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論文

レーザー溶融・凝固プロセス計算科学シミュレーションコードSPLICEを用いたレーザー照射加工条件の導出

村松 壽晴

スマートプロセス学会誌, 8(1), p.4 - 8, 2019/01

本解説論文では、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SPLICEの概要と各種レーザー加工プロセスへの適用例を実験結果などとともに紹介する。さらに、加工プロセスに対する設計空間を可視化することにより、レーザー加工に付随するオーバーヘッドを大幅に低減させ得る方法として、SPLICEコードをディジタルモックアップ装置として利用するフロントローディングツールとして効果的であることを述べる。

論文

レーザー溶融・凝固プロセス計算科学シミュレーションコードSPLICEを用いたレーザー照射加工条件の導出

村松 壽晴

日本機械学会2018年度年次大会講演論文集(DVD-ROM), 5 Pages, 2018/09

本発表では、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SPLICEの概要と各種レーザー加工プロセスへの適用例を実験結果などとともに紹介し、加工プロセスに対する設計空間を可視化することにより、レーザー加工に付随するオーバーヘッドを大幅に低減させ得る方法として、SPLICEコードをディジタルモックアップ装置として利用するフロントローディングに対する実現見通しについて述べる。結果として、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SPLICEによって、設計空間を可視化すると共にレーザー照射条件などの設定の伴うオーバーヘッドを低減させることが可能であることを確認した。更にフロントローディングのためのツールとして、また複合物理過程を定量的に評価し、レーザー加工プロセスを適正化するためのツールとして効果的であるとの見通しを得たことを報告する。

論文

レーザコーティングプロセスの計算科学シミュレーション

村松 壽晴

レーザ加工学会誌, 25(2), p.81 - 85, 2018/06

金属粉末直噴型レーザコーティングプロセスで発生する溶融・凝固現象などを含む複合物理過程を把握し、レーザ照射条件の適切化作業を合理的に行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解析コードSPLICEを開発中である。同コードを用いた数値解析を通じ、レーザコーティングに係る設計空間などを可視化することで、レーザ照射条件設定に係るオーバーヘッドの大幅低減が可能であることを確認した。

論文

計算科学シミュレーションコードSPLICEによるレーザ溶融・凝固プロセスの評価

村松 壽晴

第89回レーザ加工学会講演論文集, p.115 - 119, 2018/05

本講演では、加工材料にレーザ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SPLICEの概要と各種レーザ加工プロセスへの適用例を実験結果などとともに紹介する。更に、加工プロセスに対する設計空間を可視化することにより、レーザ加工に付随するオーバーヘッドを大幅に低減させ得る方法として、SPLICEコードをディジタルモックアップ装置として利用するフロントローディングに対する実現見通しについて述べる。

論文

ふくいスマートデコミッショニング技術実証拠点の整備; 廃止措置技術実証試験センター(仮称)

村松 壽晴; 佐野 一哉; 寺内 誠

デコミッショニング技報, (57), p.65 - 74, 2018/03

廃止措置技術実証試験センター(仮称)は、文部科学省の支援施策である平成28年度補正「地域科学技術実証拠点整備事業」で採択された「ふくいスマートデコミッショニング技術実証拠点」の中枢の施設として整備するものである。この施設は、原子力発電所の廃止措置に関する技術について地元企業の成長を支援し、産学官が一つ屋根の下で地域経済の発展と廃止措置の課題解決に貢献するための拠点で、廃止措置解体技術検証フィールド、レーザー加工高度化フィールド及び廃止措置モックアップ試験フィールドの3つから構成される。本報告では、これらの各フィールドの設備について概要を紹介する。

論文

レーザー加工プロセスの計算科学シミュレーション

村松 壽晴

光アライアンス, 28(12), p.31 - 35, 2017/12

本論文では、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SPLICE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、SPLICE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を紹介した。

論文

計算科学シミュレーションコードSPLICEを用いた金属光造形加工プロセスのフロントローディング

村松 壽晴; 青柳 裕治*; 吉氏 崇浩*

日本機械学会2017年度年次大会講演論文集(DVD-ROM), 4 Pages, 2017/09

原子力機構では、レーザー加工に係わる複合物理過程を定量的に取扱うことが可能な、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コードを金属光造形加工プロセスに適用し、設計空間の可視化、レーザー照射条件の設定などのフロントローディングを通じて、当該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。

論文

福井県における原子力機構によるレーザー研究開発と産業振興

古澤 彰憲; 竹仲 佑介*; 西村 昭彦; 水谷 春樹; 村松 壽晴

日本保全学会第14回学術講演会要旨集, p.479 - 480, 2017/08

本報告では、原子力機構福井支部における、レーザー応用研究と産業振興について述べる。産業振興はプラント保全保守技術の発展および廃炉技術の確立のため不可避であり、長期的な視点をもって戦略的に取り組むべき課題である。日本原子力機構福井支部ではその視点に基づいてこれまでに、産業振興と産業界との技術交流を促進する公開セミナー活動を行ってきた。ここでは平成29年度における同セミナーで紹介した課題のうち特にレーザー応用研究開発に関するものの紹介を行い、最後に我々の目指すところと重要な視点について述べる。

論文

金属粉末直噴型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

村松 壽晴

レーザー研究, 44(12), p.799 - 803, 2016/12

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SPLICE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、SPLICEコードをディジタルモックアップ装置として利用するフロントローディング実現に対する見通しを述べる。

論文

レーザー加工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

村松 壽晴

KANRIN, 68, p.14 - 18, 2016/09

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SPLICE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、SPLICE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を紹介する。

論文

ディジタルモックアップ装置を用いた鉄鋼材料レーザー加工プロセスのフロントローディング

村松 壽晴

第84回レーザ加工学会講演論文集, p.113 - 116, 2016/01

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。原子力機構では、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。

論文

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

村松 壽晴

RIST News, (60), p.22 - 27, 2016/01

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。

報告書

高速炉燃料集合体開発に係るフェライト/マルテンサイト鋼(PNC-FMS)のレーザー溶接試験

河野 史明; 十亀 求; 山田 知典; 菖蒲 敬久; 永沼 正行; 小澤 隆之; 村松 壽晴

JAEA-Technology 2015-004, 57 Pages, 2015/03

JAEA-Technology-2015-004.pdf:20.87MB

高速炉燃料集合体の内部ダクトとラッパ管の溶接技術開発に関し、レーザー溶接の適用性を確認するため、それらを模擬した厚さ2mmと5mmのフェライト/マルテンサイト鋼(PNC-FMS)板材を用いてレーザー溶接試験を実施した。その結果、スポット溶接とビード溶接それぞれについて、溶接欠陥が少なくかつ十分な溶込み深さが得られる見通しを得た。スポット溶接については、溶接時の冷却速度を低下させることで、また、レーザーをパルス照射にすることで、溶接部の割れや空孔の発生を抑制できることが分かった。また、690$$^{circ}$$C$$times$$103minの溶接後熱処理により、溶接部のひずみはほぼ除去され、硬さも母材と同程度まで回復した。さらに、せん断試験の結果、溶接部は十分なせん断強度を有していることを確認した。これらの結果から、PNC-FMSラッパ管と内部ダクトの接合方法として、レーザー溶接は有望な手段と考えられる。

報告書

レーザー光と非金属との相互作用に関する基礎研究及び福島第一原子力発電所の廃止措置に向けた研究計画; コンクリートへのレーザー照射挙動の評価

山田 知典; 村松 壽晴

JAEA-Research 2014-026, 28 Pages, 2015/02

JAEA-Research-2014-026.pdf:18.03MB

コンクリートのような組成不定の不均一複合材料に対する物性-レーザー照射条件-レーザー照射挙動の理解を金属と同レベルに引き上げる一助とするために、コンクリートの主要な構成材料であるモルタルにレーザーを照射した際の挙動を評価した。(1)水セメント比の影響3条件の水セメント比を持つ試験片に対し、5条件のパワー密度、5条件のレーザー照射時間の合計75条件でレーザー照射試験を行った。実施した全ての試験条件でセメント試験片を破砕できることが確認できた。破砕によって生成した照射痕は、同じ照射時間の場合、パワー密度が大きいほど、また同じパワー密度の場合、照射時間が長いほど深くなった。(2)モルタルの種類によるレーザー照射挙動の評価細骨材が互いに異なる3種類のモルタル試験片に対し、固定した条件で、5条件のパワー密度、5条件のレーザー照射時間、合計75条件のレーザー照射試験を行った。実験の結果、レーザー照射によって3種類のモルタルは最終的に全て溶融したが、溶融に必要なパワー密度は細骨材の種類に大きく依存することが分かった。

報告書

レーザー光を用いた燃料デブリ・炉内構造物取出しに向けた研究,2; 平成25年度研究成果

村松 壽晴; 山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; Nguyen, P. L.; 松永 幸大

JAEA-Research 2014-018, 41 Pages, 2014/09

JAEA-Research-2014-018.pdf:42.21MB

福島第一原子力発電所の廃止措置作業では、燃料と炉内構造物とが溶融混合凝固した燃料デブリなどを取出し対象とする必要がある。この燃料デブリは、米国・スリーマイル島原子力発電所2号機での知見から、形状不定、高硬度、多孔質、多成分などの特徴を持つと考えられ、これを的確に取出すことのできる工法を確立する必要がある。本報では、高出力・高出力密度、局所加工性、遠隔操作性に優れ、更には靭性によらず溶断・破砕を行うことが可能なレーザー光を熱源とした切断工法を対象とし、燃料デブリの取出しに必要となる要素技術を開発することを目標とした研究計画を策定するとともに、これに基づいた2013年度(平成25年度)の研究成果について記載した。

報告書

レーザー光を用いた燃料デブリ・炉内構造物取出しに向けた研究,1; 研究計画及び平成24年度研究成果

村松 壽晴; 山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大

JAEA-Research 2013-024, 49 Pages, 2013/08

JAEA-Research-2013-024.pdf:6.63MB

福島第一原子力発電所の廃止措置作業では、燃料と炉内構造物とが溶融混合凝固した燃料デブリなどを取出し対象とする必要がある。この燃料デブリは、米国・スリーマイル島原子力発電所2号機での知見から、形状不定、高硬度、多孔質、多成分などの特徴を持つと考えられ、これを的確に取出すことのできる工法を確立する必要がある。本報では、高出力・高出力密度、局所加工性、遠隔操作性に優れ、さらには靭性によらず溶断・破砕を行うことが可能なレーザー光を熱源とした切断工法を対象とし、燃料デブリの取出しに必要となる要素技術を開発することを目標とした研究計画を策定するとともに、これに基づいた2012年度(平成24年度)の研究成果について記載した。

論文

レーザー加工のシミュレーション

山田 知典; 山下 晋; 杉原 健太; 村松 壽晴

プラズマ・核融合学会誌, 89(7), p.500 - 506, 2013/08

レーザー加工プロセスには、時間,空間スケールの異なる多くの物理機構が存在するため、複雑さや計算の難しさから、十分に解明されているとは言い難い。本章では、こうしたレーザー加工時の複合物理現象の解明に向けて開発されてきたシミュレーションモデルを紹介する。さらに、筆者らが開発を行った数値シミュレーションコード(SPLICE)を用いたレーザー溶接・切断の数値シミュレーション結果と、放射光高輝度単色X線を用いた高精度実験やレーザーによる厚板鋼材切断試験の結果との比較対比を通じて得られた知見・課題等について紹介する。

論文

In-situ X-ray observation of molten pool depth during laser micro welding

山田 知典; 菖蒲 敬久; 西村 昭彦; 米本 幸弘; 山下 晋; 村松 壽晴

Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 7(3), p.244 - 248, 2012/11

ファイバーレーザーの小型高性能化が進み、この技術を高経年化軽水炉の検査補修に応用することが可能となった。量子ビーム部門ではこれまで熱交換器伝熱管において微細欠陥を発見し補修する光ファイバ内視鏡とファイバーレーザーを合わせた新型プローブが開発されている。本研究では、微小なき裂を補修するための実演として突合せ溶接を行い、放射光X線を利用して溶接中の材料内部の挙動を観察した。レーザー溶接中の材料内部のその場観察は、溶接不良の原因となる気泡や欠陥を非破壊で観察可能なため、補修溶接での有益な情報を提供することができる。そのため、溶接欠陥の抑制やそのメカニズムの調査に効果的である。これにより開発した新型プローブを用いて実施した、伝熱管の突合せ溶接の溶融池深さを明らかにした。

論文

Thermohydraulic aspects in laser welding and cutting processes

村松 壽晴

Proceedings of 31th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO 2012) (CD-ROM), p.661 - 669, 2012/09

レーザー加工プロセスを数値解析的に評価できるようにするため、汎用多次元熱流動解析コードSPLICEを開発した。SPLICEコードは、非圧縮性流体を仮定したうえで、運動量,エネルギー,質量の各保存式を差分離散系で求解する。SPLICEコードをレーザー溶接及び切断の各プロセスの数値解析評価に適用し、熱流動現象の物理モデリングが特に重要となることを確認した。

論文

Numerical simulation of thermohydraulic characteristics of dross ejection process in laser steel cutting

杉原 健太; 中村 保之; 小川 剛充; 村松 壽晴

Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference (ICONE-20 & POWER 2012) (DVD-ROM), 7 Pages, 2012/07

厚板鋼材レーザー切断の適切化及び制御に向けて、多相の熱流体モデルに基づいた数値シミュレーションコードを開発し、アシストガスや加工ヘッド移動速度が切断性能に与える影響を調べた。切断フロント形状や温度分布を解析した結果以下の知見が得られた。アシストガス噴射によって溶融金属排出を促さなかった場合、レーザー光は溶融金属に吸収されてしまい固相表面に直接吸収されず板裏の温度上昇が遅れてしまう。ヘッドの移動速度が速すぎる場合には、加工ヘッド位置に対する熱伝導の遅れによって、切断開始位置の板裏に切り残しが生じるという実験結果を数値シミュレーションによって定性的に裏付けた。以上の結果から、切断溝の形成にはアシストガスによる溶融金属排出が厚板レーザー切断において非常に重要であるといえる。

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