123



Stránky připravuje:

Ing. Jaromír Lukášek, CSc.
lukasek@welding.cz

Aktualizováno: 10/05/2007

00_1-9 Modelování

V Ústavu svařování Technické univerzity v Braunschweigu byl ve spolupráci s koncernem Thyssen Krupp Stahl AG vyvinut model struktury pro laserové svařování, který je založen na difusi uhlíku. Tento model byl pomocí "User-Kommando" implementován do systému ANSYS. Pomocí tohoto modelu je možno vypočítat skladbu struktury svařovacího cyklu při laserovém svařování nízkouhlíkových ocelí. Z podílu fází se odhadovala tvrdost pro ocel DCO4 (St 14) a srovnávala se s naměřeným průběhem tvrdosti. Pomocí modelu bylo možno uspokojivě definovat oblast zvýšené tvrdosti. Kvantitativní srovnání však ukázalo i slabiny modelu. Tak např. při svařovací rychlosti 4 m/min ležela vypočtená špičková tvrdost zřetelně nad hodnotami naměřenými v této oblasti. Bylo to první použití modelování strukturních změn výhradně v závislosti na průběhu difuse. Možnosti nejsou vyčerpány.

Druhé modelování se uskutečnilo pro WIG-svařování a pro laserové svařování. Za základ byly použity snímky struktury a měření tvrdosti. Kinetika struktury založená na diagramu špičková teplota - doba ochlazování, který byl vyvinut v Ústavu svařování byl rovněž navázán na ANSYS. Pomocí této simulace byly poměrně dobře vymezeny strukturní oblasti v tepelně ovlivněném pásmu pro obě metody svařování. Porovnání výpočtových hodnot tvrdosti a hodnot skutečně zjištěných vykazuje poměrně dobrou shodu.

V rámci aktuálního výzkumného programu byl vyvinut externí modul pro výpočet proudění tavné lázně. Proudění tavné lázně má zejména u laserového svařování velký vliv na vytvářející se teplotní pole. Modul proudění byl integrován do systému ANSYS. Vliv proudění tavné lázně na teplotní pole byl porovnáván s výpočty tvrdosti podle modelu STAZ. Přes podobnost v rozměrech tavné lázně byl okruh zvýšené tvrdosti při mikromodelaci přibližně dvakrát tak velký než při systému ANSYS. Vliv proudění tavné lázně na teplotní pole tím byl potvrzen.

Řada uveřejnění z USA prezentuje vizualizaci Maragnoniho konvekce při modelování tavné lázně. Maragnoniho konvekcí se rozumí proudění kapaliny způsobené gradienty v povrchovém napětí. Pro simulaci Maragnoniho konvekce v obloukové tavné lázni byla průhledná lázeň NaNO3 zahřívána defokusovaným CO2 laserovým paprskem, a to s povrchově aktivními prostředky a bez nich. Při tom bylo měřením zjišťováno proudění, dále teplota a vývoj lázně. Byly přitom použity různé materiály. Zveřejněné výsledky uvádějí tvar lázně a proudění v ní při laserovém svařování galia, hliníku, oceli nerezavějící oceli a dusičnanu sodného. Výsledky jsou významným příspěvkem pro poznání konvekce při modelování svařovacích procesů.

Systém CAD-FEM poskytuje možnost řezu efektů změn struktury s programem ANSYS, který používá metodu konečných prvků. Změny struktury probíhají během ochlazování a tuhnutí materiálů při různých výrobních procesech, např. odlévání, dělení, obloukovém svařování, laserovém svařování na vzduchu, ve vodě i ve vakuu. Přitom probíhá natavování, tuhnutí i ochlazování za různých mezních podmínek. Při tepelném zpracování (vytvrzování, kalení, zušlechťování) je třeba zohledňovat fázové změny během ochlazování a tuhnutí.

Koncepce řezu zohledňuje požadavky uživatelů, vysokých škol a výzkumných míst a nabízí možnosti v rámci programu ANSYS. Programovaná kinetika přeměn se používá pro Avrami-způsob pro difusně probíhající přeměny a pro Koistinen-Marburger-způsob pro nedifusní přeměny. Přitom může být rovněž zohledněno i latentní teplo. Na příkladu je uveden takový podíl při přeměně austenitu na perlit a bainit. Pro jeden prvek je uveden časový průběh vzniku struktury v tepelně ovlivněném pásmu, přičemž průběh teploty je v lineární a v logaritmické podobě. Ve všeobecnosti se ukazuje, že formulovaný obraz plynulé přeměny v systému čas/teplota je vhodný i pro procesy spojené s fázemi při ohřevu. Řez připouští pro popis změn a pro použití v kinetice i jiná materiálová data.

Pozoruhodné pokroky byly učiněny při modelování WIG-svařování titanu. Představený model WIG-svařování sleduje vlivy svařování na makrostrukturu i mikrostrukturu v kombinaci s teoriemi přenosu materiálu a přeměn struktury. Problematika byla řešena v rámci neustáleného trojrozměrového modelování s ohledem na turbulentní přenos tepla a proudění lázně. To umožňuje výpočet teplotních a rychlostních polí, tepelných cyklů i velikosti zrn v tepelně ovlivněném pásmu. Kinetika přeměny alfa/beta během plynulého ohřevu a vznik kombinovaných fází se posuzuje podle modifikované rovnice Johnson-Mehl-Avrami a podle výpočtového tepelného cyklu. Časový vývoj struktury tepelně ovlivněného pásma se přitom simuluje metodou Monte-Carlo. Ověření vypočtených výsledků se provádí synchronizovaným rentgenovým zářením.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz