BADANIA SYMULACYJNE CYKLI CIEPLNYCH SIMULATING INVESTIGATIONS OF THERMAL CYCLES

Transkrypt

1 WOJCIECH WOJCIECHOWSKI, ROBERT KOLBUSZ ** BADANIA SYMULACYJNE CYKLI CIEPLNYCH SIMULATING INVESTIGATIONS OF THERMAL CYCLES S t r e s z c z e n i e A b s t r a c t W artykule opisano zasadę badań symulacyjnych spawalniczych cykli cieplnych oraz korzyści, jakie te badania dają. Przedstawiono metodykę badań, omówiono moŝliwości zastosowania badań symulacyjnych cykli cieplnych w róŝnych dziedzinach. Opisano symulator cykli cieplnych stosowany do badań symulacyjnych w procesach spawalniczych. Słowa kluczowe: spawalność, symulator cykli cieplnych The article describes the principle of simulation testing of the welding thermal cycles and benefits that result from application of this simulation. Methods of investigation were presented and potential applications of simulation testing of thermal cycles in different fields of research were outlined. A simulator of thermal cycles used for simulation testing of the welding processes was described. Keywords: weldability, simulator of thermal cycles Dr hab. inŝ. Wojciech Wojciechowski, prof. PK, Instytut InŜynierii Materiałowej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Krakowska. ** Dr inŝ. Robert Kolbusz, ROBOPROJEKT, Sp. z o.o. Kraków.

2 22 KaŜda praca badawcza wymaga przeprowadzenia określonych eksperymentów, których wyniki mogą być zastosowane w praktyce. Eksperyment moŝe być prosty i tani, ale moŝe teŝ wymagać znacznych nakładów finansowych i trwać długi czas. Dlatego od dawna w badaniach naukowych stosuje się wszelkiego rodzaju modelowanie rzeczywistych obiektów czy zdarzeń, głównie w celu obniŝenia kosztów badań i skrócenia okresu ich trwania, ale teŝ w niektórych wypadkach by zmniejszyć ryzyko, jakie moŝe się pojawić w trakcie badań na rzeczywistych obiektach. Zasada badań symulacyjnych cykli cieplnych polega na nagrzaniu do Ŝądanej temperatury próbki o określonych wymiarach z prędkością porównywalną lub niejednokrotnie identyczną z uzyskiwaną w warunkach rzeczywistych. Próbki są następnie poddawane badaniom metaloznawczym: udarności, twardości, obserwacjom mikroskopowym itp. Badania wykonywane są na symulatorach cykli cieplnych, a wyniki rejestruje się bądź na taśmie papierowej czy magnetycznej, bądź w pamięci komputera. W symulatorach róŝnych procesów cieplnych nagrzewanie dokonywane jest najczęściej w piecach rurowych lub komorowych, które jednak ze względu na swoją bezwładność cieplną nie zapewniają nagrzewania i chłodzenia z tak duŝymi prędkościami, jakie występują w procesach spawalniczych. Uzyskanie oczekiwanych parametrów cyklu cieplnego moŝna osiągnąć dzięki nagrzewaniu próbek mocowanych w specjalnych uchwytach (szczękach), do których doprowadzony jest prąd o duŝym natęŝeniu. W wyniku przepływu prądu układ uchwyt próbka nagrzewa się do zadanej temperatury. Równocześnie układ szczęk chłodzony jest wodą, co zapewnia zaleŝnie od przyjętych parametrów cyklu cieplnego uzyskiwanie określonych szybkości chłodzenia. Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy symulatora cykli cieplnych modyfikowanego w Instytucie InŜynierii Materiałowej PK. Rys. 1. Symulator cykli cieplnych (SCC) schemat: 1 generator, 2 układ chłodzenia, 3 zespół grzewczy wraz z układem mocującym, 4 układ regulująco- -sterujący, PC komputer z oprogramowaniem Fig. 1. Simulator of thermal cycles (the SCC) the diagram: 1 generator, 2 cooling arrangement, 3 the unit heating together with fixing arrangement, 4 steering unit, PC computer with software Zakres moŝliwości wykorzystania badań symulacyjnych jest szeroki; teoretycznie mo- Ŝe być stosowany wszędzie tam, gdzie zachodzą w materiale (w stanie stałym) procesy cieplne.

3 23 Fot. 1. Zespół grzewczy wraz z układem mocującym Photo 1. Heating unit together with fixing arrangement Badania symulacyjne cykli cieplnych spawania stanowią podstawę badań nad zjawiskami zachodzącymi w obszarze złącza spawanego podczas spawania bez konieczności wykonywania złączy próbnych. T [ C] T max M s T 0 t 8/5 Rys. 2. Cykl cieplny spawania: T max maksymalna temperatura cyklu spawania, T 0 temperatura początkowa, t 8/5 czas chłodzenia w przedziale temperatur 800 C 500 C Fig. 2. The thermal cycle of welding: T max maximum temperature of cycle of welding, T 0 initial temperature, t 8/5 time of cooling in range of temperatures 800 C 500 C Kompletne badania rzeczywistych złączy (lub poszczególnych jego stref) wymagają nie tylko spawania przygotowanych wcześniej płyt próbnych, ale równieŝ pobrania z nich t

4 24 próbek, które naleŝy poddać określonym badaniom i kompetentnej ocenie. Wykonanie pojedynczej próby nie stanowi w istocie Ŝadnego problemu kłopoty zaczynają się, gdy naleŝy wykonać znaczną ich liczbę. Zwykle liczba próbnych złączy sięga kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu. Problem komplikuje się jeszcze bardziej, gdy wyniki badań nie są zgodne z oczekiwaniami. Wykorzystanie symulacji cykli cieplnych spawania pozwala śledzić przebieg zmian w dowolnym miejscu złącza bez konieczności wykonania prób spawania. Na rysunku 2 zamieszczono wykres przedstawiający prosty cykl cieplny spawania, na którym zaznaczono przebiegi nagrzewania i chłodzenia w określonym miejscu złącza, a ściślej w miejscu, w którym osiągnięta została zadana temperatura. Przyjęcie zdefiniowanych przebiegów nagrzewania i chłodzenia próbek w symulatorze pozwala określić i ocenić własności symulowanego złącza będącego odpowiednikiem złącza rzeczywistego. Jednak w wypadku symulacji procesów spawalniczych najistotniejsze jest nie to, Ŝe moŝna śledzić przebieg zmian w badanych próbkach, ale to, Ŝe badania symulacyjne pozwalają z duŝym prawdopodobieństwem przewidzieć, na podstawie własności materiału próbek po badaniach, zachowanie się rzeczywistego złącza w czasie spawania i po spawaniu. Jest to szczególnie waŝne w wypadku spawania, które zaliczane jest do grupy procesów specjalnych, tj. takich, których wyniku nie da się do końca przewidzieć. Uzyskane z badań symulacyjnych wyniki, nawet jeŝeli badania prowadzone są kilkukrotnie, pozwolą wyeliminować niewłaściwe parametry, źle dobrany materiał dodatkowy czy wreszcie umoŝliwią ocenę przydatności materiału podstawowego. Tak dzieje się np. przy spawaniu materiałów, których spawalność nie jest dokładnie określona, lub gdy z braku wystarczającego doświadczenia nie jest się w stanie przewidzieć, jak będzie się on zachowywał podczas spawania. Przypadek badań symulacyjnych materiałów spiekanych dobitnie wskazuje, jak bardzo mogą być one przydatne do oceny zjawisk zachodzących podczas spawania czy teŝ napawania wyrobów z tych materiałów. Dobór właściwej technologii spawania stali spiekanych w wyniku prób spawania okazał się praktycznie nieprzydatny. Podczas spawania wyrobów spiekanych pojawiały się problemy wynikające z ich specyficznej struktury. Wielokrotne próby spawania, ciągłe korygowanie parametrów spawania skutecznie zniechęcały do stosowania technik spawalniczych w odniesieniu do rozwaŝanych wyrobów. Dopiero podjęcie badań symulacyjnych pozwoliło na szybkie i co najwaŝniejsze skuteczne dobranie parametrów spawania. Badania symulacyjne cykli cieplnych wymagają jednak uŝycia odpowiedniej, stosunkowo kosztownej aparatury, która musi zapewnić nie tylko właściwy przebieg samego procesu nagrzewania, chłodzenia i jego zapis, ale takŝe pełną jego kontrolę i moŝliwość sterowania tym przebiegiem z Ŝądaną dokładnością. Pewnym mankamentem badań symulacyjnych procesów spawania jest niemoŝność prowadzenia, ze zrozumiałych względów, symulacji powyŝej temperatury, w której materiał przechodzi w stan plastyczny. Podsumowując, moŝna stwierdzić, Ŝe badania symulacyjne, zwłaszcza w kontekście oceny przebiegu cykli cieplnych spawania, są niezwykle przydatne. Wydaje się równieŝ, Ŝe badania symulacyjne prowadzone na opisywanym symulatorze mogą i powinny być stosowane w wypadku badania zjawisk towarzyszących np. obróbce cieplnej zarówno metali, jak i innych tworzyw.

5 L i t e r a t u r a 25 [1] K o l b u s z R., B i s k u p s k i J., Instrukcja obsługi symulatora cykli cieplnych SCC, Instytut InŜynierii Materiałowej PK, Kraków [2] K o l b u s z R., Wpływ cykli cieplnych spawania na strukturę i właściwości strefy wpływu ciepła złączy spawanych ze spiekanych materiałów konstrukcyjnych, Politechnika Krakowska, Kraków [3] W o j c i e c h o w s k i W., K o l b u s z R., Symulacja procesów spawalniczych, praca niepublikowana. [4] B r ó z d a J., P i l a r c z y k J., Z e m a n M., Spawalnicze wykresy przemian austenitu CTPc-S, Wyd. Śląsk, Katowice [5] C i aś A., F r y d r y c h H., P i e c z o n k a T., Zarys metalurgii proszków, WSiP, Warszawa [6] H e w i t t G.F., S h i r e s G.L., B o t t T.R., Process Heat Transfer, CRC Press, Boca Raton, FL [7] K o l b u s z R., Własności SWC spiekanych materiałów konstrukcyjnych, Przegląd Spawalnictwa 5 6/2006, Warszawa. [8] M r o c z k a K., T a s a k E., ś u r e k Z., Symulacja cykli cieplnych wybranych obszarów strefy wpływu ciepła, Materiały Sympozjum Katedr i Zakładów Spawalnictwa, Gliwice [9] P i e c z o n k a T., Procesy spajania w metalurgii proszków, Rudy i Metale NieŜelazne 9, [10] S u z u k i R.N., T r e v i s a n R.E., T r e v i s a n O.V., Analitical solutions for heat flow in multiple pass welding, Science and Technology of Welding and Joining 2000, Vol. 5, No. 2.