OpenFOAMによるロウ付けの解析 │ 解析事例　OpenFOAM

様々な産業機器の製造工程で利用されるロウ付けは、使用用途や目的によって、耐腐食性、高熱伝導性、強度等が求められます。ロウ材の物性とロウ付け時の成形条件によっては、内部に気泡がトラップされ、接合部の強度が著しく低下する場合があります。微小な気泡は、外部からの目視による確認は難しいですが、シミュレーションを活用すると、気泡のトラップ状況を簡単に確認することができ、ロウ付け状況の予測や、適切な成形条件の検討に使用することができます。

流体解析でロウ付けを再現するため、ライセンスフリーの汎用熱流体解析ソフトOpneFOAMをカスタマイズし、VOF法のソルバーであるinterFoamに熱計算と合金の凝固溶融機能を追加しました。

液相線温度、固相線温度、物性値(比熱、プラントル数等)を設定し、凝固・溶融現象を計算します。セルの温度が液相線以上の場合は溶融状態とし、固相線以下の場合、凝固状態として流動を停止させます。セル温度が固相線から液相線の間にある場合は、半凝固状態とし、凝固率に比例した流動抵抗を付加します。

参考として、カスタマイズソルバーを利用して計算した、矩形状のロウ材が溶けていく様子のサンプルアニメーションを示します。溶融する合金の流れだけでなく、空気の流動も解くことができるため、ロウ付け時に発生する気泡のトラップも再現することができます。

CAEを活用して適切なロウ付けの成形条件を検討していきます。初めに、解析の背景を以下に示します。

解析の背景
「今回、新しいロウ材と製品形状でロウ付けをすることになりました。製品の使用環境上、ロウ付け部に高い応力が作用するため、気泡のトラップを可能な限り抑える必要があります。しかしながら、初めて使うロウ材のため、従来の経験と勘を元にロウ付けを行ってしまうと、気泡がトラップされる危険性があり、試行錯誤に時間がかかってしまいます。このため、初めに流体解析を実施し、適切な成形条件について、あたりを付けることにしました。」

初めに、解析でどのようなデータが必要になるか整理し準備します。今回の解析テーマでは、3次元CADデータ、境界温度、初期条件、接触角、材料物性等です。材料物性は、材料メーカーから入手できない場合、自分たちで準備する必要があります。

1ケース目として、とりあえず従来の経験を元にした成形方法で熱流体解析を実施し、気泡がトラップされそうか確認してみます。図4と5に、解析モデルと初期のプリフォームリングの配置を示します。なお、解析領域はロウが溶融する部分のみ抜き出し、形状・条件の対称性から1/2解析モデルで作成しています。

残念ながら、今回設定した条件では、気泡がトラップされてしまう危険性があることがわかりました。溶融したロウ材が継ぎ手部分の微小な隙間に浸透する際に、パイプとプリフォームリングの隙間の空気が巻き込まれてしまう様です。プリフォームリングの断面形状を円形から矩形に変更すれば、パイプとプリフォームリングの隙間がなくなるので、気泡のトラップを抑えることができるかもしれません。