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

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、被加工宗春物表面に照射して、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、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。

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

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℃以上に瞬時にに有効である。すでに、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、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）。

た１１）。

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）

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。

図７

原子力発電プラントの応力腐食割れの予防保全にレーザピーニング処理１２）◆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。

また、米国では GE 社などで１９９２年ごろより軍◆粉体を用いないので環境がクリーン。

用機のジェットエンジン部品のレーザピーンングを◆騒音も少ない。

研究開発し、１９９６年頃よりオーバーホール時に◆小型化、自動化が容易。

２．２

採用してきた１4）。民間機ではボーイング社が図８

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に示す

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心シュラウドの補修に適用した８）～１２）。
図７は最近の適用状況を示す。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７０ ０ Ｍ

Ｐ aの 圧 縮

残留

応 力 が生じて い る

こと

が 確 認

され

図 8 民間機エンジンファンブレードに適用されるレーザピーニング１４）
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1４)。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

1４)。

ピストンスカート、ピストンシリンダーへの適用案１５）

３．特殊レーザピーニングの研究・開発
３．１

図１０

特殊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９に示す.
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、この特殊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、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）。

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１０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、従来にない表面改質技術を提供するものである。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回転数の向上、エンジン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。
特殊レーザピーニングの特徴はつぎようである。
◆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。

図９

特殊レーザピーニングの原理図

１５）１６）

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

図１２

間接型レーザピーニングの実験状況

が、抗菌剤をエアコン部品に図１１のように打ち込めれば、滅菌作用があり、この問題の解決

ビームスポットは０．５ｍｍで、ピークパワー密度も可能になる。

を８ＧＷ/ｃｍ２として、７ｎｓのパルス幅でピーニングした。そのピーニング部のＳＥＭ写真を図１３

図１１金属表面への抗菌剤の打ち込み案

図１３

アルミニウム合金表面に打込れたアルミナ粉体（平面写真）

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に示す。窪みの表面には一面、アルミナ粉体が打込と基板の材質を種々変化させることでその応用分野まれている。この窪み（ディンプル）の表面には図はピストンの摺動性改善、反応容器の触媒による機１４に示すように半球状の鍋底型のディンプルが得能向上、医療機器、日用品、エアコンなどへの抗菌られた。その底面にはアルミナ粉体が打込まれてい剤の打ち込み、装飾品への香料の打ち込みなど、た。従来のレーザピーニングでは図１５に示すよう非常に幅広い適用が考えられる。そこで、著者にディンプルは底面が凹凸状になり、周辺部に盛上

は「特殊レーザピーニング研究会」のメンバーである光産業創成大学院大学（山中正宣研究室）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１２のような実験装置でアルミニウム合金基板に平均６．７μｍ径のアルミナ粉末をがりが見られ、滑らかでレーザピーニングした。

なく、不均一な形状である。

図１４

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。

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、(a) ディンプルの平面写真新東ブレーター、石原薬品、エンシュウ）、管理団体団（中部科学技術センター）で応募したところ、８月２日付けで採択され、現在、研究開発を推進中である。
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(b) ディンプルの深さ測定結果
図１５

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

３．３

くものと思われる。

４．最新レーザ利用生産システムの開発

特殊レーザピーニング技術の応用分野

１９９０年より急速に発達した高出力半導体レー

この特殊レーザピーニング技術の応用分野としてザを主に利用した加工用レーザ、また、高ピーク出次のような機能向上に応用できると考えられる。

力・高繰り返しパルスレーザ、超短パルスレーザな◆摺動部品の摩擦抵抗の低減、摺動性の向上 17）

どの最新のレーザを用いたレーザ加工システムが（ピストンエンジンの摺動性改善により摩擦抵抗２０００年以降、特に加工分野で利用されるようにエネルギー損失を約８％向上させ、燃費を改善なってきた。これらは光変換効率が高く、小型であできる。回転数の向上も期待できる。）

り、今後ますます、各種レーザ加工に利用されると◆圧縮残留応力による疲労強度の改善と応力腐食割思う。そこで、茶者はこれらの加工システムを「最れの防止（構造物の疲労強度改善、化学プラント、新 レ ー ザ 利 用 生 産 シ ス テ ム :Advanced Laser

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

Integrated Manufacturing System=ALIMS」と名付けた。
これらはつぎのレーザ加工技術を含む。
１）レーザ・アークハイブリッド溶接（各種反応容器の性能向上、燃料電池の効率向上）

２）リモート溶接（光触媒による環境浄化機能、消臭機能、殺菌機

３）レーザろう付能の付与）◆抗菌剤の効率的な塗布

４）異種金属のレーザロール溶接
５）樹脂のレーザ溶着（食品機器、厨房機器及び医療機器等への抗菌剤

６）レーザ直接造形・肉盛の付着、空調機器の金属フィルター等のかびの

７）レーザ成形・曲げ加工除去、除菌効果）

８）レーザクリーニング・ストリッピング◆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）

９）レーザピーニング
１０）レーザ微細加工・ナノ加工

１１）フェムト秒レーザ加工．
ここでは著者らのグループで開発したシステムを紹介する。

熱伝導と原子の拡散により接合するもので、脆弱な金属間化合物を形成を抑制し、難接合継手とされている Ti-Al 合金、Fe-Ti, Fe-Al 合金の異材継手を接合できるのが特徴である。何れも引張せん断試験

４．１

３Ｄリモートレーザ溶接・切断ロボット

Ｈ１６・１７年度に地域コンソーシアム研究開発
により、研究グループのレーザックス社は図１６にで母材破断する接合継手が得られる溶接条件を選定できた。図１８はアルミニウム合金と純チタンの重ね継手の引張せん断試験結果を示す。

示すような２ｋＷファイバレーザ装置、小型６軸多関節ロボットおよびＸ、Ｙ―ガルバノミラー付き小型遠隔加工用ヘッド(XYZ-3 軸サーボモータ制御)を用いた３次元のリモートレーザ加工システムを開発した。
加工可能エリア、ワーキングディスタンス、レーザスキャン角度、最大ポジショニング速度、繰返し位置決め精度に関しても、自動車産業などでの応用を考慮した開発目標仕様をクリアする成果が得られた。現在、さらにソフトウェアの改良作業などを進図１７開発したレーザロール溶接装置めている。
重ね代（接合幅）と強度の関係を示すが、ある接合幅以上ではすべて母材破断を示した。図１９はその破断状況を示す。
航空機部材の Al-Ti 部材、Al-Steel の高強度・軽量な自動車パネルおよび Ti-Steel の耐海水腐食性高機能パネルなどをレーザロール溶接により製作する技術を開発した。新開発のレーザロール溶接技術をALIMS として実現することにより軽量、高強度、高耐食性、高機能な各種異種金属構造部材を低コストで生産できる技術を開発した。

図１６

４．２

３Ｄリモートレーザ溶接・切断ロボット

レーザロール溶接による異種金属継手

上述のコンソーシアム研究開発において、各種異種金属継手を持つ高強度・高機能部材の製造技術の開発も行った。図１７に示すレーザロール溶接で、異種金属の片側の金属のみ所定の高温に加圧し、ローラでもう一方の金属に加圧接触させ、

図１８

アルミニウム合金とチタンのレーザロー
ル溶接継手の引張せん断試験結果
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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),
p.78-8213)Berthe L.,Fabbro R., et al: Study of Plasma Inducedby Laser in Water Confinement regime:proc.ofICALEO,Oct.13-16,2003,Jacksonville,FL, CD
14)

図１９15) 特願 2005-371961：「レーザピーニング処理方法

チタン母材で破断した異材継手試験片

および精密ブラスト処理、日本粉末冶金工業
会誌、２００５、