2013 Fiscal Year Annual Research Report
レーザー超音波による高速回転体の温度プロファイリングとその材料加工への応用
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25289238
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
井原 郁夫 長岡技術科学大学, 工学部, 教授 (80203280)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松谷 巌 長岡技術科学大学, 工学部, 助教 (00514465)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 温度プロファイリング / 回転体 / 非接触計測 / レーザ超音波 / 温度同定 / 加工プロセスモニタリング / 超音波パルスエコー |
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| Research Abstract |
本研究は、加熱状態にある高速回転体（例えば回転工具）の表面および内部の温度プロファイルをリアルタイムかつ定量的に計測・モニタリングするための新しい超音波手法（超音波サーモメトリ）を創成するとともに、この手法を高温場の材料加工プロセスに適用し、その有効性を実証することを目的とする。このような革新的計測手法を開発することで、従来技術では成し得なかった回転工具（摩擦撹拌接合（FSW）ツール、ドリル等）や被加工材の３次元温度分布の定量的オンプロセスモニタリングを実現することを目指す。今年度は、レーザー超音波法を用いた高速回転体の非接触温度プロファイル手法の開発を行った。主な結果は次のとおりである：
(i)回転体の温度分布同定のため逆問題解析モデルの構築とその妥当性の検証
回転する円柱内の超音波速度を指標とした表面および内部の温度プロファイル同定の逆問題モデルを構築し、その解の一意性および安定性を調べ、解析モデルと手法の妥当性を確認するとともに最適化手法を開発した。
(ii)超音波パルスエコーを用いた回転体内部の温度プロファイルの同定の実証実験
まず、実用化を前提としたその測定条件と解析条件を明確にした。その結果を踏まえて、鋼製円柱（直径10～100mm）を用いた加熱実験を行い、超音波パルスエコー法による音速測定に基づいて温度プロファイルを同定した。この実験においてはバルク波（縦波、横波）および表面波の非接触計測が不可欠であるため、パルスレーザとレーザー干渉計による計測システムを構築した。次いで、同定結果の妥当性を検証するために、加熱材中に設置した複数個の熱電対（ただし、回転時ではなく静止状態でのみ使用）や赤外線法による実測値（回転中）、および数値解析による推定値を参照値とし、超音波法による同定結果と比較した。このようなクロスチェックにより解析手法および測定手法の有効性を確認した。
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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
今年度の所期の目標は、高速回転体の表面および内部の温度プロファイルをリアルタイムかつ定量的にモニタリングするための超音波手法（超音波サーモメトリ）を構築するとともに、この手法の有効性を実証することであった。これに対して、今年度は、回転体の温度分布同定のため逆問題解析モデルの構築とその妥当性の検証を行うとともに、レーザー超音波法を用いた回転体内部の温度プロファイル同定の実証実験を行い、良好な結果を得た。このように所期の目標は概ね達成できたと考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
２５年度の結果に基づいて、回転体の３次元温度分布モニタリングについて検討する。基本的には、レーザー超音波計測を用いた非接触計測とその２次元スキャニングを駆使することで３次元温度分布同定手法を試みる。材料表面へのパルスレーザ照射により材料中への縦波、横波ならびに材料表面上の表面波を励起することができるため、これらを活用した材料内部の３次元温度モニタリング手法を構築する予定である。さらに、高速回転体と静止材料との摺動界面（摩擦界面）の温度モニタリングについて検討し、超音波サーモメトリの高度化を具体的に進めていく。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初はレーザー干渉計を購入予定であったが、回転体の非接触計測には必ずしもレーザー干渉計の使用は適切ではないことが明らかとなったため、それに変わる機器（既設のドップラー変位計）の使用を検討することとした。さらに、本研究の遂行にはパルスレーザの見直しが必要とされることも明らかとなった。これらの状況から、助成金については当該年度には使用せず、次年度の研究進行状況を踏まえて、材料表面および内部の効果的な弾性波の励起が可能な物品（パルスレーザ発生器）の購入に充てることが効果的であると判断した。
研究遂行上不可欠となる非接触超音波計測に関わる機器（パルスレーザ発生器、または振動に強い非接触変位計、またはレーザスキャニング装置）を購入する予定である。なお、当初２６年度に予定していた経費は消耗品や旅費等に充てることとする。
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Research Products
(28 results)
