Symulacja MES procesu zgrzewania FSW elementów wymiennika ciepła

Symulacja MES procesu zgrzewania FSW elementów wymiennika ciepła
Fot. Adobe Stock. Data dodania: 20 września 2022

Stopy aluminium są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, transportowym, wojskowym, stoczniowym i w innych branżach jako podstawowy materiał konstrukcyjny o małej gęstości.

Wprowadzenie

Taki stan rzeczy wynika między innymi z rosnących wymagań dotyczących stosunku wytrzymałości do masy oraz wysokiej odporności na korozję. W tym wypadku stopy aluminium są uważane za najlepszy wybór, zwłaszcza, gdy istotnym wymogiem jest produkcja wielkoseryjna.

W związku z tym obserwuje się duże zapotrzebowanie na wykonywanie wysokiej jakości połączeń. Obecnie najpopularniejszą i wydajną metodą spajania metali jest spawanie. Stopy aluminium, ze względu na dobrą przewodność cieplną i elektryczną, przysparzają wielu problemów zarówno w konwencjonalnych metodach spawania, jak i zgrzewania. Metalurgia procesu spawania sprawia, że niektóre wysokowytrzymałe stopy aluminium są uznawane wręcz za niespawalne ze względu na ryzyko wystąpienia pęknięć gorących oraz niekorzystne zmiany właściwości w strefie wpływu ciepła. Rozwiązaniem tych niedogodności jest metoda FSW (z ang. Friction Stir Welding) opracowana w The Welding Institute w Cambridge w 1990 roku, która uważana jest za jedno z największych osiągnięć w technice spajania materiałów w ostatnim dwudziestoleciu [1, 2].

Metoda FSW jest metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny, w której połączenie materiałów następuje w stanie stałym. Opracowano ją do łączenia wysokowytrzymałych stopów aluminium i zaawansowanych stopów aluminium . Obecnie stosowana jest głównie do łączenia długich elementów ze stopów aluminium, ale znajduje również zastosowanie w wykonywaniu wysokiej jakości złączy takich materiałów jak miedź, ołów, magnez, tytan, cynk, stal miękka, wybrane stale nierdzewne i stopy niklu. Istnieje również możliwość wykonywania zgrzein różnoimiennych takich jak np.: różne stopy aluminium, aluminium-miedź, aluminium-stal i aluminium-magnez [1-3].

Metoda elementów skończonych (MES) jest obecnie jedną z najszerzej stosowanych metod rozwiązywania różnych problemów inżynierskich. Symulacja MES procesu zgrzewania jest stosowana przede wszystkim w celu wyznaczenia pól temperatury powstających w czasie spawania, naprężeń oraz odkształceń elementów zgrzewanych i przy jej użyciu możliwa jest analiza obiektów o skomplikowanym kształcie i złożonych właściwościach [4].

W Instytucie Spawalnictwa w Gliwicach przy współpracy z odlewnią CEMAD i ZBUS Sp. z o.o., opracowano i wdrożono do produkcji nowoczesną technologię wytwarzania złożonych elementów bimetalicznych z wykorzystaniem zaawansowanej technologii zgrzewania tarciowego FSW. W ramach przeprowadzonych badań poznano zasady doboru warunków zgrzewania, warunków cieplnych procesu oraz pola naprężeń i odkształcenia. W pierwszym etapie prowadzonego projektu obiektem badań były elementy kuli zaworu zwrotnego [5]. Symulowano proces zgrzewania FSW połówek kuli, które dociskano przy użyciu specjalnych uchwytów. Proces zgrzewania przebiegał w wyniku obrotu zgrzewanych elementów, przez co narzędzie wykonywało jedynie ruch obrotowy. W ramach przeprowadzonych obliczeń przy użyciu modelu MES uzyskano wyniki, które wykorzystano w przygotowaniu konstrukcji uchwytów na stanowisku zgrzewania. Drugi etap projektu obejmował opracowanie technologii zgrzewania metodą FSW chłodnicy elementów elektrycznych układów napędowych. Przedstawiona w niniejszym artykule symulacja MES również miała na celu określenie naprężeń i odkształceń elementu powstałych w wyniku zgrzewania, a wyniki obliczeń wykorzystano w przygotowaniu konstrukcji uchwytów i podkładek zastosowanych na stanowisku zgrzewania.

Zasada procesu FSW

Zasadę procesu FSW przedstawiono na rysunku 1. Etap przygotowawczy obejmuje dociśnięcie do siebie powierzchni łączonych elementów i sztywne ich zamocowanie w oprzyrządowaniu. Narzędzie zgrzewające ustawiane jest w miejscu początku drogi zgrzewania. Proces zgrzewania rozpoczyna się od zagłębienia obracającego się narzędzia w obszar styku łączonych elementów, które następnie przesuwane jest wzdłuż linii łączenia. W wyniku tarcia powstałego podczas obrotu narzędzia zagłębionego w materiał oraz jego plastycznego odkształcania, wytwarzane jest ciepło potrzebne do ogrzania i większego uplastycznienia materiału, umożliwiając jego płynięcie wokół trzpienia narzędzia (rys. 2) i w związku z tym mechaniczne mieszanie [3]. Wraz ze wzrostem temperatury współczynnik tarcia pomiędzy narzędziem a elementami łączonymi maleje (rys. 3) [7], przez co maleje również ilość wytwarzanego ciepła. W wyniku sprzężenia tych trzech wielkości, szybkość wzrostu temperatury jest zależna od wartości temperatury w danej chwili. Zakończenie procesu polega na wyprowadzeniu narzędzia (podniesieniu) w miejscu zakończenia zgrzewania.

W literaturze znajduje się wiele publikacji opisujących proces modelowania złączy FSW przy użyciu metody elementów skończonych [9-11], jednak są to wyniki badań prowadzonych na elementach płaskich o prostej ścieżce zgrzewania, a modele numeryczne były przygotowane do symulacji procesów o określonych warunkach zgrzewania. Przedstawiony w niniejszym artykule model został przygotowany dla konkretnego zadania - symulację procesu zgrzewania elementów wymiennika ciepła (rys. 4). Wyniki symulacji (pola naprężenia i odkształcenia) zastosowano do opracowania konstrukcji uchwytów i podkładek na stanowisku do zgrzewania.

Model numeryczny

W niniejszym artykule przedstawiono opis modelu i wyniki symulacji procesu zgrzewania metodą FSW wymiennika ciepła elementów elektrycznych układów napędowych wykonanych ze stopu aluminium. Jako narzędzie do zgrzewania zastosowano w symulacji narzędzie ze stożkowym trzpieniem o długości 5 mm i średnicy od 3,5 do 5 mm oraz średnicy wieńca opory równej 16 mm (rys. 5). Wykonane obliczenia umożliwiły wyznaczenie pola temperatury, naprężenia i odkształcenia w trakcie procesu zgrzewania. Dodatkowo, uzyskano wyniki naprężeń pozostających po procesie oraz odkształcenie po zakończonym zgrzewaniu i wychłodzeniu elementu do temperatury otoczenia. Model numeryczny oraz symulację wykonano przy użyciu oprogramowania ANSYS Mechanical APDL 14.5.

Elementy wymiennika ciepła w rzeczywistym procesie dociskano przy użyciu różnego rodzaju uchwytów i podkładek w różnej konfiguracji. Przykładową konfigurację przedstawiono na rysunku 6. Proces zgrzewania przebiegał w wyniku obrotu narzędzia wokół własnej osi i przemieszczania się wzdłuż ścieżki zgrzewania, natomiast przedmiot zgrzewany pozostał nieruchomy.

Proces opracowania modelu MES elementów wymiennika ciepła przebiegał analogicznie do procesu opracowania modelu MES elementów kuli zaworu zwrotnego [5]. W pierwszym etapie utworzono model geometryczny, który odwzorował rzeczywistą geometrię elementów. Następnie model zdyskretyzowano, tj. podzielono jego obszar na elementy skończone (rys. 7). Rozmiar elementów skończonych ma istotny wpływ na poprawność obliczeń. Im mniejsze są zastosowane elementy, tym odwzorowanie geometrii jest dokładniejsze, co jest szczególnie ważne w przypadku zaokrągleń ścieżki zgrzewania (rys. 8) oraz koła (kształt źródła ciepła). Długość boku elementów skończonych ograniczono do 5,8 mm.

W analizie użyto trójwymiarowych elementów termiczno-mechanicznych bryłowych SOLID226 (rys. 9). Elementy te są stosowane w analizach termiczno-strukturalnych w zakresie sprężysto-plastycznym i których zastosowanie umożliwiło uzyskać prawidłowe wyniki w procesie zgrzewania metodą FSW elementów kuli zaworu zwrotnego [5].

W tablicy 1 przedstawiono parametry procesu zgrzewania uwzględnione w analizie. Wartość siły w kierunku zgrzewania wyznaczono doświadczalnie podczas rzeczywistego procesu przy użyciu głowicy Lowstir przeznaczonej do pomiarów momentu tarcia, siły docisku oraz siły w kierunku zgrzewania FSW.

Wzrost temperatury powodujący zwiększenie uplastycznienia materiału wynika między innymi z sił tarcia pomiędzy narzędziem a elementami łączonymi. Wpływ na ilość powstającego ciepła w danej chwili ma prędkość obrotowa i moment obrotowy. W symulacji, ciepło powstające w wyniku tarcia narzędzia i elementów zgrzewanych odwzorowano jako strumień ciepła przyłożony do zewnętrznej powierzchni wymiennika ciepła w miejscu kontaktu z narzędziem. Zastosowano uproszczenie polegające na pominięciu ciepła wydzielającego się w wyniku odkształcenia plastycznego (płynięcia materiału). Przyjęto, że moc przenoszona przez narzędzie jest w całości przekształcana na moc cieplną, którą wyznaczono z zależności (1):

Obliczona wartość strumienia ciepła wyniosła 2229,4 W. Proces zgrzewania wzdłuż ścieżki zasymulowano jako źródło ciepła o geometrii koła przemieszczające się z prędkością 280 mm/min. Średnica źródła ciepła na powierzchni wynosiła 16 mm, co odpowiadało średnicy wieńca opory rzeczywistego narzędzia. W symulacji uwzględniono działanie siły w kierunku zgrzewania, jaką narzędzie oddziałuje na elementy zgrzewane. Ścieżka została wyznaczona wzdłuż linii zgrzewania.

W symulacji zastosowano dane materiałowe dla stopu aluminium w gatunku 6061-T6 w funkcji temperatury, takie jak: przewodność cieplna, pojemność cieplna, gęstość, moduł Younga, granica plastyczności, rozszerzalność cieplna (Tablica 2). Umożliwiło to uzyskanie dokładniejszych wyników niż w przypadku analiz z uwzględnieniem niezmiennych wartości stałych materiałowych.

Symulacja obejmowała proces zgrzewania w temperaturze otoczenia. Uwzględniono reakcje uchwytów i podkładek na zgrzewane elementy (rys. 10), które występują w rzeczywistym procesie. W modelu numerycznym założono, że w miejscu oddziaływania podkładek nie następuje przemieszczenie w kierunku osi Z elementów chłodnicy (odebrano węzłom stopnie swobody przemieszczenia). Dodatkowo, węzłom, które należą do zrzutowanego na dolną powierzchnię pola działania zacisków, odebrano możliwość przemieszczania się w osiach X i Y. Uchwyty dociskały elementy zgrzewane z siłą 2000 N, która powodowała przemieszczenie w kierunku osi Z węzłów górnej powierzchni uchwytów (rys. 11).

W modelu założono, że proces zgrzewania jest prowadzony w temperaturze pokojowej. W miejscu odwzorowania występowania kontaktu z podkładkami i uchwytami zachodzi przewodzenie ciepła, a w pozostałych obszarach konwekcja i promieniowanie. Na powierzchni rowka (wewnętrznej) nie zadano wymiany ciepła, ponieważ objętościowa pojemność cieplna powietrza jest mała i postnowiono ją pominąć.

Wyniki symulacji

Temperatura zgrzewanych elementów w trakcie symulowanego procesu FSW wyniosła około 500°C (rys. 12 a). Zmiany temperatury w funkcji czasu w punkcie znajdującym się na ścieżce procesu zgrzewania wskazuje gwałtowny wzrost temperatury przed narzędziem (rys. 13 b).

Największe naprężenia w trakcie procesu zgrzewania FSW elementów wymiennika ciepła występują w miejscu uchwytów i podkładek oraz wzdłuż ścieżki zgrzewania, gdzie elementy zostały zgrzane (rys. 13 a). Wartość naprężeń pozostających i odkształcenia były największe wzdłuż ścieżki zgrzewania oraz w miejscu zakończenia zgrzewania - wyprowadzenia narzędzia (rys. 13 b).

Podsumowanie

Wykonany model numeryczny MES zgrzewania FSW umożliwił przeprowadzenie symulacji i uzyskanie pola temperatury, naprężenia i przemieszczenia. W przedstawionym modelu matematycznym procesu zgrzewania FSW zastosowano pewne uproszczenia. Mimo to, stwierdzono zbieżność obliczonego pola temperatury z eksperymentalnymi wynikami pomiaru temperatury przy użyciu kamery termowizyjnej rzeczywistego procesu zgrzewania metodą FSW elementów wymiennika ciepła. Nie zweryfikowano poprawności obliczeń naprężeń w trakcie procesu oraz naprężeń pozostających i odkształceń po wychłodzeniu elementu do temperatury otoczenia.

Wiedzę o warunkach cieplnych procesu, polach naprężeń i odkształceniach wykorzystano przy opracowywaniu konstrukcji uchwytów stanowiska przeznaczonego do zgrzewania elementów chłodnicy elementów elektrycznych układów napędowych.

Wnioski

1. Do odwzorowania oddziaływania narzędzia w procesie FSW można zastosować przemieszczające się źródło ciepła o geometrii koła o średnicy równej średnicy wieńca opory. Uzyskane wyniki temperatury były zgodne z pomiarem temperatury przy użyciu kamery termowizyjnej.
2. Cykl cieplny zgrzewania ma wpływ na poziom naprężeń pozostających (szczątkowych) i na odkształcenie elementu po zgrzewaniu.
3. Największe naprężenia w trakcie procesu zgrzewania FSW występują przed narzędziem oraz w okolicach reakcji uchwytów i podkładek na elementy zgrzewane.
4. Wartości naprężeń pozostających były największe wzdłuż ścieżki zgrzewania oraz w miejscu zakończenia zgrzewania - wyprowadzenia narzędzia.

Artykuł zawiera wybrane wyniki badań prowadzonych w ramach Projektu INNOTECH/28/150092/2012 finansowanego przez NCBiR

LITERATURA

[1] Krasnowski K., Dymek S.: A comparative analysis of the impact of tool design to fatigue behavior of single-sided and double-sided welded butt joints of EN AW 6082-T6 alloy. Journal of Materials Engineering and Performance, 2013, nr 12, , s. 3818-3824.
[2] Kalemba I.: Mikrostruktura i własności połączeń stopów aluminium wykonanych metodą zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału spoiny. Rozprawa doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, 2010.
[3] Krasnowski K.: Wpływ procesu FSW na mikrostrukturę i wytrzymałość zmęczeniową złączy stopu aluminium 6082. Rozprawa doktorska, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków, 2012.
[4] Rakowski G., Kacprzyk Z.: Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1993.
[5] Pikuła J., Kwieciński K., Porembski G., Pietras A.: Symulacja MES procesu zgrzewania FSW kuli zaworu zwrotnego (FEM Simulation of Check Valve Ball FSW Process). Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2014, nr 6, s. 23-29 (English on-line http://bulletin.is.gliwice.pl/index.php?go=current&ebis=2014_06_03).
[6] Pietras A., Zadroga L., Łomozik M.: Charakterystyka zgrzeiny utworzonej metodą zgrzewania z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW). Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2003, nr 3, s. 34-38.
[7] Awang M.: Simulation of friction stir spot welding (FSSW) process: study of friction phenomenon. Uniwersytet Zachodniej Wirginii, 2007.
[8] Nandan R., Roy G. G., Lienert T. J., Debroy T.: Three-dimensional heat and material flow during friction stir welding of mild steel. Acta Materialia, 2007, tom 55, nr 3, s. 883-895.
[9] Buffa G., Hua J., Shivpuri R., Fratini L.: A continuum based FEM model for friction stir welding - model development. Materials Science and Engineering: A, 2006, tom 419, nr 1-2, s. 389-396.
[10] Assidi M., Fourment L., Guerdoux S., Nelson T.: Friction model for friction stir welding process simulation: Calibrations from welding experiments. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2010, tom 50, nr 2, s. 143-155.
[11] Ulysse P.: Three-dimensional modeling of the friction stir-welding process. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2002, tom 42, nr 14, s. 1549-1557.
×

DALSZA CZĘŚĆ ARTYKUŁU JEST DOSTĘPNA DLA SUBSKRYBENTÓW STREFY PREMIUM PORTALU WNP.PL

lub poznaj nasze plany abonamentowe i wybierz odpowiedni dla siebie. Nie masz konta? Kliknij i załóż konto!

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu

Podaj poprawny adres e-mail
W związku z bezpłatną subskrypcją zgadzam się na otrzymywanie na podany adres email informacji handlowych.
Informujemy, że dane przekazane w związku z zamówieniem newslettera będą przetwarzane zgodnie z Polityką Prywatności PTWP Online Sp. z o.o.

Usługa zostanie uruchomiania po kliknięciu w link aktywacyjny przesłany na podany adres email.

W każdej chwili możesz zrezygnować z otrzymywania newslettera i innych informacji.
Musisz zaznaczyć wymaganą zgodę

KOMENTARZE (0)

Do artykułu: Symulacja MES procesu zgrzewania FSW elementów wymiennika ciepła

NEWSLETTER

Zamów newsletter z najciekawszymi i najlepszymi tekstami portalu.

Polityka prywatności portali Grupy PTWP

Logowanie

Dla subskrybentów naszych usług (Strefa Premium, newslettery) oraz uczestników konferencji ogranizowanych przez Grupę PTWP

Nie pamiętasz hasła?

Nie masz jeszcze konta? Kliknij i zarejestruj się teraz!