レーザピーニングの実用化
Applications of Laser Peening*

名古屋大学 工学研究科
*

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を溶接をする際に、ビード表面をコツコツとたたくことにより、凹凸を表面に作り、表面積を広げ、圧縮の残留応力を与えることにより、延性のない鋳鉄でも溶接割れなく溶接できる。
ショットピーニングは１９２７年のボールによる材料表面の硬化や１９３５年の E.Weibel のショット噴射による疲労強度の向上試験、長沢雄次の鋼球噴射による表面硬化などに始まり、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、ピーンフォーミング、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開発され、利用されている。
レーザピーニングの基本原理は１９６３年に金属に高エネルギ−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、表面硬化法として研究された。１９７０年代初めに米国の Battelle Memorial Labo（バッテル記念研究所）ではその有効性がさらに研究され、表面硬化のみならず、疲労強度の改善効果なども確認された。
現在、レーザピーニングは限られた分野で表面処理技術として実用化され、利用されている。
本報告では、レーザピーニングの原理、その応用を紹介するとともに、最近、著者らが開発した特殊レーザの原理、およびその応用分野についても紹介する。

2.

レーザピーニング

2.1

レーザピーニングの原理と特徴

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）を打ち込む変わりに、図１に示すように、高ピークエネルギーのレーザを５〜２０ｎｓの短時間に、被加工物表面に照射して、発生する超高圧のプラズマ圧により、その表面部を塑性変形させ、残留応力変化を伴う表面処理を行うものである。

図１

レーザピーニングの原理図

すなわち、金属表面のレーザ照射部では瞬時に約２〜５ＧＰa（１ＧＰa は約１万気圧）の超高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１０μm）ディンプル（窪み）を図２のように形成する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２

金属表面に生じる窪み３）

このレーザピーニングも当初はレーザ衝撃硬化として研究された。１９７４年に P.Malozzi およびB.P.Fairand が米国特許を取得した５）。１９７６年に米国バッテル研究所でさらに研究され、疲労強度の改善も報告された６）７）。その後、多くの研究開発がなされ、１９９２年ごろから米国の軍用機のエンジン部品へのレーザピーニングが研究され、１９９６年頃に工業的に適用されるようになった７）。
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、加熱され、金属が加熱・溶融・蒸発・イオン化（プラズマ化）され、超高圧（約５ＧＭＰa）のプラズマ圧が瞬時（１０〜１５ｎｓ後）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、金属表面から内部に強い衝撃波が伝わる。この時のプラズマ圧力はレーザのピーク出力密度から次式のように計算でき２）、図４に示すように照射するレーザの出力密度が１０GW/ｃｍ２以上で約５ＧPa 以上になる。
Ｐ＝・・・・（１）

図３レーザピーニング後の板内部の応力分布４）
１９９９年４月に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８）〜１２）。さらに最近、ピーニングを道路橋の疲労強度改善などに適用しようとする研究・開発も活発であり、ますます、ピーニング技術そのものが花を開こうとしている。

図５ピーニング部の残留応力１４）
この５万気圧で金属表面に塑性変形を与える。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、最大値として、その材料の降伏点に相当する圧縮の残留応力が表面近傍に発生し、約１．０ｍｍの深さまで、広く圧縮の残留応力が分布することになる１４）。
この塑性変形による圧縮の残留応力は溶接構造物などの疲労亀裂の進展を抑制する効果がある。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。すでに、米国では航空機ジェットエンジン部品の疲労亀裂進展防止や疲労強度の改善、

図４

照射レーザのピーク出力密度と発生するプラズマ圧の相関１３）
レーザピーニングの基本的な機構は図１に示した
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：５〜２０ｎｓ）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℃以上に瞬時に我が国では原子力発電プラントのシュラウドの応力腐食割れ防止や予防保全対策作業に工業的に利用されている。
航空機用 Inconel718 合金の疲労試験でレーザピーニングがショットピーニングに比べて、十分高い疲労強度を有し、その寿命が約１０倍ほど延命することが図６のように確認されている１４）。

水を透過しやすい波長の２倍波（波長：５３２ｎｍ）を用いて行っている。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た１１）。
また、米国では GE 社などで１９９２年ごろより軍用機のジェットエンジン部品のレーザピーンングを研究開発し、１９９６年頃よりオーバーホー
図６

アルミ６０６１合金の疲労強度に及ぼすピーニング処理の影響１４）ル時に採用してきた１4）。民間機ではボーイング社

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。

２．２

レーザピーニングの応用

１９９７年ごろ、東芝の佐野らは原子力発電プラン

図 8 民間機エンジンファンブレードに適用さ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４月に世界で初めて、浜岡の原子力発電所の炉が図８に示す民間機エンジンファンブレード（Ti-6Al-4V 合金）にレーザピーニングを２００２年より採用している

心シュラウ

1４ )ドの補修に。レーザピーニングの最大のメリットは図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適用した８）〜１２）れるレーザピーニング１４）倍長くなることである。それにより、オーバーホー。図７はルの期間を延長でき、費用を削減できる。米国軍用

最近の適用機のその費用は年間約 14０億ドルにもなるので、大状況を示す。

きな効果が生じる 1４)。

Ｑ−スイッ

２．３ーザ発振器

レーザピーニングによる溶接継手の疲労強度の改善

からシュラ

著者らはアルミニウム合金のＭＩＧ溶接継手のＨＡＺ

ウドまでビの軟化による引張強度および疲労強度の低下の問題

チの YAG レ

ーム伝送を 図７

原子力発電プラントの応力腐食点を解決する方法としてレーザピーニング処理を検討し光ファイバ割れの予防保全にレーザピーニた。板厚６ｍｍのＡ５０５２合金をＭＩＧ溶接し、その疲労ー伝送によりング処理

１２行い、現在、多くのプラントに対して実施している。

強度を調査した。
供試材として、熱処理合金である。A6061-T6 アルミ

ニウム合金を用いた。寸法は 260×80×6mm である。の断面観察を行MIG 溶接機を用いて、突合せ溶接を行った。溶接電った。レーザピー流を 200A、電圧を 21V、溶接速度を 30mm/min とした。

ニングを施したもこの溶接継手の止端部にレーザピーニング処理を行っのは図１３に示すた。図９に示すように、作製した溶接継手の止端部に幅ように亀裂の発生7mm にわたってレーザピーニングを施した。パルスエネが認められなかっルギーを 100mJ、スポット径を 0.6mm、パルス密度をた。

(a) 溶接のまま

27.3 pulse/mm2、カバーレージを 7.7 とした。なお、レーザは水に吸収されにくい Nd:YAG レーザの第 2 高調波(波長 532nm, パルス幅 8ns)を用いた。得られた試験片に対して、断面観察、表面粗さ測定、ビッカース硬さ測定、疲労試験、残留応力測定などを行った。
(b) レーザピーニング処理後
母材

図１０止端部の組織写真

溶接のままレーザピーニング処理

図９ ＭＩＧ溶接継手の止端部のピーニング処理（両止端部 ７ｍｍの幅で処理）
図１０に溶接止端部のミクロ組織写真を示す。プロ
セス中の塑性変形により表面がややくぼんでいること、

図１１ 表面からの距離と硬さ分布粗くなっていることが確認された。表面粗さを測定したところ、最大で 50μm、平均で 37μm であることが確認さこの研究では、アルミニウム合金 MIG 溶接継れた。

手を作製し、作成した溶接継手にレーザピーニン

図１１に止端部における硬度分布を示す。レーザピー

グ処理を行うことにより、HAZ 軟化の防止、疲労ニングを施した場合の表面の硬さは約 105Hv で、母材強度の改善を検討した。レーザピーニングを施すと同等、レーザピーニングを施していない場合と比べてことにより、疲労強度が改善するとともに、表面30Hv 程度上昇していた。また、硬さが上昇していたのの硬さが母材と同等にまで高くなること、止端部は表面から約１mm までであり、レーザピーニングの影の残留応力が圧縮応力となることを確認した。

響は表面近傍のみであることが分かる。
図１２に疲労試験結果を示す。レーザピーニングを施したものにおいては止端部にき裂が発生していないことが確認できた。また、レーザピーンニングを施した試験片では残留応力が圧縮となっていることが確認された。 レーザピーニング処理を施した場合、疲労強度が大幅に向上することが分かった。疲労試験後に試験片

なお、鋼材の溶接継手についても佐野らの試験結果が報告されており、疲労強度に対するレーザピーニング処理の効果が確認されている、

プラズマでこのシートを変形させ、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
17）。

図１２ 疲労試験結果（◇：母材 △：レーザピーング●溶接のまま）

図１４

特殊レーザピーニングの原理図１５）１６）

図１５ピストンスカート、ピストンシリンダー溶接のまま

レーザピーング後
図１３ １千万回後の試験片断面写真

３．特殊レーザピーニングの開発
３．１ 特殊レーザピーニングの原理著者
は（株）斉藤工業の斉藤清隆氏らと従来のレーザピーニングに変えて、新しく特殊レーザピーニング技術（Special Laser Peening＝ＳＬＰ法）を開発した。その基本的な考え方は図１４に示す.
従来のレーザピーニングでは粉体を打ち込むへの適用案１５）
この 粉体シート を用いる特 殊レーザピ ーニ
ング技術は、図１５に示すような自動車エンジンなどのエンジンシリンダ、ピストン、ベアリングなどの摺動機械部品の表面に対して、従来ことはできなかったが、この特殊レーザピーニンにない表面改質技術を提供するものである。従グでは各種の粉体を部材表面に打ち込むことが来はその耐摩耗性や摺動性を向上するために、できる。部材表面にレーザ吸収粉体層シートを設焼入れ、浸炭・窒化処理、ショットピーニング

け、その上に水などのレーザ干渉層を準備し、高処理、合金化処理などを施しているが、ここでピーク出力短パルスレーザにより生じる超高圧はその表面を改質するのみでなく、被加工物表アコン部品に図１６のように打ち込めれば、滅菌面に異物を高ピーク出力レーザで瞬時に発生作用があり、この問題の解決も可能になる。

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３．２

特殊レーザピーニングの基礎実験

この特殊レーザピーニング処理はその打込む粉体と基板の材質を種々変化させることでその応用分野はピストンの摺動性改善、反応容器の触媒による機能向上、医療機器、日用品、エアコンなどへの抗菌剤の打ち込み、装飾品への香料の燃機関エンジンの回転数の向上、エンジン効率打ち込みなど、非常に幅広い適用が考えられる。の向上により燃費効率の向上が可能となる。よそこで、著者は「特殊レーザピーニング研究会」って、環境問題にも大きく寄与できる新技術でのメンバーである光産業創成大学院大学山中正ある。特殊レーザピーニングの特徴はつぎよう

宣研究室の高ピーク出力の Q―スウイッチー
YAG レーザ装置の２倍波を用いて、図１７のよである。

うな実験装置でアルミニウム合金基板に６．７μ◆各種粉体を利用できるｍ径のアルミナ粉末をレーザピーニングした。

◆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（ＴｉＯ２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

図１６ステンレス鋼への抗菌剤の打込み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

図１７

図１８

間接型レーザピーニングの実験状況

アルミ基板上に打込まれたアルミナ粉末（平均径：６．７μｍ）

ビームスポットは０．５ｍｍで、ピークパワー密度を８ＧＷ/ｃｍ２として、７ｎｓのパルス幅でレーザピーニングした。
そのピーニング部のＳＥＭ写真を図１８に示す。
窪みの表面には一面、アルミナ粉体が打込まれている。この窪み（ディンプル）の表面には図１９に示すように半球状の鍋底型のディンプルが得られた。

(b) ディンプルの深さ測定結果
図２０ ベースシート（SUS304 薄板）に生じたプラズマ圧によるディンプルの形状

その底面にはアルミナ粉体が打込まれていた。従来のレーザピーニングでは図２０に示すようにディンプルは底面が凹凸状になり、周辺部に盛上がりが見られ、滑らかでなく、不均一な形状である。

３．３

特殊レーザピーニング技術の応用分野

この特殊レーザピーニング技術の応用分野として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 17）（ピストンエンジンの摺動性改善により摩擦抵抗エネルギー損失を約８％向上させ、燃費を改善
図１９ 特殊レーザピーニングにより打ち込まれたアルミナ粉体（断面写真）
この窪みの形状を見ると、従来のレーザピーニングの窪み形状に比べ、非常に滑らかである。今回のパルス繰返し数は１Ｈｚで実験しているが、市販の装置で５ｋＨｚとか１０ｋＨｚの繰り返しで、微小な径のピーニング処理を行うことができる。無数に近い微小なディンプルを数１０分で部品表面に形成することも容易である。

できる。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（構造物の疲労強度改善、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、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）
このように、特殊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、装(a) ディンプルの平面写真

飾品、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できると考えられる。
このような成果をもとに、平成１９年度の経済産業省の地域新生コンソーシアム研究開発事業に、３大学（名古屋大学、三重大学、光創成大学院大学）、１公的研究機関（愛知県産業技術研究所）、７企業

（斎藤工業、レーザックス、中央精機、東洋精鋼、名古屋レーザ・ニュース、20 号（2006）, p.61-65

新東ブレーター、石原薬品、エンシュウ）、管理団

11) 佐藤、小林、佐野ほか：原子炉炉内構造物の保体団（中部科学技術センター）で応募したところ、

全技術; 東芝レビュー、55-10(2000),p.37-41

平成１９年８月２日付けで採択され、現在、研究開

12)佐野、牧野ほか：レーザを使用した原子炉の水中メインテナンス技術、溶接技術、53-5(2005),発を推進中である。
この特殊レーザピーニング技術は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。

p.78-8213)Berthe L.,Fabbro R., et al: Study of Plasma Inducedby Laser in Water Confinement regime:proc.of
ICALEO,Oct.13-16,2003,Jacksonville,FL, CD

参考文献14) Rockstroh : Cost Effective Laser Shock processing1).Kudryavtsev Y. Kleiman J. et al: Rehabilitation andDevelopment at GE Aircraft Engines, Proc. ofRepair of Welded Elements and Strucutures byICALEO’ 2005, Miami,FL, Oct 31-Nov3,2005,

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Sept.,2005
2)White R..M., Journal of Apply Physics, Vol.34(1963),
2123
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Cracking and Fatigue Failure in Navy Ships andSystems, proc. of SAIL, June 2-4,2003, Williamsburg,
US, Paper #sec6-054) Fan Y.J., Wang Y.N., et al: Wave-Solid Interactionsin Shock Induced Deformation Processes, Proc.
ICALEO, Oct.31-Nov.3,2005, Miami,479-488
5) Fairand B.P. and Clauer A.H.: SPIE Industrial
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6) Clauer A.H., Fairand B.P. Proc. of Conf. on
Applications of Laser in Materials Processings, byAWS, Ohio,US, 1979,p.291-315
7) RockstrohT.J.: Cost Effective Laser Shock Processing
Development at GE Aircraft Engines, Proc. ICALEO,Oct.31-Nov.3, 2005, Miami, 703-709
8) 依田、佐野、向井：光ファイバによる２０ＭＷレーザパルスの伝送とその応用、レーザー研究、
28-5(2000),p.309-313
9) 依田、佐野、向井ほか：レーザーの水中照射による金属材料の残留応力改善メカニズム、日本原子力学会誌、42-6(2000), p.567-573
10) 佐野雄二：レーザピーニング技術の開発と応用、

15) 特願 2005-371961：「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」
16) 特願 2005-371962：「表面処理方法、レーザ吸収粉体層シートおよびレーザピーニング用粉体スプレー」
17)石渡正人、原田高行：微粒子噴射による表面改質および精密ブラスト処理、日本粉末冶金工業会誌、２００５、