スパッタフリーなレーザ溶接技術を実現する金属蒸気挙動の理解と制御

了解和控制金属蒸气行为以实现无飞溅激光焊接技术

基本信息

批准号：
22K14165
负责人：
田中慶吾
金额：
$ 3万
依托单位：
Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、レーザ溶接中に生じる金属蒸気に対する高速度観察及び発光分光分析を活用した包括的解析手法を構築する。金属蒸気挙動を定量的に理解することで、特にスパッタ（溶融金属の飛散物）といった溶接欠陥を誘起する物理現象を解明し、スパッタフリーを実現する金属蒸気挙動の制御技術の確立を目指している。令和4年度では、レーザ溶接中の溶融金属や金属蒸気を対象とした可視化計測システムの構築に取り組んだ。まずは溶融金属内部の高速度観察システムを構築した。石英ガラスを溶融金属部に押し付けるような治具を設計・製作し、その有用性を検証した。検証において、高輝度なキーホール部を含まないため比較的観察が容易な熱伝導型溶接中の溶融金属内部を観察対象とした。その結果、スパッタ等の溶接欠陥を誘起する気泡の発生過程を観察でき、設計製作した観察治具の有用性を確認することができた。次にキーホール型溶接を対象とし、観察光学系の最適化を試みた。バンドパスフィルタ等の最適化によって、溶融金属の形状変化ならびにスパッタ飛散挙動、金属蒸気挙動などを同時に二次元画像として高速度観察することに成功した。次に発光分光分析システム構築のために、金属蒸気由来の発光スペクトル計測に適した分光器を導入した。導入した分光器を用いて、レーザ溶接中に生じる金属蒸気の発光スペクトルを計測し、二線強度比法を適用することで鉄蒸気やクロム蒸気の温度の推定ならびにその経時的変化を捉えることに成功した。

在本研究中，我们将开发一种利用高速观察和发射光谱法对激光焊接过程中产生的金属蒸气进行综合分析的方法。通过定量了解金属蒸气行为，我们的目标是阐明引起焊接缺陷的物理现象，特别是飞溅（熔融金属散射），并建立控制金属蒸气行为的技术以实现无飞溅技术。 2020财年，我们致力于构建激光焊接过程中熔融金属和金属蒸气的可视化测量系统。首先，我们建立了熔融金属内部的高速观测系统。我们设计并制造了一种将石英玻璃压在熔融金属上的夹具，并验证了其实用性。在验证中，我们重点观察热传导焊接时熔融金属的内部，由于不包含高亮度的匙孔部分，因此相对容易观察。结果，我们能够观察引起飞溅等焊接缺陷的气泡的产生过程，并且能够确认设计和制造的观察夹具的有用性。接下来，我们尝试优化小孔式焊接的观察光学系统。通过优化带通滤波器等，我们成功地以二维图像的形式同时高速观察熔融金属的形状变化、飞溅散射行为、金属蒸汽行为等。接下来，为了构建发射光谱测量系统，我们引入了适合测量金属蒸气发射光谱的光谱仪。使用引进的光谱仪，测量了激光焊接过程中产生的金属蒸气的发射光谱，并通过应用两线强度比法，我们能够估计铁蒸气和铬蒸气的温度并捕获其随时间的变化。成功了。