POSZUKIWANIE RACJONALNEGO SPOSOBU UKŁADANIA CIEGÓW SPAWALNICZYCH NA PODSTAWIE OBLICZE MES ANDRZEJ SKIBICKI

POSZUKIWANIE RACJONALNEGO SPOSOBU UKŁADANIA CIEGÓW SPAWALNICZYCH NA PODSTAWIE OBLICZE MES ANDRZEJ SKIBICKI Streszczenie Wymagania technologiczne lub wynikaj ce z kształtu przedmiotu prowadz niekiedy do decydowania si na zło one sposoby układania ciegów spawalniczych. Otrzymanie ci głej, metalicznej spoiny nie wyklucza istnienia w niej obszarów sprzyjaj cych powstawaniu i rozwijaniu p kni lub wywołuj cych istotne dla dalszego spawania lub eksploatowania deformacje spawalnicze. Obliczano za pomoc MES pole temperatury oraz pozostaj ce napr enia i deformacje. Analizowano spoin wykonywan jednym ciegiem oraz jej wykonywanie dwoma ciegami o kilku sekwencjach i kierunkach. Stosowano nieliniowe własno ci materiałowe. U yto programu ANSYS. Słowa kluczowe: spawanie, napr enie, MES, aluminium, sposób układania ciegów 1. Wprowadzenie Wykorzystanie metali lekkich i ich stopów jest powszechne, zwłaszcza w konstrukcjach wymagaj cych mo liwie małej masy. Najcz ciej stosowane jest aluminium, które ze wzgl du na aktywno chemiczn, wysokie współczynniki przewodzenia ciepła i rozszerzalno ci temperaturowej, stwarza jednak problemy podczas spajania. Niezb dne jest stosowanie szlachetnych gazów osłonowych, niekiedy nawet z obu stron spoiny, starannie dobranych materiałów dodatkowych i zatrudniania spawaczy z wysokimi kwalifikacjami. Dopuszcza si spoiny o wi kszych odst pstwach od stanu idealnego, np. z wi kszymi wadami spawalniczymi. Stosuje si te specjalizowane urz dzenia spawarki. Spawanie stopów aluminium coraz cz ciej odbywa si z zastosowaniem nowoczesnych ródeł pr du umo liwiaj cych precyzyjne dostarczanie ciepła np. dzi ki zastosowaniu łuku okresowo przerywanego. Umo liwia to łatwiejsze wykonywanie spoin o wysokiej jako ci bez znacz cego wzrostu kosztów. Poszukiwania innych metod wykonywania spoin trwaj nadal i obejmuj równie kolejno i sposób układania ciegów spawalniczych. Je eli wa ne jest zmniejszenie warto ci pozostaj cych po spawaniu napr e i odkształce to cz sto stosuje si spawanie ze specjalnie zaplanowan kolejno ci wykonywania ciegów lub odcinków spoin. Jednym ze skutecznych sposobów jest celowe zast pienie pojedynczego długiego ciegu kilkoma innymi ciegami uło onymi w zaplanowanej kolejno ci i kierunku. Stosuje si tu np. spawanie równocze nie z dwóch stron, przerywane lub krótkimi odcinkami z krokiem odwrotnym. Interesuj cym wydaje si sprawdzenie czy technologia ta nie ma ujemnych skutków, widocznych np. przy rozwa aniu napr e pozostaj cych. Nagrzewanie niezb dne do stopienia obj to ci spoiny wprowadza ciepło równie do obszarów s siednich strefy wpływy ciepła. Nierozł cznie zwi zane ze spawaniem pole temperatury wywołuje istotne skutki mechaniczne. Uwidaczniaj si one poprzez odkształcenia lub p kni cia

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014 101 spawanych elementów b d ce wynikiem sumowania si pospawalniczych napr e pozostaj cych z napr eniami od obci e zewn trznych. Ryzyko wyst pienia p kni wzrasta dla materiałów o małym zapasie plastyczno ci, np. eliwa, metali umocnionych przez zgniot lub obróbk ciepln. Istotnym czynnikiem jest równie grubo i stopie utwierdzenia spajanych elementów. Przykład p kni pospawalniczych przedstawiono na (rys. 1). Rys. 1. Liczne p kni cia poprzeczne powstałe w wyniku działania napr e pozostaj cych po przetapianiu metod TIG (141) materiału o małym zapasie plastyczno ci. eliwo, spoina o szeroko ci b, układana w kierunku x. Badano penetrantem. Pow. x2 Wiele stopów aluminium uzyskuje swoje wysokie własno ci mechaniczne dzi ki umacnianiu dyspersyjnemu które mo e obni a własno ci plastyczne. Problemy te uniemo liwiaj spawanie aluminiowych konstrukcji lotniczych tak ze wzgl du na odkształcenia jak i napr enia pospawalnicze. Próby przeciwdziałania mechanicznym skutkom spawania opieraj si cz sto na wyczuciu i do- wiadczeniu technologa planuj cego prace spawalnicze, tym bardziej, e cz sto próbna seria nie mo e by brana pod uwag. Badania eksperymentalne s kosztowne i skomplikowane. Zniech caj do analizowania nietypowych, by mo e skutecznych, rozwi za. Wyznaczanie napr e i odkształce pozostaj cych po spawaniu nale y podzieli na dwa etapy: obliczenie pola temperatury a nast pnie wynikaj cego z niego pola odkształce i napr e [5]. Podstaw do prowadzenia oblicze temperatury jest ogólna posta równania Fouriera-Kirchhoffa, która w nieruchomym układzie współrz dnych ( x y, z, t), 0 0 0 ma posta : T div p 0, 0 0, t ( gradt ) c ρ = q( x y, z t) λ (1) Dla o rodka jednorodnego, po uwzgl dnieniu operatora otrzymuje si : 2 T 2 x 2 T + 2 y 2 T + 2 z gdzie: λ współczynnik przewodzenia ciepła Jm -1 s -1 K -1, c p ciepło wła ciwe przy p =const, Jkg -1 K -1, ρ g sto, kgm -3, q cpρ T V + = λ λ t (2)

102 Andrzej Skibicki Poszukiwanie racjonalnego sposobu układania ciegów spawalniczych na podstawie oblicze MES T temperatura, K, t czas, s, q obj to ciowe ródło ciepła, Jm -3 s -1, V p ci nienie. Analityczne rozwi zanie dla spotykanych w spawalnictwie nieliniowych własno ci materiałowych, geometrii spawanych elementów i ródeł ciepła jest bardzo utrudnione. Zastosowanie MES (Metoda Elementu Sko czonego) 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 Δ (3) gdzie: ε T wzgl dne odkształcenie temperaturowe, Δ 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 [5]. 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 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 stopów aluminium jest cz sto utrudnione tak ze wzgl dów metalurgicznych jak i wynikaj cych ze spawania pól temperatury, odkształce i napr e. Wyra nie inne ni dla stali własno ci np. λ(t), α T(T), R e(t) zmieniaj przebieg spawania i utrudniaj zastosowanie znanych z praktyki, dla stali, sposobów. 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 e okre li wła ciw energi liniow, kolejno układania spoin i ciegów oraz wielko jeziorka. Zastosowano do tego celu MES. Na podstawie zgodno ci wyników własnych oblicze i eksperymentu [6] prowadzonych dla trudno modelowalnego materiału typu stal, mo na s dzi e metoda nadaje si równie dla innych materiałów, w tym stopów aluminium. Decyzja o sposobie układania ciegów powinna by podj ta przy uwzgl dnieniu wszelkich dost pnych przesłanek i informacji, zwłaszcza je eli ma odbiega od przemysłowych paradygmatów. Dlatego te stosowanie symulacji MES mo e by wa nym narz dziem, istotnie wpływaj cym na podejmowane decyzje.

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014 103 2. Model numeryczny Obliczenia prowadzono dla płytki o wymiarach 150x200x3.8mm, ze stopu PA20, spawan w osi symetrii na odcinku 100mm, 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. 2). Rys. 2 Sie elementów u yta w obliczeniach Zastosowano 1337 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 [1,2,8]. Na górnej i dolnej powierzchni płytki uwzgl dniono konwekcj. Własno ci termiczne materiału zale od temperatury (rys. 3 i rys. 4 [1,4,5]). Zastosowano rozło one, obj to ciowe ródło ciepła działaj ce podobnie do spawalniczego łuku elektrycznego. Moc =2.6 kw, co odpowiada 4.0 kw przy η MIG=65%. Symulowano 10.3s spawania (z krokiem 0.1s) i chłodzenie do 800s (prawie równomierne 20 0 C). Zestawienie 9 analizowanych

104 Andrzej Skibicki Poszukiwanie racjonalnego sposobu układania ciegów spawalniczych na podstawie oblicze MES sposobów wykonywania ciegów i kolejno spawania przedstawiono na (rys. 5). Sposoby wykonywania ciegów opracowano wg wskazówek technologicznych zawartych w [3,7]. Po zmianie rodzaju elementów na strukturalne model utwierdzono i prowadzono kolejne kroki oblicze obci aj c go polem obliczonej temperatury dla odpowiedniej chwili czasu. a) b) Rys. 3 Własno ci fizyczne stopu aluminium u yte w obliczeniach: a) współczynnik przewodzenia ciepła λ, entalpia H, moduł spr ysto ci E, b) współczynnik rozszerzalno ci temperaturowej α T, współczynnik Poissona ν, ródło: [4, 5]. ródło: [1, 4, 5]. Rys. 4 Własno ci wytrzymało ciowe stopu aluminium u yte w obliczeniach, w zale no ci od temperatury

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014 105 Stosowano krok czasu 0.001s, wzrastaj cy po 12 sekundzie symulowanego procesu. Mechaniczne własno ci materiału w funkcji temperatury przedstawiono na (rys. 3 i rys. 4 [1,4,5]). Analogicznie do utraty wytrzymało ci i stabilno ci metali w miar podwy szania temperatury model tracił stabilno numeryczn, co wymuszało stosowanie małych kroków czasu (0.001s) i wielu iteracji (ok. 16000) przedłu aj cych obliczenia (ok. 10000s czasu pracy procesora). 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. Rys. 5 Zestawienie sposobów wykonywania ciegów (1 9), kolejno spawania (,,...) Przedstawiono pi wa niejszych wykresów pozostaj cych napr e zredukowanych wg hipotezy Hubera-Misesa: na rys. 6 po spawaniu 1 ciegiem ci głym (cykl 1 na rys. 5), na (rys. 7) po spawaniu dwoma równoczesnymi, współbie nymi ciegami (cykl 2), na (rys. 8) po spawaniu dwoma kolejnymi dosobnymi ciegami (cykl 5), na (rys. 9) 5 krótkimi ciegami z krokiem odwrotnym (cykl 8). oraz na (rys. 10) 3 krótkimi ciegami z krokiem odwrotnym (cykl 7). Wykresy powierzchniowe przedstawiono zawsze dla jednej z symetrycznych (wzgl dem osi spoiny) połówek modelu.

106 Andrzej Skibicki Poszukiwanie racjonalnego sposobu układania ciegów spawalniczych na podstawie oblicze MES Sposób spawania wg. rys.5 Tab. 1 Wyliczone warto ci napr e i odkształce pozostaj cych (maksymalne) Napr enia pozostaj ce ( 800 s), MPa Wzdłu ne, σx Poprzeczne, σy zredukowane max. min. max. min. Hubera-Misesa Deformacja, mm 1 272-117 160-197 247 0,137 2 272-119 154-184 244 0,164 3 289-144 115-191 254 0,176 4 275-96 160-194 259 0,179 5 287-169 159-182 258 0,192 6 278-93 180-218 245 0,152 7 279-142 160-179 242 0,168 8 277-126 183-193 242 0,145 9 285-166 165-204 251 0,169 Rys. 6. Pozostaj ce napr enia własne po spawaniu ciegiem ci głym (rys. 5 p. 1)

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014 107 Rys. 7. Pozostaj ce napr enia własne po równoczesnym spawaniu 2 współbie nymi ciegami (rys. 5 p. 2) Rys. 8. Pozostaj ce napr enia własne po spawaniu 2 kolejnymi, dosobnymi ciegami (rys. 8 p. 5)

108 Andrzej Skibicki Poszukiwanie racjonalnego sposobu układania ciegów spawalniczych na podstawie oblicze MES Rys. 9 Pozostaj ce napr enia własne po spawaniu 5 ciegami z krokiem odwrotnym (rys. 5 p. 8) Rys. 10 Pozostaj ce napr enia własne po spawaniu 3 ciegami z krokiem odwrotnym (rys. 5 p. 7)

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014 109 W ka dym z przedstawionych oblicze rozkład temperatury jest zgodny z zało eniami teoretycznymi i nie wskazuje na wady niepełnego przetopu. Analizowano napr enia pozostaj ce. W tabeli 1 przedstawiono maksymalne napr enia wzdłu ne, poprzeczne i zredukowane. Przedstawiono równie obliczone warto ci odkształce (uzyskano równie kształt po spawaniu). Obliczenia MES umo liwiaj uzyskanie znacznie wi kszej ilo ci i kategorii wyników, które z braku miejsca nie zostały w artykule zamieszczone. Osobna analiza składowych pola napr e mo e dotyczy napr e wzdłu nych i poprzecznych które decyduj o najcz ciej wyst puj cych rodzajach p kni spawalniczych. Znajomo tych warto ci mo e wskazywa sposoby mocowania elementów przed spawaniem. 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. 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 niewielkiego nakładu pracy. Poszukiwanie optymalnego rozwi zania ułatwia mo liwo zmiany parametrów spawalniczych: liniowej pr dko ci spawania, rozkładu i sumarycznej mocy symulowanego ródła ciepła lub sposobu układania ciegów. Poniewa niektóre sposoby redukcji odkształce i napr e pospawalniczych bazuj na stosowaniu podgrzewania wst pnego przydatnym i mo liwym jest wprowadzenie odpowiednich danych do modelu numerycznego. Uwzgl dnienie podwy szonej lub obni onej temperatury otoczenia, wpływaj cej na efekty spawanie, równie jest mo liwe. Przedstawione wynik pochodz z rozwi za uzyskanych dla modelu dwuwymiarowego. Charakterystyczne dla takiego modelowania niewielka grubo spawanych elementów jest bardzo cz sto spotykana. Model dwuwymiarowy dostarcza warto ciowych wyników przy akceptowalnym czasie oblicze. Prowadzenie oblicze krokami poprzez kolejne chwile czasu udost pnia 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 1 Spawanie 1 ciegiem (cykl 1 /rys. 5) zazwyczaj prowadzi do ni szych ni w innych przypadkach warto ci pozostaj cych napr e wzdłu nych i poprzecznych. Ze wzgl du na ich rozkład na płaszczy nie blachy napr enia zredukowane (Hubera-Misessa) jednak nie s najni sze. Deformacje pozostaj ce s najni sze. 2 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 (6) uzyskano obni enie zredukowanych napr e pozostaj cych przy nieznacznie wi kszych deformacjach. Dla sposobu (5) otrzymano bardzo wysokie warto ci napr e zredukowanych, wzdłu nych i poprzecznych oraz najwi ksze deformacje. 3 Wyniki wskazuj e spawanie 5 krótkimi odcinkami ciegiem wstecznym (cykl 8) prowadzi do najni szych warto ci napr e zredukowanych, przy czym obszary o najwy szych warto ciach s niewielkimi, izolowanymi wyspami. Deformacje pozostaj ce s nieznacznie wi ksze ni dla (cykl 1).

110 Andrzej Skibicki Poszukiwanie racjonalnego sposobu układania ciegów spawalniczych na podstawie oblicze MES 4 Zmniejszenie ilo ci ciegów przypadaj cych na badan długo spoiny z 5 do 3 (cykl 7) prowadzi do podniesienia warto ci napr e i deformacji. 5 Wyniki oblicze wskazuj e spawanie krótkimi ciegami z krokiem odwrotnym mo e prowadzi do ograniczenia pozostaj cych po spawaniu napr e i odkształce, pod warunkiem jednak poprawnego dobrania długo ci, kierunku i kolejno ci ich układania. 6 Ró nica warto ci napr e maksymalnych, chocia nie przekracza 10% 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. 7 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. 8 Decyzja o sposobie układania ciegów powinna by racjonalnym kompromisem pomi dzy efektami ekonomicznymi a wymaganiami wobec napr e i deformacji pozostaj cych. Wynikaj ce z rozwi za numerycznych powinny by wykorzystywane gdy kultura techniczna wykonawcy umo liwia utrzymanie jako ci kraterów pocz tkowych i ko cowych oraz przestrzeganie zalece technologicznych przez spawaczy. 9 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. Bibliografia 1. Argyris J.H.,Szimmat J.,Willam K.J.: Finite Element Analysis of Arc-welding Process. Numerical Methods in Heat Transfer. 1985.vol. III. 2. Goldak J. i in.: Computer Modeling of Heat Flow in Welds. Metallurgical Transactions B. 1986, nr 9, s. 587 600. 3. Jakubiec M.,Lesi ski K.,Czajkowski H.:Technologia konstrukcji spawanych. WNT Warszawa 1987. 4. Radaj D.: Heat effects of welding. Springer Verlag, Berlin,1992. 5. Ranatowski E.: Elementy fizyki spajania metali. Wyd. ATR Bydgoszcz, 1999. 6. Skibicki A.: Identyfikacja stanu termicznych i mechanicznych skutków procesu spawania wybranych elementów z uwzgl dnieniem metod numerycznych. Praca doktorska, ATR Bydgoszcz, Wydział Mechaniczny, 1998. 7. ledziewski E: Konstrukcje spawane, WSiP, Warszawa 1974. 8. Zienkiewicz O.C.: Metoda Elementów Sko czonych, Arkady, Warszawa 1972.

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014 111 PLANNING OF RATIONAL SEQUENCES FOR WELD BEADS ON THE BASIS OF FEM 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 aluminum. Temperature-dependent material properties were used. Here were compared effects of different beads: one string, divided to 2,3, or 5 steps with centripetal, isotropy and back-reversed-steps, with combined welding sequences. Keywords: welding, FEM, aluminum, stress, residual Andrzej Skibicki Faculty of Mechanical Engineering University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz e-mail: askibic@utp.edu.pl