Numerické simulace svařování jako podpora průmyslu

Rychlost reakce na poptávku trhu je výzvou pro současný průmysl. Klíčem k úspěchu je vyrábět s nízkými náklady a vysokou kvalitou. Navíc roste tlak na urychlení procesu vývoje výrobků a zkrácení času potřebného k dodání výrobku na trh. Jednou možností řešení uvedených problémů je využití prostředků počítačové simulace.


Rozvoj výpočetní techniky a numerických metod umožňuje prověřit vlastnosti výrobku i technologií jeho výroby virtuálně již v průběhu konstrukčního návrhu. Snižuje se tak potřeba provádění reálných experimentů a tvorba skutečných prototypů, což vede k výrazné úspoře nákladů. V případě numerických simulací svařování jsou také produkty trhu programy vyvíjené francouzskou společností ESI Group, SYSWELD, PAM ASSEMBLY a WELD PLANNER (byl vyvíjen ve společnosti INPRO ve spolupráci VW, DAIMNLER a THYSSEN). Programy umožňují provedení numerických simulací svařování, jak reálných průmyslových celků, tak i použití ve výzkumu a vývoji. Rozložení teplotních polí, predikce velikosti teplotně ovlivněné zóny, predikce materiálové struktury, predikce tvrdosti v jednotkách HV, predikce zbytkového napětí, deformací a distorzí jsou hlavní výsledky, které mimo jiných obdržíme z numerických simulací. Na základě obdržených výsledků lze provést optimalizaci technologického postupu numerickou cestou tak, abychom obdrželi požadované parametry bez potřeby provedení reálných experimentů. Na základě obdržených výsledků, je možné rozhodnout o správné volbě materiálu a technologie svařování, optimalizovat svařovací postup, svařovací parametry, tuhosti svařovacích přípravků s cílem minimalizovat distorze (deformace), optimalizovat vznik nežádoucích struktur a omezit zbytkové napětí po svaření, omezit možnost vzniku vad typu trhlina. Dále je možné predikovat životnost během provozu součásti na základě analýzy napěťového, deformačního pole a dle skutečného provozního zatížení včetně zahrnutí zbytkového napětí po svařování.

Metody řešení numerických simulací svařování
Společnost ESI Group  již více než 20 let vyvíjí programový soubor SYSWELD, který slouží k numerickým simulacím procesu svařování a tepelného zpracování.

 

Obr. 1 Výpočetní model 3D

 

Obr. 2 Teplotní pole během procesu svařování

Obr. 3 Redukovaného napětí po svaření

 

Obr. 4 Výsledné distorze [mm] po svaření 


V této chvíli numerické řešení svařování společnosti ESI Group není již pouze program SYSWELD, ale nabídka se rozrostla o nové dva produkty, WELD PLANNER a PAM ASSEMBLY. Numerická simulace tepelného zpracování se provádí pouze programem SYSWELD. Všechny představené numerické řešení procesu svařování a tepelného zpracování jsou provedeny metodou konečných prvků. Všechny možnosti numerických analýz svařování produkty společnosti ESI Group jsou následující:

WELD PLANNER (SHRINKAGE). Analýzy jsou provedeny metodou smršťování. Výsledkem analýz jsou pouze deformace během a po provedení procesu svařování. Program WELD PLANNER je uživatelsky velmi jednoduchý a výpočetní časy jsou velmi krátké. Program WELD PLANNER může obsluhovat i proškolený svařovací technolog.

WELDING ASSEMBLY (LOCAL-GLOBAL). V uvedené skupině jsou programy PAM ASSEMBLY anebo SYSWELD ASSEMBLY. Analýzy jsou provedeny pomocí lokálně globálního přístupu, což je originální řešení společnosti ESI Group. Kompletní materiálově fyzikální řešení je provedeno transientní metodou, programem SYSWELD, na lokálních modelech, které reprezentují pouze vybrané svarové spoje. Výsledky lokálních modelů jsou totožné jako ve skupině WELDING. Analýzu deformací celku, během svařování jsou řešeny na globálním modelu, který uvažuje celou svařovanou konstrukci.  

WELDING (TRANSIENT) - Transientní řešení je prováděno programem SYSWELD, který uvažuje téměř všechny materiálově fyzikální vlivy procesu svařování a tepelného zpracování. Výsledkem analýz jsou teplotní pole, materiálová struktura, velikost zrna, tvrdost v jednotkách HV, zbytkové napětí a deformace, distorze konstrukce, predikce meze kluzu v oblasti svaru a teplotně ovlivněné zóně atd.
Pro splnění uvedených cílů výrobce, tj. správné funkce a zaručení životnosti svařované součásti, numerické analýzy v současnosti nabízejí:
a)    Analýzu teplotních a strukturních polí s cílem stanovit velikost tepelně ovlivněné oblasti, protavené oblasti a rozložení charakteristických struktur materiálu v libovolném místě svařované součásti včetně stanovení tvrdosti pomocí empirických vztahů na základě chemického a strukturního složení. Výsledkem této studie je rozhodnutí o správné volbě materiálu a technologii svařování, např. stanovení teploty předehřevu.
b)    Analýzu deformací, resp. distorzí během a po svařování, včetně uvolnění svařované konstrukce z upínacího přípravku. Možnost optimalizace postupu svařování a svařovacích parametrů, úpravy svarových ploch, volby dostatečné tuhosti svařovacích přípravků, změna svařovacího postupu (svařovací sekvence), případně změna svařovacích parametrů jednotlivých spojů.
c)    Analýzu napěťového a deformačního pole s cílem posouzení svařované součásti na životnost dle používaných postupů a metodik s uvažováním všech možných degradačních mechanismů během provozu součásti.
d)    Posouzení možnosti vzniku vad během a po svaření, resp. tepelného zpracování. Na základě inženýrského posouzení parametrů jako je materiálová struktura, tvrdost, zbytkové napětí a plastická deformace lze s určitou pravděpo-dobností stanovit možnost vzniku vady.


Svařovíní T spoje
Na příkladu svařování velmi jednoduchého T spoje budou demonstrovány možnosti programu SYSWELD, tzn. plného transientního řešení. Obě desky v T spoji jsou z materiálu St09G2S (C max. 0.12, Si 0.5-0.8, Mn 1.3-1.7, Ni max. 0.3, Cr max. 0.3). Jejich tloušťka je 15 mm. Chemické složení přídavného materiálu je totožné s základním materiálem.

 

Obr. 5 Rozložení bainitu po svaření


Obr. 6 Rozložení martenzitu  po svaření


Svařování je provedeno automatem pod tavidlem bez předehřevu. Na obr. 1 je uveden výpočtový model, který byl vytvořen z prostorových 3D elementů. Obr. 2 znázorňuje teplotní pole během svařování.

 

Obr. 7 Rozložení tvrdosti HV po svaření

 

Obr. 8 Rozložení meze kluzu po svaření


Červené kontury na obr. 2 znázorňují roztavenou oblast. Redukované napětí dle Misese (podmínka HMH) je znázorněno na obr. 3. Je zřejmé, že maximální hodnoty napětí jsou v tepelně ovlivněné oblasti a velikost maximálního redukovaného napětí je 656 MPa. Výsledné distorze, resp. deformace T spoje jsou uvedeny na obr. 4. Velikost maximální deformace ve směru x, viz obr. 4. je 5.17 mm. Výsledná struktura ve svaru a tepelně ovlivněné je směs bainitu a martenzitu, viz obr. 5 a 6. Maximální množství bainitu je 67 % a martenzitu je 17 %. Výsledná vypočtená maximální tvrdost je 296HV, viz obr. 7. Na obr. 8 je uvedena výsledná mez kluzu nehomogenní struktury. Je zřejmý nárůst meze kluzu a tvrdosti v teplotně ovlivněné oblasti svaru, kde se nachází martenziticko-bainitická struktura.  Na základě obdržených výsledků numerické analýzy lze provést změnu vstupních parametrů, jako jsou např. svařovací příkon, rychlost svařování, teplota předehřevu, způsob upnutí ve svařovacím přípravku, interpas teplota, aplikace žíhání na odstranění zbytkového napětí atd., potom provést numerickou analýzu znova a porovnat obdržené výsledky analýz a rozhodnout, která varianta technologie svařování odpovídá požadavkům daného konstruk-čního uzlu.
Cílem článku bylo ukázat využití nume-rických analýz svařování v praxi. V kombinaci s experimentálním měřením jsou velmi silným nástrojem během přípravy výroby, velice pružně reagují na změny v  technologickém postupu, dále redukují množství experimentálních zkoušek. Na základě provedení virtuálních numerických simulací svařování lze provést primární návrh technologie svařování a jeho optimalizaci bez provedení experimentálních zkoušek, což má za následek snížení nákladů, zrychlení zavedení technologie do výroby a samozřejmě zvyšování kvality, spolehlivosti a konkurenceschopnosti vyráběných svařovaných konstrukčních celků.

 


Text: Ing. Marek Slováček, PhD.

Späť

Aktuálne vydanie

Partnerské periodiká

TriboTechnika


www.tribotechnika.sk

SolarTechnika


www.solartechnika.sk