３．実験結果と考察 図2に，レーザ照射のみ，攪拌のみ，LMSPの3通りで図2 異なる方法で加工した表面の観察結果 (攪拌時の工具挿入深さ: 30 μm, レーザのピーク出力: 800 W, パルス照射時間: 1.0 ms, パルス照射周波数: 30 Hz, 送り速度: 7.2 mm/s.) な摩擦熱を発生させる必要があるため，微細化が困難な場合がある．一方，LMSPの場合は，FSWのような工具径の制約がないのが特徴である． 図1(b)に，LMSPの実現可能性を検討するために試作した実験装置を示す．レーザ光源としてパルスYAGレーザ（ML-2150A; アマダウエルドテック社（旧アマダミヤチ社）, 神奈川, 日本）を使用した．レーザ波長は1064 nm, 平均出力は25 Wである．ガウス分布の強度を有する．また，レーザヘッドと攪拌工具用スピンドルは，X-Z方向の2軸自動ステージのテーブルに一緒に取り付けてあり，照射位置と攪拌位置が変わらないように工夫してある． さらに，レーザヘッドは，2軸の手動精密ステージを解して，自動ステージに固定してある．加工物法線方向に対して45°傾斜した方向から，材料へレーザを照射する．手動ステージの位置を調節することで，スピット径と照射位置を任意に変更できる． 本報では，スポット径が2 mm，攪拌工具と照射中心位置とが0.5 mmとなるように位置を調整した． 攪拌工具には，右刃右ねじれの超硬エンドミル(直径1.0 mm, 刃長: 4 mm, 刃数: 4, ねじれ角: 30°)を使用した．右刃右ねじれのエンドミルをCW方向へ回転させると，切りくず（材料）は上方向へ排出される．本実験では，工具をCCW方向へ回転させることで，溶融した材料が攪拌中に溶融池から排出させるのを抑制した． FSWでは，工具回転数と送り速度の組み合わせによって，接合部の機械的特性が大きく変化する6)．そのため，今LMSPでも送り速度と工具回転数は加工特性を支配する重要なパラメータであると予想できる．本報告では，LMSPの実現可能性を検討するため，工具回転数は2000 rpmに設定した． 接合する加工材料として，オーステナイト系ステンレス鋼SUS304の薄板（厚さ：100 µm）を使用した．薄板は，浮き上がりを防止するための固定ジグを用いて，X軸方向へ駆動可能な自動ステージ上に固定した． 実験では，まずLMSPの加工原理の検証を行った．1枚の薄板を実験装置に取り付け，①レーザ照射のみ（攪拌なし），② 攪拌のみ（レーザ照射なし） ③ LMSP（レーザ照射と攪拌）の3通りで材料表面を加工した．なお，攪拌時は，いずれも工具を約30 µm挿入した． 次に，レーザ照射条件が加工に及ぼす影響を検討するため，入熱量に大きな影響を及ぼすピーク出力とパルス周波数をそれぞれ3通りに変えて，LMSPによる加工実験をした．加熱位置での入熱量は，レーザ照射条件のほかにも送り速度の影響も受ける．そこで，加工条件を整理するために，オーバラップ率7)を定義した．オーバラップ率は，送り速度，ピーク出力，パルス周波数の関数となる．これが一定となるように，実験条件を変化させた． 最後に，LMSPによる接合を行い，レーザ溶接と比較しながら，接合強度を評価した．2枚のSUS304薄板を重ね合わせて接合を行い，万能試験機（MCT-1150; A&D社, 東京, 日本）を用いて，接合部のせん断強度を測定した． なお，本実験は全て大気中で実施しており，シールドガスは使用していない．また，レーザの出力変動や強度分布が，加工特性に影響を及ぼすと考えられる．これらは，実験や粒子法（SPH法）を用いた数値解析によって，今後検討する予定である． 加工したときの表面を観察した結果を示す．観察には，非接触粗さ測定器（µsurf; Nano focus社, Oberhausen, Germany）を用いた．図中の色スケールは，表面凹凸の高さを表している． 図2(a)に示す攪拌だけを行った場合を見ると，材料表面が工具で削られ，凹みが生じていることがわかる．また，工具をCCW方向へ回転させているため，切削はされず，工具による攪拌が生じている様子が確認できる．一方，図2(b)に示したレーザ照射のみを行った場合を見ると，大きく不均一な隆起が加工部に生じていることがわかる．これは，急激な加熱にともなって，金属蒸気が発生し，その影響によって溶融した材料が隆起・凝固したものと考えられる． − 282 −
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