特殊レーザピーニング処理における塑性変形現象の解明
名古屋産業科学技術研究所所員

沓名宗春（平成２０年度一般研究開発助成をモデル化し、有限要素法を用いてこの現象をシミュレーションした。

キーワード：レーザピーニング、プラズマ圧力、ディンプル形成、メタルシート、塑性変形現象

１．はしがきショットピーニング、ハンマーピーニング、レーザピーニングなにより金属表面に塑性加工を与え、残留応力を圧縮に分布される効果があり、疲労強度向上、応力腐食割れの防止などに応用されている。
特殊レーザピーニング技術１）２）では超短（８ｎｓ～１２ｎｓ）パルス幅で高出力密度（５～２５ＧＷ/cm2）のＱスイッチＹＡＧレーザ装置を用いて、部材表面に置いた数１０μｍのメタルシートの上からレーザ照射することにより、メタルシート表面が約１万℃に加熱され、ブラズマ化され、高圧が発生する。この高いプラズマ圧力により、衝撃波が部材面面にも伝わり、微細なディンプルが生じる。この現象は爆発成形に近い技術であるが、１００～１０００μｍと微小であるため、十分な解析がなされていない。
特に、本技術で用いる１０～４５μｍの厚さのメタルシートの塑性変形挙動は世界的になされていない。
また、メタルシートと部材表面の間に各種粉体の配置することにより、部材表面に粉体を打ち込むことができる。この技術で摺動面を持つ機械部品に摺動性の良いＭｏＳ２などの粉体を打ち込むとその摺動性をも改善できる。現在、自動車用ピストンのスカート部へのＭｏＳ２粉末の打ち込みによる摩擦エネルギー損失の１５～２０％低減が可能である。
そこで、本技術が今後、各種分野で応用されるためには、レーザ照射条件、メタルシートの材質・板厚と変形挙動、粉体の種類と塗布条件が正確に把握されることが重要であるので、本研究はこの加工プロセスを正確に制御することを目的にする。すなわ
ち、次のような基礎データを利用して、現象の数値解析によりモデリングを行う。そして、微小な塑性加工現象をモデリングし、特殊レーザピーニング技術の応用に際して、その信頼性の向上に役立てる。
すなわち、次の２点を重点的に実施した。
１）ステンレス鋼およびアルミニウム合金のシートを用いた時の特殊レーザピーニング時の発生プラズマ圧力の測定を大気中と水中で実施した。
２）各種メタルシートを用いた時の変形挙動およびその結果できる微小ディンプルの形状の関係を把握する。
３）レーザピーニング時のメタルシートの変形挙動

ＡＦ－２００８２１１）

２．特殊レーザピーニング時のプラズマ圧力の測定
２・１ 実験方法
本実験に用いた特殊レーザピーニング処理装置の概略図を図１に示す。レーザ装置としては、タレスレーザ製ＱスイッチＹＡＧレーザ装置で、平均出力は２０Ｗ、パルス幅は８ｎｓ（ナノ秒）、パルス繰返し数は２０Ｈｚ、レーザ波長は５３２ｎｍ、集光レンズの焦点距離は１５０ｍｍとした。ビームスポッ
ト径を４００μｍとし、短時間、金属表面を５～２５ＧＷ/cm2 の高出力密度のレーザビームを試験片に空気中または水中で照射した。試験片はＡ５０５２アルミニウム合金基板（１０ｍｍｘ６０ｍｍｘ０．２ｍｍ）とＳＵＳ３０４ステンレス鋼基板（１０ｍｍｘ６０ｍｍｘ０．１ｍｍ）の裏面にひずみゲージを貼り、照射時に試験片表面に発生するプラズマ反力を測定した。反力測定で用いる計測器はレーザ照射によっておこる金属材料のひずみ値をμＳＴという便宜上の単位で表しているので、μＳＴを重さに換算し求めた外力Ｐと 加工溝直径ｄから「σ＝Ｐ/ (1/4∏d)2 」の式より１ショット当たりに発生するプラズマの圧力を推定した。

図１

特殊レーザピーニング技術の概略図

次に、このプラズマ圧力により、ＭｏＳ２のような潤滑物質をアルミニウム合金シートに塗布し、部材表面への粉体の埋込み実験を行った。
試験片にはＡ５０５２アルミニウム合金板の上にＭｏｓ２粉末をエタノールでペースト状にして塗布した。
その塗布厚さは－ 202 －１００μｍとし、その上から板厚１００μｍのステンレス鋼シートを保護フィルムとして貼った。
レーザ出力密度を１０ＧＷ/cm2 として実験した。照射パターンとしては図２に示すように３種類を用いた。
（１）はビーム重なり率０％、（２）はビーム重なり率７０％、（３）及び（４）は１点のみ。ただ（３）は１ショット、（４）は２ショットの試料とした。

面が１０００数百℃に加熱溶融される状態が映像化できた。
さらに約２０ｎｓ経過するとさらにアルミニニウムが高温に加熱され、約１０、０００℃になりプラズマ化することが図４b に示すように確認された。
さらに、
５０～６０ｎｓを経るとこれらプラズマはイオンと電子が再結合し、粒子となって飛散している状
況が図４c のように確認された。

(a）10～20ｎｓ後 (b)20～30ｎｓ後 (c)50～100ｎｓ後
図２

粉体埋込み実験におけるレーザ照射パターン

２・２ 実験結果測定されたプラズマ圧力とレーザ出力密度の関係を図３に示す。

図３

図４

レーザピーニング時の高速ビデオ写真

微粉末の埋込み実験の結果、試料（１）と（２）は連続的に照射した結果、フィルムが破壊し、粉末が水中に流れ出し、埋め込むことができなかった。
そこで、試料（３）と（４）はフィルムが破壊しないように、点と点の間隔を３０ｍｍ空けて照射した。
図５にこれら試料のＥＤＳ分析結果を示す。ＥＤＳ分析より白く見える部分からＭｏとＳが検出された。
１ショットの場合も２ショットの場合も、白くなっている部分が多く、潤滑物質のＭｏＳ２粉末が埋込まれたことが確認できた。１ショットに比べ、２ショットの方が広い範囲でＳとＭｏが検出されている。
形状観察の結果から、１ショットで形成されたディンプルの直径は１９０μｍ、２ショットでは４００μｍとなった。約２倍の大きさとなった。

プラズマ圧力とレーザ出力密度の関係（水中）アルミニウムの結果は１０ＧＷ/cm2 のときに約３．７１３ＧＰa（約３．７万気圧）と高い値を示した。１０ＧＷ/cm2 以上の出力密度ではほぼ同じ圧力を示した。また、ステンレス鋼ではプラズマ化しにくいためか、最大０．９０８ＧＰa（約０．９万気圧）のプラズマ圧力であった。アルミニウムとステンレ
ス鋼では大きな差が見られた。これは材料の蒸発までエネルギー、イオン化エネルギー、原子の結合エネルギーなど物理的、化学的性質が異なるためと思われる３）。
空気中および水中でピーニングを行ない、どのような差があるか確認した結果、水中で行う方が遙かに高いプラズマ圧力が発生することが確認できた。
なお、このレーザピーニング現象の究明として、高速度ビデオによるレーザピーニング現象（１０～１００ｎｓ）の映像を捕らえた。その結果、図４a に示す
ように、高出力密度のナノ秒パルスレーザをアルミニウム合金に照射すると、約２０ｎｓでアルミニウム表(a) １ショットの場合(b) ２ショットの場合

図５ 特殊レーザピーニングで形成されたディンプル内のＥＤＳ分析結果
３．特殊レーザピーニングによるディンプル形成とメタルシートの種類
３・１ 実験方法
特殊レーザピーニング処理で用いるメタルシートの種類はディンプル形成および粉体の埋込み挙動に大きく影響する。そこで、表１に示すような５種類のメタルシートを用いて、表２に示すレーザピーニング条件で照射実験を行った。すなわち、レーザ出力 50mJ,パワー密度 4.9GW/cm2 のレーザを 35μm の－ 203 －メタルシートに照射した場合 MoS2 の埋込みへのメタルシートの材質の影響を調査した。用いたレーザ装置は２章で用いた装置である。
表 1 メタルシートの材質とそれぞれの厚さ

表 2 レーザピーニング条件

図６

メタルシートの材質を変えた場合のディンプルの観察結果

３・２ 実験結果
それぞれのメタルシートで MoS2 を埋込んだときのディンプルの外観とその表面の凹凸を図６にまとめた。粉体の埋込み状況を観察した結果、Ti と SK85を用いた場合が一番多く埋込まれていた。ディンプ
ルの深さは Ti シートの時にもっとも深かった。粉体の埋込み状況では SUS304 のメタルシートは悪かったが、それぞれのシートの差異はあまりみられなかった。なお、図６の各ディンプルの外観写真の下に、レーザ顕微鏡で観察したディンプルの断面形状を示す。いずれも中心部でギザギザの形状を示している
が、これは表面がプラズマ化した際に金属がイオン化して飛散したためと考える。また、チタンの場合は中央部に大きな隆起が観察された。これはプラズマ圧による大きな衝撃波の影響で、反力により中央部が隆起したものと思われる。このようにメタルシートの中央部が隆起する現象はレーザピーニング実験において時々観察された。

４．有限要素法を用いたシミュレーション
レーザピーニングはレーザのビーム径、パルス幅、イオン化過程、プラズマ加熱およびプラズマ周波数など複数の関係がバランスするため非常に複雑なプロセスである。また、特殊レーザピーニングにおいてはシート厚さや照射パターン等、より考慮すべきパラメータが増えその理解を妨げており、その動的な機構・仕組みがほとんど解明されていないのが現状である。そこで本研究では有限要素法シミュレーションソフトを使用し特殊レーザピーニングシミュ
レーションを行い、特殊レーザピーニング時にシートおよび材料表面で起きている現象の解明、適正特殊レーザピーニング条件の同定、効率の良い特殊レーザピーニング条件の予測などを行ない、実際の特殊レーザピーニング処理の応用に役立てることを目的としてミミュレーションを行った。
４・１ 実験方法
そこでまず、静的荷重による圧子の押し込みシミュレーションを行ない、形成されるディンプル観察や、実際に押し込み実験を行なった時のディンプル形状・必要荷重等の比較・検討を行なった。
（１）装置の構成用いた装置の構成としては ANSYS 社製 FEM ソフトウェアである、Workbench を使用した。このソフト
ウェアは線形構造解析、非線形構造解析、構造動解析、電熱解析、音響解析、圧電解析、電磁場解析、流体解析まで幅広い解析を行う事のできるソフトウ
ェ ア で あ る 。 本 研 究 で は ANSYS Workbench のver.12.0 を使用した。このソフトウェアをインストールするハードウェアは PC/AT 互換機である、－ 204 －Hewlett Packard 社製ワークステーション xw4600、Z200 を使用した。
（２）押し込み実験装置および試験片有限要素法シミュレーションとの比較のために押し込み実験についても実際に行なった。供試材にはレーザピーニング実験と同様に SUS304 を使用した。
試験片を図７に示す。板厚 1.0mm の SUS304 鋼板を40×50mm に切断し押し込み実験に使用した。特殊レーザピーニングと同様に、試験片上にあらかじめシートを貼り付けて押し込みを行なった。シート厚さは 10μm、シートサイズは 20×30mm、材質は試験片と同様 SUS304 とした。試験片上のシート貼り付け領域に真空グリスを塗り、その上にシートを貼り合わせる。シートは 4 辺を絶縁テープで固定され、貼りしろは各辺 5mm とした。
使用した押し込み装置を図８に示す。押し込み動力には油圧ポンプ(TAIYO 製 HYDRAULIC UNIT -MAX3.5MPa)により発生している。押し込みに使用する圧子の形状を図９に示す。圧子は先端がダイヤモンド製で円錐状になっている。圧子は油圧シリンダーより伸びるロッドにアダプタで固定される。アダプタ部 に は ロ ー ド セ ル (KYOWA 製 LUX-A-500N) お よ び
CMOS イメージセンサ投影方式の変位計(KEYENCE 製GT2-H12K)が備え付けられており、荷重および変位はロガーソフトウェア(EDS400A 制御ソフトウェア)により同期してサンプリングされる。変位計とロガ
ー ソ フ ト の 間 に は 専 用 の 制 御 器 (KEYENCE 社 製GT2-71MCN)が設置され、これにより任意の変位量で

図７

押し込み設定量＝ゼロ点＋押し込み量－空走距離…
(１)
ここで空走距離は 30μm とした。試験片への押し込み量は 20μm、押し込み速度 350μm/s で押し込み実験を行なった。生成されたディンプルはレーザ顕微鏡（KEYENCE 製,VK-9700）および VK Analyzer を使用し計測した。

押し込み実験の試験片油圧ポンプの動作を停止する仕組みになっている。ロガー装置へアナログ信号を送るためのアンプは ASAHI
KEIKI 社製 TZ-5XA-A3H、直流電流供給装置は OMRON 社
製 S82K-10024、ソリッドステートリレー(SOLID STATERELAY)は OMRON 社製 G3B-205S 使用した。

図８（３）押し込み実験方法
押し込み量を正確に測定するためには試験片表面上でのゼロ点の決定が重要になる。本実験では押し込み実験前にゼロ点決定するために図１０に示す 8点に 50N 程度の荷重で押し込みを行なった。その際に得た荷重―変位曲線より 4N を記録した変位の平均値をゼロ点と決定した。
圧子の押し込みには油圧シリンダーを使用している。油圧バルブの開閉にはソリッドステートリレーを使用しているが、これは 60Hz 交流により動作しているために発生するリレーの動作タイミングのずれが発生する。また、油圧シリンダーは油圧のみでロッドを制御し機械的機構が無いため指定の位置を超えて空走してしまう。これらの影響により押し込み指定量と実際にロッドが停止した位置に誤差が生じてしまう。本実験ではあらかじめその誤差を計測しておき、以下の式(１)より押し込み設定量の決定に利用した。

押し込み実験装置

図９ 押し込み圧子の形状

図１０ ゼロ点測定の位置（４）ダイヤモンド圧子実験のシミュレーションモ
デルおよび解析設定
さらに、静的荷重による圧子押し込みを利用したディンプル生成実験のシミュレーションを行なった。
圧子、試験片およびシート厚さは前項で使用した物と同じ寸法の物についてシミュレーションを行なった。そこで、図１１および１２に示す有限要素モデル作製した。2 次元シミュレーションによる軸対称プログラムを使用することにより、一様な平面を再現した。シミュレーションモデルではシミュレーシ
ョン中のエラーを回避するために試験片・シート間に 10μm の隙間を設けた。シミュレーション開始直後にシートは試験片に密着し、実際の押し込み試験－ 205 －と同じ密着した状態になるように解析設定した。シミュレーションでは圧子の変位を制御した。押し込み量を 1step、1s 毎に 1μm ずつ押し込み、30μm(試験片表面より 20μm)押し込んだ後に初期位置まで圧子を戻す設定とした。

0.1mm の 範 囲 内 の メ ッ シ ュ サ イ ズ を そ れ ぞ れ
0.001mm とし、押し込み部周辺のメッシュを重点的に細かくしその他の部分を荒くすることにより、要素数を削減し計算コストを下げつつ精度の高い計算を目指した。要素数はそれぞれ、圧子：13418、シート：993、試験片：132981 となった。接触面定義では、圧子―シート上部およびシート下部―試験片上部をそれぞれコンタクト面―ターゲット面に指定し、摩擦係数 0.15 の接触とし、ペナルティ法により定式化し、垂直剛性係数はサブステップ毎に更新し 0.1とした。拘束条件として、軸対称部分の辺を垂直軸のみ自由度を与えて拘束、試験片底辺を拘束し、圧子 上 辺に 変位 を 与え た。 シ ート と試 験 片の 間に10μm の隙間を設けたモデルを使用するため、変位設定は表５のように最初のステップで圧子・シートを同時に 10μm 変位させ、その後 1μm ずつ押し込みを行なった。
表３

有限要素法によるシミュレーションの条件設定（材料の物性値）

図１１ ダイヤモンド圧子実験の有限要素法の概略図

表４

図１２ 有限要素法におけるメッシュ解析設定を表３および表４に示す。この設定によりメッシングされた有限要素モデルを図１２に示す。
ダイヤモンドの物性は文献値より密度：3.515×10-6kg/mm3、ヤング率：1050GPa、ポアソン比：0.1 とした。メッシュシングはシート全体のメッシ
ュサイズを 0.01mm、試験片全体のメッシュサイズを0.1mm、圧子先端部より半径 0.1mm の範囲、シート左下端より半径 0.1mm の範囲、試験片左上端より半径－ 206 －シミュレーションにおける荷重の設定

４・２

実験結果およびシミュレーション結果と比較・検討
図１３に 30μm 時点でのシミュレーション結果を示す。圧子がシートおよび試験片をすり抜けるエラーが多発したが、2D モデル化によるメッシュの細分化、圧子モデル先端部を R2μm で丸め、垂直剛性をはじめとする接触面定義の見直しにより、最終的には上記境界条件により圧子、シート、試験片が互いにすり抜けない押し込みシミュレーションに成功した。図１４(a)にシミュレーションにより生成されたディンプル形状を、図１４(b)に実際の実験により生成されたディンプル形状を示す。シミュレーション
で は デ ィ ン プ ル 深 さ が 21μm 、 デ ィ ン プ ル 径 が150μm のディンプルが得られ、実験ではディンプル深さが 22μm、ディンプル径が 128μm のディンプルが得られる結果となった。ディンプル深さについては実験値と非常に近いシミュレーション結果が得られたが、直径に関しては約 20μm の誤差が出た。また、押し込み時荷重は実験値が 26.3N に対しシミュ
レーションでは 31.5N となり誤差が生じているため、今後の課題となる。

られるように押し込まれている様子が観察される。
ディンプル中心部では真下に圧縮される。
ディンプル中心が離れていくに従い引きずり量は増えていき、ディンプルの縁の部分で最も大きくなった。その後、次第に引きずり量は少なくなっていった。しかし、ディンプル中心から離れて行くにしたがい押し込み量も少なくなるために変位の方向は材料表面に鉛直な方向ではなく水平な方向に変化していった。

図１５シミュレーションにより得られたディンプル部近傍の接点の変位

図１６

ディンプル中心から離れた場所の表面おける接点の変位

図１３ 30μm 時点でのシミュレーション結果

図１６にディンプルから離れた場所の表面おける接点の変位の方向について示した。ディンプル中心から 135μm の位置まではディンプル中心へ向かう
方 向 に接 点が 変 位し てい る のが 分か る 。し かし
135μm を超えて離れていくと変位は右上の方に方向が変わり微少量ながら盛り上がることが分かった。
これはディンプル形成により押しやられた金属部分が寄ってきている為だと考えられる。ディンプルからの距離が 520μm を超えると変位は右下の方向へと徐々に変化していく結果が得られた。
図１４

シミュレーションおよび実験により生成されたディンプル形状

図１５はシミュレーションにより得られたディンプル部近傍の接点の変位を示す。
各接点が図中に書き込まれた矢印の方向にして移動いるのが分かった。
すなわち、表面近傍ではディンプルの中心方向に引きず－ 207 －図１７

レーザピーニングの基本モデリングの計算
概要

５．特殊レーザピーニングの基本モデリングの構築
市販ＦＥＭソフト「ＡＮＳＹＳ」を用いて、アルミニウム合金シート（板厚：２５μｍ）を用いて、アルミニウム合金基板に特殊レーザピーニング時の塑性変形のシュレーションを行った。ミこの計算概図１８ モデリング時のメッシュの画像要を図１７に示す。この時に用いたメッシュ画像を図１８に示す。構築した基本モデリングによるレーザピーニング時の塑性変形の画像（動画）を図１９に示す。このようにレーザピーニング時の塑性変形の動画ファイルとして構築できた。

図１９ レーザピーニング時の塑性変形画像（動画）６．研究成果のまとめ
平成２０年度から２２年度まで、３年間に行ってきた特殊レーザピーニング技術の基礎研究の研究成果をまとめると以下のとおりである。
１）現象の究明として、高速度ビデオによるレーザピーニング現象（１０～１００ｎｓ）の映像を捕らえた。その結果、高出力密度のナノ秒パルスレーザをアルミニウム合金に照射すると、約２０ｎｓでアルミニウム表面が約２０００℃に加熱溶融される状態が映像化できた。 約４０ｎｓ経過するとさらにアルミニウムが高温に加熱され、約１０、０００℃になりプラズマ化することが確認された。５０～１００ｎｓ経るとこれらプラズマはイオンと電子が再結合し、粒子となって飛散している状況が確認された。
２）レーザピーニング処理時のプラズマ圧力をひずみゲージを用いて測定した。その結果、水中ではアルミニウムシートを用いた場合、最大で３．
７ＧＰa（約３．７万気圧）のプラズマ圧力が検出された。ステンレス鋼シートでは０．９ＧＰa（約０．９万気圧）と低い値が検出された。炭素鋼およびアルミニウムを用いて、レーザ出力密度とその時発生する実際のプラズマ圧力を測定した結果、水中で行う方が遙かに高いプラズマ圧力が発生することが確認できた。
３）特殊レーザピーニングに使用する各種メタルシートの影響についても検討した結果、粉体の埋込み状況に大きな差違は認められなかった。
４）基本モデリングの構築を市販ＦＥＭソフト「ＡＮＳＹＳ」を用いて行った。構築した基本モデリングによるレーザピーニング時の塑性変形画像を動画ファイルとして構築できた。
謝辞
本研究は経済産業省の戦略的基盤技術高度化支援事業に採択された「特殊レーザピーニング技術の開発」研究の基礎的データを得るために、仙台高専の柴田公博教授および阿部翼君、並びに三重大学機械工学科の川上博士准教授および園田泰章君のご協力を得て行ったものである。ここに記して謝意を表します。
参考文献
１）特許第４０５８４４８号「レーザピーニング処理方法及びレーザ吸収粉体層シート」（発明者：沓名宗春、斉藤清隆）
２）沓名宗春：特殊レーザピーニング処理とその応用：溶接技術、２００７年８月号、p.63３）沓名、池田、坪井：各種金属の除去加工における蒸発しきい値の検討―エキシマレーザレーザによる金属材料の表面除去加工に関する研究（第３ 報 ）、 溶接学会全国大会講演概要、第６３集、１９９８年１０月 新潟、ｐ302-303－ 208 －