Research works

高密度エネルギー源の特性と、その高度制御およびエネルギー輸送の最適化、さらには高密度エネルギー源と材料との相互作用について基礎的研究を行うことにより、高精度・高機能材料加工のための新しい高密度エネルギー源を探求する。特に、溶接、切断、加熱、高温反応、表面被覆、物質合成、複合微粒子創製などにおいて代表的高密度エネルギー源として幅広く応用され、新しく熱プラズマによる材料プロセスという概念を生み出しつつあるアークプラズマの発生、制御および熱輸送現象に関して物理的化学的検討を加える。

画像分光法によるガスメタルアーク溶接における動的プラズマ挙動の実験計測

ガスメタルアーク溶接は、溶着金属となる細系ワイヤを消耗電極として連続的に供給しながら行う溶接法であり、自動化・ロボット化にも適した高能率な溶接法として自動車等の製造業をはじめとした様々な工業分野において利用されています。電極である溶接ワイヤと母材との間に1万℃を超える高温のアークプラズマを発生させ、その熱エネルギーを利用して溶接部および電極を加熱・溶融する溶接法であるため,溶滴の移行を伴います。溶滴移行とは,電極ワイヤが溶融して先端に金属液滴を形成し,重力や電磁気力といった力を受けてワイヤから離脱して溶接部へと移行する現象です。この動的な移行プロセスに伴って流れ方・エネルギー分布・電磁場も変化するため、アークプラズマも動的な挙動を示します。逆に、アークプラズマの温度や流動の変化によって溶滴内への入熱量も変化するので、高品質な溶接を実現するためにはアークプラズマ現象を詳細に理解し、コントロールすることが求められます。私達の研究グループでは、下の写真に示すようにアルゴンプラズマ域とメタルプラズマ域のそれぞれに適した画像分光に基づく温度計測法を適用することでアークプラズマの状態を計測し、溶接プロセスを決定付ける溶滴移行形態とアークプラズマの動的挙動の関係性の解明に取り組んでいます。左下の二図は当計測システムによって得られたアルゴンプラズマの放射光分布および温度分布を、右下の二図はメタルプラズマの放射光分布および温度分布を示しています。アルゴンプラズマはアークの中心付近ではなく、メタルプラズマを覆うように存在していることがわかります。またその温度は最高で約13000℃以上に達しています。メタルプラズマはアーク中心近傍に存在し、その温度は約6200-7200℃と、アルゴンプラズマの温度と比較して低温となっていることも明らかとなってきました。(茂田)

アークプラズマ光学計測システム

           
アルゴンプラズマの放射光分布および温度分布        メタルプラズマの放射光分布および温度分布
関連論文
  • 茂田 正哉, 中西 省太, 田中 学, Anthony B. Murphy:"画像分光法によるガスメタルアーク溶接における動的プラズマ挙動の解析", 溶接学会論文集, 33巻, 2号, (2015), pp. 118-125.「溶接学会論文賞」受賞
  • T. Methong, M. Shigeta, M. Tanaka, R. Ikeda, M. Matsushita, B. Poopat: "Visualization of Gas Metal Arc Welding on Globular to Spray Transition Current",Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 23, No. 1, (2018), pp. 87-94.

    粒子法による溶融池対流現象の数値解析

    溶接中に母材が溶融することで形成される溶融池の対流は溶接部の溶込みの形状を決める重要な現象です。しかしながら,溶融池内部の対流現象は実験観察によって調べることが難しいため、数値シミュレーションによる現象の解明が多く試みられています。 この数値シミュレーションを行う新しい手法として,粒子法が近年注目されています。粒子法は離散化がシンプルであるため現象の数値モデル化が容易であり、また計算格子を用いる手法では解析が難しい大変形を伴う現象のシミュレーションが可能であるといった特長があります。 GMA溶接中の溶接線に沿った断面を計算対象とし、2次元空間でシミュレートした例を示します。左下の図は母材の温度分布を示しており、融点(1750 K)を超えていない固体粒子は灰色で、融点を超え液体となった粒子はその温度によって色付けしています。溶滴の落下開始位置は熱源の中心を示しています。計算結果から、時間の経過と共に熱源が移動し、これに伴って溶融池が後方へ広がりながら余盛を形成するという実際のGMA溶接で見られる現象が再現できていることがわかります。 右下の図は溶滴が落ち、次の溶滴が落ちるまでを一周期とし、アンサンブル平均処理を施した溶融池内部の速度場を示しています。白の破線は熱源の中心位置を示しています。熱源の中心で発生した溶滴が溶融池へ輸送されることによって溶融池内の速度の大きさと向きが時々刻々と変化することがわかります。 粒子法を用いた数値解析モデルは金属の溶融・再凝固を伴う計算も容易に取り扱うことが可能であることが示されています。現在、当研究グループでは溶接プロセスにおける様々な現象に対して粒子法を用いたモデル化を行ており、数値解析による現象の解明に取り組んでいます。(古免)
      
    GMA溶接中の溶融池温度分布および余盛形成過程         アンサンブル平均処理を施した速度場
    関連論文
  • 古免久弥, 茂田正哉, 田中学, 福西祐:"GMA 溶接における溶滴輸送を伴う溶融池対流の非圧縮性 SPH シミュレーション", 溶接学会論文集, 33巻, 4号, (2015), pp. 332-340.
  • Komen, Hisaya, Masaya Shigeta, Manabu Tanaka: "Numerical simulation of molten metal droplet transfer and weld pool convection during gas metal arc welding using incompressible smoothed particle hydrodynamics method", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 121, (2018), pp. 978-985.

    ティグ溶接における金属蒸気輸送現象の解明

    ティグ溶接は、1万度を超える高温のアークプラズマを熱源としたアーク溶接法の一つであり、ものづくりの基幹技術として幅広く利用されています。アーク溶接法では、溶融させた金属や電極の酸化を防ぐためにアルゴンやヘリウムといった不活性ガスをシールドガスとして流します。下の写真はヘリウムガスをシールドガスとしたティグアークプラズマの外観写真を示しています。金属蒸気が発生しない水冷銅上(左図)では赤いヘリウムアークが維持されますが、金属蒸気が発生する場合(右図)では青いアークに変貌してしまいます。この青く発光している領域は金属蒸気の存在を示唆しており、電極側から母材側へとシールドガスが流されているにもかかわらず、金属蒸気が遡上して母材の溶融池表面からアークプラズマや電極まで輸送されているように見えます。このように金属蒸気が輸送されたとき、電気伝導率や放射係数などのプラズマ物性は変化し、電極の消耗量も増大することが知られています。溶接品質を確保するためには、熱源であるアークプラズマだけでなく副産物的に生じる金属蒸気に関しても現象を正確に理解し、コントロールする必要があるのです。本研究室では様々なスペクトルが混在するアークプラズマ中の特定粒子のスペクトルを二次元イメージで捉える"イメージ分光計測"を駆使し、金属蒸気の輸送現象の解明に取り組んでいます。  下図はイメージ分光計測によって得られたヘリウムティグアークプラズマ中の鉄蒸気およびクロム蒸気の発光強度分布です。鉄蒸気もクロム蒸気もアークプラズマ内部を通って、溶融池表面から電極近傍に至るまで分布していることがわかります。また、どちらもアークプラズマ中でイオン化していることが明らかとなりました。つまり、金属蒸気はイオン化し、アーク空間の電界によってシールドガス流に逆らって電極(陰極)まで輸送される可能性が明らかとなってきました。(田中慶吾)

    ヘリウムティグアークプラズマ (左図: 金属蒸気無し, 右図: 金属蒸気有り)


    金属蒸気の発光強度分布 関連論文
  • Keigo Tanaka, Masaya Shigeta, Manabu Tanaka and Anthony B. Murphy: "Investigation of the bilayer region of metal vapor in a helium tungsten inert gas arc plasma on stainless steel by imaging spectroscopy", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 52, No. 35,(2019), 354003.
  • Hunkwan Park, Marcus Trautmann, Keigo Tanaka, Manabu Tanaka and Anthony B. Murphy: "A computational model of gas tungsten arc welding of stainless steel: the importance of considering the different metal vapours simultaneously", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 51, No. 39,(2018), 395202.

    狭窄ノズルを用いたガス流制御によって実現する革新的なティグ溶接の開発

    コンピュータやタブレット端末等の電子デバイスに用いられる板厚の極めて小さい金属材料の溶接に対して高いクオリティと信頼性を有する溶接技術として、狭窄ノズル付きティグ溶接という新たな溶接法が近年提案されました。狭窄ノズル付きティグ溶接ではタングステン電極と標準ガスノズルの間に銅製のノズル(狭窄ノズル)を装着し、シールドガスを内側・外側の層に分けて供給します。ここで、シールドガスの流れを独立して制御することでアークプラズマは緊縮し、ビーム状の集中熱源としての効果が得られます。 我々は狭窄ノズルがアークプラズマ現象に与える影響を明らかにするために、狭窄ノズル付きティグ溶接の数値解析モデルを構築し、数値シミュレーションを行っています。 内側の層に高速のシールドガスを流すことで、その冷却作用により広がりを抑えられたシャープなアークプラズマが得られ、プラズマ温度は従来のティグ溶接に比べ高温となることが示されています。この特長により必要な箇所に必要な量だけエネルギーを投入することが可能となります。また、プラズマ気流の流速も大きく増加し、溶融池から生成する金属蒸気の拡散を抑え、効率よく排除できることも確かめられています。このように狭窄ノズル付きティグ溶接では高エネルギー密度かつ安定したアークプラズマを得ることができ、従来のティグ溶接では困難とされている板厚の極めて小さい金属材料の溶接が実現されます。(小西)
        
    狭窄ノズル付きティグ溶接トーチ           突合せ溶接後の極薄板銅合金(板厚:50 μm)


    アークプラズマの温度分布
    関連論文
    小西 恭平, 茂田 正哉, 田中 学, 村田 彰久, 村田 唯介:"ティグ溶接における狭窄ノズルのアーク現象に及ぼす影響", 溶接学会論文集, 32巻, 2号, (2014), pp. 47-51.

    溶接アーク現象,溶融池現象,および溶接輸送現象解析

    近年の数値解析の進歩は,溶接アーク現象の定量的な理解に大きく貢献している.特に,ガスタングステンアーク溶接では,完成度の高い数値解析モデルが登場し,熱・物質輸送やそれに伴う溶込み形状など,生じる現象を精度よく予測できるまでに至ってきた.しかしながら,ガスメタルアーク溶接では,未だに十分な数値解析モデルがなく,実際の現象に対して矛盾のない解析結果は得られていない.これは,消耗電極である溶接ワイヤ端での溶融,溶滴形成,溶滴離脱,と言った一連の溶滴移行現象が複雑であることと,ワイヤ端で発生する金属蒸気がプラズマ気流によってアークプラズマ中心部に輸送されることにより,アークプラズマの状態が大きく変貌することにある.
     そこで本研究では,複雑な溶滴移行現象のモデル化については避けるものの、ワイヤ端とプラズマのエネルギーバランス、溶滴による溶融池への熱輸送、ならびにワイヤ端での金属蒸気挙動を考慮に加えた、ガスメタルアーク溶接の簡易的な統合モデルを構築し,これを用いて数値計算ミュレーションにより,金属蒸気の影響を受けたアークプラズマがエネルギーバランスや母材への入熱にどのような影響を与えるのかといったガスメタルアーク溶接の熱源特性を検討した.その結果,ワイヤ端から発生した多量の金属蒸気が混入することで放射によるエネルギー損失が大きくなり,アークプラズマ中心部のプラズマ温度が低下することが明らかとなった.また,これの影響によりアークプラズマから母材への入熱密度は,中心から離れた位置において最大値を示すことがわかった.しかしながら,溶滴移行に伴い持ち込まれる入熱や溶融池対流の影響により,溶込みは中心が最も深くなることが示された.(田中)


       
    アークプラズマ温度分布               溶融池の形状および熱流動場
    関連論文
    辻村 吉寛, 田中 学:"数値計算シミュレーションによる金属蒸気挙動を考慮したGMA溶接の熱源特性解析", 溶接学会論文集, 30巻, 1号, (2012), pp. 68-76.

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