溶接技術分野でのコンピュータ技術の応用

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かんじかなり
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1 溶接現象のモデル化 NEDO プロジェクトから大阪大学大学院工学研究科黄地尚義

2 WDS100 回記念セミナー (2005 年 1 月 ) 溶接現象のモデル化 NEDO プロジェクトから大阪大学大学院知能機能創成工学専攻黄地尚義宮坂史和山本剛辻陽子 0. はじめに技術者は与えられた溶接構造物に対し適切な溶接施工法施工条件を選択決定しなければならないこの決定には高度な技術的判断が要求され技術者には各施工法に関する広範かつ深い知識が必要とされる溶接現象の解析手法としてシミュレーションが有用であることは云うまでもないが施工法の選択施工条件の設定最適化など技術者の意思決定を支援するツールとしてもシミュレーションは重要であるこのような観点から平成 12 年度に経済産業省のプロジェクト溶接技術の高度化による高効率高信頼性溶接技術の開発がスタートしたこのプロジェクトは 5 年計画でシミュレーションによる溶接技術の高度化を目指している計画を具体化するためシミュレーションに関する 3 つの分科会 : 溶接プロセス金属組織溶接変形が設置されている各分科会ではそれぞれのシミュレーション技術を研究開発することを主たる目的として精力的に活動しているこれに加えて本プロジェクとではこれら 3 つのシミュレーション分科会の成果を統合化しプロセスから金属組織溶接変形までを包括的に予測推定できるシステムについても提案検討しているここではまず溶接プロセスのシミュレーションモデルの開発状況について簡単に述べ次いで上述のモデル統合化システムとその可能性について検討した結果を紹介する 1. 溶接プロセスのシミュレーションモデル本プロジェクトで提案検討した溶接プロセスモデルを Fig.1 に示すここではモデルの複雑さを回避し演算時間を短縮するため溶接部の熱輸送は熱伝導により支配されるものと仮定しているまた溶接プール表面は重力表面張力アーク圧力の平衡により決定されるものと仮定しているこのような仮定のもとで例えば平板上の溶接部の温度場と溶接プールの表面形状は次のように表現される H T T T ρ ( T ) = K( T ) + K( T ) + K( T ) (1) t X X Y Y Z Z σ 2 2 ( 1+ φ y ) φ xx 2φ xφ yφ xy + ( 1+ φ x ) ( 1+ φ + φ ) 2 x y φ yy = ρgφ + Pa λ (2) ここで ρ : 密度 H : エンタルピ K : 熱伝導度 T : 温度 φ : 表面変位 σ : 表面張力 g : 重力 Pa : アーク圧力 λ : ラグランジュ乗数 1

3 1 t=t n-1 Welding direction 3 t=t n Electrode wire Metal transfer Pa=0Pa Weld metal 2 t=t n 4 t=t n Pa=500Pa Molten pool Arc Pa=1000Pa Fig.1 Model of MAG arc welding Fig.2 Effect of arc pressure on horizontal fillet weld (I=230A, V=25V, v=40cm/min) Fig.2 は MAG 溶接プロセスモデルによる計算例で水平隅肉溶接に及ぼすアーク圧力 Pa の影響を示している右図が溶接ビードの形態で左図がほぼビード中央部におけるビード横断面の形状である図からアーク圧力が強くなるにつれてビードの形成が不規則となりアンダーカットが形成されることがわかるまた図はアーク圧力の増加につれてプール表面が圧し下げられアークによる熱がこの表面上に投与される結果溶込みが深くなることを示している Fig.3 は多パス溶接に関する計算例で下向の隅肉溶接を対象としている各パスとも同じ溶接パラメータを用いているにもかかわらずパス数の増加につれて母材 ( ワーク ) に熱が蓄積される結果母材の溶込みが増大していくことがわかる当然のことながら多パス溶接においては溶接部の金属は複雑な熱影響を受けることになる W.D. W.D. W.D. 5mm 5mm 5mm B C B C B C A A A (a) First pass (b) Second pass (c) Third pass Fig.3 Fig.3 Multi-pass fillet welding welding [I=230A, V=25V, v=40cm/min, Pa=800Pa] (I=230A,V=25V, v=40cm/min, Pa=800Pa) 2

5 は板厚を変化させた場合のビードの断面形状に関する実験と計算の比較であるここでも両者の対応関係は極めて良好であるすなわちこれらの図はここで提案したモデルがアーク入熱アーク圧力等のモデルパラメータを的確に選定してやればかなりの程度まで実際の溶接現象をシミュレートできることを示している W.D. W.D. (a) Experiment (b) Calculation Fig.

4 以上ではプロセスモデルによる計算例を簡単に紹介したこのモデルは実施工で用いられるウィービング付きの溶接や各種姿勢溶接へも容易に適用できる以下このモデルについて実験的に検討した結果を簡単に述べる 2. モデルに関する実験的検討 Fig.4 は水平隅肉マグ溶接に関する計算と実験の結果を対比したものである上部に溶接ビードの外観の比較を下部にビード中央部におけるビード断面形状の比較を示している図のように両者の対応関係は良好である Fig.5 は板厚を変化させた場合のビードの断面形状に関する実験と計算の比較であるここでも両者の対応関係は極めて良好であるすなわちこれらの図はここで提案したモデルがアーク入熱アーク圧力等のモデルパラメータを的確に選定してやればかなりの程度まで実際の溶接現象をシミュレートできることを示している W.D. W.D. (a) Experiment (b) Calculation Fig.4 Comparison between experiment and calculation in horizontal fillet welding (I=230A, V=25V,v=60cm/min) 3mm 3mm (a) Plate thickness: 3mm (b) Plate thickness: Fig.5 Influence of plate thickness on weld profile (I=230A, V=24V, v=40cm/min) 3. 溶接プロセスシミュレーションソフト "Virtual Weld" の試作上述のように本研究で提案した溶接プロセスモデルは生産現場における溶接プロセスをシミュレートするツールとして十分有用であると判断できるこのような観点から筆者らは実際の MAG/TIG 溶接を対象とする溶接プロセスシミュレーションソフトを開発中であるここではその概要を簡単に紹介する Fig.6 は現在試作中のソフトのメニュー選択画面であるソフト化の手始めとして試作中のソフトは溶接現場で用いられる基本的な継手を対象とし演算時間を短縮する目的 3

から比較的小さなワークを前提としている具体的には T- 継手突合せ継手に加えてパイプ継手のソフト化を試みている

7 は MAG 溶接プロセスのシミュレーション例であるこのソフトでは入力された溶接条件によるシミュレーションの結果を

5 から比較的小さなワークを前提としている具体的には T- 継手突合せ継手に加えてパイプ継手のソフト化を試みている図のような入力画面を採用することにより対象となるワークとそのサイズが比較的簡単に入力できる Fig.7 は MAG 溶接プロセスのシミュレーション例であるこのソフトでは入力された溶接条件によるシミュレーションの結果を図示のような要領で出力するすなわち溶接ビードの形状寸法に加え任意の点における温度履歴が出力できるまた溶接ビートの形成プロセスを動画として再現できるようになっている Fig.6 Screens of menu-selection on the software under Fig.7 Output-screens of the software under development (temperature and weld-bead profiles) 4

6 Fig.8 Simulation of multi-pass MAG welding ( SM490, 12mmt ) ( I=230A, V=26V, v=40cm/min, V-groove (50 )) Fig.8 は板厚 12mm の SM 材の突合せ溶接を対象としたもので 4 パス 3 層溶接のシミュレーション例である突合せ溶接に関しては初層ビードの取扱い例えばバッキング材やギャップの取扱いに課題を残しているなおこのソフトは多パス溶接の他ウィービング溶接 2 電極 ( タンデム ) アーク溶接等に対応できる 4. モデル統合化による溶接設計支援システムの提案と検討筆者らは開発した溶接プロセスモデルを溶接金属組織溶接変形モデルとリンクさせ溶接プロセスから金属組織変形までをトータルに予測推定できるシステムを試作検討している Fig.9 に試作中のシステムのイメージすなわち Virtual Welding System を示す temperature weld-geometry Thermal and process model temperature weld-geometry phase / structure materials properties Coupling thermal deformation stress distribution Metallurgical model phase / structure materials properties Mechanical model thermal deformation stress distribution Fig.9 Virtual welding system based on model-coupling 5

このシステムの特徴は溶接プロセスのシミュレーション結果をベースに溶接に伴う材料組織の変化さらには溶接変形や残留応力分布の予測などをリンクさせこれらを包括してシミュレーションの対象としていることであるすなわちプロセスモデルは継手形式と開先形状溶接電流や速度等の溶接パラメータを入力としてシミュレーションを実行しその結果たとえば温度場と熱履歴溶接ビードの形状寸法を出力する

7 このシステムの特徴は溶接プロセスのシミュレーション結果をベースに溶接に伴う材料組織の変化さらには溶接変形や残留応力分布の予測などをリンクさせこれらを包括してシミュレーションの対象としていることであるすなわちプロセスモデルは継手形式と開先形状溶接電流や速度等の溶接パラメータを入力としてシミュレーションを実行しその結果たとえば温度場と熱履歴溶接ビードの形状寸法を出力するさらに溶接変形モデルではプロセスモデルの出力結果を入力とし溶接変形と残留応力状態を予測推定するもちろんその結果を組織モデルとプロセスモデルにフィードバックすれば溶接変形をリアルタイムでプロセスシミュレーションに反映させることもできるなおシステムを構成している各モデルをモジュール化しておけばモデル単体でも利用できるしモジュールを取替えることにより多様なシステムが構築できることになる Fig.10 Deformation of work-piece in T-joint welding Fig.10 は開発中のモデル統合化システムの出力例である図は T- 継手のマグ溶接に関するもので赤い実線で示した部分が溶接前の部材形状を網がけした部分が溶接後の部材形状を示している当然のことながら溶接の結果としてワークが複雑に変形するこの例では角変形に加えて縦曲がりが強く現れている溶接とは本来プロセス組織変形の 3 要素が密接かつ複雑に絡み合った現象であるすなわちこれらの 3 要素を統合化して初めて真の溶接シミュレーションが可能になる Fig.11 は板厚の鋼板 ( t)2 枚を突合せ溶接した場合のワークの変形過程をカラー表示したものである左上図が溶接前のワークを示している紙面の奥から手前に向かって溶接が進行するこの例では右側鋼板の右辺両端を拘束している溶接の進行に伴いワークが大きく膨張変形し左下図のようになる溶接終了後ワークは冷却収縮し右上図のようになるここでも各図中の赤い実線はワークの原形を示している図は MAG 溶接の結果としてワークが複雑に変形することまたこの施工条件では横収縮に加え角変形が強く現れること等を示している Fig.12 は溶接変形に及ぼす溶接条件の影響について検討したものである Fig.11 の場合と同じ鋼板を突合せ溶接 (V 開先 ) している (a) は一層で溶接した場合を (b) は溶接速度を 2 倍にし二層で溶接した場合を示している図のように横収縮量は両者で大差が無いものの角変形量に差が見られるすなわち Fig.12 は溶接変形が溶接施工条件とくに溶接入熱の与え方に強く依存することを示している Fig.13 は平板上に溶接ビードを置いた場合の変形シミュレーションの結果を示しているこの例では角変形が大きく現れてはいるが低入熱であるため横収縮はそれほど顕著ではない 6

8 0.8mm -0.2mm Fig.11 Weld deformation in butt welding of thin plates (I=230A,V=25V,v=40cm/min) +1.5mm (a) One-pass welding, I=230A, v=25cm/min -0.5mm (b) Two-pass welding, I=230A, v=50cm/min Fig.12 Influence of process condition on weld deformation [SM490, 12mmt, V=25V] 7

+1mm -1mm Fig.13 Simulated weld deformation due to bead on plate welding [160A, 30V, 70cm/min, SM490, t,] S/h 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0.

9 +1mm -1mm Fig.13 Simulated weld deformation due to bead on plate welding [160A, 30V, 70cm/min, SM490, t,] S/h 佐藤寺崎実験値 6t 実験値 9t 実験値 12t 計算結果 Qnet/h 2 (J/mm 3 ) Fig.14 Comparison of transverse shrinkage between experiment and simulation {Bead on plate, SM490} 8

10 Fig.14 はビードオンプレートのマグ溶接における横収縮量に関する実験とシミュレーションの結果を比較したものである図では縦軸に収縮量横軸に入熱を取って示している図中の赤い印がシミュレーションの結果を白抜きのプロット点が筆者らによる実験の結果を示しているまた図中の実線は参考までに示したもので佐藤寺崎らによる実験結果である図はモデル統合化によるシミュレーションが実際の溶接現象を比較的的確に予測推定していることを示している 5. 結びここでは生産現場で利用可能な溶接プロセスモデルの開発を目的として検討したまた開発した溶接プロセスモデルを溶接金属組織溶接変形モデルと統合化し複雑な溶接現象を包括的に予測推定する溶接シミュレーションシステムを提案しそのプロトタイプを試作検討した統合化システムの信頼性はプロセスモデルの信頼性に強く依存するこのような観点からプロセスモデルの適用範囲の拡大と信頼性を高めることが今後の重要な課題である謝辞本研究は経済産業省重要地域技術開発制度の一環として NEDO から JSUP を通じて委託された溶接技術の高度化による高効率高信頼性溶接技術の開発の成果であるまた溶接変形の予測に関しては大阪大学接合科学研究所村川英一先生芹澤久先生の強力なご支援を得たここに記して感謝の意を表します参考文献 (1) Ohji,T., Ph.D. Dissertation, Osaka Univ., (1978) (in Japanese). (2) Ohji,T. and Nishiguchi,K.: Technol.Rep. Osaka Univ., Vol. 33 (1983), p (3) Ohji,T.,Tsuji,Y.,Miyasaka,F. and Yamamoto,T., J. Mater. Sci. Technol., Vol.17, No.1, p.167, (2001). (4) Yamamoto,T., Ohji,T., Tsuji,Y. and Miyasaka,F., Mathematical Modelling of Weld Phenomena 6, (Ed. Cerjak,H.), p193, IOM, Maney Pub., London, (5) Yamamoto,T.,Ohji,T.,Miyasaka,F. and Tsuji,Y., Science & Technology of Welding & Joining, Vol.7, (2002),

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r 0 r 45 r 90 F 0 n Evaluation of Fatigue and Noise-and-vibration Properties of Automobile Partial Models Abstract Application of high strength steel sheets to automotive bodies requires evaluation technologies of fatigue