2017 Fiscal Year Research-status Report
三次元発光分光法の開発と非軸対称アークプラズマの熱源特性の解明
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16K06746
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
野村 和史 大阪大学, 工学研究科, 助教 (90397729)
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2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ミグアーク溶接 / プラズマ診断 / 非軸対称プラズマ / 発光分光計測 / トモグラフィ / 溶滴移行 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，複雑な溶接プロセスの熱源特性を捉えるための三次元発光分光法を開発している．アークプラズマの発光分光計測には現象を軸対称と仮定しアーベル逆変換を用いる二次元(r,z)計測が頻繁に用いられている．一方，本研究で開発している計測法は，多方向からの発光情報を元にトモグラフィにより断面発光強度分布を再構成していく三次元的(x,y,z)な計測法であり，非軸対称現象にも適用可能である．これまでの成果として，複数台のカメラと干渉フィルタの組み合わせからなる三次元発光分光計測装置を構築し，TIGアークプラズマやMIGアークプラズマを対象とした，温度と金属蒸気濃度の非軸対称三次元分布を計測することに成功している．ただし，MIGアークにおいては下記の理由からプラズマ全体を評価しきれていなかった．MIGアークは溶滴移行を伴う溶接アーク現象であるが，トモグラフィを行う際に用いた画像再構成手法，ML-EM法では，再構成範囲に溶滴のような遮蔽物の存在を許していない．そのため，移行中の溶滴を含む高さ位置は計測対象とすることができなかったという事情があった．しかし，構築した装置は様々な方向から現象を計測するものであるため，ある検出器からは影になって観察できない領域でも別の検出器からは観察できる．この情報を活かして溶滴を含む断面での再構成を実現するために，再構成面の輝度分布に関数系を当てはめるフーリエベッセル級数を利用した再構成法を導入した．これにより，溶滴が存在する高さ位置も含んだMIGアークプラズマ全体の発光強度分布・温度分布の算出が可能となった．これまでに議論できなかった，複雑な溶接アークプラズマ全体の挙動を本手法によって明らかにすることができると考えられ，経験的にしかデザイン出来ていない様々な溶接手法の物理的理解が広がり，その改良や新プロセスの創出といった展開が期待される．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成28年度に計測結果の定量化（単なる発光強度から温度分布や鉄蒸気濃度への展開）に成功し，平成29年度には遮蔽物のあるプラズマに対するトモグラフィ方法の提案と評価を行った．
トモグラフィは，溶接アークプラズマの放射強度分布を算出する空間分解手法として用いられるが，この手法としてフーリエベッセル級数を用いた画像再構成手法を導入した．そして，仮想強度分布による画像再構成シミュレーションとミグアークプラズマの実験計測においてその適用性を検証した．シミュレーションでは，フーリエベッセル展開は従来用いてきたML-EM法よりも良好な画像再構成結果を示した．また，遮蔽物のある断面での画像再構成も可能であることを示した．
以上全て当初予定どおりである．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究開発を経て，時間変動のない冷却銅板上のTIGアークや，軟鋼ワイヤを用いた溶滴部分をも含むMIGアークを対象とした熱源の特性を三次元的に明らかにすることができた．この後は，実際に産業界からも調査要求のある様々な溶接手法に対して本手法を適用し，これまでに議論できなかった，複雑な溶接アークプラズマ全体の挙動を明らかにしていく．
具体的には，炭酸ガスアーク溶接が挙げられる．炭酸ガスを用いたアーク溶接法は開発から長年経過し，溶接電源や溶接材料の改良によって広く使われるようになっているが，アークプラズマの不安定さなどによってスパッタが多くなるなど使用が困難な場合もある．特に溶接電流が大きくなるとアルゴンガスのような不活性ガスでは見られない反発移行が起こる．この反発移行は炭酸ガスプラズマが溶滴下に集中することによるもので，溶滴は強く押し上げられ離脱が妨げられて肥大化する．これに伴いアークプラズマも不安定で複雑な動きをする．こうした溶滴やアークプラズマの挙動は溶接における熱源特性そのものであるため，この現象を理解することは不安定な炭酸ガスアークプラズマの制御方法の改善などにもつながると考えられる．なお，炭酸ガスアーク溶接を対象とした本研究については，一部既に研究発表済である．
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| Causes of Carryover |
H29年度は解析・シミュレーションを進めることが多かったため，消耗品の購入が少なかった．H30年度に繰り越し，光学部品等の購入費用に当てる予定である．
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