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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

 被引用回数:18 パーセンタイル:67.65(Nanoscience & Nanotechnology)

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

Instrumentation device and surface control technology for coolant piping system of nuclear power plants

西村 昭彦; 寺田 隆哉; 島田 幸洋; 米本 幸弘*; 山田 知典

Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference (ICONE-20 & POWER 2012) (DVD-ROM), 5 Pages, 2012/07

レーザー技術を用いた計測法を原子力プラントの冷却系の保守保全のために開発している。計測技術としては、光ファイバセンサ技術を用いることで地震に対する振動計測が可能であることを明らかにした。さらに放射光X線による吸収コントラスト法を用いることにより、レーザー溶接補修の際の溶融池の内部の対流現象を解明した。一方で、表面制御技術としては、熱交換器伝熱管のレーザー肉盛り溶接補修が可能な新型プローブ装置を開発を進めた。また、レーザー蒸発は配管表面の汚染除去に有効であることを明らかにした。これらのレーザー技術は、原子炉の冷却配管の保守保全に役立つことが期待される。

論文

Development of laser welding simulation code with advanced numerical models

山下 晋; 米本 幸弘; 山田 知典; 功刀 資彰*; 村松 壽晴

溶接学会論文集(インターネット), 29(3), p.48s - 52s, 2011/08

レーザー溶接による残留応力の定量的評価とその制御は高速増殖炉の長寿命化や補修信頼性の担保において非常に重要な問題である。このような問題に関する深い理解に対して、数値シミュレーションは非常に有効なツールであると言える。そのためには、数値シミュレーションモデルに対して、高精度,強靭性そして高い信頼性が必要となる。これに対し、われわれは最新の数値モデルを用いて以上の特徴を満たすような"SPLICE"(residual Stress control using Phenomenological modeling for Laser welding in Computational Environment)と呼ばれる完全に並列化されたレーザー溶融・凝固シミュレーションモデルを開発した。離散化にVSIAM3(Volume and Surface Integrated Average based Multi Moment Method),界面追跡スキームにTHINC法,固相表現にFAVOR法と呼ばれる手法を用いてレーザー溶接シミュレーションを実施した。その結果、幾つかのレーザー溶接特有の現象を再現することができた。よって、本シミュレーションモデルが将来的にレーザー溶接補修技術に対し大いに貢献できることが示唆される。

論文

In-situ observation of phase transformation during rapid cooling processes

山田 知典; 米本 幸弘; 山下 晋; 村松 壽晴; 小溝 裕一*

溶接学会論文集(インターネット), 29(3), p.86s - 89s, 2011/08

構造物の保守・保全には残留応力が重要であることが知られている。この残留応力の低減には、入熱量が小さく、熱影響範囲が狭いレーザー溶接が効果的である。そのため、レーザー溶接補修技術は高速増殖炉の長寿命化において注目されている。このレーザー溶接補修技術を確立するためには、組織形成挙動を把握する必要がある。本研究では、高温レーザー顕微鏡を使用することで、レーザー溶接を模擬した冷却過程での組織形成挙動のその場観察を行った。

口頭

マルチスケール混相流体方程式の構築に関する研究

米本 幸弘; 功刀 資彰*

no journal, , 

気相と液相の境界である界面は、巨視的な観点では物性値の不連続性を特徴としてモデル化されるが、原子・分子レベルの微視的な観点では両相は連続しているという界面の特異性が関係している。このような気液界面の持つ多重スケール構造性をいかにモデル化するかが混相流数値解析的研究における長年の課題である。気液界面の多重構造性の解明は気液だけではなく固液界面等を含めた多相界面現象への取扱いにも重要である。界面現象は工学的・化学的に応用面が広い現象であり、特に材料の冶金の分野では溶接中の溶融池の気液界面やキーホール中で発生する気泡を取り扱う際に重要となる。特に、気泡の合一・反発現象は謎が多くそのメカニズムは未だ解明されておらず、その解明には気液界面で生じるさまざまな物理・化学現象を考慮しうる界面モデルの構築が必要不可欠である。そこで、気泡の合一・反発現象に着目し、ミクロからマクロスケールに渡るスケール横断的な考察を行い、数学的・物理的観点に基づいた気液界面モデルの構築を行った。

口頭

CIP有限体積法によるレーザー溶融・凝固シミュレーション

山下 晋; 米本 幸弘; 山田 知典; 功刀 資彰*; 村松 壽晴

no journal, , 

多相流体界面間の物理量輸送及び各相と自由界面との相互作用問題は、産業分野だけでなく学術研究分野においても多く見られ、非常に重要な研究分野であると言える。しかしその複雑さゆえに詳細な機構は未だ十分に明らかになっていない。コンピュータの飛躍的な性能向上に伴い、自由界面を有する流体現象を詳細に知ることができるようになってきているが、数値計算的にも極めて難しい問題であり、高精度で信頼性の高い計算手法を用いる必要がある。そこで、本研究は幾つかの先進的な手法を用いて、相変化を伴う気・液・固数値計算コードを開発した。このコードは、幅広い自由界面を有する現象に適用することができ、例えば原子炉の溶接部の保守保全に幅広く役立つことが期待される。本研究では、原子炉内伝熱管のレーザー溶接補修に着目し、本数値計算コードによりレーザー溶融・凝固シミュレーションを行った。その結果、レーザー溶接特有の現象を再現することができた。よって、本シミュレーションコードが将来的に原子炉の溶接部保守保全に対し大いに貢献できることが示唆される。また、大型放射光施設SPring-8でのレーザー溶融観察実験との比較検討について発表する予定である。

口頭

高精度実験と計算科学の組合せによるレーザー溶接プロセスの現象論的評価,5; 多次元複合物理解析コードSPLICEによるレーザー溶接プロセスの数値解析

山下 晋; 山田 知典; 米本 幸弘; 功刀 資彰*; 村松 壽晴

no journal, , 

多相流体界面間の物理量輸送及び各相と自由界面との相互作用問題は、産業分野だけでなく学術研究分野においても多く見られ、非常に重要な研究分野であると言える。しかしその複雑さゆえに詳細な機構は未だ十分に明らかになっていない。コンピュータの飛躍的な性能向上に伴い、自由界面を有する流体現象を詳細に知ることができるようになってきているが、数値計算的にも極めて難しい問題であり、高精度で信頼性の高い計算手法を用いる必要がある。そこで、本研究は幾つかの先進的な手法を用いて、相変化を伴う気・液・固数値計算コードを開発した。このコードは、幅広い自由界面を有する現象に適用することができ、例えば原子炉の溶接部の保守保全に幅広く役立つことが期待される。本研究では、原子炉内伝熱管のレーザー溶接補修に着目し、本数値計算コードによりレーザー溶融・凝固シミュレーションを行った。その結果、レーザー溶接特有の現象を再現することができた。

口頭

高精度実験と計算科学の組合せによるレーザー溶接プロセスの現象論的評価,3; 放射光X線による溶融池のリアルタイム観察

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

no journal, , 

高い信頼性等が要求される原子炉施設でのレーザー溶接補修技術の確立には、補修時の溶接欠陥の防止や熱履歴に起因して発生する残留応力の制御等が必要となる。このためには直接観察を行って検討することが必要となる。レーザー照射部では、熱放射,熱伝導,対流が生じ、冷却後の組織に影響を与える。この観点より、溶接補修に用いるレーザーにおいて、形成される溶融池と冷却後の組織に与える影響との関係を定量的に検討する必要がある。本研究では、大型放射光施設(SPring-8)からの高強度X線を利用し、溶融池の高時間・空間分解能観察が可能な装置開発を行い、溶接特性に大きな影響を与える気泡挙動をリアルタイムで評価した。試験片は厚さ5mmのアルミニウム合金及びステンレス鋼であり、試験片上部よりファイバーレーザーを集光照射した。レーザー出力は330W、集光径は1mmである。試験片に埋め込んだトレーサー粒子の挙動を吸収コントラスト法により計測した。その結果、従来では観察が難しかった固液界面の挙動と湯流れを同時に観察することができ、溶接欠陥を抑制するレーザー照射条件の選定や、溶融池内の現象把握に有効であることが確認できた。

口頭

レーザー溶接時・溶融池を見据えた固体面上液滴の濡れ性の考察

米本 幸弘; 功刀 資彰*; 山田 知典; 山下 晋; 西村 昭彦; 大道 博行; 村松 壽晴

no journal, , 

Youngの式は固体面上の液滴の釣り合いを表す式である。具体的には熱力学的な観点から導かれる。固体面上の液滴の濡れ性を評価するためには、液体の表面エネルギーだけでなく、固体の表面エネルギーも把握する必要がある。原子炉保守保全ではレーザー溶接が検討されている。溶融池に対する重力の方向は複雑な配管の方向に依存するため、あらゆる状況を考察する必要がある。その際、照射時に生じた溶融池の安定性は濡れ性に大きく依存する。固体の表面エネルギーを求める手法はさまざま提案されているが、おもにYoungの式を基礎とし固体表面と液滴界面の成す接触角を用いる。しかしながら、実際の液滴の接触角は液滴サイズとの関連もあり、その関係は従来のYoungの式では説明できない。本研究では従来のYoungの式の導出に不足していた新たな熱力学的観点を補うことで導出された修正Youngの式をもとに液滴濡れ性を考察した。

口頭

レーザ加工による固液界面の物理特性制御に関する研究

米本 幸弘; 西村 昭彦

no journal, , 

原子力設備の状態検査や安全管理等は原子炉の安全運転のためにも必要不可欠である。特に、耐震保全,放射能等の除染や他にも作業員が立ち入ること(目視観察が不可能)ができない設備の状態観察においては作業員の被ばく量を軽減する等の観点から遠隔による保守保全技術の確立は重要な課題となりつつある。本研究では、レーザー共同研究所で保有しているレーザーを用い、レーザー加工による表面改質という観点から、特に、原子炉液体金属中の超音波探傷による目視検査技術の精度向上に着目し基礎的研究を行ったものである。具体的には、音波特性改善に重要と考えられる濡れ性の問題に焦点を当て、固体の表面エネルギーの評価やレーザー加工を施した金属表面上の液体金属の濡れ性の観察を行った。対象とした固体基板の表面エネルギーの予測では文献値とほぼ同じオーダーの値を示したことから、固体表面エネルギーの予測方法に関して、ある一定の指針を与える結果を得ており、将来的なレーザークリーニング技術開発の一助となると考えられる。

口頭

パルスレーザーを用いた固体表面特性の制御に関する基礎的研究

米本 幸弘; 西村 昭彦; 島田 幸洋

no journal, , 

原子炉の安全運転のため、原子炉設備等の常時状態監視技術を発展させる必要がある。状態監視センサのひとつとして、波長可変レーザーによる地震時における原子炉配管の常時状態監視が可能なFBGセンサシステムの開発が行われている。FBGセンサを設置する原子炉配管表面は酸化膜や錆が付着している。現在、センサ設置には耐熱接着剤を用いた方法が考えられているが、(1)熱膨張の違い、(2)耐熱性の限界等の理由から中間物を介さない接着方法が望ましい。さらに、(3)表面のクリーニング、(4)遠隔作業や(5)作業性の悪い狭隘部での設置といった条件を考慮するとレーザーを用いた処理が有効である。そこで本研究では、パルスレーザーを用いたFBGセンサの取り付けを見据えレーザークリーニングやガラス-ガラス間の接合に関する基礎的実験を行うことでその可能性を検討し、レーザークリーニング及びガラス-ガラス間接合におけるレーザーエネルギーの最適値を評価している。

口頭

Development of pulse laser processing and related technologies in maintenance for atomic power plants

西村 昭彦; 米本 幸弘; 島田 幸洋

no journal, , 

レーザーピーニングはナノ秒レーザーパルスを金属材料に照射し、材料内部の残留応力を改善する手段である。近年、レーザーの発達とともに航空機のエンジンやタービンブレードや原子炉機器の表面改善に使用されている。本会議において、2004年当時、著者が先駆けてフェムト秒レーザーパルスを用いて、ステンレス鋼の表面の残留応力を改善した結果をレビューする。これに続いて、この技術開発を通じて誕生した2つのレーザー応用研究について述べる。ひとつは、加工技術の向上を通じて地震検知センサーの開発を実施した方向である。もうひとつは、原子炉熱交換器の保守を行うためのプローブ開発の方向である。これらの2つの方向は、関西光科学研究所から誕生した技術として高速増殖炉の開発拠点である敦賀本部に移転され、現在、敦賀本部レーザー共同研究所での活動について報告する。

口頭

Phenomenological evaluation of laser-irradiated welding processes with a combined use of higheraccuracyexperiments and computational science methodologies, 3; In-situ observations of welded pool using anintense X-ray beam

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

no journal, , 

レーザー溶接中の溶融池内の現象把握のために、大型放射光施設(SPring-8)からの高強度X線を利用した材料内部のリアルタイム観察を行った。CW-Ybファイバーレーザーをアルミニウム合金及びステンレス鋼に照射し、トレーサーとして用いたタングステン粒子の挙動を吸収コントラスト法で観察した。その結果、液相と固相のコントラスト差から固液界面を確認することができ、さらに溶融池内対流との同時観察を行うことができた。レーザー溶接中の溶融池内の現象の調査により、高強度X線の利用が溶融池の観察に有効であることを示した。

口頭

Developing maintenance technologies for FBR's heat exchanger units by advanced laser processing

西村 昭彦; 米本 幸弘; 島田 幸洋

no journal, , 

レーザーは連続光からパルス光まで幅広い応用があり、その分野は工業,化学や光デバイス等広範囲に渡る。例えば、原子力の分野においてもその適用可能性は期待され、作業性の悪い狭隘空間における配管類(伝熱,冷却配管等)の補修は原子炉の長期的な安全運転との関連もあり非常に重要である。われわれが開発している、超短パルスレーザーを用いた原子炉シュラウド内壁の表面硬化層の除去・残留応力の改善技術,FBGセンサーの開発,表面クリーニング及び異種材料接合や複合型ファイバーレーザーを用いた伝熱管内壁の溶接補修技術は、そうした狭隘空間における保守・保全を保障する重要な技術であり、本報告ではそれらの具体例についてその重要性を議論した。

口頭

ナノ秒パルスレーザによる固体表面特性の遠隔制御に関する研究

米本 幸弘; 西村 昭彦; 島田 幸洋

no journal, , 

原子力設備の状態検査や安全管理等は原子炉の安全運転のためにも必要不可欠である。特に、耐震保全,放射能等の除染や他にも作業員が立ち入ること(目視観察が不可能)ができない設備の状態観察においては作業員の被ばく量を軽減する等の観点から遠隔による保守保全技術の確立は重要な課題となりつつある。本研究では、特に原子炉の耐震保全のために開発中のFBGセンサーに着目し、そのセンサーの原子炉配管への設置を見据えた研究開発を行っている。具体的には、レーザー共同研究所で保有しているレーザーを用い、狭隘空間におけるレーザー加工による表面改質という観点から、固体の酸化膜除去のための最適エネルギー及び異種材料間のレーザーによる直接接合の実験実施や狭隘空間でのFBGセンサー設置のためのファイバー伝送装置の概念を示している。本実験から、表面クリーニングに最適なレーザーのエネルギーは100mJより小さいこと、そして、ガラス間の直接接合実験では、1.8mJ近傍で大きな接合強度が得られ、より大きなエネルギーでは接合強度が低下することがわかった。本研究成果は、将来的なFBGセンサー設置へ向けたレーザー加工技術開発の一助となると考えられる。

口頭

パルスレーザーを用いた固体表面の遠隔加工技術の開発

米本 幸弘; 西村 昭彦; 島田 幸洋; 寺田 隆哉

no journal, , 

原子力設備の状態検査や安全管理等は原子炉の安全運転のためにも必要不可欠である。特に、耐震保全,放射能等の除染や他にも作業員が立ち入ること(目視観察が不可能)ができない設備の状態観察においては作業員の被ばく量を軽減する等の観点から遠隔による保守保全技術の確立は重要な課題となりつつある。本研究では、原子炉の耐震保全のために開発中のFBGセンサーの原子炉配管技術に関連する技術開発を実施している。具体的には、センサーの取り付けや狭隘空間での遠隔補修作業等を見据えたパルスレーザーの遠隔伝送を可能にする装置の開発を行っており、その概念と実機への応用可能性を報告している。この研究の結果から、酸化膜で覆われたSTPA24表面へのパルスレーザー照射により得られたスペクトル分布の強度は、時間の経過とともに減少し、最終的には全体的になだらかな分布になることがわかり、こうした時間変化に伴うスペクトルの挙動は酸化膜除去の定量的な目安になる。本研究成果は、将来的なFBGセンサー設置だけでなく原子炉の廃炉等を含めたレーザー加工技術開発の一助となると考えられる。

口頭

高速炉の2次冷却系配管材料を使用した耐熱FBGセンサの性能評価と実装試験

島田 幸洋; 米本 幸弘; 西村 昭彦; 鈴木 宏和*; 石橋 久義*; 川原 啓孝; 伊藤 主税; 吉田 昌宏

no journal, , 

われわれは原子炉の冷却系配管における耐震保全・経年劣化診断のため、高温耐性のあるFBGセンサシステムの開発を行っている。これまで超短パルスレーザー微細加工によるFBGセンサの製作と高速実験炉「常陽」の2次冷却系配管材料のバックアップ試料を用いたFBGセンサの性能試験を行ってきた。その結果、室温から600$$^{circ}$$Cにおける温度と歪測定に成功したが、センサと保護材料の長期間の耐性には課題を残した。今回は高温での長期間耐性を向上すべく、炭化ケイ素繊維リボンによる強化FBGセンサの製作を行った。講演では機械特性と高温耐性の評価試験、及び実用のための装着方法について報告する。

口頭

高経年化プラント配管内壁の検査補修技術開発

伊東 富由美; 西村 昭彦; 米本 幸弘*; 寺田 隆哉; 島田 幸洋

no journal, , 

LIBSを伝熱管内壁の酸化被膜に適用すると極表面の酸化被膜の剥離が生じる。低エネルギーのLIBS、高エネルギーのアブレーション、そしてMTによる欠陥の検査等の技術の組合せを実施する。

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