溶接技術はものづくりの基盤技術であるが、現状では施工後の検査だけではその性能を完全には保証できない特殊工程とされている。溶接技術を特殊工程から脱却させて、プロセス制御によって最終的な溶接継手部の性能が保証できる性能保証型技術とするために、①溶接熱源による溶接部形成予測、 ②溶接金属、熱影響部の組織形成、欠陥形成予測、③組織や特性が分布した溶接継手の性能予測を統合したシミュレーション技術の開発を行う。

また、先端測技術として、レーザ超音波in-situ溶融池形状計測システムを開発して、溶接時その場検査技術への適用とシミュレーション技術の精度向上・適用範囲拡大に適用する。

熱源モデルと溶融池形成モデルを統合し、3次元空間のダイナミックな変動を伴う溶融池形成の数値シミュレーション予測技術を開発し、溶接条件による溶込み形状や熱サイクルの予測を行います。とくに、アーク熱源モデルでは、国際的に未踏領域である「電極現象とアークプラズマ現象の相互作用」を考慮に入れた開発を行います。また、溶融池形成モデルでは、 3次元熱流動溶融池形成モデルの開発により、多層溶接を含む様々な継手形状と様々な溶接姿勢（重力方向）に対応可能とします。このように、基礎科学に基づく数値シミュレーションとして、世界初のマルチ継手・マルチ溶接姿勢をカバーする熱源・溶融池系統合モデルを開発することをめざします。さらに、レーザ超音波法による溶融池形状のインプロセス検証技術の開発を行い、その場検査技術への適用とシミュレーション技術の精度向上・適用範囲拡大をめざします。

「溶接・接合」分野において、特徴的な溶融・凝固現象とその後の冷却過程における組織形成予測、ならびに、それらに起因する溶接部の特性を予測するツールを開発するとともに、溶接高温割れ発生を予測するツールを構築することを検討対象とする。凝固組織形成の予測結果を用いて、溶接欠陥（溶接高温割れ）発生の予測技術開発および溶接部の組織および特性予測技術開発を目指す。特に、凝固・偏析モデルによる高温割れ感受性予測シミュレーション、および、溶接部の組織および特性予測技術の開発を分担する。

ものづくりのグローバル化が進められる中、ものづくりの基幹技術としての溶接技術に求められるものが変化してきている。これまで、溶接プロセスにおける高効率化・高機能化などが技術開発における重要な課題の一つとして取り組まれてきたが、更なる次世代の溶接プロセスを創造するためには、今までの視点とは違う位置から現象をとらえ、その本質を理解し、まったく新しい発想で技術開発に取り組む姿勢が必要となってきた。そのためには、現象面からの解析を深化させる可視化技術と、本質をモデル化するためのシミュレーション技術が非常に重要である。

その場観察や数値シミュレーションによる現象の可視化を通じて、アークプラズマから材料に亘る熱・物質輸送現象の本質を解き明かし、次代を切り拓くスマート溶接プロセス技術の開発を目指す。

モンテカルロ法と差分法を組み合わせて溶接金属の凝固組織形成のシミュレーションを実施し、溶融池の凝固挙動と凝固形態に及ぼす溶接条件の影響を予測する。特に、溶接金属のマクロ組織形態（柱状晶成長）をシミュレーションにより明らかにする。また、高温割れの組織形成シミュレーションの概念を溶接部組織予測に拡張するための方策について検討し、溶接多重熱サイクル過程における組織予測シミュレーション技術を開発する。さらに、継手性能確保のための溶接部組織・特性の可視化予測技術の開発を目指し、溶接部の結晶組織予測技術の開発を行う。

実働荷重下での溶接継手の性能は、溶接部における材料の特性だけでなくその不均質性の影響を大きく受け、さらに継手形状や寸法、荷重モードや荷重履歴にも大きく依存する。これらの影響因子をすべて加味し、実溶接継手の耐破壊性能（主として地震荷重、過大荷重、疲労荷重下）を高精度に予測することを目的とした損傷・破壊の数理モデルを構築することを目的に掲げている。本開発手法の特徴は、構造性能を支配する材料特性を明示し、溶接部各部のそれらの特性のみからパラメータを一義的に同定可能な損傷・破壊モデルを構築することにあり、これによって材料特性と実働荷重下での継手性能を相互（インタラクティブ）に関連付けることを目指しているところにある。

凝固・偏析モデルによる高温割れ感受性と力学モデルによる応力・ひずみ解析を対応させ、高温割れの発生モデルを開発する。高温割れの冶金モデルと力学モデルを組み合わせることにより、高温割れ発生を予測する手法を開発するとともに、割れ発生条件および割れ防止策をシミュレーションにより明らかにする。特に、界面要素を用いた溶接部の応力・ひずみ解析を行うとともに、BTR塑性ひずみ、DTR塑性ひずみなど、材料が持つ割れ感受性を反映した力学パラメータを用いて、高温割れ発生・伝播・停止の全過程を予測すること、あるいは、溶接部における割れ発生のハザードマップを提示することを目標とする。

疲労き裂発生起点となりやすい溶接継手接合部では、採用する接合プロセスによって局所域の形状、残留応力、溶接変形、HAZ組織などが様々に変化する。一方、SIP同一拠点内で開発された溶融池形成解析システムでは、溶接姿勢、トーチ角度など種々のプロセス条件と溶接継手ビード形状の影響を評価可能である。

本研究では、世界で唯一、高サイクル疲労現象を高精度に再現可能な繰返し弾塑性モデルを開発し、さらに溶融池形成解析から得られる溶接継手に対する疲労き裂発生寿命を評価可能なシステム構築に取り組んでいる。これまでに、溶接時のトーチねらい位置/傾き角度などの溶接プロセス条件と継手疲労寿命の関係を明らかにするなど、革新的・疲労性能予測システムの開発を進めている。

計測が困難な水素、ボロン、炭素、窒素、酸素といった微量軽元素の分析をイオン加速器(筑波大)や超伝導計測技術（産総研）により可能にし、放射光、イオン加速器、陽電子、マルチスケールナノイメージングの複数の先端計測手法を使って総合解析を行い、課題解決のための指針を出すことを目標とする。

一例として、耐熱特性に大きく影響するB, C, N, Oといった微量軽元素に関して、X線吸収微細構造(XAFS)分光による化学状態分析と、定量マッピングを可能にします。このために、分光結晶を使った波長分散分光と同じ元素選択性能を固体検出器によるエネルギー分散分光で実現しています。

図1．放射光施設(KEK PF)で使用中の微量軽元素分析用超伝導XAFS装置

図2．最高4 eVの分解能による軽元素分析(窒素の例)

航空機材料の強度や耐久性は、内部の析出物やボイドなどナノ組織に強く依存する。通常、こうした析出物やボイドは、透過電子顕微鏡やアトムプローブなどの原子分解能を有する実空間イメージング装置で評価されるが、その視野が限られるため、数密度などの平均情報を正確に得ることは容易ではない。また、こうした測定は、試料をナノスケールの薄片や針状にして行わざるを得ないため、製造プロセス中や使用中の変化を追うことが難しい。そこで、高温環境下あるいは応力場中に置かれた試料を透過したX線/中性子の干渉から、内部の析出物やボイドの数や大きさの微小な変化を逆空間で捉えるナノ構造その場分析装置を開発し、前述の各種実空間イメージング装置と相補的に利用することで、航空機材料の精密な評価を進めている。

図１.高温ステージ

応力ステージ

インコネルの時効処理による超微細析出

陽電子は電子の反物質で，電子と対消滅してγ線を放出する．高分子に入射した陽電子は，サブナノメートルのサイズの空隙中でポジトロニウム（Ps：陽電子と電子の水素様ペア）の状態から消滅する場合がある（図１）．Psが高分子中の空隙（自由体積）に捕獲されると，Psを構成する陽電子は，自由体積内壁の電子と消滅する可能性がある（図２）このため，Psの寿命は空隙（自由体積）のサイズに対応し，その形成率は空隙濃度に影響を受ける（図３）．自由体積は高分子の分子鎖の動きや機械的性質等と密接な関係があるため，これらの現象を研究するためのツールとして陽電子を使用することができる．本計画では，CFRP用樹脂の自由体積評価に陽電子を使用している．

図1．ポジトロニウム（Ps)の性質

図2．自由体積中のPsとピックオフ消滅．

図3．Psの寿命と自由体積を球で近似したときの半径．

構造材料の劣化や亀裂進展の現象理解に必要な以下の３つの観察法を開発・確立。

• (1) 従来法では観察が困難な、密度の近い材料構成中の微細組織の高コントラスト＆高分解能観察
• (2) 組織だけでなく化学状態（元素添加, 劣化等による原子/電子の状態変化）の高い空間分解能での観察
• (3) 破壊の動的観察

(1),(2)により劣化・亀裂の起点や前駆現象を、(3)によりそれらの進展過程を解明する。これにより、CFRPやセラミックスコーティング等の材料系で、材料製造やプロセス制御のための指針を提示する。

構造材料用としては日本初となる新設備：放射光X線吸収分光CT技術(XAFS-CT)の模式図。2016FYに装置導入し、50nm以下の空間分解能で、組織と化学状態の三次元観察を行い、劣化・亀裂の起点観察を行う。

中赤外レーザ超音波法を用いた、CFRPに対する非接触高精度層間はく離計測装置の開発を進めている。波長3.2ミクロン帯の中赤外レーザ光源は、従来のレーザ光源と比べ、CFRPに対し数倍以上の強度の超音波を誘起することができるため、この光源を用いた装置では、従来の装置では計測し得なかった、ミクロサイズのはく離、空孔等の検出や計測を目指している。開発の過程で光源の超音波励起源としての最適化が必要なことから、装置開発による計測を再現するレーザ超音波伝播のコンピュータシミュレーションを行っており、CFRP積層板での超音波の伝播、反射等の様子が再現されている。コンピュータシミュレーションでは材料の計測条件や種類、内部欠陥形状等を、入力パラメータにより変化させ解析を行うことで、計測に有用な様々な情報を容易に得ることができる。この結果を計測条件にフィードバックさせることで、先端計測技術の加速を目指す。

図. 中赤外LUTシステム　CFRP積層板での超音波変位・速度分布　欠陥がある場合の超音波速度波形の変化

高温セラミックス材料の材料基礎特性を明らかにする。そのために、構造・相安定性、力学特性、熱特性を第一原理計算により解析する。その結果をセラミックスコーティングシステムの最適化方針確立のために役立てる。図は第一原理結果により得られたRE₂Si₂O₇の最弱劈開面での電子密度分布を示したものであり、強い共有結合が見て取れる。また図の上下表面において高温実動作環境下での酸素や水蒸気のクラック進展への寄与が示唆される。これらの計算を通じて、熱サイクルにおける構造相変態の有無や、高温酸素や水蒸気のクラック進展への影響、熱応力の理論値を知ることが出来る。これらの結果を実験により見出された現象解明に用いることで、EBCをはじめとするシステムのパフォーマンスの最適化を目指した取り組みの役割の一端を担う。