EMS内で電磁パルス溶接プロセスのマルチフィジックス解析

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序章

磁気パルス溶接 (MPW) プロセスは、航空宇宙産業や自動車産業で広く使用されている革新的な高速成形技術です。この技術は爆発溶接と比較できますが、爆発物の代わりに磁力を使用して物体を加速します。

従来の溶接プロセスとは異なり、MPW は溶融を伴わないため、材料特性の大きな変化がありません。磁力を使用して一方の物体を他方の物体に対して加速すると、外部熱源や熱歪みのない固体状態の溶接が得られます。 MPW は、その利点に加えて、渦電流によるジュール熱など、さまざまな界面現象を引き起こします。図 1 は、磁気溶接された 2 つのチューブのサンプルを示しています。

図 1 -磁気パルス溶接サンプル [1]

問題の説明

MPW溶接プロセス中の加熱効果を検討するために、熱解析と連成した電磁界解析が実行されます。検討条件は、フィールドシェーパーと組み合わせた1巻きのコイルで構成されています。この記事では、EMS 過渡モジュールを使用して、時間領域で電磁界および熱の課題を解決するための EMS のマルチフィジックス機能について説明します。図 2 は、解析されたモデルを示しています。

解析設定

EMSの過渡モジュールは、時間とともに変化する磁場を計算して視覚化するために使用されます。また、渦電流、電力損失、磁力など、関連するさまざまな現象にも対処します。

EMS を使用して分析を実行するには、次の手順を実行する必要があります。

1. すべての固体に適切な材料を適用します。
2. 必要な電磁入力を適用します。
3. 必要な熱入力を適用します。
4. モデル全体をメッシュ化し、ソルバーを実行します。

材料

チューブ、ロッド共にアルミ合金AA2024-T351を採用。各部品に使用される材料の電磁気的、機械的、および熱的特性を表 1 にまとめます。

材料	部	密度 （Kg/ )	電気伝導性 (S/m)	比熱容量 (J/Kg.K)	熱伝導率 (W/mK)
アルミ合金 2024-T351	チューブとロッド	2700	1.74	795	143
銅合金	フィールドシェイパー	7900	2.66	486	36
鋼	コイル	7800	4.06	486	36

熱入力

周囲空気体の熱対流入力:
-解析の初期温度は 298 K に設定されています

-対流係数は10W/

電磁入力

この検討では、1巻きのの固体コイルが電流源として定義されています。

図 3 -入力電流波形 [2]

メッシュ生成

メッシュの場合、EMSは、モデル全体の体積、表面積、およびその他の幾何学的詳細を考慮して、モデル全体のグローバル要素サイズを推定します。最終的に生成されるメッシュ (節点と要素の数) は、モデルのジオメトリと寸法、要素サイズ、メッシュ公差などの多くの基準に依存します。メッシュの品質は、メッシュ調節機能を使用して調整することもできます。これにより、このモデルのロッドとチューブに特に細かいメッシュを適用できます (図 4)。

結果

数値解析により、入力電流の最初のインパルスの半周期後に得られた以下の結果が明らかになりました。解析完了になると、磁束密度、磁場強度、渦電流、インダクタンス、インピーダンス、鎖交磁束、電流、誘導電圧、力、トルク、損失などの結果が作成されます。

磁束密度の分布は、拡散時間中のチューブのシールド効果を明確に示しており、チューブ内に到達する磁場の大部分をブロックします。

図 5 -モデル全体の磁束密度分布 a) 最初の半サイクル (11µs) の終わりでのフィールド シェーパーの軸面に沿って b)。

図 6 にインパルス電流前半の管外面磁束密度に関する EMSと参考[3] との比較結果を示す。

インパルス電流の前半期間におけるチューブの温度分布も図 8 に示します。これは、衝突中の急激な温度上昇のために強調表示された領域を示しています。

下表は、チューブ部の温度分布の最大値について、EMSと参考文献[2]の結果を比較したものです。

結論

EMS では、誘導加熱によるワークピースの磁場と温度分布を計算できます。これにより、電磁パルス溶接プロセスの界面挙動をよりよく理解できます。得られた電磁および熱の結果は、参照結果と非常によく相関しています。

参考文献

1]. Seungmin Tak , Hanbin Kang , Inseok Pack , Jinkyu Choi and Seoksoon Lee  "Numerical Simulation of Magnetic Pulse Welding Process for Aluminum Tubes to Steel Bars" Proceedings of ICTACEM 2017 International Conference on Theoretical, Applied, Computational and Experimental Mechanics December 28-30, 2017, IIT Kharagpur, India
2]. T. Sapanathan, K. Yang, D. Chernikov, R.N. Raoelison, V. Gluschenkov, N. Buiron, M. Rachik, "Thermal Effect during Electromagnetic Pulse Welding Process", in:  Materials Science Forum, Trans Tech Publ, (2017) 1662-1667.
3].  T. Sapanathan, K. Yang, R. Raoelison, N. Buiron, D. Jouaffre, and M. Rachik, “Effect of conductivity of the inner rod on the collision conditions during a magnetic pulse welding process,” in 7th International Conference on High Speed Forming, Dortmund, DOI 10.17877/DE290R-16981, 2016.