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STニュース

No．
６０（２０１６）

レーザーコーティングプロセスの計算科学
シミュレーションと加工条件の導出

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国立研究開発法人日本原子力研究開発機構
敦賀事業本部 敦賀連携推進センター
レーザー共同研究所
村松 壽晴
レーザー加工において、意図した性能や製品を実現するためには、ここで発生する溶融・凝固現象などを含む複合物理過程を把握した上で、レーザー照射条件などを適切に設定する必要がある。しかし、この条件適切化作業は、繰返しによる膨大なオーバーヘッドを伴うのが一般的であり、多品種少量生産などを指向する産業分野へのレーザー加工技術の導入を阻害する一因ともなっている。日本原子力研究開発機構では、加工材料にレーザー光が照射されてから加工が完了するまでの複合物理過程を定量的に取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した計算科学シミュレーションコードSPLICEを開発中である。このSPLICEコードをレーザーコーティングプロセスに適用し、設計空間の可視化、レーザー照射条件の設定などを通じて、コーティングプロセスに係わるオーバーヘッドを効果的に低減させることが可能であることを確認した。

１.はじめにる溶融・凝固現象などを含む複合物理過程を昨今のレーザー加工技術に関する展示会な把握した上で、レーザー照射条件などを適切どからも分かるように、高エネルギー密度とに設定する必要がある。しかしながら、この局所加工性など、優れた熱源としてのレーザ条件適切化作業は、繰返しによる膨大なオーー光の特性を背景として、多くの産業分野にバーヘッドを伴うのが一般的であり、多品種おいて様々な材料加工がレーザーを用いて行少量生産などを指向する産業分野へのレーザわれている状況にある。更には、福島第一原

ー加工技術の導入を阻害する一因ともなって子力発電所の燃料デブリ取出しへのレーザーいる（図１）。このような課題を解決するため加工技術の適用性評価なども、基礎・基盤的には、製品などを作り込む上で必要となる諸な観点から進められている［１］［２］。

情報、すなわち、設計空間の構造、設計空間他方、レーザー加工において、意図した性における現設計点位置、設計変数間のトレー能や製品を実現するためには、ここで発生すドオフ情報、設計空間のクリフエッジ、設計

図１

設計・製造過程での繰り返し作業に伴うオーバーヘッド

－22－

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６０（２０１６）点のロバスト性などを、設計空間を可視化すティングプロセスの評価に適用した。図２にることによって把握し、製品設計を多目的最解析モデルを、表２に解析条件を示す。この適化問題として捉える必要がある。
本稿では、加工材料にレーザー光が照射されてから加工が完了するまでの複合物理過程を定量的に取扱えるようにするために開発中の、計 算 科 学 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン コ ー ドSPLI
CEの概要と評価例、およびオーバーヘッドの大幅低減を目指し、SPLI
CEコードをディジタルモックアップ装置として利用したフロントローディング実現に対する見通し

図２を述べる。

SPLI
CEコードを用いたレーザーコー
ティングプロセスの解析モデル

SPLI
CE解析は、レーザー光（０.
２mmφ）と２．レーザー加工プロセス計算科学シミュレー
ションコード SPLI
CE［３］金属粉（チタン）を母材表面（炭素鋼）に向SPLI
CEコードは、ミクロ挙動とマクロ挙かって噴出させ、これを左側から右側に向動とを多階層スケールモデルにより接続する

かってスウィープ（１,０００mm/min）させる場

気－液－固統一 非圧縮性粘性流解析コード合を想定し、メッシュ幅０.
２５mmの２次元計であり、レーザー加工時の様々な物理現象、算体系を用いて評価するものである。評価上

例えばレーザー光－物質相互作用（波長吸収のパラメータは金属粉供給量（QF）、レーザー－ 分 子 振 動 誘 起 に よ る 発 熱）、半 溶 融 帯出力（PL）とし、パラメータを組合せた４ケ（Mushyzone）を介した溶融金属－固体材料ースの数値解析を行う。

間の熱的機械的相互作用、溶融・凝固相変化過程などの複合物理過程を取扱うために必要

表２な様々な物理モデルを導入している。表１

SPLI
CEコードを用いたレーザーコー
ティングプロセスの解析条件に、SPLI
CEコードの主要目をまとめる。
表１

SPLI
CEコードの主要目

なお、レーザー加工ヘッドからの金属粉が、母材表面に到達するまでにレーザー光からエネルギーを受けて温度上昇するプロセス

３．レーザーコーティングプロセスの計算科（金属粉エネルギー授受モデル）は、図３のモ学シミュレーション

デルに基づいて、式（１）の関係を想定した。

３.
１ 解析モデルおよび解析条件
SPLI
CEコードを典型的なレーザーコー
－23－

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３.
２ 解析結果図４は、金属粉エネルギー授受モデルの有無による結果への影響を、Case４を対象として比較したものである。結果より分かる通り、当該効果が無い場合にはレーザー光からのエネルギーの全てが母材金属に吸収され、大きな溶け込み深さを持つ溶融池が形成されている。他方、当該効果を考慮した場合には、レーザー光からの一部が母材到達前に金
図３

属粉に供給され、結果として母材自体の溶融SPLI
CEコードにおける金属粉エネル
ギー授受モデル範囲が低下する。
Case１～Case４について、温度分布および溶け込み・コーティング膜厚の空間分布を図５および図６に比較する。これら全ての結果は、金属粉エネルギー授受効果を考慮した

ここで、DE：エネルギー密度（J/mm３）、ものである。結果より分かる通り、レーザー

dL：レーザー光径（mm）、ℓ：スタンドオフ

出 力 が 大 き く、金 属 粉 供 給 量 の 小 さ な（mm）、γV：金属粉体積割合（）、QF：金属Case
１では、母材溶け込み深さが顕著なも粉供給率（g/s）、τ：金属粉飛行時間（s；≡のとなっている。他方、レーザー出力を抑ℓ/Vg）、Vg：ガス流速（mm/s）、ρ：金属粉え、金属粉供給量を増やしたCase３および密度（g/mm ）、Cp：金属粉比熱（J/g・℃）

Case４では、溶け込み深さが小さく且つ薄である。

いコーティング膜厚が実現できている。

3

図４

金属粉授受モデルの有無によるレーザーコーティングプロセス評価結果の差異（Case４）－24－

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図５

図６

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レーザーコーティングパラメータ変化による空間温度分布評価結果の差異

レーザーコーティングパラメータ変化による溶け込み深さおよびコーティング膜厚評価結果の差異

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ここで、PL：レーザー出力（W）、VL：スウィ４．フロントローディングを目指したディジタルモックアップ装置としてのSPLI
CEープ速度（mm/min）である。
図７は、溶け込み深さ（Lp）とコーティン

コードの活用要求仕様を満足するレーザーコーティング

グ膜厚（Lt）について応答曲面表示した結果製品を実現するためには、多くの試作を通じである。溶け込み深さと膜厚とを共に小さくてレーザー照射条件などを規定するための膨したコーティング製品を目指す場合、設計空大なオーバーヘッドを伴う繰返し作業が必要間の中央領域近傍に条件設定のスウィートポとなる。このような問題に対し、SPLICEコイントが存在すると言える。このような設計ードを用いたフロントローディングにより解空間特性の把握を実験的手法のみで行おうと決できれば、産業分野へのレーザー加工技術した場合、施工現場での試験片製作、試験片の導入が更に加速されると予想できる。

切断、試験片検査などの１～２ヶ月に亘る膨

レーザーコーティングプロセスに影響を与大な繰返し作業が、母材と金属粉との組合せえるパラメータを、単位面積当りの母材への毎に求められる。他方、SPLI
CEコードによ入熱量Eと金属粉供給量Wとして整理し（式る設計空間の可視化は、この膨大なオーバー２および３）、EとWから成る設計空間（２.
０≦

ヘッドの２割程度への大幅な低減が可能であE≦４.
８、０.
００２５≦W≦０.
００５）内で計７ケースり、ディジタルモックアップ装置としての計のSPLICE追加解析を行った。

算科学シミュレーションコードを利用したフロントローディングが実現可能であることを示唆している。

Lt

図７

単位面積辺りの母材への入熱量Eと金属粉供給量Wに対する応答曲面

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５．戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）

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６．まとめ［４］でのSPLI
CEコードの利用

レーザー加工プロセス計算科学シミュレー

内閣府が推進するSI
Pの内、革新的設計生ションコードSPLI
CEによって設計空間を可産技術のカテゴリーに、大阪大学と共同で提視化し、レーザー照射条件などの設定の伴う案した「高付加価値設計・生産を実現するレオーバーヘッドを低減させることが可能で、ーザーコーティング技術の研究開発」が昨年フロントローディングのためのツールとして１１月に採択され、研究開発活動が本格化して有効であるとの見通しを得た。なお同手法いる状況にある。本研究開発は、次世代工業は、溶接・溶断プロセスに対しても有効であ部品や製品製造のための高強度化、長寿命ることを確認している。

化、軽量化、低コスト化、省エネルギー化に向けた高付加価値設計を実現するため、高機７．参考文献能、高品質、難加工材料の次世代レーザーコ［１］ 村松 壽晴ほか、“レーザー光を用いたーティングの基礎技術を確立し、レーザーコ燃料デブリ・炉内構造物取出しに向けーティング装置の完成に結びつけようとするた研究（Ⅰ）～研究計画および平成２４年ものである。日本原子力研究開発機構は、こ度研究成果～”、JAEAResearch

れを実現するためのレーザー入熱制御技術開２０１３０２４（２０１３）.

発として、SPLI
CEコードおよび大型放射光［２］ 村松 壽晴ほか、“レーザー光を用いた

施 設SPring８を 利 用 し て、レ ー ザ ー コ ー

燃料デブリ・炉内構造物取出しに向けティングメカニズムの解明とその適切化を行た研究（Ⅱ）～平成２５年度研究成果～”、

い、これを新基盤技術として装置設計側に情JAEAResearc
h２０１４０１８（２０１４）.

報提供する役割を担っている。

［３］ T.Mur
amatsu,“Thermohydr
aulicAspectsinLaserWeldingand

更に、新たに開発されるレーザーコーティ
ング装置の市場展開フェーズでは、これを利CuttingProcesses”,Proc.The３１t
h用する場合のオーバーヘッドを効果的に低減

Inter
nat
io
nalCo
ngresson

させるためのフロントローディングツールとApplicatio
nso
fLaser& Electro-

して、SPLI
CEコードを市場公開する計画とOpt
ic（sICALEO３１）,なっている。

No.
１９０４（２０１２）,pp.
６６１６６９.
［４］ http://www８.
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