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

建立诱导智能弧焊技术创新的数值分析模型

• 批准号: 15J03120
• 负责人: 小西 恭平
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J03120/
• 关键词: 究極の短ギャップ溶接; アークプラズマ; 狭窄ノズル; 緊縮効果; ガス流制御; 金属蒸気; 二温度数値解析モデル; 高エネルギー密度化; 電子放出; 電極現象; アークプラズマ現象; 熱的ピンチ効果

究極の短ギャップ溶接を可能とするスマートアーク溶接法の実現を見据え、数値シミュレーションにおいてシールドガスの種類をアルゴンからヘリウムに変更して各々の熱源特性を明確にした。また、アルゴンアークについてアーク電流を変化させた場合の計算を行い、アークプラズマの緊縮効果の変動を検討した。狭窄ノズルの効果はアルゴンアークで顕著であるのに対してヘリウムアークではとても小さいことが明らかとなった。これはヘリウムの熱伝導率が高いためアークプラズマ中心部から外縁部に熱拡散が生じやすいためである。狭窄ノズルによるアークプラズマの緊縮効果はアークプラズマの体積が比較的小さい低電流アークにおいて高くなることがわかった。また、アーク電流が150Aの場合において母材への熱流束がほぼ等しくなるアルゴンを用いた狭窄ティグ溶接とヘリウムを用いた従来ティグ溶接に対し、電極温度と電極消耗の比較や金属蒸気の掃き出し性能についての比較を行い、狭窄ノズルを用いたガス流制御が有する溶接プロセスとしての優位性について検討した。電極温度は電極の消耗速度に大きく影響しており、アルゴンを用いた狭窄ティグ溶接ではヘリウムを用いた従来ティグ溶接に比べてアーク放電中の電極温度が低いため電極消耗が抑えられ長時間安定したアーク放電が維持できることが明らかとなった。母材をステンレス鋼とした場合、溶融池から発生する金属蒸気の効率的な排除が必要とされるが、アルゴンを用いた狭窄ティグ溶接を用いることで金属蒸気は拡散を抑制されながらアークプラズマ外部へと掃き出されることがわかった。このように狭窄ティグ溶接はガス流を制御することでアークプラズマを緊縮させアーク溶接熱源特性を向上するだけでなく、電極消耗の軽減や金属蒸気の効率的な掃き出しを可能とすることで溶接部の高品質化や生産効率の向上を実現する働きも兼ね備えていることが明らかとなった。

为了实现最终实现短间隙焊接的智能电弧焊方法，我们在数值模拟中将保护气体的类型从氩气改为氦气，并明确了每种热源的特性。此外，还对改变电弧电流时的氩弧进行了计算，研究了电弧等离子体收缩效应的变化。很明显，收缩喷嘴的影响在氩弧中非常显着，但在氦弧中非常小。这是因为氦气的热导率高，因此热扩散容易从电弧等离子体的中心向外边缘发生。研究发现，在电弧等离子体体积相对较小的低电流电弧中，收缩喷嘴对电弧等离子体的收缩效果较高。此外，我们还比较了使用氩气的收缩TIG焊接和使用氦气的传统TIG焊接的电极温度、电极磨损和金属蒸汽扫掠性能，当电弧电流为150A时，到达母材的热通量几乎相等。并研究了使用收缩喷嘴作为焊接工艺的气流控制的优越性。电极温度对电极磨损率影响很大，在使用氩气的狭窄TIG焊接中，电弧放电时的电极温度比使用传统氦气的TIG焊接低，因此抑制了电极磨损，并且工艺过程长期稳定。很明显可以维持电弧放电。当母材为不锈钢时，需要有效地除去熔池中产生的金属蒸气，但通过使用氩气的收缩TIG焊接，可以抑制金属蒸气的扩散，并将其从电弧等离子体中除去。会被冲走。这样，收缩TIG焊不仅可以通过控制气体流量来收紧电弧等离子体，改善电弧焊热源特性，而且可以减少电极磨损，并可以有效地扫除金属蒸气，从而提高焊接面积。已经清楚的是，这种材料还具有提高质量和生产效率的能力。

项目成果

Modeling of Submerged Arc Welding Phenomena and Experimental Study of the Heat Source Characteristics

埋弧焊现象建模及热源特性实验研究

• DOI: 10.2207/qjjws.35.93
• 发表时间: 2017
• 期刊: QUARTERLY JOURNAL OF THE JAPAN WELDING SOCIETY
• 作者: 古免 久弥;松井 翔;小西 恭平;茂田 正哉;田中 学;加茂 孝浩
• 通讯作者: 加茂 孝浩

二温度数値解析モデルによる溶接アーク現象の可視化

使用双温度数值分析模型可视化焊接电弧现象

• 发表时间: 2015
• 作者: Kyohei Konishi;Manabu Tanaka;Masaya Shigeta;Akihisa Murata;Tadasuke Murata;小西恭平，田中学，茂田正哉，黒川顕稔，瀧田朋広，中林誠治，辻あゆ里;小西 恭平;kyohei KONISHI;小西 恭平;小西 恭平;kyohei KONISHI;kyohei KONISHI;kyohei KONISHI;Kyohei KONISHI;Kyohei KONISHI;小西 恭平
• 通讯作者: 小西 恭平

Numerical Analysis of Heat Source Characteristics of a Constricted TIG Arc for Welding of Aluminium

铝焊接收缩TIG电弧热源特性的数值分析

• DOI: 10.11283/jlwa.55.227
• 发表时间: 2017
• 期刊: Journal of Light Metal Welding
• 作者: 小西恭平;茂田正哉;田中学;村田彰久;村田唯介;Anthony B. Murphy
• 通讯作者: Anthony B. Murphy

Numerical analysis of smart welding process considering electrode phenomena

考虑电极现象的智能焊接过程数值分析

• 发表时间: 2017
• 作者: K. Konishi;M. Shigeta;M. Tanaka;A. Murata;T. Murata;A.B. Murphy
• 通讯作者: A.B. Murphy

Numerical analysis of arc phenomena during TIG welding with a constricted nozzle by using a two-temperature model

使用双温度模型对窄喷嘴 TIG 焊接过程中的电弧现象进行数值分析

• 发表时间: 2016
• 作者: K. Konishi;S. Miki;M. Shigeta;A. Murata;T. Murata;M. Tanaka;A.B. Murhpy
• 通讯作者: A.B. Murhpy