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１．はじめに水中の材料に  ナノ秒（  V）程度のパルス時間幅のレーザーを照射すると，材料の表面を圧縮の応力状態にすることができる．この技術はレーザーピーニング（ODVHUSHHQLQJ）と呼ばれており，疲労強度の向上や応力腐食割れ（6&&）の予防に効果が期待できるため  航空機や自動車部品を中心にその適用が検討されている  また，レーザーには照射反力がなく，制御性が良好で遠隔非接触作業に適することから，供用中原子炉の予防保全工事への適用が進められている 
ここでは，先ず，レーザーピーニングの効果と応用事例を紹介する．次に，大型放射光施設（63ULQJ）の高輝度細束Ｘ線を使用して実施したレーザー照射痕表面の残留応力分布の測定結果について報告し，レーザー照射による表面残留応力の発生要因について検討を行う．
２．レーザーピーニングの効果
オーステナイト系ステンレス鋼を例として，表層の残留応力分布，疲労強度，応力腐食割れ感受性に対するレーザーピーニングの効果をまとめる．
2.1 残留応力圧延により の冷間加工を施した 686 を使用して，残留応力の改善効果を確認した．レーザーピーニングの様子を図１に示す．グラインダ加工により表面に引張残留応力を与えた試験片を水中に設置し，4 スイッチ発振の 1G<$* レーザーの第２高調波（波長 QP）を照射した．
残留応力の改善効果を図２に示す．パルスエネルギー P-，レーザー照射のスポット径 PP で試験片の表面にレーザーを一様に照射した後，表面および各深さにおける残留応力をＸ線回折により測定した．表面から約 PP の深さまで圧縮残留応力が形成されている．
㪋㪇㪇ᧂᣉᎿ᧚ᱷ⇐ᔕജ䋨㪤㪧㪸䋩㪉㪇㪇䊧䊷䉱䊷㪇㪄㪉㪇㪇䋳䋰䋴䋨䋲䋰䋦಄㑆ടᎿ᧚䋩㪄㪋㪇㪇䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫ᣉᎿ᧚㪄㪍㪇㪇⹜㛎࿑䋱㩷 䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫㪄㪏㪇㪇㪇㪇㪅㪉㪇㪅㪋⴫㕙䈎䉌᭽ሶ㪇㪅㪍㪇㪅㪏㪈㪅㪇㪈㪅㪉〒㔌䋨㫄㫄䋩࿑䋲㩷 䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫 䉋䉎ᱷ⇐ᔕജ ᡷༀലᨐ
−136−ᔕജ㒰෰䋫䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫ಣℂ⌀ⓨ὾㊰䋫䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫ಣℂᔕജ㒰෰⌀ⓨ὾㊰㪌㪇㪇ᔕജᝄ᏷䋨㪤㪧㪸䋩

2.2 疲労強度
表面の圧縮残留応力や硬度上昇は，疲労強度の向上に効果があることが知られている．このため，繰り返し負荷を受ける部材には，ショットピーニングを行うことが多い．レーザーピーニ
ングは，ショットと比較して，より深くまで圧縮残留応力が形成されるため，さらに高い効果が期待できる．
日本，フランス，米国で 686/，アルミ合金，チタン合金のレーザーピーニングが行われ，疲労強度の向上が確認されている  686/ の回転曲 げ 疲 労 試 験 の 結 果 を 図 ３ に 示 す 
レーザーピーニングを行うことにより，疲労強度が大幅に向上している．

䋳䋱䋶㪋㪇㪇㪊㪇㪇㪉㪇㪇㪈㪇㪋㪈㪇㪌㪈㪇㪍㪈㪇㪎㪈㪇㪏㪈㪇㪐⎕ᢿ䉁 䈱⽶⩄➅㄰䈚ᢙ䋨㪚㫐㪺㫃㪼㫊䋩࿑䋳㩷 䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫䈮䉋䉎∋ഭᒝᐲ䈱ะ਄

2.3 応力腐食割れ
表面の残留応力を改善することによって応力腐食割れ（6&&）の発生が防止できることを示すため，レーザーピーニング施工を行った試験片（686）と未施工の試験片について応力腐食割れの加速試験を行った．結果の一例を図４に示す．レーザーピーニングを行うことにより，応力腐食割れが完全に防止できることを確認した  また，き裂の進展を抑制する効果も報告されている 㪈㪇㪇㫄㪈㪇㪇㫄ᣉᎿ᧚⴫㕙ᧂᣉᎿ᧚⴫㕙ᧂᣉᎿ᧚㩷䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫ᣉᎿ᧚࿑䋴㩷 䊧䊷䉱䊷䊏䊷䊆䊮䉫䈮䉋䉎ᔕജ⣣㘩ഀ䉏䈱㒐ᱛ䋨㪪㪬㪪㪊㪇㪋 䈱ᔕജ⣣㘩ഀ䉏ടㅦ⹜㛎⚿ᨐ䋩㩷

３．レーザーピーニングの応用
レーザーピーニングは他のピーニング技術と比較して圧縮応力層がより深くまで形成されるという利点がある。このため、長期にわたる応力腐食割れの防止対策、疲労強度の向上（特に高サイクル疲労による内部破壊対策）、亀裂進展の抑制などへの適用が検討されている。
3.1 部品の疲労対策
航空機のジェットエンジンが砂粒などの異物を吸い込むと，ファンブレードに)2'（IRUHLJQREMHFWGDPDJH）と呼ばれる損傷が生じ，そこを起点とした高サイ
クル疲労破壊が起きることがある．このため，ファンブレードには二段ショットピーニングなどを行い，表面に高い圧縮残留応力を付与している．レーザーピー
ニングを行うと疲労強度の大幅な向上や亀裂進展の抑制が期待できるため，ファンブレードに対する適用研究が米国で活発に行われている 

−137−

金型は過酷な条件で繰返し使用されるため，種々の表面処理技術を適用し，その寿命を延長する試みがなされている．その一環として，レーザーピーニング処理を行うことにより熱間金型鋼（6.'）の熱疲労特性が改善され，き裂の成長が抑制されることが報告されている 
3.2 溶接構造物の応力腐食割れ対策
沸騰水型原子炉の炉心シュラウドはステンレス鋼でできた円筒状の溶接構造物であり，溶接熱影響部に応力腐食割れ（6&&）を起こすことがある．このため，その予防保全対策として， 年  月よりレーザーピーニングの適用が開始されている  また，米国では核廃棄物処分容器溶接部の応力腐食割れ対策として，レーザーピーニングの適用が検討されている 
４．レーザーピーニングの原理レーザーピーニングは，短い時間幅のレーザーパルスを水中の材料に照射したときに発生する高圧のレーザープラズマと，材料表面の機械的な相互作用を利用した表面処理技術であり，その原理は以下のように考えられている．
4.1 基礎プロセス
水中でレーザーを１パルス照射したときの材料の応答を，模式的に図５に示す．
レーザーの強い電場によってアブレーションが発生し，材料のごく表層（通常は ｍ以下）がプラズマ化する  水中では水の慣性が働いてプラズマの膨張が妨げられるため，狭い領域にレーザーのエネルギーが集中する．その結果，
プ ラ ズ マ の 圧 力 は 空 気 中 と 比 較 し て 〜 倍となり数 *3D に達する  この圧力によって衝撃波が発生し，材料中を伝播する．衝撃波の動的な応力が材料の降伏応力を超える領域で塑性変形が起き，未変形部の弾性拘束によって材料の表層に圧縮残留応力が形成される 䊧䊷䉱䊷䊌䊦䉴᳓䊧䊮䉵䊒䊤䉵䊙⹜㛎䊧䊷䉱䊷ᾖ኿ਛ࿶❗
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4.2 表面残留応力の支配因子
残留応力の深さ分布（図２）は，プラズマの圧力を境界条件とした弾塑性動解
析によって再現することができる 
一方，材料の最表面はレーザーの照射を直接受けるため，熱的な効果も考慮に入れる必要がある．686 では温度上昇が起きる範囲は表面から数P 以内であり  熱拡散に要する時間は   V のオーダーである．表面から数P の領域を衝撃波が通過する時間は約   V であり，衝撃波が通過した後，冷却とそれによる材料の収縮が生じる．従って，表面の応力状態は，衝撃波による圧縮と冷却による収縮の両者のバランスによって決まると考えられる 
５．レーザー照射痕の残留応力測定
水中の材料にレーザーパルスを照射したときの応答は，上記のように考えられているが，現象が高速で複雑なため定量的な検討はほとんど行われていない．そこで，大型放射光施設（63ULQJ）で得られる高輝度細束Ｘ線を使用して，実験室Ｘ線では測定が難しいレーザー照射痕の残留応力分布測定を行い，表面残留応力の発生要因について検討を行った．

−138−

5.1 試験片
熱処理と電解研磨によって残留ひずみを除去した高張力鋼（+7）に，水中でレーザーを１パルス照射して試験片を作成した．照射したレーザーのパルス時間幅は約 QV である．
表１に各試験片のレーザー照射条件をまとめて示す．レーザー照射直後の冷却効果に明確な差が現れるよう，照射スポット径が大きく異なる３つの試験片を用意した．また，レーザー照射によって発生するプラズマの圧力は，照射出力密度の平方根に比例することが知られている  そこで，照射痕内で衝撃波による圧縮の効果が同等となるよう，レーザーの照射出力密度をほぼ一定に制御した．
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5.2 放射光による残留応力測定
レーザー照射痕内外の残留応力測定は，高輝度光科学研究センター（-$65,）大型放射光施設（63ULQJ）のビームライン「%/;8」で行った．Ｘ線のエネルギーは NH9（波長 QP）とした．
試験片へのＸ線侵入深さは約 P である．
䌘✢
実験の様子を図６に示す．４象限スリットで入射Ｘ線を PP×PP に整⹜㛎形し，試験片に照射した．並傾法により，)H 面からの   度の回折Ｘ線をシンチレーションカウンタで計測した．
࿑䋶㩷 䊧䊷䉱䊷䊌䊦䉴ᾖ኿∥䈱㩷
ψ角は  度までとし，VLQ  ψ法により残ᱷ⇐ᔕജ᷹ቯ䋨㪙㪣㪋㪍㪯㪬䋩㩷
留応力値を求めた．
㪏㪇㪇レーザーを１パルス照射した痕の内外㪟㪫㪈㪇㪇㪇⹜㛎の残留応力分布を図７に示す．レーザー㪍㪇㪇㱢㪈㪅㪉㫄㫄䋨㪢㪜㪢㪄㪧㪝䋩が直接照射される痕の内側は引張，その㱢㪇㪅㪋㫄㫄䋨㪢㪜㪢㪄㪧㪝䋩
外側は圧縮であった．ここで、φPP㪋㪇㪇㱢㪇㪅㪋㫄㫄䋨㪪㪧㫉㫀㫅㪾㪄㪏䋩およびφPP のデータの一部は，高エ㱢㪇㪅㪉㫄㫄䋨㪪㪧㫉㫀㫅㪾㪄㪏䋩
ネルギー加速器研究機構（.(.）放射光㪉㪇㪇実験施設（3)）のビームライン「%/$」㪇で測定した結果である．3) では NH9のＸ線をφPP に整形し，)H 㪄㪉㪇㪇の回折線を 363& で計測した．
㪇㪇㪅㪋㪇㪅㪏㪈㪅㪉㪈㪅㪍
照射スポット径 PP の照射痕につᾖ኿∥ਛᔃ䈎䉌䈱〒㔌䋨㫄㫄䋩
いては，同一試験片を使用して 63ULQJ࿑䋷㩷 䊧䊷䉱䊷䊌䊦䉴ᾖ኿∥⴫㕙䈱
および 3) の両者で残留応力測定を実施ᱷ⇐ᔕജಽᏓ㩷
したが，結果は良く一致した．

−139−

5.3 材料表面の冷却効果
レーザー照射痕の表面の応力状態は，衝撃波による圧縮とその後の冷却による収縮の両者のバランスによって決まると考えられている．金属内の熱伝導は水への熱伝達と比較して十分に速いため，照射痕の冷却は主に周囲の金属への熱伝導によると思われる．試験片には一定の出力密度でレーザーを照射したため，各試
験片とも照射痕内では衝撃波による圧縮の効果はほぼ同等と考えて良い．一方，レーザーの照射スポット径は 〜PP と大きく異なるため，照射痕表面の冷却効果は試験片によって大きく異なるものと考えられる．
図７では，レーザーの照射スポット径が PP と大きい場合には照射痕内の応力値は降伏応力で飽和しているが，PP，PP と小さくなると照射痕内の応力値は急激に減少している．これは，照射スポット径を小さくしたことによって，深さ方向への熱伝導に加えて面内方向への熱伝導の効果が有意になったためと考えられる．また，レーザー照射によって生じるプラズマの体積が減少したた
め，プラズマと周囲の水との相互作用が相対的に大きくなり，プラズマのクエンチが促進された結果，プラズマから材料表面への輻射再入熱の効果が小さくなったためと考えられる．
5.4 塑性変形の蓄積効果
照射痕内はレーザーの照射直後に急冷されて収縮する．このときの収縮は表面から数P の範囲で起きるため，すぐ近くに続けてレーザーパルスが照射されると，強い衝撃力によって応力状態は圧縮側にリセットされる．従って，照射するレーザーのパルス数を増やしていくと塑性変形のみが蓄積され，全体の応力レベルは圧縮側に推移すると考えられる．
実際のレーザーピーニング施工では多数のレーザーパルスが照射されるため，
図２に示すように圧縮領域は表面から約 PP の深さまで達し，表面の応力値はその材料の降伏応力にほぼ等しくなることが知られている 
吉岡らは，複数のレーザーパルスをライン状に照射すると，ラインに沿って明確な圧縮領域が現れることを報告している  この結果も，レーザーを１パルス照射したときに照射痕外縁に生じる塑性変形の蓄積によると考えられる．
６．おわりにレーザーピーニングは，疲労強度の向上と応力腐食割れ（6&&）の抑制に有効であることが知られている．しかしながら，現象が高速で複雑なため，レーザー１パルス毎の個々のプロセスや圧縮残留応力の形成メカニズムに関する検討はほとんど行われていない．
今回，大型放射光施設（63ULQJ）の高輝度細束Ｘ線を使用することにより，レーザーパルス照射痕表面の残留応力分布に関して，これまでにない新しい知見を得ることができた．この結果は，個々のプロセスのモデル化とその検証に大きく寄与することは言うまでもない．また，並行して実施している解析検討の結果と総合することにより，これまで経験にのみ頼っていたレーザー照射条件の最適化が，より迅速に行えるものと期待される．
今後，３次元残留応力分布を含めた更に詳細な測定を行うことにより，レーザーピーニングによる圧縮残留応力の形成メカニズムを明らかにしていく．
最後に，細束Ｘ線を使用した残留応力分布測定は，（財）高輝度光科学研究セン
ター（-$65,）の協力により大型放射光施設（63ULQJ）のトライアルユース課
題（%1,QS）として，ビームライン「%/;8」を使用して行った．
測定においては，-$65, の佐藤眞直博士に熱心なご指導をいただいた．ここに記して謝意を表する．また，実験の一部は，高エネルギー加速器研究機構（.(.）
−140−

の放射光実験施設（3)）のビームライン「%/$」で行った（受理番号：*）．
参考文献
 シ ョ ッ ト ピ ー ニ ン グ 技 術 協 会 編 著  ｢金 属 疲 労 と シ ョ ッ ト ピ ー ニ ン グ｣ 現 代工学社    ':6HHHWDO6XUIDFH(QJLQHHULQJ    --'DO\-5+DUULVRQDQG/$+DFNHO´1HZ/DVHU7HFKQRORJ\0DNHV/DVHUVKRW 3HHQLQJ &RPPHUFLDOO\ $IIRUGDEOHµ WK ,QW &RQI RQ 6KRW3HHQLQJ ,&63 :DUVDZ6HSWHPEHU  (GHORV5LRVDQG&$5RGRSRXORV´,QYHVWLJDWLQJWKH(IIHFWVRI6KRWDQG
/DVHU 6KRFN 3HHQLQJ RQ WKH )DWLJXH %HKDYLRXU RI 7 $OXPLQLXP$OOR\µ0HWDO)LQLVKLQJ1HZV    < 6DQR HW DO ´'HYHORSPHQW DQG $SSOLFDWLRQ RI /DVHU 3HHQLQJ 6\VWHP WR
3UHYHQW6WUHVV&RUURVLRQ&UDFNLQJRI5HDFWRU&RUH6KURXGµ3URFWK,QW&RQIRQ1XFOHDU(QJLQHHULQJ ,&21( %DOWLPRUH$SULO
 若林豊 他 日本機械学会材料力学部門講演会 講演論文集    講演番号   33H\UHHWDO6XUIDFH(QJLQHHULQJ    --5XVFKDXHWDO,QW-)DWLJXH    <6DQRHWDO´8QGHUZDWHU/DVHU6KRFN3URFHVVLQJWR,QWURGXFH5HVLGXDO&RPSUHVVLYH6WUHVVRQ0HWDOVµ0DWHULDOV6FLHQFH5HVHDUFK,QWHUQDWLRQDO
6SHFLDO7HFKQLFDO3XEOLFDWLRQ²   久 保達也 他 日本材料学会第  期学術講演会 講演論文集    講
演番号  八 代浩二 他 ｢レーザーピーニング処理の熱間金型への適用性｣ 日本材料学会第  回Ｘ線材料強度に関する討論会講演論文集   <XFFD 0RXQWDLQ 6FLHQFH DQG (QJLQHHULQJ 5HSRUW 5HY '2(5:5HY)HEUXDU\
 電 気学会レーザアブレーションとその産業応用調査専門委員会編 ｢レーザアブレーションとその応用｣ コロナ社   <6DQRHWDO1XFO,QVWUXP 0HWKRGV3K\V5HV%   佐 野雄二 他 日本原子力学会誌    1  0XNDL HW DO ´/DVHU 3URFHVVLQJ IRU 8QGHUZDWHU 0DLQWHQDQFH LQ 1X
FOHDU 3ODQWVµ 3URF UG ,QW &RQI RQ 1XFOHDU (QJLQHHULQJ ,&21( .\RWR$SULO 佐 野雄二 他 レーザー研究    吉 岡 靖 夫  他  ｢レ ー ザ ー ピ ー ニ ン グ を し た 鋼 の 残 留 応 力 の 放 射 光 に よ る 測定｣ 日本材料学会第  回Ｘ線材料強度に関するシンポジウム講演論文集
 
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