Zastosowanie MES do doboru sposobu układania ściegów przy spawaniu aluminiowych elementów środków transportu 3

Transkrypt

1 Andrzej Skibicki 1, Małgorzata Trepczyńska-Łent 2 Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy Zastosowanie MES do doboru sposobu układania ściegów przy spawaniu aluminiowych elementów środków transportu 3 Cel i potrzeba badań Aluminium jest stosowane w środkach transportu ze wzglądu na swoją lekkość, odporność chemiczną i bardzo dobre przewodzenie ciepła oraz prądu. Korzystny stosunek wytrzymałości do masy właściwej skłania do użycia w samolotach, samochodach, wózkach, kontenerach, zbiornikach paliw i innych substancji chemicznych, chłodnicach oleju czy klimatyzatorów, korpusach skrzyń biegów, głowic i silników itp. Stosowane jest na blachy karoserii, belki ram lub rurki szkieletów siedzeń. Dotyczy również sprzętu morskiego - kadłubów, osprzętu, zbiorników. Aluminium jest stosowane także w transporcie lekkim i sportowym - np. wózki dostawcze, samochody sportowe, rowery, gondole kolejek liniowych. Szerokie stosowanie aluminium i innych stopów lekkich hamowane jest przez problemu z ich spawaniem. Znane są inne sposoby łączenia aluminium, niektóre nawet często stosowane, ale wysoką wytrzymałość konstrukcji może zapewnić zazwyczaj wyłącznie spawanie lub zgrzewanie. Ze względów metalurgicznych nie wszystkie stopy Al mogą być spawane, stanowią one jednak tylko ułamek możliwych zastosowań. Często przeszkodą w zastosowaniu spawania jest skłonność do pojawiania się nieakceptowalnych odkształceń pospawalniczych oraz zmniejszenie wytrzymałości na skutek naprężeń spawalniczych - chwilowych (pękanie na gorąco) i pozostających. Mogą one wywoływać pękanie lub zniszczenie elementów konstrukcyjnych aluminiowych środków transportu. Problemy te pojawiają się zarówno podczas wytwarzania jak i remontowania. Przygotowanie technologii spawania na potrzeby produkcji jest zazwyczaj poprzedzone szczegółowymi badaniami kierunkującymi spajanie na zgrzewania lub spawania w ścisłym reżimie technologicznym. Prace remontowe zazwyczaj mają ograniczoną do spawania możliwość spajania aluminium - nawet w sytuacjach i geometrii niesprzyjających temu procesowi. Opracowanie odpowiedniej technologii może być tu zatem szczególnie pożyteczne. Jeżeli ważne jest zmniejszenie wartości pozostających po spawaniu naprężeń i odkształceń to często stosuje się spawanie ze specjalnie zaplanowaną kolejnością wykonywania ściegów lub odcinków spoin. Możliwe i celowe jest zastąpienie pojedynczego długiego ściegu kilkoma ściegami- ułożonymi w zaplanowanej kolejności i kierunku. Stosuje się na przykład spawanie równocześnie z dwóch stron, przerywane lub krótkimi odcinkami z krokiem odwrotnym. Interesującym wydaje się sprawdzenie czy technologia ta nie ma ujemnych skutków, widocznych na przykład przy rozważaniu naprężeń pozostających. Przykłady spoin aluminiowych pokazują zgłady na rys. 1. Analizowano proces wykonywania spoiny w otoczeniu ciągłej aluminiowej blachy - występujące np. przy naprawie poszycia, ścianek zbiornika lub karoserii. Ze wzglądu na zróżnicowane grubości pojawiających się w tych zastosowaniach blach analizowano 4 grubości: 1, 2, 3 i 4 mm. Spośród znanych i obserwowanych sposobów wykonywania ściegów wybrano 3. Najczęściej spotyka się ścieg ciągły (oznaczony tu jako 1). Próba zmniejszenia odkształceń i naprężeń skłania niekiedy do stosowania spawania z krokami wstecznymi, tutaj trzema (2). Niekiedy stosuje się spawanie sposobem wymuszonym dostępnością miejsca naprawy - kolejno od obu krawędzi szczeliny ku wspólnemu punktowi środkowemu (3). 1 Dr inż. A. Skibicki, adiunkt, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Inżynierii Materiałowej. 2 Dr inż. M. Trepczyńska-Łent, adiunkt, Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej, Zakład Inżynierii Materiałowej. 3 Artykuł recenzowany.

2 a) b) Rys. 1. Przekrój spawanych elementów aluminiowych o grubości a) 4 mm i b) 1 mm. Traw. 0,5% HF. Źródło: opracowanie własne. Skutki mechaniczne wywołuje nierozłącznie związane ze spawaniem pole temperatury. Uwidaczniają się one poprzez odkształcenia lub pęknięcia spawanych elementów będące wynikiem sumowania się pospawalniczych naprężeń pozostających z naprężeniami od obciążeń zewnętrznych. Próby przeciwdziałania opierają się często na wyczuciu i doświadczeniu technologa planującego prace spawalnicze, tym bardziej że często (np. przy pracach remontowych) próbna seria nie może być brana pod uwagę. Badania eksperymentalne są kosztowne i skomplikowane. Zniechęcają do analizowania nietypowych, być może skutecznych, rozwiązań. Metody analityczne i analityczno-wykreślne mają ograniczony zakres stosowania z powodu zmiennych nieliniowo (w funkcji temperatury oraz innych czynników) własności materiałowych elementów spawanych. Pojawiają się też trudności przy modelowaniu złożonych cykli cieplnych. Stosując MES (Metodę Elementu Skończonego) można na drodze obliczeniowej uzyskać wartości nieustalonych i pozostających pól naprężeń i odkształceń. Istnieje przy tym bardzo duża możliwość definiowania geometrii (kształt przedmiotu, rozkład mocy w źródle, zmienność w czasie, trajektoria itp.). Spawanie stopów aluminium jest często utrudnione tak ze względów metalurgicznych jak i wynikających ze spawania pól temperatury, odkształceń i naprężeń. Wyraźnie inne niż dla stali własności np. (T), T (T), R e (T) zmieniają przebieg spawania i utrudniają zastosowanie znanych z praktyki, dla stali, sposobów. Wraz ze wzrostem wymiarów konstrukcji, powiększaniem się grubości i długości spoin problemy stają się coraz wyraźniejsze. Wcześniejsze poznanie rozkładów przejściowych i pozostających: temperatury, deformacji i naprężeń, umożliwić może opracowanie lepszych technologii (np. mniejsze naddatki, naprężenia, deformacje). Znając pole temperatury można określić właściwą energię liniową, kolejność układania spoin i ściegów oraz wielkość jeziorka co zostało szerzej przedstawione w [6]. Model numeryczny W trakcie obliczeń rozważano płytkę ze stopu PA2 o wymiarach 150x100 mm (rys. 2). Rys. 2. Sieć elementów użyta w obliczeniach. Źródło: opracowanie własne.

3 Spawano w osi symetrii na odcinku 103 mm, z prędkością 10 mm/s. Symetria pozwala na wykonywanie obliczeń dla ½ odpowiednio utwierdzonej płytki. Dwuwymiarowa sieć elementów (rys. 2), o zróżnicowanej grubości przedstawionej w tabeli 1, jest identyczna dla każdej grubości oraz w temperaturowej i strukturalnej części obliczeń. Zastosowano 1337 elementów czworokątnych, czterowęzłowych: SHELL w części temperaturowej i PLANE w części strukturalnej. Tabela 1. Grubości blach i moce łuku użyte w obliczeniach. Grubość blachy, mm Moc spawania, kw nominalna skraj lica lico lico+grań użyta w MES łuku, przy sprawności energ. 65% 1 1 1,3 1,6 0,68 1,05 2 2,4 2,6 2,7 1,36 2,09 3 3,5 3,7 3,8 2,05 3,15 4 4,8 4,9 5,0 2,72 4,15 Do obliczeń użyto programu Ansys. Stosując MES korzystano z zależności przedstawionych np. w [1,2,7]. Na górnej i dolnej powierzchni płytki uwzględniono konwekcję. Własności termiczne i mechaniczne materiału zależą od temperatury (rys. 3 [4,5,6]). Użyty model odkształcenia materiału to BISO - liniowy sprężysto-plastyczny z umocnieniem izotropowym, zależny od temperatury. Ze względu na iteracyjny sposób rozwiązywania konieczne stało się podanie startowych własności materiałowych od -500 o C aż do 5000 o C. Tylko pierwsze kroki iteracji mogą wkraczać w tak wysokie temperatury ale wyniki - nie.. a) b) c) Rys. 3. Własności fizyczne stopu aluminium użyte w obliczeniach: a) współczynnik przewodzenia ciepła, entalpia H, moduł sprężystości E, b) współczynnik rozszerzalności temperaturowej T, współczynnik Poissona, c) własności wytrzymałościowe. Źródło: [4,5,6]. Moc spawalniczego źródła ciepła uwzględniona w analizie, zależna od grubości blachy została przedstawiona w tabeli 1. Podano moc źródła w MES oraz odpowiednik mocy łuku spawalniczego przy sprawności energetycznej 65%, typowej dla spawania aluminium metodą MIG. Zastosowano rozłożone, objętościowe źródło ciepła działające podobnie do spawalniczego łuku elektrycznego. Symulowano 10,3 s spawania (z krokiem 0,1 s) i chłodzenie do osiągnięcia czasu obliczeniowego 800 s (prawie równomierne 20 o C w modelu). Wyniki zapisano dla potrzeb dalszej analizy. Zestawienie 3 analizowanych sposobów wykonywania ściegów i kolejność spawania przedstawiono na rys. 4.

4 Rys. 4. Zestawienie sposobów wykonywania ściegów (1-3), kolejność spawania (123). Źródło: opracowanie własne. Po zmianie rodzaju elementów na strukturalne model utwierdzono i prowadzono kolejne kroki obliczeń obciążając go polem obliczonej temperatury (z odpowiedniej chwili czasu). Stosowano krok czasu 0,001 s do 0,01 s, wzrastający po 12 s symulowanego procesu. Własności wytrzymałościowe materiału w funkcji temperatury przedstawiono na rys. 3 [4,5,6]. Analogicznie do lokalnej utraty wytrzymałości i stabilności metali w miarę podwyższania temperatury, model tracił stabilność numeryczną, co wymuszało stosowanie małych kroków czasu (0,001 s) i wielu iteracji (ok ) przedłużających obliczenia (ok s). Uzyskane dla danej chwili czasu pole deformacji i naprężeń było punktem wyjścia dla kolejnego kroku czasu i tak aż do 800 s. Wyniki można zapisać po każdym kroku czasu. Wyniki badań Na rysunku 5 pokazano obliczone pole temperatury - dla sposobu 2 w 7,5 s spawania, tj. podczas wykonywania ostatniego z 3 ściegów. Rys. 5. Pole temperatury wyliczone dla spawania sposobem 2, dla t=7,5 s, grubość 3 mm. Przedstawiono trzy najistotniejsze wykresy pozostających naprężeń, zredukowanych wg hipotezy Hubera-Misesa: na rys. 6 po spawaniu 1 ściegiem ciągłym (sposób 1 rys. 4), na rys. 7 po spawaniu 3

5 ściegami z krokiem odwrotnym (sposób 2 rys. 4). na rys. 8 po spawaniu 2 ściegami ksobnymi posobnymi (sposób 3 rys. 4) Wykresy powierzchniowe przedstawiono zawsze dla jednej z symetrycznych (względem osi spoiny) połówek modelu. W każdym z przedstawionych obliczeń rozkład temperatury jest zgodny z założeniami teoretycznymi i nie wskazuje na wady niepełnego przetopu. Rys. 6. Naprężenia pozostające (zredukowane), spawanie ściegiem ciągłym (sposób 1), grubość 1 mm. Rys. 7. Naprężenia pozostające (zredukowane), spawanie 3 ściegami z krokiem odwrotnym (sposób 2), grubość 2 mm.

6 Rys. 8. Naprężenia pozostające (zredukowane), spawanie 2 ściegami ksobnymi posobnymi (sposób 3), grubość 1 mm. Analizowano naprężenia pozostające. W tabeli 2 przedstawiono maksymalne naprężenia wzdłużne, poprzeczne i zredukowane. Przedstawiono również obliczone wartości odkształceń (uzyskano także kształt elementu po spawaniu). Obliczenia MES umożliwiają uzyskanie znacznie większej ilości i kategorii wyników, które z braku miejsca nie zostały zamieszczone w tym artykule. Tabela 2. Wyliczone wartości naprężeń i odkształceń pozostających (maksymalne). Sposób spawania Naprężenia pozostające, MPa Deformacje pozostające, wg rys 4/ grubość zredukowane wzdłużne poprzeczne mm 1(N) / 1 mm ,137 1(N) / 2 mm ,140 1(N) / 3 mm ,139 1(N) / 4 mm ,137 2(W) / 1 mm ,171 2(W) / 2 mm ,169 2(W) / 3 mm ,170 2(W) / 4 mm ,168 3(Z) / 1 mm ,194 3(Z) / 2 mm ,191 3(Z) / 3 mm ,193 3(Z) / 4 mm ,192 Zależność pozostających naprężeń wzdłużnych, naprężeń zredukowanych i deformacji od grubości blachy i sposobu spawania oznaczonego przedstawiono na rys. 9.

7 MPa mm MPa 295 Naprężenia pozostające wzdłużne N W Z a) grubość blachy, mm Naprężenia pozostające zredukowane grubość blachy, mm N W Z 0,195 0,185 0,175 0,165 0,155 0,145 0,135 Maksymalne deformacje pozostające 0,194 0,191 0,193 0,192 0,171 0,169 0,17 0,168 0,137 0,14 0,139 0, grubość blachy, mm N W Z b) c) Rys. 9. Zależność pozostających: a) naprężeń wzdłużnych, b) naprężeń zredukowanych, c) deformacji - od grubości blachy i sposobu spawania oznaczonego: N-1, W-2, Z-3 (numery wg rys. 4 i tab. 2). Wnioski i spostrzeżenia Spawanie 1 ściegiem (sposób 1 na rys. 4) najczęściej prowadzi do niższych niż w innych przypadkach wartości pozostających naprężeń wzdłużnych i poprzecznych. Ze względu na ich rozkład na płaszczyźnie blachy naprężenia zredukowane (Hubera-Misessa) jednak nie są najniższe i obejmują zwarty obszar. Deformacje pozostające są najniższe. Wyniki wskazują że spawanie 3 krótkimi odcinkami ściegiem wstecznym (sposób 2) prowadzi do obniżenia naprężeń zredukowanych, przy czym obszary o najwyższych wartościach są niewielkimi, izolowanymi wyspami. Deformacje pozostające są nieznacznie większe niż dla sposobu 1. Spawanie dwoma ściegami w kolejności opisanej w sposób 3 niekorzystnie zmienia pozostające naprężenia i deformacje. Otrzymano najwyższe wartości naprężeń zredukowanych, wzdłużnych i poprzecznych oraz największe deformacje. Wyniki obliczeń wskazują że zmiana grubości blachy nie wpływała na zmianę tych tendencji. Różnica wartości naprężeń maksymalnych, chociaż nie przekracza 10% i przy obciążeniu statycznym może mieć znaczenie drugorzędne, to jednak, dla obciążeń zmęczeniowych lub dla materiałów o podwyż-

8 szonej skłonności do pękania może być istotna. Analizowano rozkład naprężeń dodatnich które mogą prowadzić do powstawania i rozwoju pęknięć. Na rozkład naprężeń i odkształceń ma wpływ sztywność zamocowania elementu. Jest ona jednakowa we wszystkich przedstawionych obliczeniach. Istnieje możliwość uwzględnienia innych, występujących w praktyce, sztywności. Pełna analiza trójwymiarowego modelu jest uzależniona od dostępności wydajnych komputerów. Streszczenie Analizowano wpływ grubości blachy i sposobu układania ściegów na naprężenia i deformacje pozostające po spawaniu aluminiowych elementów środków transportu. Obliczenia prowadzono za pomocą Metody Elementów Skończonych (MES). Zauważono wyraźne podniesienie poziomu naprężeń i odkształceń pozostających dla jednego ze sposobów spawania. Słowa kluczowe: spawanie, transport, MES, aluminium, naprężenia. The use of FEM calculation for determination of welding technologies for aluminum transport vehicles. Abstract Construction made of aluminium alloy is lighter than of steel. The use of arc for welding is helpful, but has influence on structure and residual stresses after welding. FEM model of the welded plate made of aluminium alloy was used here. The 2D model, lying on the surface of welded sheets, was used. The calculations were done, with ANSYS, in two phases, as uncoupled thermal and mechanical calculations. The iterative calculations of deformations and stresses are non-linear with temperature dependent material properties. The mesh of 1337 finite thermal elements SHELL57 and PLANE55 was used. Different type of weld was used. Distributed volume heat source was moving along of weld line. Results from temperature analysis were used in stress calculation. The results show residual stresses after arc welding of aluminium. Keywords: welding, transport, FEM, aluminum, stress LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Argyris J.H., Szimmat J., Willam K.J., Finite Element Analysis of Arc-welding Process. Numerical Methods in Heat Transfer vol. III. [2]. Goldak J. i in., Computer Modeling of Heat Flow in Welds. Metallurgical Transactions B. 1986, nr 9, s [3]. Jakubiec M., Lesiński K., Czajkowski H., Technologia konstrukcji spawanych. WNT Warszawa [4]. Radaj D., Heat effects of welding, Springer Verlag,Berlin,1992. [5]. Ranatowski E., Elementy fizyki spajania metali, Wyd. ATR Bydgoszcz, [6]. Skibicki A., FEM calculation of residual stress after pulsed current arc welding of aluminum alloy, Journal of Polish CIMAC 3/2012,s [7]. Zienkiewicz O.C., Metoda Elementów Skończonych, Arkady, Warszawa 1972.