DOBÓR OBSZARÓW BADA DIAGNOSTYCZNYCH SPAWANYCH ELEMENTÓW ZE STALI AUSTENITYCZNEJ NA PODSTAWIE OBLICZE NAPR E POZOSTAJ CYCH

Transkrypt

1 DOBÓR OBSZARÓW BADA DIAGNOSTYCZNYCH SPAWANYCH ELEMENTÓW ZE STALI AUSTENITYCZNEJ NA PODSTAWIE OBLICZE NAPR E POZOSTAJ CYCH ANDRZEJ SKIBICKI, ZDZISŁAW ŁAWRYNOWICZ Streszczenie Otrzymanie ci głej, metalicznej spoiny nie wyklucza istnienia w niej obszarów sprzyjaj cych powstawaniu i rozwijaniu p kni. Stwierdzenie wykonania spoin w sposób niezgodny z dokumentacj, np. w podziale ciegu, stawia pytanie o konieczne badania. Dobór obszarów bada diagnostycznych mo e by wsparty wynikami oblicze MES. Analizowano spoin wykonywan jednym lub dwoma ciegami o kilku kierunkach. Stosowano nieliniowe własno ci materiałowe. U yto programu ANSYS. Uzyskano pole temperatury oraz pozostaj ce napr enia i deformacje. Wskazano na istnienie obszarów zalecanych bada diagnostycznych. Słowa kluczowe: spawanie, napr enie, MES, austenit, sposób układania ciegów Wprowadzenie Stale kwasoodporne s stosowane powszechne, tak e w elementach pojazdów. Najcz ciej stosowane s stale austenityczne, które ze wzgl du na własno ci fizyczne inne ni dla stali w glowych, stwarzaj jednak problemy podczas spajania rys.1. Niekiedy spawanie elementów odbywa si w sposób cz ciowo niezgodny z dokumentacj, np z powodu utrudnionego dost pu. Interesuj cym wydaje si okre lenie, np. poprzez analiz napr e pozostaj cych, jakie obszary spoin, w tym w tpliwie wykonanych, lub ich otoczenia powinny by poddane badaniom diagnostycznym. Rysunek 1. Zgład spoiny doczołowej, stal austenityczna Nagrzewanie niezb dne do stopienia obj to ci spoiny wprowadza ciepło równie do obszarów s siednich Strefy Wpływy Ciepła (SWC). Nierozł cznie zwi zane ze spawaniem pole temperatury wywołuje istotne skutki mechaniczne w spoinie i pozostałych obszarach konstrukcji. Niekiedy uwidaczniaj si one poprzez odkształcenia lub p kni cia spawanych elementów b d ce wynikiem sumowania si pospawalniczych napr e pozostaj cych z napr eniami od obci e zewn trznych. Analogiczne badania eksperymentalne s kosztowne i skomplikowane, wa nym zatem wydaje si podj cie próby obliczenia temperatury i napr e. 3

2 Andrzej Skibicki, Zdzisław Ławrynowicz Dobór obszarów bada diagnostycznych spawanych elementów ze stali austenitycznej na podstawie oblicze napr e pozostaj cych Wyznaczanie napr e i odkształce pozostaj cych po spawaniu nale y podzieli na dwa etapy: obliczenie pola temperatury a potem wynikaj cego z niego pola odkształce i napr e.[6] Podstaw do prowadzenia oblicze temperatury jest ogólna posta równania Fouriera-Kirchhoffa, która w nieruchomym układzie współrz dnych ( x, y0, z0, t) T div gradt cp ρ = q x0, y0, z0, t t 4 0 ma posta : ( ) ( ) λ (1) Dla o rodka jednorodnego, po uwzgl dnieniu operatora otrzymuje si : T x T + y T + z gdzie: λ współczynnik przewodzenia ciepła Jm -1 s -1 K -1, c ciepło wła ciwe przy p =const, Jkg -1 K -1, p ρ g sto, kgm -3, T temperatura, K, t czas, s, q obj to ciowe ródło ciepła, Jm -3 s -1, V q c pρ T V + = λ λ t p ci nienie Nm -. Analityczne rozwi zanie równania () dla spotykanych w spawalnictwie nieliniowych własno- ci materiałowych, geometrii spawanych elementów i ródeł ciepła jest bardzo utrudnione. Zastosowanie MES (Metoda Elementu Sko czonego)[9] pozwala na uzyskanie rozkładu temperatury, tak e niestacjonarnego, dla wielu przypadków praktycznych. Z kolei zgodnie z metod opracowan przez Okerbłoma podstaw do wyznaczenia odkształce jest warto wzgl dnych odkształce wewn trznych w obr bie spoiny. Mo na je okre li jako: ε = ε T (3) gdzie: ε T wzgl dne odkształcenie temperaturowe, wzgl dne odkształcenie rzeczywiste. Praktyczne zastosowanie metody Okerbłoma wymaga przyj cia szeregu zało e upraszczaj cych dotycz cych materiału spawanego, np. o idealnych własno ciach spr ysto-plastycznych, odniesienia warto ci parametrów materiałowych do redniej temperatury tj. uznania ich za stałe [6]. Przy d eniu do uzyskania dokładniejszych rozwi za skłania to do stosowania MES, zwłaszcza je eli pole temperatury zostało wcze niej obliczone t metod. Uzyskanie rozwi za analitycznych dla przedstawionych w artykule rozło onych ródeł ciepła, dodatkowo ruchomych w sposób niejednostajny, staje si praktycznie niemo liwe. Wynika z tego e metody analityczne i analityczno-wykre lne maj ograniczony zakres stosowania z powodu zmiennych nieliniowo (w funkcji temperatury i innych czynników) własno ci ()

3 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 016 materiałowych elementów spawanych. Pojawiaj si te trudno ci przy modelowaniu zło onych cykli cieplnych. Stosuj c MES mo na na drodze obliczeniowej uzyska warto ci nieustalonych i pozostaj cych pól napr e i odkształce. Istnieje przy tym bardzo du a mo liwo definiowania geometrii (kształt przedmiotu, rozkład mocy w ródle, zmienno w czasie, jego trajektoria itp.). Spawanie stali austenitycznych jest cz sto utrudnione tak ze wzgl dów metalurgicznych jak i wynikaj cych ze spawania pól temperatury, odkształce i napr e. Inne ni dla stali w glowych własno ci np. λ(t), α T(T), R e(t) zmieniaj przebieg spawania. Wraz ze wzrostem wymiarów konstrukcji, powi kszaniem si grubo ci i długo ci spoin problemy staj si coraz wyra niejsze. Wcze niejsze poznanie rozkładów przej ciowych i pozostaj cych: temperatury, deformacji i napr - e, umo liwi mo e opracowanie lepszych technologii (np. mniejsze naddatki, napr enia, deformacje). Znaj c pole temperatury mo na okre li wła ciw energi liniow, kolejno układania spoin i ciegów oraz wielko jeziorka. Metoda nadaje si równie dla innych materiałów, w tym stali austenitycznych. Decyzja o miejscu i sposobie prowadzenia bada diagnostycznych powinna by podj ta przy uwzgl dnieniu wszelkich dost pnych przesłanek i informacji, zwłaszcza je eli ma dotyczy miejsc trudnodost pnych lub niebezpiecznych. Dlatego te stosowanie symulacji MES mo e by wa nym narz dziem, istotnie wpływaj cym na podejmowane decyzje. 1. Model numeryczny Obliczenia prowadzono dla płytki o wymiarach 150x100x3.8mm, ze stali X5CrNi18-10 (dawniej 304), spawan w osi symetrii na odcinku 103mm, z pr dko ci 10mm/s. Symetria pozwala na wykonywanie oblicze dla połowy odpowiednio utwierdzonej płytki. Dwuwymiarowa sie elementów, o zró nicowanej grubo ci (od 3.8 do 5mm) jest identyczna dla temperaturowej i strukturalnej cz ci oblicze, rys.. Rysunek. Sie elementów u yta w obliczeniach Zastosowano 600 w złów i 497 elementów czworok tnych, czterow złowych: SHELL w cz ci temperaturowej i PLANE w cz ci strukturalnej. U yto programu Ansys. Stosuj c MES korzystano z zale no ci przedstawionych np. w [,9]. Na górnej i dolnej powierzchni płytki uwzgl dniono konwekcj. Własno ci termiczne i mechaniczne materiału zale od temperatury rys.3 6 [1,3,5,6,7]). 5

4 Andrzej Skibicki, Zdzisław Ławrynowicz Dobór obszarów bada diagnostycznych spawanych elementów ze stali austenitycznej na podstawie oblicze napr e pozostaj cych ródło: [3,5,6,7]. Rysunek 3. Własno ci stali u yte w obliczeniach: entalpia ENTH Jm -3, współczynnik przewodzenia ciepła λ (KXX) Jm -1 s -1 K -1 Rysunek 4. Własno ci stali u yte w obliczeniach: współczynnik rozszerzalno ci temperaturowej ALPX K -1, współczynnik Poissona ν NUXY ródło: [3,5,6,7]. Zastosowano rozło one, obj to ciowe ródło ciepła działaj ce podobnie do spawalniczego łuku elektrycznego. Moc =3.7 kw, co odpowiada 5.7 kw przy sprawno ci energetycznej metody MIG η MIG=65%. Symulowano 10.3s spawania (z krokiem 0.1s) i chłodzenie do 800s (prawie równomierne 0 0 C). Zestawienie 4 analizowanych sposobów wykonywania ciegów (zbli onych do przedstawionych w [4]) i kolejno spawania przedstawiono na rys.6. 6

5 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 016 Rysunek 5. Własno ci stali u yte w obliczeniach, moduł E (EX) *10 8 Pa, przebieg umocnienia spr ysto-plastyczne izotropowego (BISO), w zale no ci od temperatury ródło: [3,5,6,7]. ródło: [1]. Rysunek 6. Krzywa rozci gania stali X5CrNi18-10 Po zmianie rodzaju elementów na strukturalne model utwierdzono i prowadzono kolejne kroki oblicze obci aj c go polem wcze niej obliczonej temperatury, dla odpowiedniej chwili czasu[8]. Sie elementów i poło enie w złów pozostały niezmienione. Stosowano krok czasu ok s, wzrastaj cy po 1 sekundzie symulowanego procesu. Analogicznie do utraty wytrzymało ci i stabilno ci metali w miar podwy szania temperatury model tracił stabilno numeryczn, co wymuszało stosowanie wielu małych kroków czasu ( s) i licznych iteracji (ok ) przedłu aj cych obliczenia (ok. 0000s czasu pracy procesora). 7

6 Andrzej Skibicki, Zdzisław Ławrynowicz Dobór obszarów bada diagnostycznych spawanych elementów ze stali austenitycznej na podstawie oblicze napr e pozostaj cych Uzyskane dla danej chwili czasu pole deformacji i napr e było punktem wyj cia dla kolejnego kroku itd. Wyniki mo na zapisa po ka dym kroku czasu. Rysunek 7. Zestawienie sposobów wykonywania ciegów (1 4), kolejno spawania (, ) W ka dym z przedstawionych oblicze rozkład temperatury jest zgodny z zało eniami teoretycznymi i nie wskazuje na wady niepełnego przetopu. Analizowano deformacje i napr enia pozostaj ce. Sposób spawania wg. rys.7 Tabela 1. Wyliczone warto ci napr e i odkształce pozostaj cych (maksymalne) Napr enia pozostaj ce (t=800 s), MPa Deformacja mm Wzdłu ne, σx Poprzeczne, σy Styczne zredukowane max. min. max. min. max. min. Hubera-Misesa , , , ,740 8

7 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 016 W tabeli 1 przedstawiono maksymalne napr enia wzdłu ne, poprzeczne, styczne i zredukowane. Przedstawiono równie obliczone warto ci odkształce (uzyskano równie kształt po spawaniu). Obliczenia MES umo liwiaj uzyskanie i analizowanie znacznie wi kszej ilo ci i kategorii wyników, które z braku miejsca nie zostały w artykule zamieszczone. Analiza składowych pola napr e mo e dotyczy m.in. napr e wzdłu nych i poprzecznych które decyduj o najcz ciej wyst puj cych rodzajach p kni spawalniczych. Przedstawiono przykładowo wykresy temperatury rys.8 i pozostaj cych napr e wzdłu nych: na rys.8 po spawaniu 1 ciegiem ci głym (cykl 1 na rys.7), na rys.10 po spawaniu dwoma kolejnymi odsobnymi ciegami (cykl 4). Wykresy powierzchniowe przedstawiono zawsze dla jednej z symetrycznych (wzgl dem osi spoiny) połówek modelu. Rysunek 8. Pole temperatury, t=8s,spawanie ciegami ku rodkowymi posobnymi (rys.7 p.3) 9

8 Andrzej Skibicki, Zdzisław Ławrynowicz Dobór obszarów bada diagnostycznych spawanych elementów ze stali austenitycznej na podstawie oblicze napr e pozostaj cych Rysunek 9. Pozostaj ce wzdłu ne napr enia własne, Pa, po spawaniu ciegiem ci głym (rys.7 p.1) Rysunek 10. Pozostaj ce wzdłu ne napr enia własne,pa, po spawaniu kolejnymi, odsobnymi ciegami (rys.7 p.4) 30

9 Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 79, 016 Znajomo odkształce pozostaj cych mo e pomóc w planowaniu naddatków technologicznych lub przybli y jakie b dzie po spawaniu poło enie punktów charakterystycznych, np. otworów monta owych. Istnieje mo liwo zbudowania modelu wcze niej wykonanej spoiny i sprawdzenia czy sposób spawania nie wpłyn ł niekorzystnie na rozkład napr e pozostaj cych, np. tworz c miejsca ich kumulacji i ew. przeprowadzenie tam szczegółowych bada. Istniej cy model numeryczny mo e by stosunkowo szybko zmieniany. Sprawdzenie napr e i deformacji dla innego, nale cego do tej samej grupy, materiału (o ile wystarczaj co dokładnie znane s jego własno ci materiałowe) wymaga wzgl dnie niewielkiego nakładu pracy. Przedstawione wynik pochodz z rozwi za uzyskanych dla modelu dwuwymiarowego. Charakterystyczna dla takiego modelowania niewielka grubo spawanych elementów blacha jest bardzo cz sto spotykana. Model dwuwymiarowy dostarcza warto ciowych wyników przy akceptowalnym czasie oblicze. Prowadzenie oblicze krokami poprzez kolejne chwile czasu udost pnia tak e nieustalone pola temperatury i napr e. Analiza takich wyników wymaga specjalistycznej wiedzy, np. o wpływie na materiał cyklu ciskanie-rozci ganie. 3. Wnioski i spostrze enia 3.1 Spawanie 1 ciegiem (sposób 1 z rys.7) zazwyczaj prowadzi do ni szych ni w innych przypadkach warto ci pozostaj cych napr e wzdłu nych i poprzecznych. 3. Spawanie dwoma ciegami w zale no ci od sposobu jego przeprowadzenia mo e istotnie, równie szkodliwie, zmieni pozostaj ce napr enia i deformacje. Dla sposobu () otrzymano bardzo wysokie warto ci napr e zredukowanych, wzdłu nych i poprzecznych oraz najwi ksze deformacje. 3.3 Ró nica warto ci napr e maksymalnych, chocia nie przekracza 30% i przy niepełnym obci - eniu statyczny mo e mie znaczenie drugorz dne, to jednak dla obci e zm czeniowych lub dla materiałów o podwy szonej skłonno ci do p kania mo e by istotna. 3.4 Małe obszary koncentracji napr e mog pozosta niezauwa one podczas bada eksperymentalnych MES jest wi c wa nym narz dziem badawczym umo liwiaj cym pełniejsze poznanie wpływu sposobu i kolejno ci układania ciegów na stan napr e pospawalniczych. 3.5 Decyzja o sposobie bada diagnostycznych powinna by podj ta zwłaszcza w sposobie z rys Na rozkład napr e i odkształce ma wpływ sztywno zamocowania elementu, jednakowa we wszystkich przedstawionych obliczeniach. Istnieje mo liwo uwzgl dnienia innych, wyst puj cych w praktyce, sztywno ci. Pełna analiza trójwymiarowego modelu jest uzale niona od dost pno ci wydajnych komputerów. 31

10 Andrzej Skibicki, Zdzisław Ławrynowicz Dobór obszarów bada diagnostycznych spawanych elementów ze stali austenitycznej na podstawie oblicze napr e pozostaj cych Bibliografia [1] Cunat P-J.: Working with Stainless Steels, EDP, Brusseles, 008. [] Goldak J. i in., Computer Modeling of Heat Flow in Welds. Metallurgical Transactions B. 1986, nr 9, s [3] INCO Databooks, Austenitic chromium-nickel stainless steels engineering properties at elevated temperatures. The International Nickel Company,1968. [4] Jakubiec M.,Lesi ski K.,Czajkowski H.:Technologia konstrukcji spawanych. WNT Warszawa [5] Radaj D.: Heat effects of welding. Springer Verlag, Berlin,199. [6] Ranatowski E.: Elementy fizyki spajania metali. Wyd. ATR Bydgoszcz, [7] Richter F.: Die wichtigsten physikalichen Eigenschaften von 5 Eisenwerkstoffen,, Stahleisen- Sonderberichte, Heft 8, S.M.B.H. Verlag, Duesseldorf [8] Skibicki A., FEM calculation of residual stress after pulsed current arc welding of aluminum alloy, Journal of Polish CIMAC, Vol.7, No3,str.69 74, Gda sk, 01. [9] Zienkiewicz O.C.: Metoda elementów sko czonych, Arkady, Warszawa 197. INDICATION OF LOCATIONS FOR DIAGNOSTIC INVESTIGATIONS OF WELDED AUSTENITIC STEEL ON THE BASIS OF RESIDUAL STRESS CALCULATION Summary Heat, necessary for welding, casue to deformation and stresses. Right technology can decrease this deformation and stresses. With FEM simulation is possible to calculate his value. At the paper was shown simulation of butt welding of austenitic steel. Temperature dependent material properties were used. Here were compared effects of different beads: one string or divided to steps, with combined welding sequences. Keywords: welding, FEM, austenit, stress, residual Andrzej Skibicki Zdzisław Ławrynowicz Zakład In ynierii Materiałowej Faculty of Mechanical Engineering University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz Prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz e mail: askibic@utp.edu.pl lawry@utp.edu.pl 3