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副産物的に生じる金属蒸気を利用した新時代の機械化アーク溶接技術の確立

研究課題

研究課題/領域番号 20J13790
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
審査区分 小区分18020:加工学および生産工学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

田中 慶吾  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
1,900千円 (直接経費: 1,900千円)
2020年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワードアーク溶接 / アークプラズマ / 金属蒸気 / 分光計測 / 電極消耗
研究開始時の研究の概要

本研究では、ビッグデータと科学に裏付けされたデータを融合させた新時代の機械化アーク溶接プロセスの確立を目的とする。達成するために、「溶融金属から副産物的に生じる金属蒸気こそがアーク溶接現象を実質的に支配している」という観点から、アーク溶接中において金属蒸気によって誘起される諸現象のメカニズムを解明する。また、計測・解析によって得られる情報をデータベース化する。そして、溶接施工中の金属蒸気をモニタリングするだけで、科学に裏付けされた溶込み形状をAI技術によって予測できるシステムの構築を目指す。

研究実績の概要

ビッグデータと科学に裏付けされたデータを融合させた新時代の機械化アーク溶接プロセスの確立を目指し、「溶融金属から副産物的に生じる金属蒸気こそがアーク溶接現象を実質的に支配している」という観点から、今年度はアーク溶接中において金属蒸気によって誘起される諸現象のメカニズムの解明を試みた。
純金属上でのヘリウムティグアークプラズマを対象とした画像分光分析による計測を実施し、鉄蒸気とクロム蒸気ではプラズマ内での過渡的な輸送過程が異なることを明らかにした。これは正味放射係数の大きいクロム蒸気がプラズマを十分に冷却したことで拡散しやすくなったためだと考えられた。また、バンドパスフィルターを備えた高速度カメラを用いた溶接中のタングステン電極表面観察によって、時間経過に伴い電極一部に凸型の変形が生じることが明らかになった。溶接後の電極断面に対して元素濃度マッピングを実施した結果、凸型の変形部はタングステンと被溶接材由来の金属種によって構成されており、輸送された金属蒸気が電極表面一部に堆積することが明らかとなった。ここで、堆積した金属蒸気は溶融し、電極内部へと拡散することで電極表層のタングステン濃度を低下させていた。これは電極表層の融点低下を引き起こしており、結果として金属蒸気の堆積だけでなくタングステン電極の溶融も生じ、電極一部が凸型に変形していったと考えられた。一方、溶融池が形成されない溶接条件において、タングステン電極周囲に傘状の発光領域が出現するときがあった。そこで発光分光分析を実施し、電極周囲に出現する傘状の発光領域はタングステンではなく、電極消耗を抑制させている電極内添加物の蒸気による発光であることが明らかとなった。したがって、輸送される金属蒸気や電極周囲に出現する傘状の発光領域から、アーク放電の起点となっている電極の寿命を予測できる可能性が示唆された。

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

報告書

(1件)
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (13件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 2件、 査読あり 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] オーストラリア連邦科学産業研究機構 (CSIRO)(オーストラリア)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [雑誌論文] Electrode contamination caused by metal vapour transport during tungsten inert gas welding2021

    • 著者名/発表者名
      Keigo Tanaka, Masaya Shigeta, Hisaya Komen & Manabu Tanaka
    • 雑誌名

      Science and Technology of Welding and Joining

      巻: 26 号: 3 ページ: 258-263

    • DOI

      10.1080/13621718.2021.1893024

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigation of transient metal vapour transport processes in helium arc welding by imaging spectroscopy2020

    • 著者名/発表者名
      Keigo Tanaka, Masaya Shigeta, Manabu Tanaka, Anthony B. Murphy
    • 雑誌名

      Journal of Physics D: Applied Physics

      巻: 53 号: 42 ページ: 425202-425202

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ab9ce4

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Modelling and measurements of gas tungsten arc welding in argon-helium mixtures with metal vapour,2020

    • 著者名/発表者名
      Junting Xiang, Keigo Tanaka, Fiona F. Chen, Masaya Shigeta, Manabu Tanaka, Anthony B. Murphy
    • 雑誌名

      Welding in the World

      巻: 65 号: 4 ページ: 767-783

    • DOI

      10.1007/s40194-020-01053-4

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] The Relation Between TIG Electrode Consumption and a Light Emitting Region near Electrode2020

    • 著者名/発表者名
      Keigo Tanaka、Masaya Shigeta、Manabu Tanaka、Anthony B. Murphy
    • 学会等名
      73rd International Institute of Welding (IIW) Annual Assembly and International
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ティグ溶接における電極近傍の発光領域と電極消耗の関係2020

    • 著者名/発表者名
      田中慶吾、茂田正哉、田中学、Anthony B. Murphy
    • 学会等名
      第251回溶接法研究委員会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 母材からの金属蒸気輸送に起因するティグ電極消耗メカニズムの解明2020

    • 著者名/発表者名
      田中慶吾、茂田正哉、田中学
    • 学会等名
      一般社団法人溶接学会 2020年度秋季全国大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 母材からの金属蒸気輸送によるティグ電極の温度上昇因子の調査2020

    • 著者名/発表者名
      田中慶吾、茂田正哉、田中学
    • 学会等名
      一般社団法人溶接学会 2020年度秋季全国大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] ティグ溶接中の電極近傍における発光元素の同定2020

    • 著者名/発表者名
      飯田健太、田中慶吾、茂田正哉、田中学
    • 学会等名
      一般社団法人溶接学会 2020年度秋季全国大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] タングステン電極の消耗予測に向けた電極近傍における発光メカニズムの解明2020

    • 著者名/発表者名
      田中慶吾、茂田正哉、田中学
    • 学会等名
      一般社団法人日本鉄鋼協会 第180回秋季講演大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Identification of Light Emitting Elements near Electrode During TIG Welding2020

    • 著者名/発表者名
      Keigo Tanaka、Masaya Shigeta、Manabu Tanaka、Anthony B. Murphy
    • 学会等名
      Seventeenth International Conference on Flow Dynamics (ICFD 2020)
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ティグ溶接における電極近傍での発光メカニズムの解明2020

    • 著者名/発表者名
      田中慶吾、茂田正哉、田中学
    • 学会等名
      一般社団法人スマートプロセス学会 2020年度学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [備考] 大阪大学 接合科学研究所 エネルギー制御学分野 田中研究室

    • URL

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

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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