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レーザーピーニングにおけるプラズマ閉じ込め層制御の効果

Effects of control of plasma confinement layer on Laser-Peening

近畿大学大学院総合理工学研究科

エレクトロニクス系工学専攻

北脇一平

研究概要

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aserngineeringaboratory レーザーピーニングとは

レーザー誘起衝撃波によって金属表面近傍に圧縮残留応力層や硬化層を形成させ機械的特性を

改善する技術

航空機部品や原子炉の炉心シュラウドなどの高い信頼性が要求される部分に適用

・効果が材料の奥深くまで及ぶ・レーザー照射条件の管理が容易

・レーザー照射反力がない レーザーピーニング処理

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微細処理・局所処理　：小型・複雑形状部品深部処理　　　　　　：大型部品　　　　　

　 レーザーピーニング ショットピーニング

処

理

範囲微細処理 (溝・穴 )

局所処理（応力集中部・溶接部）

大面積処理

深さ 深部・大型部品処理（ 1mm以上）

表層処理（ 500 µm 以下）

表面粗さ 数 µm 程度 数十 µm 程度加工時間 長い 短時間

工程

付帯工程＊必要な場合の

み

光吸収膜の塗布（処理前） 凸凹表面の研磨作業（処理後）

付帯設備 水噴射装置 集塵設備ショット材回収・分類設備

コスト

初期設備投資

高い 安い

ランニングコスト

安い励起光源が消耗品

高いショット材が消耗品

レーザーピーニングの特徴

レーザーピーニング 0

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aserngineeringaboratory 産業界への応用

レーザーピーニング技術は効果の検証を行うのに手間がかかる生産性や装置コストも含めて

ハードルが高い

レーザーピーニング処理の高効率化により産業界への応用を目指す

実用化のメドがつけば独自の競争力の高い技術として利用できる

実験装置外観

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aserngineeringaboratory レーザーピーニングの原理

液中の金属に対しパルスレーザーを集光照射

金属表面がプラズマ化

プラズマの膨張が液体の慣性により抑制され高い圧力状態となり衝撃波が発

生

圧縮残留応力層や硬化層が形成

パルスレーザー

レンズ

プラズマ

レーザー照射後圧縮応力

水など

金属衝撃波の動的な応力により金属表層が押し延ばされて塑性変形し未変形部からの拘束を受ける

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aserngineeringaboratory レーザーピーニングパラメータ

衝撃波継続時間とレーザープラズマの圧力がレーザーの照射条件などによって主に決定されるとした場合、レーザーピーニングの効果３つの要素の積で表すことが可能

5 つの要素がそれぞれ互いに独立して作用するとき、レーザーピーニングの効果つの要素の積で表すことが可能

3) 衝撃波継続時間　

1) レーザーの照射条件　・ピーク強度 ・波長・パルス幅

・偏光・スポット径・カバレッジ・光学系のＦナンバー

5) プラズマ閉じ込め層　

・密度・音速

4) 材料状態　

・結晶粒径・残留応力

2) レーザープラズマの圧力　

・繰り返し周波数・状態

高エネルギー利用効率レーザーピーニングの実現

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aserngineeringaboratory プラズマ閉じ込め層

レーザー生成プラズマの膨張を抑制し、プラズマ圧力を高めるために用いる媒質

（ b ）水中照射

（ a ）空気中照射

プラズマの膨張が抑制され圧力が増大する空気中へプラズマが膨張

プラズマ閉じ込め層とは

閉じ込め媒質がない場合

閉じ込め媒質がある場合

プラズマの膨張のエネルギーを衝撃波のエネルギーとして利用できる

空気中 水中

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aserngineeringaboratory プラズマ閉じ込め層

03201.0 IZP

・液相では衝撃インピーダンスを音響インピーダンスで評価できる

・レーザー生成プラズマ圧力は音響インピーダンスによって決まる

𝐹 𝑐∝𝑉 𝑠×𝑑𝑙

：プラズマ閉じ込め層制御の効果：プラズマ閉じ込め層の音速：プラズマ閉じ込め層の密度

プラズマ閉じ込め層制御の効果は音響インピーダンスで表せる

P ： プラズマ圧力 [GPa] 、 α: 相互作用効率Z ： 衝撃インピーダンス、

レーザー生成プラズマ圧力：

プラズマ閉じ込め層制御の効果：

・使用レーザーに対して透過率、　絶縁破壊強度が高いこと閉じ込め層（媒質）の条件

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aserngineeringaboratory まとめ

本研究はプラズマ閉じ込め層を制御したときのレーザーピーニング効果を明らかにすることを目的とする

音響インピーダンスを制御する（高める）プラズマ閉じ込め層の効果を高めることを試みる音響インピーダンスを制御することによって𝐹 𝑐∝𝑉 𝑠×𝑑𝑙

絶縁破壊強度が高いものを利用する

エネルギー・コスト等の削減により産業界への応用を目指す

研究例Ⅰ

研究例Ⅱ

プラズマ閉じ込め層を制御することでレーザーピーニング処理を効率化

レーザーのエネルギーを金属表層に到達させるため