧力を理論的に発生させられるパルスエネルギー、スポット径、照射密度などの施工条件を決定する。

【0064】

（７）施工可能の判断（ステップＳ２６）
算出部１８は、このようにして算出された施工条件がレーザピーニング装置１０のハードウェア（レーザ発振器１１、光伝送部１２、集光部１３、保持・移動部１４）で施工可能かを判断する。

【0065】

すなわち、算出部１８は、算出された施工条件（パルスエネルギー、スポット径、照射密度など）に基づいて、施工手段（レーザ発振器１１，光伝送部１２，集光部１３，保持・移動部１４）毎の設定条件を決定する。そして、この設定条件がレーザ発振器１１や光学系（光伝送部１２、集光部１３）などの制約条件を超えていないかを判断する。
より具体的には、制約条件は、レーザ発振器１１のエネルギー、施工対象Ｏとレーザ光Ｌの相対位置や角度の変更速度、施工対象Ｏとレーザ光Ｌの移動可能な範囲や取り得る姿勢、レーザ照射ヘッドの施工対象Ｏや周辺構造物との干渉、等が挙げられる。施工対象Ｏが板材等の場合は可動範囲や干渉はあまり問題にならないが、施工対象Ｏの複雑形状面に施工する場合や、施工対象Ｏが現場に設置された装置等の場合には、可動範囲や干渉が制約条件となり得る。

【0066】

この判断が「Ｙｅｓ」であれば、設定条件の入力、施工の実施が行われる（ステップＳ１７，Ｓ１８）。
一方、判断が「Ｎｏ」であれば、ステップＳ１２に戻り、残留応力条件が再入力される。すなわち、ユーザに対して、当初入力された残留応力条件を付与する施工は不可能であることを提示し、異なる残留応力条件を入力するように促す（残留応力の見直しの要求）。

【0067】

なお、算出された施工条件、ひいては施工手段の設定条件が施工可能範囲でない場合、施工可能な範囲での設定条件をユーザが入力可能としてもよい。この場合、例えば、ユーザに対して、算出された施工条件では施工できないことを提示し、異なる施工条件の入力を促す（施工条件の見直の要求）。
例えば、レーザ発振器１１の最大パルスエネルギーが４００ｍＪの場合、ステップＳ１７において、４００ｍＪ以下の範囲でユーザが入力可能とする（４００ｍＪを超える値を選択できないように、制約を加える）。

【0068】

以上のように、ステップＳ１５で施工条件が選択できないと判断された場合、記憶された残留応力データに示されない材料や施工条件でレーザピーニングを行うことになる。このような場合、新たに施工した施工対象Ｏの残留応力を測定し、残留応力プロファイルとして、入力部１６から入力し、ＤＢ記憶部１７に蓄積し、残留応力データをより充実させることができる。

【0069】

（第２の実施形態）
図７を用いて第２の実施形態に係るレーザピーニングシステムを説明する。
レーザピーニングシステムは、複数のレーザピーニング装置１０（１）、１０（２）がインターネット回線Ｃでマスター制御部３１と接続されている。

【0070】

マスター制御部３１はマスターデータベース３２を有し、インターネット回線Ｃでつながったすべてのレーザピーニング装置１０とデータの送受信、管理ができる。

【0071】

マスターデータベース３２はインターネット回線Ｃでつながったすべてのレーザピーニング装置１０のＤＢ記憶部１７から物性データや残留応力デーなどを収集、蓄積できる。

【0072】

また、マスター制御部３１が許可を出した場合、レーザピーニング装置１０の制御部１５はインターネット回線Ｃを介してマスターデータベース３２へアクセスできる。すなわち、ＤＢ記憶部１７内に無い物性データや残留応力データに対応する施工条件などをダウンロードして活用できる。

【0073】

（第３の実施形態）
図７を用いて第３の実施形態に係るレーザピーニングシステムを説明する。本実施形態は、特にステップＳ１２、ステップＳ２６の処理が第１の実施形態と異なる。

【0074】

本実施形態のステップＳ１２では、施工対象Ｏの部位（施工部位）によって異なった残留応力条件を設定することができる。例えば、施工対象Ｏが複雑形状の場合、部位によって性状や材質が異なる（例えば溶接部）場合、施工対象Ｏの適用先において特定部位が特に厳しい環境に置かれる場合等、部位によって異なった残留応力の付与が望まれることがある。
また、同じ残留応力を付与しようとする場合でも、施工対象Ｏが途中で性状や材質が異なる（例えば溶接部）場合や、制約条件が異なる（例えば、大半は垂直角度でレーザ光Ｌを照射できるものの、一部部位が周辺環境等の都合で斜めにレーザ光Ｌを照射する必要があり、同一のスポット形状とできない場合等）場合も有り得る。
これらのような場合は、施工の途中で施工条件を変化させる必要がある。施工の途中で施工条件を変化させるには、例えば、施工対象Ｏとレーザ光Ｌの相対位置変化速度を変化させることで照射密度を変更させる、レーザ光Ｌの照射角度変更や集光部１３の制御によりスポット径を変化させるといったことを行う。

【0075】

次に、本実施形態のステップＳ２６では、施工中に施工条件を変化させることが可能かをも判定する。例えば、一施工プロセスで残留応力条件ＡとＢが含まれ、これに対応する施工条件Ａ，Ｂ（第1、第２施工条件）がステップＳ２５で算出されたとして、ステップＳ２６では、施工条件Ａ，Ｂのそれぞれについて施工可能か判断するだけでなく、施工条件ＡからＢに移行する途中の施工条件が制約条件を超えていないかをも判断する。
例えば、施工条件ＡからＢへの変更を照射角度の変更によって行う場合、角度の変更速度や、過渡期の条件において実現不可能な角度（レーザ照射ヘッドの可動範囲や、レーザ照射ヘッドと施工対象Ｏの干渉）でないかを判断する。また、施工条件ＡからＢに移行する途中の施工条件で付与される圧縮残留応力が問題ないか（例えばあらかじめ設定した許容範囲から外れないか）を判断する。

【0076】

本実施形態によれば、異なる残留応力条件を含む施工プロセスについて、施工条件の自動算出あるいは施工の可否を判定することができる。また、残留応力条件の変化に応じた施工条件の変更が、変更時の過渡期となる条件についても施工可否を判断することができる。これにより、異なる残留応力条件等に基づいて決定した施工条件のそれぞれが施工可能な施工条件であっても、施工条件の変更途中で施工不可能な状態に陥ることを防止することができる。

【0077】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが，これらの実施形態は，例として提示したものであり，発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は，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，変更を行うことができる。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ともに，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。

【0078】

なお、説明を簡便にするため、各実施形態では特筆しない限りレーザ光Ｌのスポットが円形で、スポット径を施工条件のパラメータとして説明したが、スポットの形状はこれに限らない。照射角度や集光部１３に用いる光学部品によっては、楕円や、長方形に近い形状を取り得る。重要なのはパルスエネルギーとスポットの面積によって決まるエネルギー密度であり、施工条件となるのはスポット径というよりもスポットの面積である。

【符号の説明】

【0079】

１０： レーザピーニング装置、１１： レーザ発振器、１２： 光伝送部、１３： 集光部、１４： 保持・移動部、１５： 制御部、１６： 入力部、１７： ＤＢ記憶部、１８： 算出部、１９： 駆動部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】