Eliminacja odkształceń termicznych w procesach spawalniczych metodą wstępnych odkształceń plastycznych z wykorzystaniem analizy MES Mirosław Raczyński Streszczenie: W pracy przedstawiono wyniki wstępnych badań przeprowadzonych podczas zautomatyzowanego procesu spawania stali S355, która jest najczęściej wykorzystywanym materiałem w przemyśle maszynowym. Porównano parametry podczas spawania spoiny czołowej i pachwinowej. Pracę zakończono wnioskami 1.Wstęp Co raz więcej konstrukcji i części wykonywanych jest metodami spawalniczymi. Wymagane jest aby dane połączenia posiadały właściwości takie jak łączone materiały. W częściach i konstrukcjach spawanych powstają naprężenia co prowadzi do powstawania odkształceń. Poprzez usuwanie odkształceń powstają dodatkowe naprężenia, które osłabiają złącze. Celem technologów jest opracowanie technologii niwelujących odkształcenia lub odpowiednie manewrowanie odkształceniami. Powodem odkształceń jest łuk elektryczny, który jest głównym źródłem energii cieplnej spośród wszystkich źródeł energii stosowanych w procesach spawania. Elektryczny łuk spawalniczy jest stałym wyładowaniem elektrycznym o małym napięciu, ok 10-50 V i dużym natężeniu prądu, ok. 0,1-2000 A utrzymywanym dzięki słupowi cieplnie zjonizowanych gazów.[1] Właściwości energetyczne łuku spawalniczego są zależne od[4]: - rodzaju natężenia prądu [A] - napięcia łuku [V] - prędkości spawania [cm/min] - średnica elektrody [mm] - dł. wolnego wylotu elektrody [mm]
- rodzaj gazu i wydatek gazu [l/min] Na długości łuku wyróżnić można trzy obszary przylegające do siebie: - strefa spadku napięcia katodowego - strefa spadku napięcia w plazmie łuku - strefa spadku napięcia anodowego Moc elektryczna wydzielana, w każdej z tych stref łuku jest wynikiem przepływu prądu i spadku napięcia. P=I(Ua+Up+Uk)=IU P - moc łuku [W], I - natężenie prądu [A], Ua - spadek napięcia anodowego [A], Up - spadek napięcia w plazmie [A], Uk - spadek napięcia w katodzie [A], U - całkowity spadek napięcia w łuku [A]. Ilość energii wprowadzonej do spawania materiału jest określona jako anergia liniowa spawania w J/mm[4] E=P/v P - moc łuku [W], v - prędkość spawania [mm/s] 2. Materiały i metodyka badań Do badań zostały wykorzystane próbki wykonane ze stali S355 (18G2A) o wymiarach 15x30x100. Próbki zostały wycięte z blachy za pomocą przecinarki plazmowej, a następnie warstwa wierzchnia została poddana śrutowaniu w celu usunięciu zgorzeliny (zędry - warstwy tlenków metali). Próbki połączono spoiną czołową i pachwinową (rys.1) za pomocą robota spawalniczego Motoman EA 1400N współpracującym z pozycjonerem DK-250. Podczas procesów spawania przyjęto parametry[3]: - prędkość spawania 30-60 cm/min - średnica drutu 1mm - mieszanka gazu o wydatku 15l/min - natężenie prądu 200-280A - napięcie elektryczne 24-28V
Przeprowadzono pomiar: - natężenia prądu - napięcia prądu - temperatury łuku spawalniczego - zmiany temperatury części po procesie spawania Części zostały poddane pomiarom określających ich odkształcenia Rys. 1. Spoina czołowa i spoina pachwinowa Efektem badań mają być wprowadzane wcześniejsze zmiany w części, które spowodowały by zmniejszenie odkształcenia części od żądanych wymiarów. Do wyznaczenia danych zmian zostanie wykorzystana analiza MES. Spowoduje to wyeliminowanie w znacznym stopniu korygowanie części po spawaniu a więc obniżenie kosztów produkcji. 3. Wyniki badań Parametry stałe: - średnica drutu: 1mm - wydatek mieszanki gazów: 15l/min - prędkość spawania: 30cm/min - parametry programowe napięcia i natężenia prądu zostały zachowane takie same dla obu spoin
Wyniki pomiaru procesu spawania spoiny czołowej blach grubości 15 mm Pomiar parametrów spawania: Napięcie elektryczne U: 32,6V Natężenie prądu I: 318-324A Wyniki pomiaru procesu spawania spoiny pachwinowej blach grubości 15 mm Pomiar parametrów spawania: Napięcie elektryczne U: 31,6V Natężenie prądu I: 280-295A
4. Podsumowanie Z uzyskanych wyników badań można wyciągnąć następujące wnioski: 1. W pierwszej fazie spawania temperatura próbek wzrasta w znaczącym tempie do temperatury maksymalnej, ok 900 C 2. W pierwszej fazie studzenia zaobserwowano duży spadek temperatury, który był zauważalny do temp. około 300 C, W dalszej fazie temperatura spadała liniowo. 3. Przy zachowaniu parametrów spawania dla obu spoin zaobserwowano w spoinie czołowej większe parametry prądowe 4. W próbki, których odnotowano wyższe parametry prądowe zaobserwowano większe odkształcenia plastyczne. 5. Literatura 1. Andrzej Klimpel: Spawanie zgrzewanie I cięcie metali, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1999 2. Andrzej Klimpel: Nowoczesne technologie spawania metali, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1984 3. Pierożek B., Lasociński J.: Spawanie łukowe stali w osłonach gazów, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1987 4. Poradnik Inżyniera Spawalnictwo, Tom I i II, Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 1983