パルスアークのピークとベース時間が及ぼす金属蒸気量と電磁力

3.3 パルスアークのピークとベース時間が及ぼす金属蒸気量と

間が短時間であるほど，中心部の鉄蒸気は一定であり，外周部では低下することが明らかとなっ た。以上より，パルス電流のピークとベース電流時間を適切に設定することにより，１周期を 通して鉄蒸気の拡散範囲を狭くすることで，アークの外周部の鉄蒸気量を低下できることが明 らかとなった。

次に，外周部の鉄蒸気量が，溶融池の溶け込み深さに寄与する溶融池内の熱対流を誘起する 溶融池内部に対する深さ方向にかかる電磁力に及ぼす影響を検証した。図49に，１周期の外周 部の平均鉄蒸気量における深さ方向の対流を誘起する電磁力の平均と溶融池内部に働く電磁力 の総和を示す⁽⁹³⁾。ここで，深さ方向の熱対流を誘起する１周期の電磁力の平均とは，溶融池と 溶融していない母材の境界で熱を深さ方向に輸送させ，溶融させるために対流を深さ方向に誘 起する位置（z= 35.5 mmとr= 2.4 mm，z= 35.7 mmとr= 1.2 mm）における１周期の電磁力 の平均のことを示す。つまり，この位置の電磁力が増加傾向を示す時は，深さ方向の熱対流を 誘起していることを表す。更に，溶融池内部に働く深さ方向にかかる電磁力の総和は，溶融池 内の各位置の電磁力を時間で積分した後，全ての位置で足し合わせた合計値の１周期の平均値 であり，１周期を通して溶融池内部に働く合計の電磁力を表している。結果として，２つの位 置の深さ方向の対流を誘起する電磁力は，１周期の外周部の平均鉄蒸気量の低下に伴い増加し た。つまり，外周部の鉄蒸気量が低いほど，深さ方向に電磁力が働き，深さ方向の対流をより 活発にさせることが明らかとなった。

以上より，ピークとベース電流時間が短い高周波数であるほど，外周部の鉄蒸気量は低下する ことが明らかになった。つまり，ピークとベース電流時間が長く，外周部に鉄蒸気量が多い低周 波数ほど，深さ方向の熱対流を誘起する電磁力が低くなることと，ピークとベース電流時間が 短く，外周部に鉄蒸気量が少ない高周波数ほど，深さ方向の熱対流を誘起する電磁力が増加す ることが検証された。この時，入力電力が等しい定常時よりも，溶融池内部における軸中心部の 深部z= 35.5 mmとr= 2.4 mmでは最大59% ，溶融池内部におけるz= 35.7 mmとr= 1.2 mm では最大62% 増加した。また，溶融池内部に働く電磁力の総和も，深さ方向の熱対流を誘起 する電磁力と同様に，１周期の外周部の平均鉄蒸気量の低下に伴い増加し，入力電力が等しい 定常時より最大で31%増加した。したがって，ピークとベース電流時間を適切に設定すること により，アークと鉄蒸気の拡散範囲を制限させ，外周部の鉄蒸気量を低下させることによって，

溶融池内部に働く電磁力を直流定常電流時よりも増大できることが明らかとなった。

また，図50に，１周期の深さ方向の対流を誘起する電磁力の総和における0.1 mmの溶け込 み深さを得るまでの時間と低周波数に対する効率を示す⁽⁹³⁾。これは，溶融池を形成させてい ない状態から計算した溶け込み深さに関する結果である。溶融池の溶け込み深さが0.1 mmに なるまでの時間は，１周期の溶融池内部に働く電磁力の総和の増加に伴い，短くなった。また，

低周波数に対する溶融池の溶け込み深さが0.1 mmになるまでの効率は，１周期の溶融池内部 に働く電磁力の総和の増加に伴い増加し，最大で24% となった。溶融池内の電磁力の増大に より，溶け込み深さを得る時間が短くなることから，溶融池内部に働く電磁力を増加させるこ とが深い溶け込みを速く誘起することが明らかとなった。以上より，この深さ方向の対流を誘 起する溶融池内部に対する深さ方向にかかる電磁力が増加することにより，溶け込み深さが増 大し，実験の結果と同じ傾向を示すことが示唆される。このことから，ピークとベース電流時 間を適切に設定し，外周部の鉄蒸気量を低下させることにより，溶融池の溶け込み深さに寄与 する電磁力を増加させることで，溶け込み深さを増加させることが可能であることが明らかと なった。

78

   

f = 100 Hz

(a) (b) (c) (d)

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm] 0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

f = 250 Hz

f = 500 Hz

f = 1000 Hz

0 5 10

25

30

3510 5

Axial distance z [mm]

Radial distance r [mm]

Steady 155 A 㸦Mean input power㸧

Temperature T [K]

20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 60004000 6

28 4 62 Iron vapor concentration C %

0. 03 0.2 0.20.1 0.1 0. 01 0.00.0

Time t [s]

Current I [A]

(a) (b)

(c) (d)

200

100 Temperature

Iron vapor concentration

図46 定常アークと各周波数のパルスアークにおける１周期のアーク温度と鉄蒸気濃度分布（左 分布図：鉄蒸気濃度，右分布図：温度）⁽⁹³⁾

Fig.46 Time variation of distribution of arc temperature and iron vapor concentration as function of frequency (Left:Iron vapor concentration, Right:Arc temperature)⁽⁹³⁾.

   

   

5

2

1

0 0

1.0 Iron vapor mass ρ

iron

[kg]

Time t [ms]

3 4

×10

^-12

0.2 0.4 0.6 0.8

ρ

mean iron at axial center

ρ

mean iron at periphery part

ρ

iron at axial center

ρ

iron at periphery part

Solid line : DC steady arc Dotted line : Pulsed arc

図 47 直流定常電流とパルスアークにおける陽極近傍の鉄蒸気量の時間変化⁽⁹³⁾ Fig.47 Time variation of iron vapor mass near anode in steady and pulsed arc⁽⁹³⁾.

   

80

   

DC steady ρ

iron at axial center

DC steady ρ

iron at periphery part

Pulsed current ρ

iron at axial center

Pulsed current ρ

iron at periphery part

10

^-4

10

^-3

10

^-2

10

^-13

10

^-11

10

^-12

Peak and base time t

_P

, t

_B

[s]

Mean iron vapor mass in one cycle ρ

iron

[kg]

図 48 ピークとベース電流時間における鉄蒸気量⁽⁹³⁾ Fig.48 Iron vapor mass as function of peak and base time⁽⁹³⁾.

   

   

10^-13 10^-12 10^-11

Mean iron vapor mass at periphery part in one cycle ρ_iron [kg]

10⁵

10⁴

10³ Mean electromagnetic force inducing convection in one cycleJ×B [N/m3]

10^-3 10^-2 10^-1

Mean of total electromagnetic force in weld pool in one cycleDJ×B [N]

J×B (z = 35.5 mm, r = 2.4 mm)

J×B (z = 35.7 mm, r = 1.2 mm)

D_J×B

Full plot : DC steady White plot : Pulsed

図 49 １周期の外周部の平均鉄蒸気量における深さ方向の対流を誘起する電磁力の平均と溶融 池内部に働く電磁力の総和⁽⁹³⁾

Fig.49 Mean electromagnetic force inducing thermal convection and mean total force of weld pool affected by mean iron vapor mass in one cycle⁽⁹³⁾.

 

Mean of total electromagnetic force in weld pool in one cycle D_J×B [×10^-3N]

0 1 2 3

100 80 60 40 20

-20 0 0

0.10 0.08 0.06 0.04

0.02

Time until penetration depth reaching 0.1 mmtdepth (0.1 mm) [s] Weld speed efficiency until penetration depth to low frequency reaching 0.1 mmηdepth (0.1 mm) %

tdepth (0.1 mm)

ηdepth (0.1 mm)

図 50 １周期の溶融池内部に働く電磁力の総和における0.1 mmの溶け込み深さを得るまでの 時間と低周波数に対する効率⁽⁹³⁾

Fig.50 Time until penetration depth reaching 0.1 mm and weld speed efficiency to low frequency affected by mean total force of weld pool in one cycle⁽⁹³⁾.

   

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ドキュメント内 外部磁界によるアーク姿態の偏向抑制の研究 (ページ 80-87)