2014 Fiscal Year Research-status Report
非対称交流磁場を用いた溶融池磁気制御アーク溶接法の適用拡大に関する研究
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25420733
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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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2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 接合 / アーク溶接 / 溶融池磁気制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
溶融池磁気制御アーク溶接法は、外部より磁場を付加することにより、溶融池内に反重力方向の電磁力を発生させ、ビードの重力による垂れ落ちを大幅に低減することができる溶接法である。しかしながら本溶接法の各種条件、特に外部磁場を変化させた場合、アークや溶融池の流動が急激に変化し、安定的に健全なビード形成が難しいが、そのメカニズムは不明な点が多い。
前年度（平成25年度）に、高出力レーザ光源を導入し外部磁場が溶融池に及ぼす変化の様子（メカニズム）が定性的には明らかになったが、流速分布等の定量的な解析が不十分であった。そこで平成26年度はPIV手法を用いて溶融池の流れを定量的に測定するために、溶融池に挿入するトレーサー粒子の選定およびその最適な粒径、数（量）を実験的に調べた。また同条件における溶融池の温度分布を2色温度計測法により詳細に観察した。その結果、溶融池の流れの様子を定量的に評価することができ、その流れ場が温度分布に及ぼす影響等が明らかになった。なおその成果の一部は、「The 16th International Symposium on Flow Visualization:日本、沖縄」および「The 4th East Asia Symposium on Technology of Welding & Joining:中国、西安」で発表した。また「溶接学会誌」に投稿済みである。
非対称交流磁場を付加したときの流れ場の変化の様子も詳細かつ定量的に調べた。その結果、溶融池の流動の変化の様子やその高速度領域と高温度領域が対応することが明らかになった。これらの結果は平成27年度中に学術論文に投稿予定である。
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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26年度計画
(1)集中磁極、非対称交流磁場を用いた下向姿勢溶接実験
前年度（平成25年度）までに、新しい集中磁極と直流磁場を用いた下向姿勢溶接の溶融池の流れ場の可視化実験において、定性的な流れの様子は明らかになったが、定量的な溶融池の流れ場の解析が不十分であった。そこで、平成26年度はPIV手法を用いて溶融池の流れを定量的に測定するために、溶融池に挿入するトレーサー粒子の選定およびその最適な粒径、数（量）を実験的に調べた。その結果、溶融池の流れの様子を定量的に評価することができ、その流れ場が温度分布に及ぼす影響等が明らかになった。なおその成果は、「The 16th International Symposium on Flow Visualization:日本、沖縄」および「The 4th East Asia Symposium on Technology of Welding & Joining:中国、西安」で発表および「溶接学会誌」に投稿済みである。また非対称交流磁場を付加したときの流れ場の変化の様子も詳細かつ定量的に調べた。その結果、溶融池の流動の変化の様子やその高速度領域と高温度領域が対応することが明らかになった。これらの結果は平成27年度中に学術論文に投稿予定である。
(2)集中磁極、非対称交流磁場を用いた上向姿勢溶接実験
集中磁極および非対称交流磁場を用いて、最も難しい溶接法の一つである上向姿勢溶接実験行った。当初予測したように、上向姿勢溶接は下向姿勢の場合と比較して、溶融金属がアーク側に垂れ下がり、アークが母材を溶融するのを阻害したり、磁場を付加した場合、アークが大きく前後に傾き、溶接が不安定となったため、安定した実験が困難であった。そのため本件は、次年度も引き続き行う。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度は、レーザ光源と高速度カメラの配置およびレーザ光源の強度、発振のタイミングと高速度カメラとの同期の最適化を行った。また、溶融池に挿入するトレーサー粒子の選定およびその最適な粒径、数（量）を実験的に調べ、溶接中の溶融池を詳細に観測できるようになった。その結果、溶融池の流れの様子をPIV解析手法により定量的に評価することができた。
そこで平成27年度は、これらの流れ場の解析手法を用いて、本研究の主要目的である非対称交流磁場を用いた場合の、溶融池の流動の変化を定量的に評価する。また前年度と同様にその流れ場の変化が溶融池の温度分布に及ぼす影響を詳細に調べる。なお、非対称交流磁場を用いた場合、溶融池が上下方向に振動するため、溶接組織の微細化も期待できるが、その定量的な評価がまったくできていない。そこで、今年度EBSD等の解析手法を用い定量的な結晶組織の解析をする予定である。また数値解析手法も導入し、解析的に本溶接法の有効性を調べる予定である。
最後に、これらの流れ場や温度場の解析手法を用いて、最も難しい溶接法の一つである、上向姿勢溶接に、非対称交流磁場を適用し、その条件の最適化およびそのメカニズムを詳細に調べる予定である。
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| Causes of Carryover |
平成26年度は、流れの定量的な評価に必要なトレーサー粒子の購入に大半の予算を使用した。残額で試験片（ステンレス板）を数枚購入することもできたが、試験片は僅かな微量成分の違いにより、試験結果に差異が生じる可能性がある。なお生産ロットが異なると同じステンレス板でも僅かに成分が異なる場合がある。そのためなるべく同じロットでまとめて購入したほうが良い。そのため次年度にまとめて同じロットの試験片を購入する予定である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度は本課題研究の最終年であり、多くの実験を行う予定なので、前年度予定したように試験片等の消耗品を購入する予定である。
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