ilustrackaDeformácie vyvolané zváraním môžu v konštrukciách viesť k prekročeniu tolerancií a následným opravám vyžadujúcim predlžovanie výrobného času. Prítomnosť zvyškových napätí môže tiež ovplyvniť únavovú životnosť a pevnosť výrobku pri ohybovom namáhaní.


Pochopenie a kontrolovanie tvorby zváraním indukovaných deformácií a zvyškových napätí má preto vo výrobnom sektore veľký význam [1].
S rozvojom výpočtových kapacít sa ukázala metóda konečných prvkov (MKP) ako alternatíva a akceptovateľný nástroj na predikciu zvyškových napätí a deformácií zvárania. Simulácie zvárania je možné rozdeliť do troch kategórií, pričom ich spoločným znakom je analýza zvyškových napätí a deformácií.

Kategórie simulácií zvárania
Tri základné kategórie simulácií zvárania je možné definovať nasledovne:
1. Simulácie, pri ktorých je analyzovaný vplyv parametrov zvárania (tepelný príkon, hrúbka materiálu, sekvencia zvárania a pod.).
2. Simulácie s využitím nových numerických prístupov na získanie akceptovateľnej presnosti s kratším výpočtovým časom.
3. Simulácie, pri ktorých sú ovplyvňované vstupné parametre MKP (hustota siete, tvar elementov, tepelný zdroj, materiálové vlastnosti a modely...) za účelom zisťovania ich vplyvu na presnosť výsledkov zvyškových napätí a deformácií [1].
Použitím prvej skupiny simulácií je možné optimalizovať proces výroby pred vyhotovovaním finálnej konštrukcie. Na spresnenie numerických simulácií je však vhodné vytvoriť experimentálne vzorky menších rozmerov, v ktorých sa uskutoční verifikácia získaných výsledkov simulácie. V článku je popisovaná aplikácia tejto skupiny simulácií na predikciu uhlových deformácií obojstranného kútového T-spoja. Získané výsledky sú verifikované meraním teplotných cyklov pomocou termočlánkov a bezkontaktným meraním deformácií.
Simulácia zvárania pomocou MKP pozostáva z dvoch častí: teplotná (teplotne-metalurgická) analýza a mechanická analýza. V teplotnej analýze je teplotné pole definované ako funkcia času pre každý integračný bod. Vzniknutá závislosť teplota – čas je využitá ako vstup do analýzy teplom indukovaných napätí. Riešenie rozloženia teplôt môže byť čiastočne alebo úplne prepojené s mechanickým riešením konštrukcie. Pretože množstvo vyvinutého tepla vplyvom mechanického namáhania môže byť v analýze prenosu tepla zanedbané, je pri simulácii zváracích procesov bežne využívané čiastočné prepojenie analýzy teplota – napätie, pri ktorom je teplotná analýza nasledovaná analýzou napäťovou [2, 3, 4].

Experimentálne merania
Experimentálne merania pozostávali z merania teplotných cyklov pomocou termočlánkov a z bezkontaktného merania deformácií zváraných dielov pomocou systému TRITOP.

Meranie teplotných cyklov
Merania boli vykonávané na T-spoji plechov z ocele S355J2+N s hrúbkou 12 mm vyhotoveného obojstranným kútovým zvarom. Pri zváraní a vyhodnocovaní teplotných cyklov boli použité vzorky s dĺžkou 750 mm, pričom šírka pásnice bola 200 mm a výška stojiny 100 mm. Zváranie bolo vykonávané mechanizovaným MAG zváracím procesom pri použití zariadenia FastMIG Basic KM500 a pri použití zváracích parametrov podľa tab. 1. Na zváranie bola použitá drôtová elektróda od spoločnosti INEFIL (G 42 4 M G3Si1 podľa EN ISO 14341-A) s priemerom Ø 1,2 mm pri súčasnej aplikácii ochrannej atmosféry 18 % CO2 + 82 % Ar.

tab1

Teplotné cykly boli počas zvárania analyzované s využitím 9 termočlánkov typu K umiestnených podľa schémy uvedenej na obr. 1. Termočlánky boli umiestnené iba na pásnici, keďže na stojine by boli prekážkou zváraciemu horáku pri pojazde na vzorke počas zvárania. Hĺbka umiestnenia termočlánkov bola volená tak, aby bolo možné popísať teploty v TOO zvaru. Meracia aparatúra pozostávala z meracieho modulu USB-9213 od firmy National Instruments. Výstup merania bol graficky aj dátový, pričom v reálnom čase bola zobrazovaná informácia o aktuálnej teplote na každom termočlánku a zároveň sa údaje zapisovali vzorkovacou frekvenciou 10 Hz do dátového súboru.

obr1
Na porovnanie výsledkov numerickej simulácie s experimentálnymi meraniami boli zvolené termočlánky s označením T03 a T05 umiestnené v rovnakej hĺbke (9,3 mm) ale v rôznej vzdialenosti od osi pásnice (T03 – 18,6 mm v TOO 1. zvaru; T05 – 12,3 mm v TOO 2. zvaru), ktorých priebeh je uvedený na obr. 2. Z priebehov teplotných cyklov boli následne určené charakteristické veličiny teplotných cyklov, použité na porovnanie výsledkov experimentu a numerickej simulácie.
obr2

Bezkontaktné meranie deformácií
Deformácie zváranej zostavy boli merané na základe posunutí vhodne umiestnených bodov pomocou meracieho systému TRITOP. Systém TRITOP je bezkontaktný optický
merací systém na získavanie presných 3D súradníc diskrétnych objektových bodov na skúmanom objekte. Na skúmané miesta sa pripevnia neznačené objektové body, okolo ktorých sa vytvorí pole kódovaných bodov. Kódované body sú pomocné a slúžia na spájanie jednotlivých snímok, čo umožňuje jedným digitálnym fotoaparátom určiť 3D súradnice nekódovaných bodov. Použitím digitálneho fotoaparátu sa vytvorí súbor snímok z rôznych uhlov a výškových úrovní, ktorý sa následne spracuje v softvéri systému TRITOP.
Pri experimentálnom meraní bola skúšobná vzorka zváraná s využitím dvoch sekvencií zvárania (obr. 3). Prvou bolo postupné zváranie, pri ktorom bol pre zváranie použitý jeden zvárací vozík. Najskôr bol vyhotovený jeden kútový zvar a po preložení vozíka na druhú stranu od stojiny následne druhý kútový zvar. Druhá vzorka bola zváraná dvomi vozíkmi súčasne, pričom druhý vozík začal proces zvárania s technologickým oneskorením 25 s. Parametre zvárania boli zhodné s parametrami pri meraní teplotných cyklov.
obr3
Výsledné posunutia bodov boli získané spracovaním snímok v softvéri pre systém TRITOP. Príklad grafického znázornenia posunutí pre proces zvárania s oneskorením vozíka (sekvencia 2) je uvedený na obr. 4.

obr4
Zo získaných hodnôt bola prostredníctvom kosínusovej vety určená uhlová deformácia platne v piatich rôznych rezoch, pričom prvý rez bol situovaný na začiatku zvárania prvého zvaru a ďalšie rezy boli odstupňované po 150 mm. Uhlová deformácia zváraných dielov bola určovaná ako zmena uhla medzi pásnicou a stojinou na ľavej a pravej strane stojiny. Kosínusovú vetu na určenie uhla medzi pásnicou a stojinou je možné zapísať nasledovne:

rov1Výsledná uhlová deformácia sa následne určí rozdielom uhla medzi pásnicou a stojinou pred zvarením a po zvarení: 

rov2

Výsledné hodnoty uhlovej deformácie sú uvedené v tab. 2, pričom kladná hodnota uhlovej deformácie nastala pri zmenšení (zavretí) uhla medzi stojinou a pásnicou a záporná pri zväčšení (rozovretí) uhla.
tab2

Numerická simulácia procesu zvárania
Cieľom numerickej simulácie bolo určenie rozloženia teploty vo zváraných dieloch pri zváraní, deformácií zváraných dielov a predikcia zvyškových napätí po procese zvárania.

Vstupné parametre simulácie
Vzhľadom na relatívne veľké rozmery skúšobných vzoriek pri experimentálnych meraniach bolo pri simulácii aplikované zjednodušenie konštrukcie použitím 2D modelu predstavujúceho priečny prierez zváranými dielmi. Zjednodušenie v podobe 2D modelu umožňovalo nielen kratšie výpočtové časy simulácie, ale pri pomerne malom počte elementov bolo možné použiť jemnejšie sieťovanie v oblasti zvarov. To prispieva k presnejšiemu popisovaniu správania sa konštrukcie pri zváraní.
Počas simulácie boli vytvorené dva geometrické modely tak, aby bolo možné porovnať výsledky simulácie s experimentálnymi meraniami (pri experimentoch boli rozdielne šírky a dĺžky pásnice a stojiny). Prvý model reprezentoval prierez vzorkou použitou na meranie teplotných cyklov so šírkou pásnice 200 mm a výškou stojiny 100 mm. Druhý model bol využitý na mechanickú analýzu, kde bola šírka pásnice 1 000 mm a stojina mala výšku 350 mm. Hrúbka materiálu bola v obidvoch prípadoch 12 mm.
Geometrický model bol najskôr vytvorený v programe AutoCAD a následne prevedený v programe Visual-Mesh na sieť konečných prvkov. Pohyb teplotného zdroja pri zváraní bol definovaný trajektóriou pohybu spolu s tzv. referenciou, ktorá slúži na určenie súradnicového systému. Obidve krivky boli tvorené 1D elementmi. Okrem samotných zváraných dielov a kriviek pohybu tepla je potrebné na modeli definovať plochu (krivku pri 2D modeli) odvodu tepla. Pri modelovaní bol odvod tepla definovaný krivkou kopírujúcou obrys modelu. Výsledný 2D model zváranej konštrukcie tvorený 2784 2D elementmi a 802 1D elementmi použitý pri simulácii je zobrazený na obr. 5.
obr5
Mechanické a fyzikálne vlastnosti MKP modelu boli definované údajmi z materiálovej databázy programu SYSWELD pre materiál S355J2G3. Nakoľko materiál použitý pri experimentálnych meraniach bol z rovnakej pevnostnej triedy ako materiál pri experimentoch, nebolo nutné materiálovú databázu modifikovať.
Vplyv procesu zvárania na materiál je pri numerických simuláciách definovaný pomocou modelov zdrojov tepla. Oblúkové procesy zvárania (MMA, MIG/MAG, TIG a pod.) sú najčastejšie definované dvojelipsoidálnym modelom zdroja tepla (Goldakov model). Geometriu a navrhnuté parametre Goldakovho zdroja tepla zobrazuje obr. 6 a tab. 3.

obr6
tab3


Rýchlosť pohybu zdroja bola prevzatá z experimentálneho merania teplotných cyklov a pre 1. zvarovú húsenicu bola 5,88 mm.s-1 a pre 2. húsenicu bola 5,86 mm.s-1. Rýchlosť odvodu tepla z materiálu je v programe SYSWELD možné definovať hodnotou tepelného toku q (W.m-2). Veľkosť tepelného toku z materiálu bola pri simulácii nastavená na hodnotu 8 W.m-2.
Mechanická analýza v programe SYSWELD vyžaduje okrem materiálových údajov, údajov o tepelnom ovplyvnení materiálu aj definovanie uchytenia modelu. Uchytenie bolo definované odobratím stupňov voľností dvoch bodov podľa obr. 7.

obr7

Výsledky teplotne-metalurgickej analýzy
Medzi výsledky teplotnej analýzy patria teplotné polia a teplotné cykly pri zváraní. Rozloženie teplôt (teplotné polia) počas simulácie procesu zvárania v porovnaní so snímkou makroštruktúry je možné vidieť na obr. 8.
obr8
Rozloženie teploty pri simulácii zvárania korešponduje s penetráciou kovu a roztavenou oblasťou pri meraní teplotných cyklov termočlánkami. Mierne rozdiely je možné pozorovať pri úpätí zvaru, čo je spôsobené tvarom modelu zdroja tepla, ktorý neumožňuje namodelovať rozšírenie teplotného poľa smerom k vonkajšej ploche zvaru.
Priebeh teplotných cyklov vygenerovaných v uzlových bodoch korešpondujúcich s polohou termočlánkov TC 03 a TC 05 pri experimentálnych meraniach je uvedený na obr. 9.
obr9
Z teplotných cyklov získaných experimentálne a numerickou simuláciou boli určené hodnoty charakteristických veličín teplotných cyklov, ktoré uvádza tab. 4.
tab4

Výsledky mechanickej analýzy
Mechanická analýza podáva informácie o deformáciách zváraných dielov a napätiach indukovaných procesom zvárania. Pri T-spoji bola mechanická analýza simulovaná na dvoch prípadoch pohybu tepelných zdrojov zhodných s pohybom zdrojov pri experimentálnom meraní deformácií.
Na určenie uhlových deformácií modelu po numerickej simulácii boli určené posunutia uzlových bodov (obr. 10) na rohoch platní (stojiny a pásnice), z ktorých bola určená uhlová zmena kosínusovou vetou, rovnako ako u experimentálneho merania.

obr10
Posunutia uzlových bodov N1 až N4 v smere osí x a y, ich najmenšia vzdialenosť (rozmer c vo výpočte) a výsledné uhlové deformácie sú uvedené v tab. 5 pre postupné zváranie a v tab. 6 pre súbežné zváranie s oneskorením 25 s.
tab5Uhlová deformácia po postupnom zváraní dielov je 1°17'6" na strane prechodu prvého zdroja (ľavá strana modelu) a na strane prechodu druhého zdroja -1°4'19". Pri súbežnom zváraní je výsledná uhlová deformácia na ľavej strane modelu -0°32'53" a na pravej strane 0°47'31".
Zvyškové napätia podľa teórie von Mises pre postupnú sekvenciu zvárania uvádza obr. 11. Výsledné napätia v niektorých miestach presahovali medzu klzu aj pevnosť základného materiálu, čo môže byť podmienené dvoma hlavnými skutočnosťami. Prvou je uvažovanie programu SYSWELD s deformačným spevňovaním materiálu a so štruktúrnymi zmenami, čo môže za niektorých podmienok viesť k zvýšeniu hodnôt v niektorých uzlových bodoch siete. Druhou skutočnosťou je uchytenie modelu pri mechanickej analýze v mieste pod zvarom (v osi pásnice) čo mohlo spôsobovať pechovanie materiálu pri deformácii a tým aj nárast napätia v okolí bodov uchytenia.
Zvyškové napätia pre súbežné zváranie s oneskorením je znázornené na obr. 12. Zvyškové napätia opäť prekročili pevnosť základného materiálu. Príčiny môžu podobne ako pri postupnej sekvencii súvisieť s uchytením modelu, ako aj s uvažovaním deformačného spevnenia a štruktúrnych zmien pri simulácii.

obr11

Diskusia výsledkov
Priebeh teplotných cyklov získaný numerickou simuláciou dosahuje vysokú zhodu s experimentálne zistenými závislosťami. Najvyššia zhoda bola v čase chladnutia z maximálnej teploty na 100 °C, kde sa rozdiely pohybovali v desatinách percenta. Vysoká zhoda bola tiež v maximálnej teplote cyklu, ale so zvyšujúcou teplotou bola zhoda nižšia, čo môže byť zapríčinené už len miernymi rozdielmi v skutočnej a výpočtovej hodnote tepelnej vodivosti materiálu, ale tiež nedokonalým spojením termočlánku so skúmaným materiálom a polohou termočlánku v otvore (otvor s keramickou vložkou pôsobí ako miesto s inými tepelnými vlastnosťami ako zváraný materiál). Vyššie rozdiely boli zistené pri parametroch t8/5 a r300, ktoré sú však výrazne ovplyvnené chemickým zložením materiálu. Použitá materiálová databáza je definované pre maximálny obsah legujúcich prvkov ocele (najmä uhlíka), čo predstavuje kritickú hodnotu pre optimalizovanie podmienok zvárania. Vyšší obsah uhlíka v databáze sa prejavil poklesom hodnoty t8/5 a nárastom parametra r300 v porovnaní s experimentálnymi výsledkami. Vysoká zhoda maximálnej teploty cyklu a rýchlosti chladnutia spolu s tvarom teplotných polí zodpovedajúcim makroštruktúre spoja je však dostačujúcou podmienkou na možnosti predikcie zvyškových napätí a deformácií.
Pri zváraní T-spojov má dôležitú úlohu uhlová deformácia, ktorá okrem parametrov zvárania súvisí aj so sekvenciou zvárania. Parametre zvárania musia byť v niektorých prípadoch vyššie kvôli zabezpečeniu veľkosti prievaru. V takom prípade je možné na zníženie deformácie platne aplikovať rôzne sekvencie zvárania, na voľbu ktorých je tiež možné využiť numerickú simuláciu, čím sa predíde časovo a finančne náročnému vykonávaniu množstva experimentálnych meraní. Pri experimentálnom meraní a simulácii boli využité dve sekvencie zvárania pri rovnakých zváracích parametroch. Menšie deformácie boli experimentálne namerané pri súbežnom zváraní s oneskorením 25 s, keď bola na strane prvého prechodu priemerná hodnota deformácie 0°44'13" a na strane prechodu druhého zdroja -0°43'60". Výsledná deformácia pri súbežnom zváraní dosahovala pri simulácii veľmi podobné hodnoty, najmä na strane prechodu druhého zdroja. Na strane prvého zvaru bol zistený vyšší rozdiel medzi nameranou priemernou hodnotou a numerickou simuláciou, ktorý bol podmienený výrazným rozptylom experimentálne zistených uhlových deformácií. Vysoká zhoda bola v tomto prípade s hodnotou uhlovej deformácie v strede platne, ktorá zodpovedala polohe 2D modelu na trajektórii prechodu zdroja tepla. Postupný prechod zváracieho zdroja bol charakteristický vyššími deformáciami (1°12'16" na strane prvého prechodu a -1°5'41" na strane druhého prechodu zdroja). Táto sekvencia zvárania opäť dosahovala vysokú zhodu so simulovanými výsledkami.
Zvyškové napätia v konštrukcii určené podľa teórie von Mises dosahovali v obidvoch prípadoch vyššie hodnoty ako medza klzu aj pevnosť materiálu. Hlavným dôvodom takéhoto správania bolo pravdepodobne uchytenie materiálu pri numerickej simulácii v oblasti pod zvarom. Zabránenie pohybu uzlových bodov sa prejavilo pechovaním materiálu pri výpočte prejavujúcim sa vyššími napätiami. Vyššie hodnoty dosahovali redukované napätia pri súbežnom zváraní s oneskorením. Na základe výsledkov môže byť nižšia deformácia sprevádzaná vyššími zvyškovými napätiami ovplyvňujúcimi únavovú životnosť konštrukcie.

Záver
Dosiahnuteľná zhoda s experimentálnymi meraniami je výrazne ovplyvnená voľbou vhodných parametrov tepelných zdrojov pri simulácii zvárania, ako aj vhodne navrhnutými fyzikálnymi a mechanickými vlastnosťami zváraných materiálov. Verifikácia navrhnutých parametrov simulácie kútového obojstranného zvaru na T-spoji bola vykonávaná meraním teploty pomocou termočlánkov a bezkontaktným meraním deformácií. Dosiahnuté výsledky možno zhrnúť do nasledujúcich záverov:
1) Numerická simulácia poskytuje možnosť vysokej zhody priebehu teplotného cyklu a charakteristických veličín Tmax a t100 bez nutnosti modifikovania materiálovej databázy ocele rovnakej pevnostnej triedy podľa presného chemického zloženia.
2) Uhlová deformácia získaná numerickou simuláciou dosahuje vysokú zhodu s experimentálnym meraním aj pri použití 2D modelu.
3) Výsledky experimentálneho merania aj numerickej simulácie zvárania poukázali na menšie hodnoty uhlovej deformácie obojstranného T-spoja pri súbežnom zváraní s oneskorením 25 s, v porovnaní s postupným zváraním jedným zváracím zdrojom.
Numerickú simuláciu s danými parametrami je možné ďalej aplikovať na predikciu deformácií väčších zváraných dielov oceľových konštrukcií pri rôznych sekvenciách prechodu zváracích zdrojov.

Literatúra:
[1] Bhatti, A. et al.: Influence of thermo-mechanical material properties of different steel grades on welding residual stresses and angular distortion. Materials and Design, 65, 2015, pp. 878-889.
[2] Meško, J. - Zrak, A. - Nigrovič, R.: Effect of Cutting Speed by Laser on Thickness of Heat Affected Zone of Mild Steel S235, Advanced manufacturing and repair technologies in vehicle industry: 32th international colloquium, Pardubice, Czech Republic, 2015, pp. 99-104.
[3] KIK, T., SLOVACEK, M., MORAVEC, J., VANEK, M.: Numerical Analysis of Residual Stresses and Distortions in Aluminium Alloy Welded Joints. Applied Mechanics and Materials Vols. 809-810 (2015) pp 443-448. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.809-810.443
[4] MORAVEC, J., MORAVEC, M.: Modification of the Double-ellipsoid Heat Source Model by the Simplex Method. ACC Journal, XVIII, č. 1, str. 41-47, 2012, ISSN 1803-9782.

TEXT/FOTO Ing. Marek Patek a kol., Žilinská univerzita v Žiline, Strojnícka fakulta, Katedra technologického inžinierstva

Ďalší spoluautori: Ing. Radoslav Koňár, PhD., Ing. Michal Sventek, PhD., prof. Ing. Augustín Sládek, PhD., Ing. Mária Žihalová, doc. Ing. Miloš Mičian, PhD.

Príspevok recenzoval: Ing. Miroslav Sahul, PhD., STU Bratislava, MtF Trnava