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- 1. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory レーザーピーニングにおける プラズマ閉じ込め層制御の効果 Effects of control of plasma confinement layer on Laser-Peening 近畿大学大学院総合理工学研究科 エレクトロニクス系工学専攻 北脇一平 研究概要
- 2. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory レーザーピーニングとは レーザー誘起衝撃波によって 金属表面近傍に圧縮残留応力層や硬 化層を形成させ機械的特性を 改善する技術 航空機部品や原子炉の炉心シュラウドなどの 高い信頼性が要求される部分に適用 ・効果が材料の奥深くまで及ぶ ・レーザー照射条件の管理が容易 ・レーザー照射反力がない レーザーピーニング処理
- 3. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory 微細処理・局所処理 ：小型・複雑形状部品 深部処理 ：大型部品 レーザーピーニング ショットピーニング 処 理 範囲 微細処理(溝・穴) 局所処理（応力集中部・溶接部） 大面積処理 深さ 深部・大型部品処理（1mm以上） 表層処理（500 µm以下） 表面粗さ 数 µm程度 数十µm程度 加工時間 長い 短時間 工 程 付帯工程 ＊必要な場合の み 光吸収膜の塗布（処理前） 凸凹表面の研磨作業（処理後） 付帯設備 水噴射装置 集塵設備 ショット材回収・分類設備 コ ス ト 初期設備投 資 高い 安い ランニング コスト 安い 励起光源が消耗品 高い ショット材が消耗品 レーザーピーニングの特徴 レーザーピーニング0
- 4. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory 産業界への応用 レーザーピーニング技術は 効果の検証を行うのに手間がかかる 生産性や装置コストも含めて ハードルが高い レーザーピーニング処理の高効率化により 産業界への応用を目指す 実用化のメドがつけば独自の競争力の 高い技術として利用できる 実験装置外観
- 5. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory レーザーピーニングの原理 液中の金属に対し パルスレーザーを集光照射 金属表面がプラズマ化 プラズマの膨張が液体の慣性により抑制 され高い圧力状態となり衝撃波が発生 圧縮残留応力層や硬化層が形成 パルス レーザー レンズ プラズマ レーザー照射後 圧縮応力 水など 金属衝撃波の動的な応力により 金属表層が押し延ばされて塑性変形し 未変形部からの拘束を受ける
- 6. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory レーザーピーニングパラメータ 衝撃波継続時間とレーザープラズマの圧力がレーザーの照射条件などによって主に 決定されるとした場合、レーザーピーニングの効果𝐸𝐿𝑃は３つの要素の積で表すことが可能 𝐸𝐿𝑃 = 𝐹𝐿 × 𝐹 𝑀 × 𝐹𝐶 5つの要素がそれぞれ互いに独立して作用するとき、 レーザーピーニングの効果𝐸𝐿𝑃は５つの要素の積で表すことが可能 𝐸𝐿𝑃 = 𝐹𝐿 × 𝐹𝑃 × 𝐹𝑆 × 𝐹 𝑀 × 𝐹𝐶 3) 衝撃波継続時間 𝑭 𝑺 1) レーザーの照射条件 𝑭 𝑳 ・ピーク強度 ・波長 ・パルス幅 ・偏光 ・スポット径 ・カバレッジ ・光学系のＦナンバー 5) プラズマ閉じ込め層 𝑭 𝑪 ・密度 ・音速 4) 材料状態 𝑭 𝑴 ・結晶粒径 ・残留応力 2) レーザープラズマの圧力 𝑭 𝑷 ・繰り返し周波数 ・状態 高エネルギー利用効率レーザーピーニングの実現
- 7. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory プラズマ閉じ込め層 レーザー生成プラズマの膨張を抑制し、プラズマ圧力を高めるために用いる媒質 （b）水中照射（a）空気中照射 プラズマの膨張が抑制され圧力が増大する空気中へプラズマが膨張 プラズマ閉じ込め層とは 閉じ込め媒質がない場合 閉じ込め媒質がある場合 プラズマの膨張のエネルギーを衝撃波のエネルギーとして利用できる 空気中 水中
- 8. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory プラズマ閉じ込め層 0 32 01.0 IZP ・液相では衝撃インピーダンスを音響イ ンピーダンスで評価できる ・レーザー生成プラズマ圧力は 音響インピーダンスによって決まる 𝐹𝑐 ∝ 𝑉𝑠 × 𝑑𝑙 𝑭 𝒄：プラズマ閉じ込め層制御の効果 𝑽 𝒔：プラズマ閉じ込め層の音速 𝒅𝒍：プラズマ閉じ込め層の密度 プラズマ閉じ込め層制御の効果は音響インピーダンスで表せる P： プラズマ圧力[GPa]、α:相互作用効率 Z： 衝撃インピーダンス、𝐼0： レーザー照射強度[GW/cm2] レーザー生成プラズマ圧力： プラズマ閉じ込め層制御の効果： ・使用レーザーに対して透過率、 絶縁破壊強度が高いこと 閉じ込め層（媒質）の条件
- 9. Kinki UniversityKinki University aser ngineering aboratory まとめ 本研究はプラズマ閉じ込め層を制御したときの レーザーピーニング効果を明らかにすることを目的とする 音響インピーダンスを制御する（高める） プラズマ閉じ込め層の効果を高めることを試みる 音響インピーダンスを制御することによって 𝐹𝑐 ∝ 𝑉𝑠 × 𝑑𝑙 絶縁破壊強度が高いものを利用する エネルギー・コスト等の削減により 産業界への応用を目指す 研究例Ⅰ 研究例Ⅱ プラズマ閉じ込め層を制御することで レーザーピーニング処理を効率化 レーザーのエネルギーを金属表層に到達させるため
Editor's Notes
- 我々はこの要素における制御可能なパラメータをレーザーピーニングパラメータと定義し、レーザーピーニングパラメータを最適化することによって高エネルギー利用効率レーザーピーニングを実現することを目指しています。ここではプラズマ閉じ込め層に着目しました。