プラズマチャンネルによるアーク放電制御に関する基礎研究

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高速アーク溶接を実現する一つの方法として狭開先の導入が考えられる。これを実現するためにはアーク放電の安定化が必要となる。本研究では、当安定化のために高強度レーザーにより生成したプラズマチャンネルによるアーク放電制御を研究の目的としている。プラズマチャネル生成用高強度レーザーとしてパルス発振のYAGレーザーを用いた。波長、l064nm、パルス幅、6nsである。アーク溶接機には、タングステンイナートガス(Tungsten Inert Gas : TIG)アーク溶接機を用いた。母材には水冷できるように水の導通路を設けた銅板を用い、タングステン電極・母材(電極)間距離を3mm〜5mmにセットした。レーザーエネルギー100mJ、焦点距離150mmのレンズを用い、タングステン電極先端周辺に集光した。パルスレーザーを大気中に集光した場合、プラズマチャンネル形成位置に揺らぎが生じることがわかった。これは、空気中に浮遊する塵によるレーザー光の吸収がプラズマチャンネル形成の引き金になっているためと考えられる。そこで、シールドガスとして使われているアルゴンガスを集光点付近に流入した。その結果プラズマチャンネルの形成位置を安定させることができた。これは、シールドガスによって電極間の塵が飛ばされ、塵の存在しない状態が作られた結果であると考えられる。シールドガスには、ヘリウムガスを使用することも可能であるが、プラズマチャンネル生成のしきい値レーザー強度がアルゴンガスに比べ大きいので、本実験ではアルゴンガスを使用した。10Hzのくり返しでレーザー出力させた場合、プラズマチャンネル形成時にアークがプラズマチャンネル方向に導かれる様子が観測された。本実験結果から電極間距離が変化した場合においても通常の集光レンズ、あるいはアキシコンレンズ使用によってプラズマチャンネルの長さを調節することによりアーク放電の方向制御が可能になることがわかった。