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JP6874781B2 - Laser peening device - Google Patents

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JP6874781B2 JP2019035203A JP2019035203A JP6874781B2 JP 6874781 B2 JP6874781 B2 JP 6874781B2 JP 2019035203 A JP2019035203 A JP 2019035203A JP 2019035203 A JP2019035203 A JP 2019035203A JP 6874781 B2 JP6874781 B2 JP 6874781B2
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Description

本発明は、鋼構造物及び金属製機械部品などの表面の残留引張応力を、軽減するまたは圧縮応力に変換するレーザーピーニング装置に関し、特に、鋼橋の補修現場などの現地でのレーザーピーニング施工に最適なレーザーピーニング装置に関する。 The present invention relates to a laser peening device that reduces residual tensile stress on the surface of steel structures and metal machine parts or converts it into compressive stress, and is particularly suitable for on-site laser peening construction such as a steel bridge repair site. Regarding the optimum laser peening device.

鋼構造物や金属製機械部品では、繰り返し加わる応力または繰り返し加わる熱に起因して金属疲労が発生することから、金属疲労による破損事故が懸念されてきた。近年、鋼構造物や金属製機械部品の長期化使用が試みられ、より一層金属疲労による破損事故が懸念されている。特に、鋼構造物の溶接部近傍は、溶接入熱によって引張応力が残留し、潜在的な割れ発生の危険性を有している。 In steel structures and metal machine parts, metal fatigue occurs due to repeatedly applied stress or repeatedly applied heat, and therefore there has been concern about damage accidents due to metal fatigue. In recent years, attempts have been made to use steel structures and metal machine parts for a long period of time, and there are concerns about damage accidents due to metal fatigue. In particular, in the vicinity of the welded portion of the steel structure, tensile stress remains due to welding heat input, and there is a risk of potential cracking.

このような状況のなか、金属材料の予防保全対策として、種々の金属材料表面の改良技術の開発が行われている。その一環として、金属材料表面の残留応力を引張応力から圧縮応力に積極的に変えることによって破損事故を未然に防止する対策が検討され、例えば、ショットピーニング、ハンマーピーニング、レーザーピーニングなどの方法が開発されている。そのなかで、特に、レーザーピーニング技術は、高強度の鋼材への効果も優れているため、近年注目の技術である。 Under such circumstances, various techniques for improving the surface of metal materials are being developed as preventive maintenance measures for metal materials. As part of this, measures to prevent breakage accidents by actively changing the residual stress on the surface of metal materials from tensile stress to compressive stress are being studied, and methods such as shot peening, hammer peening, and laser peening have been developed. Has been done. Among them, the laser peening technology has been attracting attention in recent years because it has an excellent effect on high-strength steel materials.

レーザーピーニング技術は、例えば特許文献1に記載されるように、液体で覆われている金属材料の表面にパルスレーザー光を照射し、パルスレーザー光を金属材料表面に照射した際に発生する高圧プラズマで金属材料の表面を叩き、その際に発生する強力な衝撃波が金属材料の内部に伝播して塑性変形を引き起こし、金属材料の引張残留応力を低減または圧縮応力に変換するという技術である。これは、プラズマの周囲が液体で覆われているので、プラズマの膨張が妨げられ、生成したプラズマの内部圧力が数GPa程度に達し、このプラズマが金属材料の表面を叩き、その際に強力な衝撃波が誘起されるという現象を利用した技術である。 As described in Patent Document 1, for example, the laser peening technique irradiates a surface of a metal material covered with a liquid with pulsed laser light, and irradiates the surface of the metal material with pulsed laser light to generate high-pressure plasma. It is a technique in which the surface of a metal material is hit with a laser, and the strong shock wave generated at that time propagates inside the metal material to cause plastic deformation, and the tensile residual stress of the metal material is reduced or converted into compressive stress. This is because the circumference of the plasma is covered with liquid, so the expansion of the plasma is hindered, the internal pressure of the generated plasma reaches about several GPa, and this plasma hits the surface of the metal material, and at that time, it is powerful. This is a technology that utilizes the phenomenon that shock waves are induced.

特開2008−49367号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-49637

レーザーピーニング技術により、鋼構造物や金属製機械部品に効率的に圧縮残留応力を与えることが可能となり、鋼構造物や金属製機械部品の長寿命化が実現されている。 Laser peening technology makes it possible to efficiently apply compressive residual stress to steel structures and metal machine parts, and extends the life of steel structures and metal machine parts.

ところで、レーザーピーニング装置のレーザー光の照射範囲は1mm未満の非常に小さい領域であり、鋼構造物や金属製機械部品の疲労強度を改善するためには、最低でも50mm×20mm程度の範囲の照射が必要であり、レーザー光の照射位置を精度良く決定して、素早く且つ正確にレーザー光を移動する必要がある。 By the way, the irradiation range of the laser beam of the laser peening device is a very small area of less than 1 mm 2 , and in order to improve the fatigue strength of steel structures and metal machine parts, the range is at least about 50 mm × 20 mm. Irradiation is necessary, and it is necessary to accurately determine the irradiation position of the laser beam and move the laser beam quickly and accurately.

また、疲労強度改善が必要とされる鋼構造物は鋼橋などであり、鋼橋の補修現場などの現地で鋼構造物の複数の所定位置に素早く且つ正確にレーザー光を照射する必要がある。更に、現地の状況や対象とする鋼材の形状が様々であるので、レーザー光の照射位置を正確に制御することがより一層不可欠となる。 In addition, steel structures that require improved fatigue strength are steel bridges, etc., and it is necessary to quickly and accurately irradiate a plurality of predetermined positions of the steel structure with laser light at a site such as a steel bridge repair site. .. Furthermore, since the local conditions and the shape of the target steel material vary, it is even more indispensable to accurately control the irradiation position of the laser beam.

この観点から特許文献1を検証すれば、特許文献1は、レーザーピーニング装置を様々な場所に搬送し、様々な鋼構造物にレーザーピーニングを行うことは考慮していない。つまり、特許文献1に開示されるレーザーピーニング装置では、鋼橋の補修現場などの現地で鋼構造物の複数の所定位置に素早く且つ正確にレーザー光を照射することは不可能といえる。 When Patent Document 1 is verified from this viewpoint, Patent Document 1 does not consider transporting the laser peening device to various places and performing laser peening on various steel structures. That is, it can be said that it is impossible for the laser peening device disclosed in Patent Document 1 to quickly and accurately irradiate a plurality of predetermined positions of a steel structure at a site such as a repair site of a steel bridge.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、様々な場所へ搬送して設置することが容易であり、且つ、レーザー光を鋼構造物の複数の所定位置へ精度良く且つ迅速に照射することのできるレーザーピーニング装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is that it can be easily transported to various places and installed, and the laser beam can be accurately delivered to a plurality of predetermined positions of a steel structure. It is to provide a laser peening apparatus capable of irradiating well and quickly.

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
[1]レーザー発信器と、該レーザー発信器から出射されたパルスレーザー光を被照射金属材料の表面に照射するレーザー照射ヘッドと、前記レーザー発信器と前記レーザー照射ヘッドとを繋ぐレーザー送信ケーブルと、前記被照射金属材料の表面を液体に濡れた雰囲気に保つための液体を噴射する液体噴射ノズルと、該液体噴射ノズルに液体を供給する液体供給ユニットと、前記液体噴射ノズルと前記液体供給ユニットとを繋ぐ、液体を供給するための管と、前記パルスレーザー光の被照射金属材料での照射位置を計測する位置計測装置と、前記レーザー照射ヘッドを取り付ける多関節ロボットアームと、前記位置計測装置から送信される、前記パルスレーザー光の被照射金属材料での照射位置の情報を入力し、入力した照射位置の情報に基づいて前記多関節ロボットアームの動作を制御する動作制御装置と、を有するレーザーピーニング装置であって、前記動作制御装置は、予め該動作制御装置に設定されたレーザーピーニングの全領域を、前記パルスレーザー光が照射するように、前記多関節ロボットアームの動作を制御するように構成されていることを特徴とするレーザーピーニング装置。
[2]前記液体噴射ノズル及び前記位置計測装置は、前記多関節ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする、上記[1]に記載のレーザーピーニング装置。
[3]前記多関節ロボットアームは、その基部に、クランプ、磁気、吸盤、接着剤のうちのいずれか1種またはこれらの組み合わせからなる固定構造部を有し、該固定構造部によってレーザーピーニングの対象となる鋼構造物に固定されるように構成されていることを特徴とする、上記[1]または上記[2]に記載のレーザーピーニング装置。
[4]前記動作制御装置は、レーザーピーニングの領域の平面形状を矩形または楕円形として、レーザーピーニングの領域を決めるための位置情報を設定する機能を有していることを特徴とする、上記[1]から上記[3]のいずれかに記載のレーザーピーニング装置。
[5]更に、前記液体噴射ノズルから前記被照射金属材料の表面に噴射された液体を前記液体供給ユニットに回収する液体回収系統を有し、前記被照射金属材料の表面を液体に濡れた雰囲気に保つための液体を循環使用するように構成されていることを特徴とする、上記[1]から上記[4]のいずれかに記載のレーザーピーニング装置。
[6]前記液体噴射ノズルの噴出口は、被照射金属材料表面でのレーザー照射位置(レーザー光の焦点)から1cm以上離れた位置に設置され、且つ、液体噴射ノズルから噴射される液体がレーザー照射位置に掛かるように、液体噴射ノズルの噴出口の角度、位置、及び、液体噴射ノズルの噴出口から噴出する液体の液圧は、調整可能なように構成されていることを特徴とする、上記[1]から上記[5]のいずれかに記載のレーザーピーニング装置。
[7]前記液体噴射ノズルから噴射される液体は、0.2MPa以下の液圧で噴射されることを特徴とする、上記[1]から上記[6]のいずれかに記載のレーザーピーニング装置。
The gist of the present invention for solving the above problems is as follows.
[1] A laser transmitter, a laser irradiation head that irradiates the surface of a metal material to be irradiated with pulsed laser light emitted from the laser transmitter, and a laser transmission cable that connects the laser transmitter and the laser irradiation head. A liquid injection nozzle for injecting a liquid for keeping the surface of the metal material to be irradiated in an atmosphere wet with the liquid, a liquid supply unit for supplying the liquid to the liquid injection nozzle, the liquid injection nozzle and the liquid supply unit. A tube for supplying liquid, a position measuring device for measuring the irradiation position of the pulsed laser beam on the irradiated metal material, an articulated robot arm to which the laser irradiation head is attached, and the position measuring device. It has an operation control device that inputs information on the irradiation position of the pulsed laser beam on the irradiated metal material and controls the operation of the articulated robot arm based on the input information on the irradiation position. A laser peening device, the motion control device controls the motion of the articulated robot arm so that the pulsed laser beam irradiates the entire region of the laser peening set in advance in the motion control device. A laser peening device characterized by being configured in.
[2] The laser peening device according to the above [1], wherein the liquid injection nozzle and the position measuring device are attached to the articulated robot arm.
[3] The articulated robot arm has a fixed structure portion made of any one of a clamp, a magnetic, a suction cup, and an adhesive or a combination thereof at a base thereof, and laser peening is performed by the fixed structure portion. The laser peening device according to the above [1] or the above [2], which is configured to be fixed to a target steel structure.
[4] The motion control device is characterized in that it has a function of setting position information for determining a laser peening region by setting the planar shape of the laser peening region to a rectangle or an ellipse. The laser peening device according to any one of 1] to [3] above.
[5] Further, it has a liquid recovery system that collects the liquid ejected from the liquid injection nozzle onto the surface of the metal material to be irradiated to the liquid supply unit, and has an atmosphere in which the surface of the metal material to be irradiated is wet with the liquid. The laser peening apparatus according to any one of the above [1] to the above [4], which is configured to circulate and use the liquid for keeping the liquid.
[6] The ejection port of the liquid injection nozzle is installed at a position 1 cm or more away from the laser irradiation position (focus of the laser beam) on the surface of the metal material to be irradiated, and the liquid ejected from the liquid injection nozzle is a laser. The angle and position of the ejection port of the liquid injection nozzle and the hydraulic pressure of the liquid ejected from the ejection port of the liquid injection nozzle are configured to be adjustable so as to hang on the irradiation position. The laser peening device according to any one of the above [1] to [5].
[7] The laser peening apparatus according to any one of the above [1] to [6], wherein the liquid ejected from the liquid injection nozzle is ejected at a hydraulic pressure of 0.2 MPa or less.

本発明によれば、鋼橋の補修現場などのレーザーピーニングの対象とする鋼構造物に、レーザーピーニング装置を搬送して設置し、容易にレーザーピーニングを行うことが可能であり、鋼構造物の疲労強度改善効果が期待できる。また、レーザーピーニングは対象の材質を問わないので、近年増えつつある高強度鋼材に対しても、また、従来のハンマーピーニングなどの施工が困難であった対象物も施工が可能となる。また更に、初期調整を設定すれば半自動で施工を行うことができ、施工者によるばらつきが無く、安定した施工品質が確保できる。 According to the present invention, it is possible to transport and install a laser peening device on a steel structure to be laser peened, such as a repair site of a steel bridge, and easily perform laser peening. Fatigue strength improvement effect can be expected. In addition, since laser peening can be applied to any material, it can be applied to high-strength steel materials, which have been increasing in recent years, and to objects such as conventional hammer peening, which have been difficult to apply. Furthermore, if the initial adjustment is set, the construction can be performed semi-automatically, there is no variation depending on the builder, and stable construction quality can be ensured.

本発明に係るレーザーピーニング装置の1例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the laser peening apparatus which concerns on this invention. 鋼橋の溶接継手端部のレーザーピーニング位置を示す概略図であり、図2(A)はレーザーピーニングの領域と対向する方向から見た平面図、図2(B)は図2(A)の側面図である。It is a schematic view which shows the laser peening position of the welded joint end part of a steel bridge, FIG. 2A is a plan view seen from the direction facing the area of laser peening, and FIG. 2B is FIG. 2A. It is a side view.

以下、添付図面を参照して本発明に係るレーザーピーニング装置を具体的に説明する。図1は、本発明に係るレーザーピーニング装置の1例を示す概略図である。 Hereinafter, the laser peening apparatus according to the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic view showing an example of a laser peening device according to the present invention.

本発明に係るレーザーピーニング装置1は、多関節ロボットアーム2と、多関節ロボットアーム2の先端部に取り付けられたレーザー照射ヘッド3、液体噴射ノズル4及び位置計測装置5と、多関節ロボットアーム2とは別の位置に設置されたレーザー発信器6、液体供給ユニット7及び動作制御装置8と、を有している。レーザー照射ヘッド3、液体噴射ノズル4及び位置計測装置5は、レーザー照射ヘッド3の照射方向、液体噴射ノズル4の噴射方向及び位置計測装置5の計測方向が或る空間の1点位置でそれぞれが重なるように配置されており、この3つの重なった位置がレーザーピーニングの施工位置となる。多関節ロボットアーム2の1つ以上の関節を電動作動させることで、レーザーピーニングの施工位置が上下左右に移動する。使用する多関節ロボットアーム2は質量が10kg程度の小型の装置で十分である。 The laser peening device 1 according to the present invention includes an articulated robot arm 2, a laser irradiation head 3 attached to the tip of the articulated robot arm 2, a liquid injection nozzle 4, a position measuring device 5, and an articulated robot arm 2. It has a laser transmitter 6, a liquid supply unit 7, and an operation control device 8 installed at different positions from the above. The laser irradiation head 3, the liquid injection nozzle 4, and the position measuring device 5 each have an irradiation direction of the laser irradiation head 3, an injection direction of the liquid injection nozzle 4, and a measurement direction of the position measurement device 5 at one point in a certain space. They are arranged so as to overlap each other, and these three overlapping positions are the laser peening construction positions. By electrically operating one or more joints of the articulated robot arm 2, the laser peening construction position moves up, down, left and right. As the articulated robot arm 2 to be used, a small device having a mass of about 10 kg is sufficient.

図1のレーザーピーニング装置1では、レーザー照射ヘッド3、液体噴射ノズル4及び位置計測装置5が多関節ロボットアーム2の先端部に取り付けられているが、液体噴射ノズル4及び位置計測装置5は多関節ロボットアーム2とは別の位置に設置してもよい。但し、この場合も、レーザー照射ヘッド3の照射方向、液体噴射ノズル4の噴射方向及び位置計測装置5の計測方向が或る空間の1点位置でそれぞれが重なるように、液体噴射ノズル4及び位置計測装置5を配置する必要がある。 In the laser peening device 1 of FIG. 1, the laser irradiation head 3, the liquid injection nozzle 4, and the position measuring device 5 are attached to the tip of the articulated robot arm 2, but the liquid injection nozzle 4 and the position measuring device 5 are many. It may be installed at a position different from that of the joint robot arm 2. However, also in this case, the liquid injection nozzle 4 and the position so that the irradiation direction of the laser irradiation head 3, the injection direction of the liquid injection nozzle 4, and the measurement direction of the position measuring device 5 overlap at one point in a certain space. It is necessary to arrange the measuring device 5.

液体噴射ノズル4を、多関節ロボットアーム2の先端部に設置する場合も、また、多関節ロボットアーム2とは別の位置に設置する場合も、レーザー照射ヘッド3から照射されるレーザー光と液体噴射ノズル4から噴射される液体とが被照射金属材料へ衝突する前に合流しないようにするために、液体噴射ノズル4の噴出口4aが被照射金属材料表面でのレーザー照射位置(レーザー光の焦点)から1cm以上離れた位置になるように、液体噴射ノズル4を設置することが好ましい。また更に、液体噴射ノズル4から噴射される液体がレーザー照射位置に掛かるように、噴出口4aの角度、位置、及び、噴出口4aから噴出する液体の液圧を調整可能な構成とすることが好ましい。 When the liquid injection nozzle 4 is installed at the tip of the articulated robot arm 2 or at a position different from that of the articulated robot arm 2, the laser light and liquid emitted from the laser irradiation head 3 In order to prevent the liquid ejected from the injection nozzle 4 from merging before colliding with the irradiated metal material, the ejection port 4a of the liquid injection nozzle 4 is located at the laser irradiation position (laser light) on the surface of the irradiated metal material. It is preferable to install the liquid injection nozzle 4 so as to be at a position separated from the focal point) by 1 cm or more. Further, the angle and position of the ejection port 4a and the hydraulic pressure of the liquid ejected from the ejection port 4a can be adjusted so that the liquid ejected from the liquid injection nozzle 4 is applied to the laser irradiation position. preferable.

また、液体噴射ノズル4から噴射される液体の液圧は、レーザー照査位置に液体が届き、気泡の発生が抑えられ、跳ね返りが少なくなるように、0.2MPa以下程度とすることが好ましい。使用する液体としては、透明度が高く、つまり、実質的に透明であり、不可燃性で且つ被照射金属材料への化学的な作用が少ない物質であること,具体的には水などが好ましい。 Further, the hydraulic pressure of the liquid ejected from the liquid injection nozzle 4 is preferably about 0.2 MPa or less so that the liquid reaches the laser verification position, the generation of bubbles is suppressed, and the rebound is reduced. The liquid to be used is preferably a substance having high transparency, that is, substantially transparent, nonflammable, and having little chemical action on the irradiated metal material, specifically water or the like.

図1のように、レーザー照射ヘッド3、液体噴射ノズル4及び位置計測装置5を多関節ロボットアーム2の先端部に取り付けることで、レーザーピーニング装置1の構成を簡素化することができるので、液体噴射ノズル4及び位置計測装置5を多関節ロボットアーム2の先端部に取り付けることが好ましい。 As shown in FIG. 1, by attaching the laser irradiation head 3, the liquid injection nozzle 4, and the position measuring device 5 to the tip of the articulated robot arm 2, the configuration of the laser peening device 1 can be simplified. It is preferable to attach the injection nozzle 4 and the position measuring device 5 to the tip of the articulated robot arm 2.

レーザー照射ヘッド3は、光ファイバーケーブルなどからなるレーザー送信ケーブル9を介してレーザー発信器6と繋がっており、レーザー発信器6から出射されたパルスレーザー光が、レーザー送信ケーブル9を介してレーザー照射ヘッド3に送られ、レーザー照射ヘッド3の先端から被照射金属材料に向けて照射されるように構成されている。液体噴射ノズル4は液体供給用の管10を介して液体供給ユニット7と繋がっており、液体供給ユニット7から供給される液体が、管10を介して液体噴射ノズル4に送られて、液体噴射ノズル4の先端から被照射金属材料に向けて噴射されるように構成されている。ここで、液体供給用の管10はフレキシブルなホース状の管でも構わない。 The laser irradiation head 3 is connected to the laser transmitter 6 via a laser transmission cable 9 made of an optical fiber cable or the like, and the pulsed laser light emitted from the laser transmitter 6 is transmitted to the laser irradiation head via the laser transmission cable 9. It is configured to be sent to 3 and irradiated from the tip of the laser irradiation head 3 toward the metal material to be irradiated. The liquid injection nozzle 4 is connected to the liquid supply unit 7 via a liquid supply pipe 10, and the liquid supplied from the liquid supply unit 7 is sent to the liquid injection nozzle 4 via the pipe 10 to inject liquid. It is configured to be ejected from the tip of the nozzle 4 toward the metal material to be irradiated. Here, the liquid supply pipe 10 may be a flexible hose-shaped pipe.

動作制御装置8は、通信−電源ケーブル11を介して多関節ロボットアーム2と繋がっており、多関節ロボットアーム2は動作制御装置8から入力される信号によってその動作が制御されるように構成されている。また、動作制御装置8は、通信−電源ケーブル12を介して位置計測装置5と繋がっており、位置計測装置5で計測され、位置計測装置5から送信される位置情報が動作制御装置8に入力されるように構成されている。図1は、動作制御装置8として、市販のパーソナルコンピューターを使用した例を示している。 The motion control device 8 is connected to the articulated robot arm 2 via a communication-power cable 11, and the articulated robot arm 2 is configured so that its motion is controlled by a signal input from the motion control device 8. ing. Further, the motion control device 8 is connected to the position measuring device 5 via a communication-power cable 12, and the position information measured by the position measuring device 5 and transmitted from the position measuring device 5 is input to the motion control device 8. It is configured to be. FIG. 1 shows an example in which a commercially available personal computer is used as the operation control device 8.

このようにして構成されるレーザーピーニング装置1を用いて鋼構造物20の所定位置をレーザーピーニングする際には、多関節ロボットアーム2の基部に、クランプ、磁気、吸盤、接着剤のうちのいずれか1種またはこれらの組み合わせからなる固定構造部13を設け、この固定構造部13によってレーザーピーニングの対象となる鋼構造物20に多関節ロボットアーム2を固定することが好ましい。多関節ロボットアーム2を鋼構造物20に固定することで、レーザー照射ヘッド3から照射されるレーザー光を、鋼構造物20の目的とする位置に確実に且つ迅速に照射することができる。 When laser peening a predetermined position of the steel structure 20 using the laser peening device 1 configured in this manner, any one of clamp, magnetic, suction cup, and adhesive is attached to the base of the articulated robot arm 2. It is preferable to provide a fixed structure portion 13 made of one type or a combination thereof, and fix the articulated robot arm 2 to the steel structure 20 to be laser peened by the fixed structure portion 13. By fixing the articulated robot arm 2 to the steel structure 20, the laser beam emitted from the laser irradiation head 3 can be reliably and quickly irradiated to the target position of the steel structure 20.

鋼構造物20は、その一部を鋼材21及び鋼材22で構成されており、鋼材21と鋼材22とは、溶接金属からなる溶接部23によって接合されている。図1では、鋼構造物20の一部を構成する鋼材21と鋼材22との溶接部23及び溶接部23の周囲の鋼材21の表面を被照射金属材料、つまり、レーザーピーニング対象位置24としている。 A part of the steel structure 20 is composed of a steel material 21 and a steel material 22, and the steel material 21 and the steel material 22 are joined by a welded portion 23 made of a weld metal. In FIG. 1, the surface of the welded portion 23 between the steel material 21 and the steel material 22 forming a part of the steel structure 20 and the steel material 21 around the welded portion 23 is the irradiated metal material, that is, the laser peening target position 24. ..

レーザーピーニング対象位置24をレーザーピーニングするにあたり、先ず、動作制御装置8にレーザーピーニング対象位置24を設定して記憶させる。そして、位置計測装置5によって計測される位置がレーザーピーニング対象位置24であることを、位置計測装置5から送信される位置情報に基づいて動作制御装置8で確認する。位置計測装置5によって計測される位置がレーザーピーニング対象位置24と異なる場合は、動作制御装置8からの信号によって多関節ロボットアーム2の1つ以上の関節を電動作動させ、位置計測装置5で計測される位置をレーザーピーニング対象位置24と合致させる。 In performing laser peening of the laser peening target position 24, first, the laser peening target position 24 is set and stored in the operation control device 8. Then, the motion control device 8 confirms that the position measured by the position measuring device 5 is the laser peening target position 24 based on the position information transmitted from the position measuring device 5. When the position measured by the position measuring device 5 is different from the laser peening target position 24, one or more joints of the articulated robot arm 2 are electrically operated by a signal from the motion control device 8 and measured by the position measuring device 5. The position to be formed is matched with the laser peening target position 24.

次いで、レーザー発信器6に給電してパルスレーザー光を発生させ、このパルスレーザー光を、レーザー送信ケーブル9を介してレーザー照射ヘッド3に送り、レーザー照射ヘッド3の先端からレーザーピーニング対象位置24に向けてパルスレーザー光を照射する。このパルスレーザー光の照射と同時または前後に、液体供給ユニット7を作動させ、液体供給ユニット7から、液体供給用の管10を介して液体噴射ノズル4に液体を供給し、液体噴射ノズル4の先端からレーザーピーニング対象位置24に向けて液体を噴射する。液体噴射ノズル4から噴射される液体により、レーザーピーニング対象位置24の表面は液体に濡れた雰囲気に保たれる。液体としては、水道水などの水を使用する。 Next, power is supplied to the laser transmitter 6 to generate a pulsed laser beam, and this pulsed laser beam is sent to the laser irradiation head 3 via the laser transmission cable 9 to reach the laser peening target position 24 from the tip of the laser irradiation head 3. Aim and irradiate a pulsed laser beam. At the same time as or before and after the irradiation of the pulsed laser beam, the liquid supply unit 7 is operated to supply the liquid from the liquid supply unit 7 to the liquid injection nozzle 4 via the liquid supply pipe 10, and the liquid injection nozzle 4 A liquid is ejected from the tip toward the laser peening target position 24. The liquid ejected from the liquid injection nozzle 4 keeps the surface of the laser peening target position 24 in an atmosphere wet with the liquid. Water such as tap water is used as the liquid.

パルス幅が10−8秒程度以下のパルスレーザー光を、レーザー照射ヘッド3に設けられた集光レンズ(図示せず)で直径1mm程度のスポットに集光して被照射金属材料の表面に照射すると、被照射金属材料の表面がエネルギーを吸収してプラズマ化する。 A pulsed laser beam having a pulse width of about 10 to 8 seconds or less is focused on a spot having a diameter of about 1 mm by a condenser lens (not shown) provided on the laser irradiation head 3 and irradiated on the surface of the metal material to be irradiated. Then, the surface of the irradiated metal material absorbs energy and turns into a plasma.

生成したプラズマの周囲がパルスレーザー光の波長に対して透明な液体によって覆われている場合、プラズマの膨張が妨げられてプラズマの内部圧力は数GPa程度に達し、被照射金属材料の表面を叩く。その際に強力な衝撃波が発生し、この衝撃波が被照射金属材料の内部に伝播して塑性変形を引き起こし、被照射金属材料に残留する引張応力を圧縮応力に変える。通常の施工条件での応力改善は、被照射金属材料の表面から深さ1mm程度まで可能である。 When the circumference of the generated plasma is covered with a liquid that is transparent to the wavelength of the pulsed laser light, the expansion of the plasma is hindered and the internal pressure of the plasma reaches about several GPa, hitting the surface of the metal material to be irradiated. .. At that time, a strong shock wave is generated, and this shock wave propagates inside the irradiated metal material to cause plastic deformation, and the tensile stress remaining in the irradiated metal material is converted into compressive stress. Stress improvement under normal construction conditions is possible up to a depth of about 1 mm from the surface of the metal material to be irradiated.

レーザーピーニング対象位置24の面積は、50mm×20mm程度以上とする。また、パルスレーザー光の照射回数が増加するほど残留引張応力は圧縮応力に変化するので、少なくとも2回以上被照射金属材料表面の同一箇所をパルスレーザー光で照射することが好ましい。パルスレーザー光のパルス幅、パルスレーザー光の直径及びパルスレーザー光の移動速度を制御することで、パルスレーザー光の照射位置が重なり合い、同一箇所を2回以上照射することができる。 The area of the laser peening target position 24 is about 50 mm × 20 mm or more. Further, since the residual tensile stress changes to compressive stress as the number of times of irradiation of the pulsed laser light increases, it is preferable to irradiate the same portion on the surface of the metal material to be irradiated with the pulsed laser light at least twice. By controlling the pulse width of the pulsed laser light, the diameter of the pulsed laser light, and the moving speed of the pulsed laser light, the irradiation positions of the pulsed laser light overlap each other, and the same portion can be irradiated twice or more.

動作制御装置8は、予め動作制御装置8に設定されたレーザーピーニング対象位置24の全領域をパルスレーザー光が照射するように、多関節ロボットアーム2の動作を制御する。 The motion control device 8 controls the motion of the articulated robot arm 2 so that the pulsed laser beam irradiates the entire region of the laser peening target position 24 set in advance in the motion control device 8.

その際、動作制御装置8は、レーザーピーニング対象位置24の平面形状を矩形または楕円形とする場合には、レーザーピーニング対象位置24の領域を決めるための位置情報を設定する機能を有することが好ましい。具体的には、レーザーピーニング対象位置24の平面形状が矩形の場合には、矩形の対角の2点を予め指定し、楕円形の場合には、中心位置、短軸端、長軸端の3点を予め指定する。指定した位置を動作制御装置8に記憶させ、動作制御装置8の制御によって、レーザーピーニング対象位置24の領域に隈無くパルスレーザー光が照射されるように、制御プログラムを作成して実行する。このような機能を動作制御装置8に備えることで、レーザーピーニング施工を半自動で行うことが可能となる。 At that time, when the plane shape of the laser peening target position 24 is rectangular or elliptical, the motion control device 8 preferably has a function of setting position information for determining the region of the laser peening target position 24. .. Specifically, when the plane shape of the laser peening target position 24 is rectangular, two diagonal points of the rectangle are specified in advance, and when it is elliptical, the center position, the minor axis end, and the major axis end are specified. Specify 3 points in advance. A control program is created and executed so that the designated position is stored in the motion control device 8 and the pulsed laser beam is uniformly irradiated to the region of the laser peening target position 24 under the control of the motion control device 8. By providing the motion control device 8 with such a function, the laser peening construction can be performed semi-automatically.

また、本発明に係るレーザーピーニング装置1は、液体噴射ノズル4から噴射される液体を循環使用するために、液体受け容器14、配管16、タンク(フィルター付き)15、配管17で構成される液体回収系統を有することが好ましい。液体噴射ノズル4から噴射された液体は着脱可能な液体受け容器14で集められ、集められた液体は配管16を介して液体受け容器14からタンク(フィルター付き)15に送られ、更に、タンク(フィルター付き)15から配管17を介して液体供給ユニット7に回収される。 Further, the laser peening device 1 according to the present invention is a liquid composed of a liquid receiving container 14, a pipe 16, a tank (with a filter) 15, and a pipe 17 in order to circulate and use the liquid injected from the liquid injection nozzle 4. It is preferable to have a recovery system. The liquid injected from the liquid injection nozzle 4 is collected in the removable liquid receiving container 14, and the collected liquid is sent from the liquid receiving container 14 to the tank (with a filter) 15 via the pipe 16 and further, the tank (with a filter). It is collected from the (with filter) 15 to the liquid supply unit 7 via the pipe 17.

上記説明のように、本発明によれば、鋼橋の補修現場などのレーザーピーニングの対象とする鋼構造物に、レーザーピーニング装置1を搬送して設置し、容易にレーザーピーニングを行うことが可能であり、鋼構造物の疲労強度改善効果が期待できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to carry and install the laser peening device 1 on a steel structure to be laser peened, such as a repair site of a steel bridge, and easily perform laser peening. Therefore, the effect of improving the fatigue strength of the steel structure can be expected.

尚、本発明は上記説明の範囲に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記説明では、レーザー照射ヘッド3とレーザー発信器6とがレーザー送信ケーブル9を介して繋がっているが、レーザー照射ヘッド3とレーザー発信器6とを一体的に構成してもよく、また、液体噴射ノズル4と液体供給ユニット7とが管10を介して繋がっているが、液体噴射ノズル4と液体供給ユニット7とを一体的に構成してもよい。 The present invention is not limited to the scope of the above description, and various modifications can be made. For example, in the above description, the laser irradiation head 3 and the laser transmitter 6 are connected via the laser transmission cable 9, but the laser irradiation head 3 and the laser transmitter 6 may be integrally configured. Although the liquid injection nozzle 4 and the liquid supply unit 7 are connected to each other via the pipe 10, the liquid injection nozzle 4 and the liquid supply unit 7 may be integrally configured.

更に、上記説明では、多関節ロボットアーム2と動作制御装置8とが通信−電源ケーブル11を介して繋がり、また、位置計測装置5と動作制御装置8とが、通信−電源ケーブル12を介して繋がっているが、通信−電源ケーブル11及び通信−電源ケーブル12を介することなく、無線で繋がっていてもよい。 Further, in the above description, the articulated robot arm 2 and the motion control device 8 are connected via the communication-power cable 11, and the position measuring device 5 and the motion control device 8 are connected via the communication-power cable 12. Although they are connected, they may be connected wirelessly without going through the communication-power cable 11 and the communication-power cable 12.

鋼橋の補修現場で、図1に示す本発明に係るレーザーピーニング装置1を用いて、図2に示すように、鋼橋の一部を構成する鋼材21と鋼材22との溶接継手端部の疲労上の弱点部の領域を指定してレーザーピーニングを行った。鋼材22の板厚は20mm、溶接ビードの幅は10mmであり、レーザーピーニングの範囲を、溶接止端部から両側に10mmの範囲として、60mmとした。図2において、符号23は溶接部、24はレーザーピーニング対象位置(面積;60mm×30mm)である。図2に示すような回し溶接の先端部は特に疲労損傷を受けやすいので、その端部を覆うような領域を指定してレーザーピーニングを行った。尚、図2は、鋼橋の溶接継手端部のレーザーピーニング位置を示す概略図であり、図2(A)はレーザーピーニングの領域と対向する方向から見た平面図、図2(B)は図2(A)の側面図である。 At the repair site of a steel bridge, using the laser peening device 1 according to the present invention shown in FIG. 1, as shown in FIG. 2, the end of the welded joint between the steel material 21 and the steel material 22 constituting a part of the steel bridge. Laser peening was performed by designating the area of the weak point on fatigue. The plate thickness of the steel material 22 was 20 mm, the width of the weld bead was 10 mm, and the range of laser peening was set to 60 mm with the range of 10 mm on both sides from the weld toe. In FIG. 2, reference numeral 23 is a welded portion, and 24 is a laser peening target position (area; 60 mm × 30 mm). Since the tip of the rotary weld as shown in FIG. 2 is particularly susceptible to fatigue damage, laser peening was performed by designating a region covering the end. 2A and 2B are schematic views showing a laser peening position at the end of a welded joint of a steel bridge, FIG. 2A is a plan view seen from a direction facing the laser peening region, and FIG. 2B is a plan view. It is a side view of FIG. 2 (A).

レーザーピーニング対象位置24の平面形状を矩形とし、矩形の対角線のP点及びQ点の2点を予め動作制御装置8に記憶させ、動作制御装置8の制御によって、P点を開始点、Q点を終了点とし、レーザーピーニング対象位置24の領域に隈無くパルスレーザー光が照射されるように、多関節ロボットアーム2の動作を制御した。 The planar shape of the laser peening target position 24 is rectangular, two points P and Q on the diagonal of the rectangle are stored in advance in the motion control device 8, and the P point is set as the start point and the Q point under the control of the motion control device 8. The operation of the articulated robot arm 2 was controlled so that the area of the laser peening target position 24 was uniformly irradiated with the pulsed laser beam.

レーザーピーニングの実施後、レーザーピーニングを施した領域の残留応力を超音波音弾性残留応力装置で測定した結果、残留応力は圧縮応力のみが測定された。 After the laser peening was performed, the residual stress in the area subjected to the laser peening was measured by an ultrasonic sound elastic residual stress device. As a result, only the compressive stress was measured as the residual stress.

1 レーザーピーニング装置
2 多関節ロボットアーム
3 レーザー照射ヘッド
4 液体噴射ノズル
5 位置計測装置
6 レーザー発信器
7 液体供給ユニット
8 動作制御装置
9 レーザー送信ケーブル
10 管
11 通信−電源ケーブル
12 通信−電源ケーブル
13 固定構造部
14 液体受け容器
15 タンク(フィルター付き)
16 配管
17 配管
20 鋼構造物
21 鋼材
22 鋼材
23 溶接部
24 レーザーピーニング対象位置
1 Laser peening device 2 Articulated robot arm 3 Laser irradiation head 4 Liquid injection nozzle 5 Position measurement device 6 Laser transmitter 7 Liquid supply unit 8 Operation control device 9 Laser transmission cable 10 Tube 11 Communication-Power cable 12 Communication-Power cable 13 Fixed structure 14 Liquid receiving container 15 Tank (with filter)
16 Piping 17 Piping 20 Steel structure 21 Steel 22 Steel 23 Welded part 24 Laser peening target position

Claims (6)

レーザー発信器と、
該レーザー発信器から出射されたパルスレーザー光を被照射金属材料の表面に照射するレーザー照射ヘッドと、
前記レーザー発信器と前記レーザー照射ヘッドとを繋ぐレーザー送信ケーブルと、
前記被照射金属材料の表面を液体に濡れた雰囲気に保つための液体を噴射する液体噴射ノズルと、
該液体噴射ノズルに液体を供給する液体供給ユニットと、
前記液体噴射ノズルと前記液体供給ユニットとを繋ぐ、液体を供給するための管と、
前記パルスレーザー光の被照射金属材料での照射位置を計測する位置計測装置と、
前記レーザー照射ヘッドを取り付ける多関節ロボットアームと、
前記位置計測装置から送信される、前記パルスレーザー光の被照射金属材料での照射位置の情報を入力し、入力した照射位置の情報に基づいて前記多関節ロボットアームの動作を制御する動作制御装置と、
を有するレーザーピーニング装置であって、
前記動作制御装置は、予め該動作制御装置に設定されたレーザーピーニングの全領域を、前記パルスレーザー光が照射するように、前記多関節ロボットアームの動作を制御するように構成され
前記液体噴射ノズルの噴出口は、被照射金属材料表面でのレーザー照射位置(レーザー光の焦点)から1cm以上離れた位置に設置され、且つ、液体噴射ノズルから噴射される液体がレーザー照射位置に掛かるように、液体噴射ノズルの噴出口の角度、位置、及び、液体噴射ノズルの噴出口から噴出する液体の液圧は、調整可能なように構成されていることを特徴とするレーザーピーニング装置。
Laser transmitter and
A laser irradiation head that irradiates the surface of the metal material to be irradiated with pulsed laser light emitted from the laser transmitter, and
A laser transmission cable connecting the laser transmitter and the laser irradiation head,
A liquid injection nozzle that injects a liquid to keep the surface of the metal material to be irradiated in an atmosphere wet with the liquid, and
A liquid supply unit that supplies liquid to the liquid injection nozzle,
A pipe for supplying a liquid, which connects the liquid injection nozzle and the liquid supply unit,
A position measuring device for measuring the irradiation position of the pulsed laser beam on the irradiated metal material, and
An articulated robot arm to which the laser irradiation head is attached and
An operation control device that inputs information on the irradiation position of the pulsed laser beam on the irradiated metal material transmitted from the position measuring device and controls the operation of the articulated robot arm based on the input irradiation position information. When,
It is a laser peening device with
The motion control device is configured to control the motion of the articulated robot arm so that the pulsed laser beam irradiates the entire area of laser peening set in advance in the motion control device .
The ejection port of the liquid injection nozzle is installed at a position 1 cm or more away from the laser irradiation position (focus of the laser beam) on the surface of the metal material to be irradiated, and the liquid ejected from the liquid injection nozzle is located at the laser irradiation position. A laser peening device characterized in that the angle and position of the ejection port of the liquid injection nozzle and the hydraulic pressure of the liquid ejected from the ejection port of the liquid injection nozzle are configured to be adjustable so as to hang.
前記液体噴射ノズル及び前記位置計測装置は、前記多関節ロボットアームに取り付けられていることを特徴とする、請求項1に記載のレーザーピーニング装置。 The laser peening device according to claim 1, wherein the liquid injection nozzle and the position measuring device are attached to the articulated robot arm. 前記多関節ロボットアームは、その基部に、クランプ、磁気、吸盤、接着剤のうちのいずれか1種またはこれらの組み合わせからなる固定構造部を有し、該固定構造部によってレーザーピーニングの対象となる鋼構造物に固定されるように構成されていることを特徴とする、請求項1または請求項2に記載のレーザーピーニング装置。 The articulated robot arm has a fixed structure portion formed of any one of a clamp, a magnetic, a suction cup, and an adhesive or a combination thereof at a base thereof, and is subject to laser peening by the fixed structure portion. The laser peening apparatus according to claim 1 or 2, wherein the laser peening apparatus is configured to be fixed to a steel structure. 前記動作制御装置は、レーザーピーニングの領域の平面形状を矩形または楕円形として、レーザーピーニングの領域を決めるための位置情報を設定する機能を有していることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。 The motion control device according to claim 1, wherein the motion control device has a function of setting position information for determining a laser peening region by setting the planar shape of the laser peening region to a rectangle or an ellipse. Item 3. The laser peening device according to any one of Items 3. 更に、前記液体噴射ノズルから前記被照射金属材料の表面に噴射された液体を前記液体供給ユニットに回収する液体回収系統を有し、前記被照射金属材料の表面を液体に濡れた雰囲気に保つための液体を循環使用するように構成されていることを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。 Further, in order to have a liquid recovery system for recovering the liquid ejected from the liquid injection nozzle onto the surface of the metal material to be irradiated to the liquid supply unit, and to keep the surface of the metal material to be irradiated in an atmosphere wet with the liquid. The laser peening apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the liquid is configured to be used in a circulating manner. 前記液体噴射ノズルから噴射される液体は、0.2MPa以下の液圧で噴射されることを特徴とする、請求項1から請求項のいずれか1項に記載のレーザーピーニング装置。 The laser peening apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the liquid ejected from the liquid injection nozzle is ejected at a hydraulic pressure of 0.2 MPa or less.
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