アーク溶接における溶融金属の不安定挙動の理解に基づく可変熱源指向性の発現

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アーク溶接において、高温アークプラズマ雰囲気にワイヤ消耗陽極を逐次供給すると、ワイヤは溶融し溶融金属ジェットを形成する。溶融金属ジェットは、アークプラズマおよびワイヤ消耗陽極を貫く直流電流が形成する自己誘導磁場と相互に作用して分裂し、溶融金属滴（溶滴）を連続生成する。溶融金属ジェット分裂現象において、電磁力・慣性力・表面張力の3種類の駆動力バランスが変化すると分裂形態が遷移して溶滴の生成特性が劇的に変化する。本研究の目的は、各駆動力の相対的強さを定量的に評価し、分裂形態の遷移メカニズムを解明することである。本年度は、電磁力と慣性力がそれぞれ分裂挙動に与える影響を実験アプローチに基づき調査した。電磁力は溶接電流に、慣性力はワイヤ供給速度に支配されることから、溶接電流とワイヤ供給速度を独立に制御可能な装置を構築した。本研究では信頼性の高い熱物性データを入手可能かつアーク溶接で広く用いられる金属である純鉄または純アルミニウムワイヤを供試材料に溶滴生成プロセスの高速度観察を実施した。一般に、アークプラズマに大気（酸素）が混入すると、表面活性元素である酸素の存在が原因で溶融金属の表面張力が低下する。電磁力と慣性力を比較する本年度の目的を達成するためには、表面張力の変動を防止する必要がある。この課題を解決するために、大気からアークプラズマを保護する性能を高めた改良ガスノズルを用いた。溶接電流とワイヤ供給速度をパラメータに、溶融金属ジェットの分裂挙動を高速度撮影し、ジェットの射出開始位置および分裂位置を計測した。ジェット分裂長さ（射出開始位置・分裂位置間の距離）および溶滴生成周期を指標に、計測結果に及ぼす溶接電流・ワイヤ供給速度の影響を評価することに成功し、溶接電流の大きさおよびその電流経路を制御することで溶融金属ジェットの伸長性および分裂時の安定性が制御可能であることを明らかにした。