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

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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。