局所低真空下の高輝度レーザによる高効率深溶込み溶接機構の解明

2011 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22560723
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 川人 洋介 大阪大学, 接合科学研究所, 准教授 (70379105)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 片山 聖二 大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (10144528) ; 西本 浩二 阿南工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (40501169)
• Keywords: 局所低真空 / 高輝度レーザ溶接 / 溶接基礎現象 / 熔融池 / レーザ誘起プルーム / キーホール / ステンレス鋼 / アルミニウム合金

Research Abstract

本年度は、局所低真空下での高輝度レーザの溶接性のおよびレーザ誘起プルーム特性の明確化を行った。
■局所低真空下における高輝度レーザの溶接性の明確化
簡易的な局所低真空カバーにて、局所低真空を実現し、5kWおよび10kWレーザ出力、17mm/s溶接速度で、焦点位置に設置したステンレス鋼SUS304の厚板に対し、メルトラン溶接を行った。真空チャンバーと同様なシャープな深溶込み形状および溶込み深さが実現されることを確認した。
■局所低真空下の高輝度レーザ誘起プルーム特性の明確化
0.1kPa低真空から101kPa(大気圧)までの様々な圧力下において、16kWレーザ出力、17mm/s溶接速度で、焦点位置に設置したステンレス鋼SUS304およびアルミニウム合金A5052の厚板に対して、メルトラン溶接を行った。溶接時に発生するレーザ誘起プルームの状態観察および、プルームによって可視光プローブレーザが屈折される角度の計測を行い、レーザ誘起プルームの光学影響と溶込みとの関係を調査した。さらに、各減圧雰囲気下でのキーホールロおよびその周囲の溶融池挙動を高速度観察し、キーホールロの安定性を評価し、溶込み深さとの関係を検討した。
・レーザ誘起プルームの状態観察:減圧する伴い、羽状のプルームと呼ばれる発光から、レーザビームの軌跡と思われる発光状態へと変化することが明らかになった。
・レーザ誘起プルームの光学影響と溶込み:ステンレス鋼SUS304およびアルミニウム合金A5052のともに、10kPa減圧雰囲気下にて最大溶込みとなり、10kPa以下の屈折特性は、0.07mrad以下と非常に小さく、大気圧の15%程度と非常に改善させることが判明した。
・キーホールロと溶込み深さとの関係:キーホールロ挙動が最も安定する10kPaで、最大溶込みとなり、レーザビームの集中が溶込みを最大化させた要因と推察される。

Current Status of Research Progress

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

Reason

ほぼ予定通りに進行しているから。

Strategy for Future Research Activity

現在、良い結果が得られており、来年度のX線透視観察の結果を踏まえて、十分な形での対外発表・論文投稿を来年度に行っていく予定である。研究成果としては、基礎的で包括的な溶接・接合の学問体系創出の新しい視点になりえる研究成果として期待される。