2015 Fiscal Year Annual Research Report
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
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15J03120
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小西 恭平 大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 究極の短ギャップ溶接 / アークプラズマ現象 / 二温度数値解析モデル / 狭窄ノズル / 熱的ピンチ効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
究極の短ギャップ溶接の実現を目指すにあたり、熱非平衡状態となるアークプラズマ現象を正確に可視化することができる二温度数値解析モデルの構築を行った。まずはプラズマを構成する電子と重粒子(イオンおよび原子)それぞれの物性値について文献調査を行い、質量保存やエネルギー保存に関する方程式を作成した。次にそれらを連立して計算するプログラムを組み立てた。
二温度数値解析モデルを用いた数値シミュレーションから、電離電圧が高く電子およびイオンの数密度が比較的小さくなるヘリウムアークでは、粒子同士の衝突が生じにくく、結果としてプラズマは熱非平衡状態となることがわかった。また、ヘリウムアークに比べ熱平衡状態になりやすいアルゴンアークにおいても、アーク長が短く、溶接電流値が小さくなるとプラズマ内で十分な電離が行われず熱非平衡性が強くなることも明らかとなった。
平成27年度の後半は数値シミュレーションによって研究してきた「狭窄ノズルを装着したティグ溶接」の実験観察を進めた。実験では高分解能を擁した分光器およびハイスピードビデオカメラを用いた分光分析法によるアークプラズマ温度の計測や分割母板法による母材表面における電流密度および熱流束の計測、さらにはデジタルマノメータを用いたアーク圧力の測定を行った。
その結果、狭窄ノズルによってアークプラズマは緊縮する一方で、中心部近傍の10000度を超える高温領域はプラズマの軸方向に拡大していることがわかった。これは狭窄ノズルが誘起する強い熱的ピンチ効果により集中熱源が実現されているからであると考えられ、電子密度および熱流束分布の計測結果からその妥当性が確認された。また、狭窄ノズルを装着したティグ溶接のアーク圧力は従来のそれに比べ上昇しており、強いプラズマジェットが放電を不安定にする金属蒸気の拡散を抑え効率よく排除する役割を担うことが示唆された。
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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
熱非平衡プラズマにおけるアーク現象の解明という目的に対し、計画通りに二温度数値解析モデルの構築を進めることができた。また、数値シミュレーションを行い実験観察と比較することで二温度数値解析モデルの信頼性についても十分に検討することができた。特に今までの熱非平衡状態を仮定したモデルでは解析が困難であったヘリウムティグアークの特徴を二温度数値解析モデルでは捉えることができ、2015年6月に行われた国際会議「68th Annual Assembly of IIW」において有意義な発表を行うことができた。
数値シミュレーションと並行して行う予定であった実験観察によるアーク現象の可視化については、2015年10月に所属している建物の耐震改修に伴う研究室の移転が行われ、研究設備の再セッティングにやや時間がかかったが、その後は極めて順調に進め、信頼性の高い実験データを得ることができた。また、平成27年度初めには計画していなかった溶接電流やシールドガス流量といった溶接条件を変化させた実験計測も行い、今後の研究計画に反映させるべき知見を得た。
平成27年度は国際会議4回、国内学会2回の計6回の研究発表の機会があり、数値シミュレーションや実験計測によって得られた研究成果を存分に発信できた。その結果、国際学術雑誌への論文投稿の推薦を2件受けたが、1件は査読中で、もう一方は今後執筆予定と学術論文による研究発表に関してはやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
二温度数値解析モデルを用いた数値シミュレーションによって究極の短ギャップにおけるアーク現象を解析するためには、熱非平衡プラズマを考慮するだけでなくシース領域における特殊な現象も考慮する必要があると考えられる。そこで、シース領域における物理現象を検討し、現状の二温度数値解析モデルへの適用を目指す。
平成27年度と同様に数値シミュレーションと並行して実験計測によるアプローチも行うが、短ギャップにおいて発生する熱プラズマは今まで以上に計測手法の正確性が求められ、現状の設備では困難である。そこで、計測精度を向上させるため短ギャップ溶接用の実験治具を用意し、実験計測を行う。
平成27年度の研究成果から、狭窄ノズルを装着することによって生じる熱プラズマの緊縮効果は、溶接電流やシールドガス流量といった溶接条件からの影響を受け、変化することがわかった。今後の研究では、狭窄ノズルの効果を明らかにするだけではなく、その効果が溶接条件に対してどのように変化し、どの条件で最も効率の良い溶接が可能となるのかを調べ、産業界への適用を見据えた評価を行う。
また、国際会議や国内学会での研究発表と学術雑誌による研究発表を積極的かつバランスよく行う。
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Research Products
(8 results)
