ホットワイヤシステムを用いた高能率・高品質溶接技術の開発 ·...

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A会場（孔雀）

機械加工

15：10～15：35

ホットワイヤシステムを用いた高能率・高品質溶接技術の開発

広島大学

大学院工学研究院　材料・生産加工部門

准教授　山本　元道

●　プレゼン技術の概要既存溶接技術では実現困難である高能率・高品質溶接施工の実現を目指し，ワイヤを通電加熱するホットワイヤシステムとレーザおよびアーク（TIG，プラズマ）熱源とをハイブリッド化させたこれまでに無い新しい溶接技術の開発状況を紹介する

●　従来技術・競合技術との比較高品質を維持したままの高能率・高速化：例１）薄板TIG 溶接で 10 倍程度の溶接速度（5 ～ 10m/min），例２）極低希釈での超高能率肉盛溶接（希釈率 10％以下，200g/min 以上）。

●　プレゼン技術の特徴・ワイヤを溶融温度付近まで加熱して挿入する「ホットワイヤシステム」・高品質（特性，ノンスパッタなど）を維持したままの高能率化・高速化・熱源選択の自由度（TIG，プラズマ，レーザ）

●　想定される用途・各種製品（自動車部品，造船，プラント，橋梁など）の高能率溶接・MAG・MIG溶接法からの転換・表面改質（肉盛）

広島大学大学院工学研究院材料・生産加工部門工学研究科機械物理工学専攻

材料接合工学研究室山本　元道

ホットワイヤシステムを用いた高能率・高品質溶接技術の開発

HIROSHIMA

Hiroshima University Graduate School of Engineering

H-IIA & B ロケットエンジン製造時の溶接・接合技術

H-IIA & Bロケット

メインエンジンLE-7A

✦安全性・信頼性の高い打ち上げ

✦打ち上げコストの低減 ⇩✦溶接・接合部の安全性・信頼性評価技術

✦溶接・接合部の安全性・信頼性向上

✦革新的溶接・接合技術の開発・実用化

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次世代ロケットエンジンに向けた溶接・接合技術

現状の溶接技術✦これまでに無い溶接継手‣異材継手‣超狭開先継手

✦超低入熱溶接技術‣高品質溶接部‣溶接変形の低減‣残留応力の低減　 ⇩❖継手設計裕度の向上❖継手特性の向上❖継手・部材機能の向上❖継手・部品製作コストの低減

TIGWEBW

レーザ溶接ホットワイヤ・レーザ溶接

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自動車車体・部品製造時の溶接・接合技術

✦環境性能向上‣重量低減‣リサイクル性向上

✦安全性能向上‣衝突安全向上

✦品質・信頼性向上✦製造コスト低減

❖新材料に対応した溶接・接合技術の開発‣超高張力鋼板‣アルミニウム・マグネシウム合金‣異材継手

❖継手性能の向上‣引張強度・疲労強度‣延性・エネルギー吸収性能‣信頼性

❖フレキシブルなプロセス‣混流生産への対応

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レーザ溶接システム導入による自動車車体次世代生産ライン

<現状生産ライン>抵抗スポット溶接

<次世代生産ライン>リモートレーザ溶接システム

多数のロボット広い工場面積

設計自由度の制約品質向上の限界

ロボット台数・工場面積削減設計自由度向上品質向上

製造コスト削減

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ホットワイヤ技術を活用した高能率・高品質溶接技術の開発

Arc currentWelding speed

Wire currentFeeding speed

Arc Wire

Main parameters

ホットワイヤTIGシステム

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Normal TIG

Hot-wire TIG

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超高速・高能率TIG溶接技術の開発

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✓ 清浄度の高い高品質な溶接部，スパッタ・ヒュームの無いクリーンな環境が得られる．

✓ レーザ溶接に比べて導入コストを抑えることが出来る，手軽で簡易なシステムで使用しやすい．

✓ 溶極式溶接法に比べて，母材溶融と溶着量とを独立制御出来る能力が高い．

TIG溶接法

溶着効率が悪い溶接速度が遅い (< 0.5m/min)

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高速度カメラ・放射温度計を用いた溶接現象の高精度計測

950±5nmband-pass filter

High-speed camera

Filler wire guide

Torch

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Radiationthermometer

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ホットワイヤTIG溶接システム9

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溶接条件　 Mild steel Ti Stainless steel

Welding speed, V (m/min) 3 3 3Wire current (A) 204～215 96～126 165～182Arc current (A) 250 300 250

Wire feeding speed, VW (m/min) 6.6 8.9 6.6Wire feeding angle (°) 30 30 30Arc length (mm) 1 1 1

Flow rate of shielding gas (l/min) 14(Ar) 14(Ar) 14(Ar)

　 W L A EStainless steel , Mild steel 50 400 180 170

Ti 100 200 90 70

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SUS304ホットワイヤTIG溶接時の適正ワイヤ温度分布

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Tiでのホットワイヤ溶融現象と適正条件

Welding speed: 3m/minArc current: 300AWire feelding speed: 8.9m/minWire feelding angle: 30°

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各ワイヤでの適正条件

Stainless steel Ti Mild

steel

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超高速ホットワイヤTIG溶接法の薄板重ねすみ肉継手への適用

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SUS304t=2mm

2

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(mm)

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ホットワイヤTIG溶接法を用いた高能率・高品質すみ肉溶接技術

TIG torch

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Welding

direction

θLLighting laser

Wire

Camera A

Camera B

Camera type A BFrame rate, fps 250 125Shutter speed, s 1/1000 1/250Diaphragm 16 22Transmitted wave length of filter, nm 980±5 950±10

Lighting laser, nm 980 -

Base metal JIS SS400 (t: 9ｍｍ)Filler wire JIS YGW11 (d: 1.4mm)

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158Ａ138Ａ118Ａ

ホットワイヤTIG溶接時のワイヤ溶融現象

Arc current: 300A, Arc length: 3mm, Wire feeding angle: 45°, Welding speed: 0.5m/min, Wire feeding position: 1mm, Wire feeding speed: 3.0m/min

Wire

ElectrodeMolten pool

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Welding direction

HIROSHIMA


可視化画像解析による適正条件の導出

Arc current : 400AArc length : 1mm

Wire feeding speed : 3.3m/minWire current : 148A

Welding speed : 0.5m/min

Electrode

Molten pool

Welding direction

1mm

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超狭開先ホットワイヤ・レーザ溶接技術の開発

3mm

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3mm

Filler wire

Molten pool

HIROSHIMA


ホットワイヤ・レーザ溶接法を用いた高能率・高品質すみ肉溶接技術

Welding

direction

θL

Lighting laser

Wire Camera A

Camera B

Laser beam

Camera type A BFrame rate, fps 250 125Shutter speed, s 1/1000 1/250

Diaphragm 16 22Transmitted wave length of filter, nm 980±5 950±10

Lighting laser, nm 980 -

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Base metal JIS SS400 (t: 9ｍｍ)Filler wire JIS YGW11 (d: 1.4mm)

HIROSHIMA


Specimen

High speed camera

Lighting laser

Laser

High speed camera

ホットワイヤ・レーザ溶接実験状況

Wire torch

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HIROSHIMA


可視化画像を用いた適正溶接条件の導出

Laser power:3kWSpot size:7.5mmWelding speed:0.3m/minWire insertion:2mmWire feeding speed:1.8m/min

Wire current:109A

Molten pool

Wire

Welding direction

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Laser power : 3kW，Spot size : 6.0mmWelding speed : 0.3m/min

Wire Molten pool

Welding direction

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高能率・高品質すみ肉溶接溶接技術の実現

Laser type : Faber laser，Laser power : 3.0～5.8kW，Spot size : 6.0mm，Welding speed : 0.3～2.0m/minWire feeding angle : 55 °，Wire feeding position: 1.5mm，Wire feeding rate : 6.0，Wire current : 106~292A

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HIROSHIMA

Hiroshima University Graduate School of Engineeringホットワイヤ溶接技術の展開

ホットワイヤ溶接技術の特長✓添加ワイヤを溶融温度程度まで効率的に加熱✓母材溶融とワイヤ溶融とを独立制御✓熱源選択可能：TIG，プラズマ，レーザ✓ワイヤ選択可能：種類，径，形状✓高速・高能率✓高品質：低入熱・低変形，スパッタ無し，溶接金属制御

各種製造分野での高能率・高品質溶接✓薄板の低変形・高速溶接：自動車，各種部品✓中厚板・パイプの突合わせ溶接：プラント，造船，橋梁✓表面改質（肉盛）：耐食肉盛，硬化肉盛，補修肉盛

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広島大学大学院工学研究院材料・生産加工部門材料接合工学研究室　　　山本　元道E-mail : [email protected] : 082-424-7815

連絡先

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