FEM逆解析による摩擦攪拌接合における接合入熱の予測手法の確立

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荷重制御型摩擦攪拌接合装置を使用し,アルミニウム合金板A5052-H34,A6061-T651,およびA2017-T4(100mm×500mm×4mmt)についてツール回転数及び接合速度をパラメータとしてビードオンプレート試験を実施した.試験時に材料表面温度,バックアップ材との接触界面温度を熱電対で測定するとともに,耐熱塗料を塗布したツール側面の表面温度を熱画像装置により測定した.その結果,材料表面温度およびバックアップ材との接触界面温度はAdvancing側とRetreating側で差があること,材料種類,ツール回転数,及び接合速度によりこの温度差が変化すること,またツール側面温度は,材料種類とツール回転数の組合せ毎に,ある接合時間を経過後準定常状態に達すること,また準定常状態に達すると接合速度によらず温度はツール先端からの距離に依存することが明らかとなった.上述の実験結果をふまえ,有効接合入熱の推定アルゴリズムを検討し,その推定システムを構築した.ツールショルダ部でのツール回転数を加味した発熱モデルを元に有効接合入熱の初期値を計算し,接合速度に応じたAdvancing側とRetreating側への案分割合の8候補について定常熱伝導解析を実施し,温度測定点における解析値と実験値を比較する.実験値に近い順から案分割合の候補3つを選び,その範囲内で再度案分割合の候補を選択し上述の解析を実施する.このプロセスを複数回実施することにより,準定常状態における有効接合入熱の値とその案分率を推定する.また,汎用有限要素法プログラムのサブルーチン機能を利用し,有効接合入熱の推定値とAdvancing側とRetreating側への案分割合を考慮し,入熱を表面分布熱流速で与える非定常熱伝導解析システムを構築し,A6061-T651材の幾つかのツール回転数及び接合速度条件での温度分布の時間変化と実計測データを接合実験による温度実測値と比較した結果,両者は定性的に一致した.