WYZNACZANIE OBSZARÓW BADAN DIAGNOSTYCZNYCH SPOIN NA PODSTAWIE NUMERYCZNEJ SYMULACJI ROZKŁADÓW TEMPERATURY I NAPR E ANDRZEJ SKIBICKI Streszczenie Różnorodność sposobów układania spoin wynika z potrzeb technologicznych, konstrukcyjnych i ekonomicznych. Pojawiają się niekorzystne efekty spawania (np. temperatura, strefa wpływu ciepła, naprężenia i deformacje) których istnienie w odpowiedzialnych miejscach trzeba wykluczyć odpowiednimi badaniami i diagnostyką. Ograniczenie badanych obszarów może prowadzić do oszczędności i skrócenia cyklu produkcyjnego. Analizowano spoiny układane ściegiem ciągłym oraz dwoma rodzajami ściegów okresowo przerywanych. Określano nieustalone rozkłady temperatury, wielkość jeziorka spawalniczego oraz pozostające naprężenia i deformacje. Symulowano spawanie elementu aluminiowego. Stosowano nieliniowe własności materiałowe. Użyto programu ANSYS. Słowa kluczowe: spawanie, napr enie, MES, aluminium, łuk okresowo przerywany 1. Wprowadzenie 1.1. 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. Ciepło wywołuje tak e zmiany mikrostruktury obni aj ce własno ci wytrzymało- ciowe i plastyczne materiału. Mo e nast pi obni enie udarno ci. 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. Ryzyko uszkodze wzrasta dla materiałów kruchych, zwłaszcza, je eli spawane s grubsze elementy. Wówczas przy wieloosiowym stanie utwierdzenia powstaje trójosiowy (3D) stan napr enia wyczerpuj cy zapas plastyczno ci materiału. Istotnie wzrasta ryzyko wyst pienia p kni [4,5]. Odkształcenia pozostaj ce zmieniaj kształt konstrukcji, mog c doprowadzi do jej nieu yteczno ci lub niezgodno ci z normami i przepisami. Utrzymanie zadanych tolerancji jest utrudnione. Warsztatowe sposoby redukcji napr e i odkształce s efektem wieloletniego do wiadczenia technologów. Poniewa rozwój techniczny i wymagania ekonomiczne coraz cz ciej wprowadzaj nowe rozwi zania i materiały to brakuje czasu na uzyskanie nowych do wiadcze [5]. Konstrukcje wytworzone z aluminium s zazwyczaj l ejsze od stalowych. Spawalnicza produkcja elementów aluminiowych poza trudno ciami typowymi dla spawania stali napotyka jednak na specyficzne problemy. Wynikaj one z wi kszego powinowactwa do tlenu, ni szych temperatur
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014 213 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. Spawanie aluminium wymaga stosowania innych technologii i parametrów spawania. Du uwag po wi ca si obecnie spawaniu pr dem pulsuj cym, sprzyjaj cemu poprawnemu układaniu spoin, zmniejszaj cemu pozostaj ce odkształcenia spawalnicze i, jak si cz sto uwa a, napr enia pozostaj ce [2,5,7]. 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 celu wyznaczenia i ograniczenia obszarów bada kontrolnych i diagnostycznych. Mo liwym jest bowiem e zastosowania spawania impulsowego-łukiem okresowo przerywanym, pomimo mniejszych globalnych odkształce i napr e powoduje powstawanie obszarów o napr eniach wy szych, ale o na tyle niewielkich rozmiarach e ich wykrywanie typowymi i powszechnie stosowanymi metodami jest utrudnione lub nawet niemo liwe. Poziom napr e niezb dnych do zainicjowania p kni cia jest wy szy od koniecznego do dalszego rozwoju szczeliny. Niewielkie obszary mogły by zainicjowa p kni cia powinny zatem by zlokalizowane i uwzgl dnione w ocenie wytrzymało ci obci onej konstrukcji. Obszary takie mog tak e podlega lokalnej korozji napr eniowej, zapocz tkowuj c rozleglejsze jej formy [5]. 1.2. Metoda elementów sko czonych w obliczeniach in ynierskich cisłe opisywanie zjawisk fizycznych jest mo liwe dzi ki zastosowaniu równa wi cych wielko ci fizyczne. Umo liwia to prowadzenie oblicze tak fizycznych jak i obiektów technicznych. Zapisanie odpowiedniego równania jest cz sto nieproste, dla zjawisk bardziej zło onych bardzo trudne. Najtrudniejsz faz jest rozwi zywanie równa, zwłaszcza je eli s to ró nego typu równania ró niczkowe. Istniej ce rozwi zania matematyczne problemów fizycznych cz sto s ograniczone znacznymi uproszczeniami i zało eniami. W technice dotycz one np. własno ci materiałowych i geometrii. Stosowane materiały cz sto maj liczne nieliniowo zmienne w funkcji kilku zmiennych własno ci materiałowe. Konstrukcje in ynierskie maj zło ony kształt, ich geometria cz sto jest wr cz wyrafinowana. Mog by funkcj czasu np. przy scalaniu kolejnych fragmentów. Przy takich warunkach brzegowych uzyskanie cisłych rozwi za równa fizycznych opisuj cych obiekty techniczne jest zazwyczaj niemo liwe lub wymaga intensywnej pracy najwy szej klasy matematyków. W technice zazwyczaj nie jest niezb dne uzyskanie dokładnych i ci głych rozwi za. U yteczne s warto ci wynikowe dla wybranych punktów, chwil czasu oraz maj ce sko czon precyzj. Wychodz c z tego zało enia mo na dokona dyskretyzacji obiektu technicznego prowadz cej do uproszczonego opisu geometrii lub własno ci materiałowych. Przydatny i skuteczny jest podział obiektu na sko czonej wielko ci elementy, które pozwalaj na uwzgl dnienie cało ci obiektu dzi ki powi zaniu ich w w złach b d cych ich cz ci wspóln. Istnieje wiele metod wykorzystuj cych t zasad. Współcze nie najpopularniejsza jest Metoda Elementu Sko czonego (MES). Posiada bogata literatur i wiele zaawansowanych programów które ja implementuj [9]. Geometria opisana sko czon ilo ci elementów i w złów mo e by zapisana w macierzach, które s skutecznie przetwarzane przez komputery. Zale no ci pomi dzy w złami, zmiany warto ci zmiennych wewn trz elementów, dzi ki pracy teoretyków, równie mog by efektywnie zapisane
214 Wyznaczanie obszarów badan diagnostycznych spoin na podstawie numerycznej symulacji rozkładów temperatury i naprężeń macierzowo. Podobnie mo na zapisa obci enia i utwierdzenia. Liniowe (ale zró nicowane dla poszczególnych elementów) własno ci materiałowe tak e mo na zapisa macierzowo. Dyskretyzacja czasu pozwala na odcinkowe opisywanie zjawisk zmiennych w kolejnych przedziałach czasu. Obliczenia prowadzone metod krok-po-kroku pozwalaj na wyznaczenie stanu ko cowego i stanów po rednich obiektu. Nieliniowe własno ci materiałowe wymagaj zmodyfikowanej (np. iteracyjnej) procedury obliczeniowej. Współistnienie wzajemnie zale nych zjawisk fizycznych mo e wymaga zastosowania rozwi zywania sprz onego. Ze wzgl du na jego zło ono cz sto rezygnuje si z tego na rzecz kolejnego uwzgl dniania zjawisk, co przy słabym sprz eniu nie wpływa istotnie na dokładno oblicze. Dyskretyzacja własno ci materiałowych pozwala na implementacje wielu ich modeli, tak e i nieliniowo zmiennych. Macierzowy, dyskretny zapis stanu obiektu pozwala na obliczenia numeryczne, realizowane przez komputery ju w pierwszych latach ich rozwoju. Zło one procedury obliczeniowe i kontrolne pozwalaj uzyska wymagan dokładno oblicze. Chocia z matematycznego punktu widzenia MES jest zło onym problemem naukowym, to dla in yniera (cz sto te i naukowca) jest to u yteczne narz dzie o mniejszym ni metody analityczne poziomie trudno ci[9]. Geometria mo e by zapisywana w sposób uproszczony: 1D 2D lub 3D. Zostały stworzone odpowiednie do zastosowa rodzaje elementów np. punkt masowy, pr t, belka, powłoka, tarcza, płyta o zmiennej grubo ci i wielowarstwowej strukturze wewn trznej, wielo cienne (4 6) elementy przestrzenne. Dla dokładniejszego opisania zjawisk i geometrii obiektu stworzone zostały elementy o zmiennych w nich liniowo i nieliniowo parametrach fizycznych. Na kraw dzi elementu mo e by od 2 do 4 w złów. Wi ksza ilo w złów pozwala na uwzgl dnianie kraw dzi i powierzchni zakrzywionych. Przykłady zostały przedstawione na (rys. 1). Rys. 1. Elementy stosowane w MES: a) liniowe (punkt masowy, 1D,2D,3D), b) drugiego stopnia, c) trzeciego stopnia, d)sieć trójkątnych elementów liniowych ródło: opracowanie własne i [9]. MES stosuj c odpowiednie równania i warunki brzegowe mo e opisywa np. rozkłady i zmienno w czasie: temperatury, odkształce i napr e, pola elektrycznego i magnetycznego, dyfuzji, przepływów cieczy lepkich, drga swobodnych i wymuszonych, przepływu pr du, zjawisk piezoelektrycznych etc. Mo liwe jest uwzgl dnienie promieniowania, konwekcji, zjawisk kontaktowych
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014 215 (np. zderzenia). Istnieje wsparcie dla optymalizacji konstrukcji, np. pozwalaj ce na redukcj masy konstrukcji bez utraty jej pierwotnej no no ci. 2. Badania numeryczne 2.1. Model spawanego elementu Symulowano spawanie blachy o wymiarach 150x200x3,8mm, 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. Nat enie pr du spawania jest zmienne i składa si z cyklicznych impulsów. 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 1337 elementów i 1430 w złów. Zastosowano trójk tne i kwadratowe elementy liniowe: Shell57 w temperaturowej cz ci oblicze, zamienione na Plane42, o takiej samej sieci, dla prowadzenia oblicze strukturalnych. Dla uwzgl dnienia wysokich warto ci gradientów w miejscu spawania wielko elementów była mniejsza (0,4x1mm) ni na zewn trznych kraw dziach modelu (5x5mm). Wielko elementów zmieniała si stopniowo. Ilo zastosowanych elementów mogła zosta istotnie zmniejszona, w efekcie redukuj c czas oblicze. Sie elementów została przedstawiona na (rys. 2). Rys. 2 Zastosowana sieć elementów skończonych, wyniki są przedstawiane dla górnej połowy
216 Wyznaczanie obszarów badan diagnostycznych spoin na podstawie numerycznej symulacji rozkładów temperatury i naprężeń Własno ci aluminium u yte do oblicze uzyskano z [1,4,6,8]. 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. 4). a) b) Rys. 3 Własności materiałowe w funkcji temperatury, zastosowane w obliczeniach, a) entalpia H, współczynnik przewodzenia ciepła λ i moduł Younga E, b) współczynnik rozszerzalności ατ temperaturowej i współczynnik Poissona ν ródło: [1,4,6,8]. ródło: [4,6]. Rys. 4 Zastosowane własności wytrzymałościowe sprężysto-plastyczne z umocnieniem izotropowym, w zależności od temperatury
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014 217 Zastosowano rozło one, obj to ciowe ródło ciepła, odpowiadaj ce spawaniu metod MIG, o charakterystyce zbli onej do zaproponowanej przez Goldaka [3]. 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 pocz tkow Q o=3.4kw. Dla takiej, stałej, mocy została przeprowadzona symulacja stanowi ca poziom odniesienia wobec kolejnych. Dla uwzgl dnienia spawania łukiem okresowo przerywanym zdefiniowano cyklicznie przywoływane okresy o długo ci 0.5s. Zostały o podzielone na 5 podokresów o długo ciach 0.1s. W ka dym z podokresów mo na niezale nie aktywowa ródło ciepła, stosownie do symulowanej pulsacji. Przykłady przedstawiono na (rys. 5). Pocz tkowa moc ródła ciepła Q o mo e by mno ona przez współczynnik D, który w opisywanych symulacjach wynosił 1 lub 3. a) b) Rys. 5. Schemat pulsacyjnego działania źródła ciepła, a) aktywowanie podokresów, b) zastosowanie mnożnika D przy równoczesnym aktywowaniu podokresów 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 [4,6]. Dla uwzgl dnienia powstawania spoiny elementom le cym w miejscu rowka spawalniczego zostały pocz tkowo przypisane własno ci materiałowe odpowiadaj ce powietrzu. Przemieszczanie ródła ciepła i narastanie spoiny pozwalało na przywracanie własno ci odpowiadaj cych stopowi aluminium[3,6].
218 Wyznaczanie obszarów badan diagnostycznych spoin na podstawie numerycznej symulacji rozkładów temperatury i naprężeń 2.2. Obliczenia Temperatura, mikrostruktura, odkształcenia i napr enia s z sob wzajemnie powi zane w sposób pokazany na (rys. 6). Powi zania s bardziej i mniej istotne. Temperatura i odkształcenia powi zane s współczynnikiem rozszerzalno ci liniowej. Zmiana wymiarów nagrzanych ciał stałych jest zauwa alna i powinna by uwzgl dniona. Zjawisko odwrotne generacja ciepła w efekcie wymuszonych odkształce tak e jest obserwowane, ale poniewa w procesach spawalniczych ciepło wprowadzane w miejscu spawania jest o kilka rz dów wielko ci wi ksze, mo e zatem by zaniedbane. Ustalenie istotnych powi za pozwala na zrezygnowanie z rozwi zywania problemu jako sprz onego na rzecz rozdzielenia na problemy składowe i posobnego ich rozwi zywania. Powi zania mikrostruktury jako najsłabsze mog by dla aluminium przeprowadzone jako ostatnie je eli jest to wymagane. Rozdzielenie problemów przepływu ciepła i odkształce pozwala na stosowanie sposobu oblicze przedstawionego schematycznie na (rys. 7). 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. Rys. 6. Powiązania zjawisk wpływających na naprężenia i odkształcenia spawalnicze, 1,2,3 powiązania wpływające istotnie; 4,5,6: o malej istotności ródło: [5]. Obliczenia strukturalne prowadzone s przez MES w poszukiwaniu odkształce u (jednostkowych i globalnych), pó niej dopiero przeliczanych na napr enia z zastosowaniem aktualnego modułu Younga. Dane wej ciowe s zmienne. Mog zale e od czasu τ jako wynik zmiany poło- enia ródła ciepła, zachodz cego umocnienia odkształceniowego materiału czy przywracania własno ci materiałowych elementów w rowku spawalniczym. Mog te zale e od temperatury, jak np. zmiana współczynnika konwekcji dla uwzgl dnienia promieniowania cieplnego w podwy szonych temperaturach. Zale no od temperatury dotyczy zwłaszcza własno ci materiałowych tak temperaturowych jak i strukturalnych. Wykresy zastosowanych własno ci zostały przedstawione na (rys. 3 i 4).
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014 219 Spawanie jest procesem dynamicznym, miejsce wprowadzania ciepła i powstawania spoiny zmienia swoje poło enie a po spawania przedmiot stygnie w ci gły, niejednolity sposób a do uzyskania temperatury otoczenia. Poszukiwanie jednego, ko cowego stanu ustalonego nie jest zatem tu wła ciwe, chocia cz sto skutecznie stosowane w inaczej sformułowanych problemach. Dla uzyskania nieustalonego pola temperatury (pó niej tak e zmiennych w czasie odkształce i napr e ) konieczne jest prowadzenie oblicze dla pewnych chwil czasu τ z krokiem o długo ci Δτ. Uzyskane w kroku (k) pole temperatury jest wynikiem oddziaływania chwilowych warunków zewn trznych na pole temperatury uzyskane z poprzedniego, (k-1), kroku oblicze. Wynik bie cych oblicze b dzie uwzgl dniony dla kroku (k+1). Długo kroków czasu jest zmienna pocz tkowa warto 0.001s zmienia si do 50s pod koniec etapu chłodzenia, stosownie do szybko ci zmian zachodz cych w modelu. Rys. 7. Zastosowany w obliczeniach schemat prowadzenia nieustalonych, niesprzężonych obliczeń temperaturowych i strukturalnych z zastosowaniem nieliniowych własności materiałowych ródło: [6]. Ze wzgl du na zale no własno ci materiałowych od wyników bie cego obliczenia (od T w cz ci temperaturowej, od u w cz ci strukturalnej), niezb dne staje si wprowadzenie iteracyjnego sposobu rozwi zywania. Dla danego kroku czasu pierwotnie ustalona temperatura pozwala na
220 Wyznaczanie obszarów badan diagnostycznych spoin na podstawie numerycznej symulacji rozkładów temperatury i naprężeń skorygowanie aktualnie stosowanych własno ci materiałowych i przeprowadzenie kolejnego obliczenia podaj cego kolejne przybli enie temperatury itd., a do uzyskania zbie no ci, tj. ró nicy pomi dzy kolejnymi rozwi zaniami lepszej od zało onej granicznej. Jest to sposób oblicze który wraz z uwzgl dnianiem kolejnych stanów nieustalonych powoduje znaczne wydłu enie czasu oblicze : ok. 10 5 razy. Przebieg zmienno ci uwzgl dnia zarówno zakres istnienia fazy stałej jak i ciekłej. Wykres entalpii pokazuje pojemno ciepln materiału, narastaj c wraz temperatur. Gwałtowny wzrost odpowiada ciepłu topnienia (krzepni cia) metalu. 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. Umo liwiło to uwzgl dnienie intensywnego przenoszenia ciepła w jeziorku spawalniczym mieszanym przez dynamiczne oddziaływanie łuku spawalniczego[5,6]. Zastosowany model materiału spr ysto-plastyczny z umocnieniem izotropowym 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, podczas iteracyjnego rozwi zywania układów nieustalonych z nieliniowo ci materiałow, konieczne było okre lenie pewnych warto ci własno ci materiałowych tak e w temperaturach fizycznie niedopuszczalnych np. -500 o C lub +5000 o C. Wyniki ko cowe nie zawieraj takich warto ci. Uzyskanie informacji o własno ciach materiałowych w temperaturach nie mieszcz cych si w najcz stszych zastosowaniach in ynierskich jest utrudnione. 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 temperatur otoczenia. Stabilno procesu rozwi zywania była słaba z powodu cz stego, gwałtownego, aktywowania i wył czania ródła ciepła. Wymuszało to u ycie krótkich kroków czasu. U yto programu Ansys sterowanego przez wcze niej przygotowane przez autora pliki tekstowe.
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014 221 3. Wyniki Nr Tab.1 Obliczone odkształcenia i naprężenia pozostające (wartości maksymalne) Moc łuku (Q=D Q0) Czas działania pełnej mocy łuku w czasie okresu 0.5s, s Odkształcenie maksymalne, m Napr enia pozostaj ce (dla 800 s), MPa Huber-Misses wzdłu ne poprzeczne 1 Qo 0,5 0.207e-3 0 +245-117 / +272-197 / +160 2 Qo 0,3 0.111e-3 0 +246-66 / +264-183 / +183 3 3 Qo 0,1 0.887e-4 0 +252-80 / +261-183 / +193 Po obliczeniach MES otrzymano pozostaj ce oraz nieustalone pola temperatury, odkształce i napr e. Wybrane, najistotniejsze do oceny efektów spawania przedstawiono w tabeli 1 oraz na (rys. 8 11). W tabeli 1 obok parametrów stosowanego ródła ciepła przedstawiono najwi ksze odkształcenie pozostaj ce w modelu po spawaniu, oraz maksymalne napr enia pozostaj ce: wzdłu ne, poprzeczne i uwzgl dniaj ce wpływ wszystkich składowych zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa. Dodatnie warto ci napr e mog prowadzi do powstawania p kni, ujemne stwarzaj mniejsze zagro enie. Przykładowe pole temperatury podczas spawania łukiem ci głym przedstawiono na (ry.8). Wyznaczanie obszarów bada diagnostycznych dogodnie jest prowadzi na podstawie map napr - e, najlepiej zredukowanych. Dla poszczególnych analizowanych przypadków zostały one przedstawione na (rys. 9 11). 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 z braku miejsca nie zostały w artykule zamieszczone, ale s dost pne do analizy w programie ANSYS. Rys. 8. Obliczone pole temperatury, podczas spawania łukiem ciągłym, dla t=10.3s. (tab.1 p.1)
222 Wyznaczanie obszarów badan diagnostycznych spoin na podstawie numerycznej symulacji rozkładów temperatury i naprężeń Rys. 9. Pozostające naprężenia własne po spawaniu łukiem ciągłym (tab.1 p.1), zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa, Pa Rys. 10. Pozostające naprężenia własne po spawaniu łukiem okresowo przerywanym (tab.1 p.2), zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa, Pa
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 69, 2014 223 Rys. 11. Pozostające naprężenia własne po spawaniu łukiem okresowo przerywanym (tab.1 p.3), zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa, Pa 4. Wnioski 1. Rezultaty symulacji przedstawione w tabeli 1 na (rys 9 11) pokazuj e napr enia pozostaj ce po spawaniu łukiem okresowo przerywanym mog mie warto ci wy sze ni po spawaniu łukiem ci głym. 2. Warto ci napr e pozostaj cych po spawaniu impulsowym mog by wystarczaj ce do zarodkowania p kni. 3. Warto ci maksymalne napr e rozci gaj cych s ulokowane na niewielkich, cyklicznie rozło- onych obszarach. 4. Obszary te s zbyt małe aby prowadzi badania eksperymentalne wi kszo ci metod. 5. Deformacje pozostaj ce s mniejsze przy spawaniu impulsowym (tab.1). 6. MES mo e by stosowany do obliczania napr e pozostaj cych po spawaniu. U ycie do cz sto spotykanego programu ANSYS umo liwia ułatwienia organizacyjne w prowadzeniu oblicze. 7. Analiza rozkładów napr e wskazuje e badania spoin wykonanych łukiem okresowo przerywanym powinny by prowadzone szczególnie dokładnie w miejscach styków elementarnych jeziorek spawalniczych.
224 Wyznaczanie obszarów badan diagnostycznych spoin na podstawie numerycznej symulacji rozkładów temperatury i naprężeń 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. Frewin M.R., Scott D.A., Finite element model of pulsed laser welding, Welding Research Supplement, I 1999,p. 15 21. 3. Goldak J. et all., Computer Modeling of Heat Flow in Welds. Metallurgical Transactions B, 1986, nr 9, s 587 600. 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 uwzględnieniem metod numerycznych, Praca doktorska, ATR Bydgoszcz, Wydział Mechaniczny 1998. 7. Skibicki A., Numeryczna ocena wpływu pulsacji łuku na naprężenia pospawalnicze w stopach aluminium. Materiały i Technologie. Roczniki Naukowe PTM, Nr 3 (3), str. 213 216. 2005. 8. Vishnu, R.P.,Easterling, K.E., Phenomenological modeling of heat flow and microstructural hanges in pulsed GTA welds in a quenched and tempered steel. Mathematical Modeling of weld Phenomena,MP,p.241 270,London,1993. 9. Zienkiewicz O.C.: Metoda Elementów Skończonych. Arkady, Warszawa 1972. INDICATION OF LOCATIONS FOR DIAGNOSTIC INVESTIGATIONS OF WELDS, ON THE BASIS OF FEM CALCULATION OF TEMPERATURE AND STRESSES Summary The use of pulsed arc for welding of aluminium has influence on residual stresses. 2D FEM model of the welded plate, lying on the surface of welded sheets,1337 finite elements, was used. The calculations were done with ANSYS in two phases, thermal and mechanical calculations of deformations and stresses, are non-linear with temperature dependent material properties. Different type of pulse was used. Results from temperature analysis were used in stress calculation. Some residual stresses after pulsed arc welding were higher as after constant. The maximums of tensile stresses were concentrated at small, perpetual areas. They are too small for experimental measuring, but significantly sufficient for crack propagation or local stress corrosion. Keywords: welding, stress, FEM, aluminum, pulsed arc Faculty of Mechanical Engineering University of Technology and Life Sciences in Bydgoszcz Al. Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz e-mail: askibic@utp.edu.pl