アーク溶融池内流れへの非圧縮SPH法適用の試み

摘要

アーク放電は熱源としての安定性と操作性に優れているため，その強い発熱作用を利用して溶接·切断といったアーク溶融プロセスとして鉄鋼業や自動車産業をはじめとする幅広い分野に応用されている．図1 はアーク溶接技術の一例であるTIG 溶接法の概略図である．アークはタングステン陰極と陽極との間に生成され，その熱によって陽極が溶融することでプロセスが進行する．プロセスの質の向上のためには，アーク直下に形成される溶融池内の流動を正確に把握しなければならないが，陰極ジェットによるせh断力および電磁気力（ローレンツ力）が内部に流れを駆動する上に，熱伝達·相変化·自由表面の変形を伴うため，その現象は非常に複雑となる．また溶融池内の直接計測は困難であり，内部に引き起こされる対流の駆動力についての理解も依然として乏しい．これまでTanaka et al. やNishiyama et al. は差分法に基づく数値計算によってアーク溶融プロセスのシミュレーションを行い，溶融池内外の温度分布や速度分布の時間変化と溶け込み形状を予測し，対流を引き起こす駆動力の評価を行った．しかしながら陽極表面の波打ちといった自由表面の変形挙動を再現するまでには至っていない．そこで本研究では, 粒子法の一種であるSPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 法をアーク溶接時に形成される溶融池内の流動現象の解析に適用することを試みる．SPH 法はメッシュレスの解析法であるため，境界面の複雑な動きや計算領域の変形を伴う問題に対して，固定座標系に基づく手法よりも適合性が高いと考えられ，自由表面や多層流体の混合問題の解析に有力な手法と言える．これまで，非圧縮性流体に拡張したSPH 法を用いて，ベナール対流や二重拡散対流，氷の溶融過程といった熱伝達や相変化を伴う流動現象のシミュレーションを行い，良好な結果が得られている．本稿では，非圧縮SPH 法を用いて熱伝達·相変化·自由表面の変形がある溶融池内の流れの解析を試み，その有効性を検討するとともに，特に内部に対流を引き起こす主たる駆動力である陰極ジェットによるせh断力および内部に直接働くローレンツ力がそれぞれ流れ場に及ぼす影響を調べたので報告する．