レーザビーム制御による造船用厚鋼板溶接技術に関する研究

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H04214
• Research Institution: Hiroshima University
• Principal Investigator: 山本 元道 広島大学, 工学研究院, 准教授 (30274111)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: ビーム制御 / ホットワイヤ / レーザ溶接 / 温度計測 / マルチセンサーカメラ

Outline of Annual Research Achievements

以下の項目について研究を実施した．
（1）マルチセンサー高速度カメラの設計・製作：本研究にて新たに設計・開発した，2つのセンサーを用いた2色法による温度計測と同時に，可視化画像の取得を可能にする，合計4つの各種センサーを有するマルチセンサーカメラを用いて，ホットワイヤ・レーザ溶接中の温度計測，溶融池挙動，ワイヤ送給挙動などの取得を実施した．溶融池およびその周辺の温度場計測には2つのCMOSセンサーを，溶融現象の可視化画像取得には他の2つのCMOSセンサーを用いるシステムとなっている．本年度は，センサー性能をバージョンアップし，試作機としては十分な機能・性能を発揮できるようになった．
（2）スキャナによるビーム精密制御の検討：壁面溶融およびホットワイヤ送給による溶融池形成を安定かつ効率的に実現するため，スキャナによる「精密ビーム制御」を行い，その影響を調査した．供試材料（母材，添加ワイヤ）を1つに限定し，各種レーザ照射条件（スポット寸法，スキャン寸法・形状・速度，レーザ出力など）それぞれが，溶融現象，欠陥生成に及ぼす影響を詳細に調査した．
（3）ワイヤ種類の選択：本溶接法は，母材希釈の抑制，低入熱化，高冷却速度が実現できるため，特にワイヤ選択が重要になる．そこで，強度・靭性レベルの異なるワイヤを数種類適用し，溶融池形成現象，継手特製への影響などを調査した．ワイヤ種類を適正化し，板厚12mmの高張力鋼板の突合せ継手を作製し，シャルピー衝撃試験，引張試験を実施できた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

以下の項目についての研究進捗について，当初予定通りにおおむね順調に進展していると考えている．
（1）マルチセンサーカメラを用いたモニタリング技術の適用およびマルチセンサー高速度カメラの設計・製作：本研究で使用するマルチセンサーカメラは，新しく設計・開発したものであるが，当初予定通り，順調に計測に使用できている．本年度，センサー性能をバージョンアップし，試作機としては十分な機能・性能を発揮できるようになった．
（2）半導体レーザによるビーム形状制御の検討：スキャナによる精密ビーム制御を検討したが，本研究で対象とする厚板の溶接には，高出力半導体レーザを用いた矩形ビームの形状制御に多くの優位性が認められた．矩形レーザビームの寸法だけでなく，ウィービング装置も併用し，本溶接法でのエネルギー分布制御に関する基礎的知見を幅広く，定量的に取得するめどが得られた．
（3）施工裕度の検討：上述の基礎検討結果から，ワイヤ種類の変更による影響を一部検討することができた．板厚12mmの高張力鋼板の突合せ継手を作製し，シャルピー衝撃試験，引張試験を実施できた．

Strategy for Future Research Activity

上記検討結果を元に，引き続き以下の項目を実施予定である．
（1）マルチセンサーカメラを用いたモニタリング技術の適用およびマルチセンサー高速度カメラの設計・製作：27年度に開発・製作し，28年度に一部改良したマルチセンサーカメラを用いて，ホットワイヤ・レーザ溶接中の温度場・温度履歴の計測，溶融池状態・ワイヤ送給状態の可視化などを引き続き実施する．得られた各種情報から，溶接欠陥の検出アルゴリズムを改良し，実用化に向けた検証を行う．
（2）半導体レーザによるビーム形状制御の検討：28年度の検討結果から，スキャナを用いた精密ビーム制御は行わず，半導体レーザを用いた検討のみに注力する．壁面溶融およびホットワイヤ送給による溶融池形成を安定かつ効率的に実現するため，半導体レーザ矩形ビーム制御をより詳細に検討し，その影響を詳細に調査する．特に，厚板適用に向けた，マルチパス施工時の適正ビーム条件について検討を行う．
（3）施工裕度の検討：各種施工裕度，特に，開先面性状（ガス切断の影響）と開先幅裕度（初期裕度，溶接中変化裕度）について詳細に調査する．半導体レーザを用い，大型の矩形ビームに対応できるウィービング装置を用いて検討する．