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スマートアーク溶接への技術革新を誘起する数値解析モデルの確立

研究課題

研究課題/領域番号 15J03120
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 複合材料・表界面工学
研究機関大阪大学

研究代表者

小西 恭平  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2015-04-24 – 2018-03-31
研究課題ステータス 完了 (2017年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2017年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2016年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード究極の短ギャップ溶接 / アークプラズマ / 狭窄ノズル / 緊縮効果 / ガス流制御 / 金属蒸気 / 二温度数値解析モデル / 高エネルギー密度化 / 電子放出 / 電極現象 / アークプラズマ現象 / 熱的ピンチ効果
研究実績の概要

究極の短ギャップ溶接を可能とするスマートアーク溶接法の実現を見据え、数値シミュレーションにおいてシールドガスの種類をアルゴンからヘリウムに変更して各々の熱源特性を明確にした。また、アルゴンアークについてアーク電流を変化させた場合の計算を行い、アークプラズマの緊縮効果の変動を検討した。狭窄ノズルの効果はアルゴンアークで顕著であるのに対してヘリウムアークではとても小さいことが明らかとなった。これはヘリウムの熱伝導率が高いためアークプラズマ中心部から外縁部に熱拡散が生じやすいためである。狭窄ノズルによるアークプラズマの緊縮効果はアークプラズマの体積が比較的小さい低電流アークにおいて高くなることがわかった。
また、アーク電流が150Aの場合において母材への熱流束がほぼ等しくなるアルゴンを用いた狭窄ティグ溶接とヘリウムを用いた従来ティグ溶接に対し、電極温度と電極消耗の比較や金属蒸気の掃き出し性能についての比較を行い、狭窄ノズルを用いたガス流制御が有する溶接プロセスとしての優位性について検討した。電極温度は電極の消耗速度に大きく影響しており、アルゴンを用いた狭窄ティグ溶接ではヘリウムを用いた従来ティグ溶接に比べてアーク放電中の電極温度が低いため電極消耗が抑えられ長時間安定したアーク放電が維持できることが明らかとなった。母材をステンレス鋼とした場合、溶融池から発生する金属蒸気の効率的な排除が必要とされるが、アルゴンを用いた狭窄ティグ溶接を用いることで金属蒸気は拡散を抑制されながらアークプラズマ外部へと掃き出されることがわかった。このように狭窄ティグ溶接はガス流を制御することでアークプラズマを緊縮させアーク溶接熱源特性を向上するだけでなく、電極消耗の軽減や金属蒸気の効率的な掃き出しを可能とすることで溶接部の高品質化や生産効率の向上を実現する働きも兼ね備えていることが明らかとなった。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 2015 実績報告書
  • 研究成果

    (30件)

すべて 2018 2017 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 12件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] 狭窄ノズルを用いたティグ溶接におけるシールド性の実験的検討2018

    • 著者名/発表者名
      三木 聡史, 小西 恭平, 茂田 正哉, 田中 学, 村田 彰久, 村田 唯介
    • 雑誌名

      溶接学会論文集

      巻: 36 号: 1 ページ: 21-25

    • DOI

      10.2207/qjjws.36.21

    • NAID

      130006321331

    • ISSN
      0288-4771, 2434-8252
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ティグ溶接中の電極における添加物の動的挙動シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      小西 恭平, 田中 学, 茂田 正哉, 石田 和也, 黒川 顕稔, 瀧田 朋広, 中林 誠治, 辻 あゆ里
    • 雑誌名

      溶接学会論文集

      巻: 35 号: 2 ページ: 73-84

    • DOI

      10.2207/qjjws.35.73

    • NAID

      130005679514

    • ISSN
      0288-4771, 2434-8252
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] サブマージアーク溶接現象のモデル化とその熱源特性に関する実験的検討2017

    • 著者名/発表者名
      古免 久弥, 松井 翔, 小西 恭平, 茂田 正哉, 田中 学, 加茂 孝浩
    • 雑誌名

      溶接学会論文集

      巻: 35 号: 2 ページ: 93-101

    • DOI

      10.2207/qjjws.35.93

    • NAID

      130005815257

    • ISSN
      0288-4771, 2434-8252
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] アルミニウム溶接における狭窄ティグアークの熱源特性解析2017

    • 著者名/発表者名
      小西恭平, 茂田正哉, 田中学, 村田彰久, 村田唯介, Anthony B. Murphy
    • 雑誌名

      軽金属溶接

      巻: 55 号: 6 ページ: 227-231

    • DOI

      10.11283/jlwa.55.227

    • NAID

      130005917377

    • ISSN
      0368-5306, 2186-618X
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書 2016 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Numerical study on thermal non-equilibrium of arc plasmas in TIG welding process using a two-temperature model2017

    • 著者名/発表者名
      k. konishi, M. Shigeta, A. Murata, T. Murata, A. B. Murphy, M. Tanaka
    • 雑誌名

      Welding in the world

      巻: 61 ページ: 197-207

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] ティグ溶接中の電極における添加物の動的挙動シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      小西恭平, 田中学, 茂田正哉, 石田和也, 黒川顕稔, 瀧田朋広, 中林誠治, 辻あゆ里
    • 雑誌名

      溶接学会論文集

      巻: 「採録決定済」

    • NAID

      130005679514

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Numerical analysis of smart welding process considering electrode phenomena2017

    • 著者名/発表者名
      Kyohei Konishi, Masaya Shigeta, Manabu Tanaka, Akihisa Murata, Tadasuke Murata, Anthony B. Murphy
    • 学会等名
      International Welding & Joining Conference Korea 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Computational analysis of arc phenomena during GTA welding with a constricted nozzle2017

    • 著者名/発表者名
      Kyohei Konishi, Masaya Shigeta, Manabu Tanaka, Akihisa Murata, Tadasuke Murata, Anthony B. Murphy
    • 学会等名
      The 7th International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A Numerical Model Considering Dynamic Interaction Between Tungsten Electrode and Arc Plasma for TIG Welding Process2017

    • 著者名/発表者名
      Kyohei Konishi, Manabu Tanaka, Masaya Shigeta, Tomohiro Takida, Seiji Nakabayashi, Ayuri Tsuji
    • 学会等名
      70th Annual Assembly of International Institute of Welding (IIW)
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ティグ溶接時のタングステン電極における添加物の蒸発・拡散現象の可視化2017

    • 著者名/発表者名
      小西恭平,田中学,茂田正哉,瀧田朋広,中林誠治,辻あゆ里
    • 学会等名
      第239回溶接法研究委員会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ティグ溶接におけるタングステン電極の消耗現象の可視化2017

    • 著者名/発表者名
      小西恭平,田中学,茂田正哉,黒川顕稔,瀧田朋広,中林誠治,辻あゆ里
    • 学会等名
      鉄鋼協会第174回秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ティグ溶接におけるタングステン電極現象とアークプラズマ現象の連成数値シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      小西恭平,田中学,茂田正哉,黒川顕稔,瀧田朋広,中林誠治,辻あゆ里
    • 学会等名
      溶接学会平成29年度秋季全国大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Visualization of arc phenomena during TIG welding with a constricted nozzle2017

    • 著者名/発表者名
      Kyohei Konishi, Manabu Tanaka, Masaya Shigeta, Akihisa Murata, Tadasuke Murata
    • 学会等名
      The 3rd International Workshop on Welding and Joining 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 大気圧アーク放電の電極内電子エミッターの挙動予測2017

    • 著者名/発表者名
      小西恭平,田中学,茂田正哉,黒川顕稔,瀧田朋広,中林誠治,辻あゆ里
    • 学会等名
      スマートプロセス学会2017年秋季総合学術講演会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 高エネルギー密度化によって極薄板溶接を実現するティグアーク熱源の可視化2016

    • 著者名/発表者名
      小西 恭平
    • 学会等名
      スマートプロセス学会秋季総合学術講演会
    • 発表場所
      大阪大学 吹田キャンパス, 大阪府
    • 年月日
      2016-11-21
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Visualization for arc phenomena of constricted TIG arcs by a two-temperature model analysis2016

    • 著者名/発表者名
      kyohei KONISHI
    • 学会等名
      Visual-JW2016
    • 発表場所
      Hotel Hankyu Expo Park, Osaka
    • 年月日
      2016-10-17
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二温度数値解析モデルによる狭窄ノズルがティグアーク現象に与える影響の可視化2016

    • 著者名/発表者名
      小西 恭平
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第172回秋季講演大会
    • 発表場所
      大阪大学 豊中キャンパス, 大阪府
    • 年月日
      2016-09-23
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 二温度数値解析モデルを用いた狭窄ティグアークの熱源特性シミュレーション2016

    • 著者名/発表者名
      小西 恭平
    • 学会等名
      溶接学会平成28年度秋季全国大会
    • 発表場所
      HOTEL 天坊, 群馬県
    • 年月日
      2016-09-15
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Two-temperature modeling for understanding of arc phenomena during TIG welding with a constricted nozzle2016

    • 著者名/発表者名
      kyohei KONISHI
    • 学会等名
      The 6th East Asia Symposium on Technology of Welding and Joining
    • 発表場所
      Incheon, Korea
    • 年月日
      2016-09-09
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical analysis of arc phenomena during TIG welding with a constricted nozzle by using a two-temperature model2016

    • 著者名/発表者名
      kyohei KONISHI
    • 学会等名
      69th Annual Assembly of International Institute of Welding (IIW)
    • 発表場所
      Melbourne, Australia
    • 年月日
      2016-07-11
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of a constricted nozzle on plasma properties and heat transfer in TIG arc2016

    • 著者名/発表者名
      kyohei KONISHI
    • 学会等名
      6th Welding Research and Collaboration Colloquium
    • 発表場所
      Hyderabad, India
    • 年月日
      2016-04-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Study on arc plasma properties during TIG welding with a constricted nozzle2016

    • 著者名/発表者名
      Kyohei KONISHI
    • 学会等名
      IIW Joint Intermediate meeting of Comm. I, IV, XII and SG212
    • 発表場所
      Genova, Italy
    • 年月日
      2016-03-07
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Analysis of TIG Arc Phenomena Considering non-LTE Plasma2015

    • 著者名/発表者名
      Kyohei KONISHI
    • 学会等名
      6th International Conference on Welding Science and Engineering (WSE2015)
    • 発表場所
      Beijing, China
    • 年月日
      2015-09-21
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二温度数値解析モデルによる溶接アーク現象の可視化2015

    • 著者名/発表者名
      小西 恭平
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第170回秋季講演大会
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2015-09-17
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] プラズマの熱非平衡性を考慮した数値解析によるTIGアーク熱源特性の解明2015

    • 著者名/発表者名
      小西 恭平
    • 学会等名
      溶接学会平成27年度秋季全国大会
    • 発表場所
      北海道工科大学
    • 年月日
      2015-09-02
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Two-temperature model analysis of non-LTE arc plasma2015

    • 著者名/発表者名
      Kyohei KONISHI
    • 学会等名
      68th Annual Assembly of International Institute of Welding (IIW)
    • 発表場所
      Helsinki, Finland
    • 年月日
      2015-06-30
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Analysis of Arc Plasma in TIG Welding with an Additional Gas Nozzle2015

    • 著者名/発表者名
      Kyohei KONISHI
    • 学会等名
      ASME-ATI-UIT 2015 Conference on Thermal Energy Systems
    • 発表場所
      Napoli, Italy
    • 年月日
      2015-05-18
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 大阪大学接合科学研究所ホームページ

    • URL

      http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/index.jsp

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書 2015 実績報告書
  • [備考] 田中・茂田・田代 研究室ホームページ

    • URL

      http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/~dpt1/index.html

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [備考] 田中・茂田・田代 研究室ホームページ

    • URL

      http://www.jwri.osaka-u.ac.jp/~dpt1/#

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書

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公開日: 2015-11-26   更新日: 2024-03-26  

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