2023 Fiscal Year Research-status Report
マルチ集光スポットレーザ照射による金属の深層レーザピーニング処理
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22K03815
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
中野 人志 近畿大学, 理工学部, 教授 (20257968)
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2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | レーザピーニング / 空間光位相変調 / SLM / マルチ集光スポット / 圧縮残留応力 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では空間位相変調レーザ光を用いた金属の深層レーザピーニング処理を目的としている。令和5年度においてはマルチ集光スポットレーザピーニングにおける衝撃波圧力ならびに金属試料の圧縮残留応力分布の測定・評価を主に行った。
前年度の研究成果として任意の分割数でマルチ集光スポットを発生可能なレーザピーニング実験システムを構築している。先ず、ピエゾストレスゲージによってマルチ集光スポットレーザーピーニング時の衝撃波圧力を測定し、金属の塑性変形に十分なレーザ誘起衝撃波圧力が発生していることを確認した。
集光スポット径・分割数をそれぞれ30 um・36分割、45 um・16分割、75 um・9分割、105 um・4分割とした際のマルチ集光スポットレーザピーニング処理実験をステンレス鋼SUS316Lに対して行った。なお、これらの集光スポット径・分割数は200 umスポット径での単一照射面積と等しくなるように調整されている。
レーザピーニング効果の評価評価指標としてステンレス鋼表層のビッカース硬度ならびに残留応力の測定を行った。ビッカース硬度は、レーザー照射強度に伴い増加する傾向が見られたが、集光スポット径・空間分割数によって著しく異なる結果は得られなかった。一方で試料深さ方向における残留応力分布は集光スポット径・空間分割数に依って付与される領域が異なることが示された。集光スポット径200 umの単一照射においての圧縮残留応力は金属表層から深さ約30～80 umの比較的表層で分布していた。集光スポット径・分割数が30 um・36分割および75 um×9分割においては金属表層から深さ約100～300 umに圧縮残留応力が分布することがわかった。以上の結果より、マルチ集光スポットレーザピーニングによる圧縮残留応力分布の深層化が期待できる。
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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
令和5年度においてはマルチ集光スポットレーザピーニングにおける衝撃波圧力ならびに金属試料の圧縮残留応力分布の測定・評価・データ解析を主目的としていた。ピエゾストレスゲージによるマルチ集光スポットレーザーピーニングの衝撃波圧力については、予定通り、測定・評価を終了した。マルチ集光スポットにおいても、単一集光スポットと同等の大きさの衝撃波圧力が発生していることが判明した。
昨年度に構築した空間光位相変調器（SLM）を導入したレーザピーニング実験システムは順調に安定動作している。集光スポット径とレーザの空間分割数を様々に変化させてステンレス鋼に対してレーザピーニング処理を行った。レーザの空間分割数を4，9、16、36として、それぞれの集光スポット径を単一集光スポット径を200 umとしたときの照射面積と同じになるように調整した。ピーニング処理後の表面硬度と圧縮残留応力を測定することによって、マルチ集光スポットレーザピーニングの効果を評価した。
ビッカース硬度については、集光スポット径・空間分割数によって著しく異なる結果は得られなかった。一方で残留応力分布は集光スポット径・空間分割数に依って圧縮残留応力の付与される領域が異なることが示された。マルチ集光スポットレーザピーニングによる圧縮残留応力分布制御の可能性が示唆され、適切な条件設定により深層レーザピーニング処理が実現できるものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度までの研究活動により、任意の集光スポット径・分割数で金属に試料に対してのマルチ集光スポットレーザピーニング処理が可能となった。また、ステンレス鋼に対する多数回のレーザピーニング処理実験から、レーザの分割数によって、圧縮残留応力が付与される領域が異なることが分かった。2024年度においては、集光スポット・分割数さらにスポット間隔を変化させ、深層レーザピーニング処理に望ましい条件を見出していく。また、集光形状が異なる場合においても衝撃波伝搬特性が異なるものと考えられることから、任意集光形状におけるレーザピーニング効果についても調べていく。
さらに、当初の予定通り、ステンレス鋼を様々な到達温度で熱処理（アニーリング）し、初期硬度、内部応力を制御した状態でマルチ集光スポットレーザピーニング処理を行う。金属の多様な状態とマルチ集光スポットレーザピーニングによる圧縮残留応力分布や表面硬度との関係性を考察していく。
マルチ集光スポットレーザピーニングによる深層レーザピーニングに望ましい条件を予想するため、今後は衝撃波伝播シミュレーションコードの開発を進めていく。
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