123



Stránky připravuje:

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

Aktualizováno: 10/05/2007

01_1-9 Modelování

Teorie svařovacích procesů nedovede dnes zodpovědět, jaké je třeba předvolit numerické hodnoty parametrů při použití tradičních způsobů, aby měl svar stanovené rozměry a formu. A to ani jako základ komplexního popisu svařovacího procesu, ačkoliv většina fyzikálních fenomenů je známa a popsána. Cílené použití teorie svařovacích procesů ve formě určitých matematických modelů přesto zřetelně zvyšuje oblast vědění sledovaných procesů. Svařovací modelování zaznamenalo v posledním desetiletí výrazný pokrok a přispělo k poznání více fenomenů při svařování. Modelování nabízí cennou podporu při optimalizaci svařování a při chování výrobních dílů.

Pro správnost a přesnost výsledků výpočtů je zejména důležité, aby bylo co nejpřesněji simulováno chování základního materiálu. Souhrn fyzikálně metalurgických procesů při svařování vyžaduje nelineární průběhy hodnot závislostí na teplotách a mechanickém tváření, tepelnou vodivost, specifickou tepelnou kapacitu nebo entalpii, koeficienty pro tepelné změny hustoty a prodloužení, teploty přeměn, specifický odpor a kontaktní odpor při odporovém svařování, hodnoty pro přechod tepla vedením a sáláním, viskozitu, povrchové napětí, modul pružnosti, atd. Při tom hraje jistou roli i nehomogenita v chemickém složení svarové lázně.

V mnoha výzkumných pracovištích stojí na prvních místech zájmu obstarání a zjištění jmenovitých hodnot materiálů. Byla představena datová banka materiálu META. Obsahuje údaje o chemickém složení, teplotách přeměn, tepelné vodivosti, specifickém obsahu tepla, hustotě, specifickém odporu, viskozitě a povrchovém napětí ocelí a jiných slitin. Podle udaného chemického složení je možný výpočet tepelné vodivosti, tepelného obsahu, elektrického odporu pro nelegované, nízkolegované a legované ocele mezi pokojovou teplotou a teplotou solidu. Jmenovité hodnoty materiálu mohou být udány při 9 volně volitelných stupních pro teploty od 20 do ca 3000 oC.

Je podán přehled aktuálního stavu matematického modelování při svařování s příklady použití v oblasti fenomenů tavné lázně, svařování třením a vnitřních pnutí. Výzkum svařitelnosti byl úspěšně představen s PVR-pokusem a podporou FEM-simulace v aplikaci na dílec.

V posledním roce proběhly nové vývojové práce v oblasti simulace svařovacího procesu. Detailní simulace formuluje tyto směry:
- Vyrobení svařovacího tepla a jeho přenos do oblasti spoje.
- Proudění tavné lázně a převod tepla do dílce.
- Deformace povrchové plochy v oblasti spoje.

Jako nový vývoj je možno přitom předpokládat:
- Ohřev, tavení a absorpci záření prášku při nástřicích laserem.
- Mechanicko-dynamický model se zohledněním výroby motorových vozidel pro bradavkové svařování odporem.
- Termoplastické procesy při termokompresním svařování umělých hmot.

Zajímavé výzkumy se uskutečnily při propojení dílčích problémů. Zatímco jedno propojení doporučuje k řešení termomechanické úlohy pro výpočet vnitřních pnutí, byla představena jedna metoda pro plné propojení mechanicko-dynamických a elektrotermických dílčích problémů. Vyvinutý FEM-model pro výstupkové odporové svařování dovoluje zohlednění střídavých vztahů mezi změnou tvaru, rozdělením teploty, mechanickým napětím a elektromagnetickým polem. Umožňuje reálné sledování průběhu procesu a nabízí vysoký souhlas mezi experimentálně získanými výsledky a výsledky výpočtů.

Byl popsán vývoj numerického modelu pro laserové nástřiky pomocí prášku na bázi agregovaných diferenciálních rovnic pohybu tepla a přetváření povrchu tavné lázně. Zlepšené soustředění energie laserového paprsku na povrch tavné lázně vede ke vzniku povrchové drsnosti v důsledku výstupu složek prášku. Současně je zohledněn i proud prášku jako prvek odvádějící teplo z povrchu tavné lázně. Do rovnice pro vytváření povrchové plochy tavné lázně vstupuje proud prášku jako zdroj normálně směřovaného tlaku. V rovnicích, které popisují proudění v tavné lázni, je proud prášku zohledněn jako zdroj povrchových posuvných pnutí, které zvětšují rychlost proudění. Bylo ukázáno, že početně zjištěné závislosti stupně absorpce záření jsou závislé na jeho intenzitě a na použitém prášku a transportním plynu a odpovídají již uveřejněným výsledkům pokusů laserového nanášení hliníkové slitiny. Modelování umožnilo vypočítat příčný profil vyklenutí nanášené vrstvy, který s dostatečnou přesností odpovídá vlastním výsledkům pokusů autora.

Zřetelný pokrok byl učiněn v simulaci vytváření svarového spoje při MIG-svařování impulsním obloukem hliníkových slitin. Hliník a jeho slitiny mají ve srovnání s ocelemi pro tavné svařování tyto významné vlastnosti: nízkou teplotu tavení, na povrchu vrstvičku oxidů, které se taví až při vysoké teplotě, vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Proto je MIG-proces ve srovnání s MAG-procesem obtížněji ovladatelný. Moderní mikroprocesory řízené impulzní zdroje umožňují bezzkratový přechod materiálu při minimální tvorbě rozstřiku. Nákladovost určování parametrů procesu je ve srovnání s ocelí zřetelně vyšší. Programy pro matematickou simulaci obloukového svařování umožňují řešení jednotlivých úloh efektivně.Matematický model a program TSIM byly vyvinuty s cílem simulovat stacionární i nestacionární varianty MIG-svařování s pulzním obloukem se standardním i tandemovým hořákem včetně nízkofrekvenční modulace. Model simulace dovoluje zvolit optimální parametry oblouku, což je významné zejména při tandemovém svařovacím procesu. Početně bylo ukázáno, že zvýšení pulzního napětí bez ohledu na přírůstek výkonu vede ke snížení účinnosti procesu, což je způsobeno zvýšením ztrát přímo ve sloupci oblouku.

Novodobý model simulace vytváření svarového spoje se skládá ze tří propojených dílčích modelů: zdroje tepla a tlaku, přenosu tepla a deformace tavné lázně. Je třeba brát v úvahu společné působení hustoty výkonu zdroje tepla a tlaku a současně se tvořícího kráteru v tavné lázni při libovolné prostorové poloze v gravitačním poli.

Byl popsán vývoj metody konečných prvků vlastních pnutí ve vztahu ke svařování a bylo ukázáno zlepšení modelů. Bylo analyzováno svařování dílců s komplexní geometrií a svařování ve více vrstvách. Dále byl ukázán pokrok ve vývoji v obtížném modelování přívodu tepla a v chování materiálu. Díky tomu není výpočet vnitřních pnutí při svařování omezen jen na laboratorní vzorky, ale je použitelný i na inženýrské problémy. Jako příklad byl popsán výpočet podílu martenzitu a bainitu při vícevrstvém svařování.

Loni popsaný model pro laserové svařování byl dále prohlouben. Při tomto svařovacím procesu má proudění v tavné lázni velký vliv na vznikající rozložení teploty a vnitřních pnutí. Tento rozšířený model umožňuje výpočet tvorby spoje, přeměn struktury, vnitřních pnutí ve vztahu k laserovému svařování.

Byly zjišťovány místní vlastnosti materiálu v oblasti svaru velkých profilů ze slitiny hliníku při použití metody MIG. Speciální pokusná technika umožnila kromě určení mechanicko-technologických charakteristických hodnot v oblasti svaru i křivky vztahu napětí/prodloužení a křivky odporu proti vzniku trhlin.

Zpět na Vývojové tendence



logo welding.cz