レーザピーニング処理方法
【課題】溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する環境で従来よりも疲労特性を向上させるためのレーザピーニング処理方法を提供する。
【解決手段】パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【解決手段】パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、橋梁の橋桁、自動車の足回り部品などの溶接構造物、自動車ホイールなどの成形部品などの疲労特性を改善する技術に関し、特に引っ張り残留応力が生じやすい溶接部または塑性加工部に圧縮応力を導入し、疲労特性を向上するためのレーザピーニング処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に溶接構造物における溶接部及びその近傍（以下、溶接止端部ということもある）は溶接後の熱収縮により引っ張り残留応力が生じやすいと同時に、その形状が急峻な角度を有する切欠形状となりやすいことに起因して繰返し応力付加時に応力集中部となりやすい。また、冷間プレス成形などにより強い引っ張り応力が付与される金属部品の塑性変形領域にも、同様に引っ張り残留応力が生じる。特に、橋梁の橋桁、自動車の足回り部品などの溶接構造物、自動車ホイールなど成形部品などでは、繰り返し荷重を受ける環境下で使用されるため、引っ張り残留応力が生じやすい溶接部や塑性変形部位が疲労亀裂の発生箇所となり、疲労特性を低下させる主要な原因となっている。
【０００３】
従来、溶接構造物の溶接止端部に生じた引っ張り残留応力部に対して外部から圧縮応力を導入し、疲労特性を改善させるための方法として、ショットピーニング、ハンマー・ピーニング、超音波ピーニング等が知られている。
【０００４】
ショットピーニングは、１ｍｍ以下の硬質金属球体を圧縮空気などにより処理対象物表面に吹き付けることにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。また、ハンマー・ピーニングは、硬質金属棒を用いて処理対象物表面を機械的に打撃することにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。
【０００５】
また、超音波ピーニングは、超音波を用いて高周波数で硬質金属ピンを振動させて処理対象物表面を打撃することにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。超音波ピーニングは、ショットピーニングやハンマーピーニングに比べて、反動が少なくて作業性が良く、また、比較的深い領域まで圧縮残留応力を導入できる方法である。
【０００６】
しかし、ショットピーニング、ハンマーピーニング、超音波ピーニングは、いずれも、硬質金属により処理対象物表面に圧縮応力を付与する方法であるため、処理表面に圧縮残留応力を多く導入するためには表面性状を劣化させ、表面に形成された凹部は応力集中部および疲労亀裂発生基点となるおそれがあり、疲労強度を飛躍的に向上するためには限界があった。また、これらの方法は、直径１ｍｍ程度の小さな穴加工した部品、歯車などの成形加工により局所的な微小部位の引っ張り残留応力を改善するための処理は困難であるという技術的課題があった。
【０００７】
一方、上記の方法とは全く異なる圧縮残留応力の導入処理方法として、近年、レーザピーニング法が開発された（例えば、特許文献１、参照）。この方法によれば、高出力・短パルスのレーザを集光し、このレーザ光に吸収の少ない水などのレーザ媒質を介して、処理対象物である金属表面に照射することにより、金属表面で発生したプラズマが膨張する際に生じる水などのレーザ媒質からの反力を利用して、表面に圧縮応力を導入する方法である。この方法では、従来の処理方法と比較して、処理表面性状を劣化させずに表面に圧縮残留応力を導入することが可能であるため、疲労強度を大幅に向上できることが期待できる。また、レーザは光ファイバーを用いて処理したい箇所に誘導できるため、直径１ｍｍ程度の小さな穴加工した部品、歯車などの成形加工に生じた微小部位の引っ張り残留応力を改善することも可能となる。
【０００８】
従来、上記レーザピーニング法を用いて、冷却水中における原子炉の内部構造物表面の残留応力改善および亀裂除去を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２、参照）。
【０００９】
この方法によれば、ＹＡＧレーザ（第２高調波発生用）等の可視波長パルスレーザ装置を用い、１パルス当りのピーク出力０．１〜１０ＧＷ／cm2 、パルス幅は１００nsec以下の高出力・短パルスの集光レーザビームを処理表面における照射スポットの平均重畳率が１００％以上（未照射領域がない）となるようにレーザビームを走査して連続的に照射することにより、水中の処理表面全体に効率よく均質に圧縮応力を残留させることができる。
【００１０】
また、上記レーザピーニング法において、集光レーザビームの１パルス当りのパワー面積密度（ＧＷ／cm2）と照射ビームの重畳率を調節することにより、処理表面の残留応力値と内部の残留圧縮応力深さを制御すること、および、照射スポット形状をｙ方向に長軸を持つ楕円形とし、集光レーザビームをｘ方向に走査して連続的に照射することで、アブレーションにより発生する衝撃波をｙ方向に均質化し、ｘ方向よりもｙ方向に強い圧縮応力を付与し、残留応力を引張から圧縮に変えることができることも知られている（例えば、特許文献２、参照）。
【００１１】
しかしながら、上記レーザピーニング法を用いて、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に生じた引っ張り残留応力に対して大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する環境下で従来よりも疲労特性を向上させるための具体的な条件について必ずしも知られていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特第３３７３６３８号公報
【特許文献２】特第３４６１９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来技術の現状を鑑みて、本発明は、レーザピーニング法を用いて、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に生じた引っ張り残留応力に対して大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する環境で従来よりも疲労特性を向上させるためのレーザピーニング処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。
（１）パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【００１５】
（２）パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施され、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で３１〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【００１６】
（３）前記レーザ吸収材料層がプラスチックテープ、ブラックペイント、または、金属箔のいずれかであることを特徴とする上記（２）記載のレーザピーニング処理方法。
【００１７】
（４）前記レーザ媒質が水であり、前記パルスレーザビームは、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【００１８】
（５）前記パルスレーザビームのパルス幅は１００ｎｓｅｃ以下であり、かつ集光後の１パルス当りのピークパワー密度が０．１〜１００ＴＷ／m2 であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、レーザピーニング法における集光レーザビームの照射条件を最適制御することにより、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に生じた引っ張り残留応力のうち、特に繰り返し荷重が作用する方向に大きな圧縮残留応力を効率的・効果的に導入することができ、その結果、溶接構造物および成形加工部品の疲労特性を従来よりも向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】溶接によりT字型に組み合わされた金属板の平面図である。
【図２】レーザビーム照射装置を示す平面図である。
【図３】レーザビーム照射装置を示す平面図である。
【図４】レーザビーム照射方法を示す平面図である。
【図５】表層にレーザ吸収材料層が無い被処理材をレーザピーニング処理する際のレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率とレーザ走査方向に垂直な方向に生じる圧縮残留応力量との関係図である。
【図６】表層にレーザ吸収材料層が有る被処理材をレーザピーニング処理する際のレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率とレーザ走査方向に垂直な方向に生じる圧縮残留応力量との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の詳細について説明をする。
【００２２】
先ず、本発明のレーザピーニング処理方法の実施形態について図２〜４を用いて説明する。
【００２３】
図２は、本発明のレーザピーニング処理を実施するための装置構成の概略を示す模式図である。
【００２４】
処理対象物である被加工材１１は、レーザビームを導入するための光学窓８を有する水槽９内に被加工材１１に固定する。レーザ光発振装置５は、水に対する透過性が高い波長域で発振できるものであれば良く、例えば、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）を用いることが好ましい。また、レーザビーム６の照射による被加工材１１表面に生じる熱影響を少なくするために発振されるレーザのパルス（時間）幅は１００ns以下が好ましく、さらに好ましくは、パルス幅５０nsとするのが良い。パルス状に発振されたレーザビーム６は、集光レンズ７により集光された後、水槽９の光学窓８を通して被加工材１１の表面に照射される。この際、レーザビーム６の出力や集光レンズ７の焦点距離の調整により、被加工材１１の表面におけるレーザビーム６の１パルス当りのピークパワー密度が1〜100ＴＷ／ｍ2となるようにすることで、水中の被加工材１１表面で高圧プラズマを安定して発生させることができる。前記ピークパワー密度が1ＴＷ／ｍ2未満の場合には、水中の被加工材１１表面で高圧プラズマを安定して発生させることは困難となり、一方、前記ピークパワー密度が100ＴＷ／ｍ2超の場合には、レーザビームが水を電離させてエネルギーを失うため、被加工材１１表面に到達することが困難となる。
【００２５】
上記短パルス幅および高ピークパワー密度のレーザビーム６が水槽９内の被加工材１１表面に照射されると、その表面でプラズマが安定して発生し、この際、周囲の水の慣性によってプラズマ膨張が抑えられるため、プラズマ内の圧力が高まる。そして、被加工材１１表面の照射スポット近傍は、この高圧プラズマの反力によって塑性変形し、圧縮残留応力が導入させる。
【００２６】
なお、図２では、水槽９内で処理対象物（被加工材１１）をレーザピーニング処理する場合の実施形態を示したが、この実施形態のみに限られるものでは無い。例えば、被加工材１１の表面に連続的に水を流すことにより、被処理表面に水膜を形成するか、または、被加工材１１表面に、例えば、アクリル板などのレーザ光の透過率が高い固体媒質を密着させる等の実施形態においても、上記と同様にレーザ照射により被加工材１１表面とその周囲のレーザ媒質との間で発生した高圧プラズマの反力を利用し、被加工材１１表面に圧縮残留応力を導入することができる。これらの実施形態では、図２に示す実施形態に比べて、レーザビーム6が被加工材１１表面に到達するまでのレーザ媒質透過距離を1mm以下程度と短くできるため、図２に示す実施形態のようにレーザのレーザ媒質透過距離が長い場合には使用できなかった１μm帯の近赤外波長を持つレーザビームを用いることもできる。
【００２７】
また、被加工材１１表面におけるレーザビーム6の照射スポットの形状は通常は円形であるが、照射スポットの形状を楕円形または矩形等の形状に整形して被加工材１１表面に照射しても良い。
【００２８】
また、図２に示す本発明の実施形態では、短パルス幅および高ピークパワー密度を有するレーザビーム６が水槽９内の被加工材１１表面に照射され、その表面でプラズマが発生する際に、レーザのパルス幅が長い場合、または、１パルス当たりのピークパワー密度が高い場合には、プラズマからの熱入力が大きくなり、被加工材１１表面の溶融や材質劣化が無視できなくなる。プラズマからの熱入力により被加工材１１表面の溶融すると、高圧プラズマによる水レーザ媒質の反力により被加工材１１表面に導入される圧縮応力も減少することとなり、効率的に圧縮応力を導入する点から好ましくない。
【００２９】
そこで、上記問題点を改善するための本発明の他の実施形態として、図３に示すように、図２の実施形態において、照射するレーザビーム６の波長に高い吸収率を有する材料層１０を被加工材１１の表面に施してレーザピーニング処理を行うことが好ましい。
【００３０】
材料層１０はレーザビーム６の波長に高い吸収率を有するものであれば、特に限定する必要はなく、例えば、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）のレーザビーム６では、吸収材である材料層１０として、プラスチックテープやブラックペイント等を用いることができる。また、レーザビーム６の隣り合う照射スポット同士の重畳率が大きい条件でレーザピーニング処理する際には、プラズマの熱入力が大きくなるため、レーザ吸収材料層は、例えば、金属製の箔等のプラズマ熱入力により蒸発しないようなレーザ光吸収材料を用いることが望ましい。
【００３１】
このような材料層１０を被加工材１１の表面に施してレーザピーニング処理を行うことにより、レーザのパルス幅が比較的長く、１パルス当たりのピークパワー密度が比較的高い条件でレーザピーニング処理を行う場合に問題となる、被加工材１１表面の溶融や材質劣化を抑制することができ、高圧プラズマによる水などのレーザ媒質の反力により被加工材１１表面に導入される圧縮応力を効率的に増加させることができる。
【００３２】
この結果、レーザのパルス幅が比較的長く、１パルス当たりのピークパワー密度が比較的高い処理条件で、被加工材１１表面の溶融や材質劣化を抑制しつつ、より少ない照射スポット数でより高い圧縮応力を被加工材１１表面に導入できる。
【００３３】
本発明は、上記の実施形態において、処理対象物である、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する際の疲労特性を向上させるために以下の条件を限定する。以下にその限定理由について説明する。
【００３４】
図１は、代表的な溶接継ぎ手の一例として、Ｔ字型溶接継ぎ手を示す。
【００３５】
図１に示すように金属板１の端部と金属板２の表面をＴ字型に組み合わせてアーク溶接などにより隅肉溶接する場合には、溶接材料と金属板１、２の一部が溶融して溶接金属３が形成される。この溶接過程では、溶接金属３は溶融・凝固した後、室温まで冷却されるまでに溶接金属は相変態により一旦体積膨張した後、熱収縮するが、その周囲の金属板母材部に収縮が拘束される結果、室温での溶接止端部４には引張残留応力が生じやすい。
【００３６】
このようなＴ字型溶接継ぎ手において、繰り返し荷重がY方向に付加されると、引張残留応力が生じる溶接止端部４に応力が集中されるため、この箇所で疲労亀裂が発生しやすく、これが溶接構造物の疲労寿命を低下させる大きな原因となる。
【００３７】
本発明者らは、上記Ｔ字型溶接継ぎ手において、繰り返し荷重が付加される方向（図１のY方向）の圧縮残留応力を増加させるためのレーザピーニング処理条件について実験などにより鋭意検討した。
【００３８】
その結果、レーザピーニング処理により、図４に示すように、繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）の圧縮残留応力を効率的かつ効果的に増加させ、疲労特性を改善させるためには、パルスレーザビームの走査方向を、繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）とし、隣り合う照射スポット同士の重畳率が所定範囲内になるように照射スポットを連続的に移動させることが有効であることを確認した。
【００３９】
つまり、図３に示すＴ字型溶接継ぎ手の場合では、Y方向の繰り返し荷重が付加される際に応力集中部となると同時に引張残留応力が生じやすい、溶接止端部４近傍に対して、レーザビームを溶接ビード（溶接線）方向に沿って連続的に移動させ、隣り合う照射スポット同士の重畳率が所定範囲内になるように照射スポットを移動させることにより、Ｔ字型溶接継ぎ手の疲労寿命を向上させることができる。
【００４０】
また、本発明者らは、レーザピーニング処理の際に、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率と、パルスレーザ走査方向に垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に生じる圧縮残留応力量との関係について検討した。その結果、以下に説明するように、処理表面のレーザ吸収材（材料層）の有無により、その効果が十分に発揮される範囲に違いはあるものの、レーザ吸収材（材料層）の有無に関わらす、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率を増加するとともに、この方向に垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に発生する圧縮残留応力量は増加することがわかった。
【００４１】
図５に表層にレーザ吸収材（材料層）が無い状態で処理表面をレーザピーニング処理する場合の、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率と、パルスレーザ走査方向に垂直な方向（Y方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する圧縮残留応力量との関係を示す。
【００４２】
なお、試験は、上述した図２に示す実施形態において、被加工材１１の表面のレーザピーニング処理を、図４に示される、繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に垂直な方向（Ｘ方向）にパルスレーザビームを走査させ、その際の走査速度を調整することにより、隣り合う照射スポット同士の重畳率を徐々に増加させるように照射スポットを連続的に移動させ、この時のY方向に生じた残留応力を測定した。なお、隣り合う照射スポット同士の重畳率は、隣り合う照射スポットの全面積に対する、重畳する部分の面積の割合（面積率）を示す。また、Y方向に生じた残留応力は、Ｘ線回折の測定値を基にsin2ψ-2θ法を用いて残留応力を求め、＋が圧縮残留応力を示し、−は引っ張り残留応力を示す。また、パルスレーザビームのパルス（時間）幅は10ns、集光後のパルスレーザビームの１パルス当たりのピークパワー密度は50TW/m2とした。
【００４３】
図５からパルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が９２％以上となるようにレーザピーニング処理を行うことによって、パルスレーザビーム走査方向に垂直な方向（Ｙ方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する残留圧縮応力は１５０ＭＰａ以上とすることができ、Ｙ方向の繰り返し荷重が付加させる際に疲労特性を十分に改善できることがわかる。
【００４４】
パルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が増加するとともに、この方向と垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Ｙ方向）に生じる圧縮残留応力は増加するが、その効果は、隣り合う照射スポットの重畳率が９９％以上飽和する。また、生産性の観点からも隣り合う照射スポットの重畳率を過度に増加させることは好ましくないため、その上限を９９％とする。
【００４５】
以上から、本発明では、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施されない場合に、パルスレーザビームの被処理材表面上の照射スポットを、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるようにする。
【００４６】
次に、図６に表層にレーザ吸収材（材料層）を施した処理表面をレーザピーニング処理する場合の、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重複率と、パルスレーザ走査方向に垂直な方向（Y方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する圧縮残留応力量との関係を示す。
【００４７】
なお、試験は、上述した図３に示す実施形態、つまり、被加工材１１の表層にレーザ吸収材（材料層）を施し、レーザピーニング処理における被加工材１１の表層の溶融及び材質劣化を抑制する方法を用い、その他の処理条件は、上記図５で説明した条件と同じ条件で行った。また、照射スポットの重畳率の定義および残留応力の測定方法も上記と同じである。
【００４８】
図６からパルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が３１％以上となるようにレーザピーニング処理を行うことによって、パルスレーザビーム走査方向に垂直な方向（Ｙ方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する残留圧縮応力は１５０ＭＰａ以上とすることができ、Ｙ方向の繰り返し荷重が付加させる際に疲労特性を十分に向上できることがわかる。
【００４９】
また、図６の表層にレーザ吸収材（材料層）を施した処理表面をレーザピーニング処理する場合には、図５の表層にレーザ吸収材（材料層）が無い場合に比べて、隣り合う照射スポットの重畳率が小さい条件、つまり、パルス幅及び１パルス当たりのピークパワー密度が同じ条件で、少ないレーザ照射数でより高い圧縮応力を被加工材の表面に導入できることは明らかである。これは、表層にレーザ吸収材（材料層）を施することにより、レーザピーニング処理の際にプラズマからの熱入力による処理表面の溶融が抑制され、高圧プラズマによる水などのレーザ媒質の反力により表面の圧縮応力の導入が効率的に行なわれたことを示唆するものである。
【００５０】
パルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が増加するとともに、この方向と垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Ｙ方向）に生じる圧縮残留応力は増加するが、その効果は、隣り合う照射スポットの重畳率が９９％以上飽和する。また、生産性の観点からも隣り合う照射スポットの重畳率を過度に増加させることは好ましくないため、その上限を９９％とする。
【００５１】
以上から、本発明では、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施される場合に、パルスレーザビームの被処理材表面上の照射スポットを、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で３１〜9９％となるようにする。
【００５２】
以上の説明のとおり、本発明によれば、被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施されない場合には、パルスレーザビームの被処理材表面上の照射スポットを、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるようにし、被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施される場合には、前記畳率が面積％で３１〜9９％となるようにすることで、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に１５０ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を十分に導入することが可能である。したがって、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に対して本発明のレーザピーニング処理を適用し、圧縮残留応力の効率的かつ効果的な導入することにより、従来に比べて疲労特性は大幅に向上する。
【００５３】
なお、本発明のレーザピーニング処理において、パルスレーザビームの走査方向（レーザピーニング処理方向）を、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）にすることで、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力が選択的に高められる理由は、明確に解明できてはいないが、現状の検討結果から、以下のように考えられる。
【００５４】
上記図６および図５に示される被処理材の表層のレーザ吸収材（材料層）の有無における残留圧縮応力と照射スポットの重畳率との関係の違いから、レーザピーニング処理の際に、被処理材の表面付近のプラズマからの熱入力により、照射スポット近傍の表面の大部分が溶融していると推察できる。このため、１パルスのみのパルスレーザビームの照射では、照射スポット近傍の表面の大部分は溶融するため高い圧縮残留応力の形成はされず、溶融されない照射スポット外周部の領域において水などのレーザ媒質からの反力（高圧プラズマによる衝撃波）により高い圧縮残留応力が形成されるものと考えられる。
【００５５】
このため、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率（面積％）が増加するとともに、溶融されず、高い圧縮残留応力が形成された照射スポット外周部の領域が増加し、その結果、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力が選択的に高められたものと考えられる。
【実施例】
【００５６】
以下に本発明の効果を実施例により説明する。
【００５７】
図１に示すように、金属板１として２00mm×50mm×12mmのサイズの引っ張り強度が440MＰaの炭素鋼板、金属板２として２50mm×50mm×12mmのサイズの引っ張り強度が440MＰaの炭素鋼板を用い、金属板１の端部と金属板２の表面をＴ字型に組み合わせてアーク溶接により隅肉溶接継ぎ手を作成し、これを被処理材としてレーザピーニング処理を行った。レーザピーニング処理は、図２（被処理材表層にレーザ吸収材（材料層）が無い場合）もしくは図３（被処理材表層にレーザ吸収材（材料層）が有る場合）に示す装置を用いて、図１及び図４に示す、繰り返し荷重（Y方向）付加時の応力集中部となると同時に、引張残留応力が生じる溶接止端部４を、繰り返し荷重方向（Y方向）と垂直な方向（Ｘ方向）における、隣り合う照射スポット同士の重畳率が表１に示す条件でレーザピーニング処理した。また、レーザピーニング処理後、被処理材の溶接止端部４における繰り返し荷重方向（Y方向）の残留応力を測定した結果を表１に示す。レーザ光発振装置は、水に対する透過性の良いNd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）を用い、パルスレーザビームのパルス（時間）幅は10nsであった。また、レーザビームは焦点距離100mmの凸レンズで集光して被処理材の表面に照射し、この表面における照射スポットの形状は、スポット直径は0.7mmの円形（照射痕）であり、その１パルス当たりのピークパワー密度は50TW/m2とした。
【００５８】
繰り返し荷重方向（Y方向）の残留応力の測定は、Ｘ線残留応力測定装置を用いてX線回折によりsin2ψ-2θ法を基に測定した。Ｘ線残留応力測定装置は、リガク（株）のMSF-２Mを用い、X線の管球はCr、検出器はシンチレーション計測器を用い、電圧は30kV、電流は10Maである。また、回折線の測定方法に並傾法を用い、X線の入射方法にψ一定法を用い、入射角ψは0度、１５度、３０度、４５度の４点について、検出器を151度〜161度までの範囲について3sec/ step 、ステップ間隔０．２５度でステップ操作をして測定し、ピークの決定には半値幅法を用いた。また、応力測定においては、フェライトの｛２１１｝回折面を利用し、物理定数として吸収係数850.4、ヤング率21000kgf/mm2、ポアッソン比0.28、応力定数-31.44を用いた。
【００５９】
残留応力の測定領域は1mm（処理方向に垂直な方向（Ｙ方向））×6mm(処理方向（Ｘ方向）)について測定を行った。なお、表１中の残留応力の測定値は、−の符号は圧縮の残留応力、＋の符号は引っ張りの残留応力を示す。
【００６０】
また、表１に示す、試験Ｎｏ．１〜９は、被処理材の表面に上記レーザビームを吸収するレーザ吸収材料層として厚み200μmのプラスチックテープを設け、試験Ｎｏ．１０〜１８は、被処理材の表面にレーザ吸収材料層を設けずにレーザピーニング処理をした。
【００６１】
試験Ｎｏ．１〜７、および、試験Ｎｏ．１０〜１４は、何れもレーザピーニング処理における照射スポットの重畳率が本発明で規定する範囲内を満足するため、レーザ吸収材料層の有無に関わらず、レーザピーニング処理方向（Ｘ方向）に垂直な繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力は、１５０ＭＰａを超えており、十分な圧縮残留応力の導入ができ、疲労特性が十分に改善できた。また、レーザピーニング処理方向（Ｘ方向）における照射スポットの重畳率が高くなる程、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力も高められる。また、表層にレーザ吸収材（材料層）を施した試験Ｎｏ．１０〜１４は、それを施さない試験Ｎｏ．１〜７に比べて、隣り合う照射スポットの重畳率が小さい条件でより高い圧縮応力を被加工材の表面に導入できた。
【００６２】
一方、試験Ｎｏ．８〜９、および、試験Ｎｏ．１５〜１8は、何れもレーザピーニング処理における照射スポットの重畳率が本発明で規定する範囲から外れるため、レーザピーニング処理方向（Ｘ方向）に垂直な繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力は、処理前の引っ張り残留応力は開放され、多少改善されたが、その圧縮残留応力は１５０ＭＰａ（目標）より低い結果であり、疲労特性が改善するだけの十分な圧縮残留応力の導入はできなかった。
【００６３】
【表１】
【符号の説明】
【００６４】
１ 金属板
２ 金属板
３ 溶接金属
４ 溶接止端部
５ レーザ光発振装置
６ レーザビーム
７ 集光レンズ
８ 光学窓
９ 水槽
10 レーザビームを吸収する材料層
11 被加工材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、橋梁の橋桁、自動車の足回り部品などの溶接構造物、自動車ホイールなどの成形部品などの疲労特性を改善する技術に関し、特に引っ張り残留応力が生じやすい溶接部または塑性加工部に圧縮応力を導入し、疲労特性を向上するためのレーザピーニング処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に溶接構造物における溶接部及びその近傍（以下、溶接止端部ということもある）は溶接後の熱収縮により引っ張り残留応力が生じやすいと同時に、その形状が急峻な角度を有する切欠形状となりやすいことに起因して繰返し応力付加時に応力集中部となりやすい。また、冷間プレス成形などにより強い引っ張り応力が付与される金属部品の塑性変形領域にも、同様に引っ張り残留応力が生じる。特に、橋梁の橋桁、自動車の足回り部品などの溶接構造物、自動車ホイールなど成形部品などでは、繰り返し荷重を受ける環境下で使用されるため、引っ張り残留応力が生じやすい溶接部や塑性変形部位が疲労亀裂の発生箇所となり、疲労特性を低下させる主要な原因となっている。
【０００３】
従来、溶接構造物の溶接止端部に生じた引っ張り残留応力部に対して外部から圧縮応力を導入し、疲労特性を改善させるための方法として、ショットピーニング、ハンマー・ピーニング、超音波ピーニング等が知られている。
【０００４】
ショットピーニングは、１ｍｍ以下の硬質金属球体を圧縮空気などにより処理対象物表面に吹き付けることにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。また、ハンマー・ピーニングは、硬質金属棒を用いて処理対象物表面を機械的に打撃することにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。
【０００５】
また、超音波ピーニングは、超音波を用いて高周波数で硬質金属ピンを振動させて処理対象物表面を打撃することにより、表面に圧縮残留応力を導入する方法である。超音波ピーニングは、ショットピーニングやハンマーピーニングに比べて、反動が少なくて作業性が良く、また、比較的深い領域まで圧縮残留応力を導入できる方法である。
【０００６】
しかし、ショットピーニング、ハンマーピーニング、超音波ピーニングは、いずれも、硬質金属により処理対象物表面に圧縮応力を付与する方法であるため、処理表面に圧縮残留応力を多く導入するためには表面性状を劣化させ、表面に形成された凹部は応力集中部および疲労亀裂発生基点となるおそれがあり、疲労強度を飛躍的に向上するためには限界があった。また、これらの方法は、直径１ｍｍ程度の小さな穴加工した部品、歯車などの成形加工により局所的な微小部位の引っ張り残留応力を改善するための処理は困難であるという技術的課題があった。
【０００７】
一方、上記の方法とは全く異なる圧縮残留応力の導入処理方法として、近年、レーザピーニング法が開発された（例えば、特許文献１、参照）。この方法によれば、高出力・短パルスのレーザを集光し、このレーザ光に吸収の少ない水などのレーザ媒質を介して、処理対象物である金属表面に照射することにより、金属表面で発生したプラズマが膨張する際に生じる水などのレーザ媒質からの反力を利用して、表面に圧縮応力を導入する方法である。この方法では、従来の処理方法と比較して、処理表面性状を劣化させずに表面に圧縮残留応力を導入することが可能であるため、疲労強度を大幅に向上できることが期待できる。また、レーザは光ファイバーを用いて処理したい箇所に誘導できるため、直径１ｍｍ程度の小さな穴加工した部品、歯車などの成形加工に生じた微小部位の引っ張り残留応力を改善することも可能となる。
【０００８】
従来、上記レーザピーニング法を用いて、冷却水中における原子炉の内部構造物表面の残留応力改善および亀裂除去を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２、参照）。
【０００９】
この方法によれば、ＹＡＧレーザ（第２高調波発生用）等の可視波長パルスレーザ装置を用い、１パルス当りのピーク出力０．１〜１０ＧＷ／cm2 、パルス幅は１００nsec以下の高出力・短パルスの集光レーザビームを処理表面における照射スポットの平均重畳率が１００％以上（未照射領域がない）となるようにレーザビームを走査して連続的に照射することにより、水中の処理表面全体に効率よく均質に圧縮応力を残留させることができる。
【００１０】
また、上記レーザピーニング法において、集光レーザビームの１パルス当りのパワー面積密度（ＧＷ／cm2）と照射ビームの重畳率を調節することにより、処理表面の残留応力値と内部の残留圧縮応力深さを制御すること、および、照射スポット形状をｙ方向に長軸を持つ楕円形とし、集光レーザビームをｘ方向に走査して連続的に照射することで、アブレーションにより発生する衝撃波をｙ方向に均質化し、ｘ方向よりもｙ方向に強い圧縮応力を付与し、残留応力を引張から圧縮に変えることができることも知られている（例えば、特許文献２、参照）。
【００１１】
しかしながら、上記レーザピーニング法を用いて、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に生じた引っ張り残留応力に対して大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する環境下で従来よりも疲労特性を向上させるための具体的な条件について必ずしも知られていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特第３３７３６３８号公報
【特許文献２】特第３４６１９４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記従来技術の現状を鑑みて、本発明は、レーザピーニング法を用いて、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に生じた引っ張り残留応力に対して大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する環境で従来よりも疲労特性を向上させるためのレーザピーニング処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは、以下の通りである。
（１）パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【００１５】
（２）パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施され、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で３１〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【００１６】
（３）前記レーザ吸収材料層がプラスチックテープ、ブラックペイント、または、金属箔のいずれかであることを特徴とする上記（２）記載のレーザピーニング処理方法。
【００１７】
（４）前記レーザ媒質が水であり、前記パルスレーザビームは、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【００１８】
（５）前記パルスレーザビームのパルス幅は１００ｎｓｅｃ以下であり、かつ集光後の１パルス当りのピークパワー密度が０．１〜１００ＴＷ／m2 であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、レーザピーニング法における集光レーザビームの照射条件を最適制御することにより、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に生じた引っ張り残留応力のうち、特に繰り返し荷重が作用する方向に大きな圧縮残留応力を効率的・効果的に導入することができ、その結果、溶接構造物および成形加工部品の疲労特性を従来よりも向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】溶接によりT字型に組み合わされた金属板の平面図である。
【図２】レーザビーム照射装置を示す平面図である。
【図３】レーザビーム照射装置を示す平面図である。
【図４】レーザビーム照射方法を示す平面図である。
【図５】表層にレーザ吸収材料層が無い被処理材をレーザピーニング処理する際のレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率とレーザ走査方向に垂直な方向に生じる圧縮残留応力量との関係図である。
【図６】表層にレーザ吸収材料層が有る被処理材をレーザピーニング処理する際のレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率とレーザ走査方向に垂直な方向に生じる圧縮残留応力量との関係図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に本発明の詳細について説明をする。
【００２２】
先ず、本発明のレーザピーニング処理方法の実施形態について図２〜４を用いて説明する。
【００２３】
図２は、本発明のレーザピーニング処理を実施するための装置構成の概略を示す模式図である。
【００２４】
処理対象物である被加工材１１は、レーザビームを導入するための光学窓８を有する水槽９内に被加工材１１に固定する。レーザ光発振装置５は、水に対する透過性が高い波長域で発振できるものであれば良く、例えば、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）を用いることが好ましい。また、レーザビーム６の照射による被加工材１１表面に生じる熱影響を少なくするために発振されるレーザのパルス（時間）幅は１００ns以下が好ましく、さらに好ましくは、パルス幅５０nsとするのが良い。パルス状に発振されたレーザビーム６は、集光レンズ７により集光された後、水槽９の光学窓８を通して被加工材１１の表面に照射される。この際、レーザビーム６の出力や集光レンズ７の焦点距離の調整により、被加工材１１の表面におけるレーザビーム６の１パルス当りのピークパワー密度が1〜100ＴＷ／ｍ2となるようにすることで、水中の被加工材１１表面で高圧プラズマを安定して発生させることができる。前記ピークパワー密度が1ＴＷ／ｍ2未満の場合には、水中の被加工材１１表面で高圧プラズマを安定して発生させることは困難となり、一方、前記ピークパワー密度が100ＴＷ／ｍ2超の場合には、レーザビームが水を電離させてエネルギーを失うため、被加工材１１表面に到達することが困難となる。
【００２５】
上記短パルス幅および高ピークパワー密度のレーザビーム６が水槽９内の被加工材１１表面に照射されると、その表面でプラズマが安定して発生し、この際、周囲の水の慣性によってプラズマ膨張が抑えられるため、プラズマ内の圧力が高まる。そして、被加工材１１表面の照射スポット近傍は、この高圧プラズマの反力によって塑性変形し、圧縮残留応力が導入させる。
【００２６】
なお、図２では、水槽９内で処理対象物（被加工材１１）をレーザピーニング処理する場合の実施形態を示したが、この実施形態のみに限られるものでは無い。例えば、被加工材１１の表面に連続的に水を流すことにより、被処理表面に水膜を形成するか、または、被加工材１１表面に、例えば、アクリル板などのレーザ光の透過率が高い固体媒質を密着させる等の実施形態においても、上記と同様にレーザ照射により被加工材１１表面とその周囲のレーザ媒質との間で発生した高圧プラズマの反力を利用し、被加工材１１表面に圧縮残留応力を導入することができる。これらの実施形態では、図２に示す実施形態に比べて、レーザビーム6が被加工材１１表面に到達するまでのレーザ媒質透過距離を1mm以下程度と短くできるため、図２に示す実施形態のようにレーザのレーザ媒質透過距離が長い場合には使用できなかった１μm帯の近赤外波長を持つレーザビームを用いることもできる。
【００２７】
また、被加工材１１表面におけるレーザビーム6の照射スポットの形状は通常は円形であるが、照射スポットの形状を楕円形または矩形等の形状に整形して被加工材１１表面に照射しても良い。
【００２８】
また、図２に示す本発明の実施形態では、短パルス幅および高ピークパワー密度を有するレーザビーム６が水槽９内の被加工材１１表面に照射され、その表面でプラズマが発生する際に、レーザのパルス幅が長い場合、または、１パルス当たりのピークパワー密度が高い場合には、プラズマからの熱入力が大きくなり、被加工材１１表面の溶融や材質劣化が無視できなくなる。プラズマからの熱入力により被加工材１１表面の溶融すると、高圧プラズマによる水レーザ媒質の反力により被加工材１１表面に導入される圧縮応力も減少することとなり、効率的に圧縮応力を導入する点から好ましくない。
【００２９】
そこで、上記問題点を改善するための本発明の他の実施形態として、図３に示すように、図２の実施形態において、照射するレーザビーム６の波長に高い吸収率を有する材料層１０を被加工材１１の表面に施してレーザピーニング処理を行うことが好ましい。
【００３０】
材料層１０はレーザビーム６の波長に高い吸収率を有するものであれば、特に限定する必要はなく、例えば、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）のレーザビーム６では、吸収材である材料層１０として、プラスチックテープやブラックペイント等を用いることができる。また、レーザビーム６の隣り合う照射スポット同士の重畳率が大きい条件でレーザピーニング処理する際には、プラズマの熱入力が大きくなるため、レーザ吸収材料層は、例えば、金属製の箔等のプラズマ熱入力により蒸発しないようなレーザ光吸収材料を用いることが望ましい。
【００３１】
このような材料層１０を被加工材１１の表面に施してレーザピーニング処理を行うことにより、レーザのパルス幅が比較的長く、１パルス当たりのピークパワー密度が比較的高い条件でレーザピーニング処理を行う場合に問題となる、被加工材１１表面の溶融や材質劣化を抑制することができ、高圧プラズマによる水などのレーザ媒質の反力により被加工材１１表面に導入される圧縮応力を効率的に増加させることができる。
【００３２】
この結果、レーザのパルス幅が比較的長く、１パルス当たりのピークパワー密度が比較的高い処理条件で、被加工材１１表面の溶融や材質劣化を抑制しつつ、より少ない照射スポット数でより高い圧縮応力を被加工材１１表面に導入できる。
【００３３】
本発明は、上記の実施形態において、処理対象物である、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に大きな圧縮残留応力を効率的に導入し、繰り返し荷重が作用する際の疲労特性を向上させるために以下の条件を限定する。以下にその限定理由について説明する。
【００３４】
図１は、代表的な溶接継ぎ手の一例として、Ｔ字型溶接継ぎ手を示す。
【００３５】
図１に示すように金属板１の端部と金属板２の表面をＴ字型に組み合わせてアーク溶接などにより隅肉溶接する場合には、溶接材料と金属板１、２の一部が溶融して溶接金属３が形成される。この溶接過程では、溶接金属３は溶融・凝固した後、室温まで冷却されるまでに溶接金属は相変態により一旦体積膨張した後、熱収縮するが、その周囲の金属板母材部に収縮が拘束される結果、室温での溶接止端部４には引張残留応力が生じやすい。
【００３６】
このようなＴ字型溶接継ぎ手において、繰り返し荷重がY方向に付加されると、引張残留応力が生じる溶接止端部４に応力が集中されるため、この箇所で疲労亀裂が発生しやすく、これが溶接構造物の疲労寿命を低下させる大きな原因となる。
【００３７】
本発明者らは、上記Ｔ字型溶接継ぎ手において、繰り返し荷重が付加される方向（図１のY方向）の圧縮残留応力を増加させるためのレーザピーニング処理条件について実験などにより鋭意検討した。
【００３８】
その結果、レーザピーニング処理により、図４に示すように、繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）の圧縮残留応力を効率的かつ効果的に増加させ、疲労特性を改善させるためには、パルスレーザビームの走査方向を、繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）とし、隣り合う照射スポット同士の重畳率が所定範囲内になるように照射スポットを連続的に移動させることが有効であることを確認した。
【００３９】
つまり、図３に示すＴ字型溶接継ぎ手の場合では、Y方向の繰り返し荷重が付加される際に応力集中部となると同時に引張残留応力が生じやすい、溶接止端部４近傍に対して、レーザビームを溶接ビード（溶接線）方向に沿って連続的に移動させ、隣り合う照射スポット同士の重畳率が所定範囲内になるように照射スポットを移動させることにより、Ｔ字型溶接継ぎ手の疲労寿命を向上させることができる。
【００４０】
また、本発明者らは、レーザピーニング処理の際に、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率と、パルスレーザ走査方向に垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に生じる圧縮残留応力量との関係について検討した。その結果、以下に説明するように、処理表面のレーザ吸収材（材料層）の有無により、その効果が十分に発揮される範囲に違いはあるものの、レーザ吸収材（材料層）の有無に関わらす、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率を増加するとともに、この方向に垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に発生する圧縮残留応力量は増加することがわかった。
【００４１】
図５に表層にレーザ吸収材（材料層）が無い状態で処理表面をレーザピーニング処理する場合の、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重畳率と、パルスレーザ走査方向に垂直な方向（Y方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する圧縮残留応力量との関係を示す。
【００４２】
なお、試験は、上述した図２に示す実施形態において、被加工材１１の表面のレーザピーニング処理を、図４に示される、繰り返し荷重が付加される方向（Y方向）に垂直な方向（Ｘ方向）にパルスレーザビームを走査させ、その際の走査速度を調整することにより、隣り合う照射スポット同士の重畳率を徐々に増加させるように照射スポットを連続的に移動させ、この時のY方向に生じた残留応力を測定した。なお、隣り合う照射スポット同士の重畳率は、隣り合う照射スポットの全面積に対する、重畳する部分の面積の割合（面積率）を示す。また、Y方向に生じた残留応力は、Ｘ線回折の測定値を基にsin2ψ-2θ法を用いて残留応力を求め、＋が圧縮残留応力を示し、−は引っ張り残留応力を示す。また、パルスレーザビームのパルス（時間）幅は10ns、集光後のパルスレーザビームの１パルス当たりのピークパワー密度は50TW/m2とした。
【００４３】
図５からパルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が９２％以上となるようにレーザピーニング処理を行うことによって、パルスレーザビーム走査方向に垂直な方向（Ｙ方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する残留圧縮応力は１５０ＭＰａ以上とすることができ、Ｙ方向の繰り返し荷重が付加させる際に疲労特性を十分に改善できることがわかる。
【００４４】
パルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が増加するとともに、この方向と垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Ｙ方向）に生じる圧縮残留応力は増加するが、その効果は、隣り合う照射スポットの重畳率が９９％以上飽和する。また、生産性の観点からも隣り合う照射スポットの重畳率を過度に増加させることは好ましくないため、その上限を９９％とする。
【００４５】
以上から、本発明では、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施されない場合に、パルスレーザビームの被処理材表面上の照射スポットを、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるようにする。
【００４６】
次に、図６に表層にレーザ吸収材（材料層）を施した処理表面をレーザピーニング処理する場合の、パルスレーザ走査方向の隣り合う照射スポット同士の重複率と、パルスレーザ走査方向に垂直な方向（Y方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する圧縮残留応力量との関係を示す。
【００４７】
なお、試験は、上述した図３に示す実施形態、つまり、被加工材１１の表層にレーザ吸収材（材料層）を施し、レーザピーニング処理における被加工材１１の表層の溶融及び材質劣化を抑制する方法を用い、その他の処理条件は、上記図５で説明した条件と同じ条件で行った。また、照射スポットの重畳率の定義および残留応力の測定方法も上記と同じである。
【００４８】
図６からパルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が３１％以上となるようにレーザピーニング処理を行うことによって、パルスレーザビーム走査方向に垂直な方向（Ｙ方向：繰り返し荷重が付加される方向）に発生する残留圧縮応力は１５０ＭＰａ以上とすることができ、Ｙ方向の繰り返し荷重が付加させる際に疲労特性を十分に向上できることがわかる。
【００４９】
また、図６の表層にレーザ吸収材（材料層）を施した処理表面をレーザピーニング処理する場合には、図５の表層にレーザ吸収材（材料層）が無い場合に比べて、隣り合う照射スポットの重畳率が小さい条件、つまり、パルス幅及び１パルス当たりのピークパワー密度が同じ条件で、少ないレーザ照射数でより高い圧縮応力を被加工材の表面に導入できることは明らかである。これは、表層にレーザ吸収材（材料層）を施することにより、レーザピーニング処理の際にプラズマからの熱入力による処理表面の溶融が抑制され、高圧プラズマによる水などのレーザ媒質の反力により表面の圧縮応力の導入が効率的に行なわれたことを示唆するものである。
【００５０】
パルスレーザビーム走査方向（Ｘ方向）の隣り合う照射スポットの重畳率が増加するとともに、この方向と垂直な繰り返し荷重が付加される方向（Ｙ方向）に生じる圧縮残留応力は増加するが、その効果は、隣り合う照射スポットの重畳率が９９％以上飽和する。また、生産性の観点からも隣り合う照射スポットの重畳率を過度に増加させることは好ましくないため、その上限を９９％とする。
【００５１】
以上から、本発明では、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施される場合に、パルスレーザビームの被処理材表面上の照射スポットを、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で３１〜9９％となるようにする。
【００５２】
以上の説明のとおり、本発明によれば、被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施されない場合には、パルスレーザビームの被処理材表面上の照射スポットを、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるようにし、被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施される場合には、前記畳率が面積％で３１〜9９％となるようにすることで、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に１５０ＭＰａ以上の高い圧縮残留応力を十分に導入することが可能である。したがって、溶接構造物の溶接止端部や成形加工部品の塑性変形領域に対して本発明のレーザピーニング処理を適用し、圧縮残留応力の効率的かつ効果的な導入することにより、従来に比べて疲労特性は大幅に向上する。
【００５３】
なお、本発明のレーザピーニング処理において、パルスレーザビームの走査方向（レーザピーニング処理方向）を、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）にすることで、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力が選択的に高められる理由は、明確に解明できてはいないが、現状の検討結果から、以下のように考えられる。
【００５４】
上記図６および図５に示される被処理材の表層のレーザ吸収材（材料層）の有無における残留圧縮応力と照射スポットの重畳率との関係の違いから、レーザピーニング処理の際に、被処理材の表面付近のプラズマからの熱入力により、照射スポット近傍の表面の大部分が溶融していると推察できる。このため、１パルスのみのパルスレーザビームの照射では、照射スポット近傍の表面の大部分は溶融するため高い圧縮残留応力の形成はされず、溶融されない照射スポット外周部の領域において水などのレーザ媒質からの反力（高圧プラズマによる衝撃波）により高い圧縮残留応力が形成されるものと考えられる。
【００５５】
このため、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率（面積％）が増加するとともに、溶融されず、高い圧縮残留応力が形成された照射スポット外周部の領域が増加し、その結果、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力が選択的に高められたものと考えられる。
【実施例】
【００５６】
以下に本発明の効果を実施例により説明する。
【００５７】
図１に示すように、金属板１として２00mm×50mm×12mmのサイズの引っ張り強度が440MＰaの炭素鋼板、金属板２として２50mm×50mm×12mmのサイズの引っ張り強度が440MＰaの炭素鋼板を用い、金属板１の端部と金属板２の表面をＴ字型に組み合わせてアーク溶接により隅肉溶接継ぎ手を作成し、これを被処理材としてレーザピーニング処理を行った。レーザピーニング処理は、図２（被処理材表層にレーザ吸収材（材料層）が無い場合）もしくは図３（被処理材表層にレーザ吸収材（材料層）が有る場合）に示す装置を用いて、図１及び図４に示す、繰り返し荷重（Y方向）付加時の応力集中部となると同時に、引張残留応力が生じる溶接止端部４を、繰り返し荷重方向（Y方向）と垂直な方向（Ｘ方向）における、隣り合う照射スポット同士の重畳率が表１に示す条件でレーザピーニング処理した。また、レーザピーニング処理後、被処理材の溶接止端部４における繰り返し荷重方向（Y方向）の残留応力を測定した結果を表１に示す。レーザ光発振装置は、水に対する透過性の良いNd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）を用い、パルスレーザビームのパルス（時間）幅は10nsであった。また、レーザビームは焦点距離100mmの凸レンズで集光して被処理材の表面に照射し、この表面における照射スポットの形状は、スポット直径は0.7mmの円形（照射痕）であり、その１パルス当たりのピークパワー密度は50TW/m2とした。
【００５８】
繰り返し荷重方向（Y方向）の残留応力の測定は、Ｘ線残留応力測定装置を用いてX線回折によりsin2ψ-2θ法を基に測定した。Ｘ線残留応力測定装置は、リガク（株）のMSF-２Mを用い、X線の管球はCr、検出器はシンチレーション計測器を用い、電圧は30kV、電流は10Maである。また、回折線の測定方法に並傾法を用い、X線の入射方法にψ一定法を用い、入射角ψは0度、１５度、３０度、４５度の４点について、検出器を151度〜161度までの範囲について3sec/ step 、ステップ間隔０．２５度でステップ操作をして測定し、ピークの決定には半値幅法を用いた。また、応力測定においては、フェライトの｛２１１｝回折面を利用し、物理定数として吸収係数850.4、ヤング率21000kgf/mm2、ポアッソン比0.28、応力定数-31.44を用いた。
【００５９】
残留応力の測定領域は1mm（処理方向に垂直な方向（Ｙ方向））×6mm(処理方向（Ｘ方向）)について測定を行った。なお、表１中の残留応力の測定値は、−の符号は圧縮の残留応力、＋の符号は引っ張りの残留応力を示す。
【００６０】
また、表１に示す、試験Ｎｏ．１〜９は、被処理材の表面に上記レーザビームを吸収するレーザ吸収材料層として厚み200μmのプラスチックテープを設け、試験Ｎｏ．１０〜１８は、被処理材の表面にレーザ吸収材料層を設けずにレーザピーニング処理をした。
【００６１】
試験Ｎｏ．１〜７、および、試験Ｎｏ．１０〜１４は、何れもレーザピーニング処理における照射スポットの重畳率が本発明で規定する範囲内を満足するため、レーザ吸収材料層の有無に関わらず、レーザピーニング処理方向（Ｘ方向）に垂直な繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力は、１５０ＭＰａを超えており、十分な圧縮残留応力の導入ができ、疲労特性が十分に改善できた。また、レーザピーニング処理方向（Ｘ方向）における照射スポットの重畳率が高くなる程、繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力も高められる。また、表層にレーザ吸収材（材料層）を施した試験Ｎｏ．１０〜１４は、それを施さない試験Ｎｏ．１〜７に比べて、隣り合う照射スポットの重畳率が小さい条件でより高い圧縮応力を被加工材の表面に導入できた。
【００６２】
一方、試験Ｎｏ．８〜９、および、試験Ｎｏ．１５〜１8は、何れもレーザピーニング処理における照射スポットの重畳率が本発明で規定する範囲から外れるため、レーザピーニング処理方向（Ｘ方向）に垂直な繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）の圧縮残留応力は、処理前の引っ張り残留応力は開放され、多少改善されたが、その圧縮残留応力は１５０ＭＰａ（目標）より低い結果であり、疲労特性が改善するだけの十分な圧縮残留応力の導入はできなかった。
【００６３】
【表１】
【符号の説明】
【００６４】
１ 金属板
２ 金属板
３ 溶接金属
４ 溶接止端部
５ レーザ光発振装置
６ レーザビーム
７ 集光レンズ
８ 光学窓
９ 水槽
10 レーザビームを吸収する材料層
11 被加工材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【請求項２】
パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施され、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で３１〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【請求項３】
前記レーザ吸収材料層がプラスチックテープ、ブラックペイント、または、金属箔のいずれかであることを特徴とする請求項２記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項４】
前記レーザ媒質が水であり、前記パルスレーザビームは、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項５】
前記パルスレーザビームのパルス幅は１００ｎｓｅｃ以下であり、かつ集光後の１パルス当りのピークパワー密度が０．１〜１００ＴＷ／m2 であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項１】
パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で９２〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【請求項２】
パルスレーザビームを集光した後、レーザ媒質を介して被処理材の表面に照射し、該表面の照射スポット近傍に圧縮残留応力を形成するレーザピーニング処理方法において、前記被処理材の表面にレーザ吸収材料層が施され、前記照射スポットが、予め想定された繰り返し荷重の付加方向（Ｙ方向）に対して垂直な方向（Ｘ方向）において、隣り合う照射スポット同士の重畳率が面積％で３１〜9９％となるように、前記パルスレーザビームを走査させることを特徴とするレーザピーニング処理方法。
【請求項３】
前記レーザ吸収材料層がプラスチックテープ、ブラックペイント、または、金属箔のいずれかであることを特徴とする請求項２記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項４】
前記レーザ媒質が水であり、前記パルスレーザビームは、Nd:YAGレーザの第二高調波（波長531 nm）であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【請求項５】
前記パルスレーザビームのパルス幅は１００ｎｓｅｃ以下であり、かつ集光後の１パルス当りのピークパワー密度が０．１〜１００ＴＷ／m2 であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のレーザピーニング処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１５３９７７（Ｐ２０１２−１５３９７７Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６４２１０（Ｐ２０１２−６４２１０）
【出願日】平成２４年３月２１日（２０１２．３．２１）
【分割の表示】特願２００６−１２９１５１（Ｐ２００６−１２９１５１）の分割
【原出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月２１日（２０１２．３．２１）
【分割の表示】特願２００６−１２９１５１（Ｐ２００６−１２９１５１）の分割
【原出願日】平成１８年５月８日（２００６．５．８）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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