2016 Fiscal Year Research-status Report
溶融池磁気制御アーク溶接法による溶込み制御に関する研究
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16K06747
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| Research Institution | University of the Ryukyus |
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Principal Investigator |
松田 昇一 琉球大学, 工学部, 准教授 (90390567)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | アーク溶接 / 磁気制御 / 溶け込み制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでの溶融池磁気制御溶接法（ECMP法）の研究は、溶融池に流れる電流に対して、外部磁場を付加することにより発生する反重力方向の電磁力により、ビードの垂れ落ちを防止し、高能率の溶接をすることが主目的であった。本科研課題研究では、これまでとは逆の重力方向に発生する電磁力の積極的な利用を試みる。この重力方向の電磁力により、溶込みが増大し、高品質なTIG溶接を厚板溶接への適用拡大が期待できる。また薄板裏波溶接においては反重力および重力方向の電磁力の分布を最適化することにより、さらなる高品質・高能率な高速溶接が期待できる。
平成28年度は、まず重力方向の電磁力を発生させる電磁石の磁極先端形状の選定および磁極設置位置の最適化をおこなった。重力方向の電磁力を大きくするために外部磁場を大きくした場合、アークも電流の流れであるため、アークには溶接方向への電磁力が発生する。そのためアークは溶接方向に大きく偏向する。その結果母材への入熱が減少し溶接が不安定となる。そこでアークに極力影響を与えず、溶融池に局所的に磁場を付加するような磁極の検討が必要となった。そこで数値解析ソフトを用いて、磁極の先端が先細のモデルを作成し、磁場分布を比較した。その結果より、比較的局所的に磁場を付加できる形状3つのモデルに絞り込んだ。次に実際に磁極先端モデルを製作し実験を行って最終的に１つに絞り込んだ。なお当初は板厚6mmのSUS304の試験片を使用し、溶接電流、磁束密度およびワイヤ加熱電流を変化させて、下向きの電磁力が溶込み深さへ与える影響を調べる予定であったが、電磁力の効果を確認するためには、その都度ビード断面を切断し観察が必要となり、確認に時間を要し、最適な実験条件を検討するには適しなかったため、板厚3mmのSUS304の試験片に替えて、どのパラメータが最も溶け込みに影響するかを調べた。
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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年度は、まず重力方向の電磁力を発生させる電磁石の磁極先端形状の選定および磁極設置位置の最適化をおこなった。アークに極力影響を与えず、溶融池に局所的に磁場を付加させる磁極先端形状の検討のために数値解析ソフトCOMSOL Multiphysicsを用いて、数種類の磁極先端が先細の計算モデル作成し磁場分布を比較した。その結果、磁極先端が先細すぎると磁気飽和が生じ、目的の箇所に必要な磁束密度が得られないことが明らかになった。本計算の磁場分布結果より、比較的局所的に磁場を付加できる形状3つのモデルに絞り込んだ。そして実際に製作し実験を行って最終的に１つに絞り込んだ。なお当初は板厚6mmのSUS304の試験片を使用し、溶接電流、磁束密度およびワイヤ加熱電流を変化させて、下向きの電磁力が溶込み深さへ与える影響を調べる予定であったが、電磁力の効果を確認するためには、その都度ビード断面を切断し観察が必要となり、確認に時間を要し、最適な実験条件を検討するには適しなかったため、板厚3mmのSUS304の試験片に替えて、どのパラメータが最も溶け込みに影響するかを調べた。当初予定の板厚6mmのSUS304の試験片を用いた場合の最適条件とは必ずしも同じではないが、どのパラメータが溶け込みに最も影響するかは同じかと考えられる。さらに薄板の裏波溶接の場合、ビード幅、裏波側のビード高さを比較することで重力方向の電磁力の影響を、比較的簡単に評価できると考えられる。
平成28年度の研究成果は、2017年9月の機械学会年次大会および10月に中国で開かれる予定のWSE & CAWE 2017の国際学会で発表予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度は、磁極形状の最適化および板厚3mmのSUS304の試験片を用いて、どの磁気溶接パラメータが最も溶け込みに影響するかを調べた。平成29年度は前年度の結果を踏まえて実験条件を絞り込んで、当初予定の板厚6mmのSUS304の試験片を用いて、溶融池の流れや温度分布の変化の様子を詳細に観察しながら、溶接電流、磁束密度およびワイヤ加熱電流等のECMP溶接の主要制御パラメータを変化させて、重力方向（下向き）電磁力が溶込み深さへ与える影響を調べ、最適な適用範囲を模索する。その後、アークの前方および後方に添加ワイヤを挿入した、新しい２ワイヤ方式のECMP溶接において、電磁力が溶融金属の流動および最終的なビード形成に及ぼす影響・問題点を検討し、適正溶接条件を決定する。
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| Causes of Carryover |
平成28年度は、現存の2色温度測定法による溶融池の温度測定に加え、新たに赤外線放射温度計や熱電対による温度を行う予定であったが、「現在までの達成度」にも記述したように、当初の厚板での溶け込み制御の最適条件が絞りきれず、薄板での実験にとどまった。そのため高精度な温度測定の前に、最適な溶け込み制御の条件を模索するために、平成29年度に予定していた2ワイヤ方式の新しいECMP溶接を早めに準備および実施するために必要な溶接電源およびワイヤ供給装置を購入した。そのため使用額に差額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成29年度は、前年度購入を予定していた、溶融池の高精度な温度測定に必要な機材の購入および新たな2ワイヤ方式のECMP溶接に必要な治具作成費用等に使用するよていである。
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