NAPRĘŻENIA W POŁĄCZENIU SPAWANYM WYKONANYM TECHNIKĄ LASEROWĄ. SYMULACJE NUMERYCZNE

Transkrypt

1 9/9 Archives of Foundry, Year 23, Volume 3, 9 Archiwum Odlewnicwa, Rok 23, Rocznik 3, Nr 9 PAN Kaowice PL ISSN NAPRĘŻENIA W POŁĄCZENIU SPAWANYM WYKONANYM TECHNIKĄ LASEROWĄ. SYMULACJE NUMERYCZNE A. BOKOTA 1, W.PIEKARSKA 2 Insyu Mechaniki i Podsaw Konsrukci Maszyn, Poliechnika Częsochowska, Częsochowa, ul. Dąbrowskiego 73 STRESZCZENIE Dokonano oceny sref wpływu ciepła oraz naprężeń od obciążeń ermicznych i przemian fazowych w połączeniu czołowym wykonanym echniką laserową. Model przemian fazowych w procesach nagrzewania i chłodzenia ciągłego oparo na równaniach Avramiego, Koisinena i Marburgera, doyczy on sali spawalne o podwyższone wyrzymałości. W modelowaniu naprężeń generowanych polem emperaury i przemianami fazowymi, wykorzysano prawo plasycznego płynięcia ze wzmocnieniem izoropowym i warunkiem plasyczności Hubera-Misesa. Uwzględniono zmiany paramerów ermofizycznych od emperaury i składu fazowego. Key words: laser welding, phase ransformaion, sresses, numerical simulaion 1. WPROWADZENIE W procesie spawania laserowego wysępuą skupione źródła ciepła o duże mocy. W ooczeniu ych źródeł oraz maeriale łączonym wysępuą wysokie emperaury oraz duże ich gradieny [3,5]. Temperaura i przemiany fazowe generuą znaczące izoropowe odkszałcenia ermiczne i srukuralne, kóre są powodem powsawania naprężeń chwilowych, a nasępnie własnych [2,4,5]. W omawianym procesie część maeriału podlega uplasycznieniu. Do wyznaczania odkszałceń plasycznych zasosowano model nieizoermicznego plasycznego płynięcia z warunkiem plasyczności Hubera-Misesa i wzmocnieniem izoropowym [1,2,5]. 1 dr hab. inż. prof. P.Cz., bokoa@imipkm.pcz.czes.pl 2 dr inż. piekarska@imipkm.pcz.czes.pl

2 7 Ocena wpływu zmian srukuralnych na odkszałcenia i naprężenia w maeriale spawanym ma duże znaczenie echnologiczne i es możliwa dopiero wówczas, gdy isnieą informace o wielkości i rodzau przemian fazowych wysępuących w danym cyklu cieplnym. Modele numeryczne przemian fazowych i naprężeń umożliwiaą uniknięcie koszownych badań oraz uzyskanie danych do opymalnego prowadzenia procesu spawania. 2. PRZEMIANY FAZOWE I ODKSZTAŁCENIA Do obliczania udziałów fazowych w sanie sałym oraz owarzyszącym im izoropowych odkszałceń ermicznych i srukuralnych wykorzysano model przemian fazowych zbudowany dla spawalnych sali sopowych [2, 1]. Udział auseniu powsaącego podczas nagrzewania ze srukury wyściowe, wyznacza się korzysaąc z formuły Avramiego [4,7]: Udział fazy powsałe z auseniu es deerminowany emperaurą i szybkością chłodzenia w przedziale (8,5 C). Ilościowy udział nowe fazy w procesie chłodzenia, akie ak baini, ferry czy perli wyznaczany es również wzorem sosowanym do przemian dyfuzynych,., formułą Avramiego. Udział marenzyu naomias, szacue się zależnością Koinsinena-Marburgera [6]. Meoda a i e weryfikaca doświadczalna przedsawiona es w pracy [1]. Przyrosy odkszałceń izoropowych od emperaury i przemian fazowych (odkszałcenia srukuralne) wyznaczane są odpowiednio w procesie nagrzewania i chłodzenia, wzorami [1,8]: d TPh i 5 TPh i5 4 i 1 iidt Ad A d i 1 iidt 1 d (2.1) gdzie: i = A, B, F, M. i P, i i T są współczynnikami liniowe dylaaci auseniu, bainiu, ferryu, marenzyu i pearliu, odpowiednio; i udział poszczególne fazy, = B, F, M i P; T są odkszałceniami izoropowymi przemiany fazowe: auseniu w baini, auseniu w ferry, auseniu w marenzy i auseniu w perli. Współczynniki liniowe dylaaci ermiczne oraz zmian obęości od przemian fazowych przyęo na podsawie badań eksperymenalnych przeprowadzonych na symulaorze cykli cieplnych dla różnych prędkości nagrzewania i chłodzenia. 3. NAPRĘŻENIA Informace o naprężeniach owarzyszących procesowi spawania uzyskue się rozwiązuąc prędkościowe równania równowagi meodą elemenów skończonych [1,2,5]. Isniee zaem możliwość uwzględniania zmian sałych maeriałowych od emperaury i składu fazowego w kolenych przyrosach obciążenia, urzymuąc liniowość równań równowagi.

3 71 Moduły Younga i syczny uzależniono od emperaury, naomias granicę plasyczności od emperaury i składu fazowego, zn.: E E( T), E E ( T), 5 i o i i1 Y Y ( T, ), Y Y ( T), (3.1) i Zadanie rozwiązano meodą elemenów skończonych uzupełniaąc równania równowagi odpowiednimi warunkami brzegowymi oraz warunkami począkowymi: σ x, ex,, σx, T kr, ex, T, kr (3.2) gdzie T kr es emperaurą przyęą za począkową powsawania naprężeń w srefie przeopienia, przyęo: T kr =.5(T sol +T lik ). Zasosowano zmodyfikowany płaski san odkszałcenia, w kórym zapewniano zerowanie się wypadkowe siły normalne w przekrou poprzecznym płaskownika. Całkowie przemieszczenia, odkszałcenia i naprężenia są wynikiem całkowania po czasie orzymanych przyrosów poszukiwanych funkci. W procesie ieracynym wykorzysywano zmodyfikowany algorym Newona-Raphsona. 4. PRZYKŁADY OBLICZEŃ NUMERYCZNYCH Pole emperaury orzymano z rozwiązania równania nieusalonego przepływu ciepła z członem konwekcynym. 2 T x, QV Tx, T x, v (4.1) C gdzie: es współczynnikiem wyrównywania emperaury, C właściwą poemnością cieplną, Q v mocą obęościowych źródeł ciepła, w kórym uwzględnia się ciepło pochodzące od wiązki laserowe, x es wekorem położenia rozważanego punku (cząski), v=v(x,) wekorem prędkości przesuwu wiązki laserowe. Równanie o rozwiązano meodą zaproponowaną w pracy [8], polegaącą na wykorzysaniu superpozyci funkci Greena. Pole emperaury w usalonym punkcie x= x (x,y,z) i czasie zależy od źródła o rozkładzie Gaussowskim [8,9]: x' y' 2 2 ~ Q Q x ' exp z' a (4.2) 2a gdzie: es współczynnikiem absorpci, Q es mocą źródła wiązki (mocą pochodzącą od wiązki laserowe).

4 Temperaura, K Temperaura, K 72 Założono, że rozwiązanie saconarne isniee dla czasu =, a ruchomy układ współrzędnych {x,y,z } porusza się względem układu podsawowego z prędkością v=v(u,,) równolegle do osi x. Temperaurę w rozważanym obszarze oblicza się poprzez całkowanie, dodaąc emperaurę począkową (T ini ): 1 T C ef ~ ' Qx, G x x, d d' T (4.3) ini Ω Obliczenia numeryczne przeprowadzono dla elemenu o wymiarach 136 [mm] spawanego wiązką laserową. Paramery ermofizyczne zależne od emperaury przyęo dla niskowęglowe spawalne sali sopowe. Wykonano dwa przykłady (1 i 2) dla nasępuących paramerów spawania: moc Q=3.5 i 2 [kw], prędkości spawania 1 i 3 [m/h] odpowiednio, średnica wiązki lasera d= absorbci przyęo o warości: =17 (por. [8]). 8 a =4 [mm], współczynnik v=1 m/h v=3 m/h Długość, mm Rys Rozkład emperaury na powierzchni górne i dolne wzdłuż linii spawania Fig Temperaure disribuion on he op and boom surface along welding line of he welded elemen v=1 m/h v=3 m/h Szerokość, mm Rys Rozkład emperaury na powierzchni górne i dolne spawanego elemenu Fig Temperaure disribuion on he op and boom surface of he welded elemen Sałe maeriałowe aproksymowano funkcami kwadraowymi przymuąc: moduł Younga i moduł syczny i [MPa], granice plasyczności 15, 32, 5, 9 i 32 [MPa] odpowiednio dla auseniu, ferryu, bainiu, marenzyu i perliu, w emperaurze K, moduł Younga i moduł syczny 1 2 i 1 [MPa] oraz granice plasyczności 5 [MPa] w emperaurze 175 K.

5 Naprężenie, MPa Naprężenie, MPa z, mm z, mm y, mm Rys Srefa wpływu ciepła (przykład 1) Fig Hea affeced zone (example 1) v=1 m/h Szerokość, mm Rys Naprężenia własne w przekrou poprzecznym na powierzchni górne i dolne (przykład 1) Fig Residual sresses in cross secion on he op and boom surface (example 1) y, mm Rys Srefa wpływu ciepła (przykład 2) Fig Hea affeced zone (example 2) m/h Szerokość, mm Rys Naprężenia własne w przekrou poprzecznym na powierzchni górne i dolne (przykład 2) Fig Residual sresses in cross secion on he op and boom surface (example 2) LITERATURA [1] Bokoa A., Iskierka S., Effec of phase ransformaion on sress saes in surface layer of laser hardened carbon seel. ISIJ Inernaional, 36, 11, 1996, [2] Bokoa A., Piekarska W., Numerical analysis of sress saes in a bu laserwelding oin, Proccedings of Inernaional Conference Maemaical modelling

6 74 and informaion echnologies in welding and relaed process, 16-2 Sepember, 22, vil. Kasiveli, Crimea, [3] Haskin V.Ju., Pavlovski S.Ju., Garascuk V.P., Selagin V.D., Gonczarenko E.I.: Osobennos svarki onkolisovych nizkouglerodisych sale impul snoperiodiceskim izluceniem CO2 lazera. Avom.Svarka 21, 2, [4] Hougardy H.P., Calculaion of he Isohermal Transformaion ino Differen Microsrucures from Measuremens wih Coninuous Cooling, Maerials Technology, Seel Research 61, 1, 199. [5] Karlsson L.: Thermal sresses in welding. Thermal sresses I, Edied by Henarski R. B., Elsevier Science Publishers B. V [6] Koisinen D.P., Marburger R.E., A General Equaion Prescribing he Exene of he ausenie-marensie ransformaion in pure iron-carbon alloys and plain carbon seels, Aca Meall., 7, 1959, [7] Liu C.C, Liu Z., Xu X.J. Chen G.X., Wu J.Z., Effec of sress on ransformaion and predicion of residual sresses. Maerial Science and Technology, 14, 1998, [8] Liu Y.-N., Kannaey-Asibu E., Jr., Laser beam welding wih simulaneous gaussian laser preheaing. Journal of Hea Transfer, Trans. of he ASME, 115, 1993, [9] Machrzak E., Mochnacki B., Meody numeryczne, podsawy eoreyczne, aspeky prakyczne i algorymy, Gliwice [1] Piekarska W., Numerical modelling of srucures in he hea affeced zone during laser welding process, Proccedings of Inernaional Conference Maemaical modelling and informaion echnologies in welding and relaed process, 16-2 Sepember, 22, vil. Kasiveli, Crimea, Praca finansowa przez KBN STRESSES IN THE LASER WELDING JOINT. NUMERICAL SIMULATION SUMMARY In he paper he esimaion of he hea affeced zone and sress saes caused by he emperaure field and phase ransformaion in a bu laser welding oin is made. The model of phase ransformaion in a coninuous heaing and cooling process is based on Avrami, Koisinen and Marburger equaions for a higher srengh seel. In he modelling of sresses generaed by he emperaure field and phase ransformaion he law of non - isohermal plasic flow wih isoropic hardening has been used. Changes of he hermophysical parameers depended on boh he emperaure and he phase fracion have been aken ino accoun. Recenzował Prof. Bohdan Mochnacki