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

• 研究課題/領域番号: 20H02048
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分18020:加工学および生産工学関連
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 佐野 智一 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (30314371)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円); 2023年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2022年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2021年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円); 2020年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: レーザ溶接 / 短パルスレーザ誘起圧力波 / 金属組織制御 / 結晶粒微細化 / 力学特性 / 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

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

レーザ溶接時に短パルスレーザアブレーションを行うことで、一般的に割れ感受性が高いとされている2024アルミニウム合金溶接金属の結晶粒を微細化し、凝固割れの進行を抑制することに成功した。ビッカース硬さ試験の結果、結晶粒微細化の効果により硬さが上昇することが確認された。短パルスレーザで発生した圧力波が高温状態のデンドライト強度を超えたため、デンドライト破砕による等軸結晶形成サイトの増加が結晶粒微細化機構の一つであると考えられる。実験結果から、結晶粒微細化の要因は、デンドライトの破砕と動的核生成という2つのメカニズムに基づくと推測された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本手法は、微粒化材を添加することなく、高速レーザ溶接における凝固割れを抑制できる可能性がある。本手法を用いてアルミニウム合金溶接部の凝固組織を改善することで、信頼性の高い高速レーザ溶接が可能となり、アルミニウム合金の応用範囲が広がる。

研究成果

• [国際共同研究] SLAC National Accelerator Laboratory(米国)
• [国際共同研究] University of Ljubljana(スロベニア)
• [国際共同研究] Empa(スイス)
• [国際共同研究] University of Nevada, Reno/Iowa State University(米国)
• [国際共同研究] HiLASE(チェコ)
• [雑誌論文] X-ray free electron laser observation of ultrafast lattice behaviour under femtosecond laser-driven shock compression in iron (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 13 号: 1 ページ: 13789-13796
  • DOI: 10.1038/s41598-023-40283-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Nonlinear propagation calculation-based irradiation process control for several mJ ultrashort pulse laser processing (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishibata Itsuki、Sano Tomokazu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 号: 10 ページ: 102002-102002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acfe59
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Focusing characteristic change and processing characteristic evaluation of femtosecond-to-picosecond pulse lasers above the air ionization threshold (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishibata Itsuki、Nakanii Nobuhiko、Sano Tomokazu
  • 雑誌名: Optics Continuum 巻: 2 号: 7 ページ: 1735-1735
  • DOI: 10.1364/optcon.496411
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A study on convection in molten zone of aluminum alloy during Fe/Al resistance spot welding (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Manufacturing Processes 巻: 94 ページ: 424-434
  • DOI: 10.1016/j.jmapro.2023.03.032
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simultaneous multipoint emissivity measurement via Zebra-patterned blackbody spray method and application to gas tungsten arc welding process (2022)
  • 著者名/発表者名: Nomura Kazufumi、Okuda Hiroyuki、Sano Tomokazu、Asai Satoru
  • 雑誌名: Journal of Manufacturing Processes 巻: 78 ページ: 22-31
  • DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.04.004
  • 査読あり
• [雑誌論文] Study on practical application for in-process blowholes detection technology (2022)
  • 著者名/発表者名: Kasano Kazuki、Ogino Yosuke、Sano Tomokazu、Asai Satoru
  • 雑誌名: Welding International 巻: 36 号: 6 ページ: 355-369
  • DOI: 10.1080/09507116.2022.2066831
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-efficiency microdrilling of glass by parallel transient and selective laser processing with spatial light modulator (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshizaki Reina、Ito Yusuke、Ogasawara Kazuma、Shibata Akihiro、Nagasawa Ikuo、Sano Tomokazu、Nagato Keisuke、Sugita Naohiko
  • 雑誌名: Optics & Laser Technology 巻: 154 ページ: 108306-108306
  • DOI: 10.1016/j.optlastec.2022.108306
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of pulse duration on mechanical properties and dislocation density of dry laser peened aluminum alloy using ultrashort pulsed laser-driven shock wave (2022)
  • 著者名/発表者名: M. Yoshida, I. Nishibata, T. Matsuda, Y. Ito, N. Sugita, A. Shiro, T. Shobu, K. Arakawa, A. Hirose, T. Sano
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 132 号: 7 ページ: 075101-075101
  • DOI: 10.1063/5.0083511
  • 査読あり
• [雑誌論文] Pulse duration dependence of dry laser peening effects in the femtosecond-to-picosecond regime (2021)
  • 著者名/発表者名: Nishibata Itsuki、Yoshida Masayuki、Ito Yusuke、Sugita Naohiko、Hirose Akio、Sano Tomokazu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 号: 6 ページ: 062001-062001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/abfca2
  • 査読あり
• [雑誌論文] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐野智一
  • 雑誌名: 第95回レーザ加工学会講演論文集 巻: 95 ページ: 69-75
• [雑誌論文] Microstructure and mechanical properties of additively manufactured CoCrW alloy using laser metal deposition (2020)
  • 著者名/発表者名: Miyake Masashi、Matsuda Tomoki、Sano Tomokazu、Hirose Akio、Shiomi Yasutomo、Sasaki Mitsuo
  • 雑誌名: Welding in the World 巻: 64 号: 8 ページ: 1397-1407
  • DOI: 10.1007/s40194-020-00926-y
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Mechanism for Inducing Compressive Residual Stresses on a Surface by Laser Peening without Coating (2020)
  • 著者名/発表者名: Sano Yuji、Akita Koichi、Sano Tomokazu
  • 雑誌名: Metals 巻: 10 号: 6 ページ: 816-816
  • DOI: 10.3390/met10060816
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] XFEL Observation of Ultrafast Lattice behaviour under Femtosecond Laser-driven Shock Compression in Fe（口頭） (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomokazu Sano, et al.
  • 学会等名: 23rd Biennial Conference of the APS Topical Group on Shock Compression of Condensed Matter (SCCM23), Sheraton Grand Chicago Riverwalk Hotel, Chicago, IL, USA
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 小松原佳貴, 佐野智一
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 井上聖流, 中新信彦, 佐野智一
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会, 熊本
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Yoshida, Itsuki Nishibata, Tomoki Matsuda, Yusuke Ito, Naohiko Sugita, Ayumi Shiro, Takahisa Shobu, Kazuto Arakawa, Akio Hirose, Tomokazu Sano
  • 学会等名: 2023 Optica Laser Congress and Exhibition, Greater Tacoma Convention Center, Tacoma, WA, USA
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dry Laser Peening using Femtosecond Laser-driven Shock Wave（口頭） (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomokazu Sano
  • 学会等名: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
  • 国際学会
• [学会発表] Direct observation of transient state under femtosecond laser-driven shock formation in Cu（口頭） (2023)
  • 著者名/発表者名: Naoya Egashira, Tomoki Matsuda, Takuo Okuchi, Yusuke Seto, Yusuke Ito, Takahisa Shobu, Nobuhiko Nakanii, Yuichi Inubushi, Tadashi Togashi, Kohei Miyanishi, Tomokazu Sano
  • 学会等名: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
  • 国際学会
• [学会発表] Dry Laser Peening of High Tensile Strength Steel（ポスター） (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiki Komatsubara, Tomokazu Sano
  • 学会等名: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
  • 国際学会
• [学会発表] Behavior at an early stage of femtosecond laser-driven shock wave in aluminum（ポスター） (2023)
  • 著者名/発表者名: Seiru Inoue, Yudai Mori, Masayuki Yoshida, Nobuhiko Nakanii, Tomokazu Sano
  • 学会等名: 8th International Conference on Laser Peening and Related Phenomena, Hwabaek International Convention Center, Gyeongju, Korea
• [学会発表] 銅のフェムト秒レーザ駆動衝撃変形 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: （一社）レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: （一社）レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 竹隈亮太, 松田朋己, 荒河一渡, 政木清孝, 佐野智一
  • 学会等名: 一社）レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [学会発表] Pulse duration dependence of dry laser peening effects in the femtosecond-to-picosecond regime (2022)
  • 著者名/発表者名: Itsuki Nishibata, Masayuki Yoshida, Yusuke Ito, Naohiko Sugita, Akio Hirose, Tomokazu Sano
  • 学会等名: 16th International Conference on Laser Ablation (COLA2021/2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Dry Laser Peening of Magnesium Alloy using Femtosecond Laser-driven Shock Wave (2022)
  • 著者名/発表者名: R. Takekuma, T. Matsuda, K. Arakawa, T. Shobu, A. Shiro, K. Masaki, T. Sano
  • 学会等名: 14th International Conference on Shot Peening
  • 国際学会
• [学会発表] Dry Laser Peening: A New Laser Peening Technique using Femtosecond Laser Pulses (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomokazu Sano
  • 学会等名: 14th International Conference on Shot Peening
  • 国際学会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐野智一
  • 学会等名: 第95回レーザ加工学会講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 田中友登, 佐野智一, 富岡尚敬, 松田朋己, 荒河一渡, 奥地拓生
  • 学会等名: 第62回高圧討論会
• [学会発表] Improving Fatigue Performance of Laser-Welded 2024-T3 Aluminum Alloy Using Dry Laser Peening (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomokazu Sano
  • 学会等名: Photonics Asia 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Improving fatigue properties of friction stir-welded/laser-welded 2024 aluminum alloys using dry laser peening (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomokazu Sano, Takayuki Eimura, Akio Hirose
  • 学会等名: International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials (THERMEC'2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 西端樹, 吉田雅幸, 伊藤佑介, 杉田直彦, 廣瀬明夫, 佐野智一
  • 学会等名: 2021年第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2021年第68回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Dry Laser Peening: Improving Fatigue Properties of Friction Stir-Welded/Laser-Welded 2024 Aluminum Alloys (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomokazu Sano, Takayuki Eimura, Akio Hirose
  • 学会等名: 21st International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2020)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 佐野智一
  • 学会等名: 第98回産研テクノサロン
  • 招待講演
• [図書] Laser Micro-Nano-Manufacturing and 3D Microprinting (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomokazu Sano
  • 総ページ数: 22
  • 出版者: Springer