JPH07246483A - レーザーピーニング方法 - Google Patents
レーザーピーニング方法Info
- Publication number
- JPH07246483A JPH07246483A JP6038662A JP3866294A JPH07246483A JP H07246483 A JPH07246483 A JP H07246483A JP 6038662 A JP6038662 A JP 6038662A JP 3866294 A JP3866294 A JP 3866294A JP H07246483 A JPH07246483 A JP H07246483A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- laser
- workpiece
- coating layer
- peening method
- irradiation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/356—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by shock processing
Abstract
(57)【要約】
【目的】反力補償の必要がない金属表面の応力状態変化
を行うことができ、加工上の効率化と信頼性を高める。 【構成】パルスレーザー装置８からレーザー光３を反射
鏡９，移動反射鏡10を通して被加工物２の表面に照射す
る。被加工物２を透明液体１中に設置し、移動反射鏡10
により、被加工物２の表面での照射位置を変えながらレ
ーザー光３を照射して被加工物２の表面に圧縮応力を残
留させる。
を行うことができ、加工上の効率化と信頼性を高める。 【構成】パルスレーザー装置８からレーザー光３を反射
鏡９，移動反射鏡10を通して被加工物２の表面に照射す
る。被加工物２を透明液体１中に設置し、移動反射鏡10
により、被加工物２の表面での照射位置を変えながらレ
ーザー光３を照射して被加工物２の表面に圧縮応力を残
留させる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は透明液体中で金属表面の
応力状態を所定の値に変化させるレーザーピーニング方
法に関する。
応力状態を所定の値に変化させるレーザーピーニング方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】軽水冷却型原子炉の炉心構造物はオース
テナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金などの高
温高圧水環境下において十分な耐食性と高温強度を有す
る材料で構成されている。
テナイト系ステンレス鋼またはニッケル基合金などの高
温高圧水環境下において十分な耐食性と高温強度を有す
る材料で構成されている。
【０００３】しかしながら、交換不可能な部材に対して
はプラントの長期に亘る運転により長期間高温高圧環境
中に曝され、しかもシュラウドなどの炉心材料は中性子
照射を受けるため、それらが原因となって起こる材料劣
化の問題が懸念されている。特に炉内構造物の溶接部近
傍は溶接入熱による材料の鋭敏化および引張り残留応力
が形成されているため、潜在的な応力腐食割れ発生の危
険性を有している。
はプラントの長期に亘る運転により長期間高温高圧環境
中に曝され、しかもシュラウドなどの炉心材料は中性子
照射を受けるため、それらが原因となって起こる材料劣
化の問題が懸念されている。特に炉内構造物の溶接部近
傍は溶接入熱による材料の鋭敏化および引張り残留応力
が形成されているため、潜在的な応力腐食割れ発生の危
険性を有している。
【０００４】最近、プラントの運転期間の長期化に対応
して予防保全技術対策として種々の材料表面改質技術の
開発が行われている。その一環として表面残留応力を積
極的に引張りから圧縮に変えることよって応力腐食割れ
を未然に防止するための対策工法の開発が行われてい
る。例えば、ショットピーニングまたはウォータジェッ
トピーニングなどの方法による表面残留応力改善技術の
開発が行われている。
して予防保全技術対策として種々の材料表面改質技術の
開発が行われている。その一環として表面残留応力を積
極的に引張りから圧縮に変えることよって応力腐食割れ
を未然に防止するための対策工法の開発が行われてい
る。例えば、ショットピーニングまたはウォータジェッ
トピーニングなどの方法による表面残留応力改善技術の
開発が行われている。
【０００５】ショットピーニングは 0.3〜 1.2mm程度の
鋼球を高圧空気あるいは遠心力を利用して加速し、鋼球
の運動エネルギーにより施工部表面を塑性変形させるこ
とにより表面に圧縮残留応力を形成する技術である。
鋼球を高圧空気あるいは遠心力を利用して加速し、鋼球
の運動エネルギーにより施工部表面を塑性変形させるこ
とにより表面に圧縮残留応力を形成する技術である。
【０００６】また、ウォータジェットピーニングは、10
00気圧程度の超高圧水をノズル先端より噴射し水撃作用
およびキャビテーションが破壊する際の衝撃波により表
面に圧縮残留応力を形成する技術である。いずれも水中
での施工により応力腐食割れに対する有効性が実証され
一部実用化されている。
00気圧程度の超高圧水をノズル先端より噴射し水撃作用
およびキャビテーションが破壊する際の衝撃波により表
面に圧縮残留応力を形成する技術である。いずれも水中
での施工により応力腐食割れに対する有効性が実証され
一部実用化されている。
【０００７】一方、従来のレーザーを用いた金属材料の
表面処理法としては、加熱による焼き入れ、焼きなま
し、表面溶融固化によるグレージング（非晶質化），ア
ロイイング（合金層形成），クラッディング（高融点材
料のコーティング），瞬間的な蒸発による衝撃硬化があ
る。これらはそれぞれ材料の表面硬度を制御する処理で
あったり、耐摩耗性，耐衝撃性，耐腐食性等を向上させ
ることが目的である。
表面処理法としては、加熱による焼き入れ、焼きなま
し、表面溶融固化によるグレージング（非晶質化），ア
ロイイング（合金層形成），クラッディング（高融点材
料のコーティング），瞬間的な蒸発による衝撃硬化があ
る。これらはそれぞれ材料の表面硬度を制御する処理で
あったり、耐摩耗性，耐衝撃性，耐腐食性等を向上させ
ることが目的である。
【０００８】軽水冷却型原子炉の原子炉上部室に設置さ
れるシュラウドと原子炉圧力容器との間に設置されてい
る機器および両者の表面の健全性を点検するためにマス
トまたは棒の先端に水中テレビカメラを取付けた装置
が、目視点検用として用いられているが、炉内構造物の
表面応力状態を変える作業は行われていない。
れるシュラウドと原子炉圧力容器との間に設置されてい
る機器および両者の表面の健全性を点検するためにマス
トまたは棒の先端に水中テレビカメラを取付けた装置
が、目視点検用として用いられているが、炉内構造物の
表面応力状態を変える作業は行われていない。
【０００９】また、さらに自由度の高い目視点検用の水
中遊泳式の点検ロボットが用いられている。しかし、こ
れも目視点検用であり、構造物の表面応力状態を変える
作業は行われていない。
中遊泳式の点検ロボットが用いられている。しかし、こ
れも目視点検用であり、構造物の表面応力状態を変える
作業は行われていない。
【００１０】従来のレーザーを用いたショットピーニン
グ方法を図４（ａ），（ｂ）によりその基本原理を説明
する。
グ方法を図４（ａ），（ｂ）によりその基本原理を説明
する。
【００１１】図４（ａ）は、透明液体１中に設置した被
加工物２にパルスレーザー光３を照射した瞬間を模式的
に示したものである。ここで使用する透明液体１は、パ
ルスレーザー光３の波長に対して透明であれば何でも良
い。
加工物２にパルスレーザー光３を照射した瞬間を模式的
に示したものである。ここで使用する透明液体１は、パ
ルスレーザー光３の波長に対して透明であれば何でも良
い。
【００１２】照射されている瞬間に被加工物２の表面で
はパルスレーザー光３が吸収され、瞬時に極表面のみが
加熱され、急激に蒸発し高温高圧のプラズマ４が発生す
る。この瞬間的な高温プラズマ４の噴出によりその反力
として衝撃力５が被加工物２に加えられる。この衝撃力
５により被加工物２の表面は、圧縮され、塑性変形され
ることが基本的な現象理解である。
はパルスレーザー光３が吸収され、瞬時に極表面のみが
加熱され、急激に蒸発し高温高圧のプラズマ４が発生す
る。この瞬間的な高温プラズマ４の噴出によりその反力
として衝撃力５が被加工物２に加えられる。この衝撃力
５により被加工物２の表面は、圧縮され、塑性変形され
ることが基本的な現象理解である。
【００１３】図４（ｂ）は、パルスレーザー光３の照射
が終り、被加工物２の表面に塑性変形が起こっているこ
とを示したものである。これにより圧縮残留応力６が被
加工物２の表面に与えられる。
が終り、被加工物２の表面に塑性変形が起こっているこ
とを示したものである。これにより圧縮残留応力６が被
加工物２の表面に与えられる。
【００１４】この現象が発生する場において、透明液体
１は、それの持つ慣性力により、発生したプラズマ４を
閉じ込める効果がある。透明液体１中では、気中や真空
中で照射する場合に比較して数10倍以上の衝撃力が得ら
れる。また、透明液体１の冷却作用によりレーザー光３
の照射による熱影響を最小限にすることが可能である。
このようにして被加工物２の表面に圧縮応力を残留させ
ることができる。
１は、それの持つ慣性力により、発生したプラズマ４を
閉じ込める効果がある。透明液体１中では、気中や真空
中で照射する場合に比較して数10倍以上の衝撃力が得ら
れる。また、透明液体１の冷却作用によりレーザー光３
の照射による熱影響を最小限にすることが可能である。
このようにして被加工物２の表面に圧縮応力を残留させ
ることができる。
【００１５】図５はレーザー光のパワー密度と照射時間
による表面現象を示したものであり、たて軸にパワー密
度を、よこ軸にパルス幅をとってある。この図５からレ
ーザー光のパルス幅とパワー密度とを選択することによ
りマイクロ除去，穴明け，切断，熱処理などの加工がで
きることがわかる。
による表面現象を示したものであり、たて軸にパワー密
度を、よこ軸にパルス幅をとってある。この図５からレ
ーザー光のパルス幅とパワー密度とを選択することによ
りマイクロ除去，穴明け，切断，熱処理などの加工がで
きることがわかる。
【００１６】図６は種々のレーザー加工のエネルギ範囲
を示しており、たて軸にパワー密度を、よこ軸に照射時
間をとってある。この図６からもパワー密度と照射時間
との関係を選択することにより衝撃硬化，穴開け，グレ
ージング，溶接切断および焼き入れ加工を行うことがで
きる。
を示しており、たて軸にパワー密度を、よこ軸に照射時
間をとってある。この図６からもパワー密度と照射時間
との関係を選択することにより衝撃硬化，穴開け，グレ
ージング，溶接切断および焼き入れ加工を行うことがで
きる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】ショットピーニングを
用いてシュラウドと原子炉圧力容器の間のアニュラス部
などの狭隘部の構造物の表面残留応力を改善する場合に
はショットの完全回収が困難であり、また、大気中でシ
ョットピーニング作業を行うと、粉塵が発生して困難な
作業となる課題がある。
用いてシュラウドと原子炉圧力容器の間のアニュラス部
などの狭隘部の構造物の表面残留応力を改善する場合に
はショットの完全回収が困難であり、また、大気中でシ
ョットピーニング作業を行うと、粉塵が発生して困難な
作業となる課題がある。
【００１８】ウォータジェットピーニングを用いて構造
物の表面応力状態を変える作業を行う場合、ジェット反
力が発生するため、狭隘な場所で遠隔操作により精密な
表面応力状態を変える作業を行う自動機を開発する必要
があり、その開発に困難を伴う課題がある。
物の表面応力状態を変える作業を行う場合、ジェット反
力が発生するため、狭隘な場所で遠隔操作により精密な
表面応力状態を変える作業を行う自動機を開発する必要
があり、その開発に困難を伴う課題がある。
【００１９】被加工物に対してレーザー照射による入熱
量が大きい場合、被加工物の表面が溶融あるいは金属組
織に変化が発生し、それにより表面に圧縮ではなく引張
り残留応力が形成される恐れがある。また、被加工物の
表面に十分な大きさの圧縮残留応力を付与するにはプラ
ズマの単位時間および単位面積当りの密度を確保する必
要がある。
量が大きい場合、被加工物の表面が溶融あるいは金属組
織に変化が発生し、それにより表面に圧縮ではなく引張
り残留応力が形成される恐れがある。また、被加工物の
表面に十分な大きさの圧縮残留応力を付与するにはプラ
ズマの単位時間および単位面積当りの密度を確保する必
要がある。
【００２０】したがって、被加工物に対して直接レーザ
ー光を照射する場合は被加工物の材質により照射条件が
限定され、しかも厳しい加工条件制御が要求される課題
がある。
ー光を照射する場合は被加工物の材質により照射条件が
限定され、しかも厳しい加工条件制御が要求される課題
がある。
【００２１】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、ショットの回収が不要で、ショットによる粉
塵発生のための作業環境がなく、反力補償の必要がない
金属材料表面の残留応力状態変化を行うことができ、加
工上の効率化をはかることができ、信頼性の高いレーザ
ーピーニング方法を提供することにある。
たもので、ショットの回収が不要で、ショットによる粉
塵発生のための作業環境がなく、反力補償の必要がない
金属材料表面の残留応力状態変化を行うことができ、加
工上の効率化をはかることができ、信頼性の高いレーザ
ーピーニング方法を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】本発明は被加工物を透明
液中に設置し、前記被加工物表面上で照射位置を変えな
がらパルスレーザー光を照射して前記被加工物の表面に
圧縮応力を残留させることを特徴とする。また、本発明
は被加工物の表面にレーザー光を透過しない被覆層を形
成しこの被覆層の上方からレーザー光を照射することを
特徴とする。
液中に設置し、前記被加工物表面上で照射位置を変えな
がらパルスレーザー光を照射して前記被加工物の表面に
圧縮応力を残留させることを特徴とする。また、本発明
は被加工物の表面にレーザー光を透過しない被覆層を形
成しこの被覆層の上方からレーザー光を照射することを
特徴とする。
【００２３】
【作用】本発明ではパルスレーザー光のパルス幅を10ps
ec以上、１μsec 以下とし、パルスレーザー光のパルス
あたりのエネルギーＥとパルス時間幅ｔと被加工物上で
のレーザースポット面積Ｓとしたとき、106 ＜Ｅ／(t×
Ｓ）＜1012［ｗ／cm2 ］の条件を満足させることが望ま
しい。
ec以上、１μsec 以下とし、パルスレーザー光のパルス
あたりのエネルギーＥとパルス時間幅ｔと被加工物上で
のレーザースポット面積Ｓとしたとき、106 ＜Ｅ／(t×
Ｓ）＜1012［ｗ／cm2 ］の条件を満足させることが望ま
しい。
【００２４】その理由は被加工物の残留応力を圧縮する
ために必要な条件であり、この条件を満たせない場合、
表面残留応力として十分な圧縮が得られなかったり、熱
影響による引っ張り応力のみの残留となることがある。
詳細な照射条件は対象とする材料や必要な残留応力強
度、応力変化を生じさせる深さ、許容できる熱影響部の
厚さ等によって決められる。
ために必要な条件であり、この条件を満たせない場合、
表面残留応力として十分な圧縮が得られなかったり、熱
影響による引っ張り応力のみの残留となることがある。
詳細な照射条件は対象とする材料や必要な残留応力強
度、応力変化を生じさせる深さ、許容できる熱影響部の
厚さ等によって決められる。
【００２５】上記照射条件を得るために、被加工物での
レーザースポット面積Ｓを変える目的でレーザー光を集
光できる光学装置とし、レーザー光照射面の近傍に対向
した電極を設け、この電極と被加工物間に直流またはレ
ーザーパルスに同期させた数10から数100 Ｖの電圧を印
加する。
レーザースポット面積Ｓを変える目的でレーザー光を集
光できる光学装置とし、レーザー光照射面の近傍に対向
した電極を設け、この電極と被加工物間に直流またはレ
ーザーパルスに同期させた数10から数100 Ｖの電圧を印
加する。
【００２６】レーザー光を用いて被加工物の表面応力状
態を変える作業を行う場合、パルス状レーザーを操作す
る際に被加工物の表面にはプラズマの発生効率を高める
目的および被加工物への熱影響を低減する目的でレーザ
ー光を透過しない被覆層を形成することが加工上有効で
ある。
態を変える作業を行う場合、パルス状レーザーを操作す
る際に被加工物の表面にはプラズマの発生効率を高める
目的および被加工物への熱影響を低減する目的でレーザ
ー光を透過しない被覆層を形成することが加工上有効で
ある。
【００２７】被加工物の加工面に被覆層を形成すること
により材料に対する熱影響を極力抑え、さらに効果的に
プラズマの発生をさせること、および水中におけるプラ
ズマ閉じ込め効果により被加工物の残留応力改善の加工
を効率良くしかも高い信頼性で実施できる。
により材料に対する熱影響を極力抑え、さらに効果的に
プラズマの発生をさせること、および水中におけるプラ
ズマ閉じ込め効果により被加工物の残留応力改善の加工
を効率良くしかも高い信頼性で実施できる。
【００２８】被覆層を形成後あるいは直接酸化膜上から
レーザーを照射することにより、加工裕度を確保し加工
の信頼性を高めることができる。また、直接酸化膜上か
らレーザーを照射する場合は、加工時間を大幅に短縮で
きる。
レーザーを照射することにより、加工裕度を確保し加工
の信頼性を高めることができる。また、直接酸化膜上か
らレーザーを照射する場合は、加工時間を大幅に短縮で
きる。
【００２９】このようにすると、レーザー光照射により
発生した衝撃力で被加工物表面に圧縮残留応力を与える
ことができる。また、レーザー光線によるため、加工部
を詳細に限定することが可能となる。また、作業時に反
力が発生しないため、操作装置に余計な負荷をかけるこ
ともなく、装置の強度を高める必要もなく、取扱いの容
易な装置が得られ、作業効率を高めることができる。
発生した衝撃力で被加工物表面に圧縮残留応力を与える
ことができる。また、レーザー光線によるため、加工部
を詳細に限定することが可能となる。また、作業時に反
力が発生しないため、操作装置に余計な負荷をかけるこ
ともなく、装置の強度を高める必要もなく、取扱いの容
易な装置が得られ、作業効率を高めることができる。
【００３０】また、透明液体を熱的，化学的に安定な水
とすることで、より確実に被加工物表面に圧縮残留応力
を付与することが可能になり、かつ、水の放射線遮蔽効
果により放射性物質を被加工物にした場合にも安全な加
工が可能になる。
とすることで、より確実に被加工物表面に圧縮残留応力
を付与することが可能になり、かつ、水の放射線遮蔽効
果により放射性物質を被加工物にした場合にも安全な加
工が可能になる。
【００３１】レーザー照射条件を限定することで被加工
物に対し確実に圧縮応力を残留させることが可能にな
る。
物に対し確実に圧縮応力を残留させることが可能にな
る。
【００３２】レンズまたは、集光鏡により照射面積を小
さくすることでパルス当たりのレーザー出力が十分でな
い場合にも、圧縮応力を残留させることができる条件で
照射することができる。
さくすることでパルス当たりのレーザー出力が十分でな
い場合にも、圧縮応力を残留させることができる条件で
照射することができる。
【００３３】パルス幅が、十分短くない等のレーザー照
射の条件によっては、被加工物の表層部に熱影響による
引っ張り応力が残留する場合があるが、この表層部の厚
さが許容できない場合には、被加工物のレーザー光照射
面とその近傍に対向して設置した電極間でレーザーで制
御した放電により熱影響部の除去ができ、確実に圧縮応
力の残留した表面を得ることができる。
射の条件によっては、被加工物の表層部に熱影響による
引っ張り応力が残留する場合があるが、この表層部の厚
さが許容できない場合には、被加工物のレーザー光照射
面とその近傍に対向して設置した電極間でレーザーで制
御した放電により熱影響部の除去ができ、確実に圧縮応
力の残留した表面を得ることができる。
【００３４】同様に透明液体を電解液とし、被加工物の
レーザー光照射面と、その近傍に対向して設置した電極
間で電解研磨を行うことで、確実に圧縮応力の残留した
表面を得ることができる。
レーザー光照射面と、その近傍に対向して設置した電極
間で電解研磨を行うことで、確実に圧縮応力の残留した
表面を得ることができる。
【００３５】加工面に被覆層を形成することにより被加
工物に対する熱影響を極力抑えさらに効果的にプラズマ
の発生をさせること、および水中におけるプラズマ閉じ
込め効果により被加工物の表面の残留応力改善加工を効
率良くしかも高い信頼性で実施できる。
工物に対する熱影響を極力抑えさらに効果的にプラズマ
の発生をさせること、および水中におけるプラズマ閉じ
込め効果により被加工物の表面の残留応力改善加工を効
率良くしかも高い信頼性で実施できる。
【００３６】加工部に対して直接レーザーを照射する場
合は被加工物の材質により照射条件が限定され、しかも
厳しい加工条件制御が要求されるが、これに対して、適
当な厚さのレーザー光を透過しない被覆層を形成すれ
ば、被覆層材がプラズマの供給源になるばかりでなく、
加工部材料への入熱量を極力低減する作用を兼ねること
になり、加工裕度が広がるため実機加工上有利である。
合は被加工物の材質により照射条件が限定され、しかも
厳しい加工条件制御が要求されるが、これに対して、適
当な厚さのレーザー光を透過しない被覆層を形成すれ
ば、被覆層材がプラズマの供給源になるばかりでなく、
加工部材料への入熱量を極力低減する作用を兼ねること
になり、加工裕度が広がるため実機加工上有利である。
【００３７】被覆層の材質はレーザー光を透過しない、
つまり吸収する材料であれば、絶縁体，半導体，金属い
ずれの種類でも良いが、非常に薄い被覆層は加工部表面
に形成する必要から金属が有利である。形成方法として
は金属薄膜を接着剤で張り付けるか、物理蒸着，塗布等
いずれの方法でも良い。
つまり吸収する材料であれば、絶縁体，半導体，金属い
ずれの種類でも良いが、非常に薄い被覆層は加工部表面
に形成する必要から金属が有利である。形成方法として
は金属薄膜を接着剤で張り付けるか、物理蒸着，塗布等
いずれの方法でも良い。
【００３８】実際に、予防保全工法としてレーザーピー
ニングを適用する際にはプラントの長期運転により原子
炉の炉内構造物表面は酸化被膜で覆われている。均一な
膜厚で被覆層を形成するためには被覆層の密着性等を考
慮し、研削等の手段で酸化被膜を除去する必要がある。
ニングを適用する際にはプラントの長期運転により原子
炉の炉内構造物表面は酸化被膜で覆われている。均一な
膜厚で被覆層を形成するためには被覆層の密着性等を考
慮し、研削等の手段で酸化被膜を除去する必要がある。
【００３９】金属薄膜がＡ１，Ｓｎ，Ｉｎなどの低融点
金属である場合には0.05から0.2mmでかつ被加工物と対
向電極間に数10から数100 ボルトの電圧を印加して照射
することにより、材料に対する熱影響を極力小さく抑
え、さらに、被覆層材料がプラズマ化するため、レーザ
ー照射後加工部表面には、被覆層材料が残存せず加工後
の被覆材料除去工程を省けるため工程の簡略化が計れ
る。
金属である場合には0.05から0.2mmでかつ被加工物と対
向電極間に数10から数100 ボルトの電圧を印加して照射
することにより、材料に対する熱影響を極力小さく抑
え、さらに、被覆層材料がプラズマ化するため、レーザ
ー照射後加工部表面には、被覆層材料が残存せず加工後
の被覆材料除去工程を省けるため工程の簡略化が計れ
る。
【００４０】同様に被覆層材料がＷ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｎ
ｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆなどの高融点あるいはステンレ
ス、インコネルなどの炉内構造物と同様でも良い。その
場合は、0.03から0.15mmでかつ被加工物と対向電極間に
数10から数100 ボルトの電圧を印加して照射することに
より同様な効果が得られる。
ｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆなどの高融点あるいはステンレ
ス、インコネルなどの炉内構造物と同様でも良い。その
場合は、0.03から0.15mmでかつ被加工物と対向電極間に
数10から数100 ボルトの電圧を印加して照射することに
より同様な効果が得られる。
【００４１】白金，金，パラジウム，亜鉛が被覆層材料
である場合には積極的にそれらの被覆層材料を残存させ
ることにより、レーザーピーニングによる残留応力改善
効果ばかりでなく被覆層による耐食性改善効果が期待で
きるため応力腐食割れ対策として非常に有効である。こ
の場合、被覆層の厚さとしては0.03mm以上が必要である
が0.25mm以上の場合には加工部の表面に十分な圧縮残留
応力が付与されないため、膜厚の上限値は0.25mmであ
る。
である場合には積極的にそれらの被覆層材料を残存させ
ることにより、レーザーピーニングによる残留応力改善
効果ばかりでなく被覆層による耐食性改善効果が期待で
きるため応力腐食割れ対策として非常に有効である。こ
の場合、被覆層の厚さとしては0.03mm以上が必要である
が0.25mm以上の場合には加工部の表面に十分な圧縮残留
応力が付与されないため、膜厚の上限値は0.25mmであ
る。
【００４２】原子炉炉内構造物表面に形成されている酸
化被膜を上記被覆膜として利用することにより同様な効
果が得られる。その場合には被覆層を形成する必要がな
く工程を簡略化できるばかりでなく、直接レーザー照射
することによって表面残留応力改善を行うと共に酸化膜
を除去する効果が期待できる。
化被膜を上記被覆膜として利用することにより同様な効
果が得られる。その場合には被覆層を形成する必要がな
く工程を簡略化できるばかりでなく、直接レーザー照射
することによって表面残留応力改善を行うと共に酸化膜
を除去する効果が期待できる。
【００４３】また、加工は通常大気中で行われるが水な
どのレーザー光を透過する媒体中で行う方が残留応力改
善上有利である。大気中での加工の場合はレーザー照射
によって発生した高温高圧のプラズマが発散する傾向が
あるが、水中で行った場合は放射線遮蔽効果があり、安
定性が高く、プラズマの閉じ込め効果があるため、その
反作用により材料中に効果的に残留応力を形成すること
ができる。
どのレーザー光を透過する媒体中で行う方が残留応力改
善上有利である。大気中での加工の場合はレーザー照射
によって発生した高温高圧のプラズマが発散する傾向が
あるが、水中で行った場合は放射線遮蔽効果があり、安
定性が高く、プラズマの閉じ込め効果があるため、その
反作用により材料中に効果的に残留応力を形成すること
ができる。
【００４４】また、同様の目的で水のかわりに電解液中
に被加工物を設け、レーザー光照射面に対向して負電極
を設け、これと被加工物間に直流もしくはレーザーパル
スに同期させた数Ｖから数１０Ｖの電圧を印加して電解
研磨する。
に被加工物を設け、レーザー光照射面に対向して負電極
を設け、これと被加工物間に直流もしくはレーザーパル
スに同期させた数Ｖから数１０Ｖの電圧を印加して電解
研磨する。
【００４５】原子炉炉内構造物に適用する場合には炉水
中で加工することによって、残留応力改善効果が促進さ
れ加工の信頼性を確保する意味で有効である。
中で加工することによって、残留応力改善効果が促進さ
れ加工の信頼性を確保する意味で有効である。
【００４６】
【実施例】図１を参照しながら本発明に係るレーザーピ
ーニング方法の第１の実施例を説明する。
ーニング方法の第１の実施例を説明する。
【００４７】図１は、透明液体１を満たした水槽７内に
設置されている被加工物２の表面に圧縮応力を残留させ
るレーザーピーニング加工装置の概念図である。パルス
レーザー装置８から出射されるパルスレーザー光３は、
反射鏡９により移動反射鏡10まで伝送される。移動反射
鏡10で反射したレーザー光３は、被加工物２に照射され
る。
設置されている被加工物２の表面に圧縮応力を残留させ
るレーザーピーニング加工装置の概念図である。パルス
レーザー装置８から出射されるパルスレーザー光３は、
反射鏡９により移動反射鏡10まで伝送される。移動反射
鏡10で反射したレーザー光３は、被加工物２に照射され
る。
【００４８】この時、移動反射鏡10は、パルス照射毎に
被加工物２の同一表面に照射されないようにするため
と、加工位置を制御するために移動する。ただし、この
例では一次元のみの移動を示しているが、必要に応じて
移動反射鏡10を複数用いた構成にすることで２次元での
加工や曲面を持った被加工物２への加工も可能となる。
被加工物２の同一表面に照射されないようにするため
と、加工位置を制御するために移動する。ただし、この
例では一次元のみの移動を示しているが、必要に応じて
移動反射鏡10を複数用いた構成にすることで２次元での
加工や曲面を持った被加工物２への加工も可能となる。
【００４９】また、この例では反射鏡９，10の構成によ
ってレーザー光３を伝送する場合を示しているが、光フ
ァイバーを１本あるいは複数本を束にしたもの等の伝送
光学系を用いても同様の効果が得られる。
ってレーザー光３を伝送する場合を示しているが、光フ
ァイバーを１本あるいは複数本を束にしたもの等の伝送
光学系を用いても同様の効果が得られる。
【００５０】被加工物３の表面に圧縮応力を残留させる
ことができるレーザー光のパルス幅とパワー密度の間に
は、図５に示すような関係が知られている。パルス幅が
１μsec 以下で、パワー密度が108 （ｗ／cm2 ）以上で
衝撃硬化が発生することを示している。
ことができるレーザー光のパルス幅とパワー密度の間に
は、図５に示すような関係が知られている。パルス幅が
１μsec 以下で、パワー密度が108 （ｗ／cm2 ）以上で
衝撃硬化が発生することを示している。
【００５１】この衝撃硬化は、図４（ａ）に示すように
被加工物２の表面にパルスレーザー光３が照射された時
に衝撃的にプラズマ４が発生し、衝撃力５が被加工物２
の表面に作用するためである。この衝撃硬化を発生する
条件を満足するレーザーとしては、ガラスレーザー，Ｙ
ＡＧレーザー，銅蒸気レーザー，エキシマレーザー等が
ある。
被加工物２の表面にパルスレーザー光３が照射された時
に衝撃的にプラズマ４が発生し、衝撃力５が被加工物２
の表面に作用するためである。この衝撃硬化を発生する
条件を満足するレーザーとしては、ガラスレーザー，Ｙ
ＡＧレーザー，銅蒸気レーザー，エキシマレーザー等が
ある。
【００５２】レーザー衝撃硬化の効果は、被加工物２の
表面にガラス，透明液体等を設けることにより高めるこ
とができる。透明液体に水を用いた場合には、水中透過
性の良い近赤外から近外紫のパルスレーザー光３が望ま
しい。水中を遠距離透過させるためには、銅蒸気レーザ
ーの青色パルスレーザー光３が適している。ＹＡＧレー
ザー光の倍調波を用いることができる。
表面にガラス，透明液体等を設けることにより高めるこ
とができる。透明液体に水を用いた場合には、水中透過
性の良い近赤外から近外紫のパルスレーザー光３が望ま
しい。水中を遠距離透過させるためには、銅蒸気レーザ
ーの青色パルスレーザー光３が適している。ＹＡＧレー
ザー光の倍調波を用いることができる。
【００５３】つぎに上記第１の実施例の作用と効果を説
明する。レーザーとしてジャイアントパルスが得られる
可視レーザーを用い、透明液体として純水を満たした容
器に、厚さ10mm（レーザー照射による材料の変形が発生
しない厚さ）のSUS304鋼製板材を設置する。
明する。レーザーとしてジャイアントパルスが得られる
可視レーザーを用い、透明液体として純水を満たした容
器に、厚さ10mm（レーザー照射による材料の変形が発生
しない厚さ）のSUS304鋼製板材を設置する。
【００５４】その表面にレーザービーム直径が６mmφで
パルス幅が約5nsec,パルスエネルギが約 200ｍＪのレー
ザーを照射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝ 140ＭＷ／cm
2 ）すると、照射面を深さ５μｍ程度電解研磨してＸ線
残留応力測定装置を用いて表面残留応力を測定すると、
最大で約−50ＭＰａの残留圧縮応力が得られる。
パルス幅が約5nsec,パルスエネルギが約 200ｍＪのレー
ザーを照射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝ 140ＭＷ／cm
2 ）すると、照射面を深さ５μｍ程度電解研磨してＸ線
残留応力測定装置を用いて表面残留応力を測定すると、
最大で約−50ＭＰａの残留圧縮応力が得られる。
【００５５】第１の実施例において、レーザー光線を焦
点距離50ｍｍの平凸レンズでビーム直径 0.5φに集光
し、レーザー照射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ
／cm2）すると、照射面を深さ５μｍ程度電解研磨して
Ｘ線残留応力測定装置を用いて表面残留応力を測定する
と、最大で約− 450ＭＰａの残留圧縮応力が得られる。
点距離50ｍｍの平凸レンズでビーム直径 0.5φに集光
し、レーザー照射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ
／cm2）すると、照射面を深さ５μｍ程度電解研磨して
Ｘ線残留応力測定装置を用いて表面残留応力を測定する
と、最大で約− 450ＭＰａの残留圧縮応力が得られる。
【００５６】第１の実施例において、レーザー装置８を
パルス幅約８psecのものとし、試験片にレーザーを照射
（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝ 1.3ＴＷ／cm2 ）とする
と、水のブレークダウンによるレーザー光の散乱が発生
するが、照射面を深さ５μｍ程度電解研磨してＸ線残留
応力測定装置を用いて表面残留応力を測定すると、最大
で約− 680ＭＰａの残留圧縮応力が得られる。
パルス幅約８psecのものとし、試験片にレーザーを照射
（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝ 1.3ＴＷ／cm2 ）とする
と、水のブレークダウンによるレーザー光の散乱が発生
するが、照射面を深さ５μｍ程度電解研磨してＸ線残留
応力測定装置を用いて表面残留応力を測定すると、最大
で約− 680ＭＰａの残留圧縮応力が得られる。
【００５７】さらに、10psec＜レーザー光のパルス幅＜
１μsec ，106 Ｗ／ｃｍ2 ＜Ｅ／（Ｓ×ｔ）＜1012Ｗ／
cm2 のレーザー照射条件で、レーザーに透明な液体中で
材料表面に圧縮残留応力を形成することができる。
１μsec ，106 Ｗ／ｃｍ2 ＜Ｅ／（Ｓ×ｔ）＜1012Ｗ／
cm2 のレーザー照射条件で、レーザーに透明な液体中で
材料表面に圧縮残留応力を形成することができる。
【００５８】表層部に熱影響部が許容範囲を超えた厚さ
で形成される時には、電解研磨でこれを除去することに
より被加工物２の表面に圧縮残留応力６を形成すること
ができる。
で形成される時には、電解研磨でこれを除去することに
より被加工物２の表面に圧縮残留応力６を形成すること
ができる。
【００５９】つぎに図２により本発明の第２の実施例を
説明する。第２の実施例は、第１の実施例にレーザー照
射面近傍に放電電極を備え、レーザー照射による応力改
善の加工と同時に発生する熱影響部の除去を放電により
行うようにしたものである。
説明する。第２の実施例は、第１の実施例にレーザー照
射面近傍に放電電極を備え、レーザー照射による応力改
善の加工と同時に発生する熱影響部の除去を放電により
行うようにしたものである。
【００６０】第２の実施例の基本構成は第１の実施例と
同様であるが、被加工物２に対向して数10μｍ程度離し
て電極１が設置されている。この電極11は、レーザー光
３の光路を妨げないようにリング形状である。電極11と
被加工物２の間に電位差を与えるために電源12が接続さ
れている。電源12として可変電圧直流電源を用いる。
同様であるが、被加工物２に対向して数10μｍ程度離し
て電極１が設置されている。この電極11は、レーザー光
３の光路を妨げないようにリング形状である。電極11と
被加工物２の間に電位差を与えるために電源12が接続さ
れている。電源12として可変電圧直流電源を用いる。
【００６１】つぎに第２の実施例の作用を説明する。第
１の実施例と同様にパルスレーザー光３を被加工物２に
照射すると図４（ａ）に示すように照射面に高温高圧プ
ラズマ４が発生する。この高圧プラズマ４に衝撃力５で
被加工物２の表面に圧縮応力を残留させることができ、
電極11と被加工物２の間にプラズマ４により誘起される
放電が発生し、熱影響部が除去される。（図４（ｂ）参
照） つぎに第２の実施例の効果を説明する。レーザーとして
ジャイアントパルスが得られる可視レーザーを用い、透
明液体として純水を満たした容器に、厚さ10mm（レーザ
ー照射による材料の変形が発生しない厚さ）のSUS304鋼
製板材を設置する。
１の実施例と同様にパルスレーザー光３を被加工物２に
照射すると図４（ａ）に示すように照射面に高温高圧プ
ラズマ４が発生する。この高圧プラズマ４に衝撃力５で
被加工物２の表面に圧縮応力を残留させることができ、
電極11と被加工物２の間にプラズマ４により誘起される
放電が発生し、熱影響部が除去される。（図４（ｂ）参
照） つぎに第２の実施例の効果を説明する。レーザーとして
ジャイアントパルスが得られる可視レーザーを用い、透
明液体として純水を満たした容器に、厚さ10mm（レーザ
ー照射による材料の変形が発生しない厚さ）のSUS304鋼
製板材を設置する。
【００６２】その表面にレーザービーム直径が 0.5ｍｍ
φ（焦点距離50mmの平凸レンズで集光）のレーザーを照
射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
φ（焦点距離50mmの平凸レンズで集光）のレーザーを照
射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
【００６３】と同時に、電極８に−200 Ｖの印加電圧を
加えると、照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定装
置を用いて測定すると、最大で約− 600ＭＰａの圧縮残
留応力が得られる。
加えると、照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定装
置を用いて測定すると、最大で約− 600ＭＰａの圧縮残
留応力が得られる。
【００６４】第２の実施例において、純水の代わりに電
解液を用い、電極11を被加工物２に対して５mm離して設
置し、電極11に−５Ｖの印加電圧を加え、レーザーを照
射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定装置を用いて
測定すると、最大で約− 600ＭＰａの圧縮残留応力が得
られる。
解液を用い、電極11を被加工物２に対して５mm離して設
置し、電極11に−５Ｖの印加電圧を加え、レーザーを照
射（ピーク強度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定装置を用いて
測定すると、最大で約− 600ＭＰａの圧縮残留応力が得
られる。
【００６５】つぎに図３により本発明の第３の実施例を
説明する。第３の実施例は図３に示すように図１に示し
た第１の実施例の被加工物２の表面に約 0.1mmの例えば
アルミニウム膜10の被覆層13を物理蒸着で形成し、レー
ザーを照射して表面応力改善することにある。
説明する。第３の実施例は図３に示すように図１に示し
た第１の実施例の被加工物２の表面に約 0.1mmの例えば
アルミニウム膜10の被覆層13を物理蒸着で形成し、レー
ザーを照射して表面応力改善することにある。
【００６６】第３の実施例の作用と効果を説明する。
【００６７】レーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透
明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10
mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない厚さ）
のSUS304鋼製板材（物理蒸着で厚さ約 0.1mmのアルミニ
ウム膜形成）を設置し、その表面にレーザーのパルス幅
が約５nsec，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを
焦点距離50mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強
度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10
mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない厚さ）
のSUS304鋼製板材（物理蒸着で厚さ約 0.1mmのアルミニ
ウム膜形成）を設置し、その表面にレーザーのパルス幅
が約５nsec，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを
焦点距離50mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強
度Ｅ／（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
【００６８】照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定
装置を用いてを測定すると、最大で約− 540ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたアルミニウム膜は蒸発して存
在しない。
装置を用いてを測定すると、最大で約− 540ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたアルミニウム膜は蒸発して存
在しない。
【００６９】第３の実施例において第１の実施例の被加
工物２（インコネル 600）の表面に約0.25mmのチタン膜
を物理蒸着で形成し、レーザーを照射して表面応力を改
善することができる。
工物２（インコネル 600）の表面に約0.25mmのチタン膜
を物理蒸着で形成し、レーザーを照射して表面応力を改
善することができる。
【００７０】第３の実施例における変形例の作用と効果
を説明する。レーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透
明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10
mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない厚さ）
のインコネル 600鋼製板材（物理蒸着で厚さ約0.25mmの
チタン膜形成）を設置する。
を説明する。レーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透
明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10
mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない厚さ）
のインコネル 600鋼製板材（物理蒸着で厚さ約0.25mmの
チタン膜形成）を設置する。
【００７１】その表面にレーザーのパルス幅が約５nse
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
【００７２】照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定
装置を用いてを測定すると、最大で約− 430ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたチタン膜は蒸発して存在しな
い。
装置を用いてを測定すると、最大で約− 430ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたチタン膜は蒸発して存在しな
い。
【００７３】第３の実施例における上記変形例の作用と
効果を説明する。レーザーとしてＹＡＧレーザーを用
い、透明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、
厚さ10mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない
厚さ）、50mm角のSUS304鋼製板材（物理蒸着で厚さ約
0.1mmのアルミニウム膜形成）の両端を拘束した状態で
中央部にビードオンプレート溶接（ 350ＭＰａの引っ張
り残留応力形成）したものを設置する。
効果を説明する。レーザーとしてＹＡＧレーザーを用
い、透明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、
厚さ10mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない
厚さ）、50mm角のSUS304鋼製板材（物理蒸着で厚さ約
0.1mmのアルミニウム膜形成）の両端を拘束した状態で
中央部にビードオンプレート溶接（ 350ＭＰａの引っ張
り残留応力形成）したものを設置する。
【００７４】その表面にレーザーのパルス幅が約５nse
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
【００７５】照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定
装置を用いてを測定すると、最大で約− 450ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたアルミニウム膜は蒸発して存
在しない。
装置を用いてを測定すると、最大で約− 450ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたアルミニウム膜は蒸発して存
在しない。
【００７６】このような試験片を沸騰42％塩化マグネシ
ウムに７２時間浸漬し、応力腐食割れ試験を行った場
合、レーザーを照射しない溶接部には、応力腐食割れが
発生するが、レーザー照射を受けた部分には割れが発生
しない。
ウムに７２時間浸漬し、応力腐食割れ試験を行った場
合、レーザーを照射しない溶接部には、応力腐食割れが
発生するが、レーザー照射を受けた部分には割れが発生
しない。
【００７７】第３の実施例において被加工物２（インコ
ネル 600）として引っ張り残留応力が形成されている溶
接ビード近傍の表面に被覆層13として約0.25mmのチタン
膜を物理蒸着で形成し、レーザーを照射して表面応力を
改善することにある。
ネル 600）として引っ張り残留応力が形成されている溶
接ビード近傍の表面に被覆層13として約0.25mmのチタン
膜を物理蒸着で形成し、レーザーを照射して表面応力を
改善することにある。
【００７８】レーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透
明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10
mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない厚
さ）、50mm角のインコネル 600鋼製板財（物理蒸着で厚
さ約0.15mmのスズ膜形成）の両端を拘束した状態で、中
央部にビードオンプレート溶接（ 300ＭＰａの引っ張り
残留応力形成）したものを設置する。
明液体として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10
mm（レーザー照射による材料の変形が発生しない厚
さ）、50mm角のインコネル 600鋼製板財（物理蒸着で厚
さ約0.15mmのスズ膜形成）の両端を拘束した状態で、中
央部にビードオンプレート溶接（ 300ＭＰａの引っ張り
残留応力形成）したものを設置する。
【００７９】その表面にレーザーのパルス幅が約５nse
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
【００８０】照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定
装置を用いてを測定すると、最大で約− 560ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたスズ膜は蒸発して存在しな
い。
装置を用いてを測定すると、最大で約− 560ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、蒸着により形成されたスズ膜は蒸発して存在しな
い。
【００８１】つぎに図３により本発明の第４の実施例を
説明する。第３の実施例は第１の実施例の被加工物２の
表面に被覆層13として約 0.1mmのSUS304箔を接着剤を用
いて張り付け、レーザーを照射して表面応力を改善する
ことにある。
説明する。第３の実施例は第１の実施例の被加工物２の
表面に被覆層13として約 0.1mmのSUS304箔を接着剤を用
いて張り付け、レーザーを照射して表面応力を改善する
ことにある。
【００８２】つぎに、第４の実施例の作用と効果を説明
する。レーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透明液体
として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10mm（レ
ーザー照射による材料の変形が発生しない厚さ）のSUS3
04鋼製板材（表面にSUS304箔を接着剤を用いて張り付
け）を設置する。
する。レーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透明液体
として純水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10mm（レ
ーザー照射による材料の変形が発生しない厚さ）のSUS3
04鋼製板材（表面にSUS304箔を接着剤を用いて張り付
け）を設置する。
【００８３】その表面にレーザーのパルス幅が約５nse
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
【００８４】照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定
装置を用いてを測定すると、最大で約− 400ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、接着剤を用いて張り付けたSUS304箔は蒸発して存在
しない。
装置を用いてを測定すると、最大で約− 400ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分に
は、接着剤を用いて張り付けたSUS304箔は蒸発して存在
しない。
【００８５】つぎに本発明の第５の実施例を説明する。
第５の実施例は第１の実施例の被加工物２（SUS304）の
表面に被覆層13として酸化膜を形成し、レーザーを照射
して表面応力改善することにある。
第５の実施例は第１の実施例の被加工物２（SUS304）の
表面に被覆層13として酸化膜を形成し、レーザーを照射
して表面応力改善することにある。
【００８６】第５の実施例の作用と効果を説明する。レ
ーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透明液体として純
水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10mm（レーザー照
射による材料の変形が発生しない厚さ）のSUS304鋼製板
材（溶存酸素量 10ppm，伝導度 0.2μＳ／cm， 288℃高
温純水中に 500時間浸漬処理により表面に酸化被膜形
成）を設置する。
ーザーとしてＹＡＧレーザーを用い、透明液体として純
水を満たした水深１ｍの容器に、厚さ10mm（レーザー照
射による材料の変形が発生しない厚さ）のSUS304鋼製板
材（溶存酸素量 10ppm，伝導度 0.2μＳ／cm， 288℃高
温純水中に 500時間浸漬処理により表面に酸化被膜形
成）を設置する。
【００８７】その表面にレーザーのパルス幅が約５nse
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
c，パルスエネルギが約 200ｍＪのレーザーを焦点距離5
0mmの凸レンズにより集光して照射（ピーク強度Ｅ／
（Ｓ×ｔ）＝５ＧＷ／cm2 ）する。
【００８８】照射面の表面残留応力をＸ線残留応力測定
装置を用いてを測定すると、最大で約− 320ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分の酸
化膜は蒸発して除去される。
装置を用いてを測定すると、最大で約− 320ＭＰａの残
留圧縮応力が得られる。レーザー照射を受けた部分の酸
化膜は蒸発して除去される。
【００８９】
【発明の効果】本発明によれば反力補償の必要がない金
属表面の応力状態変化を行うことができ、加工上の効率
化と信頼性を高めることができる。また、レーザーピー
ニングの際に被加工物表面に形成する被覆層の厚さを限
定することにより、レーザー照射後の被覆層の除去工程
を省くことができる。さらに、炉内構造物に適用する場
合には炉内構造物表面の酸化膜をレーザー照射によって
除去すると同時に酸化物被覆層の蒸発によって発生する
プラズマで応力改善処理を行うことができる。
属表面の応力状態変化を行うことができ、加工上の効率
化と信頼性を高めることができる。また、レーザーピー
ニングの際に被加工物表面に形成する被覆層の厚さを限
定することにより、レーザー照射後の被覆層の除去工程
を省くことができる。さらに、炉内構造物に適用する場
合には炉内構造物表面の酸化膜をレーザー照射によって
除去すると同時に酸化物被覆層の蒸発によって発生する
プラズマで応力改善処理を行うことができる。
【図１】本発明に係るレーザーピーニング方法の第１の
実施例を説明するためのレーザーピーニング装置を示す
概念図。
実施例を説明するためのレーザーピーニング装置を示す
概念図。
【図２】本発明に係るレーザーピーニング方法の第２の
実施例を説明するための装置概念図。
実施例を説明するための装置概念図。
【図３】本発明に係るレーザーピーニング方法の第３の
実施例を説明するための装置概念図。
実施例を説明するための装置概念図。
【図４】（ａ）は従来のレーザーピーニング方法の原理
を説明するための模式図、（ｂ）は（ａ）においてレー
ザー照射が終り被加工物の表面に圧縮残留応力を付与し
た状態を示す模式図。
を説明するための模式図、（ｂ）は（ａ）においてレー
ザー照射が終り被加工物の表面に圧縮残留応力を付与し
た状態を示す模式図。
【図５】レーザー光のパワー密度と照射時間による表面
現象を示す特性図。
現象を示す特性図。
【図６】種々のレーザー加工のエネルギー範囲を示す特
性図。
性図。
１…透明液体、２…被加工物、３…パルスレーザー光、
４…プラズマ、５…衝撃力、６…圧縮残留応力、７…水
槽、８…パルスレーザー装置、９…反射鏡、10…移動反
射鏡、11…電極、12…電源、13…被覆層。
４…プラズマ、５…衝撃力、６…圧縮残留応力、７…水
槽、８…パルスレーザー装置、９…反射鏡、10…移動反
射鏡、11…電極、12…電源、13…被覆層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向井 成彦 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 小畑 稔 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 佐藤 勝彦 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内
Claims (9)
- 【請求項１】 被加工物を透明液中に設置し、前記被加
工物表面上で照射位置を変えながらパルスレーザー光を
照射して前記被加工物の表面に圧縮応力を残留させるこ
とを特徴とするレーザーピーニング方法。 - 【請求項２】 前記パルスレーザー光のパルス幅は10ps
ecから１μsec 以下とし、レーザー光のパルスあたりの
エネルギーＥと、パルス時間幅ｔと被加工物上でのレー
ザースポット面積Ｓに対して106 ＜Ｅ／(t×Ｓ）＜1012
［ｗ／cm2 ］の条件を満足させることを特徴とする請求
項１記載のレーザーピーニング方法。 - 【請求項３】 前記被加工物上でのレーザースポット面
積を限定範囲に制御するためにレーザー光の発散または
集光化学装置を設けることを特徴とする請求項１記載の
レーザーピーニング方法。 - 【請求項４】 前記レーザー光の照射面の近傍に対向し
て電極を設け、この電極と前記被加工物間に直流または
レーザーパルスに同期させた数10から数100ボルトの電
圧を印加することを特徴とする請求項１記載のレーザー
ピーニング方法。 - 【請求項５】 前記透明液に電解液を使用し、この電解
液中に前記被加工物を設置し、前記レーザー光の照射面
に対向して負電極を設け、この負電極と前記被加工物間
に直流または前記レーザーパルスに同期させた数ボルト
から数10ボルトの電圧を印加することを特徴とする請求
項１記載のレーザーピーニング方法。 - 【請求項６】 前記被加工物の表面にレーザー光を透過
しない被覆層を形成し、この被覆層の上方からレーザー
光を照射することを特徴とする請求項１記載のレーザー
ピーニング方法。 - 【請求項７】 前記被加工物にステンレス鋼を使用し、
前記被覆層を形成する前処理として酸化膜を除去してス
テンレス鋼基材層を露出させた後に前記被覆層を形成
し、レーザー光を照射することを特徴とする請求項１記
載のレーザーピーニング方法。 - 【請求項８】 前記被加工物にステンレス鋼を使用した
場合の被覆層はＡｌ，Ｓｎ，Ｉｎの低融点金属，Ｗ，Ｍ
ｏ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆの高融点金属また
は、白金，金，パラジウムの貴金属から選択された少な
くとも１種からなり、その被覆層の厚さは低融点金属の
場合には、0.05から0.2mm ，高融点金属の場合には0.03
から0.15mm，貴金属の場合には0.03〜0.25mmの範囲に選
択されることを特徴とする請求項１記載のレーザーピー
ニング方法。 - 【請求項９】 前記被加工物がステンレス鋼以外の材料
の場合の被覆層が前記被加工物と同一材料からなる場
合、その被覆層の厚さは 0.2〜0.25mmの範囲に選択され
ることを特徴とする請求項１記載のレーザーピーニング
方法。
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