DE69431314T2

DE69431314T2 - Laser-Schock-Behandlungsverfahren unter Verwendung eines lichtabsorbierenden Filmmaterials

Info

Publication number: DE69431314T2
Application number: DE69431314T
Authority: DE
Inventors: Noboru Takayanagi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1994-12-06
Publication date: 2003-01-23
Anticipated expiration: 2014-12-07
Also published as: DE69431314D1; DE69426972T2; EP0964067B1; KR0165905B1; DE69426972D1; US5571575A; EP0964067A1; EP0666326A1; EP0666326B1

Description

TITEL DER ERFINDUNG

Laser-Schock-Behandlungsverfahren unter Verwendung einer lichtabsorbierenden Materialschicht mit geregelter Dicke

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laser-Schock- Behandlung, bei der ein absorbierendes Material zum Absorbieren eines Laserlichts zuerst auf der Oberfläche eines metallischen Werkstücks vorgesehen wird, und nachfolgend das absorbierende Material mit einem lichtdurchlässigen Element abgedeckt wird, und das Element und das Material danach mit Laserlicht-Impulsen bestrahlt werden, wodurch ein Schock infolge des Verdampfens des absorbierenden Materials durch das metallische Werkstück geleitet wird.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Früher wurde ein Verfahren zum Aufbringen eine Schocks auf ein metallisches Material und Erhöhen seiner Druckeigenspannung zu dem Zweck durchgeführt, die physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel die mechanische Festigkeit, zu erhöhen. Ein Beispiel eines derartigen Verfahrens ist das sogenannte Laser- Schock-Behandlungsverfahren, das einen großen Schock örtlich auf ein metallisches Material aufbringen kann und somit für verschiedene Verwendungen angewendet wird.
Ein Beispiel des herkömmlichen Laser-Schock-Behandlungsverfahrens ist in dem japanischen Patentveröffentlichungsamtsblatt (Kokai Koho) Nr. 58-120716/1983 (JP-A-58120716) offenbart, die der Patentanmeldungs-Seriennummer US-A-334612 und der EP-A-85273 entspricht. Fig. 23 zeigt ein Diagramm, das dieses herkömmliche Laser-Schock-Behandlungsverfahren darstellt. Wie in Fig. 23 gezeigt ist, sind die Oberseitenfläche 41a und die Unterseitenfläche 41b eines metallischen Target 41 mit absorbierenden Beschichtungsmaterialien ((nicht gezeigten) Beschichtungen oder Anstrichen) beschichtet. Ein erster Überzug (ein lichtdurchlässiges Element) 42 ist auf der beschichteten Oberseitenfläche 41a des Target 41 angebracht und ein zweiter Überzug (ein lichtdurchlässiges Element) 43 ist auf seiner beschichteten Unterseitenfläche 41b angebracht.
Ein von einem Laser 44 ausgesendeter Hochenergie-Laserlichtkurzimpuls 51 wird durch ein Spektroskop (einen halbdurchlässigen Spiegel) 45 in Laserlicht-Impulse 52 und 53 zerlegt. Der Laserlicht-Impuls 52 wird der Reihe nach durch einen ersten Spiegel 46 und einen zweiten Spiegel 47 in dieser Reihenfolge reflektiert. Dann wird der reflektierte Laserlicht-Impuls durch eine erste konvexe Linse 48 fokussiert und durch den ersten Überzug 42 durchgelassen. Die auf der Oberseitenfläche 41a des Target 41 ausgebildete Beschichtung wird mit dem durchgelassenen Laserlicht-Impuls bestrahlt. Andererseits wird der Laserlicht-Impuls 53 durch einen dritten Spiegel 49 reflektiert und dann durch eine zweite konvexe Linse 50 fokussiert. Nachfolgend wird der fokussierte Laserlicht-Impuls 53 durch den zweiten Überzug 43 durchgelassen. Danach wird die auf der Unterseitenfläche 41b des Target 41 ausgebildete Beschichtung mit dem durchgelassenen Laserlicht-Impuls 53 bestrahlt.
Wenn die Beschichtungen mit den Laserlicht-Impulsen 52 und 53 bestrahlt werden, wird Verdampfungs-Beschichtungsgas von den Oberflächen der Beschichtungen erzeugt und breitet sich unverzüglich weiter aus. Dann vergrößert sich der auf die Oberseitenfläche 41a und die Unterseitenfläche 41b des Target 4 ausgeübte Druck aufgrund des Vorhandenseins des ersten Überzugs 42 und des zweiten Überzugs 43 fast unverzüglich. Dies führt dazu, dass die Druck-Schockwelle auf die Oberseitenfläche 41a und die Unterseitenfläche 41b des Target 41 aufgebracht wird. Diese Schockwelle bewirkt eine Druckeigenspannung im Oberflächenabschnitt des Target 41. Überdies vergrößert sich die Dauerfestigkeit des Target 41 aufgrund dieser Druckeigenspannung.
Somit kann gemäß diesem herkömmlichen Verfahren eine Druckeigenspannung auf einen gewünschten Abschnitt des metallischen Target 41 übertragen werden. Daher ist dieses herkömmliche Verfahren geeignet, die Dauerfestigkeit eines gebogenen Abschnitts einer Kurbelwelle zu erhöhen, die örtlich beansprucht ist.
Diese Laser-Schock-Behandlungsmethode ist jedoch vergleichsweise neu. Somit wurde nur eine geringe Datenmenge gesammelt, die die tatsächlichen Ergebnisse dieser Behandlung betrifft. Außerdem haben verschiedene Experimente, die durch Anwendung dieser herkömmlichen Methode durchgeführt wurden, gezeigt, dass es viele Fälle gab, in denen die Dauerfestigkeit nicht ausreichend erhöht ist.
Somit wurden weiterhin ausgedehnte Studien dieser Laser-Schock- Behandlung durchgeführt. Infolgedessen wurde offenbar, dass, wenn die auf der Oberseitenfläche 41a und der Unterseitenfläche 41b des Target 41 ausgebildeten Beschichtungen keine gleichmäßige Dicke aufweisen, eine nicht-gleichmäßige Druckeigenspannung darin herbeigeführt wird, und dass, falls die Druckeigenspannung in einem Teil des Target 41 nicht ausreichend ist, dieser Teil des Target 41 keine ausreichende Dauerfestigkeit aufweist.
Insbesondere in dem Fall, in dem derselbe Abschnitt der Oberfläche des Target 41 mehrere Male mit Laserlicht-Impulsen bestrahlt wird, um eine möglichst tiefe Wirkung auf das Target 41 auszuüben, und in dem Fall, in dem eine große Fläche der Oberfläche des Target 41 durchgehend behandelt wird, indem teilweise überlappende Bestrahlungen mit Laserlicht-Impulsen durchgeführt werden, wird die Oberfläche des Target 41 vor jeder der Bestrahlungen mit der Beschichtung oder dem Anstrich wiederbeschichtet. Es wurde entdeckt, dass in derartigen Fällen nicht die gesamte auf die Oberfläche des Target 41 aufgebrachte Beschichtung bei einer Laserlicht-Bestrahlung verdampft wird, so dass es daher schwierig ist, die Dicke der Beschichtung auf eine derartige Weise zu regeln, dass sie vor jeder Bestrahlung mit dem Laserlicht-Impulses gleichmäßig ist, und dass die Beschichtung dazu neigt, eine nicht-gleichmäßige Dicke aufzuweisen.
Außerdem kann im Fall, dass das herkömmliche Verfahren angewendet wird, die Dicke eines aus dem absorbierenden Beschichtungsmaterial und den Überzügen 42 oder 43 bestehenden Films nicht konstant gehalten werden, nachdem die Oberfläche des Target mit den absorbierenden Beschichtungsmaterialien und den Überzügen 42 oder 43 beschichtet wurde. Infolgedessen ändert sich die Brennweite der Linsen mit jeder Bestrahlung mit dem Laserlicht- Impuls. Folglich kann keine Übertragung einer gleichmäßigen Eigenspannung auf das Target 41 realisiert werden.
Überdies ist in dem Fall, in dem die Oberfläche des Target mit der Beschichtung oder dem Anstrich beschichtet ist, der Schritt, die Beschichtung zu trocknen, notwendig. Es gab folglich einen Bedarf, den Trocknungsschritt wegzulassen. Insbesondere in dem Fall der wiederholten Laser-Schock-Behandlung erleichtert das Weglassen des Trocknungsschritts die Laser- Schock-Behandlung in hohem Maße.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Laser-Schock- Behandlungsverfahren vorzusehen, durch das eine geregelte Druckeigenspannung in einem metallischen Werkstück erzeugt werden kann und die Dauerfestigkeit des metallischen Werkstücks wesentlich erhöht werden kann, und überdies die Kompliziertheit des Laser-Schock-Behandlungsschritts verringert und außerdem der Laser-Schock-Behandlungsschritt auf wirksame Weise durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen besser ersichtlich, bei denen:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild zeigt, das den Aufbau eines erläuternden Beispiels der Laserschockbehandlung darstellt;
Fig. 2 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang zwischen der Dicke eines Film und der in der äußersten Oberfläche erzeugten Eigenspannung darstellt;
Fig. 3 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Bestrahlungsvorgängen und der Filmdicke darstellt;
Fig. 4 ein Diagramm zeigt, das die erforderlichen Niveaus eines Abnutzungswiderstands und die optimale Verteilung einer Eigenspannung zum Erhalten der erforderlichen Niveaus des Abnutzungswiderstands darstellt;
Fig. 5 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang zwischen dem Niveau eines Abnutzungswiderstands und der Filmdicke darstellt;
Fig. 6 ein schematisches Blockschaltbild zeigt, das den Aufbau eines erläuternden Beispiels der Laserschockbehandlung darstellt;
Fig. 7 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang zwischen der Laserleistungsdichte und der in der äußersten Oberfläche erzeugten Eigenspannung darstellt;
Fig. 8 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Bestrahlungsvorgängen und der Laserleistungsdichte darstellt;
Fig. 9 ein Diagramm zeigt, das den Zusammenhang zwischen der Bestrahlungsteilungsweite und der Dauerfestigkeit darstellt;
Fig. 10 ein Diagramm zeigt, das den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;
Fig. 11 ein Diagramm zeigt, das die Bedingungen für das Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;
Fig. 12 ein Diagramm zeigt, das die Kenndaten des Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;
Fig. 13 ein Diagramm zeigt, das den Aufbau eines dritten erläuternden Beispiels darstellt;
Fig. 14 ein Diagramm zeigt, das den Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;
Fig. 15 ein Diagramm zeigt, das die Kenndaten des dritten erläuternden Beispiels darstellt; und
Fig. 16 ein Diagramm zeigt, das eine Flammspritzbehandlung darstellt;
Fig. 16A eine vergrößerte Ansicht eines Vorderendabschnitts einer Flammspritzdüse zeigt;
Fig. 17 ein Diagramm zeigt, das eine Laser-Schock-Behandlung darstellt;
Fig. 18 ein Flussdiagramm zeigt, das die maschinelle Behandlung darstellt, die auf einem Zylinderblock durchzuführen ist;
Fig. 19 ein Diagramm zeigt, das die Verformungsmenge einer im Zylinderblock ausgebildeten Bohrung darstellt;
Fig. 20 ein Diagramm zeigt, das die Scheradhäsionsfestigkeit einer gespritzten Beschichtung darstellt;
Fig. 21 ein Diagramm zeigt, das den Bläschenanteil der gespritzten Beschichtung darstellt;
Fig. 22 ein Diagramm zeigt, das die in der gespritzten Beschichtung erzeugte Eigenspannung darstellt; und
Fig. 23 ein Diagramm zeigt, das den Aufbau einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 ein erläuterndes Beispiel der Laserschockbehandlung detailliert beschrieben. Fig. 1 zeigt den Aufbau dieses Beispiels schematisch. Fig. 2 stellt den Zusammenhang zwischen der Filmdicke und der im äußersten Oberflächenabschnitt dieses Beispiels erzeugten Eigenspannung dar. Fig. 3 stellt den Zusammenhang zwi[SEITE FEHLT] Films oder einer isolierenden Beschichtung verwendet wird, die auf ein magnetisches Metall gesetzt ist. Das FISHER SCOPE erfasst eine Änderung der Anzahl von magnetischen Kraftlinien, einer magnetischen Kraft, die vom Target ausgesendet wird, indem auf eine Messprobe auf dem Target gezielt wird, um magnetische Kraftlinien zu erzeugen. Dadurch kann das FISHER SCOPE den Abstand zwischen dem Meßfühler und einer magnetischen Substanz erfassen und die Dicke eines Films messen. Alternativ kann ein Dickenmessgerät einer anderen Bauart angewendet werden.
Übrigens dient ein Trockner 22 zum Blasen trockener Luft und wird verwendet, um das absorbierende Beschichtungsmaterial und die Überzüge zu trocknen. Die Beschleunigung der Trocknung des absorbierenden Beschichtungsmaterials und der Überzüge, kann ebenso wie die Beschleunigung der Ausbildung eines Films vorbestimmter Dicke erreicht werden, indem das absorbierende Beschichtungsmaterial und die Überzüge ausgebildet werden, während gleichzeitig trockene Luft vom Trockner 22 darauf geblasen wird.
Vier Arten von Materialien, das heißt die Aluminiumlegierung A5052 (gemäß dem japanischen Industriestandard), der Kohlenstoff-Baustahl S45C (gemäß dem japanischen Industriestandard) und zwei Arten von raffiniertem (das heißt vergütetem) Chromstahl (Scr430(gemäß dem japanischen Industriestandard)) werden als Material des Target 16 angewendet. Außerdem besteht das absorbierende Beschichtungsmaterial aus 80 Gew.-% Harz (das heißt einer Mischung aus Alkydharz und Zellulosenitrat), 11 Gew.-% Additiv (das heißt festem Paraffin) und 9 Gew.-% Farbstoff (das heißt einer Mischung aus Kohlenstoff und Bariumsulfat). Außerdem wird das absorbierende Beschichtungsmaterial bei einer Spritzluftdichte von 4 kgf/cm² von der Düse 20 zum Ausbilden des Films absorbierenden Beschichtungsmaterials gespritzt. Der Überzug ist aus einem Klarlack, Typ Nitrozelluloselack, gefertigt und von einer Düse 21 zum Ausbilden eines lichtabsorbierenden Materialfilms bei einem Spritz-Luftdruck von 4 kgf/cm² gespritzt. Die Details der Behandlungsbedingungen sind in TAFEL 1 gezeigt. TAFEL 1 Behandlungsbedingungen
Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Filmdicke und der im äußersten Oberflächenabschnitt des Target erzeugten Eigenspannung. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, wird in dem Fall, dass A5052 oder S45C als Material des Target angewendet wird, die Eigenspannung bei der Filmdicke von ungefähr 30 bis 60 um groß. Außerdem wird in den Fällen, in denen Scr430 als das Material des Target verwendet wird, die Druckeigenspannung bei der Filmdicke von ungefähr 50 bis 100 um groß. Dies zeigt somit, dass es eine optimale Filmdicke gibt, bei der die Druckeigenspannung maximiert ist, und dass sich mit der Erhöhung der Härte des Materials des Target 16 die optimale Filmdicke in Richtung zu einem dicken Film verschiebt (zur rechten Seite, wie in dieser Figur zu sehen ist), das heißt größer wird. Übrigens ist die Leistungsdichte des Bestrahlungslaserlichts 2,0 GW/cm².
Andererseits zeigt Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Laserlicht-Bestrahlungsvorgängen und der Filmdicke. Dies zeigt, dass die Änderung des Verhältnisses der Filmdicke zur Anzahl der Bestrahlungsvorgänge im Fall des Verfahrens dieses erläuternden Beispiels in der (-5% bis) 5%-Spanne ist, und dass im Gegensatz dazu im Fall nach dem Stand der Technik die Änderung in der (-40% bis) 40%-Spanne ist. Das heißt, wie aus Fig. 2 zu sehen ist, die 40%-Änderung der Filmdicke entspricht einer 20 kgf/mm²-Änderung in der Eigenspannung. Somit kann vermutet werden, dass die Änderung der Filmdicke eine große Wirkung auf eine Verringerung der Dauerfestigkeit des Target hat.
Daher wurde entdeckt, dass eine große und gleichmäßige Druckspannung durch Regeln oder Regulieren der optimalen Filmdicke auf das Target übertragen werden kann.
Übrigens kann abhängig von der Art des Target ein Bedarf bestehen, dass die im Target auftretenden Eigenspannungen in verschiedenen Bereichen davon unterschiedlich sein sollen. Außerdem besteht im Fall anderer Bestandteile ein Bedarf, dass einem Bereich von ihm, über den ein anderes Bestandteil gleitet, ein hoher Abnutzungswiderstand übertragen wird.
Im Fall dieses erläuternden Beispiels, wie es oben beschrieben ist, kann eine gewünschte Eigenspannung durch Regeln oder Regulieren der Dicke eines Films oder einer Beschichtung erhalten werden. Somit kann die optimale Regelung der Eigenspannung durch Regeln oder Regulieren der Filmdicke gemäß den erforderlichen Niveaus für zum Beispiel Abnutzungswiderstand erreicht werden, die von Bereichen eines zu behandelnden Target abhängen.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm zum Darstellen der erforderlichen Niveaus des Abnutzungswiderstands, die sich bezüglich der Bereiche eines Target verändern, und zum Darstellen eines Beispiels der optimalen Verteilung von Eigenspannungen, die im Oberflächenabschnitt des Target auftreten und zum Erhalten der erforderlichen Niveaus für Abnutzungswiderstand nötig sind. Wie in dieser Figur dargestellt ist, ist im Fall des Bereichs A, in dem das erforderliche Niveau für Abnutzungsspannung hoch ist, eine Eigenspannung von -95 kgf/mm² nötig. Außerdem ist im Fall eines Bereichs B, in dem das erforderliche Niveau für Abnutzungsspannung niedrig ist, eine Eigenspannung von -65 kgf/mm² nötig. Überdies ist im Fall des Bereichs C, in dem das erforderliche Niveau für Abnutzungsspannung mittel ist, eine Eigenspannung von -82 kgf/mm² nötig. Der in Fig. 5 dargestellte Zusammenhang zwischen dem Niveau des Abnutzungswiderstands und der Filmdicke wird erhalten, indem die Filmdicke für die im Oberflächenabschnitt des Target auftretende Eigenspannung auf der Basis des in Fig. 2 dargestellten Zusammenhangs ersetzt wird. Das heißt, im Fall eines Bereichs A, in dem das erforderliche Niveau für Abnutzungsspannung hoch ist, wird eine Filmdicke von 50 um benötigt. Außerdem wird im Fall eines Bereichs B, in dem das erforderliche Niveau für Abnutzungsspannung niedrig ist, eine Filmdicke von 15 um benötigt. Überdies wird im Fall eines Bereichs C, in dem das erforderliche Niveau für Abnutzungsspannung mittel ist, eine Filmdicke von 30 um benötigt. Somit kann die erforderliche Verteilung von Eigenspannungen erhalten werden, indem die Filmdicke so geregelt wird, dass einen Film der erforderlichen optimalen Dicke ausgebildet wird, und indem dann eine Laser-Schock-Behandlung durchgeführt wird.
Bei diesem erläuternden Beispiel kann die Dicke eines Films oder einer Beschichtung auf diese Weise geregelt werden. Daher kann die optimale Regelung der Filmdicke für, zum Beispiel die Gestaltung eines Target erhalten werden, um den optimalen Abnutzungswiderstand zu erhalten.
Als nächstes wird ein zweites erläuterndes Beispiel der Laserschockbehandlung unter Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 8 unten beschrieben. Fig. 6 zeigt den Aufbau dieses Beispiels schematisch. Fig. 7 zeigt das Verhältnis zwischen der Laserleistungsdichte und der im äußersten Oberflächenabschnitt eines metallischen Target erzeugten Eigenspannung. Fig. 8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Laserlicht- Bestrahlungsvorgängen und der Laserleistungsdichte.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, die den Aufbau einer Vorrichtung gemäß dem zweiten erläuternden Beispiel schematisch darstellt, haben ein Laseroszillator 81, Spiegel 82, 83 und 84, ein metallisches Target 86, ein absorbierendes Beschichtungsmaterial, Überzüge, ein Sensor 87a, ein Dickenmessgerät 87b, eine Beschichtungsspritz-Regeleinheit 88 und ein Computer 89 jeweils den selben Aufbau und die selben Wirkweisen wie die entsprechenden Elemente von Fig. 1.
Außerdem kann im Fall dieses erläuternden Beispiels die Brennweite einer Sammellinse 85 durch eine mit einem Motor 90b versehene automatische Brennweitenregeleinheit 90a geregelt werden. Das heißt, hier wird die gesamte Dicke des Films und des Überzugs durch das Dickenmessgerät 87b gemessen. Außerdem werden die die gesamte Dicke darstellenden Daten dem Computer 89 zugeführt. Dann berechnet der Computer 89 auf der Grundlage der Daten eine Position im Film, an die das Laserlicht fokussiert wird. Ferner regelt die automatische Brennweitenregeleinheit 90a den Drehbetrieb des Motors 90b, um die relative Position der Sammellinse 85 bezüglich des Target 86 zu reguliern. Somit wird die Brennweite geregelt. Folglich kann zu jeder Zeit die optimale Laser-Bestrahlungsleistung an den Film angelegt werden. Dadurch kann ein vorbestimmter Schock auf das Target aufgebracht werden. Übrigens kann die absolute Position, auf die das Laserlicht fokussiert wird, erfasst werden, indem die Position der Oberfläche des Überzugs, bei der die Filmdicke gemessen wird, aus der Position des Messfühlers des Dickenmessgeräts 87b wahrgenommen wird. Außerdem kann die Laser-Schock- Behandlung wegen der Tatsachen, dass die Filmdicke derart geregelt wird, dass sie konstant gehalten wird, und dass die Brennweite wie oben beschrieben geregelt wird, wirksam erreicht werden.
Fig. 7 stellt den Zusammenhang zwischen der Laserleistungsdichte und der im äußersten Oberflächenabschnitt des Target erzeugten Eigenspannung dar. Diese Figur zeigt, dass sich, wenn sich die Leistungsdichte in der Spanne von 2 bis 15 GW/cm² befindet, in dieser Spanne die dem Target übertragene Druckeigenspannung mit einer Erhöhung der Laserleistungsdichte erhöht, und dass, wenn die Laserleistungsdichte 15 GW/cm² überschreitet, sich im Gegensatz dazu die Druckeigenspannungen mit einer Erhöhung der Laserleistungsdichte verringern. Im Allgemeinen wird der Effekt, bei dem sich die Druckeigenspannung mit einer Erhöhung der Laserleistungsdichte verringert, als "Über-Stoßverformung" bezeichnet. Außerdem verschiebt sich, wenn dieser Effekt auftritt, die Position im Target, bei der die Druckeigenspannung einen Spitzenwert aufweist, von seinem äußersten Oberflächenabschnitt zu einer leicht innerhalb gelegenen Position. Somit tritt eine Verringerung in der Druckeigenspannung in seinem Eigendruckoberflächenabschnitt auf.
Fig. 8 stellt den Zusammenhang zwischen der Anzahl von Bestrahlungsvorgängen und der Laserleistungsdichte dar. In dem Fall eines Beispiels nach dem Stand der Technik wurde beobachtet, dass sich die Laserleistungsdichte um ungefähr 18% ihres gewünschten Werts (4,0 GW/cm²) vermindert. Im Gegensatz dazu ist die Verringerung der Laserleistungsdichte im Fall dieses erläuternden Beispiels nicht mehr als 2%. Das heißt, wie aus Fig. 7 zu sehen ist, die 18%-Verringerung der Laserleistungsdichte entspricht etwa einer 4 kgf/mm²-Verringerung der Eigenspannung. Somit wird vermutet, dass die Verringerung der Laserleistungsdichte eine wesentliche Wirkung auf die Verringerung der Dauerfestigkeit des Target hat. Daher wurde herausgefunden, dass dem Target die gewünschte Eigenspannung durch Regeln, das heißt Einschränken, von Änderungen der Laserleistungsdichte gleichmäßig übertragen werden kann.
Fig. 9 ist ein kennzeichnendes Diagramm zum Darstellen des Zusammenhangs zwischen der Laser-Bestrahlungsteilungsweite und der Dauerfestigkeit für einen Verbindungsstab, der ein Bestandteil eines Motors zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ist.
In einem Fall, in dem die Bestrahlungsteilungsweite P 0,87 d (Zeichen "d" bezeichnet übrigens den Laserpunktdurchmesser) überschreitet, zum Beispiel im Fall P = 1,0 d, verbleibt ein nicht mit Laserlicht bestrahlter Abschnitt, wie durch die dunkle Fläche in Fig. 9 gezeigt ist. Somit besteht ein geringer Unterschied zwischen der Dauerfestigkeit eines behandelten Target und der eines Target, das nicht mit Laserlicht bestrahlt wurde. Im Gegensatz dazu verbleibt in einem Fall, in dem die Bestrahlungs-Teilungsweite P nicht mehr als 0,87, zum Beispiel in dem Fall P = 0,2d, ist, kein nicht mit Laserlicht bestrahlter Abschnitt. Außerdem haben teilweise überlappende Bestrahlungen mit Laserlicht, die durchgehend auf der Oberfläche des Target durchgeführt sind, eine Wirkung auf einen tieferen Abschnitt im Target. Folglich kann eine beträchtliche Erhöhung der Dauerfestigkeit in der behandelten Oberfläche des Target gleichmäßig erreicht werden.
Daher wurde herausgefunden, dass die Dauerfestigkeit auf der behandelten Oberfläche des Target gleichmäßig erhöht werden kann, indem die Bestrahlungs-Teilungsweite gleich oder geringer als ungefähr das 0,85-fache des Laser-Punktdurchmessers (Größe) gesetzt wird.
Als nächstes wird hierunter unter Bezugnahme auf die Fig. 10 bis 12 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 10 stellt den Aufbau des Ausführungsbeispiels schematisch dar. Fig. 11 stellt die Dicke einer verwendeten Beschichtung oder eines verwendeten Films dar, der bei dem Ausführungsbeispiel verwendet wird. Fig. 12 stellt die Eigenspannung des Ausführungsbeispiels dar.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 bis 12 ist ein schwarzer Film 112 (mit einer Dicke von 40 um) auf die flache Oberseitenfläche lila des metallischen Werkstücks 111 gesetzt, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Der Film 112 ist übrigens aus einer Art eines filmartigen Laserlicht-absorbierenden Materials (der später beschrieben wird) gefertigt.
Das Werkstück 111 ist aus dem vergüteten Stahl Scr 430 gefertigt. Außerdem besteht der Film 112 aus 80 Gew.-% Harz (einer Mischung aus Alkydharz und Zellulosenitrat), 11 Gew.-% Additiv (festem Wachs) und 9 Gew.-% Farbstoff (einer Mischung aus Kohlenstoff und Bariumsulfat). Überdies ist die Breite des Films 112 ungefähr 25 mm. Ferner ist der Film 112 um eine erste Spule 115 gewickelt und auf eine derartige Weise angeordnet, dass er sukzessiv durch eine zweite Spule 116 aufgenommen werden kann. Bezugszeichen 115a bezeichnet übrigens die Drehrichtung der ersten Spule 115; 116a die Drehrichtung der zweiten Spule 116; und 117 die Richtung, in der der Film 112 zugeführt wird.
Außerdem dient eine durchsichtige Akrylplatte 113 als ein lichtdurchlässiges Element und ist auf der Oberseitenfläche 112a des Films 112 (insbesondere seines mit dem Werkstück 111 korrespondierenden Teils) angebracht, wie in Fig. 10 zu sehen ist. Die horizontalen Abmessungen der Akrylplatte 113 sind ungefähr 40 mm · 25 mm, wie in dieser Figur zu sehen ist. Bezugszeichen 118 bezeichnet die Richtung der auf die Akrylplatte 113 aufgebrachten Kraft (1 bis 3 kgf/cm²).
Der Laserlicht-Impuls 114 ist ein Nd:YAG-Laserlicht. Außerdem ist im Fall dieses Laserlicht-Impulses die Wellenlänge 1,0 um; die Impuls-Energie 1,4 J; die Impulsbreite 10 nsec; die Periodendauer 0,1 sec; der Punktdurchmesser (Größe) 3 mm; und die Leistungsdichte (d. h. die minimale zum Erzeugen einer Druck- Schockwelle benötigte Leistungsdichte) 2 GW/cm². Der Laserlicht-Impuls 114 wird durch die Acrylplatte 113 durchgelassen. Dann wird die Oberseitenfläche 112a des Films 112 mit dem Laserlicht-Impuls 114 bestrahlt.
Im oben beschriebenen Aufbau wird der Laserlicht-Impuls 114 durch den Film 112 absorbiert, wenn die Oberseitenfläche 112a des Films 112 (seines mit dem Werkstück 111 korrespondierenden Teils) durch die Acrylplatte 113 mit dem Laserlicht-Impuls 114 bestrahlt wird. Infolgedessen wird der Oberflächenabschnitt 112a des Films 112 verdampft. Dann breitet sich dieses Verdampfungsgas aus. Das Verdampfungsgas wird jedoch durch die Acrylplatte 113 beschränkt, sich nach oben auszubreiten, wie in Fig. 10 zu sehen ist. Somit wird die aufgrund eines abrupten Druckwechsels erzeugte Schockwelle auf die Oberseitenfläche lila des Werkstücks 111 aufgebracht.
Überdies wird durch diese Schockwelle eine Druckeigenspannung im Oberflächenabschnitt 111a des Werkstücks 111 erzeugt. Ferner werden in diesem Fall die Betriebe eines Aufbringens und eines Trocknens der Laserlicht-absorbierenden Beschichtung unnötig, wie sie nach dem Stand der Technik durchgeführt wird. Außerdem können eine große Anzahl von Bestrahlungen der Laserlicht- Impulse 114 auf denselben Abschnitt der Oberfläche des Werkstücks 111 ebenso wie die durchgehende Bestrahlung der Laserlicht-Impulse 114 auf eine große Fläche der Oberfläche des Werkstücks 111 aufgrund der Tatsache auf wirksame Weise erreicht werden, dass der Film 112 vorwärts zugeführt werden kann. Das heißt, in einem Zustand, in dem die Acrylplatte 113 nach oben bewegt und somit von der Oberfläche des Films 112 abgenommen ist, wird der Film 112 vorwärts zugeführt, und danach kann die Laser-Schock-Behandlung auf einem anderen Teil des Films 12 wieder durchgeführt werden.
In diesem Fall ist die Dicke des Films 112 (entsprechend der Dicke der Beschichtung) gleichmäßig, wie durch die Polygonlinie a in Fig. 11 gezeigt ist. Somit wird eine gleichmäßige Eigenspannung erzeugt, wie durch die Polygonlinie a in Fig. 12 gezeigt ist. Dadurch ist die Dauerfestigkeit des Werkstücks 111 gleichmäßig erhöht. Die örtliche Eigenspannung wird übrigens durch Röntgenstrahlen unter Verwendung eines Kollimators mit 0,15 mm Durchmesser und einer Chrom-Röhrenlampe gemessen. Außerdem zeigen in den Fig. 11 und 12 Polygonlinien b die Kenndaten eines Beispiels nach dem Stand der Technik. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, ändert sich im Fall des Beispiels nach dem Stand der Technik die Dicke einer Beschichtung mit den Abschnitten des Werkstücks. Das heißt, die Dicke der Beschichtung ist nicht gleichmäßig. Somit ist die auf das Werkstück übertragene Eigenspannung nicht gleichmäßig.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 13 ein drittes erläuterndes Beispiel der Laserschockbehandlung beschrieben. Im Aufbau von Fig. 13 ist ein metallisches Werkstück (ein Probestück) 121 chemisch poliert. Außerdem sind die Bedingungen für das chemische Polieren wie folgt
(1) Die Polierflüssigkeit ist eine gemischte Flüssigkeit aus 1 mol/l Fluorwasserstoff (HF) und 2 mol/l Wasserstoffperoxid (H&sub2;O&sub2;)
(2) Die Temperatur der Polierflüssigkeit ist 40ºC.
(3) Die Polierzeit ist 3 Minuten.
Überdies ist das Werkstück 121 in destilliertes Wasser 123 gesetzt, das in einem Wasserbehälter 122 aufbewahrt ist. Die Oberseitenfläche 121a des Werkstücks 121 ist mit einer filmartigen Laserlicht-absorbierenden Materialbeschichtung zum Absorbieren von (nicht gezeigten) Laserlicht-Impulsen beschichtet. Die Bestandteile dieser Beschichtung sind dieselben wie die Bestandteile des Films 112. Außerdem wird diese Beschichtung immer wieder übereinander direkt auf die Oberseitenfläche 121a des Werkstücks 121 aufgebracht und hat eine Dicke von 4,0 um. Der Wasserbehälter 122 ist übrigens auf einer Auflage 124 angebracht.
Ferner erzeugt ein YAG-Laser 125 einen Laserlicht-Impuls 125a. Außerdem ist im Fall dieses Laserlicht-Impulses die Wellenlänge 1,06 um; die Impuls-Energie 1,4 J; die Impulsbreite 10 nsec; und die Leistungsdichte 5 GW/cm². Der Laserlicht-Impuls 125a wird nacheinander durch einen ersten Spiegel 126, einen zweiten Spiegel 127 und einen dritten Spiegel 128 in dieser Reihenfolge reflektiert. Dann wird der reflektierte Laserlicht-Impuls durch eine konvexe Linse (eine Fokussierlinse) 129 fokussiert. Nachfolgend wird der fokussierte Laserlicht-Impuls durch das destillierte Wasser auf die auf der Oberseitenfläche 121a des Werkstücks 121 ausgebildete Beschichtung aufgebracht.
Bei diesem erläuternden Beispiel wird die Oberflächenrauhigkeit der Oberfläche (einschließlich der Oberseitenfläche 121a) des Werkstücks 121 durch chemisches Polieren verbessert. Eine Zwischenkorn-Oxidationsschicht durch Karburieren wird durch das chemische Polieren entfernt. Folglich können durch den Laserlicht-Impuls 125a verursachte Schocks auch gleichmäßig gemacht werden.
Als nächstes wird der Oberflächenabschnitt der auf der Oberseitenfläche 121a des Werkstücks 121 aufgebrachten Beschichtung durch den Schock in Folge des Laserlicht-Impulses 125a verdampft. Dann breitet sich dieses Verdampfungsgas aus. Außerdem führt das destillierte Wasser 123 Wirkweisen ähnlich denen der Acrylplatte 113 des Ausführungsbeispiels aus. Infolgedessen wird ähnlich dem Fall dieses Ausführungsbeispiels eine Druckeigenspannung im Werkstück 121 erzeugt. Folglich kann die Dauerfestigkeit des Werkstücks 121 wesentlich erhöht werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf Fig. 14 ein viertes erläuterndes Beispiel der Laserschockbehandlung beschrieben. Außerdem stellt die obere Hälfte von Fig. 14 eine Ansicht eines Verbindungsstabs 131 dar, der ein in einem Motor eines Kraftfahrzeugs zu verwendendes Element ist. Überdies stellt die untere Hälfte von Fig. 14 die Verteilung der Spannung in Abschnitten in der Horizontalrichtung des Verbindungsstabs dar, wenn der Motor arbeitet.
Wie in dieser Figur gezeigt ist, besteht der Verbindungsstab 131 aus einem großen Endabschnitt 132, einem Säulenabschnitt 133 und einem kleinen Endabschnitt 134. Ferner ist eine Kappe 136 durch Schrauben 137 und Muttern 138 am großen Endabschnitt 132 befestigt. Übrigens bezeichnet Bezugszeichen 135 ein durch den großen Endabschnitt 132 gebohrtes Ölloch.
Nachdem der Verbindungsstab 131 maschinell gefertigt und in eine vorbestimmte Form ausgebildet ist, werden die innere Oberfläche 132a des großen Endabschnitts 132 und die innere Oberfläche 134a des kleinen Endabschnitts 134 abgedeckt. Dann werden die nicht abgedeckten Abschnitte des Verbindungsstabs 131 chemisch poliert. Danach wird Laser-Schock-Behandlung unter bestimmten Bedingungen (die unten beschrieben sind) auf Oberflächenteilen durchgeführt, auf denen die Spannung dazu neigt konzentriert zu werden, d. h. auf einem Seitenflächenteil der Grenze zwischen dem großen Endabschnitt 132 und dem Säulenabschnitt 133, auf einem Oberflächenteil in der Nachbarschaft des durch den großen Endabschnitt 132 gebohrten Öllochs 135 und auf einem Seitenflächenteil der Grenze zwischen dem kleinen Endabschnitt 134 und dem Säulenabschnitt 133.
In dieser Behandlung verwendete Laserlicht-Impulse sind übrigens dieselben, wie diejenigen, die im dritten erläuternden Beispiel verwendet sind, und werden auf Teile aufgebracht, auf die die Spannung konzentriert ist.
Außerdem sind die Bestandteile der filmartigen Laserlichtabsorbierenden Materialbeschichtung (mit einer Dicke von 40 um) dieselben, wie diejenigen der Beschichtung des dritten erläuternden Beispiels. Diese filmartige Laserlicht-absorbierende Materialbeschichtung wird auf die Abschnitte des Verbindungsstabs 131 aufgebracht, auf denen die Laser-Schock-Behandlung durchgeführt wird. Ferner wird ähnlich dem Fall des dritten erläuternden Beispiels destilliertes Wasser als ein Überzug zum adiabatischen Befestigen am Stab verwendet.
Im Graph von Fig. 14 entspricht die horizontale Achse den horizontalen Positionen von verschiedenen Abschnitten des Verbindungsstabs 131, wie er in der oberen Hälfte dieser Figur dargestellt ist. Außerdem stellt die vertikale Achse die während des Motorbetriebs auf die Abschnitte des Verbindungsstabs 131 wirkende Spannung dar.
Fig. 15 stellt den Vergleich zwischen den Dauerfestigkeiten eines durch Durchführung der Verfahren nach dem Stand der Technik verarbeiteten Verbindungsstabs und seiner durch die Durchführung des Verfahrens des vierten erläuternden Beispiels erhaltenen Dauerfestigkeit dar. In dieser Figur stellen Vergleichsbeispiele 1 bis 3 Daten dar, die durch Durchführen der Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten werden. Genauer stellt Vergleichsbeispiel 1 Daten dar, die in einem Fall erhalten werden, in dem auf dem Stab nur maschinelle Bearbeitung durchgeführt wurde. Außerdem stellt Vergleichsbeispiel 2 Daten dar, die in einem Fall erhalten werden, in dem nach der maschinellen Bearbeitung chemisches Polieren darauf durchgeführt wurde. Überdies stellt Vergleichsbeispiel 3 Daten dar, die in einem Fall erhalten werden, in dem Strahlhämmern nach der maschinellen Bearbeitung darauf durchgeführt wurde. Ferner stellt das erläuternde Beispiel Daten dar, die in einem Fall erhalten werden, in dem nach der maschinellen Behandlung und des darauffolgenden chemischen Polierens außerdem eine Laser-Schock-Behandlung darauf durchgeführt wurde. Im Fall des erläuternden Beispiels ist die Oberflächenrauhigkeit gering und die Eigenspannung groß. Zusätzlich wird die Dauerfestigkeit durch ein Festigkeitstestgerät der mechanischen Resonanzbauart gemessen, das einen Festigkeitstest ausführt, indem es die Richtung, in der eine Spannung aufgebracht ist, 10&sup7; mal bei einer Frequenz von 30 Hz umdreht.
Außerdem zeigt die unten aufgelistete Tafel 2 die Oberflächenrauhigkeit und die Eigenspannung am äußersten Oberflächenabschnitt des Verbindungsstabs in jedem der Fälle. TAFEL 2
Wie aus dem Vergleich zwischen Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2 zu sehen ist, wird die Oberflächenrauhigkeit (genauer ihr an 10 Positionen gemessener Mittelwert) durch Durchführen des chemischen Polierens auf 3,5 umRz verringert. Ferner wird, wie aus dem Vergleich zwischen Vergleichsbeispiel 2 und dem erläuternden Beispiel zu sehen ist, ein derartiger Wert der Oberflächenrauhigkeit nach Vollendung der auf das chemische Polieren folgenden Laser-Schock-Behandlung aufrechterhalten. Überdies kann, wie aus dem Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel 3 und dem erläuternden Beispiel zu sehen ist, die Laser-Schock-Behandlung die Eigenspannung auf demselben Niveau (-36 kgf/mm² am äußersten Oberflächenabschnitt) übertragen, wie das der durch die Strahlhämmerbehandlung übertragenen. Ferner ist durch den Vergleich zwischen Vergleichsbeispiel 1 und Vergleichsbeispiel 3 offensichtlich, dass die Oberflächenrauhigkeit durch die Strahlhämmerbehandlung verschlechtert ist. Im Gegensatz dazu ist aus dem Vergleich zwischen Vergleichsbeispiel 2 und dem erläuternden Beispiel klar, dass die Oberflächenrauhigkeit durch die Laser-Schock-Behandlung nicht verschlechtert ist.
Die Oberflächenrauhigkeit und die Eigenspannung, die durch ein weiteres Durchführen der Strahlhämmerbehandlung auf dem Stab von Vergleichsbeispiel 2 erhalten werden, sind übrigens jeweils gleich denen, die durch ein weiteres Durchführen des Strahlhämmerns auf dem Stab von Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt werden.
Wie in Fig. 15 gezeigt ist, betragen die den Vergleichsbeispiele 1, 2 und 3 entsprechenden Dauerfestigkeiten jeweils 1,5 t, 2,4 t, und 2,5 t. Im Gegensatz dazu ist die im Fall des erläuternden Beispiels erhaltene Dauerfestigkeit 3,3 t. Somit weist dieses erläuternde Beispiel eine Dauerfestigkeit auf, die der weit überlegen ist, die durch das Verfahren nach dem Stand der Technik erhalten wird. Der Ermüdungstest offenbart, dass in Fällen der Vergleichsbeispiele 1 bis 3 ein Bruch bei Teilen auftritt, auf denen die Spannung konzentriert ist, d. h. an der Grenze zwischen dem kleinen Endabschnitt 134 und dem Säulenabschnitt 133 oder an der inneren Oberfläche des Öllochs 135, während andererseits im Fall des erläuternden Beispiels ein Bruch an der inneren Oberfläche 134a des kleinen Endabschnitts 134 auftritt. Dies beweist, dass eine ausreichende Verfestigung der beabsichtigten Teile auf dem Stab erreicht ist, die verstärkt werden sollen.
Im Fall des erläuternden Beispiels erhöht sich die Dauerfestigkeit verglichen mit Vergleichsbeispiel 1 um 1,8 t (d. h., es gibt eine 120%-Erhöhung in der Dauerfestigkeit). Dieser Wert (1,8 t) der Erhöhung der Dauerfestigkeit ist nahezu gleich einer Summe der Erhöhung der Dauerfestigkeit im Fall von Vergleichsbeispiel 2 (0,9 t (= 2,4 t - 1,5 t)), die mit einer Verringerung der Oberflächenrauhigkeit verbunden ist, und der Erhöhung der Dauerfestigkeit im Fall von Vergleichsbeispiel 3 (1,0 t (= 2,5 t - 1,5 t)), die von der Übertragung der Eigenspannung begleitet ist. Dies legt nahe, dass sowohl aus der Wirkung der Verbesserung der Oberflächenrauhigkeit als auch der Wirkung der Übertragung der Druckeigenspannung Nutzen gezogen werden kann.
Als nächstes wird hierunter ein erläuterndes Beispiel der Laserschockbehandlung beschrieben. Das fünfte erläuternde Beispiel nutzt die Laser-Schock-Behandlung, um den Abrasionswiderstand einer auf einem Grundmaterial ausgebildeten Flammspritzschicht zu verbessern.
Vorher wurde ein Verfahren durchgeführt, eine gespritzte Beschichtung auf einer Oberfläche eines metallischen Materials durch Flammspritzen auszubilden, um seine Oberfläche zu verbessern oder nachzuformieren. Außerdem offenbart das japanische Patentveröffentlichungsamtsblatt (Kokai Koho) Nr. 5-271900/1993, dass einer gespritzten Beschichtung durch Durchführen einer Strahlhämmerbehandlung auf der gespritzten Beschichtung eine Druckeigenspannung übertragen wird, und dadurch die Adhäsionsfestigkeit einer Klebebindung zwischen der gespritzten Beschichtung und einem Grundmetall erhöht wird, und im Gegensatz die Anzahl von Poren verringert wird. Dieses Verfahren hat jedoch einen Nachteil darin, dass die Oberfläche der gespritzten Beschichtung rauh wird, weil die Strahlhämmerbehandlung eine Blasbehandlung mit harten Teilchen (Keramikteilchen) auf der gespritzten Beschichtung darstellt, um die gespritzte Beschichtung mit Druck zu beaufschlagen.
Daher wird im Fall dieses erläuternden Beispiels die Laser- Schock-Behandlung statt des Strahlhämmerns angewendet. Hiernach wird dieses Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Eine gespritzte Beschichtung wird auf einen Zylinderblock aus Aluminiumlegierung ausgebildet, der in einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs verwendet wird. Dann wird die Laser-Schock- Behandlung auf der gespritzten Beschichtung durchgeführt. AC2C, A390 oder dergleichen können übrigens als die Aluminiumlegierung angewendet werden.
Fig. 16 zeigt ein Diagramm, das den Aufbau einer Einheit zum Durchführen von Flammspritzen auf einem Zylinderblock darstellt. Fig. 17 zeigt ein Diagramm, das den Aufbau einer Einheit zum Durchführen der Laser-Schock-Behandlung darstellt. Fig. 18 zeigt ein Flussdiagramm, das die gesamte maschinelle Bearbeitungsbehandlung darstellt.
Wie in Fig. 16 dargestellt ist, wird eine Flammspritzbehandlung durch Spritzen eines Pulvers von einer Spritzdüse 213 auf die innere Oberfläche 202 einer in einem Zylinderblock 201 ausgebildeten Bohrung durchgeführt. Wie in Fig. 16A gezeigt ist, hat die Spritzdüse 213 einen Aufbau, in dem eine nadelartige Wolframelektrode 16 im Mittelabschnitt eines metallischen Gehäuses 215 vorgesehen ist. Außerdem ist eine Gaseinströmöffnung 215a in einem Grund- oder Fußseitenabschnitt des Gehäuses 215 vorgesehen, und eine Pulvereinströmöffnung 215b ist in einem Oberendabschnitt von diesem vorgesehen. Überdies ist ein Düsenschnauze 215c am Oberende des Gehäuses vorgesehen.
Somit wird Gas von der Gaseinströmöffnung 215a durch eine derartige Spritzdüse 213 in das Gehäuse 215 eingeführt. Dann strömt das Gas mit einer hohen Geschwindigkeit im Gehäuse 215. Wenn Pulver von der Pulvereinströmöffnung 215b in das Gehäuse gespeist wird, wird das Pulver aufgrund der konischen Form des Innenraums des Gehäuses 215 in den Hochgeschwindigkeits- Gasstrom gesaugt. Andererseits wird eine vorbestimmte Hochfrequenzspannung zwischen der Wolframelektrode 216 und dem Gehäuse 215 angelegt. Somit wird im oberen Endabschnitt der Düse Plasma erzeugt. Außerdem wird der das Pulver enthaltende Gasstrom als ein Plasmastrahl 214 daraus eingespritzt.
Außerdem kann das Pulver auf einen gewünschten Abschnitt gespritzt werden, indem das Oberende der Spritzdüse 218 in eine gewünschte Richtung gedreht wird. Im Fall dieses Ausführungsbeispiels wird das Pulver auf die gesamte innere Oberfläche des Zylinderblocks 201 gespritzt, indem die Spritzdüse 213 rundum gedreht und vertikal bewegt wird.
Überdies besteht, wie in Fig. 17 gezeigt ist, die Einheit zum Durchführen der Laser-Schock-Behandlung aus einer Laserlichtquelle 221, einem Spiegel 222a zum Reflektieren des von dieser Laserlichtquelle ausgesendeten Laserlichts, eine Sammellinse (das heißt eine Konvexlinse) 223 und einen Spiegel 222b. Ferner wird ein vorbestimmter Abschnitt 203 der inneren Oberfläche des Zylinderblocks 1 mit Laserlicht bestrahlt, das von der Laserlichtquelle 221 durch den Spiegel 222a, die Konvexlinse 223 und den Spiegel 222b ausgesendet ist.
Andererseits wird eine schwarze Beschichtung auf den Abschnitt 203 der inneren Oberfläche 202 des Zylinderblocks 201 als eine absorbierende Beschichtung aufgebracht. Außerdem ist ein lichtdurchlässiger Überzug auf der schwarzen Beschichtung vorgesehen. Die schwarze Beschichtung wird verdampft, indem sie mit Laserlicht bestrahlt wird, und somit wird die Laser-Schock- Behandlung durchgeführt.
Als nächstes wird hierunter unter Bezugnahme auf Fig. 18 die maschinelle Bearbeitungsbehandlung beschrieben. Zuerst wird eine rohe Bohrung (das heißt die rohe maschinelle Bearbeitung einer Bohrung) auf einem rohen Werkstück durchgeführt, das im Groben wie der Zylinderblock geformt ist. Nachfolgend wird eine maschinelle Zwischenbearbeitung an einer im Werkstück ausgebildeten Bohrung durchgeführt. Das Werkstück wird dann gewaschen, und danach wird die Oberfläche des Werkstücks durch Durchführen einer Sandstrahlbehandlung gesäubert.
Somit wird eine Plasma-Flammspritzbehandlung auf der Oberfläche der Bohrung durchgeführt, wenn die innere Oberfläche der im Zylinderblock ausgebildeten Bohrung infolge der Sandstrahlbehandlung sauber geworden ist. Zum Beispiel wird ein gemischtes Pulver, das durch Mischen von Si-Pulver mit 15% Al (der Durchmesser jedes Teilchens entspricht maximal einer Maschenzahl von 1500 (mesh)) mit Kohlenstoff-Pulver mit 0,8% Fe, (der Durchmesser jedes Teilchens entspricht maximal einer Maschenzahl von 1500 (mesh)) in einem Verhältnis von eins zu eins hergestellt ist, als das in der Plasma-Flammspritzbehandlung verwendete Pulver angewendet. Außerdem ist die Dicke der gespritzten Beschichtung zum Beispiel 0,5 mm.
Ferner wird, um die Präzision des Zylinderblocks 201 aufrechtzuerhalten, die Behandlungstemperatur auf einen Wert gesetzt, der nicht höher als 150ºC ist. Außerdem wird der Durchmesser jedes beim Flammspritzen verwendeten Pulverteilchens auf einen Wert gesetzt, der nicht größer als 10 um ist, so dass die Geschwindigkeit der im Plasmastrahl 14 enthaltenen geschmolzenen Pulverteilchen erhöht wird. Dadurch wird die Adhäsion und der Schälwiderstand der auf den Zylinderblock 201 gespritzten Schicht oder Beschichtung sichergestellt.
Dann wird eine maschinelle Fertigbearbeitung auf der inneren Oberfläche der Bohrung durchgeführt. Danach wird die Laser- Schock-Behandlung auf der gespritzten Beschichtung durchgeführt, um eine Druckeigenspannung darauf zu übertragen und ihren Abrasionswiderstand zu verbessern. Die Laser-Schock- Behandlung wird ausgeführt, indem der Abschnitt 203 der inneren Oberfläche 202 der Bohrung, nachdem das absorbierende Beschichtungsmaterial und der Überzug darauf aufgebracht wurden, mit Laserimpulsen bestrahlt wird, was den Abrasionswiderstand erfordert.
Zu dieser Zeit erfolgt diese Laser-Schock-Behandlung zum Beispiel unter den folgenden Bedingungen.
Das heißt, Nd:YAG-Laserlicht wird verwendet, dessen Wellenlänge 1,06 um ist, dessen Impuls-Energie 1,4 J ist, und dessen Impulsbreite 10 nsec ist. Der Punktdurchmesser oder die Größe dieses Laserlichts wird durch Verwendung der Spiegel 22a und 22b und der Konvexlinse 23 auf eine derartige Weise reguliert, dass die Leistungsdichte 2 GW/cm² wird. Außerdem besteht die schwarze Beschichtung oder Farbe aus 80 Gew.-% Harz (das heißt einer Mischung aus Alkydharz und Zellulosenitrat), 11 Gew.-% Additiv (das heißt festem Paraffin) und 9 Gew.-% Farbstoff (das heißt einer Mischung aus Kohlenstoff und Bariumsulfat). Ferner wird die schwarze Beschichtung bei einem Spritz-Luftdruck von 4 kgf/cm² oder ähnlich gespritzt. Überdies ist die Dicke der gespritzten Beschichtung 50 um. Zusätzlich wird der aus Klarlack, Typ Mikrozelluloselack, gefertigte Überzug verwendet und bei einem Spritz-Luftdruck von 4 kgf/cm² gespritzt.
In diesem Fall wird vorzugsweise die Dicke der schwarzen Beschichtung genau geregelt, indem ein Rückkopplungsregelbetrieb mittels der Vorrichtung durchgeführt wird, wie sie in dem vorher beschriebenen ersten erläuternden Beispiel angewendet sind. Außerdem kann jedes der Verfahren der vorangegangenen erläuternden Beispiele sowie des Ausführungsbeispiels angewendet werden, um die Laser-Schock-Behandlung durchzuführen.
Bei Fertigstellung der auf diese Weise erfolgten Laser-Schock- Behandlung der inneren Oberfläche der Bohrung werden die Beschichtung und so weiter entfernt. Dann wird die innere Oberfläche der Bohrung fertiggestellt, indem ihre innere Oberfläche mit einer Honahle gehont wird. Fig. 19 zeigt den Betrag der Verformung der im Zylinderblock ausgebildeten Bohrung. Hier ist die Differenz zwischen dem Maximalwert und dem Minimalwert des Durchmessers der Bohrung im Umfang, das heißt in seinem Querschnitt, als der Betrag der Verformung der Bohrung festgelegt. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, kann der Betrag der Verformung der Bohrung 0,05 mm betragen. Im Fall des Vergleichsbeispiels von Fig. 19 wird die Adhäsion der gespritzten Beschichtung übrigens durch Erhöhen der Behandlungstemperatur bis auf 200ºC verbessert. Wenn die Behandlungstemperatur auf 200ºC erhöht ist, wie in dieser Figur gezeigt ist, erhöht sich der Betrag der Verformung der Bohrung. Daher beweist dies, dass der Betrag der Verformung der Bohrung verringert werden kann, indem die Behandlungstemperatur auf einen Wert gesetzt wird, der nicht höher als 150ºC beträgt.
Fig. 20 stellt die Scheradhäsionsfestigkeit der gespritzten Beschichtung dar. Außerdem stellt Fig. 21 den Bläschenabteil der gespritzten Beschichtung dar. Der Durchmesser jedes beim Flammspritzen verwendeten Pulverteilchens wird auf einen Wert gesetzt, der nicht größer als 10 um ist, so dass die gespritzte Beschichtung dicht oder kompakt wird. Dadurch kann die Scheradhäsionsfestigkeit einen großen Wert von 8 kgf/mm² und der Bläschenanteil einen kleinen Wert von ungefähr 5% haben. Im Fall eines Vergleichsbeispiels wird Pulver mit einem relativ großen Teilchendurchmesser (oder Korngröße) verwendet. In diesem Fall kann die Scheradhäsionsfestigkeit einen kleinen Wert von 3 kgf/mm² oder ähnlich und der Bläschenanteil einen großen Wert von ungefähr 5% haben.
Überdies wird bei dem fünften erläuternden Beispiel ein Pulver mit einer Teilchengröße oder einem Teilchendurchmesser von 10 um in einem Frühstadium verwendet, wenn die gespritzte Beschichtung ausgebildet wird. Danach wird Pulver mit einer Teilchengröße von 3 bis 5 um verwendet. Somit wird das Pulver mit einer großen Teilchengröße mit dem Pulver mit einer kleinen Teilchengröße kombiniert. Folglich kann die Adhäsionsfestigkeit einer Klebeverbindung zwischen der gespritzten Beschichtung und dem Grundmetall weiter erhöht werden.
Fig. 22 stellt die in der gespritzten Beschichtung auftretende Eigenspannung dar. Wie aus dieser Figur zu sehen ist, kann eine große Druckeigenspannung von - 17 kgf/mm² auf die gespritzte Beschichtung übertragen werden. Im Allgemeinen wird der Abrasionswiderstand umso höher, je größer die Eigenspannung ist. Somit kann ein hoher Abrasionswiderstand erhalten werden. Überdies wird eine Schockwelle durch Verdampfen der Beschichtung erhalten, wenn die Laser-Schock-Behandlung durchgeführt wird. Daher übt die Laser-Schock-Behandlung keinerlei ungünstigen Einfluss auf die Oberflächenrauhigkeit aus. Folglich kann der Abrasionswiderstand beträchtlich verbessert werden, wobei die hochpräzise Oberflächenrauhigkeit aufrechterhalten wird.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung oben beschrieben wurde, sollte es so verstanden werden, dass die Erfindung nicht darauf begrenzt ist, und dass Fachleuten andere Abwandlungen offensichtlich sind, ohne vom Schutzumfang der Ansprüche abzuweichen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sollte deshalb nur durch die beigefügten Ansprüche festgelegt sein.

Claims

1. Laserschockbehandlungsverfahren zum Verdampfen eines lichtabsorbierenden Materials (112) durch Bestrahlen mit einem Laserlicht und zum Aufbringen eines Schocks auf ein metallisches Werkstück (111) durch Anwendung einer Druckerhöhung aufgrund der Verdampfung des lichtabsorbierenden Materials mit den folgenden Schritten:

Montage eines lichtabsorbierenden Films (112), der auf eine derartige Weise ausgebildet ist, dass er eine vorgegebene Dicke hat und aus einem lichtabsorbierenden Material hergestellt ist zum Absorbieren von Laserlicht, auf eine Oberfläche des metallischen Werkstücks (111);

Montage eines lichtdurchlässigen Elements (113) auf dem lichtabsorbierenden Film (112); und

Bestrahlen des lichtabsorbierenden Films mit einem Laserlichtimpuls über das lichtdurchlässige Element (113),

dadurch gekennzeichnet, dass

der lichtabsorbierende Film(112) derartig auf eine Spule (115) aufgewickelt ist, dass er sich davon abwickelt zum Zuführen des lichtabsorbierenden Films (112) vorwärts, und wobei die Laserschockbehandlung danach durchgeführt wird an einem anderen Teil des lichtabsorbierenden Films (112).

2. Laserschockbehandlungsverfahren nach Anspruch 1, wobei das lichtdurchlässige Element (113) aus einem plattenartigen transparenten Material hergestellt ist.

3. Laserschockbehandlungsverfahren nach Anspruch 2, wobei das lichtdurchlässige Element eine Acrylplatte (113) ist.

4. Laserschockbehandlungsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, das des weiteren den Schritt des Bestrahlens eines Teils der Oberfläche des metallischen Werkstücks (111) aufweist mit einem Laserlicht mehrere Male durch wiederholtes Durchführen einer Behandlung mit den folgenden Unterschritten:

Zuführen des lichtabsorbierenden Films (112) bei einem Zustand, wobei das lichtdurchlässige Element (113) von dem lichtabsorbierenden Film (112) gelöst ist;

Auflegen des lichtdurchlässigen Elements (113) auf einen neuen Teil des lichtabsorbierenden Films (112); und

Bestrahlen des neuen Teils des lichtabsorbierenden Films (112) mit dem Laserlicht.