厚鋼板の安定な低入熱1パス溶接のための高性能プラズマミグハイブリッド溶接法の開発

开发高性能等离子 MIG 复合焊接方法，实现厚钢板稳定、低热输入单道焊接

• 批准号: 21K04710
• 负责人: 田代 真一
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04710/
• 关键词: プラズマ溶接; ミグ溶接; キーホール; アーク間干渉; 分光計測; プラズマミグハイブリッド溶接法; 厚鋼板; 低入熱; 1パス溶接

本申請課題では厚鋼板の低入熱1パス溶接実現に向けた高性能プラズマミグハイブリッド溶接法を開発する。本溶接法ではプラズマアークとミグアーク間に電磁的な干渉が生じ、これがキーホール安定性及び溶融池形成に強い影響を及ぼす。そこで理論・実験の両面から当該現象の定量的解析を行い、その影響と原理を解明することを目的としている。また、溶接品質向上のため外部磁場を用いたアーク間干渉の制御技術の開発についても併せて行う。2022年度は主に数値シミュレーションを通じて、プラズマアークとミグアーク間に電磁的な干渉が発生するメカニズム、及びこれがキーホール安定性及び溶融池形成に及ぼす影響とその原理の解明を行った。アーク間の電磁的な干渉は、アークからもたらされる圧力や運動量、質量、入熱等の分布を時間的に大きく変貌させ、アーク・キーホール・溶融池の熱的・力学的相互作用に決定的な影響を与え、キーホール安定性や溶融池形成を支配するものと考えられる。プラズマミグハイブリッド溶接の数値シミュレーションモデルを開発し、これを用いて溶融池内の熱輸送プロセスを検討した結果、主にプラズマ溶接とミグ溶接のプラズマ流が引き起こすせん断力により、溶融池には複数の大規模な渦が形成されることがわかった。特にミグ溶接にパルス電流を用いた場合、アーク間干渉の影響が小さくなることから、ミグワイヤから溶融池へともたらされる高温の溶滴はキーホール背後の渦に移行し、移流により母材裏面側へと輸送され、溶込みを大幅に増加させることが明らかとなった。

在本应用项目中，我们将开发一种高性能等离子MIG复合焊接方法，实现厚钢板的低线能量单道焊接。在这种焊接方法中，等离子弧和MIG弧之间会发生电磁干扰，严重影响小孔稳定性和熔池形成。因此，我们旨在从理论和实验的角度定量分析这一现象，并阐明其影响和原理。此外，我们还将开发利用外部磁场控制电弧干扰的技术，以提高焊接质量。 2022财年，我们主要通过数值模拟，阐明了等离子弧和MIG弧之间的电磁干扰机制、对小孔稳定性和熔池形成的影响及其背后的原理。电弧之间的电磁干扰会随着时间的推移极大地改变电弧带来的压力、动量、质量、热输入等的分布，并且对于电弧、小孔和熔池之间的热和机械相互作用具有决定性作用。对小孔稳定性和熔池形成有显着影响。通过建立等离子MIG复合焊数值模拟模型，并用其研究熔池内的传热过程，我们发现熔池存在多个大尺度剪切力，主要是由等离子焊的等离子流引起的和MIG焊发现形成了大范围的涡流。特别是，当采用脉冲电流进行MIG焊接时，电弧间干扰的影响减小，因此从MIG焊丝带入熔池的高温熔滴向小孔后面的涡流运动，并由于平流作用，它们移动到基底金属的背面。事实证明，这种方法可以显着提高渗透力。

项目成果

Observation of Microstructure and Mechanical Properties in Heat Affected Zone of As-Welded Carbon Steel by Using Plasma MIG welding Process

等离子MIG焊工艺观察碳钢焊态热影响区的显微组织和力学性能

• DOI: 10.3390/met12020315
• 发表时间: 2022
• 期刊: metals
• 影响因子: 2.9
• 作者: Sarizam Mamat;Nur Azmina Sidek;Nur Aina Aqilah Mohd Afandi;Rose Alifah Ellyana Roslan;Teo Pao Ter;Toshifumi Yuji;Shinichi Tashiro* and Manabu Tanaka
• 通讯作者: Shinichi Tashiro* and Manabu Tanaka

3D spectroscopic measurement of plasma temperature and metal vapor concentration in plasma-MIG hybrid welding process

等离子-MIG 混合焊接过程中等离子温度和金属蒸气浓度的 3D 光谱测量

• 发表时间: 2021
• 作者: Kazuya Ishida;Shinichi Tashiro;Kazufumi Nomura;Dongsheng Wu;Manabu Tanaka
• 通讯作者: Manabu Tanaka

Physical mechanism of material flow in variable polarity plasma arc keyhole welding revealed by in situ x-ray imaging

原位X射线成像揭示变极性等离子弧小孔焊接材料流动的物理机制

• DOI: 10.1063/5.0036587
• 发表时间: 2021
• 期刊: Physics of Fluids
• 影响因子: 4.6
• 作者: Bin Xu;Shujun Chen;Shinichi Tashiro;Fan Jiang;Manabu Tanaka
• 通讯作者: Manabu Tanaka

Dynamic vapor and keyhole behavior, and equiaxed dendrite formation in blue laser processing of copper

铜蓝色激光加工中的动态蒸气和小孔行为以及等轴枝晶形成

• DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124102
• 发表时间: 2022
• 期刊: International Journal of Heat and Mass Transfer
• 影响因子: 5.2
• 作者: Dongsheng Wu;Junhao Sun;Zhuguo Li;Shinichi Tashiro;Anthony B. Murphy;Ninshu Ma;Manabu Tanaka;Jian Huang;Ke Feng;Changqing Liu;Wei Jiao
• 通讯作者: Wei Jiao

Elucidation of arc coupling mechanism in plasma-MIG hybrid welding process through spectroscopic measurement of 3D distributions of plasma temperature and iron vapor concentration

• DOI: 10.1016/j.jmapro.2022.04.002
• 发表时间: 2022-05
• 期刊: Journal of Manufacturing Processes
• 影响因子: 6.2
• 作者: K. Ishida;S. Tashiro;K. Nomura;Dongsheng Wu;Manabu Tanaka