短絡移行プロセスのモデル化－溶滴移行現象のモデル解析（第1報）

摘要

マグ溶接などのガスメタルアーク(GMA)溶接では，溶接ワイヤが電極となる．電極ワイヤはアーク熟により溶融し，これがワイヤ端に溶滴として形成される．溶滴は重力や電磁力などの力を受けて，ワイヤ端を離脱し，母材へ移行する．従って，溶接ワイヤを連続的に供給していても，溶融金属は断続的に移行することになる．このため，GMA溶接におけるアーク長やアーク形状に加えて，熱源とも言えるアークの発生位置は，時間的·空間的に変動することになる．すなわち，溶滴移行現象はアークの安定性を支配し，スパッタや欠陥の発生など作業性とともに溶接品質に大きく関わるため，その機構を明らかにするべく高速度写真などによる観察に加えて理論的な検討がなされてきた．溶滴移行の理論的解析はミグ溶接が開発された当初から行われており，離脱時の溶滴のサイズや移行形態を明らかにすることを目的に，Greeneらをはじめとしてワイヤ端の溶滴に働く電磁力，重力，表面張力，プラズマ気流との静的な力のつりあいが議論されてきた．また，1950-1960年代の核融合プラズマ研究に関連して発展した導電性流体のピンチ不安定理論がIIW·SG212(Physics of Welding)で紹介され，Lancasterはワイヤ端から溶滴が離脱する時間や溶滴の飛行速度を概算するのに応用した．さらに1980年代になって，トランジスタ溶接電源が実用化され，アークの安定な1パルス1溶滴移行が見出されると，そのパルス電流条件を推定するためにピンチ不安定理論が適用された．そして，コンピュータの性能が向上するとともに，数値流体力学(CFD)を応用して，ワイヤ端の溶融金属の挙動を直接計算することが行われるようになってきた．溶滴移行の数値モデルの開発は，導電性液体の橋絡部を破断するのに必要な電流と通電時間を求めることからはじまり，その後，毛管現象による懸垂液滴の接触移行，さらには自由移行へと展開され，溶滴移行の機構をおおまかにつかむことに大きな役割を果たしている．しかしながら，現状ではこれまでに発表されたいずれのモデルも適用範囲の制限が大きいことや精度などに問題があり，アークプラズマや溶融池も存在する実際の溶接現象への適用には工学的ツールとしてまだまだ不十分である．そこで，本研究では溶接アークによる電極ワイヤと母材の溶融，流動も含めた現象を統合するモデルの構築を最終目標として，溶滴移行現象の機構を視覚的に理解できるモデルを開発することを目的とした．本報告で古事GMA溶接の短絡移行現象を対象として，その2次元軸対称モデルを作成し，モデル解析の精度を調べるため，水を用いた実験との比較を行なった．そして，電流波形を制御したマグ溶接実験を行い，溶滴サイズと短絡時間との関係を計算値と比較した．