2018 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of hydrogen generation mechanism in underwater laser welding
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17K06818
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
川人 洋介 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (70379105)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川上 博士 三重大学, 工学研究科, 准教授 (00252338)
西本 浩司 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 准教授 (40501169)
Dino Wilson 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (60379146)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | レーザ / 溶接 / 水素 / 溶融金属 / 金属蒸気 / 第一原理計算 / キーホール / エネルギー創生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素は、エネルギー供給の多様化や環境負荷低減の資する資源で、水素生成は、人工光合成や燃料電池と言った研究のホットトピックスと同時に、人類にとって重要な研究課題でもある。一方、溶接という視点から水素を見れば、鉄鋼材料の水素脆化や溶接金属部の水素割れを引き起こす原因としてしか知られていない。そこで、レーザ溶接の特有の溶融機構（キーホール現象）に着目して、実験的・理論的に水中レーザ溶接時の水素生成機構を解明し、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか”を明らかにすることを研究目的とした。
本年度は、本研究が注目しているキーホール現象が普遍的であるかも検証する為、世界最大出力100 kWの超高出力レーザにおいてキーホール現象を確認し、Optics Letters （IF:3.589）43(19)に研究成果を公開した。また、第一原理計算に基づく水素生成シミュレーションを実施した。具体的には、12.5 Åの単位格子に水 64 分子（密度１g/cm3）を配置し、チタン 4 原子が孤立し、水中に分散している（ケース１）とチタン 4 原子が集合状態（クラスター）を形成している（ケース２：レーザ溶接時の金属蒸気はクラスターを形成しているとの文献存在）について数値計算を行った。但し、水分子の温度を 300K、チタン原子の温度を 5000K 、分子動力学シミュレーションの時間刻みは 0.5 fsに設定した。5 ps 程度の数値計算の結果、ケース１では 5 個、ケース２では 3 個の水素分子生成が確認できた。これは、金属蒸気が水との反応で水素生成が十分に起こりうる結果を示す。言い換えれば、レーザ加熱によって生み出さる数千度の電子温度を有する金属は、水から酸素を奪う可能性を示唆するものである。
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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
本年度は、キーホール現象に着目した研究成果をOptics Letters （IF:3.589）にて公表でき、また第一原理計算に基づく水素生成シミュレーションを実施し、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか”の問いに対し、量子力学の視点からある可能性を示唆できたことから判断すると、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザ溶接時の水素生成に関して、これまでに実験的・理論的に明らかにした点を考慮して、水素生成に適正な元素と最適なプロセスを明らかにし、“水中で金属が溶融すると、どうして水素が生成するのか”の問いを探求していく。
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