高強度鋼のプラズマワイヤアーク積層造形（PWAAM）プロセスの計算溶接シミュレーション

出典: アドバンスト・ウェルディング・テクノロジー

2023年12月、グラーツ工科大学接合・成形研究所のSimon Schöneggera氏、Matthias Moschinge氏、Norbert Enzingera氏は、European Journal of Materials誌に「高強度鋼のプラズマワイヤアーク積層造形（PWAAM）プロセスの計算溶接シミュレーション」と題する論文を発表し、高強度鋼のプラズマアーク積層造形における溶接の数値シミュレーションの関連内容を紹介しました。

ワイヤアーク積層造形 (WAAM) プロセスは、さまざまな金属材料から作られた大型部品の製造に適しています。粉末ベースのシステムと比較した利点としては、構築速度が速く、材料コストが低く、材料の適応性が高く、構造の完全性が優れていることが挙げられます。このプロセスは、直接エネルギー堆積 (DED) プロセスのカテゴリに属し、通常は電気アークを熱源として使用して金属線を溶かします。
プラズマワイヤアーク積層造形 (PWAAM) は、TIG 溶接プロセスと同様に、非溶融タングステン電極を使用してアークを発生させ、プラズマアークを熱源として使用します。 2 つのプロセスの主な違いは、前者は特別に設計されたノズルとプラズマガスを使用してアークを収縮させ、それによって同じ電流でエネルギー密度とアーク安定性を高めることです。このプロセス中、プラズマの温度は最大 25,000°C に達することがあります。
この研究は、高強度鋼のPWAAMプロセスを記述するシミュレーションモデルを開発することを目的としています。シミュレーション解析は有限要素ソフトウェア Simufact Welding を使用して実行されました。シミュレーションと実験で得られた温度場と歪みの間の良好な一致が本研究の主な目的であり、上記の結果は実験的に検証されました。

図1は設計された有限要素モデルを示しています。モデル内の基板のサイズは175 mm x 40 mm x 30 mmです。溶接寸法は高さ1.2 mm、幅7.9 mm、長さ150 mmでした。表1に母材と溶接材料の組成を示します。図 2 は二重楕円 Goldak 熱源モデル、図 3 はガウス熱源モデルです。

実験で使用した溶接パラメータを表2に示します。ここで、I [A]は溶接電流、U [V]は溶接電圧、𝑣𝑠 [mm/s]は溶接速度、𝑣𝐷 [mm/s]はワイヤ送り速度、𝑉𝑠̇ [l/min]はシールドガス流量、𝑉𝑃̇ [l/min]はプラズマガス流量です。電圧 U は電源特性に応じて自己調整されるため、指定されません。溶接プロセス中に電圧が測定され、その平均値がシミュレーションモデルに出力されます。
溶接プロセス中、温度は 50 Hz のサンプリングレートで記録されました。溶接が完了した後、サンプルを溶接部に対して横方向に切断し、溶接部の断面顕微鏡写真を図 4 に示します。パラメータ 𝑡𝑒𝑒 [mm]、ℎ𝑛𝑒 [mm]、および 𝑏𝑒 [mm] は、溶け込み深さ、溶接高さ、および溶接幅を決定します。インデックス e は実験を示します。

熱機械シミュレーションモデルの精度を評価するために、変形実験も実施しました。反りを増加させるために、25 mm x 130 mm x 8 mm の試験片形状が使用されました。初期残留応力を最小限に抑えるために、試験片は 860 °C で 25 分間保持されました。表2の溶接パラメータを使用して、長さ100mmの溶接ビードを試験片上に堆積しました。サンプルが周囲温度まで冷却された後、サンプルの裏側の歪みを測定します。
図 5 に示す 3 次元温度場は、測定された温度プロファイルと熱電対の位置から生成された、溶接部付近の温度分布を表しています。実験温度場をシミュレーション結果と比較します。さらに、2D ビューから結果をエクスポートすることもできます。上面図には基板表面の等温線が示されており（図 6a）、黒い矢印は溶接方向を指しています。黒い破線は 100 °C でプロットされた等温線を表します。シミュレーションされた線の長さと幅は実験とよく一致していることがわかります。溶接方向の 3 次元温度場の 2 次元ビューが図 6b に示されており、溶接部を横切る基板表面の温度分布を示しています。

図1 有限要素モデル表1 材料構成図2 二重楕円ゴルダック熱源モデル図3 ガウス熱源モデル表2 実験パラメータ図4 溶接形状図5 三次元温度場（a）（b）図6 a）等温温度場、b）横方向温度分布結論：

1. 二重楕円熱源の場合、温度分布を一致させながら、実験的に決定された溶融プールの形状を適切にモデル化することは困難です。

2. 2次元ガウス表面熱源を使用すると、溶融池の形状と温度分布の良好な一貫性を実現できます。二重楕円熱源と比較したガウス表面熱源の利点は、独立したシミュレーションパラメータが少ないため、試行錯誤による熱源の調整が簡素化されることです。ガウス熱源はビームプロセスに好まれることが多いですが、プラズマプロセスをより適切に表現できます。詳細は次のとおりです。ガウスパラメータが低くなり、熱源の断面半径が大きくなると、エネルギー分布がより平坦になります。この研究は、共通の熱源を使用してプラズマアークを実証する可能性を示しています。プラズマアークはノズルの断面積とプラズマガスの量に大きく影響されるため、プラズマ溶接プロセス用の新しい熱源モデルを開発することは非常に重要です。

高強度鋼のプラズマワイヤアーク積層造形（PWAAM）プロセスの計算溶接シミュレーション

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