雑誌「溶射技術」２００８年１０月号

レーザピーニングの適用
光産業創成大学院大学特任教授

沓名宗春

１．はしがき“Peening ピーニング”という用語は、ショットピーニングとかハンマーピーニングとして古くより使われてきた。例えば、ハンマーピーニングは先の尖ったハンマーで鋳鉄の溶接をする際に、ビード表面をコツコツとたたく技術である。これにより表面積を広げ、圧縮の残留応力を与え、延性のない鋳鉄でも溶接割れなく溶接できる。肉盛溶接時にも多層溶接すると残留応力が大きくなるので、ピーニングで表面を延ば して行う。ショットピーニングは１９２７年ころより、材料表面を鋼球で叩くことにより硬化する技術として発達してきた。現在は工業的に、表面硬化、残留応力付与、疲労強度の改善、応力腐食割れ防止、表面粗さ調整、耐摩耗性向上、バリ取り、研削加工、黒皮除去、などに広く利用されている。また、超音波ピーニング １）～２ ） およびウオータジェットピーニングなども 適用されている。
レーザピーニングの基本原理は１９６３年ころアルミニウムや銅のような金属に 高エネルギ－のパルスレーザを照射すると衝撃波の発生および塑性変形が生じることが確認され、レーザ衝撃硬化法として発達してきた。現在、限られた分野ではあるが表面処理技術として実用化されている。これらは溶射技術を異なり、表面に強い衝撃を与え、塑性変形を生じさせ、圧縮の残留応力を導入できる。溶射は溶射した粒子などが溶着後、冷却することにより溶射層に引張の残留応力が生じやすい が、ピーニングした表面は圧縮の残留応力が残る利点がある。
２．レーザピーニングの機構と特徴
ここで、取り上げるレーザピーニングはショット（綱球、セラミックス粉体、ガラ ス粉体など）を機械的に打込む代わりに、図１に示すように、高ピークエネルギーのレーザを短時間（５～２０ナノ秒）に、材料表面に照射して、材料が瞬時に発生する超高圧のプラズマの衝撃波により、表面部を塑性変形させ、表面マイクロ加工を行うものである。すなわち、金属表面のレーザ照射部では瞬時に超高圧（約２～５万気圧）のプラズマが発生し、その衝撃波が材料に伝わり、微小な（深さが数μm から数十μm）のディンプル（窪み）を図２のように形成する ３） 。

図１レーザピーニングの原理図

図２ レーザピーニングで表面に生じる窪み ３ ）この照射を繰り返すと、表面近傍は約１ｍｍの深さまで圧縮の残留応力が生じる ３ ）。 図
３に示すように、板表面部に圧縮の圧縮残留応力が、板内部に引張の残留応力が生じる ４ ）。
このように表面に圧縮の残留応力が発生すれば、疲労強度の改善や溶接部の応力腐食割れ防止等が可能である。

図３レーザピーニング後の
図４照射レーザの出力密度と板内部の応力分布 ４）
プラズマ圧の相関 ５ ）レーザピーニングの基本的な機構は図１示したように５～１５ＧＷ /cm2 という高ピーク
出力密度の短パルス（パルス幅：５～１０ｎｓ）の固体レーザ（波長：１０６４ｎｍ又は５３２ｎｍ）を金属表面に照射すると、金属表面は５０００℃以上に急速に加熱され、金属が約１５ｎｓで加熱・溶融・蒸発・イオン化（プラズマ化）され、超高圧（約５万気圧）のプラズマ圧が瞬時に生じる。このプラズマは放射状に空間に広がろうとする。もし、この図のようにレーザ干渉層（水など）があると、この層により、プラズマが閉じこめられ、金属表面から内部方向に強い衝撃波が伝わる。この時のプラズマ圧力は図４に示すように出力密度と関係があり５万気圧以上になる。この圧力で金属表面に塑性変形を与える ５ ） 。
その結果、 図２に示したように窪み（ディンプル）が生じ、その周辺の応力分布は、図５に示すように最大で降伏点に相当する圧縮の残留応力が分布することになる ３ ）。この塑性
変形による圧縮の残留応力は疲労亀裂の進展を抑制する効果がある。 図６はアルミニウム合金の疲労試験結果を示す ３） 。ショットピーニング処理試験片に比べて、約１０倍の寿命を示している。また、応力腐食割れの進展を防止するなど、工業的に非常に有効である。

図５ピーニング部の残留応力 ３ ）

図６A6061 アルミ合金の疲労試験結果 ３ ）このレーザピーニングは他のピーニングに比べて次のような特徴がある。
◆圧縮残留応力分布が大きく深い。
◆疲労寿命がショットピーニングの約１０倍である。
◆局所のマイクロピーニングも可能である。
◆応力腐食割れ防止を容易にできる。
◆粉体を用いないので環境がクリーン。
◆騒音も少ない。
◆小型化、自動化が容易。
３．レーザピーニングの適用例
このレーザピーニング技術も、１９７４年に米国特許が出願され、１９７６年に米国バッテル研究所での開発が報告されている ６ ） ７） 。その後、多くの研究開発がなされ、特に、米軍では１９９２年ごろから図７に示すような軍用機のジェットエンジン部品（ブレードローター）へのレーザピーニングが研究され、１９９６年頃よりオーバーホール時に採用されてきた ３ ） 。民間機ではボーイング社が２００２年より図８に示すように、ジェットエンンジンの Ti-6Al-4V 合金製ファンブレードに適用している。

図７米軍戦闘機のジェットエンジン部品 ）への適用 ８）

図８民間機エンジンファンブレードのＬＰ ３ ）我が国では原子力発電プラントの応力腐食割れ防止に、東芝がレーザピーニング の研究開発を行い、浜岡の原子力発電所のシュラウドに適用したのが最初と思われる ９ ） ～ １２ ） 。
１９９７年ごろ、東芝の佐野らは原子力発電プラントの応力腐食割れの事故を防止したり、その補修・延命のために、レーザピーニングの研究・開発を始め、１９９９年に世界で初めて、浜岡の原子力発電所の炉心シュラウドの補修に適用した。図９はその適用状況を示す。Ｑ－スイッチの YAG レーザ発振器からシュラウドまでビーム伝送を光ファイバー伝送により行い、現在、多くのプラント（米国のＧＥの原子炉にも）に対して実施している。
水を透過しやすい波長の２倍波（波長：５３２ｎｍ）を用いて３００Ｈｚのパルス照射で行っている。SUS304 鋼のピーニング実験では残留応力分布が材料表面でレーザピーニングにより最大約７００ＭＰa の圧縮残留応力が生じていることが確認されている。 １ １） 。

図９原子炉シュラウドへのＬＰの適用 11 ）

図１０ 電磁鋼板の静的引張試験結果 １ ３ ）レーザピーニングのメリットの１つは図６に示したように疲労寿命がショットピーニングの約１０倍長くなることである。それにより、オーバーホールの期間を延長でき、費用を削減できる。米国軍用機のその費用は年間約 140 億ドルにもなるので、大きな効果が生じる ３） 。
２００８年の日本自動車技術会の表彰に輝いたレーザピーニング技術がある。日産自動車の島田らが開発したＩＰＭモーターのロータコアに採用されている 電磁鋼板の端面へのレーザピーニング処理による静 的および疲労強度の改善技術である １３ ） 。図１０は電磁鋼板の静的引張試験結果に及ぼすレーザピーニング処理の影響を示す。放電加工で切断したままのもの、打ち抜きしたものに比べ、０．２％耐力が向上している。疲労試験 結果でも放電加工で切断したままのものに比べ、５０％の疲労限の向上が認められた １ ３ ） 。

４．間接型レーザピーニング技術の開発
４．１ 間接型レーザピーニングの原理と特徴
著者は（株）斉藤工業の斉藤清隆氏と 従来 の レ ーザ ピ ー ニ ン グ に変 えて、新しく間接型レーザピーニング技術（Indirect Laser Peening）を開発した。その基本的な考え方は図１1 に示すように、従来のレーザピー
ニ ング で は 粉体 を 打 ち 込 む こと はできなかったが、この間接型レーザ
ピ ーニ ン グ では 各 種 の 粉 体 を部 材表面に打ち込むことができる。部材
表 面に レ ー ザ吸 収 粉 体 層 シ ート を設け、その上に水などのレーザ干渉層を準備し、高ピーク出力短パルス

図１１間接レーザピーニングの機構 １４）、 １５）

レーザにより生じる超高圧プラズマでこのシートを変形させ、図１２に示すような微小なディンプルを任意の寸法で形成させ、このシートの底部に付着している粉体を部材に打ち込む方法である。ショットピーニングではＷＰＣ処理としてすでに各種部品の表面処理に利用されている。 この粉体シートを用いる間接型レーザピーニング技術は、図１３に示すような自動車エンジンなどのピストンなどの摺動機械部品の表面に対して、従来にない表面改質技術を提供するものである。

図１２間接型レーザピーニングでのディンプル形状

図１３

ピストンスカートへの適用案 １ 5 ）

従 来 は そ の 耐 摩 耗 性 や 摺 動 性 を 向 上 す る た め に 、焼 入 れ 、浸 炭・窒 化 処 理 、ショットピーニング処理、合金化処理などを施しているが、ここで はその表面を改質するのみでなく、被加工物表面に異物を高ピーク出力レーザで瞬時に発生させたプラズマの衝撃波で打込むとともに、その表面層の内部応力分布を圧縮残留応力になるように制御する手段を用いて、 従来法に比べ、数倍から数１０倍の耐摩耗性や摺動性を向上する技術を開発するものである。この摺動性や耐摩耗性の向上により、自動車や船舶などの内燃機関エンジンの効率の向上により燃費効率の向上が可能となる。よって、環境問題にも大きく寄与できる新技術である。

間接型レーザピーニングの特徴は次のようである。
◆各種粉体を利用できる◆各種表面機能の向上が可能◆処理深さが深い◆処理面の性能向上が非常によい。
◆局部照射もよい。
◆作業環境がよい。
◆自動化が容易。

摺動部品の改善以外に、この間接型レーザピーニングは触媒（金、白金など）、特に最近注目されている光触媒（ＴｉＯ ２ など）、抗菌剤（銀など）、香料、耐食性材料などを反応容器以外に、各種工業製品や生活用品の表面に打ち込むことができ、将来の我々の生活を一層快適にすることに寄与できると期待されている。例えば、家庭のエアコンにつく“「カビ」の問題があるが、抗菌剤をエアコン部品に打込めれば、除菌作用があり、この問題の解決も可能になる。
４．２

間接型レーザピーニングの研究開発

平成１９年度および平成２０年度の経済産業省の地域 新生コンソーシアム/イノベーシ
ョン研究開発事業に、この「間接型レーザピーニング技術の開発および実用化」が採択され、現在、実用化に向けて開発が進めている。その応用分野をピストンの摺動性改善、反応容器の触媒による機能向上、自動車ホイールの疲労改善に絞り実用化研究を行っている。
図１４は間接型レーザピーニングの機構図と水中 でのピストンスカート部のピーニング状況を示す。

(a) 機構図
図１４(b) ピーニング状況

間接型レーザピーニングの機構とその状況

アルミニウム箔をベースシートとしてオートバイ用ピストンにレーザピーニングしたシート上の模様を図１５に示す。また、シート裏面からアルミニウム合金基板に打ち込まれた二硫化モリブデン粉末（灰色部）を図１５に示す。ビームスポットは約５００μｍとし、１５ＧＷ/ｃｍ２のパワー密度で、８ｎｓのパルス幅で実施したものである。
現在、ＭｏＳ ２ の粉体をアルミニウム合金製ピストン表面に打ち込む実験も進めている。
図１６はアルミニウム合金板にＭｏＳ ２ の粉体をピーニングした時のアルミ基板の表面状態を示す。

図１５(a)ベースシート除去前(b)ベースシート除去後アルミニウム合金製ピストン表面にに形成されたディンプルの例

図１６ 間接型レーザピーニングにより打込まれた二硫化モリブデン粉体（灰色部）とディンプル形状
４．３ 間接型レーザピーニング処理技術の応用分野
この間接型レーザピーニング技術の応用分野としては、次のような機能向上に応用できると考えられる。
◆摺動部品の摩擦抵抗の低減、摺動性の向上 16 ）（ピストンエンジンの摺動性改善により摩擦エネルギー損失を約８％向上させ、燃費を約４％改善することを目標としている。回転数の向上も期待できる。 ）◆圧縮残留応力による疲労強度の改善と応力腐食割れの防止（溶接構造物の疲労強度改善
17 ）、化学プラント、発電プラントの応力腐食割れの防止 、核燃料の廃棄用キャニスターの応力腐食割れの防止など）◆各種触媒の打込み（各種反応容器の性能向上、燃料電池の効率向上）（光触媒による環境浄化機能、消臭機能、ウイルスの殺菌機 能の付与）

◆抗菌剤の効率的な塗布（食品機器、厨房機器及び医療機器等への抗菌剤の付着、空調機器の金属フィルター等のかびの除去、除菌効果）◆香料などの効率的な塗布（装飾品、身の回り品や家庭用品への各種香料の低温での塗布）◆
樹脂基板への金属粒子のマイクロ描画（電子回路の乾式描画など）
このように、間接型レーザピーニング技術は自動車エンジンから医療機器まで、各種工業、食品産業、農業、医療分野など非常に幅広い応用に利用できるイノベーション的技術を提供するものと考えられる。
５．まとめ
レーザピーニング技術はまだまだ工業的には限られた応用しか利用されていないが、今後、従来型および間接型レーザピーニング技術が工業的な利用以外にも広く利用できるので、さらに広く発展して行くものと思われる。
参考文献
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13) 島 田 、 松 岡 、 浦 本 ら ； 電 磁 鋼 板 の 部 分 強 化 技 術 、 自 動 車 技 術 会 論 文 集 、Vol.38-No.1(2007),pp.209-213
14)特許第４０５８４４８号（２００７）「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」
15)沓名：レーザピーニング処理とその応用、溶接技術、
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