スパッタフリーなレーザ溶接技術を実現する金属蒸気挙動の理解と制御

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本研究では、レーザ溶接中に生じる金属蒸気に対する高速度観察及び発光分光分析を活用した包括的解析手法を構築する。金属蒸気挙動を定量的に理解することで、特にスパッタ（溶融金属の飛散物）といった溶接欠陥を誘起する物理現象を解明し、スパッタフリーを実現する金属蒸気挙動の制御技術の確立を目指している。令和4年度では、レーザ溶接中の溶融金属や金属蒸気を対象とした可視化計測システムの構築に取り組んだ。まずは溶融金属内部の高速度観察システムを構築した。石英ガラスを溶融金属部に押し付けるような治具を設計・製作し、その有用性を検証した。検証において、高輝度なキーホール部を含まないため比較的観察が容易な熱伝導型溶接中の溶融金属内部を観察対象とした。その結果、スパッタ等の溶接欠陥を誘起する気泡の発生過程を観察でき、設計製作した観察治具の有用性を確認することができた。次にキーホール型溶接を対象とし、観察光学系の最適化を試みた。バンドパスフィルタ等の最適化によって、溶融金属の形状変化ならびにスパッタ飛散挙動、金属蒸気挙動などを同時に二次元画像として高速度観察することに成功した。次に発光分光分析システム構築のために、金属蒸気由来の発光スペクトル計測に適した分光器を導入した。導入した分光器を用いて、レーザ溶接中に生じる金属蒸気の発光スペクトルを計測し、二線強度比法を適用することで鉄蒸気やクロム蒸気の温度の推定ならびにその経時的変化を捉えることに成功した。