WPŁYW LOKALIZACJI OTWORU INSPEKCYJNO-DIAGNOSTYCZNEGO NA NAPR ENIA POZOSTAJ CE PO SPAWANIU ALUMINIOWYCH ELEMENTÓW POJAZDÓW

Transkrypt

1 WPŁYW LOKALIZACJI OTWORU INSPEKCYJNO-DIAGNOSTYCZNEGO NA NAPR ENIA POZOSTAJ CE PO SPAWANIU ALUMINIOWYCH ELEMENTÓW POJAZDÓW ANDRZEJ SKIBICKI, MAŁGORZATA TREPCZY SKA-ŁENT Streszczenie Podczas spawania pojawiaj si niekorzystne efekty spawania (np. temperatura, strefa wpływu ciepła, napr enia i deformacje) których wyst powanie w odpowiedzialnych miejscach mo e spowodowa awari. Sprawdzano wpływu okr głego otworu inspekcyjnego le cego blisko wykonywanej spoiny aby okre li strefy niebezpieczne. Zmieniaj c odległo kraw dzi otworu okre lano ka dorazowo nieustalone rozkłady temperatury, wielko jeziorka spawalniczego oraz pozostaj ce napr enia i deformacje. Symulowano spawanie elementu aluminiowego. Stosowano nieliniowe własno ci materiałowe. U yto programu ANSYS. Słowa kluczowe: spawanie, napr enie, MES, aluminium, otwór 1. Napr enia i odkształcenia powstaj ce podczas spawania aluminium Spawanie jest obecnie jedn z podstawowych technik ł czenia metali. Do stopienia metalu maj cego tworzy spoin niezb dna jest du a ilo ciepła, działaj cego tak na spoin jak i na cał konstrukcj. Nieodł cznie powstaj chwilowe i pozostaj ce napr enia i odkształcenia spawalnicze. Maj one istotny wpływ na konstrukcj i mog osi ga warto ci niedozwolone lub niebezpieczne. Je eli grubo spawanych elementów jest niewielka i materiał wykazuje wysokie własno ci plastyczne to do uszkodzenia konstrukcji konieczne b d dodatkowe obci enia zewn trzne eksploatacyjne. Przy wieloosiowym stanie utwierdzenia powstaje trójosiowy (3D) stan napr enia wyczerpuj cy zapas plastyczno ci materiału. Istotnie wzrasta ryzyko wyst pienia p kni [3,4]. Obecno karbu geometrycznego, np. otworu, mo e istotnie zwi kszy ryzyko uszkodzenia. Znane s tragiczne awarie wywołane obecno ci otworu inspekcyjnego obok wykonywanej spoiny. Konstrukcje wytworzone z aluminium s zazwyczaj l ejsze od stalowych. Spawalnicza produkcja elementów aluminiowych, rys. 1, poza trudno ciami typowymi dla spawania stali napotyka jednak na specyficzne problemy. Wynikaj one z wi kszego powinowactwa do tlenu, ni szych temperatur topnienia i znacz cej utraty własno ci wytrzymało ciowych, wielokrotnie wy szego współczynnika przewodzenia ciepła i rozszerzalno ci temperaturowej, mniejszych mo liwo ci badania gotowych spoin (np. brak metod magnetycznych, w tym analizy przebiegu zjawiska Barkhausena). Cz sto te odkształcenia spawalnicze s wi ksze [1,4,6]. Pomimo znacznego zapasu plastyczno ci, którym wykazuje si czyste aluminium, niektóre jego stopy mog by podatne na p kni cia. Istnieje potrzeba oszacowania warto ci napr e pozostaj cych mi dzy innymi w funkcji odległo ci otworu inspekcyjnego od wykonywanej spoiny. Mo e ona powodowa powstawanie obszarów o wysokich napr eniach, ale o rozmiarach na tyle niewielkich e ich wykrywanie typowymi i powszechnie stosowanymi metodami jest utrudnione lub nawet niemo liwe. Mo liwe jest efektywne zastosowanie Metody Elementów Sko czonych (MES) [1,5,7]. Poziom napr e niezb dnych do dalszego rozwoju szczeliny jest ni szy ni do jej zainicjowania. Niewielkie obszary mog ce inicjowa p kni cia powinny zatem by zlokalizowane i uwzgl dnione w ocenie wytrzymało ci obci onej konstrukcji, zwłaszcza je eli znajduj si one 151

2 Andrzej Skibicki, Małgorzata Trepczy ska-łent Wpływ lokalizacji otworu inspekcyjno-diagnostycznego na napr enia pozostaj ce po spawaniu aluminiowych elementów pojazdów na kraw dzi otworu a nie na jednolitej powierzchni blachy. Dodatkowo obszary takie mog tak e podlega lokalnej korozji napr eniowej, przy pieszaj c awari.[4] 2. Badania numeryczne 2.1. Model spawanego elementu Rys.1 Zgład spoiny doczołowej, stop aluminium Symulowano spawanie blachy o wymiarach 150x100x3.8mm, wykonanej ze stopu aluminium. Spoina układana jest w osi próbki, na odcinku 100mm, z pr dko ci 10mm/s. Powoduje ona zwi kszenie grubo ci obszaru lica i grani. Moc pr du spawania jest stała. Model spawanej blachy jest dwuwymiarowy, le y w płaszczy nie XY, uwzgl dniaj c zmian grubo ci blachy w kierunku Z. Poniewa model jest symetryczny wzgl dem płaszczyzny XZ obliczenia prowadzono dla połowy powierzchni próbki. Zastosowanie odpowiednich utwierdze w temperaturowej i strukturalnej cz ci oblicze zapewnia poprawno symulacji prowadzonej dla połowy spawanej blachy. Model MES został zbudowany z 5996 elementów i 6129 w złów. Zastosowano trójk tne i kwadratowe elementy liniowe: Shell57 w temperaturowej cz ci oblicze, zmienione na Plane42, o takiej samej sieci, dla prowadzenia oblicze strukturalnych. Sie elementów została przedstawiona na rys.2. Własno ci aluminium u yte do oblicze uzyskano z [3,5]. S one nieliniowo zale ne od temperatury, dodatkowo własno ci wytrzymało ciowe tak e od stopnia odkształcenia ε. U yto modelu materiału spr ysto-plastycznego z umocnieniem izotropowym. Nieliniowo własno ci materiałowych umo liwia opisanie zmian wynikaj cych z nagrzewania i przej cia przemiany fazowej, jednak znacznie wydłu aj c czas oblicze. Wykresy przedstawiaj cy własno ci badanego stopu aluminium przedstawiono na rys.3 i rys

3 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 80, 2016 Rysunek 2. Zastosowana sie elementów sko czonych, wyniki s przedstawiane dla górnej połowy a) b) Rysunek 3. Własno ci materiałowe w funkcji temperatury, zastosowane w obliczeniach, a) entalpia H, współczynnik przewodzenia ciepła λ i moduł Younga E, b) współczynnik rozszerzalno ci ατ temperaturowej i współczynnik Poissona ν ródło: [3,5]. 153

4 Andrzej Skibicki, Małgorzata Trepczy ska-łent Wpływ lokalizacji otworu inspekcyjno-diagnostycznego na napr enia pozostaj ce po spawaniu aluminiowych elementów pojazdów ródło: [3,5]. Rysunek 4. Zastosowane własno ci wytrzymało ciowe spr ysto-plastyczne z umocnieniem izotropowym, w zale no ci od temperatury Poło enie otworów inspekcyjnych zmieniano zgodnie z rys.5. Odległo kraw dzi otworu 10 od osi spoiny wybierano w zakresie 7 26mm. Zastosowano rozło one, obj to ciowe ródło ciepła, odpowiadaj ce spawaniu metod MIG, o charakterystyce zbli onej do zaproponowanej przez Goldaka [2]. ródło jest przemieszczane skokowo, co 0.1s przesuwaj c si zgodnie z kierunkiem spawania (o X) o 1 element, maj cy tam długo 1mm. Elementarne, zró nicowane ródła ciepła zostały rozło one w 25 elementach daj c sumaryczn moc Q o=3.4kw. Rysunek 5. Schemat ulokowania w kolejnych symulacjach otworów inspekcyjnych (w połowie długo ci), podano odległo b kraw dzi od osi spoiny 154

5 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 80, 2016 Uwzgl dniono konwekcyjne odprowadzanie ciepła z górnej i dolnej powierzchni blachy, odpowiadaj ce nieruchomemu powietrzu o temperaturze 20 o C. Dla uwzgl dnienia odprowadzania ciepła przez promieniowanie, dominuj cego pow. 600 o C, po uzyskaniu tej temperatury odpowiednie współczynniki zostały, lokalnie i chwilowo, powi kszone[3,5] Obliczenia Potraktowanie problemów przepływu ciepła i odkształce jako niesprz onych pozwala na stosowanie sposobu oblicze przedstawionego schematycznie na rys. 6. Lewa strona przedstawia blok oblicze temperaturowych, prawa blok oblicze strukturalnych. Dane wej ciowe (przedstawione centralnie) wykorzystywane s przez oba bloki. Wyniki obliczania temperatury słu jako istotne dane wej ciowe do oblicze strukturalnych i musz by uzyskane w pierwszej kolejno ci. Rysunek 6. Schemat prowadzenia nieustalonych, niesprz onych oblicze temperaturowych i strukturalnych z zastosowaniem nieliniowych własno ci materiałowych ródło: [5]. Współczynnik przewodzenia ciepła aluminium zale y od temperatury i jest znany tak dla stanu stałego jak i ciekłego. Na potrzeby symulacji spawalniczej warto współczynnika dla stanu ciekłego została istotnie powi kszona ze wzgl du na intensywne przenoszenie ciepła w jeziorku spawalniczym mieszanym przez dynamiczne oddziaływanie łuku spawalniczego [4,5]. 155

6 Andrzej Skibicki, Małgorzata Trepczy ska-łent Wpływ lokalizacji otworu inspekcyjno-diagnostycznego na napr enia pozostaj ce po spawaniu aluminiowych elementów pojazdów Zastosowany model materiału spr ysto-plastyczny z umocnieniem pozwala na pojawianie si w wynikach oblicze napr e przekraczaj cych znan granic plastyczno ci materiału. Ma to uzasadnienie w wynikach eksperymentalnych próby statycznego rozci gania opisuj cych napr enia powy ej wyra nej lub umownej granicy plastyczno ci. Dla zachowania stabilno ci numerycznej konieczne było podanie pewnych warto ci własno ci materiałowych tak e w temperaturach fizycznie niedopuszczalnych np o C lub o C. Wyniki ko cowe nie zawieraj takich warto ci. Symulowano procesy zachodz ce w ci gu 800s. Przez pierwsze 10.3s symulowano przemieszczenie si ródła ciepła o opisanej wcze niej charakterystyce, pó niej przy wył czonym ródle, symulowano chłodzenie modelu który osi ga po 800s temperatur bardzo blisk 20 o C. U yto programu Ansys sterowanego przez wcze niej przygotowane przez autora pliki tekstowe. 3. Wyniki Po obliczeniach MES otrzymano pozostaj ce oraz nieustalone pola temperatury, odkształce i napr e. Wybrane, najistotniejsze do oceny efektów spawania przedstawiono w tabelach 1 i 2 oraz na rys W tabeli 1 przedstawiono wyliczone maksymalne napr enia pozostaj ce: wzdłu ne i poprzeczne, dodatkowo wyszczególniaj c je dla kraw dzi otworu. W tabeli 2 przedstawiono najwi ksze odkształcenie pozostaj ce w modelu po spawaniu, oraz maksymalne napr enia pozostaj ce: zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa i styczne Dodatnie warto ci napr e mog prowadzi do powstawania p kni, ujemne stwarzaj mniejsze zagro enie. Tabela 1. Obliczone napr enia pozostaj ce (warto ci maksymalne) Sposób Napr enia pozostaj ce, MPa spawania Wzdłu ne, σx Wzdłu ne, σx Poprzeczne, σy Poprzeczne, σy wg. rys.5 (w całym modelu) (kraw d otworu) (w całym modelu) (kraw d otworu) max. min. max. min. max. min. max. 1 (b=7) (b=11) (b=15) (b=19) (b=23) (b=26)

7 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 80, 2016 Sposób spawania wg. rys.5 Tabela 2. Obliczone napr enia i odkształcenia pozostaj ce (warto ci maksymalne) zredukowane Hubera-Misesa Napr enia pozostaj ce, MPa Styczne τxy Styczne τxy Deformacja mm (w całym modelu) (obok otworu) max. min. max. min. (w całym (kraw d modelu) otworu) (w całym modelu) (kraw d otworu) 1 (b=7) ,147 0,147 2 (b=11) ,156 0,13 3 (b=15) ,145 0,13 4 (b=19) ,135 0,13 5 (b=23) ,135 0,12 6 (b=26) ,135 0,13 Przykładowe pole temperatury podczas spawania przedstawiono na rys.7. Wykresy powierzchniowe przedstawiono zawsze dla jednej z symetrycznych (górnej wzgl dem osi spoiny) połówek modelu. Obliczenia MES umo liwiaj uzyskanie znacznie wi kszej ilo ci i kategorii wyników, które s dost pne do prowadzenia analizy w programie ANSYS. Rysunek 7. Obliczone pole temperatury, podczas spawania, dla t=8s. b=7mm 157

8 Andrzej Skibicki, Małgorzata Trepczy ska-łent Wpływ lokalizacji otworu inspekcyjno-diagnostycznego na napr enia pozostaj ce po spawaniu aluminiowych elementów pojazdów Rysunek 8. Pozostaj ce wzdłu ne napr enia własne, Pa, b=7mm Rysunek 9. Pozostaj ce wzdłu ne napr enia własne, Pa, b=15mm 158

9 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 80, 2016 Rysunek 10. Pozostaj ce wzdłu ne napr enia własne, Pa, b=26mm Napr enia na kraw dzi otworu, MPa 300 MPa Zredukowane Wzdłu ne Odległo kraw dzi otworu od osi spoiny Rysunek 11. Pozostaj ce napr enia własne wzdłu ne i zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa, w funkcji odległo ci kraw dzi otworu od osi spoiny MPa 159

10 Andrzej Skibicki, Małgorzata Trepczy ska-łent Wpływ lokalizacji otworu inspekcyjno-diagnostycznego na napr enia pozostaj ce po spawaniu aluminiowych elementów pojazdów 4. Wnioski 1. Rezultaty symulacji przedstawione w tabelach 1 i 2 oraz na rys 8 11 pokazuj e napr enia pozostaj ce po spawaniu s wyra nie wy sze gdy otwór le y blisko spoiny. 2. Warto ci maksymalne napr e rozci gaj cych s ulokowane na niewielkich obszarach. 3. Obszary te s zbyt małe aby prowadzi badania eksperymentalne wi kszo ci metod. 4. Deformacje pozostaj ce (tab.2) na kraw dzi otworu s najwi ksze gdy otwór le y blisko spoiny. Mo e to powodowa niedopuszczaln zmian jego kształtu lub poło enia. 5. MES mo e by stosowany do obliczania napr e pozostaj cych po spawaniu. U ycie do cz sto spotykanego programu ANSYS stanowi ułatwienie organizacyjne w prowadzeniu oblicze. 6. Analiza rozkładów napr e wskazuje e nale y zwróci uwag na poło enie planowanych otworów inspekcyjnych w pobli u wykonywanych spoin. Bibliografia [1] Frewin M.R., Scott D.A., Finite element model of pulsed laser welding, Welding Research Supplement I, p. 15s 21s, [2] Goldak J. et all., Computer Modeling of Heat Flow in Welds. Metallurgical Transactions B, 1986, nr 9, s [3] Radaj D., Heat effects of welding, Springer Verlag,Berlin,1992. [4] Ranatowski E., Elementy fizyki spajania metali, Wyd. ATR Bydgoszcz, [5] Skibicki A., FEM calculation of residual stress after pulsed current arc welding of aluminum alloy, Journal of Polish CIMAC, Vol.7, No3,str , Gda sk, [6] Skibicki A.,Trepczy ska-łent M., Zastosowanie MES do doboru sposobu układania ciegów przy spawaniu aluminiowych elementów rodków transportu, Logistyka nr 4/2015, str [7] Zienkiewicz O.C.: Metoda Elementów Sko czonych. Arkady, Warszawa

11 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 80, 2016 THE IMPACT OF LOCALIZATION OF INSPECTION HOLE ON RESIDUAL STRESS AFTER WELDING OF CAR PARTS FROM ALUMINUM Summary The location of hole during welding of aluminium has influence on residual stresses. 2D FEM model of the welded plate, lying on the surface of welded sheets, was used. The calculations were done with ANSYS in two phases, thermal and mechanical calculations of deformations and stresses, with non-linear temperature dependent material properties. Different location of hole was used. Residual stresses after welding near hole were higher as without. The maximums of tensile stresses were concentrated at small areas on edge of hole. They are too small for experimental measuring, but maybe sufficient significant for crack propagation or local stress corrosion. Keywords: welding, stress, FEM, aluminum, hole Andrzej Skibicki Małgorzata Trepczy ska-łent Zakład In ynierii Materiałowej Wydział In ynierii Mechanicznej Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz