2021 年度実施状況報告書

被溶接体振動によるガスメタルアーク溶接溶込み形状鍋底化への改善とその機構解明

研究課題

研究課題/領域番号	21K04677
研究機関	大阪大学
研究代表者	伊藤和博大阪大学, 接合科学研究所, 教授 (60303856)
研究期間 (年度)	2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード	ガスメタルアーク溶接 / タンデムトーチ / 溶込み形状 / 被溶接体正弦波振動 / 溶融池流体計算 / マランゴニ対流 / 実効入熱
研究実績の概要	高効率な溶接であるダンデムガスメタルアーク溶接(GMAW)での溶込み形状が、アーク直下が深い異方的なフィンガー形状から、被溶接体を正弦波振動させることで鍋底型に変化させられることを初めて見出したことを基に、その機構解明を本研究の目的としている。これまで、溶込み形状の周波数依存性を観察してきたが、市販Flow3Dソフトに溶接条件や物性、特に表面表力の温度依存性を独自に組み込んだサブルーチンにて入力することで、被溶接体振動により実効入熱が低くなり、マランゴニ対流が溶込み形状に大きな影響を及ぼす溶融池温度域になったことが大きかったと考察した。本研究では、振動周波数の変化が実効入熱に与える影響を明らかにし、その変化が溶融池での熱と物質の流れにどのように影響を及ぼすかを、独自サブルーチン組み込み市販Flow3Dソフトを用いて再現計算した。その結果、振動有りにより、実効入熱が減少し、マランゴニ対流が影響を及ぼす溶融池温度域になり、溶融池の広がりと、溶融池での熱と物質の流れに大きな違いがでたこと、周波数変化により実効入熱量も変化し、溶融池での熱と物質の流れのその影響を受けていることを再現できた。実効入熱は周波数により変化していた。その実効入熱量の変化により溶融池内の温度変化域を変え、その変域と表面張力微分値の温度変化の重なりによりマランゴニ対流の影響が異なり、それが溶接止端部方向への流れに影響して溶込み形状変化に繋がると明らかになった。その形状変化と周波数との関係については更なる考察が必要である。タンデムトーチ配置と溶接方向に対して平行と垂直、振動方向も溶接方向に対して平行と垂直とした計4つの組合せにて、溶込み形状の振動数依存性を観察した。例えば、トーチ配置と溶接方向とを垂直にすると、各トーチ直下に個別の溶込みが生じる。振動ありでは個別の溶込みが融合し一様ななべ底状に近づいていた。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由 1「正弦波振動による溶込み形状変化に最適な振動条件がある(共振現象？)」独自サブルーチンを組み込んだ市販Flow3Dソフトを用いたタンデムGMAW再現計算を発展させ、複数周波数，50，250，450 Hzにて熱と物質の流れの計算を試みた。各振動条件下では、振動周波数が増加すると振動変位と最大速度は減少し、振動周波数と最大速度の振動変位に対する増減は逆の傾向を示す。Flow3Dソフトを用いた再現計算では、これら物理的な振動より、振動による実効入熱量の違いが溶込み形状の違いに影響を与えていた。タンデムGMAW実験の実効溶接電流値の波形から平均的なベース電流値とパルス電流値を読み出し、Flow3Dソフトを用いた再現計算に入力し、熱と物質の流れの再現を試みた。溶融池表面の溶込み境界は、振動無しでは先行電極から後方電極にかけて広がり、その広がりは直線的に大きくなる一方、振動有りでは先行電極側に広がりが膨らむ境界となっていた。一方、溶融温度となる高い温度は、振動無しでは後方電極の直後までの広がりだったが、振動有りではより後方まで広がり、その広がりは振動数の増加に伴って増加していた。これは、振動数の増加により実効入熱量が増加することに由来すると考えられる。特定位置での溶込み形状の時間変化を観察すると、振動無しでは中心部で下方向と溶接止端部方向への熱や物質の流れが独立していてフィンガー形状の溶込みになるのが分かる。振動有りでは、溶接止端部へ流れる流れが中心部の下へ潜り込む流れとなり、なべ底状の形状に近づいていた。この中心部の下へ潜り込む流れに振動数の影響が見られるが、詳細は分析中である。 2「タンデムトーチ配置と溶接方向との関係が与える影響」タンデムトーチ配置と溶接方向に対して平行と垂直、振動方向も溶接方向に対して平行と垂直とした計4つの組合せにて、溶込み形状の振動数依存性を観察した。
今後の研究の推進方策	独自サブルーチンを組み込んだ市販Flow3Dソフトを用いて、複数周波数，50，250，450 HzにてタンデムGMAWでの溶融池での熱と物質の流れの再現計算を試みた。これまでの研究結果を基にした、マランゴニ対流による溶込み形状の変化、そのマランゴニ対流の変化は溶融池の温度変化域に依存し、それは被溶接体の正弦波振動による実効入熱の変化に依存しているという仮説を検証する。表面張力の温度変化を入力しているため、各周波数での計算結果から取り出した溶融池温度での表面張力の温度変化が正、負、どのあたりに存在しているかで溶融池断面内での物質の流れを予測し、その流れと再現計算での結果が一致しているか、つまり溶融池内の物質の流れはマランゴニ対流におおきな影響を受けているかを１つ１つ検証する。その上で、溶融池内のマランゴニ対流と溶込み形状との関係について考察を行い、溶込み形状の周波数依存性の根本を明らかにする。各周波数での特定位置、特定時間での熱と物質の流れの詳細を図解するのも地味で大変な作業であるが、これを１つ１つ確認していく。タンデムトーチ配置と溶接方向との組合せによる、溶込み形状の変化を明らかにする試験片断面観察と、物質の移動を示唆するSi濃度分布(物質の移動に依存した偏析)のEPMA観察を継続して行う。通常のトーチ配置が溶接方向に平行な場合と比較して、マランゴニ対流が溶接止端方向への熱と物質の流れを増やすのであれば、概要に記載したように、トーチ配置と溶接方向とが垂直の関係の時に、各トーチ直下の個別の溶込みが被溶接体の正弦波振動により融合した様ななべ底状に変化した変化が確認できると考えられる。得られた特徴を計算にて再現できるか、現状仮定しているマランゴニ対流の変化により、同様に溶込み形状が決定されているかを検証する。