Možnosti využití počítačové simulace svařování v průmyslové praxi

Snižuje se tak potřeba provádění experimentů a tvorby skutečných prototypů, což vede k výrazné úspoře nákladů. Simulace technologických procesů, jako je svařování, tváření nebo lití, je dnes již poměrně běžně používána a osvědčila svůj přínos v mnoha reálných průmyslových aplikacích. Pokud jde o počítačovou simulaci procesu svařování, je zde vedoucím produktem na trhu software Sysweld, vyvíjený společností ESI Group.

PROGRAMOVÝ SOUBOR SYSWELD
Programový soubor Sysweld je specializovaný produkt založený na metodě konečných prvků. Byl navržen a je vyvíjen zejména pro simulace v oblasti svařování a tepelného zpracování kovů. Společným jmenovatelem těchto technologických procesů je, že během nich dochází k tepelnému ovlivnění materiálu, které vede k přeměnám metalografických struktur. Dalším jevem, se kterým se během TZ nevyhnutelně setkáváme, jsou rozměrové změny způsobené tepelnou roztažností materiálu. V důsledku toho (opět v součinnosti s fázovými přeměnami) dochází během technologických operací k trvalým tvarovým změnám výrobků, vzniku plastických deformací a kumulaci zbytkových pnutí, což zásadním způsobem ovlivňuje kvalitu výrobků a jejich životnost.
Sysweld umožňuje plně zahrnout problematiku fázových přeměn materiálu a provést tak realistický popis dějů probíhajících při svařování. Umožňuje výpočet teplotních polí, metalurgické struktury, deformací, zbytkových napětí a dalších veličin. Disponuje širokou paletou vyspělých prostředků, které uživateli usnadňují definici a kontrolu vstupních dat, např. materiálových vlastností, tepelných účinků procesu na materiál apod. Přitom je možné analyzovat široké spektrum procesů od elektrického obloukového svařování přes moderní technologie jako svařování laserem nebo svařování elektronovým paprskem až po silně specifické procesy, jako je např. bodové svařování. Základní struktura programu Sysweld a jeho hlavní moduly jsou uvedeny na obrázku 1.

Obr. 1 – Architektura programu Sysweld

NESTACIONÁRNÍ ANALÝZA – KOMPLEXNÍ POPIS PROCESU SVAŘOVÁNÍ
Nestacionární analýza umožňuje detailní popis a studium procesu svařování se zohledněním všech podstatných fyzikálních jevů, které se při něm vyskytují. Především lze v Sysweldu provést sdruženou teplotněmechanickou analýzu procesu a kromě toho zohlednit i další nelineární jevy, jako jsou:

• nelineární vedení a přestup tepla,
• nelineární chování materiálu (mat. vlastnosti závislé na teplotě a fázích),
• geometrické nelinearity,
• deformační zpevnění materiálu,
• transformační plasticita.

Z uvedeného je potřeba vyzdvihnout zejména možnost definice materiálových vlastností v závislosti na teplotě a materiálových fázích (materiálová nelinearita). Právě rozdílné mechanické vlastnosti při různých teplotách společně s nehomogenním teplotním polem vznikajícím při svařování jsou základní příčinou teplotních pnutí a následně zbytkových deformací a napětí konstrukce. U materiálů vykazujících polymorfii krystalické struktury se na vzniku zbytkových deformací a napětí podílí také hysterezní efekt, který při vysokých rychlostech ohřevu a ochlazování výrazně posouvá teplotu přeměny k vyšším, resp. nižším teplotám, viz. obrázek 2. Všechny tyto jevy lze do analýzy s využitím programu Sysweld bez problémů zahrnout, což dovoluje přesnou reprodukci a dokonalé pochopení teplotněmechanických procesů, které při svařování nastávají. Přitom je možné vyhodnotit veličiny, jako jsou:

• teplotní pole,
• rychlosti ohřevu a ochlazování,
• podíly materiálových fází,
• tvrdost,
• výchylky (rozměrové změny),
• zbytková napětí,
• plastické deformace.

Obr. 2 – Objemové změny v oceli způsobené fázovými
transformacemi.

Dále Sysweld umožňuje studovat i takové procesy, jako je vícevrstvé svařování (kdy při postupném ukládání housenek dochází k popuštění materiálu v předchozí vrstvě svaru) nebo tepelné zpracování konstrukce po svaření. Pro ilustraci možného použití a přínosu takové simulace jsou prostřednictvím několika následujících obrázků demonstrovány některé výstupy z analýzy svařování ráfku kola vyrobeného z hliníkové slitiny. Na obrázku č. 3 je uvedeno rozložení teplot v určitém okamžiku během svařování. Pro tavné způsoby svařování se tepelný tok vyvolaný danou technologií svařování popisuje pomocí tzv. tepelného zdroje, který reprodukuje tepelné účinky procesu na materiál. Následně je možné získat odpovídající informace o teplotě v libovolném místě struktury a v libovolném čase.

Obr. 3 – Rozložení teplot [°C] v průběhu svařování

Na obrázku č. 4 jsou uvedeny výsledné deformace ráfku (tj. po svaření a vychladnutí součásti) ve směru osy kola. Poměrně výrazný je zde tzv. start/end efekt (tedy vliv překrytí začátku a konce svarového spoje), který způsobuje značnou odchylku výsledného tvaru ráfku od ideálního kruhového. Konečně obrázek č. 5 ukazuje napěťové pole vyvolané superpozicí zbytkových napětí vzniklých v důsledku svařování a napětí způsobených ohybovým zatížením ráfku.

LOKÁLNĚ GLOBÁLNÍ PŘÍSTUP – VÝPOČET DEFORMACÍ ROZSÁHLÝCH SVAŘENCŮ
Při výrobě velkých svařenců představují významný problém zbytkové deformace, které nevyhnutelně vznikají jako doprovodný jev při procesu svařování. Jejich kompenzace ať už prostřednictvím rovnacích operací po svařování, nebo s použitím materiálových přídavků je každopádně problematická a nákladná. Možnost predikce výsledných deformací těchto rozsáhlejších svařovaných konstrukcí by tedy byla velmi přínosná. I z hlediska počítačové simulace však představují rozměrné svařence určitý problém. Klasická nestacionární simulace procesu svařování (viz. předchozí oddíl) vyžaduje poměrně jemné nasíťování modelu v oblasti svarového spoje, aby bylo možné dostatečně věrně zachytit vysoké gradienty teploty a dalších vyhodnocovaných veličin. Pokud bychom tedy chtěli klasickým nestacionárním přístupem popsat rozsáhlý svařenec s velkým počtem svarů, je zřejmé, že bychom se dostali k modelu s obrovským počtem konečných prvků. Pro tyto rozsáhlé modely by ale vznikaly příliš velké nároky na hardware (zejména pokud jde o operační paměť) a strojový čas. Pokud by už taková simulace byla prakticky proveditelná, byla by příliš časově, a tedy i finančně náročná. Proto byl pro řešení těchto úloh v rámci Sysweldu navržen tzv. lokálně-globální přístup vycházející z následujících předpokladů o místním či celkovém charakteru působení určitých jevů vznikajících při svařování.

Autor: Josef Tejc, Mecas Esi, s. r. o., člen skupiny Esi Group

Celý příspěvek v plné verzi naleznete v ČB příloze časopisu KONSTRUKCE 5/2007. Možnost předplatného ZDE.

Autor

• (red)