船舶であれ原子炉容器であれ、溶接は信頼性の高い各種金属構造物を形成する上で非常に重要な作業方法です。溶接に失敗すると構造全体が失敗することが多く、溶接品質への期待は高まる一方です。溶接などの局所的な熱源を使用するプロセスでは、変形が発生する可能性があります。非常に厚い金属部品の溶接プロセスは安定しておらず、外力なしで制御することは困難です。
小さな穴を作る
は、 金属が蒸発します。深溶け込み溶接では、ワークに「小穴」と呼ばれる縦方向の空洞ができます。このプロセスでは、レーザー ビームが金属を溶かすだけでなく、金属蒸気も生成します。この散逸した蒸気は、溶融金属に圧力を加え、部分的に溶融金属と置き換わります。同時に、材料は溶け続けました。その結果、溶融金属に囲まれた深く、狭く蒸気で満たされた穴、つまり「キーホール」ができます。レーザービームが移動すると、小さな穴がワークピース上を移動します。溶けた金属は小さな穴の周りを流れ、途中で固まります。これにより、均一な内部構造を備えた深く狭い溶接が作成されます。
周知のとおり、深溶け込み溶接によるアルミニウムの溶接の問題は、主に低粘度によって引き起こされる溶融物の高い動的挙動によって引き起こされます。高い熱伝導率と相まって、結果として得られる溶融池は非常に広いです。溶接面が不安定になり、その結果、金属の飛沫が飛散して飛散し、アンダーウェルド、アンダーカット、クレーター、ホール、キャビティーなどの溶接欠陥が発生し、溶接の機械的性質に悪影響を及ぼす。材料が欠落している場合、後処理にアーク溶接を使用して欠落している材料を埋めたり、溶接の視覚効果を改善したりする必要があることがよくあります。これは、表面品質の指標にもなります。さらに、食品業界などの一部の地域では、粗い表面がバクテリアを運ぶ可能性があるため、滑らかな溶接表面が非常に重要になります。
制御されていない溶接プロセスは、溶接金属の滴下を加速させるという副作用をもたらします。これらの液滴は、プロセス全体を「汚く」し、溶接部が冷えた後に材料の損失を引き起こします。第 2 に、マランゴニ効果により溶接部が不均一になり、ワークピースの応力や変形の原因にもなります。溶融池の一部は、表面張力と電磁力の作用下で移動します。これにより、材料の不均一な分布と、溶融池の異なる部分の異なる凝固速度が発生します。溶接部が凝固すると、不均一な分布と冷却時間により、異なる材料で構成される場合があります。
メルトフローを遅くする
この効果を相殺することは可能ですか？ドイツ研究振興協会 (ドイツ研究振興協会) からの資金提供を受けて、BAM ドイツ連邦材料試験研究所は、これらの影響を制御および軽減するためのさまざまな方法を研究してきました。この特定の例では、一定の磁場を使用してレーザー溶接プロセスに影響を与えます。 COMSOL Multiphysics ソフトウェアの助けを借りて、溶接の均一性を改善できる磁場分布を決定しました。
私たちは特にマランゴニ効果を弱めたいと考えています。表面上、金属にレーザーを照射する箇所は非常に高温で、溶接部から離れるに従って急激に温度が下がります。結果として生じるより高い温度勾配は、温度に依存する表面張力の作用下で、金属を溶融池の中心から外側の境界へと流動させます (マランゴニ効果)。私たちの目標は完全な溶接を達成することです。つまり、この流れを抑える必要があるため、エネルギーは溶融池の表面ではなく深部に入ります。
完全な溶接には平行な側壁があり、すべての深さで同時に硬化します。実際、外力がない場合、溶接部はワイングラスの形状に近く (図 1a)、凝固界面の曲率は非常に大きくなります。これにより、ワークピースに大きな応力がかかり、冷却後の変形が大きくなります。ただし、溶接方向に垂直な静磁場を適用すると、溶接が「V」のような均一な望ましい形状に近づきます (図 1 b-d)。

図 1: 溶接の対称部分の温度散布図は、磁場がない場合 (a) で、溶接がワイングラスの形状を形成することを示しています。磁場印加後(b=0.50T、c=1T、d=2T)、形状はV字に近づき始めます。
溶接の形状を変更するこの機能は、ハルトマン効果によるものです。具体的には、溶融金属などの導電性液体の場合、磁場は電流の生成を誘導し、元の溶融物の流れの方向とは反対のローレンツ力場を生成します。
この効果を実証するために、3D 熱伝達、流体力学、電磁気学をシミュレートし、この目的のために CFD モジュールと AC/DC モジュールを使用しました。まず、電磁場をシミュレートしてローレンツ力を計算し、これらの結果を体積力として使用して、溶融プール内の対流の速度と圧力を計算しました。これにより、熱伝達の問題を解決できます。速度フィールドは、前の対流シミュレーションから取得されます。
もちろん、温度は材料の性能に影響を与えるため、戻ってローレンツ力を再計算します。これは、流れの速度にも依存します。このサイクルは、シミュレーションが定常解に必要な精度に達するまで続きます。たとえば、関連するすべての物理的問題が満たされます。モデルを検証するために、磁場を印加した場合と印加しない場合の溶接を行い、溶接継ぎ目を切断して巨視的な外観を取得しました。次に、シミュレーション結果を重ね合わせると、結果はよく一致します (図 2)。

図 2: 16 kW のレーザーを使用して 0.5m/分の速度で溶接し、それに COMSOL Multiphysics によって得られた結果を重ね合わせています。磁場がない場合の溶接は、ワイングラスの形状を形成します (a) 図 b では、B = 0.5 T.ワイングラス。 (BAMからのデータ)
この溶接プロセスは非常に複雑です.COMSOL Multiphysics ソフトウェアのおかげで、正確な結果を得ることができました。 COMSOL の利点には、簡単な操作、優れた幾何学的構成と調整機能、事前定義されたマルチフィジックス結合機能を使用する機能が含まれると信じていますが、一部のオプションは手動で調整および変更する必要があります。たとえば、温度依存の材料特性は、主に実験データ ポイントまたは分析式から導出されます.重力効果や融解潜熱などのソース用語は、固相速度モデルで使用されます。計算では、これらすべての要素を簡単に考慮することができます。
このソフトウェアが物理的な起源のデータを簡単に取得できることを非常に嬉しく思います。 COMSOL Multiphysics のシミュレーションのおかげで、潜在的な影響を特定し、それらに対処する方法を知っています。次のステップは、この知識を大規模に実践する方法を学ぶことです。どの磁場が溶接プロセスの品質を向上させるかを決定し、実験を通じて溶接プロセス全体をさらに再定義します。