Numerické simulace svařování a tepelného zpracování

Numerická analýza je ve většině případů výrazně levnější než reálné zkoušky a experimenty. S její pomocí lze ve velmi krátké době provést mnoho variant řešení a vybrat variantu, která nejlépe vyhovuje potřebám výroby a použití pro danou strojní součást. V zahraničí je použití simulačních programů pro technologické procesy standardním nástrojem během vývoje technologie výroby (hlavně v automobilovém a leteckém průmyslu, v těžkém průmyslu a při výrobě velkých strojírenských celků). Cílem provádění virtuálních numerických analýz je omezit počet skutečných experimentálních kusů vyráběných jako prototyp nebo snížit počet zmetků, resp. vícenáklady na opravy. Proto je žádoucí vývoj provádět numericky v co největším rozsahu. Uvedený přístup vede k výraznému zkrácení doby vývoje, zkvalitnění výrobku a hlavně ke snížení nákladů v oblasti vývoje a výroby.

Obr. 1. Predikce deformací během svařování nízkotlakého tělesa parní turbíny

Optimalizace technologie

V oblasti numerických simulací svařování a tepelného zpracování je cílem optimalizovat stávající nebo navrhovanou technologii. Optimalizace znamená, že na základě vyhodnocení obdržených výsledků numerických simulací lze provést korektury vstupů tak, aby byla obdržena požadovaná kvalita výsledného produktu. Celý proces se děje za pomoci výpočetní techniky a programů umožňujících numerickou simulaci procesu svařování, resp. tepelného zpracování, bez potřeby provádět skutečné zkoušky nebo výrobu prototypů (tento článek se zabývá aplikací programu SYSWELD společnosti ESI Group). Na základě provedení numerické simulace svařování nebo tepelného zpracování můžeme obdržet výsledky jako rozložení teplotních polí, rozložení materiálové struktury (podíl množství martenzitu, bainitu, feritu a perlitu), stanovit tvrdost v jednotkách HV, velikost austenitického zrna, predikovat deformace, zbytkové napětí, celkovou plastickou deformaci (degradaci materiálu) a lze s určitou pravděpodobností předpovědětmožnost vzniku vady. Na základě uvedených výsledků numerické simulace svařování, resp. tepelného zpracování, lze modifikovat parametry, jako je svařovací tepelný příkon, svařovací sekvence, kladení housenek, teplota předehřevu, dohřevu a interpass teplota, uchycení ve svařovacích přípravcích, aplikace žíhání na snížení zbytkového napětí, kalicí médium, délka kalení, řízené ochlazování, uložení výrobku na paletě atd.

Obr. 2. Lokální vlivy svařování (střední napětí)

Numerické simulace svařování a tepelného zpracování

Svařování jako moderní vysoce produktivní výrobní technologie nalezlo uplatnění v téměř všech průmyslových oborech. Zároveň však stále stoupají požadavky na kvalitu provedení svarových spojů. Svařované strojní součásti a ocelové konstrukce jsou běžně používány ve výrobě, přestože svary mnohdy bývají zdrojem inicializace trhlin a defektů, které mohou vést až k haváriím. Konstrukce by měla být navržena tak, aby byla s určitou pravděpodobností schopna užívání po celou dobu předpokládané životnosti, což vede rovněž k většímu počtu experimentálních, tzv. validačních svarů, které jsou provedeny před samotným svařováním skutečných strojních prvků, a ke zvyšování přímých nákladů.

Tepelné zpracování oceli je výrobní proces, který předchází obrobení na finální tvar a rozměry. Během tepelného zpracování, především během kalení, vznikají nestacionární teplotní pole s velkými teplotními gradienty doprovázená významnými strukturními změnami. Uvedené jevy generují vnitřní napětí a deformace, tzn. i změnu rozměrů součástí. Celkové napětí a rozložení vzniklých materiálových struktur má podstatný vliv na možnost vzniku vad, výsledné mechanické vlastnosti oceli, tvrdost a životnost součástí.

Hlavním cílem používání numerických simulací svařování a tepelného zpracování v průmyslu je stanovení deformace součástí a možnost vzniku vad (na základě parametrů, jako je materiálová struktura, tvrdost, zbytkové napětí a celková plastická deformace). Dále numerické simulace umožňují detailní pochopení celého technologického procesu, protože dovolují nahlédnout na výsledky během procesu (deformace, struktura, napětí atd.), což převážná část experimentálních měření neumožňuje, nebo jen velmi omezeně.

Využití numerických analýz svařování v průmyslu

Využití numerických simulací svařování zasahuje do všech oblastí strojírenství, pokrývá oblast těžkého průmyslu a energetiky (svařování tlakových nádob, uskladňovacích nádrží, stojanů, rotorů, potrubí, různých konstrukcí, ...), automobilový průmysl (svařování podvozků, tenkých plechů např. karoserií, ...), letecký průmysl, lodní průmysl atd. a samozřejmě je i hojně využíván při výzkumu a vývoji na vědeckých a univerzitních pracovištích. Numerickými simulacemi pomocí programu SYSWELD lze řešit následující technologie svařování: MMAW, MAG, MIG, TIG, LBW, EBW, bodové svařování, FSW.

Na obr. 1 je příklad použití numerické simulace svařování při predikci deformací během svařování nízkotlakého tělesa parní turbíny, které je vyrobeno z nelegované oceli, převážně technologií ručního obloukového svařování. Numerická simulace je provedena pomocí tzv. „lokálně-globálního přístupu“. Hlavním cílem numerické analýzy svařování programem SYSWELD bylo stanovení celkových deformací po svaření nízkotlakého tělesa. Na tzv. lokálních modelech, viz obr. 2 (střední napětí), jsou řešeny lokální vlivy svařování, tzn. stanovení materiálové struktury, zbytkového napětí a plastické deformace ve svaru a tepelně ovlivněné oblasti. Lokální modely odpovídají jednotlivým svarovým spojům a nemusí zahrnovat celou svařovanou konstrukci, představují pouze řešený svarový spoj a okolní konstrukce je nahrazena vhodnými okrajovými podmínkami. V případě opakovaného výskytu podobných svarových spojů (stejná technologie, materiál, podobná tuhost konstrukce) lze redukovat počet řešených lokálních modelů na minimum. Pro potřeby numerického řešení bylo vytipováno 12 různých svarových spojů, tzn. že bylo vytvořeno 12 lokálních modelů. Výsledné celkové plastické deformace jednotlivých svarových spojů jsou potom přeneseny na globální model (obr. 1), který již reprezentuje celou svařovanou konstrukci, včetně svarových spojů. Na globálním modelu (obr. 3) jsou uvedeny výsledné deformace (norma výchylek) konstrukce po svařování.

Obr. 3. Výsledné deformace konstrukce po svařování

Využití numerických analýz tepelného zpracování v průmyslu

Rovněž využití numerických simulací tepelného zpracování zasahuje do všech oblastí strojírenství, pokrývá hlavně oblast těžkého průmyslu a energetiky (tepelné zpracování velkých hřídelí, rotorů, vřeten, desek a velkých těles,...), automobilový průmysl (kalení klikových hřídelí, ozubených kol, kroužků,...), letecký průmysl, lodní průmysl atd. a samozřejmě i výzkum a vývoj. Numerickými simulacemi pomocí programu SYSWELD lze řešit následující technologie tepelného zpracování: kalení (voda, olej, vzduch, soli, polymery atd.), popouštění a žíhání, indukční kalení, povrchové kalení plamenem nebo laserem, cementaci, nitridování a další.

Na obr. 4 je uveden výpočetní model ložiskového kroužku, který byl kalen technologií indukčního kalení. Materiálem ložiskového kroužku je modifikovaná ocel 42CrMo4. Indukční kalení (resp. ohřev) je realizováno dvěma induktory a chlazení sprchami s polymerem. Cílem projektu bylo zjistit detaily celého procesu kalení, hlavně materiálovou strukturu, tvrdost a zbytkové napětí. Vliv průchodu induktorů byl nahrazen posouvajícími se tepelnými zdroji, které se svým výkonem a tvarem přibližovaly skutečnosti. Na obr. 5 je uveden průběh teplotního pole v čase 200 s. Na obrázku jsou zřetelná místa ohřevu obou induktorů a zároveň i ochlazení sprchami po ohřevu. Na obr. 6 je uvedeno rozložení martenzitu v řezu uprostřed uvažovaného segmentu po ochlazení. Obr. 7 představuje rozložení redukovaného napětí dle Von Misese po zakalení v řezu uprostřed uvažovaného segmentu. Na základě provedení numerické analýzy indukčního kaleníbyla vytipována kritická místa celého procesu, kde potenciálně mohou vznikat vady. Uvedené oblasti byly lokalizovány na základě analýzy výsledků vzniku materiálových struktur, tvrdosti výsledné struktury a velikosti zbytkového napětí.

Obr. 4. Výpočetní model ložiskového kroužku kaleného technologií indukčního kalení

Obr. 5. Průběh teplotního pole v čase 200 s

Obr. 6. Rozložení martenzitu v řezu po ochlazení kroužku

Obr. 7. Rozložení redukovaného napětí dle Misese po zakalení

Přínosy simulace

Cílem uvedeného článku bylo ukázat možnosti využití numerických simulací svařování a tepelného zpracování během přípravy technologie, resp. při přípravě výroby. Numerickými analýzami lze velice reálně simulovat proces svařování a tepelného zpracování a na základě obdržených výsledků (teplotní pole, materiálová struktura, tvrdost, plastická deformace, napětí a deformace konstrukce) lze provádět efektivně optimalizaci technologií. Numerické analýzy jsou velmi silným nástrojem během přípravy výroby a velice pružně reagují na změny v technologickém postupu, dále redukují množství experimentálních zkoušek, což má za následek zlevňování výroby a samozřejmě i zvyšování kvality.

Prezentované analýzy svařování a tepelného zpracování byly provedeny pomocí speciálního programu SYSWELD společnosti ESI Group, který pracuje na bázi metody konečných prvků a slouží pro provádění analýz svařování a tepelného zpracování.

Ing. Marek Slováček, Ph.D.

Mecas ESI

www.mecasesi.cz

marek.slovacek@mecasesi.cz