JP2006122969A - 金属材料及び金属クラッド材の溶接継手及び鋳造材のレーザピーニング処理 - Google Patents

Abstract

【課題】
各種金属材料や金属クラッド材を溶接すると、その溶接部は高温に加熱されるため、材質の変化が生じ、溶接金属または熱影響部が軟化したり、靭性や耐食性などが、著しく低下する。よって、溶接継手の継手効率が５０％から８０％にも低下する。また、表面に余盛部ができ、残留応力が生じ、使用時にその止端部から疲労亀裂や応力腐食割れが発生する。
【解決手段】
本発明は上記課題を解決する方法を提案するもので、溶接部および鋳造材などを短パルス高ピーク出力のレーザで高圧力のプラズマを発生させ衝撃波で材料表面をピーニングし微細変形させ、圧縮残留応力を得ることにより 溶接継手や鋳造材の強度を高め、疲労強度や耐食性などを改善する方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、各種金属材料および溶接継手の機械的性質や継手性能を改善する１つの方法を提案するものであり、その応用分野は多岐にわたり、医療機器、身障者用機器、自動車、航空機、車両、船舶、原子力発電プラント、化学プラント、電機機器、機械部品、事務機器などの寿命の著しい向上をもたらす技術に関するものである。

マグネシウムおよびその合金、アルミニウムおよびその合金、銅およびその合金、ニッケル及びその合金は融点近くまでの高温に加熱されると結晶粒の粗大化、転位の消滅などにより材料が軟化しやすい。またステンレス鋼を５００℃から８５０℃の温度範囲に加熱すれば、クロム炭化物の析出などにより耐食性が劣化する。オーステナイト系ステンレス鋼の溶接部は溶接の引張の残留応力により腐食環境下で応力腐食割れなどが発生しやすい。ニッケル超合金は融点直下の高温加熱で粒界脆化を起こすなど、各種金属を高温に加熱すると金属組織的にも強度的にもいろいろな問題が生じる。例えば、溶接継手は余盛の両端である止端部はその形状から応力の集中部となり、疲労破壊の問題ばかりでなく、熱影響部の組織は、粗大化、脆化、軟化などが起こる。これらは高度な機能が要求される航空機、原子力プラント、自動車、超高速列車、宇宙機器、救命機器などの構造物では大きな問題となる。

そこで、ジェットエンジンなどはショットピーニング法その疲労強度を改善している。また、ジュラルミンのような熱処理タイプのアルミニウム合金やマグネシウム合金は融点も低く、溶接の熱によりその熱影響部は容易に軟化するのが現状であり、その継手効率（母材強度に対する溶接継手の強度の比）は５０％から約９０％であり、それを１００％迄に高めることが困難である。どうしても１００％にする時は 溶接後、熱処理を構造物に対して実施している。
鋼橋等は５０年以上の寿命が要求されるので、溶接止端部から疲労亀裂が生じ易いので、溶接継手はグラインダーによりその止端部の凹凸を滑らかにしている。それが施してない橋にはすでに亀裂は入っているものも報告されている。

近年、軽量な輸送機器の開発が急務で、各種アルミニウム合金やマグネシウム合金が採用されつつある。たとえば、新交通システムとして地下鉄内でも手軽に持ち運びできるマグネシウム合金製折畳み超軽量自転車があるが、このフレームの溶接では熱影響部が軟化する問題があり、ショットピーニングなどにより、強化されることが望まれている。
鋳造材はその表面に各種欠陥があると歩留まりが大きく低下する。レーザピーニングによりその表面が改善されれば、歩留まりも向上する。

金属および合金、金属クラッド材の溶接継手および鋳造部材などに対してレーザピーニング処理を行い、表面を塑性変形させ、その表面形状（例えば、溶接継手の止端部の形状や鋳造材の凹凸部など）を滑らかに成形することにより、残留応力を引張から圧縮の応力に代え、塑性変形により金属材料の転位密度を高め、微細組織を作ることにより、強度と靭性を高め、上述のような現在の問題点を大きく改善できる。
すなわち、残留応力をもつ溶接継手をレーザピーニング処理することにより、その溶接継手のビード近傍に数ｍｍの深さまで塑性変形を与え、その部分の転位密度を高め、微細化できるので、マグネシウムおよびその合金、アルミニウムおよびその合金、銅およびその合金などの高温加熱部の結晶粒の粗大化、軟化を防止し、転位の増加などにより継手強度を高めて、継手効率を１００％まで改善できる。もちろん、残留応力が止端部に生じ、疲労強度の向上や応力腐食割れの防止も可能となる。

またステンレス鋼を５００℃から８５０℃の温度範囲に加熱すれば、クロム炭化物の析出などにより耐食性が劣化する。これが残留応力と一緒に作用すると応力腐食の原因になる。このような溶接熱影響部にレーザピーニングを行えば、残留応力が圧縮応力になり、応力腐食割れの発生および進展を防止できる。これらは高度な機能が要求される航空機、原子力プラント、自動車、超高速列車の部品や構造物に対して非常に有効であり、これら溶接部品や構造物の長期間の信頼性を確保できる。原子力プラントの廃棄物の長期保管をするためのキャニスター（保管容器）にレーザピーニングを適用すれば、１０，０００年の保管も可能になる。

中・高炭素鋼、鋳鉄、熱処理型アルミニウム合金、マグネシウム合金、モリブデン、ジルコニウム、およびニッケル超合金など多層溶接の時、延性に乏しく高温割れを生じやすい金属材料の溶融溶接において、溶接パス間にレーザピーニングを行うことにより、その溶接部の残留応力分布を引張応力から圧縮応力に換え、厚板の多層溶接においても溶接割れなく溶接できる。

鋳鉄の凹凸部や変態焼入れ（または焼入れ焼戻し）した鋼材の凹凸部にレーザピーニングすることにより、塑性変形によりその表面に圧縮の残留応力を導入するとともに、転位密度を高め、高強度化、高靭性化して疲労強度、静的強度、クリープ強度、耐摩耗性などの性能を一層高めることができる。また、超微細化鋼の表面をレーザピーニングすれば、表面層を微細化でき、超高張力および靭性の確保が可能となる。
これらの溶接継手の溶接金属および熱影響部は、著しく靭性の低下や、粒界脆化や、粒界割れを生じることがあるので、これを改善するために、これら溶接継手の表面を溶接後、パルスレーザでピーニング処理することにより、その溶接部ビード近傍に塑性変形を与え、その表面形状（例えば、溶接継手の止端部の形状や鋳造材の凹凸部など）を成形することにより、表面を滑らかにし、応力集中を改善するとともに、同時にその表面下の残留応力分布を圧縮応力に変換する処理およびこの処理により疲労強度や応力腐食割れ感受性などの材料特性を改善することができる。

従来、加工熱処理ではローラー、ハンマーおよびプレスなど機械的な方法で加熱した上、金属を塑性加工して強靭化を行なっていたが、金属部品または部材を局部に表面のみ加工熱処理を加えることは困難であった。よって、部材の性能も十分高くすることができなかった。本発明では再結晶温度以上の高温で部材の表面を局部的にレーザピーニングすることにより、加工熱処理することができ、その部分のみ強靭化し、疲労強度やクリープ強度を高めることができる。

すでに、割れ、微少亀裂をもつ部材、溶接継手（異種金属継手を含む）および鋳造材に対して、その割れ部および先端部をレーザピーニング処理することにより、塑性変形により割れをつぶして、表面割れを減少させるだけでなく、力学的に、割れ先端の応力分布を引張応力から圧縮応力に変換できるので、亀裂が進展するのに要する臨界応力以上に応力が高くならないので、亀裂の進展を防止することができる。この現象を利用して、すでに発生した各種欠陥の補修を行うことができる。

本発明で、金属、クラッド材、および溶接継手にレーザピーニングを実施する手段の１例を図１に示す。すなわち、図１に示すような表面が平坦な金属部材（３被加工物）の場合、その表面にレーザの吸収を向上させ、かつ被加工物を衝撃波から守る皮膜（4ビーム吸収増強型保護膜）としてグラファイト塗布、黒色ペンキあるいは離型材を塗布した皮膜（例えば、ナイロン膜、金属皮膜あるいはガラス皮膜など）を用い、その上に水あるいは油などの層（５干渉液層）を透過させて短パルスレーザを瞬間的照射させてピーニングを行う。１００℃以上の高温でこの処理を行う時は水あるいは油の代わりに溶融塩を用いて行う。

被加工物が平坦でなく、鋳物表面のように凹凸があり、溶接継手のように図２に示すように１２溶接金属の両端の１１止端部があるような場合には１４ノズルからの１３流水などをうまく利用して１０干渉液層を作る必要がある。この場合、６レーザビームおよび７集光レンズまたは集光光学系を揺動（オシレーション）させ、１１止端部全面や凹凸部全面をレーザピーニングすることにより、表面形状を滑らかにすることもできる。そして、表面を局部的にピーニングして、塑性変形や残留応力の範囲を制御することも可能である。

用いるレーザの種類はこの水や油の干渉液を十分透過できる波長のレーザ（例えば、水を干渉液とする時は波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザの２倍波あるいは波長１，０６３ｎｍのガラスレーザ）で、パルス幅が数１０ｎｓの幅で、そのパルスエネルギーが約数１００ｍＪから数Ｊで、そのピーク出力が数ＧＷのレーザがあれば、水を用いて数１０Ｈｚから数１００Ｈｚでレーザピーニング処理を行うことが可能である。
なお、照射するレーザビームは十分レンズなどで集光され、非加工物の表面では約５ｍｍ以下に絞られたレーザビームを用いる必要がある。これらのレーザ照射条件は材質の違いや利用目的の違いにより大きく異なる。水や油の干渉液の層は５ｍｍ以下の厚みでもよく、流水を用いることも可能である。

図１および２に於いて用いる集光レンズまたは光学系は多点化、Ｘ−Ｙガルバノミラー利用などの方法により、高速移動を行うように工夫することにより、時間あたりの処理速度を高めることも可能である。例えば、光ファイバー光学系で導光したレーザビームを用いることもできる。

レーザピーニング処理と加工熱処理を同時に行うときの手段としては、被加工物表面をその金属の再結晶温度近傍に加熱し、その温度で溶融する溶融塩またはガラスを干渉層として用い、保護被膜にはグラファイト塗布膜などを用いる。レーザの種類は、干渉層をよく透過する波長のレーザを用いる。溶融塩やガラスに対して波長が４００ｎｍから１３００ｎｍの範囲にあるＱスイッチレーザのような短パルスレーザならばよいが、例えば
Ｎｄ：ガラスレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザおよびそれらの２倍波レーザが利用できる。

レーザビーム吸収増強保護膜としては溶融塩に溶融するようなものは好ましくない。また、高温においても変質しないことが重要で、グラファイト塗布膜などが利用できる。
溶融塩としてはその成分配合比率（組成）により、融点が異なるので、対象とする金属の再結晶温度近傍で溶融する組成の溶融塩を用いる必要がる。

レーザピーニングの効果は幅広く、次のような効果が期待できる。
１．塑性変形が可能であり、被加工物の形状、特に表面形状を滑らかにできる。このことより、凹凸部をより平滑にでき、部材の凹凸部の応力集中を減少できる。
２．ビーム照射部周囲は塑性変形により圧縮応力が誘起され、これにより亀裂の進展が困難になり、疲労亀裂、応力腐食割れ、クリープ変形の進展が抑制される。すでに亀裂が生じている部品に対してもその亀裂の進展を抑制できる。
３．金属に塑性変形が誘起されると、金属内部には転位密度が著しく高くなり、
静的強度が向上するとともに、金属組織が微細化し、さらに再結晶温度以上に加熱すると再結晶により結晶粒の微細化が起こる。
４．溶接継手は溶接入熱により、溶接金属または熱影響部が軟化し、溶接継手効率が１００％以下になるアルミニウム合金やマグネシウム合金などの溶接継手に対してレーザピーニングを適用すれば、その継手強度を著しく向上でき、継手効率を１００％以上に高めることができる。
５．被加工物を再結晶温度以上または鋼ならばＡ３変態点温度以上に加熱した状態でレーザピーニングすれば、その照射部分を局部的に加工熱処理でき、超高張力鋼の特性を得ることも可能である。
６．高温での延性が十分でなく溶接割れを発生するような金属の溶接で溶接パスとパスの間で、レーザピーニングを行えば、収縮時に発生する引張りの応力により割れが発生するが、これを圧縮応力に代えることにより防止できる。
７．鋳造物に適用すれば、表面の凹凸を滑らかにできるとともに、表面近傍の組織中にある、鋳物巣、微細な亀裂、欠陥を押しつぶすことが可能でその表面性能を向上できる。

地球資源の有効利用に大きく寄与する。現在、各種金属は構造物として、部品として広く利用されているが、その強度の向上、応力腐食に対する寿命、疲労寿命の向上、亀裂の進展防止などより、製品そのものの寿命を向上し、材料の消耗を大きく押さえることができる。限定された埋蔵量の各種金属を有効に長く活用できる。

従来、レーザピーニングは水や油を用いて実施されているが、本発明で提案しているように溶融塩など高温で透明な液体である干渉層をもちいれば、被加工物を高温でピーニングでき、加工熱処理などが適用でき、超高張力・高靭性な鋼の効果を期待できる。
局部的ではあるが、部品の弱所を強化すれば、製品の寿命を向上できるので有効である。

各種溶接適用製品である自動車、船舶、建築物、橋梁、化学容器、パイプライン、化学プラント、ポンプ機器類の機械部品、電機製品、各種機械類などは、溶接部に繰り返し荷重を使用中に受けやすく、疲労や応力腐食を受けやすい。これらの溶接継手の急所（例えば、止端部）をレーザピーニングすれば、これら溶接製品の寿命を３倍にも１０倍にも延命することができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例及び図１から図７、表１に基づいて説明する。

実施例として、航空機の機体などに用いられているアルミニウムウ合金Ａ２０２４―Ｔ６材を用いて、この板材（２．５ｍｍ板厚）を被加工物として図２に示すように配置し、この被加工物側にレーザの吸収を向上させ、かつ被加工物を衝撃波から守る皮膜としてブラックペイントを０．１ｍｍ塗布し、そ上にガラス板の（板厚：４．５ｍｍ）を干渉層として置き、干渉層を透してＱスイッチのＮｄ：ガラスレーザによりレーザパワー密度１．５７ＧＷ/cm2, 繰り返し数毎分１回（１／６０Ｈｚ）、ビームスポット径（ワーク上でのビーム径）を６ｍｍとしてレーザピーニングを実施した。

その結果、被加工物方面から板厚方向の硬さ分布を図３に示す。約６ｍｍの深さまで硬さが増加した。また、そのレーザピーニング部の金属組織を図４に示す。処理しない材料に比べ、金属組織が著しく微細な組織になっている。またこの被加工物から疲労試験片を作製し疲労試験した結果を表１に示す。レーザピーニング処理した試験片はその寿命が１６７，２８１回と処理しないものに比べて約２倍に延びている。なお、この試験片のレーザ照射部には圧痕がみられ、確かに塑性変形が生じている。このように、アルミニウム合金の表面を塑性変形し、組織を微細化し、効果することにより、残留応力も照射部は圧縮応力となり、疲労強度が上昇した。

図５は、ＳＭ４９０鋼のアーク溶接継手の疲労試験結果を示す。この溶接継手の止端部は応力集中のため、その疲労強度は母材平滑材の約２分の１に減少している。ここをレーザ溶融するとその疲労強度は母材の疲労強度の７０％から８０％まで 改善されるが、１００％まで改善できない。しかし、レーザピーニング処理すれば、その疲労強度は母材とほぼ同等の１００％まで回復する。 これは残留応力がこの溶接継手の止端部で引張応力から圧縮応力に変換するばかりでなく、止端部の形状が滑らかになり、止端角を小さくし、応力集中を低減することが大きく寄与して 疲労強度が上昇する為である。
疲労亀裂は母材側に発生している。

アルミニウム合金製プロペラの応力集中部をレーザピーニングすれば、図６に示すように従来のショットピーニングにくらべ、約１０倍の疲労寿命を示しているように、炭素鋼、合金鋼に焼入れを行った歯車やインペラーなどにレーザピーニングを行えば、硬い組織がさらに硬く強じんになり、疲労寿命が大きく向上する。とくに、再結晶温度以上でレーザピーニングすれば、焼入れマルテンサイト組織でなく、微細な焼きもどしマルテンサイトとソルバイトやトルースタイトの混合組織となり、加工熱処理の効果が生じて、著しく強じん化して、疲労寿命や耐摩耗性の向上が期待できる。

図７に示すようなマグネシウム合金製自転車フレームの溶接部の静的強度は余盛を高めることにより可能であるが、疲労強度は向上しない。レーザピーニングすることにより、この部分の疲労強度を高め、自転車の寿命そのものを向上できた。

平滑な被加工物に対するレーザピーニングの実施方法。 凹凸部を持つ被加工物に対するレーザピーニングの実施方法。 レーザピーニングした被加工物表面から板厚方向の硬さ分布図。 Ａ２０２４合金板材のレーザピーニング部の金属組織図。 ＳＭ４９０鋼のアーク溶接継手の疲労試験結果。 アルミニウム合金６０６１材の疲労試験結果。 マグネシウム合金製小型自転車（新交通システム）。 レーザピーニングした疲労試験片および処理しない試験片の破断までの繰り返し回数。

符号の説明

図１において１レーザビーム、２集光レンズ、３被加工物、４ビーム吸収増強型保護膜、５干渉液層を示す。図２において６レーザビーム、７集光レンズまたは光学系、８被加工物、９ビーム吸収増強型保護膜、１０干渉液層、１１止端部、１２溶接金属、１３流水などの干渉液、１４ノズルを示す。

Claims (10)

1. マグネシウムおよびその合金、アルミニウムおよびその合金、銅およびその合金、ニッケル及びその合金、およびステンレス鋼のような融点近くまでの高温加熱により軟化、脆化および耐食性劣化しやすい金属および合金、これら金属をクラッド層とする金属クラッド材の溶接継手の溶接部（溶接金属および熱影響部）および鋳造材などを短パルス高ピーク出力のレーザでピーニング処理（高繰り返し数のパルスレーザにより、高ピーク出力密度のビームを与え、材料表面に高圧力のプラズマを発生させ、その衝撃波で材料表面にショットピーニングと同様の処理）をすることにより、これら金属、合金、金属クラッド材およびその溶接部表面を（数ｍｍ位の深さまで）その衝撃波で微細な塑性変形を与え、その結晶粒を微細化するするとともに、その表面層の転位密度を高め、静的強度を高め、母材並みの強度にする（継手効率を１００％以上にする）処理方法、およびこの処理により改善した金属、合金、金属クラッド材の溶接継手および鋳造材にレーザピーニングを適用して鋳造材表面の金属組織を微細化、高性能化する方法およびこの処理により改善した溶接継手および鋳造材。
2. 請求項１に示される金属・合金、金属クラッド材の溶接継手（異種金属継手を含む）および鋳造部材に対してレーザピーニング処理を行い、塑性変形させ、その表面形状（例えば、溶接継手の止端部の形状や鋳造材の凹凸部など）を成形することにより、表面を滑らかにし、応力集中を改善するとともに、同時にその表面下の残留応力分布を圧縮応力に変換する処理およびこの処理により疲労強度や応力腐食割れ感受性などの材料特性を改善する方法およびその処理をした金属部材。
3. 残留応力をもつ金属溶接継手をレーザピーニング処理することにより、その溶接継手のビード近傍（数ｍｍの深さまで）に塑性変形を与え、その部分の残留応力を低下させ、引張応力から圧縮の残留応力に転換させる方法、ならびにこの処理により改善した溶接継手。
4. わずかな拘束応力で割れを生じやすい中・高炭素鋼、鋳鉄、熱処理型アルミニウム合金、マグネシウム合金、モリブデン、ジルコニウム、ニッケル超合金など延性の低い金属材料の溶融溶接において溶接パス間にレーザピーニングを行うことにより、その溶接部の残留応力分布を引張応力から圧縮応力に換え、割れなく溶接する方法およびこの処理により改善される溶接継手。
5. 鋼材の変態焼入れ（またはさらに焼戻し）された部材の凹凸部にレーザピーニングする
   ことにより、その表面に圧縮の残留応力を導入するとともに、転位密度を高め、高強度化、
   高じん性化して疲労強度、静的強度、クリープ強度、耐摩耗性などの性能を向上する処理、
   および、この処理により改善された金属部材。
6. すでに、割れ、微少亀裂をもつ部材、溶接継手（異種金属継手を含む）、鋳造材に対して、その割れ部分をレーザピーニング処理することにより、塑性変形により割れをつぶして、表面割れを減少させ、さらに割れ先端の応力分布を引張応力から圧縮応力に変換することにより、亀裂の進展を防止する処理方法または補修方法およびこれらの処理で補修する金属部材。
7. 請求項１から請求項目４で適用されるマグネシウム合金およびアルミニウム合金の溶接継手のレーザピーニングにより、溶接継手止端部の形状、（特に止端角）を改善することにより、応力集中を低下するとともに、組織の微細化を計り、静的強度および疲労強度を高める方法およびこの処理を行った溶接継手または溶接製品。
8. 請求項１から請求項７で適用するレーザピーニングでワーク（被加工物）側にレーザの吸収を向上させ、かつ被加工物を衝撃波から守る皮膜としてグラファイト塗布、黒色ペンキあるいは離形材を塗布した皮膜（例えば、ナイロン膜、金属皮膜あるいはガラス皮膜など）を用い、その上に水、油などの干渉層を透過して行うレーザピーニング方法およびレーザピーニング装置。
9. 請求項１から請求項７で適用するレーザピーニングでワーク（被加工物）側にレーザの吸収を向上させ、かつ被加工物を衝撃波から守る皮膜としてグラファイト塗布、黒色ペンキあるいは離形材を塗布した皮膜（例えば、ナイロン膜、金属皮膜あるいはガラス皮膜など）を用い、非加工物の表面または全体をその金属の再結晶温度近傍もしくはそれ以上の温度に加熱した上で、油、塩浴などの干渉層を透過する波長の短パルスレ−ザを用いて、非加工物表面に油、溶融塩等を塗布、または撒き散らしつつ行うレーザピーニング方法およびレーザピーニング装置。
10. 請求項９に記載する方法により、金属の表面を熱間において、超高速歪速度で塑性変形を与え、組織の微細化、加工熱処理（金属を高温加熱し、高温で塑性変形する処理）による材質の改善、爆発成形（超高速歪速度の成形）を引き起こすことによる金属部材の超高性能化を実現する金属加工法。
    

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