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.