計算科学と高精度実験を用いたレーザ溶接時溶融池 挙動の解明
1. はじめに
原子力発電所をはじめとした人工構 造物の溶接補修技術に対しては，プラ ント寿命期間中の構造健全性を的確に 担保することが求められる．この観点 より，熱的影響範囲が狭いレーザ光を 用いた溶接補修技術が常用化される方 向であるものの，プラント寿命期間中 の溶接補修部構造健全性を担保するた めの残留応力低減の考え方や補修部材 の機械的強度特性の変化などの観点か らの現象論的かつ定量的な評価は行わ れてきていない．
本稿では，レーザ溶接プロセスを特 徴づける溶融・凝固現象を含む複合物 理過程に対し，計算科学と高精度実験 を併用した現在進行中の評価例を紹介 する．
2. 評価すべき複合物理過程
図 1は，補修部材にレーザ光が照 射されてから補修が完了するまでの特 徴的な挙動を模式的に示したもので，この評価においては，レーザ光―物質 相互作用（波長吸収―分子振動誘起に よ る 実 効 入 熱 量 評 価 ）， 半 溶 融 帯
（Mushy zone）を介した溶融金属―固 体材料間の熱的機械的相互作用評価，
溶融・凝固相変化過程―金属結晶化過 程―残留応力生成過程の連成評価など の複合物理過程を定量化する必要があ る（1）．
3. 溶接計算科学と高精度実験
上記のさまざまな複合物理過程を数 値解析的に取り扱えるようにするた め，ミクロ挙動とマクロ挙動とを多階 層スケールモデルにより接続する，気―液―固統一非圧縮性粘性流・残留応 力 評 価 コ ー ド SPLICE（residual Stress control using Phenomenologi- cal modeling for Laser welding repair process In Computational Environ- ment）（2）を開発中である．
図 2は，SPLICE コードをビードオ ン プ レ ー ト 溶 接 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン
（レーザ出力 300W，レーザ光スポッ ト径 2mm，走査速度 10mm/s）に適 用した一例で，溶接後に現れる溶接
ビードなどの特徴的挙動を的確に再現 した．
図 3は，レーザ照射時に補修領域 が固体から液体に相変化してゆく際の 境界（固液界面）を大型放射光施設
（SPring-8）の高強度 X 線でその場観 察した結果で，レーザ光照射による溶 融過渡現象を的確に捉えることに成功 した（3）．
4. おわりに
溶接計算科学と高精度実験による詳 細データは，レーザ溶接時に発生する 複合物理過程を現象論的に解釈するう えで極めて有効であるとともに，ミク ロ挙動とマクロ挙動とを接続するため
の新たな物理モデリング研究に強力な ツールとなり得ることを確認した．
（原稿受付 2011 年 6 月 10 日）
〔村松壽晴 （独）日本原子力研究開発 機構〕
（ 1 ）Muramatsu, T., ほか，X-Ray Lasers 2010，●文 献
（2010），245-255，Springer．
（ 2 ）Yamashita, S., ほか，The Visual-JW 2010 Sympo., 1, JWP-15（2010-11）．
（ 3 ）Yamada, T., ほか，The Visual-JW 2010 Sympo., 1, MTJW-3（2010-11）．
図１ レーザ溶接プロセス
レーザ光
コールドスプレー材
熱伝導領域
補修領域
Tensile residual stress Compressive residual stress
Solidifying mushy zone
金属結晶化領域
溶融金属対流領域
Mushy zone Solidifying
mushy zone 溶融池（〜1mm）
Typical dendrite arm structure in solidifying mushy zone during cooling process（〜10μm）
き裂補修前処理部
図 2 SPLICE コードによるレーザ溶接 シミュレーション
実験結果（於松浦機械製作所）
2mm 溶接ビード
解析結果（SPLICE コード）
750 1000 1250
固液界面 温度（K） P＝300 W
φL＝2.0 mm V＝10 mm ／ s
溶融池
図 3 放射光 X 線による固液界面挙動 のその場観察
レーザ光
レーザ光330W 1.0mmφ 固液界面
残留応力観察用エリア検出器
試験片
二次元シート発光用高強度シンクロトロン X 線：30keV
溶融金属対流観察用 CCD カメラ
日本機械学会誌 2011.10 Vol.114No.1115 771
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