Hegesztési folyamat numerikus modellezése I

Hegesztési folyamat numerikus modellezése I Dr. Katula Levente1, Aguilar Gabriella2

1

adjunktus, IWE hegesztőmérnök, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Hidak és Szerkezetek Tanszék 2 tudományos munkatárs, Tecxa Technology Kft.

ÖSSZEFOGLALÓ Manapság a minőségi és gazdaságos hegesztett szerkezetek tervezésében is megjelenik a numerikus modellek alkalmazása. A hegesztés modellezése, mint összetett termo-mechanikai folyamat, annak komplexitása miatt jelentős kihívást jelent. A cikk bemutatja a hegesztési hőfolyamat numerikus modellezésének elvét, ismerteti a lehetséges modellezési egyszerűsítéseket, korlátokat. Ismert, hogy minden szimulációval kapott eredmény csak akkor megbízható, ha visszavezethető mérhető fizikai páramértekre. A cikkben bemutatunk egy saját fejlesztésű, roncsolásmentes méréseken alapuló, validációs eljárást, melylyel a hegesztés-szimuláció nem mérhető paraméterei beállíthatóak. Végül ismertetjük és értékeljük a Sysweld program (Visual Environment) segítségével felépített és validált modell eredményeit. SUMMARY In our days in the design of high-quality and economical welded structures we use numerical simulations. The modelling of the welding process is a complex thermo-mechanical process, denotes a major challenge because of its complexity. The paper describes the principles of the numerical modelling of the welding process. We describe the possible modelling simplifications and modelling limitations. Well known that each simulation result is reliable only if it can be traced back to measurable physical parameters. The paper presents a self-developed validations procedure. Due to the non-destructive heat measuring we can set non-measurable parameters in the simulation. Finally, we describe and evaluate the results of the validated simulation modelled in SYSWELD (Visual Environment).

1

Bevezetés

Hegesztett szerkezetek alkalmazása mind a gépgyártás. mind az építőmérnöki szerkezetgyártás számos ágazatában elterjedt. Az autóipar, hajógyártás és építőmérnöki szerkezetek területén egyaránt fontos a megfelelő hegesztési eljárás és paraméterek megválasztása a minőségi és tartós kivitelezés érdekében. A hegesztett kötés az anyagban atomi szinten kialakuló erőhatások révén jön létre. A hegesztési eljárásokat két nagy csoportba sorolhatjuk a varrat kialakításához szükséges hő és erő mértéke szerint. Így az eljárás lehet ömlesztő vagy sajtoló. Az ömlesztő eljárásoknál nem alkalmaznak erőt, azonban nagy hőre van szükség. A sajtoló hegesztések mindegyike alkalmaz erőt a kötés kialakításához. Ezen belül megkülönböztethetők meleg- és hidegsajtoló eljárások az összehe-

1

E-mail: [email protected]

1

geszteni kívánt darabok hevítése vagy annak mellőzése szerint. A hegesztési eljárás az alkalmazott energia jellege szerint tovább specifikálható. A felhasznált energia származhat elektromos, termokémiai, mechanikai vagy sugárforrásból. A gyakorlatban leggyakrabban alkalmazott hegesztési eljárások hőforrását elektromos ív adja. Az elektromos ív egy hosszan tartó villamos kisülés, amely szilárd vagy folyékony állapotú elektródák között gázközegben jön létre. A 2.000-20.000 °C hőmérsékletű ívet az ionizált gázban mozgó töltések tartják fenn. [1] Az elektromos ívhegesztés az ömlesztő hegesztési eljárások közé tartozik, melyek hőforrására jellemző, hogy az energiasűrűség eloszlása harang-görbe (Gauss-görbe) alakú. A hegesztési hőfolyamat a Kelvin-források módszerével – a termodinamikai hőmérséklet értéke adott pontban és pillanatban – leírható a hegesztési hőforrás effektív teljesítménye (ηeff), hővezető képesség (λ), hegesztési sebesség (vheg), hőátadási együttható (Rsi), fajhő (c) és lemezvastagság (t) függvényében. A kvázi-stacioner állapotban a hőforrással együtt mozgó rendszerhez képest állandó hőmérsékletű mezők alakulnak ki, ami lehetővé teszi a hegesztési hőfolyamat izotermáinak meghatározását. A varrat geometriájának hatása az ívteljesítmény csökkentésével vehető figyelembe. A hegesztési hőfolyamat és a hegesztés befejezését követő hűlési folyamat hatására helyi alakváltozás és ezzel együtt feszültség lép fel. Azonban az alakváltozások nagysága számos fizikai és geometriai jellemzőtől is függ úm. a rugalmassági modulustól (E), lineáris hőtágulási együtthatótól (α), a hővezető képességtől (λ), fajhő (c), a sűrűségtől (ρ), a fázisátalakulások körülményeitől, a hidrogén diffúziótól, az alapanyag folyáshatárától (fy) és a felkeményedési hajlamtól az alakváltozás hatására, valamint a hegesztett kötés méretétől és alakjától. A fizikai jellemzők többsége függ a hőmérséklettől és az ötvözők mennyiségétől. Látható, hogy a hegesztés egy igen összetett termo-mechanikai folyamat, melynek teljes matematikai leírása mai ismereteink birtokában sem lehetséges. Azonban a kapcsolódó tudományágak fejlődésének és számos tapasztalati eredménynek köszönhetően jól közelítő számításokat dolgoztak ki a hegesztési folyamat numerikus modellezésére.

2

A hegesztési folyamat numerikus modellezése

Hegesztés egy igen összetett folyamat, ami magába foglalja számtalan tudományág (termo-mechanika, szilárdságtan, folyadékok mechanikája, anyagtudományok, stb.) témakörét és eredményeit. Ma még nem létezik olyan komplex modell, ami képes lenne a folyamatot leíró témaköröket integrálni. A szakirodalmi áttekintés alapján alapvetően két modellezési stratégiát lehet megkülönböztetni [2]: • a folyamat megértését és • a folyamat szimulációját megcélzó modelleket. Mindkét modellezési szint numerikus (végeselemes) módszeren alapul. Az előbbi igen komplex modellek magának a hegesztési eljárásnak és az azt befolyásoló tényezőknek, jelenségeknek a vizsgálatára kerültek kifejlesztésre. Ezek minden bizonnyal nagy pontossággal alkalmazhatóak lennének minden hegesztéssel foglakozó kutatásban és fejlesztésben, azonban a jelenleg rendelkezésre álló számítógépes teljesítmény még sok esetben elégtelen, ami szükségessé teszi, 2

hogy egyszerűsítéseket vezessünk be. Annak ellenére, hogy egyre nagyobb kapacitású számítógépek állnak a kutatók rendelkezésére –, ami fokozatosan szűkíti a két modellezési stratégia közötti szakadékot –, ma még elképzelhetetlen egy olyan, gyakorlati problémák megoldására alkalmas, numerikus modell, ami a hegesztés minden aspektusát képes figyelembe venni. A kitűzött célok alapján lehet eldönteni, hogy milyen szintű modell alkalmazása szükséges. A vizsgálni kívánt jelenségek (pl. hegesztési sajátfeszültség) mellett a vizsgálandó szerkezet méretét is figyelembe kell venni. A varrat közvetlen környezetének vizsgálatára és egy a varrat méreténél nagyságrendekkel (100…1.000-szer) nagyobb hegesztett szerkezet vizsgálatára kifejlesztett modellek jelentősen eltérhetnek egymástól. Az első modell használata a második esetben minden bizonnyal igen költséges és a gyakorlatban kevésbé alkalmazható számítást eredményez.

2.1

Hegesztés modellezési nehézségei

A hegesztés numerikus modellezésének alapja egy időben változó termo-mechanikai analízis. A mozgó hőforrás alapján meghatározható a szerkezetben kialakuló hőmérséklet eloszlás, amiből számíthatóak a sajátfeszültségek és alakváltozások. A jelenséget leíró modellezés során többek között az alábbi nehézségekkel kell számolni: Kísérleti adatok hiánya •

•

A magas hőmérsékleten fellépő mérési nehézségek következtében viszonylag kevés a kísérleti adat. A rendelkezésre álló adatok nagy része a már kihűlt szerkezeten végzett méréseken alapul (pl. maradandó feszültségek mérése). Ez jelentősen megnehezíti a numerikus modell tesztelést, mivel csak az analízis utolsó lépésének eredményei ellenőrizhetők. Az anyagjellemzők mérése magas hőmérsékleten (1.000° C <) fizikai nehézségekbe ütközik.

Anyagi viselkedés •

• •

Hegesztés során az anyag hőmérséklete igen széles sávban mozog, ami az anyagjellemzők jelentős változásával jár. Mérési nehézségek következtében az anyagjellemzők értéke magas hőmérsékleten gyakran ismeretlen, így az anyagmodellek paramétereinek beállítása nehézségekbe ütközik. Bizonyos jellemzők (pl. folyáshatár) a hőmérséklet változásával nulla közeli értékre csökkennek, ami numerikus problémákhoz vezet. A gyakorlatban használt anyagok ötvözetek nem pedig tiszta fémek, ami megnehezíti a halmazállapot-változás hatásainak pontos figyelembevételét.

Az 1. ábra a vas legfontosabb ötvözőelemével, a szénnel alkotott egyensúlyi diagramját, a vas-szén állapotábrát mutatja. A diagram az átalakulásra jellemző vonalakat, a jellemző hőmérsékleteket és kémiai összetételeket szemlélteti. Az ilyen diagramok készítésénél rögzítik az adott összetételű ötvözetek lehűlési görbéjét, és az átalakulási diagramban a lehűlési görbén mutatkozó töréspontokat ábrázolják. Tehát az átalakulási diagram egymás mellé helyezett lehűlési görbék pontjainak sorozata.

3

A - perlit eutektoid; B - ledeburit eutektikum; a - α + perlit b - Fe3C + ledeburit + perlit; c - Fe3C + ledeburit; d - cementit(Fe3C) + grafit; e - ferrit α; f - α + γ; g - ausztenit γ; h - γ + Fe3C + ledeburit; i - Fe3C + ledeburit; j - γ + folyékony; k – folyékony; l - folyékony + Fe3C

1. ábra Vas-szén állapotábra [3] Hőforrás és ömledék •

•

Mivel a hegesztés jelentős hőveszteséggel jár, a szimuláció során csak a hasznos hőbevitelt szabad figyelembe venni. A hőforrás pontos modellezése magában foglalná az elektromos ív fizikáját és a megolvadt anyag folyadékként való kezelését. A hasznos hőbevitel számítására ma még nem létezik kellően pontos megoldás, ezért azt meghatározni csak a hőmérsékletek és az ömledék alakjának, illetve méretének méréséből, megfigyeléséből lehet. Modellezési nehézséget jelent a hőforrás környezetében fellépő nagyon magas hőmérséklet gradiens, ami igen sűrű diszkrét modellt (végeselemes hálót) igényel.

Varratok kölcsönhatása • •

Gyakorlatban alkalmazott hegesztett szerkezetek esetén a hegesztések száma akár több tízes nagyságrendű is lehet. A hegesztési varratok kölcsönhatásának eredménye egy igen összetett feszültségi állapot kialakulása a hegesztett szerkezetben. Többrétegű varratok esetében az egyes rétegek közötti interakció jelentős (2. ábra). 4

2. ábra 8 varratrétegből felépített V varrat mikrocsiszolati képe

Egyszerűsítési lehetőségek és korlátok

2.2

A fenti nehézségek leküzdésére és a futtatási idő elfogadható mértékűre való csökkentéséhez bizonyos egyszerűsítések bevezetése szükséges. Az alábbiakban a leggyakrabban használt módszereket és azok alkalmazásának korlátait foglaljuk össze. Analízis két lépésben: •

•

Az anyag deformációja során a mechanikai energia egy része hőenergiává alakul, ami ömlesztő hegesztési eljárások esetén több nagyságrenddel elmarad a hegesztés által bevitt hőtől és csak elhanyagolható mértékben befolyásolja a hőmérséklet eloszlást. Ez lehetővé teszi az analízis két független lépésre való osztását. Első lépésben meghatározható a szerkezetben a hegesztés és a kihűlés teljes időtartama alatt kialakuló hőmérséklet eloszlás. Ez alapján a második lépésben számíthatóak a sajátfeszültségek és deformációk. Másik megoldás, hogy minden egyes időlépésben lefutatjuk a hőmérsékletanalízist majd közvetlen utána a feszültséganalízist. Ez lehetővé teszi, hogy az analízis következő lépésében a hőmérsékletanalízist már egy új, a deformációkkal aktualizált, geometrián futtassuk. Legtöbb gyakorlati esetben nincs szükség erre a megoldásra, de előfordulhat, hogy a deformációk következtében annyira megváltoznak a hőmérsékletanalízis kerületi feltételei (pl. két, korábban, egymáshoz nem kapcsolódó felület összeér), hogy ezt nem lehet figyelmen kívül hagyni.

Analízis egy lépésben: •

A kölcsönhatás a két analízis között nem minden esetben hanyagolható el, mint például súrlódáson alapuló hegesztési eljárások, pl. dörzshegesztés, esetén.

Egyszerűsített anyagmodell •

A magas hőmérsékleten kialakuló feszültségeknek kicsi a hatásuk a maradó feszültségekre. A numerikus problémák elkerülésére ezért megtehetjük, hogy egy adott hőmér5

•

•

•

séklet felett elhanyagolunk hatásukat, azaz a korábban említett hőmérsékletfüggő paraméterek értékeit, közelítésként, nullának vesszük fel. A szimuláció pontossága javítható azzal, hogy egy hőmérséklethatár helyett, több értéket veszünk figyelembe, amelyek felett fokozatosan hanyagolunk el bizonyos jelenségeket [2]. Gyakori megoldás a halmazállapot-változás hatásainak (térfogat-változás, anyagjellemzők változása) elhanyagolása. Amennyiben a folyáshatár még viszonylag jelentős a halmazállapot-változáshoz tartozó hőmérsékleten, a halmazállapot-változás hatása jelentős lehet. Ennek ellenére, ebben az esetben is gyakran elhanyagolhatók a halmazállapotváltozás hatásai [2]. Az alkalmazott anyagmodellt a vizsgált feladat jellege is befolyásolja. A hegesztési varrat közvetlen környezetének a vizsgálatához minél komplexebb anyagmodell alkalmazása indokolt. Ha egy hegesztett szerkezet egészének a vizsgálata a cél, akkor egy egyszerűsített anyagmodellel is – a gyakorlati szempontokat – kielégítő eredmények kaphatók. Gyakran a rendelkezésre álló adatok, illetve azok hiánya, ami meghatározza az alkalmazható anyagmodellt.

Általánosságban elmondható, hogy ha elsősorban a sajátfeszültségek számítása a szimuláció célja, akkor egy egyszerűsített anyagmodellel is elfogadható eredmények érhetők el. Ha azonban a deformációk meghatározása is fontos, akkor már lényegesen körültekintőbben kell eljárni a numerikus modell felépítésénél.

3

A Sysweld bemutatása

Az Esi Group által fejlesztett Visual Environment programcsomag nagy előnye az általános modellező programokkal szemben, hogy kifejezetten hegesztési folyamatok modellezésére kifejlesztett célprogram. Ezért a hőfolyamat során fellépő bonyolult összefüggések – mint az anyagban az olvadás és lehűlés során lezajló fázisátalakulások – szimulációjára a modellezést megkönnyítő beépített modulok állnak rendelkezésre. A programrendszer lehetővé teszi a varratok és a varratokkal történő összeállítás tervezését, valamint a megfelelő hegesztési paraméterek meghatározását, figyelembe véve a modellezés különböző szintjeit [4]. A programrendszer részeit az 3. ábra mutatja be.

6

(Methods: módszerek, Engineering Domain: mérnöki szakterület, Products: termékek, Shrinkage: kicsinyítés, Local-Global: helyi és általános, Transient: tranziens, Distortion Engineering: mérnöki alakváltozások, Weld Quality & Residual Stresses: hegesztés minősége és maradó feszültségek, Weld Planner Package: varrat tervező csomag, Welding Assembly Package: varrat összeállítási csomag, Welding Package: hegesztési csomag)

3. ábra A Visual Environment program részei A programcsomag egyes moduljai a numerikus szimuláció céljának megfelelően különböző számítási eljárásokat alkalmaznak, melyek az eredmények kellő pontosságának megőrzése mellett a számítás hatékonyságát fokozzák.

3.1 A hegesztési folyamat numerikus szimulációja 3.1.1 „Transient Welding” (TW) vagy lépésről-lépésre eljárás A hőforrás modell a hegesztés vonalán mozog, a szoftver pedig minden időlépés után elvégzi a termikus és mechanikai számítást a megelőző számított időpillanat eredményeiből kiindulva az adott pillanathoz tartozó hegesztési paramétereket, ahogyan azt a 2.2 pontban bemutattuk. Mivel a számítás stabilitása megköveteli, hogy az időlépés legfeljebb a hőforrás hosszának negyede legyen a TW eljárás nagyon lassú [5]. Ezért a szerkezet kis részének számítására van csak lehetőség, azonban a kapott eredmény igen összetett (hőmérsékleti mezők, keménység, anyagszerkezet és fázisátalakulások, maradó feszültségek és alakváltozások). A TW eljárás alkalmas a hegesztett kapcsolatok lokális hatásainak meghatározására és a hegesztéstechnológia és hegesztési paraméterek optimalizálására [6]. 3.1.2 „Transient Welding” alkalmazása „Macro Bead Deposit” (MBD) eljárással Az eljárás logikai alapja megegyezik a TW eljárásnál leírtakkal, azonban a hőforrás egyszerre több területen (elemen) is megjelenik. A tényleges hegesztési vonal több kisebb szakaszból áll. A hegesztés egységnyi hosszára eső energia megegyezik a valódi hegesztési folyamatban meghatározottal. A szakaszok száma, az időlépések, a hegesztési technológia paraméterei az eljárással kapcsolatos tapasztalatok alapján definiáltak. Az MBD eljárással a számítási idő csökken, valamint nagyobb szerkezetek számítását is lehetővé teszi az eredmények jó minőségének megőrzése mellett [6].

7

3.1.3 „Local-Global” (LG) eljárás Az LG eljárás a jelentős méretű, nagyszámú hegesztett részletet tartalmazó összetett szerkezetek (pl. hajó-, autó- és hídszerkezetek) számítására alkalmas, ahol a normál TW vagy MBD módszer alkalmazása nehézségekbe ütközik jelentős számítási idejük és memóriaigényük miatt. Az LG módszer alapötlete, hogy a hegesztési folyamatra úgy tekint, aminek hatására lokálisan feszültségek és alakváltozások, míg a teljes szerkezetet tekintve globális deformációk alakulnak ki. A hegesztés helyi hatását a modell lokális újradefiniálásával veszi figyelembe, amihez a TW vagy MBD számítási eljárást alkalmazza, ezért a lokális modell minél pontosabb merevségének megadása fontos. A lokális modell eredményeit átvezetve a globális modellbe, majd lineárisan rugalmas szimulációt végezve állapítja meg a globális alakváltozásokat. Az LG eredményei csak alakváltozásokat, belső erőket és nyomatékokat adnak meg. A maradó feszültségek és a hegesztést követően kialakuló anyagszerkezeti változások, fázisátalakulások lokális modellel, azaz TW vagy MBD módszerrel határozhatók meg [6]. 3.1.4 „Shrinkage” (SM) eljárás A Weld Planner a számos hegesztett részletet tartalmazó szerkezetek alakváltozásainak gyors számítására alkalmas. A Weld Plannerben a torzulások számítása a mérnöki alakváltozások számítása alapján történik. Ennek eredményeihez a hőmérséklet és a fázisátalakulások hatását figyelembe vevő számításokat nem végzi el, csak a mechanikai megoldást használja fel [6].

4.

Modell validálási stratégia

Egy fizikai jelenségről készített numerikus modell bemenő adatainak többsége egyértelműen megadható. Egy szerkezet meghatározott WPS (Welding Procedure Specification, hegesztési utasítás) szerint történő hegesztésének numerikus modelljében ilyen paraméter a geometria, a szerkezet megtámasztása, az anyagminőség és a hegesztési paraméterek többsége. Azonban vannak más, a modell eredményeit jelentősen befolyásoló paraméterek, melyeknek nincs a fizikai világban egyértelműen mérhető és felvehető értéke. A Visual Weldben felépített modellekben ez a paraméter a hőforrás geometriája (4. ábra). A hőforrás méretei az ömledék alakjának és nagyságának, valamint az ömledékben és a varratkörnyezetben kialakuló hőmérséklet ismeretében meghatározhatók. A helyes hőmérsékleti adatokat szolgáltató termikus modell megfelelően modellezett megtámasztási viszonyok mellett helyes mechanikai eredményeket szolgáltat. Ezért tehát elsődleges a termikus modell validálása.

4. ábra Ívhegesztési eljárás hőforrása

8

4.1

A hőmérsékletmérés során alkalmazott eszközök bemutatása

4.1.1 ThermoProTM TP8S IR Hőkamera A látható fény hullámhossza 0,4-0,7 µm közötti. Ez, az az érték, amit az emberi szem képes felismerni, illetve amit a normál, nem éjjel/nappali kamerák képesek megjeleníteni. A fény, ezen spektrumának megjelenítéséhez fényforrásra van szükség, ami lehet a Nap vagy egy normál lámpa is. A hősugárzás hullámhossza 3-10.000 µm-es tartományban helyezkedik el, ami már kívül esik azon a sávon, amit az emberi szem érzékelni tud. Ez a sugárzás minden olyan tárgynál megfigyelhető, amelynek hőmérséklete nulla Kelvin fok felett van. A hőkamera a felületről visszaverődő hullámhossz alapján állapítja meg az adott test hőmérsékletét. A visszaverődés hullámhosszát befolyásoló főbb tényezők: a felület anyaga, a felület állapota (érdessége, minősége, oxidáció mértéke), a vizsgálat szöge és a hőmérséklet. A hőmérséklet meghatározásához tehát figyelembe kell venni a további tényezők hatását. Ez egy ún. emissziós tényezővel való korrigálással lehetséges. Az emissziós tényező meghatározásához előbb meg kell ismernünk a „fekete test” fogalmát. A fekete test egy teljesen zárt doboz, belül állandó hőmérséklettel. A zárt alakzat és a fal anyaga nem engedi át a sugárzást, kizárólag a mérni kívánt hőmérséklet mérhető rajta. A dobozon egy lyuk található, melynek mérete nem lehet nagyobb a falak felületének 5%-ánál. Ezen a lyukon keresztül a dobozon kívüli sugárzás nagyon kicsi része hatol át, mely a dobozon belül mérhető, és amely a „fekete test” sugárzási szintjét adja. Ez a mért sugárzás a fal hőmérséklete. Ezt a módszert használják a hőmérsékletmérők kalibrálásához is. A sugárzás alapjául a fekete test sugárzása tekinthető. Az emissziós tényező megmutatja, hogy a felület által visszavert sugárzás hányad része a „fekete test” által visszavert sugárzásnak. Az ideális üreg tehát – legyen az bármilyen anyagban is – egy abszolút fekete test, amelynek a sugárzása anyagi minőségtől független, csak a hőmérséklettől függ. A ThermoProTM TP8S IR hőkamera hullámhossz tartomány 8-14 µm, így -20 °C és +2.000 °C közötti hőmérsékleti tartományban képes mérni. A hőkamera egyszerre két 384x288 pixeles képet készít, egy fényképet és egy hőképet. A képek feldolgozását a Guide IrAnalyser® szoftver teszi lehetővé. A hőkép minden pixeljéhez tartozik egy emissziótól függő hőmérsékleti adat. A képadatok további feldolgozását megkönnyíti, hogy a hőmérsékleti adatok a szoftver által Excel fájlba importálhatóak. 4.1.2 K típusú hőelem A hőelem működésének alapja, hogy két fém érintkezésekor hőmérsékletfüggő nagyságú feszültség keletkezik. A hőelemek szabad „bead type” (gombostű fejű) vagy mérőfejbe épített kivitelűek. A szabad kivitel nagy előnye a gyors válaszidő. Az egyes hőelem típusok hőmérséklet-feszültség értékei táblázatokból olvashatók ki. A K típusú hőelem hőmérséklet tartománya -200 °C-tól +1.200 °C-ig terjed és érzékenysége kb. 41 µV/°C. A hőmérséklet és kimenő feszültség összefüggését komplex polinom egyenlet írja le. A mérőműszernek meg kell oldania a hőelem nem lineáris jelének linearizálását. A szabad végű hőelem által mért adatokat a verifikáció során Catman Easy szoftver segítségével rögzítettük. A szoftver lehetővé teszi adott frekvenciával mért adatok rögzítését és dinamikus megjelenítését, valamint txt és Excel fájlba mentését a további feldolgozáshoz.

9

4.2

Mérési folyamat leírása

A mérés megtervezése során fontos annak figyelembevétele, hogy a későbbiekben a mért és számított értékek könnyen és egyértelműen összevethetőek legyenek mind időben, mind pedig térben. Mint minden eszköznek a hőkamerának és a K-hőelemnek is vannak az alkalmazhatóságban fizikai korlátai. Így a hőelem nem helyezhető tetszőlegesen közel a hőforráshoz, vagy az ömledékbe, viszont képes a hőmérsékleti értékek folyamatos mérésére és rögzítésére. A hőkamerával mérhető az ömledék területén kialakuló hőmérsékleti mező, de csupán a hegesztési ív megszűnése után, mivel az ív jelenléte zavarja a mérést. Az időbeli szinkronicitás alapját a K-hőelem folyamatos mérése adja, ehhez igazodva jegyeztük fel a hőkamerával készült felvételek időpillanatait és ez alapján készült el a numerikus modell „ütemezése” is. A térbeli megfeleltetés, a mérés oldaláról, a K-hőelem helyének előzetes megjelölésével, valamint a hőkamera által készített hő- és fényképek egymásra vetítésével, míg numerikus oldalról a referencia pont helyzetét figyelembe vevő hálózati kiosztással volt biztosítható. A modell igazolása a hőkamera által rögzített ömledék alak és méret, valamint a K-hőelemmel mért hőmérsékleti görbe alapján lehetséges.

4.3

Próbatest és mérés

A próbatest egy 3 mm vastag, 70 mm széles és 560 mm hosszú lemez volt, melyen három hernyóvarrat készült. A hegesztés alatt a K-hőelemet egy ponton rögzítettük, a varratok pedig egyre közelebb készültek a hőelemhez. Az első varratsor tengelye 80 mm-re, a második 60 mmre, az utolsó varrat pedig 40 mm-re húzódott a mérési ponttól. A K-hőelem mérési frekvenciája 2 Hz volt. A hegesztési folyamat paraméterei a következők voltak: anyagminőség: S235 hegesztési eljárás: ívhegesztés hegesztési sebesség soronként: 1,35; 1,39; 1,22 mm/s egységnyi hosszra jutó energia: 8 kJ/cm hegesztő berendezés hatásfoka: 0,87 (a berendezés hatásfoka a szakirodalmi adatok alapján felvett, beállított, érték).

5

Modell felépítése és validálása

A numerikus modellben egy S235 anyagminőségű, 140 mm hosszú, 70 mm széles, 3 mm vastag lemez hegesztési szimulációja készült el. A valóságnak megfelelően három hernyóvarrat fut egymástól 20 mm távolságban egyre közelebb a referenciaponthoz, a varratok készítésének időpontja megfelelt a valóságban is kivárt hűlési időknek. A hálózat sűrűsége keresztmetszeti irányban ~1 mm, hosszirányban pedig 2 mm. Paraméteres vizsgálataink szerint ez a hálózati beállítás, a futásidő csökkentése mellett, még kellően sűrű ahhoz, hogy a hőfolyamatot nagy pontossággal kövesse. A varrattengellyel párhuzamosan a lemezperemtől 5 mm távolságban vonalmenti megtámasztást definiáltunk. Az 5. ábrán látható módon a vonalmenti támasz pontjainak elmozdulása az egyik peremen mindhárom irányban gátolt, másikon peremen pedig a síkra merőlegesen, illetve a lemezsíkjában, a varrattal párhuzamosan gátoltak.

10

5. ábra Numerikus modell felépítése és megtámasztásai A modell beállításai megfelelnek a valós hegesztési paramétereknek. A modellezett varratok alakja a mérés során készített hegesztési varratokról levett méretek alapján került felvételre, így a varratok magassága 3 mm, szélessége 10 mm, az 1. és 2. varrat hossza 50 mm, az utolsóé pedig 45 mm. A hőmérsékleti verifikáció akkor sikeres, ha a modell viselkedése a valós viselkedést jól követi, azaz: 1. a lokális hőmérsékleti szélsőértékek jól közelítik a mérési eredményeket, 2. a modellben megfelelő mennyiségű anyag melegedik az olvadási pont fölé (hőkamera), 3. a hőmérsékleti görbe meredeksége a felmelegedési és hűlési szakaszban is közel azonos a kísérlet során mért adatokkal (hőelem). Utóbbi kitétel teljesülése főként az anyagmodellben szereplő anyagtulajdonságoktól függ, az eljáráshoz felvett hatásfok értéke legfeljebb kismértékben befolyásolja. A 6. ábrán balról jobbra haladva látható az ív megszűnésének pillanatában készített hőkép (a skálán feltüntetett értékek °C-ban értendők), fénykép, valamint a fénykép kinagyítása az ömledék környezetéről, illetve a ráillesztett hőkép 1.000 °C feletti területének részlete. A szerkezeti acélok olvadáspontja 1.500 °C körüli, így az ennél magasabb hőmérsékletű terület jelöli az ömledéket.

11

6. ábra Hőkamerával készített hőkép és fénykép a varratról az ív megszűnésének pillanatában Az első varratnak a hegesztés utolsó pillanatában készített hőfelvételén az ömledékzóna területe 47 mm2 (7. ábra). A validált hőforrással futtatott modell eredményei szerint a megolvadt anyag felszínen látható kiterjedése 46 mm2.

7. ábra Hőkép a varratról az ív megszűnésének pillanatában A numerikus modell azon paraméterei, melyek egy valós hegesztés során nem meghatározhatók, vagy nem játszanak szerepet, mint a hőforrás alakja és mérete, valamint a számítás időlépése, a számított és mért eredmények összevetésével állapíthatók meg. Az időlépéssel szemben támasztott követelmény, hogy a hőforrás hosszának legfeljebb negyedével legyen egyenlő [6]. A Visual Weld az időlépés hosszát mm-ben adja meg. A termikus és mechanikai számítást a szoftver minden időlépés után elvégzi, vagyis az időlépés azt mutatja meg, hogy a hőforrás mennyit haladjon előre két számított pillanat között. Ez biztosítja a számítás stabilitását és megfelelő pontosságát. Amennyiben a választott időlépés túl nagy, a hőforráson keresztül bevitt energia nem adódik át teljes egészében a lemeznek, így jelentősen kisebb hőmérsékleteket eredményez, mint az a valós hegesztésnél tapasztalható. Előfordulhat az is, hogy a túl kevés bevitt energia miatt egyes végeselemek nem aktiválódnak a modellben, így a modell akár helyes paraméterek mellett is beolvadási hibákat mutat. Azonban a szükségesnél kisebb időlépés megadása sem célszerű, mivel az eredmény pontosságát egy határon túl nem javítja, ráadásul a több, rövidebb időlépésből álló számítás jelentősen növelheti a számítási-mentési időt és az eredményfájl méretét. Mivel a modellek helyes hőforrásának megtalálása

12

a cél, ezért ehhez nem igazodhatunk előzetesen az időlépés felvételében, ezért minden modellben egységesen 1 mm hosszú időlépést határoztunk meg. A valós hegesztés három varratának minden hegesztési paramétere megegyezett, kivéve a hegesztési sebességet. Ezek kismértékben eltérnek egymástól, ami a kézi hegesztésnek köszönhető. Egy modellen belül a három varrat hőforrása megegyezik. A modellek beállításai között a hőforrás paramétereit leszámítva nincs eltérés. Összesen hét különböző hőforrás beállítással készült modellt vizsgáltunk. Az alkalmazott hőforrások méretei, az elért maximális hőmérséklet és azonos időpillanatban az 1.200 °C-hoz tartozó izoterma látható az 1. táblázatban. Az első három modell (HSV_11, 12 és 13) hossza, szélessége és teljes magassága (vagyis a „beolvadás” kétszerese) azonos. Jól látható, hogy a hőforrás térfogata és a számított maximális hőmérséklet fordítottan arányos egymással. Ez annak köszönhető, hogy azonos mennyiségű bevitt energia kisebb térfogaton, koncentráltabban adódik át. A közel fele akkora hőforrás 89 °C-kal, a 15-ször kisebb hőforrás pedig 571 °C-kal magasabb hőmérsékletet eredményezett. Az 1.200 °C-nál magasabb hőmérsékletű területek méretét illetően elhanyagolható különbségek tapasztalhatók, még annak ellenére is, hogy a HSV_12 hőforrásának térfogata csaknem 16szorosa a HSV_13 hőforrásának. A jóval kisebb hőforrás tehát magasabb hőmérsékleti csúcsot és az olvadt anyagon belül drasztikusabb hőmérséklet-csökkenést okozott (így lehet az izotermák által határolt térfogat lényegében azonos). A negyedik modell (HSV_14) hőforrásának alakja erősen elnyújtott, szélessége és beolvadási mélysége a HSV_13 hőforrásával azonos, térfogata pedig több, mint négyszerese. A nagyobb hőforrás ellenére a HSV_14 maximális hőmérséklete magasabb. A számítások szerint az elérhető maximális hőmérséklet értékét a hőforrás mérete és alakja is meghatározza. Az 5. és 6. modellek (HVS_15 és HVS_16) hőforrásának szélessége és beolvadása megegyezik a HSV_11 modellben alkalmazottal, azonban annál kétszer, illetve háromszor hosszabb és nagyobb térfogatú. Az első három modellben a térfogat változtatását a geometriai paraméterek arányos változtatásával értük el, míg az 5. és 6. modellben csak egyirányú nyújtással. A kétszer hosszabb hőforrás 239 °C-kal, a háromszor hosszabb hőforrás pedig újabb 283 °C-kal csökkentette a maximális hőmérsékletet. Ezek alapján az arányok megtartásával elért térfogat-változás görbéje hiperbolikus (8. ábra, „Állandó alak” görbe), míg a hosszirányú nyújtással növelt térfogatok és hozzájuk tartozó hőmérsékletek közötti összefüggés közel lineáris (8. ábra, „Változó hossz”).

13

Modell

Hőforrás

Maximális hőmérséklet

Izoterma

hossz szélesség beolvadás térfogat [mm] [mm] [mm] [mm3]

[°C]

1200 °C

HSV_11

10

10

5

523

1833

HSV_12

8

8

4

268

1922

HSV_13

4

4

2

33

2404

HSV_14

16

4

2

134

2662

HSV_15

20

10

5

1047

1594

HSV_16

30

10

5

1570

1311

HSV_17

20

10

3

628

1455

1. táblázat HSV modellek hőforrásai és maximális hőmérsékletük

14

Az 5. és 7. modell hossza és szélessége megegyezik, azonban utóbbi hőforrás beolvadási mélysége csupán 3 mm. A 8. ábrán látható módon („Változó beolvadás”) a 40%-kal kisebb hőforrás kisebb hőmérsékletet okozott. Ez azt jelenti, hogy a maximális hőmérséklet értéke nem csupán a hőforrás térfogatától, de annak alakjától is függ.

8. ábra Hőmérséklet és hőforrás-térfogat kapcsolata A hét modell közül csupán az első négy tartalmaz olyan elemeket, melyek teljes térfogatán a hőmérséklet meghaladja az olvadási hőmérsékletet. Az olvadási hőmérsékletet meghaladó rész elemei és térfogatai láthatók a 9. ábrán és a 2. táblázatban. A hőforrások méret- és alakbeli jelentős különbségeinek ellenére az olvadt anyag térfogata kisebb mértékben tér el egymástól. A legnagyobb kiterjedésű ömledék, ahogy a legmagasabb hőmérséklet is, a legkisebb hőforráshoz tartozik (HSV_13 modell). A négy változat azonos időpillanatában számított felületi hőmérsékletét mutatja a 10. ábra. Az ábrán szürkével jelölt területek hőmérséklete haladja meg az 1.500 °C-ot. A 2. táblázat az ömledék területét és térfogatát foglalja össze. A számítások alapján a hőképről leolvasott 46 mm2 területű olvadt anyag mennyisége legjobban a HSV_11 modell hőforrásával közelíthető meg, amelynek hossza és szélessége 10 mm, beolvadási mélysége pedig 5 mm.

15

9. ábra HSV modellek – olvadt anyag térfogata

10. ábra HSV modellek – olvadt anyag területe

Modell

Ömledék területe [mm2]

Ömledék térfogata [mm3]

HSV_11 44 30 HSV_12 49 57 HSV_13 57 75 HSV_14 42 26 2. táblázat HSV modellek ömledék térfogata és területe 16

A korábbiakban felsoroltak közül a modellel szemben állított második kritérium, azaz, hogy a modell szerint megolvadt anyag mennyisége megegyezzen a valós hegesztés ömledékének mennyiségével a hőkamera felvételei segítségével igazolható. Az 1.200 °C fölé melegedő anyag a hőforrás továbbhaladásával (vagy megszűnésével) pillanatok alatt több száz fokot hűl. A hevítés és hülés során az anyag hőmérséklet-változásának nyomon követése technológiai korlátok miatt nem lehetséges hőkamerával, aminek csupán egyik oka a korlátozott felvételsűrűség. Másik oka, hogy a magas (600 °C feletti) hőmérsékletek mérésére alkalmas lencsével készült hőképek az 500 °C hőmérséklet alatti területekről nem adnak pontos információt. A harmadik kritérium, vagyis hogy a modell viselkedése a hevítés és lehűlés során is kövesse a valós viselkedést, a K-hőelem mérései alapján ellenőrizhető. A modellen kiválasztva a mérési referenciapontnak megfelelő csomópontot, az adott pontban a hegesztés teljes ideje alatt lejátszódó hőmérséklet-változások számított értékeit számítottuk. A 11. ábrán látható a mérések alapján a három varrathoz tartozó hevülési-lehűlési hőmérsékleti görbe, valamint a numerikus modellekkel számított hőmérséklet-változások görbéje. Jól látható a tendenciák azonossága a kísérletek során mért és a számított hőmérséklet-változások között. A csúcsérték és a hűlési folyamat során az adott pillanathoz tartozó számított hőmérsékleti értékek legfeljebb 15 °C fokkal maradnak el a mért hőmérsékletektől.

11. ábra Referenciapont hőmérséklete Szembetűnő, hogy a különböző hőforrás-geometriával rendelkező modellek hőmérséklet-változási görbéi egybeesnek. A diagram szerint az alkalmazott mérési távolságban, vagyis 80, 60, 17

40 mm távolságban, a hőforrás alakjából adódó maximális hőmérsékleti különbségek (1. táblázat) hatása már elhanyagolható, a görbék között adott pillanatban legfeljebb 1-2 °C eltérés tapasztalható.

6

Összefoglalás

A minőségi és gazdaságos hegesztett szerkezetek tervezésében nagy előrelépést jelenthet a numerikus modellek alkalmazása. Azonban minden szimulációval kapott eredmény csak annyira lehet megbízható, amennyire pontos a feladat matematikai körülírása. A hegesztés során lezajló termo-mechanikai folyamatok összetettsége miatt ez egy nehéz, nagy számításigényű feladat. Mai tudásunkkal a leírásban bizonyos kompromisszumokra, közelítésekre, egyszerűsítésekre, elhanyagolásokra kényszerülünk. A nehézségek ellenére a modell felépítésére fordított energia megtérül, ha olyan eredményeket kaphatunk, melyek nem, vagy csak nehézkesen mérhetőek egy valós hegesztés során, vagy hegesztett szerkezeten. A Visual Weld szoftver nagy előnye, hogy a beépített modulok és funkciók segítségével gyorsan és egyszerűen határozhatjuk meg az alkalmazott hegesztési eljárást és paramétereit, programozási feladat elvégzése nélkül. A beépített funkciók természetesen korlátozzák is a lehetséges hegesztési beállításokat, azonban egy általános eljárással készült varrat modellezése ezeket a korlátokat nem lépi át. A modellel végzett virtuális kísérletek alkalmazása előtt mindenképp szükség van a szimuláció megfelelő működésének igazolására. A modellbeállítások ellenőrzéséhez valós hegesztési folyamat alatt rögzített mérési eredményekre van szükség. Ezeket az adatokat egy K-hőelem és egy hőkamera együttes alkalmazásával biztosítottuk. A hőelem a varratkörnyezet folyamatos hőmérséklet-változásáról, a kamera pedig az ömledék területéről adott hőtérképes információt egy hernyóvarrat elkészítése közben. A valós hegesztés paramétereit felvéve a modell beállításaiban, a modell egyedüli változójaként a hőforrás mérete maradt ismeretlen, tehát ennek minél pontosabb felvétele biztosítja a modell jó működését. A hőforrás geometriájának meghatározása a számítás mérési eredményekkel való összehasonlításából, folyamatos közelítéssel lehetséges. Az olvadt anyag hőkamerával készült felvételeken mért kiterjedését és a lemezfelület hőelemmel mért hőmérsékletváltozásait jól közelítő modellt sikerült felépítenünk. A mérési módszerből adódóan csupán a felületi hőmérsékletek összehasonlítását tudtuk elvégezni. Azonban közel azonos felületi hőmérsékleteket és ömledék kiterjedést akár több kismértékben különböző méretű és alakú hőforrással is elérhetünk. Adott szerkezeten a különböző hőforrások a felülettől távolodva, a lemez „mélyebb” rétegeiben eltérő hőmérséklet-változást, anyagszerkezeti átalakulást és mechanikai viselkedést okoznak. A hőforrás paramétereinek pontosabb meghatározásához tehát olyan módszereket – pl. a varratról készült mikrocsiszolat – célszerű az eddigiek mellett alkalmazni, melyek lehetővé teszik a valós hegesztés teljes keresztmetszetében lezajló változások vizsgálatát. Ennek ellenére a bemutatott eljárással meghatározható hőforrás elegendően pontos egy virtuális modell felépítéshez és további paraméteres futtatások végzéséhez.

18

7

Többsoros varratok modellezésének kérdései

Az építőmérnöki gyakorlatban alkalmazott hegesztett szerkezetek egy része olyan vastagfalú szerkezetek, melyeknek varratai – ívhegesztési eljárást alkalmazva – egyetlen varratsorral nem készíthetők el. Az egymásra halmozódó varratsorok modellezése újabb kérdéseket vet fel. Hogyan modellezhetők az egymásra épülő és egymásba olvadó varratsorok? Hogyan vehető figyelembe az előző varratsor elkészítésével okozott anyagszerkezeti átalakulás, sajátfeszültségek, alakváltozások? Hatással van-e a hegesztési sorrend a hőforrás felvételére? Milyen összefüggés található a hőforrás és a hegesztési paraméterek között? Hogyan befolyásolja az eredményeket és hogyan vehető figyelembe a kiértékelésnél a hibák halmozódása? Hogyan csökkenthető a futtatási idő, valamint a modell- és eredményfájlok mérete a számítási pontosság megőrzése mellett? Cikkünk második részében ezeket a kérdéseket elemezzük és teszünk javaslatot a felsorolt hatások figyelembevételére.

8

Irodalom

[1]

Szunyogh L.: Hegesztés és rokon technológiák, Kézikönyv, Budapest 2007., ISBN 978963-420-910-2, p. 895, 2007

[2]

J. Néző: Virtual fabrication of full size welded steel plate girder specimens, PhD Dissertation, Edinburgh University, England, 2011

[3]

wikipedia.org

[4]

Pogonyi T., Palotás B.: „Sysweld” a hegesztés végeselemes modellezésének eszköze, 26. Hegesztési Konferencia és Hegesztéstechnikai Kiállítás, Budapest, 2012. május 1012. Óbudai Egyetem, Budapest, pp. 34-43., 2012

[5]

Sysweld kézikönyv

[6]

M. Slovácek, J. Kovarik, J. Tejc, V. Divis: Using of welding virtual numerical simulation as the technical support for industrial, The 5th International Scientific-Professional Conference, Slavonski Brod, Croatia, pp. 75-82., 2009

19