水中レーザ溶接における水素生成機構の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17K06818
• 研究機関: 国立研究開発法人海洋研究開発機構
• 研究代表者: 川人 洋介 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 超先鋭研究開発部門(超先鋭技術開発プログラム), プログラム長 (70379105)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: レーザ溶接 / 水中 / メカニズム解明 / キーホール / 金属蒸気 / 第1原理計算 / チタン / 水素生成手法

研究実績の概要

水素は、エネルギー供給源の多様化や環境負荷低減に資する将来的なエネルギー源で、単体で自然界に多く存在せず、未だ水素生成は、人工光合成や燃料電池の分野で重要な研究課題である。一方、溶接における水素は、鋼材の水素脆化や溶接部の水素割れの原因となる元素で、水素の金属挙動や冶金的な影響等について継続的な基礎研究がなされている課題である。我々は水中レーザ溶接時に水素が生成されることを新たに発見した。通常、溶融金属が水に触れると、水は水蒸気に、溶融金属は冷却され凝固する。このような相変態だけでは水素生成は起こらない。水の直接分解による水素生成には数eVのエネルギーが必要であり、本研究で使用したレーザ（波長1μm）の光エネルギーは1 eV程度なので、水と高温の金属との触媒反応もしくは化学反応が必須となる。
本年度は、供試材としてチタンを使用した。実験に使用したレーザは、6 kWファイバーレーザ（波長：1070 nm）である。レーザ光はファイバー伝送によって、純水中に設置された500 mL以上気泡計量器容量を有するレーザ加工ヘッドに導光され、焦点位置でスポット径200 μmにまで集光される。
得られた実験結果の一例を示す。実験条件は1 kW、2 kW、4 kWで、溶接速度は2 m/min、シールドガスはアルゴンである。なお、溶接時に得られた気体は、ガスクロマトグラフと熱伝導度検出器（TCD)を使用し、ガス（水素・アルゴン・酸素・窒素・一酸化炭素・メタン）の濃度分析を行った。その結果、水中レーザ溶接時に発生した水素生成量はレーザ出力の2乗に比例し、同等の電力量を投入した電気分解に比べ1桁生成量が小さい値であることを明らかになった。試算では出力約50 kW級のレーザを用いれば、電気分解と同等の水素生成量が期待できることも判明した。