2020 Fiscal Year Annual Research Report
パルス幅がレーザピーニングにおける残留応力生成と疲労強度に及ぼす影響の解明
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19H02228
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
崎野 良比呂 近畿大学, 工学部, 教授 (80273712)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡本 康寛 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (40304331)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | レーザピーニング / 疲労 / 残留応力 / パルス幅 / ハンドヘルドレーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度はまず、新たに組み上げたレーザピーニング施工装置の改良を行った。カメラでの観察により水を循環させるのみでは施工位置に泡やゴミが完全に除去されていないことが明らかになったため、循環水を施工部にノズルを通して直接吹き付けるように改良した。これにより大きな残留応力生成されるようになった。さらに、レンズ等も調整し安定した施工が行えるようになった。
この装置を用いて、まずレーザパルスの重ね方が生成される残留応力に及ぼす影響の検討を行った。パルスが重ならないように全面に打った後に再度その上に少しずらして打っていく独立パルスと、連続的に重ねながらずらしていく連続パルスの2種類を比較した。試験材は50×50×10mmに加工した高張力鋼HT780平鋼を用いた。その結果、連続パルスの方が生成される残留応力が大きいことが明らかとなった。
また、照射径の影響についても検討を行った。フルエンスとオーバーラップ率を一定とし、照射径を0.2,0.4,0.6mmと変化させた。その結果、照射径0.4mmにおいて最も大きな残留応力が測定された。今後さらに検討を進めていく。
今後パルス幅の検討を行う準備として、小型疲労試験を入れることができる水槽を設計し、製作した。これでパルス幅もパラメータとして検討ができるようになった。
ハンドヘルドレーザによる疲労強度向上効果の確認に関しては、パルスエネルギー50mJ，スポット径を0.3，0.36，0.46，0.59mm、照射密度100pls/mm2とした条件でHT780に照射し、残留応力の深さ方向分布を明らかにした。この結果を基に、今後の疲労試験片への施工条件を決定する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
コロナの影響で直接の打ち合わせやレーザピーニングの施工自体ができなかったり、WEB授業の準備に時間をとられたりで、前半は進捗が滞ったが、後半持ち直した。
レーザピーニングの照射条件が残留応力に及ぼす影響に関する研究に関しては、施工法が確立し、パルス幅の異なるレーザ用の水槽の設計・製作も終わったので、本年度本格的なパラメトリックスタディーが可能となった。
ハンドヘルドレーザによる疲労強度向上効果の確認に関しては、プロトタイプのハンドヘルドレーザによるHT780の条件出しを行った。また、研究協力者らのグループが昨年度末に、2mJの市販予定のハンドヘルドレーザと、10mJ（今後出力が上がる可能性あり）のハンドヘルドレーザによるレーザピーニング装置を組め上げ、本研究の試験体施工していただけることとなった。今後、最適条件の検討や、大型疲労試験での効果確認等順調に進めていけると考えている。
この様に全体としてはおおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、パルス幅をパラメータに加えたパラメトリックスタディを行い、レーザピーニングの施工条件が生成される残留応力に及ぼす影響について引き続き検討を行う。本研究で使用する供試材として、普通鋼SM490と高張力鋼HT780の2種類の平鋼を用いる。50×50×10mmに加工した試験材に異なるパルス幅やパルス径レーザピーニングを施工する。照射時の様子をカメラで観察しながら、施工時にどの様な現象が起こっているのかについても観察を行う。これらの試験片の表面残留応力と残留応力の深さ方向分布の測定を行う。測定にはX線残留応力測定装置と電解研磨装置を用いる。また、今年度は小型突合せ疲労試験体への施工も行い、疲労試験での評価も開始する。
さらに、新たに研究協力者らのグループが組み上げたハンドヘルドレーザを用いたレーザピーニング装置を構造用鋼に使用した場合の最適な施工条件の選定と効果確認も引き続きおこなう。使用鋼材は、橋梁用高張力校SBHS500とする。これらに照射径と照射密度を変えてレーザピーニングを施し、残留応力測定によりどの条件が最も大きく深い残留応力が生成されるかを比較検討することで施工条件の選定を行う。その後、高張力鋼の小型突合せ溶接試験体に選定した条件でレーザピーニング施工を行い、引張疲労試験に供するこれらの実験により、ハンドヘルドレーザによるレーザピーニングの効果を定性的に明らかにする。
その後、リブ回し溶接試験体にレーザピーニングを施し、曲げ疲労試験を行い超小型ハンドヘルドレーザによる疲労強度向上効果の定量的把握を行う。
これらの研究が終了すれば、LP装置と位置決め装置、ノズル式レーザヘッド、水の供給装置等をシステム化することにより、実際に大型鋼構造物に適用・実用化できる（申請範囲外）。
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