Hydromechaniczne kszta towanie wsadów spawanych laserem fizyczne i numeryczne modelowanie procesu *)

Transkrypt

1 Hydromechaniczne kszta towanie wsadów spawanych laserem fizyczne i numeryczne modelowanie procesu *) ANTONI PIELA WÊród nowoczesnych materia ów stosowanych do t oczenia cieczà (hydroforming) elementów karoserii samochodowych nale y wyró niç blachy spawane laserowo (tailored blanks) oraz rury (tubular blanks). Wybrzuszanie od Êrodka cieczà blach lub rur spawanych laserowo w zamkni tych matrycach umo liwia wytwarzanie z o onych wyt oczek, które zastosowane do budowy karoserii samochodowych zwi kszajà pasywne bezpieczeƒstwo pojazdów. Zastosowanie do budowy karoserii samochodowych wyt oczek wykonywanych z wsadów spawanych z blach o zró nicowanych charakterystykach w aêciwoêci mechanicznych pozwala równoczeênie na zmniejszenie ci aru pojazdu [1, 2]. Dodatkowà zaletà kszta towania przy u yciu cieczy jest wysoka jakoêç powierzchni wewn trznej oraz zewn trznej wyrobu. Dr hab. in. Antoni Piela, prof. nadzw. jest pracownikiem Politechniki Âlàskiej. * ) Praca naukowa finansowana ze Êrodków Komitetu Badaƒ Naukowych w latach jako projekt badawczy nr 3 T08B PodatnoÊç wsadów spawanych laserowo (wykrojek lub rur) do t oczenia cieczà zale y od charakterystyki àczonych blach oraz w aêciwoêci i miejsca po o enia spoiny w wyt oczce. Uwzgl dniajàc fakt, e wsady spawane mogà ró niç si zarówno gruboêcià, jak i wytrzyma oêcià àczonych pasów, trudno jest okreêliç t ocznoêç tego rodzaju wsadu. Praktycznie zaê problem ten sprowadza si do opracowania metody analizy p yni cia niejednorodnego wsadu w procesach t oczenia cechujàcych si zró nicowanà geometrià oraz zmiennoêcià stanu napr enia i odkszta cenia jedynie na podstawie poczàtkowych w aêciwoêci pasów blach sk adowych. Ogólnie rzecz bioràc, nale y odpowiedzieç na pytanie: na ile mo na ró nicowaç, zarówno pod wzgl dem gruboêci, jak i gatunku stali, pasy sk adowe stosowane do produkcji wsadów spawanych laserem (wykrojów p askich oraz rur jako profili zamkni tych), które ze wzgl du na ograniczenia technologii kszta towania mo na wybrzuszaç cieczà. Problem drugi to okreêlenie charakteru oddzia ywania zró nicowanych w aêciwoêci wsadu spawanego laserowo na proces 34 ROK WYD. LXIV ZESZYT 7-8/2005

2 plastycznego p yni cia materia u podczas kszta towania cieczà. Wynika stàd zasadnoêç stosowania technik symulacyjnych do projektowania procesu t oczenia. Aby rozpoznaç przedstawiony problem, wykonano laboratoryjne badania wybrzuszania cieczà krà ków wykrojonych z wsadów spawanych laserem. Wykorzystano w tym celu technologicznà prób hydraulicznego wybrzuszania blach (bulge test). Dla porównania wykonano równie próby wybrzuszania blach stemplem o pó kulistym zakoƒczeniu. Równolegle wykonano badania numeryczne, w których symulowano metodà elementów skoƒczonych przeprowadzone próby fizyczne, modelujàce swobodne kszta towanie cieczà, blach spawanych z pasów o ró nej gruboêci i ró nych w aêciwoêciach mechanicznych. Materia i stanowisko badawcze Badania procesu wybrzuszania wsadów spawanych laserem przy u yciu stempla lub cieczy przeprowadzono dla czterech blach (ró niàcych si gruboêcià lub gatunkiem): DC04 o gruboêciach 0,7 oraz 1,2 mm (wg PN-EN A1:1999); H180BD+Z gruboêci 1,2 mm oraz H340LAD+Z gruboêci 1,5 mm (wg PN-EN 10292:2000). Wymienione blachy, wzi te wprost z linii t oczenia ró nych elementów karoserii samochodu Fiat Panda, spe nia y wymagania wymienionych norm. Metodà spawania laserowego [3], àczàc po dwie taêmy w jeden pas, wykonano wiele wariantów wsadów spawanych, w tym pasy, w których zespawano taêmy tego samego gatunku i gruboêci. Próby wybrzuszania cieczà oraz stemplem o pó kulistym zakoƒczeniu, krà ków wsadowych o Êrednicy 160 mm, przeprowadzono przy u yciu narz dzi przedstawionych na rys. 1. Próby t oczenia Dla ka dego wariantu wsadu spawanego przeprowadzono prób wybrzuszania do momentu osià- gania maksymalnej si y dzia ania t oka lub stempla oraz prób wybrzuszania do momentu p kania blachy lub spoiny. W próbach tych stosowano po trzy próbki dla jednego wariantu wsadu. Na ka dy krà- ek wsadowy nanoszono metodà elektrochemicznà siatki koordynacyjne o Êrednicy oczka 2 mm, które wykorzystano do pomiaru odkszta ceƒ lokalnych. W próbie hydraulicznego wybrzuszania stosowano przek adki z blachy stalowej o odpowiedniej gruboêci w celu zniwelowania ró nic gruboêci wsadów spawanych. Dodatkowo w celu uszczelnienia stosowano gumowe pierêcienie pomi dzy blachà a matrycà oraz blachà a dociskaczem. W przypadku wybrzuszania stemplem stosowano jedynie przek adki z blach kompensujàcych ró nice gruboêci spawanego wsadu. Próby t oczenia stemplem wykonano bez smaru. Krà ki wsadowe wycinano w taki sposób, aby linia spoiny na poczàtku próby przebiega a przez Êrodek. Na rys. 2 oraz 3 przedstawiono przyk adowe fotografie otrzymanych wyt oczek. Zró nicowanie odkszta ceƒ lokalnych (rys. 4) poszczególnych pasów blachy we wsadach spawanych wywo ywane jest zarówno obecnoêcià spoiny, jak i zró nicowaniem w aêciwoêci oraz ró nà gruboêcià àczonych blach, a tak e mniejszà w porównaniu z blachami sk adowymi plastycznoêcià spoiny. W konsekwencji kszta t wyt oczek wybrzuszanych cieczà (rys. 2a i 3a) jest ró ny od wyt oczek kszta towanych stemplem (rys. 2b i 3b). Odmienny jest równie charakter i lokalizacja p kania wsadu dla po àczeƒ blach jednakowej gruboêci i tego samego gatunku (rys. 3) w porównaniu z po àczeniami blach ró nej gruboêci i ró nego gatunku (rys. 2). Cechà charakterystycznà procesu p yni cia wsadów spawanych podczas t oczenia jest wykrzywienie linii spoiny. WielkoÊç przemieszczenia i wykrzywienia linii spoiny zale y od w aêciwoêci àczonych blach, co jak stwierdzono jednoznacznie okreêla iloczyn napr enia uplastyczniajàcego i gruboêci blachy. Wyst powanie okreêlonego typu p - Rys. 1 Narz dzia stosowane do próby wybrzuszania cieczà (a); narz dzia stosowane do próby wybrzuszania stemplem: 1 matryca, 2 wsad spawany, 3 dociskacz, 4 ciecz lub stempel, 5 t ok ( b) ROK WYD. LXIV ZESZYT 7-8/

3 Rys. 2. Fotografia wyt oczki wybrzuszanej: a) cieczà; b) stemplem; wsad spawany z pasów: blachy A w gatunku H340LAD+Z gruboêci 1,5 mm oraz blachy B w gatunku DC04+Z gruboêci 0,7 mm Rys. 3. Fotografia wyt oczki wybrzuszanej: a) cieczà; b) stemplem; wsad spawany z pasów tej samej blachy C w gatunku H180BD+Z gruboêci 1,2 mm Rys. 4. Porównanie odkszta ceƒ lokalnych mierzonych wzd u linii prostopad ej do spoiny dla wyt oczki wybrzuszanej cieczà oraz wyt oczki kszta towanej stemplem kania wsadów spawanych zale y od panujàcego w obszarze krytycznym stanu mechanicznego (stanu napr enia-odkszta cenia) oraz relacji zmieniajàcego si podczas t oczenia iloczynu napr enia uplastyczniajàcego i gruboêci blachy σ p g. Gdy umocnienie odkszta ceniowe doprowadzi do przekroczenia wielkoêci napr enia uplastyczniajàcego spoiny przez napr enie uplastyczniajàce materia ów blach sk adowych lub gdy spoina jest odkszta cana w takim samym stopniu jak àczone blachy, to p kni cie wyst puje w spoinie (rys. 3). Porównanie wyników symulacji fizycznej i numerycznej Równomierny rozk ad ciênienia cieczy kszta tujàcej wsad, w którym spoina laserowa àczy blachy o istotnie ró nej gruboêci oraz ró nych w aêciwoêciach mechanicznych, powoduje, i kszta t oraz lokalizacja powstajàcych wybrzuszeƒ sà nieprzewidywalne. Problem ten nabiera istotnego znaczenia przy konstruowaniu wykroju wsadowego, jak i projektowaniu procesu hydromechanicznego kszta towania. W celu rozwiàzania postawionych problemów do analizy procesu wybrzuszania cieczà wsadów spawanych laserem zastosowano symulacj metodà elementów skoƒczonych. Odpowiednio do badaƒ fizycznych przeprowadzono badania symulujàce. Wykonane badania numeryczne [4] obejmowa y: opracowanie modelu procesu, przygotowanie danych materia owych i technologicznych oraz parametrów modelu materia u strefy po àczenia, symulacj procesu hydromechanicznego wybrzu- 36 ROK WYD. LXIV ZESZYT 7-8/2005

4 szania oraz wybrzuszania stemplem wsadów spawanych laserem. Szczegó y dotyczàce symulacji procesu t oczenia wsadów spawanych laserem oraz opis wykorzystanego modelu materia owego dla strefy po àczenia szczegó owo omówiono w pracy [5]. Na rys. 5 7 przedstawiono przyk adowy wynik symulacji hydraulicznego wybrzuszania wsadu spawanego. Kszta towanie stemplem (rys. 7a) powoduje, e powstajàce wybrzuszenie w szczytowej cz Êci jest odwzorowaniem pó kulistej koƒcówki stempla, natomiast kszta t pozosta ej cz Êci wyt oczki jest wynikiem dzia ania nierównomiernego rozk adu nacisków stempla na blach oraz dzia ania si tarcia. Tarcie powoduje skupienie odkszta ceƒ w szczytowej cz Êci wybrzuszenia (rys. 7c), zaê odkszta cenie beztarciowe (rys. 5a, 6a, 7a) sprzyja wi kszej równomiernoêci odkszta ceƒ lokalnych (rys. 6b, 7b). Hydromechaniczne kszta towanie wsadów spawanych laserem Wybrzuszanie cieczà blach lub rur spawanych laserem, stosowane do wytwarzania z o onych wyt oczek, odbywa si zazwyczaj w zamkni tych matrycach. Jak ju stwierdzono, cechà charakterystycznà procesu p yni cia wsadów spawanych podczas t oczenia jest nierównomiernoêç odkszta cenia wywo ana zarówno obecnoêcià spoiny, jak i zró nicowaniem w aêciwoêci oraz ró nà gruboêcià àczonych blach. Przy kszta towaniu wyt oczki stemplem wielkoêç oraz lokalny rozk ad odkszta ceƒ zale à od tarcia i kszta tu t oczonego wyrobu. W wypadku t oczenia cieczà rozk ad i lokalizacja odkszta ceƒ w poczàtkowej fazie procesu, gdy kszta towanie pow oki odbywa si bez oddzia ywania matrycy, Rys. 5. Fotografia wyt oczki wybrzuszanej cieczà (a), symulowany kszta t wyt oczki (b); wsad spawany z pasów blach: A w gatunku H340LAD+Z gruboêci 1,5 mm oraz C w gatunku H180BD+Z gruboêci 1,2 mm [4] Rys. 6. Fotografia wyt oczki wybrzuszanej cieczà (a), symulowany kszta t wyt oczki z naniesionym rozk adem zmian gruboêci (b); wsad spawany z pasów blach: D w gatunku DC04+Z gruboêci 1,2 mm oraz B w gatunku DC04+Z gruboêci 0,7 mm [4] W konsekwencji wyt oczki wybrzuszane cieczà w chwili p kania sà wy sze przeci tnie o 15% w porównaniu z wyt oczkami wybrzuszanymi stemplem. Przemieszczenie lub wykrzywienie spoiny w wypadku wyt oczek wybrzuszanych cieczà jest znacznie wi ksze ni przemieszczenie spoiny wyt oczek kszta towanych stemplem. Rys. 7. Fotografia wyt oczki wybrzuszanej cieczà (a), symulowany kszta t wyt oczki z rys. 7a) z naniesionym rozk adem lokalnych odkszta ceƒ w kierunku gruboêci (b), fotografia wyt oczki wybrzuszanej stemplem (c), symulowany kszta t wyt oczki z rys. 7b) z naniesionym rozk adem lokalnych odkszta ceƒ w kierunku gruboêci d); wsad spawany z pasów blach: C w gatunku H180BD+Z gruboêci 1,2 mm oraz B w gatunku DC04+Z gruboêci 0,7 mm [4] ROK WYD. LXIV ZESZYT 7-8/

5 zale à jedynie od lokalnej wielkoêci iloczynu gruboêci blachy i napr enia uplastyczniajàcego. Jest to faza kszta towania bez udzia u tarcia. Zró nicowanie wielkoêci lokalnych odkszta ceƒ blachy lub rury w tej fazie procesu decyduje o drugiej fazie, gdy oddzia ywanie matrycy nak ada na proces p yni cia metalu oddzia ywanie tarcia i prowadzi do dalszego zró nicowania lokalnego p yni cia, wynikajàcego g ównie z ró nego umocnienia odkszta ceniowego. Reasumujàc, wsad to po àczenie gatunkowo ró nych blach. W poczàtkowej fazie kszta towany jest on bez udzia u tarcia. W drugiej fazie procesu t oczenia (z udzia em matrycy) zarówno àczone blachy, jak i sama spoina to materia w ró nym stopniu umocniony, co w konsekwencji determinuje charakter plastycznego p yni cia. Przedstawione problemy sta y si przyczynà podj cia prac zwiàzanych z budowà stanowiska umo liwiajàcego analiz procesu hydromechanicznego kszta towania wsadów spawanych laserem, tzn. zarówno blach, jak i rur. Na rys. 8 przedstawiono fotografi wyt oczki oraz przyk adowe narz dzia opracowane na bazie próby bulge test na potrzeby analizy procesu hydromechanicznego kszta towania blach spawanych. Równolegle prowadzone sà prace nad wytworzeniem wsadów rurowych oraz budowà stanowiska do wybrzuszania rur. Do wytwarzania próbek rurowych wykorzystano metod walcowania rury szczelinowej z pasów blachy i dalej wzd u nego spawania laserem. Na rys. 9 przedstawiono fotografie wykonanych próbek oraz fotografi budowanego we wspó pracy z Zak adem HYDRAPRESS urzàdzenia do wyt aczania rur ciênieniem cieczy. Zasadniczy problem to budowa odpowiedniego uk adu sterujàcego ciênieniami: kszta tujàcym rur oraz ciênieniem dociskajàcym g owice uszczelniajàce, gdy ciênienia te majà istotny wp yw na stan napr enia wyst pujàcy w kszta towanej rurze. Wnioski Rozk ad odkszta ceƒ w blachach àczonych wybrzuszanych stemplem zale y od kszta tu stempla, warunków tarcia oraz wzajemnej relacji pomi dzy w aêciwoêciami poszczególnych blach i w aêciwoêciami spoiny. W wypadku wybrzuszania cieczà rozk ad odkszta ceƒ zale y jedynie od geometrii próbki i wzajemnej relacji w aêciwoêci po àczonych blach oraz spoiny laserowej. Wybrzuszanie cieczà prowadzi do odkszta cania miejsc, w których dla danej blachy iloczyn gruboêci i wielkoêci lokalnego napr enia uplastyczniajàcego jest najmniejszy, co powoduje powstawanie dwóch wybrzuszeƒ o ró nym stopniu odkszta cenia blachy. Numeryczna symulacja wybrzuszania wsadów spawanych laserem, kszta towanych zarówno cieczà, jak i stemplem, pozwala na pe nà analiz procesu p yni cia blachy, co umo liwia projektowanie tego typu procesu. LITERATURA 1. Kim J., Kang S., Kan B.: A prediction of bursting failure in tube hydroforming processes based on ductile fracture criterion. Int. J. Adv. Man. Tech. No. 22/2003, pp Zhang S., Zhou L., Wang Z., Xu Y.: Technology of sheet hydroforming with a movable female die. International Rys. 8. Schemat narz dzia wykonanego dla potrzeb badaƒ t ocznoêci blach kszta towanych w matrycy (kwadratowej) metodà hydroformingu (a), fotografia uzyskanej wyt oczki (b) Rys. 9. Widok budowanego stanowiska badawczego do prób kszta towania rur metodà hydroformingu (a); rury wykonane z blach ze stali mikroskopowej: 1 skrzynka sterownicza, 2 g owice uszczelniajàce miejsce montowania próbki rurowej, 3 monitor komputera rejestrujàcego parametry procesu wyt aczania (b) 38 ROK WYD. LXIV ZESZYT 7-8/2005

6 P Dokoƒczenie z 38 str. Journal of Machine Tools & Manufacture No. 43/2003, pp Pilarczyk J., Piela A., Banasik M.: Wykroje blach tailored blanks spawane laserem. Przeglàd Spawalnictwa, nr 6/2003, ss Piela A., Rojek J.: Numeryczna analiza procesu wybrzuszania cieczà wsadów spawanych laserem. XII Konferencja nt. Informatyka w technologii metali, Ustroƒ , Edycja: A. Piela, J. Lisok, F. Grosman, Wydawnictwo Akapit Kraków, ss Piela A., Rojek J.: Symulacja procesu t oczenia wsadów spawanych laserem. Edycja: Piela A., Grosman F., Kusiak J., Pietrzyk M.: Informatyka w technologii metali. Wyd. Politechniki Âlàskiej, Gliwice ROK WYD. LXIV ZESZYT 7-8/