金属組織制御の新学理に基づく短パルスレーザ誘起圧力波支援高速レーザ溶接法の開発

• Project/Area Number: 20H02048
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 佐野 智一 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30314371)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2020: ¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000)
• Keywords: レーザ溶接 / 短パルスレーザ誘起圧力波 / 結晶粒微細化 / 力学特性 / 金属組織制御 / 高速レーザ溶接法 / 材料組織制御 / レーザ誘起圧力波 / 組織制御

Outline of Research at the Start

本研究では、金属組織を作り込むときに通常考慮される「温度場」だけでなく、これまで無視出来るほど小さかった「圧力場」を新たに取り入れることによって、これまでに無い新しい金属組織制御法の基盤となる新しい学理を構築する。液相から凝固が開始する際に圧力を印加し微細な凝固組織を形成する学理と、固相に衝撃波を印加し通常の塑性変形では考慮されない転位生成を陽に考慮し効率的に塑性変形を誘起する学理である。本研究の目的は、この新しい学理を基に、ナノ秒レーザ誘起圧力波とフェムト秒レーザ誘起衝撃波を「圧力場」として利用することによって、割れの無い高強度な溶接継手を実現する新しい高速レーザ溶接法を開発することである。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、金属組織を作り込むときに通常考慮される「温度場」だけでなく、これまで無視出来るほど小さかった「圧力場」を新たに取り入れることによって、これまでに無い新しい金属組織制御法の基盤となる新しい学理を構築する。具体的には、液相から凝固が開始する際に圧力を印加し微細な凝固組織を形成する学理（新学理A）と、固相に衝撃波を印加し通常の塑性変形では考慮されない転位生成を陽に考慮し効率的に塑性変形を誘起する学理（新学理B）である。本研究の目的は、この新しい学理を基に、ナノ秒レーザ誘起圧力波とフェムト秒レーザ誘起衝撃波を「圧力場」として利用することによって、割れの無い高強度な溶接継手を実現する新しい高速レーザ溶接法を開発することである。
2023年度は、力学特性のさらなる向上を目指し、プロセス1（新学理Aに基づき、溶接金属の強度を向上させるレーザ溶接プロセス）、プロセス2（新学理Bに基づき、熱影響部の強度を向上させるレーザ溶接プロセス）、プロセス3（溶接継手全体の強度を向上させるレーザ溶接プロセス）の最適化を図った。その結果、析出強化型2024アルミニウム合金レーザ溶接継手の硬さ、圧縮残留応力、疲労寿命の全てを向上させることに成功した。微細組織を観察した結果、本プロセスを適用した継手の転位密度は、母材と比較して大きく増加していることが分かった。さらに発展的プロセスとして、析出強化型2024アルミニウム合金および7075アルミニウム合金の摩擦攪拌接合継手にも本プロセスを適用した結果、いずれの合金に対しても、それぞれの母材と同程度かそれ以上の疲労寿命を達成した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] SLAC National Accelerator Laboratory(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Ljubljana(スロベニア)
• [Int'l Joint Research] Empa(スイス)
• [Int'l Joint Research] University of Nevada, Reno/Iowa State University(米国)
• [Int'l Joint Research] HiLASE(チェコ)
• [Journal Article] X-ray free electron laser observation of ultrafast lattice behaviour under femtosecond laser-driven shock compression in iron (2023)
  • Author(s): T.Sano, T. Matsuda, T. Sato, K.Miyanishi, M. Yabashi, T. Togashi, K. Tono, O. Sakata, Y.Tange, K. Arakawa, Y.Ito, T.Okuchi, T. Sato, T.Sekine, T.Mashimo, N. Nakanii, Y. Seto, M.Shigeta, T.Shobu, Y.Sano, T. Hosokai, T.Matsuoka, T.Yabuuchi, K. A. Tanaka, N.Ozaki , R,Kodama
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 13789-13796
  • DOI: 10.1038/s41598-023-40283-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nonlinear propagation calculation-based irradiation process control for several mJ ultrashort pulse laser processing (2023)
  • Author(s): Nishibata Itsuki、Sano Tomokazu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 16 Issue: 10 Pages: 102002-102002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acfe59
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Focusing characteristic change and processing characteristic evaluation of femtosecond-to-picosecond pulse lasers above the air ionization threshold (2023)
  • Author(s): Nishibata Itsuki、Nakanii Nobuhiko、Sano Tomokazu
  • Journal Title: Optics Continuum Volume: 2 Issue: 7 Pages: 1735-1735
  • DOI: 10.1364/optcon.496411
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A study on convection in molten zone of aluminum alloy during Fe/Al resistance spot welding (2023)
  • Author(s): Iyota Muneyoshi、Matsuda Tomoki、Sano Tomokazu、Shigeta Masaya、Shobu Takahisa、Yumoto Hirokatsu、Koyama Takahisa、Yamazaki Hiroshi、Senba Yasunori、Ohashi Haruhiko、Goto Shunji、Inoue Ichiro、Hayashi Yujiro、Tamasaku Kenji、Osaka Taito、Yamada Jumpei、Yabashi Makina
  • Journal Title: Journal of Manufacturing Processes Volume: 94 Pages: 424-434
  • DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.03.032
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simultaneous multipoint emissivity measurement via Zebra-patterned blackbody spray method and application to gas tungsten arc welding process (2022)
  • Author(s): Nomura Kazufumi、Okuda Hiroyuki、Sano Tomokazu、Asai Satoru
  • Journal Title: Journal of Manufacturing Processes Volume: 78 Pages: 22-31
  • DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.04.004
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Study on practical application for in-process blowholes detection technology (2022)
  • Author(s): Kasano Kazuki、Ogino Yosuke、Sano Tomokazu、Asai Satoru
  • Journal Title: Welding International Volume: 36 Issue: 6 Pages: 355-369
  • DOI: 10.1080/09507116.2022.2066831
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-efficiency microdrilling of glass by parallel transient and selective laser processing with spatial light modulator (2022)
  • Author(s): Yoshizaki Reina、Ito Yusuke、Ogasawara Kazuma、Shibata Akihiro、Nagasawa Ikuo、Sano Tomokazu、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
  • Journal Title: Optics & Laser Technology Volume: 154 Pages: 108306-108306
  • DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108306
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of pulse duration on mechanical properties and dislocation density of dry laser peened aluminum alloy using ultrashort pulsed laser-driven shock wave (2022)
  • Author(s): M. Yoshida, I. Nishibata, T. Matsuda, Y. Ito, N. Sugita, A. Shiro, T. Shobu, K. Arakawa, A. Hirose, T. Sano
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 132 Issue: 7 Pages: 075101-075101
  • DOI: 10.1063/5.0083511
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Pulse duration dependence of dry laser peening effects in the femtosecond-to-picosecond regime (2021)
  • Author(s): Nishibata Itsuki、Yoshida Masayuki、Ito Yusuke、Sugita Naohiko、Hirose Akio、Sano Tomokazu
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 14 Issue: 6 Pages: 062001-062001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abfca2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] フェムト秒レーザによるドライレーザピーニングとそのメカニズム (2021)
  • Author(s): 佐野智一
  • Journal Title: 第95回レーザ加工学会講演論文集 Volume: 95 Pages: 69-75
• [Journal Article] Microstructure and mechanical properties of additively manufactured CoCrW alloy using laser metal deposition (2020)
  • Author(s): Miyake Masashi、Matsuda Tomoki、Sano Tomokazu、Hirose Akio、Shiomi Yasutomo、Sasaki Mitsuo
  • Journal Title: Welding in the World Volume: 64 Issue: 8 Pages: 1397-1407
  • DOI: 10.1007/s40194-020-00926-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Mechanism for Inducing Compressive Residual Stresses on a Surface by Laser Peening without Coating (2020)
  • Author(s): Sano Yuji、Akita Koichi、Sano Tomokazu
  • Journal Title: Metals Volume: 10 Issue: 6 Pages: 816-816
  • DOI: 10.3390/met10060816
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] XFEL Observation of Ultrafast Lattice behaviour under Femtosecond Laser-driven Shock Compression in Fe（口頭） (2023)
  • Author(s): Tomokazu Sano, et al.
  • Organizer: 23rd Biennial Conference of the APS Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM23), Sheraton Grand Chicago Riverwalk Hotel, Chicago, IL, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1180MPa級超高張力鋼の真空中ドライレーザピーニング（口頭） (2023)
  • Author(s): 小松原佳貴, 佐野智一
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本
• [Presentation] 周波数領域干渉法によるアルミニウム中のフェムト秒レーザ駆動衝撃波の診断（口頭） (2023)
  • Author(s): 井上聖流, 中新信彦, 佐野智一
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本
• [Presentation] 銅のフェムト秒レーザ駆動衝撃圧縮初期過程の直接計測（口頭） (2023)
  • Author(s): 江頭尚弥, 松田朋己, 奥地拓生, 瀬戸雄介, 伊藤佑介, 菖蒲敬久, 中新信彦, 犬伏雄一, 富樫格, 宮西宏併, 佐野智一
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本
• [Presentation] Influence of Pulse Duration on Mechanical Properties and Dislocation Density of Dry Laser Peened Aluminum Alloy using Ultrashort pulsed Laser-driven Shock Wave（口頭・招待） (2023)
  • Author(s): Masayuki Yoshida, Itsuki Nishibata, Tomoki Matsuda, Yusuke Ito, Naohiko Sugita, Ayumi Shiro, Takahisa Shobu, Kazuto Arakawa, Akio Hirose, Tomokazu Sano
  • Organizer: 2023 Optica Laser Congress and Exhibition, Greater Tacoma Convention Center, Tacoma, WA, USA
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dry Laser Peening using Femtosecond Laser-driven Shock Wave（口頭） (2023)
  • Author(s): Tomokazu Sano
  • Organizer: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Direct observation of transient state under femtosecond laser-driven shock formation in Cu（口頭） (2023)
  • Author(s): Naoya Egashira, Tomoki Matsuda, Takuo Okuchi, Yusuke Seto, Yusuke Ito, Takahisa Shobu, Nobuhiko Nakanii, Yuichi Inubushi, Tadashi Togashi, Kohei Miyanishi, Tomokazu Sano
  • Organizer: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dry Laser Peening of High Tensile Strength Steel（ポスター） (2023)
  • Author(s): Yoshiki Komatsubara, Tomokazu Sano
  • Organizer: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Behavior at an early stage of femtosecond laser-driven shock wave in aluminum（ポスター） (2023)
  • Author(s): Seiru Inoue, Yudai Mori, Masayuki Yoshida, Nobuhiko Nakanii, Tomokazu Sano
  • Organizer: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
• [Presentation] 銅のフェムト秒レーザ駆動衝撃変形 (2023)
  • Author(s): 江頭尚弥, 松田朋己, 奥地拓生, 瀬戸雄介, 伊藤佑介, 菖蒲敬久, 中新信彦, 犬伏雄一, 富樫格, 宮西宏併, 佐野智一
  • Organizer: （一社）レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [Presentation] フェムト秒レーザ駆動衝撃波を用いたアルミニウム合金のドライレーザピーニングと周波数領域干渉計による衝撃波計測 (2023)
  • Author(s): 森祐大, 吉田雅幸, 松田朋己, 荒河一渡, 菖蒲敬久, 中新信彦, 神門正城, 佐野智一
  • Organizer: （一社）レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [Presentation] フェムト秒レーザ駆動衝撃波を用いたマグネシウム合金のドライレーザピーニング (2023)
  • Author(s): 竹隈亮太, 松田朋己, 荒河一渡, 政木清孝, 佐野智一
  • Organizer: 一社）レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [Presentation] Pulse duration dependence of dry laser peening effects in the femtosecond-to-picosecond regime (2022)
  • Author(s): Itsuki Nishibata, Masayuki Yoshida, Yusuke Ito, Naohiko Sugita, Akio Hirose, Tomokazu Sano
  • Organizer: 16th International Conference on Laser Ablation (COLA2021/2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dry Laser Peening of Magnesium Alloy using Femtosecond Laser-driven Shock Wave (2022)
  • Author(s): R. Takekuma, T. Matsuda, K. Arakawa, T. Shobu, A. Shiro, K. Masaki, T. Sano
  • Organizer: 14th International Conference on Shot Peening
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dry Laser Peening: A New Laser Peening Technique using Femtosecond Laser Pulses (2022)
  • Author(s): Tomokazu Sano
  • Organizer: 14th International Conference on Shot Peening
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フェムト秒レーザによるドライレーザピーニングとそのメカニズム (2021)
  • Author(s): 佐野智一
  • Organizer: 第95回レーザ加工学会講演会
  • Invited
• [Presentation] 静的圧縮によるアルミニウムの微細結晶粒組織の形成 (2021)
  • Author(s): 田中友登, 佐野智一, 富岡尚敬, 松田朋己, 荒河一渡, 奥地拓生
  • Organizer: 第62回高圧討論会
• [Presentation] Improving Fatigue Performance of Laser-Welded 2024-T3 Aluminum Alloy Using Dry Laser Peening (2021)
  • Author(s): Tomokazu Sano
  • Organizer: Photonics Asia 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Improving fatigue properties of friction stir-welded/laser-welded 2024 aluminum alloys using dry laser peening (2021)
  • Author(s): Tomokazu Sano, Takayuki Eimura, Akio Hirose
  • Organizer: International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials (THERMEC'2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ドライレーザーピーニング効果に及ぼすフェムト-ピコ秒領域でのパルス幅依存性 (2021)
  • Author(s): 西端樹, 吉田雅幸, 伊藤佑介, 杉田直彦, 廣瀬明夫, 佐野智一
  • Organizer: 2021年第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] パルス幅制御による2024アルミニウム合金のドライレーザーピーニング効果向上 (2021)
  • Author(s): 吉田雅幸, 西端樹, 松田朋己, 伊藤佑介, 杉田直彦, 荒河一渡, 廣瀬明夫, 佐野智一
  • Organizer: 2021年第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Dry Laser Peening: Improving Fatigue Properties of Friction Stir-Welded/Laser-Welded 2024 Aluminum Alloys (2020)
  • Author(s): Tomokazu Sano, Takayuki Eimura, Akio Hirose
  • Organizer: 21st International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フェムト秒レーザー加工の新しい展開 ～フェムト秒レーザ駆動衝撃波を利用した表面改質～ (2020)
  • Author(s): 佐野智一
  • Organizer: 第98回産研テクノサロン
  • Invited
• [Book] Laser Micro-Nano-Manufacturing and 3D Microprinting (2020)
  • Author(s): Tomokazu Sano
  • Total Pages: 22
  • Publisher: Springer