アーク放電におけるプラズマ構造と蒸発形態の相互関連に関する研究

Abstract

アーク放電プラズマは、溶接加工熱源のみならず蒸発源や反応場として他分野のプラズマプロセッシングに利用されている。しかし、アーク放電プラズマにおける蒸発現象やプラズマ熱源特性などについては問題が山積しており、定量的な現象評価や特性解明が期待されている。本研究は、種々の計測技術の高度化を図りながら、プラズマ状態特性、陽極溶融特性、蒸発特性を定量的かつ系統的に明らかにすることを目的としている。プラズマ状態特性に関する研究においては、従来から問題視されている発光分光分析法によるプラズマの温度評価技術を見直し、問題点を明確にするとともにその問題解決を図った。次いで、陽極金属蒸発をともなう場合のプラズマ状態を評価することにより蒸発金属粒子の挙動を明らかにし(本報告では記述割愛)、陽極近傍領域での電離状態がアークの電気特性に強く影響する可能性を示した。これらの結果を踏まえながら、陽極形態、蒸発挙動に及ぼす陽極材料の成分元素の影響をアーク電圧特性において系統的に整理できることを明らかにした。本研究における主要な成果は以下の通りである。(1)アルゴンアークでは、局所熱平衡を近似的に仮定しても全ての評価温度分布結果に対しては大きな矛盾は生じない。また、定量的なプラズマの状態評価には、現状において相対強度比法よりはファウラー・ミルン法およびArII/ArIの2線強度比法の方が有効である。また、90%Ar-10%H2混合アークにおいては、評価温度が分光分析方法によって大きく異なり、多くの問題点が存在することを明らかにした。水素混合アークにおける温度評価の問題点は、新たに提案したArI-Hαの2線強度相関法によって解決でき、各種の計測スペクトル強度に対して矛盾を生じない温度分布が得られた。(2)陽極材の各合金元素には、蒸発や電離の観点から陽極特性に著しく影響を及ぼす支配的元素とそうでない元素が存在する。これらの元素の相対的な関係を蒸気圧-電離電圧座標で示すとき、主要な2つの金属蒸気元素の間の方位により、陽極領域の大きさや陽極降下電圧の大小を相対的に把握できることを明らかにした。

The arc discharge plasma is used not only as a heat source for welding, but also as an evaporation source and a reaction field in another field of plasma processing. However, many problems are left unresolved for evaporation phenomena and heat source characteristics in arc discharge plasma. The purpose of this study is to make clear the plasma state characteristics, anode melting characteristics quantitatively and systematically, and evaporation characteristics with improving many kinds of measurement technique. In the study on plasma state characteristics, the evaluation technique of plasma temperature by conventional emission spectrometry is reviewed and some remaining problems in this technique have solved. The behavior of evaporated metal particle is clarified by evaluating the plasma state with the evaporation of anode metal, indicating the possibility that the ionization state near anode strongly affects the electric characteristics of arc. Based on these results, it is clarified that the effect of constituent elements of anode material on the anode transformation and evaporation behavior is systematically explained in arc voltage characteristics. The results of this study are summarized as follows. (1) In argon arc, no contradiction occurs to all the evaluated temperature distribution assuming the localized thermal equilibrium approximation. For quantitative evaluation of plasma state, Fowler-Milne method and ArII/ArI two lines intensity comparison method are more effective than the conventional relative intensity comparison method. In 90 percent Ar-10 percent H2 mixture arc, evaluated temperature differs by the methods of spectroscopy, meaning many problems still remain. The problems for temperature evaluation in hydrogen mixture arc can be solved by the newly proposed ArI-H alpha two-line intensity correlation method. The temperature distribution without any contradiction is obtained for measured spectra intensity. (2) Some of alloying elements of anode material have a remarkable influence on the anode characteristics through evaporation and ionization, while the other elements have not. It is elucidated that showing the relative relationship between these elements in the vapor pressure-ionization voltage coordinates makes it possible to understand the magnitude of anode region and of anode fall voltage from the orientation of two main vaporizing elements.