Numerical visualization on melting and solidification of micron-sized metallic particles by laser irradiation

レーザー照射による微小金属粒子の溶融と凝固に関する数値的可視化

高瀬 和之; 村松 壽晴; 菖蒲 敬久  

Takase, Kazuyuki; Muramatsu, Toshiharu; Shobu, Takahisa

原子炉本体やその付帯設備等の健全性を確保する補修技術の確立を目的として、3次元微細加工が可能なレーザーを利用した金属材料溶接技術の開発を行っている。この開発の一環として、金属材料溶接技術の最適化を図るため、レーザー照射時の金属材料の相変化挙動を数値シミュレーションによって定量評価する手法の開発を次世代部門と協力して行っている。本報では、実験体系を模擬した99個の金属粒子に対して行ったレーザー照射による相変化シミュレーションの結果について述べる。金属粒子の配置によって、レーザー照射を受ける粒子と受けない粒子が存在する。初めに、レーザー照射を受ける位置に配置された金属粒子が溶融し、高温の液体金属になる。一方、レーザー照射を受けない位置に配置された金属粒子は、生成された高温液体金属によって熱を与えられて溶融し、液体金属になる。レーザー照射を停止すると液体金属温度は低下して時間とともに凝固が始まる。本研究によって、このような一連の物理現象を数値シミュレーションによって明らかにできた。

As aiming at the enhancement of safety of currently operated nuclear reactors, development of a repair technology using laser welding has been performed. An experimental study on welding of micron-sized metallic particles on a stainless steel plate by laser irradiation has already been carried out. Moreover, an analytical study was also begun to predict numerically the experimental results. The micron-sized metallic particle that is made of iron is heated by the laser irradiation and then melts exceeding the melting temperature and finally the solid metallic particle changes perfectly the liquid metal. After a long time, the liquid metal rechanges the solid metal with decreasing the temperature. This paper describes visualized numerical simulation results of the melting and solidification behavior of the micron-sized metallic particles that changes from the solid to liquid and the liquid to solid.