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レーザーピーニング（LP）、またはレーザー衝撃ピーニング（LSP）は、材料に有益な残留応力を付与するために使用される表面処理プロセスです。レーザーピーニングによって誘発される深く大きな圧縮残留応力は、疲労、フレッティング疲労、応力腐食割れなどの表面関連の破壊に対する材料の耐性を向上させます。レーザー衝撃ピーニングは、薄肉部の強化、表面の硬化、部品の成形または矯正（レーザーピーニング成形として知られています）、硬質材料の破砕、粉末金属の圧縮、および高圧・短時間の衝撃波が望ましい加工結果をもたらすその他の用途にも使用できます。
現代のレーザーピーニングに向けた最初の科学的発見は、パルスレーザー技術が世界中で普及し始めた1960年代初頭に始まりました。Gurgen AskaryanとEM Morozによる材料とレーザーの相互作用に関する初期の研究では、パルスレーザーを使用して対象表面の圧力測定を記録しました。[ 1 ]観測された圧力は、レーザービームの力だけで発生させることができる圧力よりもはるかに大きいものでした。この現象の研究により、高圧はレーザーパルスによって急速に加熱された対象表面での材料の蒸発によって生成された運動量インパルスに起因することが示されました。1960年代を通じて、多くの研究者がレーザービームパルスと材料との相互作用、およびそれに続く応力波の発生をさらに定義し、モデル化しました。[ 2 ] [ 3 ]これらの研究やその他の研究では、材料中の応力波は、パルスレーザービームが対象に当たったときに生成される急速に膨張するプラズマから発生することが観察されました。その後、このことが、応力波の強度を高めるために、より高い圧力を達成することへの関心につながりました。より高い圧力を発生させるには、出力密度を高め、レーザービームを集束させる（エネルギーを集中させる）必要があり、そのためには、空気中でビーム内部の誘電破壊を防ぐために、レーザービームと物質との相互作用を真空チャンバー内で行う必要があった。こうした制約により、高強度パルスレーザーと物質との相互作用の研究は、高エネルギーパルスレーザーを使用できる限られた研究者グループにのみ限定されていた。
1960年代後半、NCアンダーホルムが、膨張するプラズマをターゲット表面に閉じ込めることで、はるかに高いプラズマ圧力を達成できることを発見し、大きなブレークスルーが起こりました。[ 4 ]アンダーホルムは、レーザービームに対して透明な石英オーバーレイをターゲット表面にしっかりと密着させることでプラズマを閉じ込めました。オーバーレイを配置すると、レーザービームはターゲット表面と相互作用する前に石英を通過します。急速に膨張するプラズマは、石英オーバーレイとターゲット表面の界面内に閉じ込められました。このプラズマを閉じ込める方法により、結果として生じる圧力が大幅に増加し、1～8ギガパスカル（150～1,200 ksi）の圧力ピークが発生し、閉じ込められていないプラズマ圧力測定値よりも1桁以上大きくなりました。アンダーホルムの発見がレーザーピーニングに与えた意義は、高圧応力波を発生させるためのパルスレーザーと材料の相互作用を、真空チャンバーに限定されずに空気中で実行できることを実証した点にあります。
1970年代初頭には、パルスレーザー照射がターゲット材料に及ぼす影響に関する最初の調査が行われた。LI Mirkinは、真空中でレーザー照射によって形成されたクレーターの下の鋼のフェライト粒に双晶形成を観察した。[ 5 ] SA MetzとFA Smidt, Jr.は、低出力密度のパルスレーザーで空気中でニッケル箔とバナジウム箔を照射し、箔を焼きなましした後にボイドと空孔ループを観察し、応力波によって高濃度の空孔が生成されたことを示唆した。これらの空孔は、その後、照射後の焼きなまし中に凝集して、ニッケルでは観察されたボイド、バナジウムでは転位ループとなった。[ 6 ]
1971年、オハイオ州コロンバスのバテル記念研究所の研究者たちは、高エネルギーパルスレーザーを用いたレーザー衝撃処理によって金属の機械的特性を改善できるかどうかの調査を開始した。1972年には、金属へのレーザー衝撃の有益な効果に関する最初の文書が発表され、プラズマを閉じ込めるために石英オーバーレイを使用したアルミニウム引張試験片の強化が報告された。[ 7 ]その後、1974年にフィリップ・マロッツィとバリー・フェアランドにレーザー衝撃ピーニングに関する最初の特許が付与された。[ 8 ]レーザーピーニングの効果と応用可能性に関する研究は、1970年代から1980年代初頭にかけて、アラン・クラウアー、バリー・フェアランド、および同僚によって、国立科学財団、NASA、陸軍研究局、米国空軍、およびバテル内部からの資金援助を受けて続けられた。この研究では、材料内部の影響をより深く探究し、レーザーピーニングによって深い圧縮応力が生成され、それに伴い疲労寿命とフレッティング疲労寿命が増加することを実証しました。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
初期開発段階におけるレーザー衝撃は、当時のレーザー技術によって著しく制限されていた。Battelle社が使用していたパルスレーザーは、1つの大きな部屋を占め、レーザーパルスの間に数分間の回復時間が必要であった。[ 13 ]実用的で経済的かつ実用的な工業プロセスとなるためには、レーザー技術は、設置面積がはるかに小さく、レーザーパルス周波数を高くできる装置へと成熟する必要があった。1980年代初頭、イリノイ州デカターにあるWagner Castings社は、鋳鉄の疲労強度を鋼鉄と競合できるレベルまで高めつつ、コストを抑えることができるプロセスとして、レーザーピーニングに興味を持った。さまざまな鋳鉄のレーザーピーニングでは、疲労寿命がわずかに改善されたことが示され、これらの結果などが、1986年に試作前のパルスレーザーの設計と製造に資金を提供し、このプロセスの工業的実現可能性を実証することを確信させた。このレーザーは1987年に完成し、実証された。この技術は15年ほど研究と開発が進められていたが、業界でこの技術について聞いたことがある人はほとんどいなかった。こうして、デモンストレーション用レーザーの完成に伴い、ワグナー・キャスティング社とバテル社のエンジニアたちは、レーザーピーニングを潜在的な産業市場に紹介するための大規模なマーケティング活動を開始した。
また、1980年代半ばには、エコール・ポリテクニークのレミー・ファブロがパリでレーザー衝撃ピーニングプログラムを開始した。彼とプジョー社のジャン・フルニエは1986年にバテルを訪れ、アラン・クラウアーとレーザー衝撃ピーニングについて長時間議論した。ファブロによって開始され、1990年代から2000年代初頭にかけてパトリス・ペイレ、ローラン・ベルト、および共同研究者によって引き継がれたプログラムは、レーザーピーニングの理解と実装に理論的にも実験的にも大きな貢献をした。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 1998年には、VISAR（Velocimeter Interferometer System for Any Reflector）を使用して、波長の関数として水中閉じ込め領域での圧力負荷を測定した。彼らは、水中での破壊が材料表面での最大圧力を制限する有害な影響を実証した。[ 17 ]
1990年代初頭、レーザーピーニングが疲労寿命を延ばす可能性が市場で広く知られるようになってきた。1991年、米空軍はバテル社とワグナー社のエンジニアをGEアビエーションに紹介し、ロックウェルB-1Bランサー爆撃機に搭載されているゼネラル・エレクトリックF101エンジンのファンブレードの異物損傷（FOD）問題に対処するためのレーザーピーニングの応用可能性について話し合った。その結果、レーザーピーニング後にひどくノッチ加工されたレーザーピーニング処理済みのファンブレードは、新品のブレードと同じ疲労寿命を持つことが試験で示された。[ 18 ]さらに開発が進められた後、GEアビエーションはバテル社からレーザー衝撃ピーニング技術のライセンスを取得し、1995年にGEアビエーションと米空軍は同技術の生産開発を進めることを決定した。GEアビエーションは1998年にF101ファンブレードのレーザーピーニング生産を開始した。
GE Aviation が生産を開始するために必要な産業用レーザーシステムの需要は、Battelle のレーザー衝撃ピーニングチームの数名を惹きつけ、1995 年に最初の商用レーザーピーニング装置サプライヤーとして LSP Technologies, Inc. を設立させた。創設者の Jeff Dulaney が率いる LSP Technologies は、GE Aviation が F101 ファンブレードの生産用レーザーピーニングを行うためのレーザーシステムを設計および構築した。1990 年代後半から 2000 年代初頭にかけて、米国空軍は LSP Technologies と協力し、レーザー衝撃ピーニングの生産能力を成熟させ、生産製造セルを導入し続けた。[ 19 ]
1990年代半ば、米国とフランスで進行中のレーザーピーニングの開発とは別に、日本の東芝株式会社の佐野雄二は、原子力発電所の圧力容器の溶接部をレーザーピーニングして、これらの領域における応力腐食割れを軽減できるレーザーピーニングシステムの開発に着手した。[ 20 ]このシステムは、高出力レーザーよりも高いパルス周波数で動作する低エネルギーパルスレーザーを使用した。レーザービームは、関節式チューブを通して圧力容器内に導入された。圧力容器は水で満たされていたため、照射面上に水のオーバーレイは必要なかった。しかし、ビームは水中をある程度の距離通過する必要があったため、米国とフランスで使用されていた 1054 nmのビームではなく、水中でのビームの誘電破壊を最小限に抑えるために、より短い波長の532 nmのビームを使用する必要があった 。また、不透明なオーバーレイを使用することは現実的ではなかった。このプロセスは現在、コーティングなしレーザーピーニング（LPwC）として知られている。 1999年に日本の沸騰水型原子炉と加圧水型原子炉に適用され始めた。[ 21 ]
また、1990年代には、ホセ・オカーニャによってマドリード工科大学に重要なレーザーピーニング研究グループが結成されました。彼らの研究には、不透明なオーバーレイの有無にかかわらず、低エネルギーパルスレーザーを使用した実験的および理論的研究の両方が含まれています。[ 22 ] [ 23 ]
F101エンジンの重大な運用上の問題を解決するためにレーザーピーニングが商業的に応用されたという大きなブレークスルーをきっかけに、レーザーピーニングは世界中で注目を集めるようになりました。多くの国や業界の研究者が、レーザー衝撃ピーニングのプロセスと材料特性への影響に関する理解を深めるための研究に取り組みました。その結果、米国、フランス、日本で膨大な数の研究論文と特許が生み出されました。これらの国々とスペインでの研究に加え、中国、英国、ドイツ、その他いくつかの国でもレーザーピーニングプログラムが開始されました。この技術とその応用が継続的に発展した結果、2000年代初頭には複数の商業用レーザー衝撃ピーニングプロバイダーが登場しました。
GE AviationとLSP Technologies は、Battelle から技術のライセンスを取得し、商業的にレーザー ピーニングを行った最初の企業でした。GE Aviation は航空宇宙エンジン部品にレーザー ピーニングを行い、LSP Technologies はより幅広い産業基盤にレーザー ショック ピーニング サービスと装置を販売しました。1990 年代後半、Metal Improvement Company (MIC は現在 Curtis Wright Surface Technologies の一部) は、Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) と提携して独自のレーザー ピーニング機能を開発しました。日本では、東芝株式会社がLPwC システムの商業用途を加圧水型原子炉に拡大し、2002 年に水中レーザー ピーニング ヘッドへの光ファイバー ビーム伝送を実装しました。東芝はまた、レーザーとビーム伝送をコンパクトなシステムに再設計し、システム全体を圧力容器に挿入できるようにしました。このシステムは 2013 年に商業使用の準備が整いました[ 24 ] MIC は、ボーイング 747-8 の翼の形状を成形するためにレーザー ショック ピーニングを開発し、適応させました。
産業用サプライヤーの増加とレーザーピーニング技術の商業的な実証により、多くの企業が問題解決や予防のためにレーザーピーニング技術を採用するようになりました。レーザーピーニングを採用している企業には、GE、ロールス・ロイス、シーメンス、ボーイング、プラット・アンド・ホイットニーなどがあります。
1990年代から現在に至るまで、レーザーピーニングの開発は、高コスト・少量生産部品以外の市場に到達するために、コスト削減とスループット向上を目指してきました。レーザーピーニング工程の高コストは、以前はレーザーシステムの複雑さ、処理速度、手作業、オーバーレイ塗布に起因していました。これらの課題に対処する数々の継続的な進歩により、レーザーピーニングのコストは劇的に削減されました。レーザーピーニングシステムは堅牢な動作に対応するように設計され、レーザーシステムのパルスレートは増加し、ルーチン作業はますます自動化され、オーバーレイ塗布は多くの場合自動化されています。レーザーピーニングの運用コストの削減により、疲労や関連用途の幅広い範囲を解決するための貴重なツールとなっています。[ 25 ]
レーザーピーニングは、レーザーによって加えられる衝撃波の動的機械効果を利用して、対象材料の表面を改質します。熱効果は利用しません。基本的に、レーザーピーニングは、透明なオーバーレイと高エネルギーパルスレーザーシステムの 2 つのコンポーネントだけで実行できます。透明なオーバーレイは、レーザービームによって対象表面に形成されたプラズマを閉じ込めます。また、水オーバーレイと対象表面の間に、レーザービームに対して不透明な薄いオーバーレイを使用することも多くの場合有益です。この不透明なオーバーレイは、次の 3 つの利点のいずれか、またはすべてを提供します。レーザービームによる潜在的に有害な熱効果から対象表面を保護する、レーザービームと材料の相互作用に対して一貫した表面を提供する、オーバーレイのインピーダンスが対象表面のインピーダンスよりも小さい場合は、対象に入射する衝撃波の大きさを増加させる。ただし、不透明なオーバーレイを使用しない状況もあります。東芝のプロセスであるLPwC、またはコスト削減と表面残留応力の若干の低下とのトレードオフにより、レーザーピーニング後に表面研削またはホーニングを行い、薄い熱影響層を除去することが可能になります。
レーザーピーニングプロセスは、パルスエネルギーが最大 50 J (より一般的には 5 ～ 40 J)、パルス幅が 8 ～ 25 ns の高エネルギー Nd ガラスレーザーから始まりました。ターゲット上のレーザースポット径は通常 2 ～ 7 mm の範囲です。処理シーケンスは、ワークピースまたはターゲット表面に不透明なオーバーレイを塗布することから始まります。一般的に使用される不透明なオーバーレイ材料は、黒またはアルミテープ、塗料、または独自の液体である RapidCoater です。テープまたは塗料は通常、処理する領域全体に塗布されますが、RapidCoater はレーザーパルスをトリガーする直前に各レーザースポットに塗布されます。不透明なオーバーレイを塗布した後、透明なオーバーレイがその上に置かれます。生産処理で使用される透明なオーバーレイは水です。水は安価で、簡単に塗布でき、ほとんどの複雑な表面形状に容易に適合し、簡単に除去できます。水はレーザーパルスをトリガーする直前に表面に塗布されます。石英やガラスのオーバーレイは水よりもはるかに高い圧力を発生させますが、平坦な表面に限定され、ショットごとに交換する必要があり、生産現場での取り扱いが困難です。透明テープを使用することもできますが、貼り付けに手間がかかり、複雑な表面形状に適合させるのが困難です。透明なオーバーレイは、レーザーエネルギーの吸収や誘電破壊をほとんど起こさずにレーザービームを通過させます。レーザーがトリガーされると、ビームは透明なオーバーレイを通過して不透明なオーバーレイに当たり、オーバーレイ材料の薄い層を瞬時に蒸発させます。この蒸気は、透明なオーバーレイと不透明なオーバーレイの界面に閉じ込められます。レーザーパルス中の継続的なエネルギー供給により、蒸気は急速に加熱およびイオン化され、急速に膨張するプラズマに変化します。膨張するプラズマによって不透明なオーバーレイ表面に加わる圧力の上昇は、高振幅の応力波または衝撃波としてターゲット表面に到達します。透明なオーバーレイがない場合、閉じ込められていないプラズマプルームは表面から離れ、ピーク圧力はかなり低くなります。衝撃波の振幅が対象物のユゴニオ弾性限界（HEL）、すなわち動的降伏強度を超えると、材料は塑性変形する。衝撃波の通過中。塑性ひずみの大きさは、衝撃波のピーク圧力が減衰する、つまり減少するにつれて表面からの距離とともに減少し、ピーク圧力がHELを下回るとゼロになります。衝撃波が通過した後、残留塑性ひずみはターゲット表面の下に圧縮残留応力勾配を生成し、表面または表面直下で最大となり、深さとともに減少します。レーザー出力密度、パルス持続時間、および領域に対する連続ショット数を変化させることで、さまざまな表面圧縮応力の大きさと深さを実現できます。表面応力の大きさはショットピーニングに匹敵しますが、深さははるかに大きく、スポットに複数ショットを 使用すると最大5 mmに達します。一般的に、スポット密度は約10スポット/cm 2～40スポット/cm 2が適用されます。最も一般的な処理パラメータで達成される圧縮応力の深さは、1～2 mm (0.039～0.079インチ)です。深い圧縮応力は、衝撃波のピーク圧力がHEL（衝撃エネルギー損失）よりも深い位置まで維持されることに起因する。これは、他のピーニング技術の場合よりも深い位置まで圧力が維持されるためである。
不透明なオーバーレイを塗布せずに、ワークピースの表面を直接レーザーピーニングする方が費用対効果が高い場合もあります。金属表面をレーザーピーニングすると、表面材料の薄いマイクロメートル範囲の層が蒸発します。急激な温度上昇により、パルスエネルギーとパルス持続時間、および目標融点に応じて、表面が溶融します。アルミニウム合金の場合、この深さは通常10～20μmです が、鋼やその他の高融点合金の場合は、わずか数マイクロメートルになることがあります。パルス持続時間が短いため、冷たい基材の急速な冷却効果により、表面の深部加熱は数十マイクロメートルに制限されます。ワークピースの表面には、酸化生成物などによる表面的な汚れが生じる場合があります。表面処理によるこれらの有害な影響（美観と冶金学的影響の両方）は、レーザーピーニング後に軽い研削またはホーニングによって除去できます。不透明なオーバーレイを装着すると、対象物の表面温度はナノ秒単位で50～100 ℃（90～180 °F）未満に上昇する。
レーザーパルスは、レーザースポットサイズよりも広い領域を処理するために、一般的に対象物に順次照射されます。レーザーパルスの形状は、円形、楕円形、正方形など、さまざまな形状にカスタマイズ可能で、最も便利で効率的な加工条件を実現します。照射スポットサイズは、材料のHEL値、レーザーシステムの特性、その他の加工要因など、多くの要素によって決まります。レーザーピーニングを行う領域は、通常、部品の形状、疲労破壊領域の範囲、および補償引張応力をこの領域から移動させるという考慮事項によって決定されます。
より最近開発されたレーザーピーニングプロセスである東芝LPwCプロセスは、上記のプロセスとは大きく異なります。LPwCプロセスでは、パルスエネルギーが≤ 0.1 J、パルス幅が≤ 10 nsの低エネルギー高周波Nd-YAGレーザーを使用し、スポットサイズは直径≤1 mmです。このプロセスは元々、大型の水槽内で動作することを想定していたため、波長を半分の532 nmにするために波長を2倍にしました。波長が短いほど、水中をターゲットまで伝搬する際のビームエネルギーの吸収が減少します。アクセス上の制約から、ターゲット表面には不透明なオーバーレイは適用されません。この要因とスポットサイズが小さいことから、1 mmの深さで十分な表面圧縮応力を得るには、多くのショットが必要となります。最初に塗布された層は表面溶融により引張表面応力を発生させますが、溶融層の下では圧縮応力が発生します。しかし、層が増えるにつれて、表面下の圧縮応力が溶融した表面層を通して「漏れ出し」、所望の表面圧縮応力を生成します。材料特性と所望の圧縮応力に応じて、一般的に約 18 スポット/mm 2～ 70 スポット/mm 2以上のスポット密度が適用され、これは高パルスエネルギープロセスのスポット密度の約 100 倍です。スポット密度が高いことによる処理時間への影響は、低エネルギーレーザーのより高いパルス周波数 60 Hz によって部分的に補償されます。これらのレーザーシステムの新世代は、より高い周波数で動作すると予測されています。この低エネルギープロセスは、公称深さ1 ～ 1.5 mm (0.039 ～ 0.059インチ)で、高エネルギープロセスと同等の圧縮残留応力の大きさと深さを実現します。ただし、スポットサイズが小さいため、これより深い深さは実現できません。
コンピュータ制御によるレーザーピーニングプロセスは、AMS 2546 に記載されています。他の多くの表面処理技術と同様に、加工中にワークピース上の処理結果を直接測定することは現実的ではありません。そのため、処理中はパルスエネルギーとパルス幅、水、不透明オーバーレイなどのプロセスパラメータが綿密に監視されます。電磁音響トランスデューサ(EMAT)、あらゆる反射体用速度干渉計システム(VISAR)、PVDF ゲージ、プラズマ放射計など、圧力測定に基づく他の品質管理システムも利用可能です。アルメンストリップも使用されますが、これは比較ツールとして機能するだけで、レーザーピーニング強度の決定的な測定値を提供するものではありません。レーザーピーニングプロセスによって生じる残留応力は、プロセス最適化と品質保証の目的で、業界ではX 線回折法を用いて日常的に測定されています。
レーザーピーニングの開発中に使用された初期のレーザーシステムは、非常に低いパルス周波数で高エネルギーパルスを提供する大型の研究用レーザーでした。1990年代半ばから後半にかけて、レーザーピーニング専用に設計されたレーザーは、生産環境にとってより望ましい小型化と高パルス周波数化が着実に進んでいます。レーザーピーニングシステムには、ロッドレーザーシステムとスラブレーザーシステムの両方が含まれます。ロッドレーザーシステムは、多少の重複があることを認識した上で、大まかに3つの主要なグループに分けることができます。(1) 通常、 1パルスあたり10～40 J、 パルス長8～25 ns、公称0.5～1 Hzの繰り返しレートで動作する高エネルギー低繰り返しレートレーザー、公称スポットサイズは2～8 mm。(2) 3～10 J、パルス幅10～20 ns 、繰り返しレート10 Hzで動作する中エネルギー、中繰り返しレートレーザー、公称スポットサイズは1～4 mm。 （３）低エネルギー、高繰り返し周波数レーザー。パルスあたり1 J 以下、パルス長10 ns以下、繰り返し周波数60 Hz以上、スポットサイズ1 mm以下で 動作する。スラブレーザーシステムは、パルスあたり10～25 J、パルス幅8～25 ns、繰り返し周波数3～5 Hz、公称スポットサイズ2～5 mmの範囲で動作する 。市販システムには、上記３つのグループすべてに該当するロッドレーザーとスラブレーザーシステムが含まれる。
各レーザーピーニングシステムでは、レーザーからの出力ビームが、加工対象物または部品が収容されたレーザーピーニングセルに照射されます。ピーニングセルには部品搬送システムが備えられており、効率的な商用レーザーピーニングに必要な安全な環境を提供します。加工対象物は通常、バッチ単位でセルに投入されます。その後、ロボットまたはその他のカスタマイズされた部品搬送システムによって部品がピックアップされ、ビーム経路に配置されます。ワークセル内では、ミラーやレンズの光学系を介してビームがワークピースの表面に照射されます。テープを使用する場合は、部品がワークセルに入る前にテープが貼られますが、水やラピッドコーターなどのオーバーレイは、セル内で各スポットごとに個別に塗布されます。ワークピース、または場合によってはレーザービームは、必要に応じてロボットまたはその他の部品搬送システムによって、ショットごとに再配置されます。各部品の選択された領域が処理されると、バッチはワークセル内で別のバッチと交換されます。
衝撃波によってワークピース材料に生じる冷間加工（塑性ひずみ）は、材料の平衡状態を維持するために圧縮および引張残留応力を発生させます。これらの残留応力はワークピース表面では圧縮応力であり、レーザーピーニングされた領域の下および周囲では徐々に低い引張応力へと変化します。冷間加工は表面層を加工硬化させる効果もあります。レーザーピーニングによる圧縮残留応力、そして程度は低いものの冷間加工は、高サイクル疲労（HCF）、低サイクル疲労（LCF）、応力腐食割れ、フレッティング疲労、そしてある程度は摩耗や腐食孔食を防止および軽減することが示されています。タービンブレードの異物損傷を軽減する効果は特に優れています。
レーザーピーニングによって生じる塑性ひずみは、他の衝撃ピーニング技術によって生じるひずみよりもはるかに小さい。その結果、残留塑性ひずみは、より高度な冷間加工を施した微細構造よりも熱安定性がはるかに高くなる。これにより、レーザーピーニングされた圧縮応力は、他の技術の場合よりも高い動作温度で長時間保持されることが可能となる。この利点を享受できる用途としては、ガスタービンファンやコンプレッサーブレード、原子力発電所部品などが挙げられる。
レーザーピーニングは材料性能を向上させることで、軽量化、部品寿命の延長、性能向上を実現する、より効率的な設計を可能にします。将来的には、レーザーピーニングは疲労破壊が重要な部品の設計に組み込まれ、長寿命化、軽量化、そして製造の簡素化に貢献することが期待されます。
当初、金属にレーザー誘起衝撃波を適用して特性や機能を向上させる手法は、より広範で包括的な用語であるレーザー衝撃加工と呼ばれていました。実際、レーザーピーニングはレーザー衝撃加工の最初の商業化事例となりました。しかし、レーザー誘起衝撃波は、表面強化技術以外にも、他の産業用途にも利用されています。
用途の一つとして、金属の成形加工が挙げられます。金属板やプレート、あるいは翼型などの小型部品の表面の一部にレーザーを照射することで、残留圧縮応力が発生し、材料が制御可能な形で変形します。これにより、部品に特定の形状を与えることができ、歪んだ部品を元の形状に戻すことも可能です。したがって、このプロセスは、製造された部品を設計公差内に収めたり、薄肉部品を成形したりするのに有効です。
もう一つの応用例として、衝撃波を用いて材料の剥離試験を行う方法がある。この方法は、衝撃波が被試験体の背面自由表面で引張波として反射するという性質に基づいている。材料特性と衝撃波の特性によっては、反射された引張波が背面付近に微小亀裂や空隙を形成するのに十分な強度を持つ場合もあれば、実際に背面から材料を「吹き飛ばす」、すなわち剥離させる場合もある。この方法は、弾道材料の試験において一定の有効性を持つ。
金属上のコーティングの接着強度を測定するためにレーザー衝撃を使用する方法は、フランスで長年にわたりLASAT（Laser Adhesion Test）として開発されてきた。[ 26 ]このアプリケーションは、衝撃波がワークピースの背面自由表面から引張波として反射する挙動に基づいている。背面が接着性コーティングで覆われている場合、引張波は表面からの反射時に接着を破壊するように調整できる。衝撃波の特性を制御することで、コーティングの接着強度を測定、または比較的に決定することができる。[ 27 ]
衝撃波の形状と強度を慎重に調整することで、レーザー衝撃による接着複合構造の検査も可能になった。[ 28 ] [ 29 ]レーザー接着検査と呼ばれるこの技術は、接着構造の裏側で反射して引張波として戻ってくる衝撃波を発生させる。引張波が接着結合部を通過する際、結合の強度と応力波のピーク引張応力に応じて、引張波は結合部を通過するか、または破壊する。引張波の圧力を制御することで、この手順は接着接合部間の接着強度を局所的に確実にテストすることができる。この技術は、接着繊維複合材料構造への応用が最も多いが、金属複合材料間の結合の評価にも有効であることが示されている。また、これらの複雑な材料内部でレーザーによって生成される衝撃波の影響を特徴付け、定量化するための基礎的な問題も研究されている。[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]
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