Potrzeba nowych rozwiązań konstrukcyjnych w budowie środków transportu i rozwój nowych technologii spawania laserowego umożliwia obecnie wprowadzenie do konstrukcji statków nowego typu struktur cienkościennych – stalowych paneli typu sandwich. Wielowarstwowe konstrukcje prefabrykowane jako wielkogabarytowe panele stanowią nową postać konstrukcyjną. Jednym z kluczowych aspektów związanych z bezpieczeństwem stosowania nowego rozwiązania, jest ocena trwałości zmęczeniowej spoin łączących poszycia z usztywnieniami paneli. Obecnie stosowane lokalne metody oceny trwałości zmęczeniowej, przeznaczone są dla spoin o grubości powyżej 5mm, bądź punktowych zgrzein laserowych i nie obejmują zakresem stosowania paneli typu sandwich.
Ocena trwałości zmęczeniowej spoin laserowych paneli typu sandwich jest mało rozpoznanym obszarem badawczym, tak więc jedyne wiarygodne wyniki uzyskać można było poprzez badania eksperymentalne w skali rzeczywistej. Wyniki badań zmęczeniowych dowodzą wyższej trwałości zmęczeniowej spoin laserowych w porównaniu ze spoinami konwencjonalnymi. Największy wpływ na wyższe własności zmęczeniowe upatruje się w odmiennej geometrii i własnościach materiałowych nowych połączeń.
W pracy podjęto badania nad oceną trwałości zmęczeniowej spoin laserowych stalowych paneli typu sandwich. Zastosowano do tego celu koncepcję naprężeń lokalnych wg podejścia zaokrąglenia karbu. W pierwszej kolejności, ze względu na odmienność analizowanej spoiny laserowej w porównaniu ze standardowymi złączami, przeanalizowano jej cechy pod kątem oceny trwałości zmęczeniowej. Szczegółowo zbadano geometrię, jak i własności materiałowe połączenia. Stwierdzono znaczący wzrost twardości materiału w spoinie, jak i bardzo duży gradient twardości. Założono, że wpływ zmian jakie zachodzą w materiale na skutek procesu spawalniczego może zostać uwzględniony w obliczeniach trwałości zmęczeniowej poprzez jeden parametr – twardość. Jest to bardzo łatwo mierzalna i powszechnie stosowana własność materiału, która najprawdopodobniej z dostateczną dokładnością opisywać może ogół zmian materiałowych zachodzących w stali podczas spawania. Jednak udowodnienie tej hipotezy wymagało szczegółowej analizy spoin stalowych paneli typu sandwich, jako złączy unikalnych i nie powtarzalnych ze względu na bardzo nietypową technologię spawania. Dlatego też szczegółowa analiza spoin obejmowała wyznaczenie krzywych odkształcenie-naprężenie dla każdej ze stref materiałowych złącza.
Przeprowadzono również szczegółową analizę geometrii połączeń, ze specjalnym uwzględnieniem karbów. Badania te umożliwiły analizę odkształceń i naprężeń w rejonie karbów spoiny laserwej, przy pomocy modelu numerycznego MES. Obliczenia prowadzono na dokładnym modelu spoiny laserowej, z uwzględnieniem wpływu różnych aspektów modelowania. Poprawność modelowania numerycznego spoiny laserowej zweryfikowano w
139
oparciu o doświadczalne wyniki odkształceń w spoinie, uzyskane metodą laserowej ekstensometrii siatkowej. Wykazano dużą zgodność wyników numerycznych z eksperymentem. Analiza modelu numerycznego, uwzględniającego karby geometryczne i odmienne własności materiałowe w poszczególnych strefach materiałowych połączenia, pozwoliła na stwierdzenie, że spoiny laserowe zachowują się podobnie jak połączenia wykonywane innymi metodami i o koncentracji naprężeń w przeważającym stopniu decydują karby geometryczne. Wniosek ten umożliwił analizowanie trwałości zmęczeniowej spoin przy pomocy metody naprężeń lokalnych (ang. local stress approach), w których koncentracja naprężeń i odkształceń z założenia wynika z karbu geometrycznego i inne przyczyny koncentracji nie są przez metodę uwzględniane.
Ocenę trwałości zmęczeniowej spoin laserowych stalowych paneli typu sandwich wykonano przy użyciu lokalnej metody naprężeniowej wg hipotezy fikcyjnego zaokrąglenia karbu. W metodzie tej geometryczny współczynnik koncentracji karbu Kt wyznaczony został poprzez obliczenia numeryczne MES. Obliczenia przeprowadzono z zastosowaniem, adekwatnego do analizowanych złączy, promienia zaokrąglenia karbu, który w momencie rozpoczęcia pracy nie był znany. Pierwotnie zamierzano skorzystać z wartości fikcyjnego zaokrąglenia karbu równej ρf=0.15mm, stosowanej dla złączy zakładkowych zgrzein puktowych połączeń zakładkowych wykonywanych w przemyśle samochodowym (ρf = 0.05mm). Jednak odmienność geometrii złączy i technologii ich wykonywania, a także grubości łączonych elementów skłoniła do zbadania wpływu wartości promienia ρf na geometryczny (teoretyczny) współczynnik koncentracji naprężeń Kt. Po przeprowadzonej analizie, dla spoin laserowych paneli typu sandiwch, zaproponowano wartość promienia zaokrąglenia karbu ρf=0.15mm. Maksymalna koncentracja naprężeń dla analizowanych złączy ma miejsce w karbie grani i wynosi Kt = 3.18 (dla ρf = 0.15mm).
Jednak obliczony lokalną metodą naprężeniową efektywny współczynnik koncentracji naprężeń Kf_obl1= 1.86 znacząco odbiega od wartości uzyskanych na drodze eksperymentalnej Kf_eksp. = 1.38. Przyczynę upatruje się we wpływie zmian materiałowych w spoinie, będących skutkiem nietypowej technologii spawania laserowego i mającego znaczący wpływ na trwałość zmęczeniową. Podobne rozbieżności pomiędzy obliczeniowym, a rzeczywistym współczynnikiem koncentracji naprężeń zaobserwowano w doczołowych spoinach laserowych i hybrydowych blach o grubości 12mm. Również w przypadku tych złączy zaobserwowano znaczący przyrost twardości w materiale spoiny, który w żaden sposób nie jest uwzględniany w metodzie obliczeniowej wg hipotezy naprężeń lokalnych.
W niniejszej pracy przedstawiono, jak można uwzględnić wpływ zmian materiałowych w spoinie, wyrażonych przez twardość, na obliczeniowy efektywny współczynnik koncentracji naprężeń Kf w lokalnej metodzie naprężeniowej. Na podstawie wyników badań zmęczeniowych próbek materiałowych pobranych z różnych stref spoin, wykonanych
140
różnymi metodami wyznaczono zależność wiążącą przyrost amplitudy naprężenia do inicjacji pęknięcia dla Ni=2e6 cykli z przyrostem twardości w materiale. Wyznaczona na podstawie badań materiałowych zależność umożliwia korektę obliczeniowego, efektywnego współczynnika koncentracji naprężeń Kf o efekt materiałowy. Wpływ zmian własności materiałowych może zostać uwzględniony przy pomocy dodatkowego, zaproponowanego w pracy współczynnika. Współczynnik ten nazwano materiałowym i oznaczono symbolem fm. Wartość tego współczynnika korygującego można obliczyć z zależności wyznaczonej na podstawie materiałowych badań zmęczeniowych i badań twardości analizowanych materiałów poddanych procesom spawalniczym i nie ogranicza się tylko do spoin laserowych stalowych paneli typu sandwich. Danymi wejściowymi do określenia współczynnika fm jest iloraz twardości materiału spoiny i materiału rodzimego. Odpowiednio wyznaczony współczynnik fm może zostać wykorzystany do korekty współczynnika Kf
różnego rodzaju złączy spawanych. Dla spoin laserowych stalowych paneli typu sandwich pokazano, że uwzględnienie w lokalnej metodzie naprężeniowej zarówno efektu karbu geometrycznego (poprzez współczynnik Kt), jak i efektu materiałowego (poprzez współczynnik fm) umożliwia bardzo dokładne wyznaczenie obliczeniowego efektywnego współczynnika koncentracji naprężeń Kf.
141