溶接熱シミュレーション
理論：動く熱源と冷却時間
概要
溶接の熱解析で、まず何を見ればいいですか？温度の分布全体ですか？
鋼の溶接で一番大事なのは、溶接部がどれだけの速さで冷えるかだ。鋼は800℃から500℃の間で組織が変わるので、この間の冷却時間t8/5が短すぎると、硬くてもろい組織ができて割れやすくなる。t8/5は、入熱、板厚、予熱の温度でほぼ決まる。動く点熱源の解析解（ローゼンタール解）で厚板と薄板の場合を求められ、実務ではそれを実験で補正した式も使われる。両方で計算してみよう。
入熱と冷却時間
$Q$ は単位長さあたりの入熱、$\eta$ は熱効率（MAG溶接で約0.8）、$T_0$ は予熱（初期）温度、$d$ は板厚。厚板（3次元の熱の流れ）では入熱に比例し、薄板（2次元）では入熱の2乗に比例して板厚の2乗に反比例する。SEW 088ではこれらを実験で補正した係数を使う。
ローゼンタールの移動熱源
溶接の熱の流れを初めて理論的に解いたのは、1930〜40年代のローゼンタールで、溶接のトーチと一緒に動く座標を使うと、温度の分布が時間によらない形になることを示した。この解は、溶融池の大きさや冷却速度を見積もる基本として今も使われている。ドイツの鉄鋼業界は、実際の溶接で測った冷却時間をもとにSEW 088という指針をまとめ、t8/5を溶接条件の管理に使う方法を広めた。
計算例：MAG溶接（入熱1.12 kJ/mm）
電圧28 V・電流250 A・溶接速度5 mm/s・熱効率0.8。ローゼンタール解の物性は熱伝導率28 W/mK、体積熱容量4.8 MJ/m³K（500〜800℃の代表値）。
板厚と予熱
| 予熱温度 | 板厚 | SEW 088 | ローゼンタール |
|---|---|---|---|
| 20 °C | 10 mm | 14.3 秒（薄板） | 20.0 秒（2次元） |
| 20 °C | 20 mm | 5.9 秒（厚板） | 5.1 秒（3次元） |
| 20 °C | 40 mm | 5.9 秒（厚板） | 5.1 秒（3次元） |
| 150 °C | 10 mm | 26.6 秒（薄板） | 43.1 秒（2次元） |
| 150 °C | 20 mm | 8.8 秒（厚板） | 8.4 秒（3次元） |
SEW 088で厚板と薄板が切り替わる板厚は、予熱20℃で15.5 mm、150℃で17.4 mm。
入熱の影響（厚板、予熱なし）
| 入熱 | SEW 088 | ローゼンタール |
|---|---|---|
| 0.60 kJ/mm | 3.2 秒 | 2.7 秒 |
| 1.12 kJ/mm | 5.9 秒 | 5.1 秒 |
| 2.00 kJ/mm | 10.6 秒 | 9.1 秒 |
厚板ではローゼンタール解とSEWの差が15%ほどなのに、薄板では40%もずれるんですね。
ローゼンタール解は、物性が温度によらず一定で、板の表面から熱が逃げないと仮定している。厚板では熱が主に板の中へ広がるので、この仮定でもかなり合う。薄板では熱が面方向にしか逃げられないので、表面からの放熱や物性の温度変化の影響が相対的に大きくなり、さらに板厚の2乗が効くので小さな差が大きく出る。だから実務では実験で補正したSEWなどの式を使い、ローゼンタール解は傾向をつかむのに使う。どちらにしても、薄い板ほど、予熱するほど冷却は遅くなる。予熱150℃では、薄板10 mmで26.6秒と、予熱なしの厚板の4倍以上になる。
解析のポイント
- 入熱は熱効率を含めて求める（溶接法で効率が違う）。
- 板厚が厚板と薄板のどちらの領域かを確認してから式を選ぶ。
- 鋼種ごとの推奨t8/5の範囲と比べ、予熱や入熱を調整する。
- 詳細な解析では、温度依存の物性・潜熱・表面からの放熱を入れた有限要素法を使う。
- 多層盛りでは、前のパスの熱（パス間温度）を初期温度として考える。
「冬の現場だけで割れた」
ある鋼構造物の現場溶接で、同じ手順なのに冬の工事でだけ溶接部の割れが見つかった。冬は鋼材の温度が0℃近くまで下がり、t8/5が短くなって熱影響部が硬くなっていたうえ、空気中の水分による水素も多かった。手順書に予熱の温度と、気温に応じた管理を加え、溶接前に鋼材を温めるようにすると割れはなくなった。t8/5は鋼材の初期温度にも敏感で、季節によって変わることを忘れてはいけない。
よくある間違い
間違いと対策
| 間違い | 起きること | 対策 |
|---|---|---|
| 熱効率を入れない | 入熱を過大評価 | 溶接法の効率 |
| 薄板に厚板の式 | t8/5を過小評価 | 遷移板厚で判断 |
| 初期温度を20℃固定 | 冬の割れを見逃す | 実際の鋼材温度 |
| 物性を一定 | 薄板で大きな誤差 | 温度依存を入れる |
| パス間温度を無視 | 多層盛りで誤差 | 前パスを考慮 |
関連する内容も知りたいです。
関連トピック
なった
詳しく
報告