Numerické simulace svařování
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. Pro numerické simulace svařování jsou na trhu také produkty vyvíjené francouzskou společností ESI Group: Sysweld, PAM Assembly a Weld Planner (byl vyvinut společností Inpro ve spolupráci s VW, Daimler a Thyssen). Tyto programy umožňují provedení numerických simulací svařování, a to jak při výrobě reálných průmyslových celků, tak v oblasti výzkumu a vývoje. K hlavním výsledkům, které z numerických simulací obdržíme, patří rozložení teplotních polí, predikce velikosti teplotně ovlivněné zóny, predikce materiálové struktury, predikce tvrdosti v jednotkách HV a predikce zbytkového napětí, deformací a distorzí. Na základě obdržených výsledků lze provést optimalizaci technologického postupu numerickou cestou tak, abychom obdrželi požadované parametry bez potřeby provedení reálných experimentů. Na základě získaných výsledků je možné rozhodnout o správné volbě materiálu a technologii svařování, optimalizovat svařovací postup, svařovací parametry, jakož i tuhosti svařovacích přípravků s cílem minimalizovat distorze (deformace), dále optimalizovat vznik nežádoucích struktur, omezit zbytkové napětí po svaření a omezit možnost vzniku vad (trhlin). 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. V poměrně nedávné době se nabídka společnosti rozrostla o dva nové produkty - Weld Planner a PAM Assembly. Numerická simulace tepelného zpracování se však provádí pouze programem Sysweld. Uvedená numerická řešení procesu svařování a tepelného zpracování jsou provedena metodou konečných prvků. Možnosti numerických analýz svařování s využitím produktů společnosti ESI Group jsou následující:
1. 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 může obsluhovat i proškolený svařovací technolog;
2. Welding Assembly (Local-Global) - v této skupině jsou programy PAM Assembly a Sysweld Assembly. Analýzy jsou prováděny 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. Analýzy deformací celku během svařování jsou řešeny na globálním modelu, který uvažuje celou svařovanou konstrukci;
3. 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.
Praktické využití výsledků analýz
Pro splnění v úvodu zmíněných cílů výrobce, konkrétně 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, například stanovení teploty předehřevu;
b) analýzu deformací, resp. distorzí během a po svařování včetně uvolnění svařované konstrukce z upínacího přípravku. Analýza slouží k provedení optimalizace postupu svařování a svařovacích parametrů, úpravy svarových ploch, k zajištění dostatečné tuhosti svařovacích přípravků, pro změnu svařovacího postupu (svařovací sekvence), případně pro změnu 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. v průběhu tepelného zpracování. Na základě inženýrského posouzení parametrů, jako je materiálová struktura, tvrdost, zbytkové napětí a plastická deformace, lze s určitou pravděpodobností stanovit možnost vzniku vady.
Příklad svařování 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 se základním materiálem. Svařování je provedeno automatem pod tavidlem bez předehřevu. Na obr. 1 je znázorněn výpočtový model, který byl vytvořen z prostorových 3D elementů. Obr. 2 představuje teplotní pole během svařování. 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 %, martenzitu 17 %. Výsledná vypočtená maximální tvrdost je 296 HV, 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 znovu provést numerickou analýzu a porovnat obdržené výsledky analýz a rozhodnout, která varianta technologie svařování odpovídá požadavkům daného konstrukčního uzlu.
§§§
Cílem článku bylo ukázat využití numerických analýz svařování v praxi, které v kombinaci s experimentálním měřením představují velmi silný nástroj pro oblast přípravy výroby. Prováděné analýzy velice pružně reagují na změny v technologickém postupu a 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.
Ing. Marek Slováček, Ph.D.
Mecas ESI
