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。

为了实现智能电弧焊接方法的实现，它可以在数值模拟中实现最终的短间隙焊接，因此，屏蔽气体的类型从氩气转换为氦气，以阐明每种类型的热源特征。此外，在改变氩电弧的电弧电流时进行计算，并检查了弧等离子体的紧缩效应的波动。已经表明，收缩喷嘴的作用在氩气中发音，而在氦弧中非常小。这是因为氦气的热电导率很高，并且可能从电弧等离子体的中心到外边缘发生热扩散。发现由于收缩喷嘴引起的电弧等离子体的严格效应在低电流弧线上很高，而电弧血浆的体积相对较小。此外，与使用Argon进行隔离的TIG焊接相比，当电弧电流为150a时，向基本材料的热通量大致相等，并且使用氦气的常规TIG焊接进行了比较，我们比较了电极温度和电极磨损，并比较了金属蒸汽扫描的性能，并且使用隔离的Notake Process进行了固定的无效控制，并将其与隔离式的无效进程进行了研究。电极温度对电极的磨损速率有重大影响，并且已经发现，在使用氩气缩小TIG焊接时，电弧排放过程中的电极温度低于使用氦气焊接的常规TIG焊接，因此可以抑制电极磨损，并且可以长时间保持稳定的电弧排放。当基本材料由不锈钢制成时，需要有效地去除从熔池中产生的金属蒸气，但是已经发现，通过使用氩气，金属蒸气在抑制扩散的同时将金属蒸气扫除了弧等离子体。通过这种方式，已经揭示了TIG焊接不仅可以通过控制气流并改善电弧焊接热源特性来收紧电弧血浆，还可以减少电极磨损，并有效地扫除金属蒸气，从而提高焊接质量的质量和提高的生产效率。

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