In-situ X-ray imaging of the breakup dynamics of current-carrying molten metal jets during arc discharge

アーク放電中における通電溶融金属ジェットの崩壊ダイナミクスのその場X線イメージング

佐藤 祐理子*; 菖蒲 敬久  ; 冨永 亜希; 佐野 智一*; 荻野 陽輔*

Sato, Yuriko*; Shobu, Takahisa; Tominaga, Aki; Sano, Tomokazu*; Ogino, Yosuke*

アーク放電中の通電溶摘金属ジェットの流動ダイナミクスは、ワイヤアークベースの金属堆積プロセスにおける質量および熱源として機能し、製品の品質に大きく関係する。しかし、溶摘金属ジェットと周囲のアークプラズマとの間の時空間的な流動相互作用は不明のままである。本研究では、シンクロトロンX線を利用したその場イメージング技術を活用し、アルゴンアーク放電中の溶融アルミニウムジェットの表面変形と内部流動を同時に計測した。実験はSPring-8、BL22XUにて30keVで実施しており、独自開発したアーク溶接設備と最速5kHzの高速イメージングシステムを組み合わせて幾度と行った。その結果、アーク放電電流の大きさと経路を調整することで、ジェット速度を初期注入速度から200300%加速し、それによって大幅なジェット伸長が促進できることを明らかにするとともに、ジェット流動ダイナミクスが主にアーク放電電流とその同軸自己誘導磁場との相互作用によって支配されているという結論を導き出すことが出来た。この研究は、流体力学と電磁気学の交差点にフレームワークを確立し、ワイヤアークベースのアプリケーションにおける制御と精度の最適化に貢献することが期待できる。

The flow dynamics of current-carrying molten metal jet breakup during arc discharge serves as mass and heat sources in wire-arc-based metal deposition processes, thereby optimizing the resultant product quality. However, the spatiotemporal flow interaction between the molten metal jet and the surrounding arc plasma remains unclear. Here, using in-situ synchrotron X-ray imaging, we simultaneously track surface deformation and internal flow in molten aluminum jets during argon arc discharge. We reveal that modulating the magnitude and path of the arc discharge current can accelerate the jet velocity by 200 300% beyond its initial injection speed, thereby facilitating significant jet elongation. Our results provide consistent evidence that the jet flow dynamics are predominantly governed by the interaction between the arc discharge current and its coaxial self-induced magnetic field. This study establishes a framework at the intersection of fluid dynamics and electromagnetism, contributing to optimized control and precision in wire-arc-based applications.