ものづくりのスマート化に寄与する究極的プラズマ接合プロセスの確立

建立有助于智能制造的终极等离子键合工艺

基本信息

批准号：
17J00523
负责人：
古免久弥
金额：
$ 1.09万
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：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J00523/
关键词：
粒子法離散要素法溶滴移行現象アークプラズマスラグ

项目摘要

ものづくりのスマート化に寄与する究極的プラズマ接合プロセスの確立にあたり，本年度は昨年度に構築した数値解析モデルをさらに発展させることで，昨年度対象としたガスメタルアーク溶接よりも複雑なサブマージアーク溶接のモデル化とその溶接現象のメカニズムの解明を試みた．サブマージアーク溶接はフラックスと呼ばれる粉体中でアークプラズマが維持され，溶接が行われることが特徴である．これを再現するため，本数値解析モデルでは粉体を表現する計算手法であるDEMと溶融金属のような連続体を表現する計算手法であるISPH法を用いた連成計算モデルをサブマージアーク溶接現象に適用した．この数値解析は被溶接材料とフラックスを粒子で表現する必要があり，多くの粒子数を用いることから計算負荷が大きい．そこで昨年度導入したCUDA言語を用いてグラフィックボード上での計算を実現するため，計算機を購入した．一方でこの連成計算モデルは，大きな密度変化を伴うアークプラズマを取り扱うことができない．そこで本研究では，有限体積法によって支配方程式を離散化し，SIMPLE法によって解く格子法を用いてアークプラズマ熱源を解くことで，被溶接材料表面における熱流束を求めて熱源として利用した．数値解析の結果，被溶接材料が溶融した溶融池と，フラックスが溶融したスラグの形成過程を同時にシミュレートすることができた．この数値解析によって得られた被溶接材料の溶込みの深さは実際の溶込みと同等であり，妥当な計算結果が得られた．またフラックスやスラグと被溶接材料の熱流束に注目すると，熱源通過後にフラックスから被溶接材料への入熱が確認でき，フラックスはこの溶接プロセスにおいてサブ熱源としてはたらくことが明らかとなった．一方スラグと被溶接材料間の入熱は小さく，被溶接材料表面をガス等による冷却から保護していることが明らかとなった．

在建立有助于更智能制造过程的最终等离子体键合过程时，今年我们进一步开发了我们去年建立的数值分析模型，并试图对浸入式弧形焊接进行建模，该模型比去年针对的Gas Metal Arc焊接更为复杂，并阐明了焊接现象的机制。淹没的电弧焊接的特征是将弧等离子体保持在称为通量的粉末中，并进行焊接。为了重现这一点，在这个数值分析模型中，使用DEM的耦合计算模型，一种代表粉末的计算方法，而ISPH方法是一种代表诸如熔融金属的连续体的计算方法，用于浸入式弧形焊接现象。该数值分析需要将要焊接的材料的表示，并将通量作为颗粒，并且由于使用了许多颗粒，因此计算负担很重。因此，我购买了一台计算机来使用去年引入的CUDA语言对图形卡进行计算。另一方面，这种耦合计算模型无法处理具有较大密度变化的电弧等离子体。因此，在这项研究中，我们使用有限体积方法将管理方程式离散，并使用通过简单方法求解的晶格方法解决了ARC等离子体热源，并在材料表面上使用了供热源焊接的材料表面上的热通量。数值分析表明，形成熔融池的过程融化了要焊接的材料，并且可以同时模拟通量融化的炉渣。通过此数值分析获得的要焊接的材料的穿透深度与实际穿透性相当，并获得了合理的计算结果。此外，当我们专注于热通量和炉渣以及要焊接的材料时，可以证实从通量到通过热源后要焊接的材料的热量输入，并且通量在此焊接过程中充当亚热源。另一方面，已经揭示了炉渣和要焊接的材料之间的热输入很小，可以保护要通过气体冷却的材料表面，等等。