ハンドヘルドレーザによる高張力鋼溶接継手の疲労強度向上
大阪大学 産業科学研究所 量子ビーム物理研究分野
特任助教 水田 好雄（2020 年度 奨励研究助成（若手研究者枠） AF-2020239-C2）
キーワード：レーザピーニング，ハンドヘルドレーザ，高張力鋼

１．研究の目的と背景

従来の LP では，パルスエネルギーが 0.1～10 J と大きレーザピーニング（以降 LP と記載）は,水や塗膜等で覆く，さらにパルス幅が数 ns～数十 ns と長いため，最適なわれた材料に高出力パルスレーザを照射した時の衝撃力

LP 施工条件を逸脱するとレーザ照射による熱影響が支配を利用し,材料表面に圧縮残留応力を形成する技術である．

的になり金属表面にマクロな融解が生じることがある.こLP の特徴は，厳密な施工管理が可能な点や材料へ深い圧のため，金属表面が引張応力状態になり，結果的に材料の縮残留応力を付与することが出来る点である.これは，他脆化やき裂の起点となる可能性があった．今回使用したハのピーニング技術と比べて優れた特徴であり,材料表面にンドヘルドレーザのパルスエネルギーおよびパルス幅は発生する応力腐食割れや疲労亀裂の抑制に高い効果を示

どちらも従来の LP 用レーザの 1/10 以下であり，金属表面すことが知られている

1),2).さらに,LP は溶接部の疲労強に与える熱影響は格段に小さくなる．このためハンドヘル度改善に優れた効果を持ち，これは「溶接部の疲労強度がドレーザを使用した LP では上記のような悪影響の可能性小さい」という高張力鋼の欠点を補い，高張力鋼を使用すは極端に低いものと考えられる．

るメリットが発揮できる 3)-6)．LP は材料表面の改質において高い潜在能力を持っているが，使用する高出力レーザはクリーンルーム等の設備が必要であり，装置も大型で温度や湿度管理などの運用条件も厳しい．このことより LP の使用は，ジェット機のエンジン・ファンブレードの高サイクル疲労対策や原子炉構造物の応力腐食割れ対策などへの適用に限られていた．
小型で取り扱いが容易なハンドヘルドレーザ 7),8)を LPの光源として使用することが出来れば，工場における生産工程だけではなく上記理由より従来のレーザでは適用が困難であった，橋梁等の既存の鋼構造物への適用が現実的となる．

図 1 ハンドヘルドレーザをロボットアームに搭載した LP

本研究では，ハンドヘルドレーザを使用した LP の成立

装置外観性確認と高張力鋼(HT780)溶接継手の疲労強度に対するLP の効果確認を目的とした.

２．実験方法・装置の特徴
2・1

ハンドヘルドレーザを搭載した LP 実験装置

本研究では，高出力のハンドヘルドレーザ（分子科学研究所が開発 7),8））をロボットアームに搭載することで，屋外などでも作業可能かつ 3 次元構造にも対応可能な LP 装置の開発・検証を行った．図 1 にロボットアームを用いた
LP 装置の外観を示す．LP 装置は 6 軸のロボットアームの先にハンドヘルドレーザが搭載されており，電源装置及び水循環系とハンドヘルドレーザを励起するためのレーザを伝送する光ファイバー，装置を制御する PC で構成されている．ロボットアームは使用時に安全柵等の必要がない
人協働ロボットが採用されている．1 m×0.5 m の台に収まる程度のコンパクトかつポータブルな装置である.また，各部分に分解することで，スーツケース 2～3 個に収納・持ち運びが可能となる（図 2）.

図２LP 装置の梱包

2・2高張力鋼 HT780 への LP 実験実験に使用したハンドヘルドレーザの条件を表 1 に示す．また，実験の様子を図 3 に示す．

スケール（黒皮）で覆われているため，安定した残留応力の測定が得られない場合があった.電解研磨や黒皮除去剤等によりミルスケールを取り除いた状態で測定を行うことで安定した測定結果が得られた.

表 1 実験条件

LP 済み HT780 平板試験片の残留応力深さ分布測定結果の一部を図 4 に示す．図 4（a）は，レーザスポット径 0.49mm，図 4(b)は，レーザスポット径が 0.68 mm の時の結果である．

図 3 高張力鋼 HT780 溶接継手への LP の様子使用したハンドヘルドレーザは，波長 1064 µm，パルス幅 1.3 ns，照射パルスエネルギー10 mJ，繰り返し周波数 100 Hz であった（ただし，1064 µm の光は水により吸収されるため実際の照射パルスエネルギーは表 1 のようになる）．実験においてはまず，HT780 平板試験片に LP

図 4 残留応力深さ分布測定結果 (a)照射レーザスポットを行い，条件出しの後に，溶接継手への施工を行った．表

径 0.49 mm,（b）照射レーザスポット径 0.68 mm

1 より，各照射スポット径において照射パルス密度を 100，200，400，800，1600 pulse/mm2 に変化させて実験を行

実験結果図 4（a）より，照射パルスエネルギー7.7 mJのレーザを集光径 0.49 mm，照射パルス密度 1600 pulse/mm2った．

で材料に照射した結果，残留応力のピークは-551 MPa で３．研究成果
3・1高張力鋼 HT780 への残留応力改善効果の確認

深さ約 200 µm まで圧縮残留応力が形成されることが分かった.また，照射パルス密度が大きくなるほど材料に付与

LP 済み高張力鋼 HT780 の残留応力測定は X 線回折装置される残留応力が大きくなることが分かった一方，パルスを用いて行った．使用した装置はパルステック工業株式会

エネルギー8.0 mJ,照射スポット径 0.68 mm の条件では残社製の µ-X360s(cosα法，Cr-kα管球，コリメータ径Φ1.0

留応力のピークは-449 MPa，深さは 100 µm 程度までしかmm)である．残留応力の深さ方向分布は，電解研磨と X 線達しないことが分かった.

回折による測定を交互に繰り返すことにより推定した．また，LP 未処理の材料に対しても同様に測定を行い．結果を比較・評価した．なお，実験に用いた HT780 表面はミル

さらに，同じ照射パルス密度においてスポット径の違いによる比較を行った例を図 5 に示す．

図 7 疲労試験結果 5)

図 5 残留応力深さ分布測定結果（スポット径による比較，照射パルス密度 800 pulse/mm2）図 7 より,応力範囲 200 MPa および 250MPa において,ハ図 5 より,照射スポット径が 0.49 mm の時に最も深く（約ンドヘルドレーザにより施工された試験片は，ほぼすべて200 µm）まで残留応力が付与されていることが分かった.

が打ち切り限界（107 cycle）に達し，従来のレーザ(YAGレーザ 200 mJ)と比べても遜色のない結果が得られた．ま3・2

高張力鋼 HT780 溶接継手の疲労試験結果

LP 施工の効果の有無を確認するため,LP 済み高張力鋼
HT780 溶接継手の引張疲労試験を行った．試験には,パルた，応力範囲 300 MPa の場合には，打ち切り限界まで達しないものがあり，結果が安定しないことが分かった.
図 8 に疲労試験後の溶接継手の一部を示す.

スエネルギー7.7 mJ（パルス密度 800 pulse/mm2）にて施工した材料を用いた．表２に疲労試験の条件を示す．また，
図 6 に疲労試験の様子を示す．さらに，図 7 に疲労試験の結果を示す．
表 2 疲労試験の条件
応力範囲

応力比

載荷周波数

打ち切り限界200～300 MPa

0.1

20 Hz107

図 8 疲労試験後の溶接試験片
通常は，図 8(a),(c)に示すように溶接止端部から破断するが，LP 施工後の一部は図 7(b),(d)のように LP 施工部と未施工部の境界付近で破断するものもあり，これは LPにより，溶接止端部や熱影響部が強化されたものだと考えられる．

４．結論
本研究では，LP の適応範囲の拡張を目指し，ハンドヘ
ル ド レ ー ザ を 使 用 し た LP の 成 立 性 確 認 と 高 張 力 鋼(HT780)溶接継手の疲労強度に対する LP の効果確認を目的とした実験を行った．以下に，本研究における成果および得られた知見を示す.
（１） ハンドヘルドレーザをロボットアームに搭載したLP 装置の開発と検証を行った.
図 6 疲労試験の様子（２） 最大出力 10 mJ 級のハンドヘルドレーザを搭載した LP 装置を用いて高張力鋼 HT780 平板試験片への条件出し実験を行い，照射パルスエネルギー 7.7mJ, 照 射 ス ポ ッ ト 径 0.49 mm, パ ル ス 密 度 1600pulse/mm2 の時に残留応力のピークは-551 MPa で深さ約 200 µm まで残留応力が形成されることが分か実験に使用したハンドヘルドレーザをご提供いただきまった.

した,株式会社ユニタックの高橋一哲代表取締役社，横藤（３） 照射スポット径を(2)の場合より大きくした 0.68

田光輝氏に感謝いたします．最後に，研究に関するすべて

mm の条件では残留応力のピークは-449 MPa，深さにおきましてご助言・ご指導をいただきました，大阪大学は 100 µm 程度までしか達しないことが分かった.

産業科学研究所の佐野雄二特任教授に感謝いたします.

（４） LP 済み高張力鋼 HT780 溶接継手の引張疲労試験を受行い．応力範囲 200 MPa および 250MPa において,ハンドヘルドレーザにより施工された試験片は打ち切り限界の 107 に達した.この結果は，従来のレ賞

2022 年度日本機械学会機械材料・材料加工部門部門一般表彰（優秀講演論文部門）

ーザ(YAG レーザ 200 mJ)を使用した場合とほぼ同

参考文献

等の疲労特性改善効果であった.
（５） 以上より，ハンドヘルドレーザを使用した LP によ

1)Clauer，A.H.，Metals，Vol.9 (2019)

る高張力鋼(HT780)溶接継手への残留応力および

2)

Y．Sano，Metals，10，152 (2020)

疲労強度の改善の可能性を示すことができた．

3)

崎野良比呂，佐野雄二，角谷利恵，金裕哲 (2011),
溶接学会論文集，vol.29，pp.146-153.

謝 辞

4)

本研究は公益財団法人天田財団の 2020 年度奨励研究助
成（若手研究者枠）AF-2020239-C2 を受けて，実施された

5)ものであり，ここに厚く謝意を表します．
本研究の遂行にあたり,たくさんのご協力をいただきました，近畿大学の崎野良比呂教授，加藤智治氏，分子科学研究所の平等拓範特任教授,大阪大学産業科学研究所の玉6)

置悟司氏に感謝いたします．また，実験装置及び環境を提供していただきました，大阪大学産業科学研究所の細貝知直教授に感謝いたします.

7)
8)

Kato，T，Sakino，Y．and Sano，Appl．Mech.，Vol.2(2021)
Yuji Sano，Tomoharu Kato，Yoshio Mizuta，SatoshiTamaki，Koki Yokofujita，Takunori Taira，Tomonao
Hosokai，Yoshihiro Sakino，Forces in Mechanics 7(2022)
水田好雄，細貝知直，政木清孝，加藤智治，崎野良比呂，玉置悟司，佐野雄二，日本機械学会 2022 年度
年次大会講演論文集，F041-05 (2022)
L．Zheng，Kausas．A．and Taira T，Opt.Exp,27 (2019)
Taira T，Opt．Mater．Express，Vol.1，No.5 (2011)