titulnyV priebehu analýzy tvárniteľnosti TWB polotovarov s odlišnými vlastnosťami jednotlivých častí bol na výťažkoch pozorovaný nerovnomerný plastický tok a nestabilita zvarového rozhrania. Použité boli laserom zvárané kombinované plechové polotovary s rovnakou hrúbkou 1,2 mm z dvojfázovej ocele HCT600X a rôznou orientáciou textúry jednotlivých častí po valcovaní.


Kvôli zvýšeniu presnosti simulácie tvárniaceho procesu bolo modelovanie zvarového rozhrania doplnené o napäťovo-deformačné charakteristiky určené mechanickými skúškami. Analýzami viacerých modelov zvarových spojov použitých pri simuláciách však bolo zistené, že jednoduchý spôsob modelovania zvarového rozhrania tak, ako je implementovaný v softvéri LS-Dyna, je dostatočne presný a výsledky sú porovnateľné s reálnym stavom pri tvárnení kombinovaných polotovarov.
Výlisky sú vyrábané z polotovarov, ktorých časti sú najčastejšie vzájomne spojené laserovým zváraním, čo výrazne znižuje náklady na operácie spájania. Do konečnej podoby dielca karosérie sú lisované operáciami plošného tvárnenia (obr. 1, 2) [1, 2].

obr1
Obr. 1: Rozsah použitia kombinovaných polotovarov v nosnej konštrukcii automobilu
obr2
Obr. 2: Predný pozdĺžny nosník z TWB


Pri tvárnení kombinovaných polotovarov vzniká množstvo problémov, najmä pri operáciách hlbokého ťahania. Kombinované polotvary disponujú celkovo zníženou tvárniteľnosťou. Hoci laserom vyhotovený zvar dokáže preniesť plastické pretvorenie, kvalita výliskov je výrazne ovplyvnená nerovnomernosťou plastického toku. Pri plastickom pretvorení je spôsobená všeobecne rozdielnymi vlastnosťami materiálov, z ktorých je polotovar zvarený [1, 3 – 5].

Experiment
Vo zváraných polotovaroch sa môžu vyskytnúť kombinácie plechov s rôznou orientáciou smerov valcovania a pri plechoch s výraznou plošnou anizotropiou nemôže byť táto orientácia zanedbaná. Aby bol tento vplyv izolovaný, výskum bol realizovaný na prístrihoch, ktoré pozostávali z materiálu HCT 600X, rovnakej hrúbky 1,2 mm, ale rôznej rovinnej orientácie textúry po valcovaní. Tvar prístrihu korenšponduje s výliskom s pôdorysným obdĺžnikovým tvarom a bol optimalizovaný sofvérom Dynaform (obr. 3).

obr3
Obr. 3: Zváraný polotovar s kombináciou rôznych smerov valcovania plechov (vľavo) a výťažok obdĺžnikovej nádoby (vpravo)


Proces hlbokého ťahania týchto zváraných prístrihov bol analyzovaný počítačovou simuláciou prostredníctvom LS-Dyna. Presnosť simulácie je závislá najmä na správnej definícii materiálového modelu použitej ocele HCT 600 X. Anizotropia materiálu bola v zvolenom materiálovom modeli definovaná pomocou troch kriviek základného pretvárneho odporu (obr. 4) a troch koeficientov normálovej anizotropie, teda pre hodnotiace smery 0°, 45° a 90° vzhľadom na smer valcovania. Krivky a koeficienty normálovej anizotropie „r“ boli získané výpočtom z nameraných parametrov zo statických skúšok v ťahu. Namerané a vypočítané hodnoty koeficientov normálovej anizotropie boli 0,750 pre smer 0°; 0,881 pre smer 45° a 0,862 pre smer 90° vzhľadom na smer valcovania.

obr4
Obr. 4: Extrapolované krivky základného pretvárneho odporu ocele HCT 600 X pre rôzne smery vzhľadom na smer valcovania

 

Komerčný softvér ponúka automatický nástroj na simulovanie tvárniaceho procesu zváraných polotovarov. Rozhranie dvoch častí polotovaru je spojené vytvorením pevných dvojíc uzlových bodov, ktoré sa počas tvárnenia neoddeľujú a simulačný model prístrihu sa správa ako zvarený. Pevnosť spoja je možné obmedziť kritériom maximálneho efektívneho napätia, po prekročení ktorého je pevná väzba medzi uzlovými bodmi porušená.

Model s jednoducho definovaným zvarovým rozhraním v simulácii vykazoval jemné vychýlenie čiary rozhrania o 1,58° smerom k vyššiemu cípu výťažku, a to na stranu s plechom so smerom valcovania pod uhlom 45°. Charakter vychýlenia sa zhodoval s reálnym výťažkom. Zvar sa vychýlil tiež na pravú stranu výťažku, kde bola orientácia smeru valcovania plechu polotovaru pod uhlom 45° k zvarovému rozhraniu (obr. 5). Veľkosť skutočnej výchylky bola približne 1°.

obr5
Obr. 5: Porovnanie vychýlenia zvarového spoja; hore a vľavo – simulácia s jednoducho definovaným zvarovým rozhraním; vpravo – reálny výťažok


Keďže asymetria zváraného polotovaru pozostáva iba z rozdielneho pootočenia plechov a v porovnaní s polotovarmi rozdielnych hrúbok je vychýlenie zvaru výrazne miernejšie, predmetom ďalšej analýzy bolo, aký vplyv v simulačnom modeli zohráva samotné zvarové rozhranie, resp. či nie je potrebné toto rozhranie definovať komplexnejšie.
Na dosiahnutie tohto cieľa bola do simulačného modelu zváraného polotovaru zahrnutá oblasť zvaru s jej vlastnou materiálovou, napäťovo-deformačnou charakteristikou. Pre potreby hlbokého ťahania je to krivka základného pretvárneho odporu.

Stanovenie napäťovo-deformačných vlastností zvarového spoja
Z priebehov mikrotvrdosti (obr. 6), ktoré boli namerané na priečnom reze zvaru, bolo pozorované 50 až 80-percentné zvýšenie tvrdosti vo zvarovom kove oproti základnému materiálu.

obr6a obr6b
Obr. 6: Priebeh mikrotvrdosti zvaru dvoch plechov z ocelí HCT 600 X hrúbky 1,2 mm


Zo súvislosti medzi tvrdosťou a pevnosťou boli do simulačného modelu zadané napäťové parametre materiálu zvaru, ktorého pevnosť aj krivka základného pretvárneho odporu nadobudli o 50 % vyššie hodnoty ako hodnoty základného materiálu HCT 600 X.
Na rozdiel od komerčného softvéru, pre presnejšiu formuláciu vlastností zvarového rozhrania bol v tomto prípade materiál zvaru v modeli zastúpený pásmom šírky 1,5 mm, čo zodpovedá šírke pretaveného kovu (obr. 7).

obr7
Obr. 7: Tvar prístrihu s pásmom zvarového kovu so šírkou 1,5 mm

 

Na obr. 8 (vľavo) je simulované vychýlenie zvarového rozhrania v hodnote 3,82° od zvislej osi. V porovnaní s reálnym výliskom obr. 8 (vpravo) je v zhode iba smer vychýlenia. Veľkosť vychýlenia simulovaného procesu je však výrazne vyššia, čo naznačuje, že tento simulačný ani materiálový model nie je presný. Bola zanedbaná zmena plastických vlastností zvaru a teplom ovplyvnenej oblasti.

obr8
Obr. 8: Porovnanie vychýlenia zvarového spoja; vľavo – simulácia s definovaným zvarovým rozhraním; vpravo – reálny výťažok

 

Ďalší skúmaný simulačný model preto obsahoval oblasť zvaru aj s teplom ovplyvnenou oblasťou, s celkovou šírkou 5 mm. Pre získanie pretvárnej charakteristiky tohto pásma boli zhotovené vzorky s pozdĺžne orientovaným zvarom, prechádzajúcim stredom meraného drieku vzoriek, ktoré boli podrobené statickej skúške v ťahu (obr. 9) na skúšobnom stroji Instron 1195.

obr9a obr9b
Obr. 9: Vzorka s pozdĺžnym zvarom a záznam zo statickej skúšky v ťahu

 

* * * * *
Konštrukcie karosérii automobilov – ich nosné štruktúry, skelety, čoraz viac využívajú výlisky vyrobené z kombinovaných polotovarov. Pre úsporu hmotnosti, zvýšenie tuhosti a bezpečnosti karosérie tieto polotovary z časti pozostávajú z plechov s rôznymi hrúbkami, rôznymi napäťovo-deformačnými vlastnosťami, alebo z častí s rôznou plošnou alebo normálovou anizotropiou.
* * * * *

obr10
Obr. 10: Extrapolované krivky základného pretvárneho odporu zvaru a základného materiálu s matematickým vyjadrením

 

Krivky základného pretvárneho odporu vstupného základného materiálu a materiálu zvarového spoja boli získané spracovaním údajov piatich meraní zo statických skúšok v ťahu (obr. 10) a boli použité ako vstupné parametre pre simulácie. Na obr. 11 je zobrazený simulovaný tvar vychýlenia zvarového rozhrania so šírkou 5 mm v porovnaní s reálnym výliskom. Pásmo zvarového spoja v simulácii sa vychyľuje na opačnú stranu ako v prípade reálneho výlisku. Navyše, v rohovej časti obdĺžnikového výlisku na strane s orientáciou valcovania pod uhlom 45°, sa vyskytol výrazný cíp. V tejto časti výlisku je textúra orientovaná tangenciálne na pôdorysné zaoblenie výťažku. Implementácia takto definovaných vlastností zvarového spoja do simulačného softvéru výrazne ovplyvňuje výsledky simulácie citlivé na orientáciu textúry po valcovaní. V porovnaní s predošlými modelmi je zrejmé, že tento model je v úplnej nezhode s reálnym experimentom.

obr11a
obr11b
Obr. 11: Porovnanie vychýlenia zvarového spoja; hore – prístrih s modelovanou šírkou TOO 5 mm, vľavo – simulácia s definovaným zvarovým rozhraním; vpravo – reálny výťažok

 

Záver
Výsledky analýzy viacerých simulačných modelov zvarových spojov použitých pri simuláciách technologického procesu a experimentoch hlbokého ťahania kombinovaných polotovarov prezentovali, že jednoduchý spôsob modelovania zvarového rozhrania tak, ako je implementovaný v komerčnom softvéri LS-Dyna, je dostatočne presný v porovnaní s reálnym stavom pri tvárnení kombinovaných polotovarov.
Výrazné odchýlky výsledkov simulácie od reálneho experimentu hlbokého ťahania experimentálneho výťažku naznačujú, že komplexnejšie popisovanie zvarového spoja vyžaduje definovanie vlastností zvaru aj pomocou iných prístupov, nielen použitím napäťovo-deformačných charakteristík zvarového spoja.

Poďakovanie
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-0281-12.

TEXT/FOTO: doc. Ing. Alexander SCHREK, PhD., prof. Ing. Pavol ŠVEC, PhD., Ing. Veronika GAJDOŠOVÁ, PhD., SjF STU Bratislava, ÚTM

Literatúra:
[ 1 ] Kinsey, L., B.; Wu,. X.: Tailor-welded blanks for advanced manufacturing. Woodhead publishing, ISBN 978-0-85709-385-1, Cambridge, 2011
[2] Slota, J.; Jurčišin, M.; Spišák, E.: Experimental and numerical analysis of local mechanical properties of drawn part. Key Engineering Materials, 586, 2014, p. 245 – 248
[3] Bílik, J.; Balážová, M.; Kršiaková, Ľ.; Šuba, R.: Analýza vlastností a tvárniteľnosť duplexnej ocele DP 450, Hutnícke listy 4, 2010, p. 74 – 77.
[4] Evin, E.; Tomáš, M.: Comparison of deformation properties of steel sheets for car body parts, Procedia Engineering, Vol. 48, 2012, p. 115 – 122
[5] Fracz, W.; STACHOWICZ, F.; PIEJA, T.: Aspects of verification and optimization of sheet metal numerical simulations process using the photogrammetric system. Acta Metallurgica Slovaca, Vol.19, 2013, p. 51 – 59
Odborný príspevok recenzovali: doc. Ing. Harold Mäsiar, CSc.; TUAD v Trenčíne, Ing. Pavol Radič; VÚZ – PI SR