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など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行っている。本報では、実験体系を模擬した1212個の金属粒子に対してレーザーを照射した場合の相変化過程をシミュレーションした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、レーザー照射を直接受けない位置に配置された金属粒子は、生成された高温の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の温度は次第に低下し、時間とともに凝固が始まる。本研究によって、このような一連の複雑物理現象を数値シミュレーションによって初めて明らかにでき、シミュレーションを主体とした金属材料溶接技術の最適化に対して高い見通しが得られた。

At the commercial use stage in sodium-cooled fast reactors, a securing maintenance and repair more than the equal to that of present water-cooled reactors are requested. Especially, establishment of the repair technology that secures the plant integrity for long-term operation period becomes indispensable in the heat transfer tubes of the steam generator that forms the boundary of sodium and water coolants. Then, as aiming at the standardization of a fiber laser welding technology, an analytical study was begun to simulate numerically the laser welding characteristics of the micron-sized metallic particles on the stainless steel plate. The metallic particle is heated by the laser irradiation and then melts exceeding the melting temperature. From the present result, it was found that a prediction of the liquid metal thermal-hydraulics is possible and the present numerical approach is effective for the optimization of the laser welding method.