Streszczenie
Podczas spawania pojawiaj si niekorzystne efekty spawania (np. temperatura, strefa wpływu ciepła, naprenia i deformacje) których wystpowanie w odpowiedzial-nych miejscach moe spowodowa awari. Sprawdzano wpływu okrgłego otworu inspekcyjnego lecego blisko wykonywanej spoiny aby okreli strefy niebezpieczne. Zmieniajc odległo krawdzi otworu okrelano kadorazowo nieustalone rozkłady temperatury, wielko jeziorka spawalniczego oraz pozostajce naprenia i deforma-cje. Symulowano spawanie elementu aluminiowego. Stosowano nieliniowe własnoci materiałowe. Uyto programu ANSYS.
Słowa kluczowe: spawanie, naprenie, MES, aluminium, otwór
1. NaprĊĪenia i odkształcenia powstające podczas spawania aluminium
Spawanie jest obecnie jedn z podstawowych technik łczenia metali. Do stopienia metalu ma-jcego tworzy spoin niezbdna jest dua ilo ciepła, działama-jcego tak na spoin jak i na cał konstrukcj. Nieodłcznie powstaj chwilowe i pozostajce naprenia i odkształcenia spawalnicze. Maj one istotny wpływ na konstrukcj i mog osiga wartoci niedozwolone lub niebezpieczne. Jeeli grubo spawanych elementów jest niewielka i materiał wykazuje wysokie własnoci pla-styczne to do uszkodzenia konstrukcji konieczne bd dodatkowe obcienia zewntrzne – eksploatacyjne. Przy wieloosiowym stanie utwierdzenia powstaje trójosiowy (3D) stan naprenia wyczerpujcy zapas plastycznoci materiału. Istotnie wzrasta ryzyko wystpienia pkni [3,4]. Obecno karbu geometrycznego, np. otworu, moe istotnie zwikszy ryzyko uszkodzenia. Znane s tragiczne awarie wywołane obecnoci otworu inspekcyjnego obok wykonywanej spoiny.
Konstrukcje wytworzone z aluminium s zazwyczaj lejsze od stalowych. Spawalnicza produk-cja elementów aluminiowych, rys. 1, poza trudnociami typowymi dla spawania stali napotyka jednak na specyficzne problemy. Wynikaj one z wikszego powinowactwa do tlenu, niszych tem-peratur topnienia i znaczcej utraty własnoci wytrzymałociowych, wielokrotnie wyszego współczynnika przewodzenia ciepła i rozszerzalnoci temperaturowej, mniejszych moliwoci ba-dania gotowych spoin (np. brak metod magnetycznych, w tym analizy przebiegu zjawiska Barkhausena). Czsto te odkształcenia spawalnicze s wiksze [1,4,6]. Pomimo znacznego zapasu plastycznoci, którym wykazuje si czyste aluminium, niektóre jego stopy mog by podatne na pknicia. Istnieje potrzeba oszacowania wartoci napre pozostajcych midzy innymi w funkcji odległoci otworu inspekcyjnego od wykonywanej spoiny. Moe ona powodowa powstawanie ob-szarów o wysokich napreniach, ale o rozmiarach na tyle niewielkich e ich wykrywanie typowymi i powszechnie stosowanymi metodami jest utrudnione lub nawet niemoliwe. Moliwe jest efek-tywne zastosowanie Metody Elementów Skoczonych (MES) [1,5,7].
Poziom napre niezbdnych do dalszego rozwoju szczeliny jest niszy ni do jej zainicjowa-nia. Niewielkie obszary mogce inicjowa pknicia powinny zatem by zlokalizowane i uwzgldnione w ocenie wytrzymałoci obcionej konstrukcji, zwłaszcza jeeli znajduj si one
na krawdzi otworu a nie na jednolitej powierzchni blachy. Dodatkowo obszary takie mog take podlega lokalnej korozji napreniowej, przypieszajc awari.[4]
Rys.1 Zgład spoiny doczołowej, stop aluminium ródło: opracowanie własne.
2. Badania numeryczne
2.1. Model spawanego elementu
Symulowano spawanie blachy o wymiarach 150x100x3.8mm, wykonanej ze stopu aluminium. Spoina układana jest w osi próbki, na odcinku 100mm, z prdkoci 10mm/s. Powoduje ona zwik-szenie gruboci obszaru lica i grani. Moc prdu spawania jest stała.
Model spawanej blachy jest dwuwymiarowy, ley w płaszczy nie XY, uwzgldniajc zmian gruboci blachy w kierunku Z. Poniewa model jest symetryczny wzgldem płaszczyzny XZ obli-czenia prowadzono dla połowy powierzchni próbki. Zastosowanie odpowiednich utwierdze w temperaturowej i strukturalnej czci oblicze zapewnia poprawno symulacji prowadzonej dla połowy spawanej blachy.
Model MES został zbudowany z 5996 elementów i 6129 wzłów. Zastosowano trójktne i kwa-dratowe elementy liniowe: Shell57 w temperaturowej czci oblicze, zmienione na Plane42, o takiej samej sieci, dla prowadzenia oblicze strukturalnych. Sie elementów została przedstawiona na rys.2.
Własnoci aluminium uyte do oblicze uzyskano z [3,5]. S one nieliniowo zalene od tempe-ratury, dodatkowo własnoci wytrzymałociowe take od stopnia odkształcenia ε. Uyto modelu materiału sprysto-plastycznego z umocnieniem izotropowym. Nieliniowo własnoci materiało-wych umoliwia opisanie zmian wynikajcych z nagrzewania i przejcia przemiany fazowej, jednak znacznie wydłuajc czas oblicze. Wykresy przedstawiajcy własnoci badanego stopu aluminium przedstawiono na rys.3 i rys.4.
Rysunek 2. Zastosowana sie elementów skoczonych, wyniki s przedstawiane dla górnej połowy ródło: opracowanie własne.
a) b)
Rysunek 3. Własnoci materiałowe w funkcji temperatury, zastosowane w obliczeniach, a) entalpia H, współczynnik przewodzenia ciepła λ i moduł Younga E, b) współczynnik rozszerzalnoci αΤ
temperaturowej i współczynnik Poissona ν
Rysunek 4. Zastosowane własnoci wytrzymałociowe sprysto-plastyczne z umocnieniem izotropowym, w zalenoci od temperatury ródło: [3,5].
Połoenie otworów inspekcyjnych zmieniano zgodnie z rys.5. Odległo krawdzi otworu ́10 od osi spoiny wybierano w zakresie 7–26mm. Zastosowano rozłoone, objtociowe ródło ciepła, odpowiadajce spawaniu metod MIG, o charakterystyce zblionej do zaproponowanej przez Gol-daka [2]. ródło jest przemieszczane skokowo, co 0.1s przesuwajc si zgodnie z kierunkiem spawania (o X) o 1 element, majcy tam długo 1mm. Elementarne, zrónicowane ródła ciepła zostały rozłoone w 25 elementach dajc sumaryczn moc Qo=3.4kW.
Rysunek 5. Schemat ulokowania w kolejnych symulacjach otworów inspekcyjnych (w połowie długoci), podano odległo b krawdzi od osi spoiny
Uwzgldniono konwekcyjne odprowadzanie ciepła z górnej i dolnej powierzchni blachy, odpo-wiadajce nieruchomemu powietrzu o temperaturze 20oC. Dla uwzgldnienia odprowadzania ciepła przez promieniowanie, dominujcego pow. 600oC, po uzyskaniu tej temperatury odpowiednie współczynniki zostały, lokalnie i chwilowo, powikszone[3,5].
2.2. Obliczenia
Potraktowanie problemów przepływu ciepła i odkształce jako niesprzonych pozwala na sto-sowanie sposobu oblicze przedstawionego schematycznie na rys. 6. Lewa strona przedstawia blok oblicze temperaturowych, prawa blok oblicze strukturalnych. Dane wejciowe (przedstawione centralnie) wykorzystywane s przez oba bloki. Wyniki obliczania temperatury słu jako istotne dane wejciowe do oblicze strukturalnych i musz by uzyskane w pierwszej kolejnoci.
Rysunek 6. Schemat prowadzenia nieustalonych, niesprzonych oblicze temperaturowych i strukturalnych z zastosowaniem nieliniowych własnoci materiałowych
ródło: [5].
Współczynnik przewodzenia ciepła aluminium zaley od temperatury i jest znany tak dla stanu stałego jak i ciekłego. Na potrzeby symulacji spawalniczej warto współczynnika dla stanu cie-kłego została istotnie powikszona ze wzgldu na intensywne przenoszenie ciepła w jeziorku spawalniczym mieszanym przez dynamiczne oddziaływanie łuku spawalniczego [4,5].
Zastosowany model materiału – sprysto-plastyczny z umocnieniem pozwala na pojawianie si w wynikach oblicze napre przekraczajcych znan granic plastycznoci materiału. Ma to uzasadnienie w wynikach eksperymentalnych próby statycznego rozcigania opisujcych napre-nia powyej wyra nej lub umownej granicy plastycznoci.
Dla zachowania stabilnoci numerycznej konieczne było podanie pewnych wartoci własnoci materiałowych take w temperaturach fizycznie niedopuszczalnych np. -500oC lub +5000oC. Wyniki kocowe nie zawieraj takich wartoci.
Symulowano procesy zachodzce w cigu 800s. Przez pierwsze 10.3s symulowano przemiesz-czenie si ródła ciepła o opisanej wczeniej charakterystyce, pó niej przy wyłczonym ródle, symulowano chłodzenie modelu który osiga po 800s temperatur bardzo blisk 20oC. Uyto pro-gramu Ansys sterowanego przez wczeniej przygotowane przez autora pliki tekstowe.
3. Wyniki
Po obliczeniach MES otrzymano pozostajce oraz nieustalone pola temperatury, odkształce i napre. Wybrane, najistotniejsze do oceny efektów spawania przedstawiono w tabelach 1 i 2 oraz na rys.7–11. W tabeli 1 przedstawiono wyliczone maksymalne naprenia pozostajce: wzdłune i poprzeczne, dodatkowo wyszczególniajc je dla krawdzi otworu. W tabeli 2 przedsta-wiono najwiksze odkształcenie pozostajce w modelu po spawaniu, oraz maksymalne naprenia pozostajce: zredukowane wg. hipotezy Hubera-Missesa i styczne Dodatnie wartoci napre mog prowadzi do powstawania pkni, ujemne stwarzaj mniejsze zagroenie.
Tabela 1. Obliczone naprenia pozostajce (wartoci maksymalne)
Sposób spawania wg. rys.5
Naprenia pozostajce, MPa Wzdłune, σx (w całym modelu) Wzdłune, σx (krawd otworu) Poprzeczne, σy (w całym modelu) Poprzeczne, σy (krawd otworu)
max. min. max. min. max. min. max. 1 (b=7) 279 -118 279 -150 162 -198 92 2 (b=11) 274 -168 230 -168 157 -197 125 3 (b=15) 273 -250 100 -250 157 -196 125 4 (b=19) 273 -189 0 -189 157 -199 80 5 (b=23) 273 -219 0 -219 159 -199 40 6 (b=26) 273 -219 0 -219 159 -199 40
Tabela 2. Obliczone naprenia i odkształcenia pozostajce (wartoci maksymalne)
Sposób spawania wg. rys.5
Naprenia pozostajce, MPa zredukowane
Hubera-Misesa (w całym modelu)Styczne
τ
xy (obok otworu)Styczneτ
xyDeformacja mm
(w całym modelu)
(krawd otworu)
max. min. max. min. (w całym modelu) (krawd otworu) 1 (b=7) 260 260 121 -109 75 -80 0,147 0,147 2 (b=11) 245 240 121 -108 20 -100 0,156 0,13 3 (b=15) 243 220 121 -108 0 -100 0,145 0,13 4 (b=19) 243 185 121 -108 0 -100 0,135 0,13 5 (b=23) 243 190 121 -109 0 0 0,135 0,12 6 (b=26) 243 190 121 -109 0 0 0,135 0,13
ródło: opracowanie własne.
Przykładowe pole temperatury podczas spawania przedstawiono na rys.7. Wykresy powierzch-niowe przedstawiono zawsze dla jednej z symetrycznych (górnej wzgldem osi spoiny) połówek modelu. Obliczenia MES umoliwiaj uzyskanie znacznie wikszej iloci i kategorii wyników, które s dostpne do prowadzenia analizy w programie ANSYS.
Rysunek 7. Obliczone pole temperatury, podczas spawania, dla t=8s. b=7mm ródło: opracowanie własne.
Rysunek 8. Pozostajce wzdłune naprenia własne, Pa, b=7mm ródło: opracowanie własne.
Rysunek 9. Pozostajce wzdłune naprenia własne, Pa, b=15mm ródło: opracowanie własne.
Rysunek 10. Pozostajce wzdłune naprenia własne, Pa, b=26mm ródło: opracowanie własne.
NaprĊĪenia na krawĊdzi otworu, MPa
0 50 100 150 200 250 300 3 7 11 15 19 23 27 31
OdległoĞü krawĊdzi otworu od osi spoiny
M
P
a
Zredukowane
WzdłuĪne
Rysunek 11. Pozostajce naprenia własne wzdłune i zredukowane wg. hipotezy Hubera-Mis-sesa, w funkcji odległoci krawdzi otworu od osi spoiny MPa
4. Wnioski
1. Rezultaty symulacji przedstawione w tabelach 1 i 2 oraz na rys 8–11 pokazuj e naprenia pozostajce po spawaniu s wyra nie wysze gdy otwór ley blisko spoiny.
2. Wartoci maksymalne napre rozcigajcych s ulokowane na niewielkich obszarach. 3. Obszary te s zbyt małe aby prowadzi badania eksperymentalne wikszoci metod. 4. Deformacje pozostajce (tab.2) na krawdzi otworu s najwiksze gdy otwór ley blisko
spo-iny. Moe to powodowa niedopuszczaln zmian jego kształtu lub połoenia.
5. MES moe by stosowany do obliczania napre pozostajcych po spawaniu. Uycie do czsto spotykanego programu ANSYS stanowi ułatwienie organizacyjne w prowadzeniu ob-licze.
6. Analiza rozkładów napre wskazuje e naley zwróci uwag na połoenie planowanych otworów inspekcyjnych w pobliu wykonywanych spoin.
Bibliografia
[1] Frewin M.R., Scott D.A., Finite element model of pulsed laser welding, Welding Research Sup-plement I, p. 15s–21s, 1999.
[2] Goldak J. et all., Computer Modeling of Heat Flow in Welds. Metallurgical Transactions B, 1986, nr 9, s 587–600.
[3] Radaj D., Heat effects of welding, Springer Verlag,Berlin,1992.
[4] Ranatowski E., Elementy fizyki spajania metali, Wyd. ATR Bydgoszcz, 1999.
[5] Skibicki A., FEM calculation of residual stress after pulsed current arc welding of aluminum alloy, Journal of Polish CIMAC, Vol.7, No3,str.269–274, Gdask, 2012.
[6] Skibicki A.,Trepczyska-Łent M., Zastosowanie MES do doboru sposobu układania ciegów przy spawaniu aluminiowych elementów rodków transportu, Logistyka nr 4/2015, str. 2104– 2111.
THE IMPACT OF LOCALIZATION OF INSPECTION HOLE ON RESIDUAL STRESS AFTER WELDING OF CAR PARTS FROM ALUMINUM
Summary
The location of hole during welding of aluminium has influence on residual stres-ses. 2D FEM model of the welded plate, lying on the surface of welded sheets, was used. The calculations were done with ANSYS in two phases, thermal and mechanical calculations of deformations and stresses, with non-linear temperature dependent ma-terial properties. Different location of hole was used. Residual stresses after welding near hole were higher as without. The maximums of tensile stresses were concentrated at small areas on edge of hole. They are too small for experimental measuring, but maybe sufficient significant for crack propagation or local stress corrosion.
Keywords: welding, stress, FEM, aluminum, hole Andrzej Skibicki
Małgorzata Trepczyska-Łent Zakład Inynierii Materiałowej Wydział Inynierii Mechanicznej
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy Prof. S. Kaliskiego 7, 85-796 Bydgoszcz e-mail: askibic@utp.edu.pl
