NowoczesNe materiały i kierunki rozwoju technologii

Transkrypt

NowoczesNe materiały i kierunki rozwoju technologii
INSTYTUT SPAWALNICTWA
44-100 Gliwice, ul. Bł. Czesława 16-18
tel. 32 231 00 11; fax 32 231 46 52
www.is.gliwice.pl
[email protected]
SZKOLENIE-SEMINARIUM
pt.
Nowoczesne materiały
i kierunki rozwoju
technologii zgrzewania
rezystancyjnego
zorganizowane przez
INSTYTUT SPAWALNICTWA
GLIWICE
i
ASPA SP. Z O. O
WROCŁAW
Czerwiec, 2015 rok
Powielanie i rozpowszechnianie bez zgody Instytutu Spawalnictwa zabronione
ISBN - 978-83-61272-25-0
Wydawca:
Druk: INSTYTUT SPAWALNICTWA, 44-100 GLIWICE, ul. Bł. Czesława 16-18
tel. 32 231 00 11, fax 32 231 46 52
www.is.gliwice.pl, [email protected]
Instytut Spawalnictwa, 44-100 Gliwice, ul. Bł. Czesława 16-18
Spis treści
1.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania
rezystancyjnego
Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang, SWANTEC Software and
Engineering ApS/Dania,
2.Zgrzewanie rezystancyjne punktowe stopów aluminium
Ralf Bothfeld, Jörg Eggers, dr. Thomas Jansen – Harms & Wende/Niemcy,
3.Zgrzewanie garbowe blach z serwomechanicznym dociskiem elektrod
dr inż. Zygmunt Mikno – Instytut Spawalnictwa, Gliwice,
dr inż. Zbigniew Bartnik - Politechnika Wrocławska,
4.Stanowiska do zgrzewania – przegląd polskich rozwiązań w zakresie zgrzewarek
Dariusz Cieślik – ASPA Wrocław,
5.Innowacyjna metoda zwiększania trwałości elektrod do zgrzewania oporowego
punktowego
prof. dr hab. inż. Jacek Senkara, mgr inż. Jan Godek – Politechnika Warszawska,
Zakład Inżynierii Spajania
6.Systemy zgrzewalnicze nowej generacji
inż. Robert Gniewowski, inż. Tomasz Gniewowski – GJG System,
7.Analiza zmian gęstości prądu podczas tworzenia zgrzeiny garbowej w obliczeniach
MES
dr inż. Zbigniew Bartnik, dr inż. Artur Lange – Politechnika Wrocławska,
dr inż. Zygmunt Mikno – Instytut Spawalnictwa,
8.Systemy docisku elektrod w zgrzewaniu rezystancyjnym (pneumatyczny/
serwomechaniczny)
dr inż. Zygmunt Mikno, mgr inż. Szymon Kowieski – Instytut Spawalnictwa,
Kamil Nowara – Politechnika Śląska,
9.Zgrzewanie nakrętek z garbami pełnymi
mgr inż. Szymon Kowieski, dr inż. Adam Pietras, dr inż. Zygmunt Mikno – Instytut
Spawalnictwa,
10.Zużycie elektrod do zgrzewania punktowego w aspekcie kształtu oraz parametrów
procesu
prof. dr hab. inż. Andrzej Ambroziak, dr inż. Marcin Korzeniowski – Politechnika
Wrocławska, Magdalena Brodowska – Faurecia Polska sp. z o.o.
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
Najnowsze osiągnięcia
w zakresie
symulacji i optymalizacji
procesu zgrzewania
rezystancyjnego
Opracowali:
Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang, SWANTEC
Software and Engineering ApS/Dania,
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
Streszczenie
Niniejszy artykuł przedstawia najnowsze osiągnięcia w zakresie numerycznej
symulacji oraz optymalizacji zgrzewania rezystancyjnego, jak również w zakresie symulacji
trójwymiarowej. Symulacja zgrzewania rezystancyjnego pozwala przewidzieć wielkość
jądra zgrzeiny dla różnej kombinacji materiałów zgrzewanych oraz umożliwia optymalizację
i wyznaczanie parametrów procesu zgrzewania. Jakość zgrzeiny można modelować pod
kątem przemian mikrostrukturalnych oraz rozkładu twardości i wytrzymałości w określonych
warunkach obciążenia. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie symulacji trójwymiarowej
skomplikowanych złączy pozwalają na modelowanie badań oraz określonych zjawisk
np. bocznikowania. Innym procesem, który często wymaga symulacji 3D jest zgrzewanie
garbowe. W niniejszym artykule przedstawiono symulację trójwymiarową nowego, lekkiego
materiału warstwowego.
1. Wprowadzenie
Zgrzewanie rezystancyjne jest jedną z najbardziej wydajnych technologii łączenia,
powszechnie stosowaną w przemyśle samochodowym oraz innych gałęziach przemysłu
związanych z obróbką metali. Wprowadzenie nowych materiałów, takich jak nowoczesne
stale wysokowytrzymałe (Advanced High Strength Steels - AHSS) oraz stopów aluminium przyczyniło się do wzrostu problemów towarzyszących zgrzewaniu rezystancyjnemu.
Określenie zgrzewalności nowych materiałów oraz wyznaczenie optymalnych parametrów
procesu zgrzewania w celu poprawy jakości zgrzein i zmniejszenia wyprysków wymaga
przeprowadzenia większej liczby badań, co znacznie zwiększa koszty opracowania oraz
wprowadzenia na rynek nowych produktów.
Od pierwszego wdrożenia przemysłowego systemu SORPAS® w 1999r, numeryczna
symulacja zgrzewania rezystancyjnego znajduje coraz więcej zastosowań w przemyśle
na całym świecie [1-11]. Zalety symulacji numerycznych to, między innymi, oszczędność
czasu oraz obniżanie nakładów finansowych związanych z opracowywaniem nowych
produktów oraz redukcja kosztów przeznaczanych na optymalizację procesów. Niniejszy
artykuł przedstawia najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji zgrzewania
rezystancyjnego pod kątem projektowania oraz przewidywania jakości uzyskiwanych
zgrzein, jak również w odniesieniu do zgrzewaniu nowych zaawansowanych technologicznie
materiałów lekkich.
2. Symulacja procesu
W systemie SORPAS®, Metoda Elementów Skończonych jest stosowana w celu
tworzenia numerycznych modeli symulacji procesów zgrzewania rezystancyjnego.
Symulację procesu przeprowadza się w celu zbadania zgrzewalności nowych materiałów
poprzez przewidywanie rezultatów wynikających z zastosowania określonych materiałów,
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
1
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
elektrod oraz parametrów procesu zgrzewania. Symulacja stanowi podstawę bardziej
zaawansowanych zadań obejmujących optymalizację oraz projektowanie procesów
zgrzewania.
Nowe rozwiązanie obejmuje automatyczne procedury umożlwiające przygotowanie
danych wejściowych, przyspieszenie symulacji dzięki wygodniejszemu interfejsowi graficznemu użytkownika oraz prezentowanie wyników procesu zgrzewania. Po przeprowadzeniu symulacji, program umożliwia przedstawienie krzywych dynamicznych parametrów
procesu w funkcji czasu (np. krzywe napięcia, natężenia prądu, mocy, rezystancji, siły
docisku, przemieszczenia elektrod, rozbudowy wielkości jądra zgrzeiny itp.). W trakcie
całego procesu zgrzewania, system pozwala na wizualizację rozkładów temperatury, natężenia prądu, napięcia, naprężeń oraz odkształceń we wszystkich materiałach.
Rysunek 1 przedstawia przykładową symulację procesu zgrzewania punktowego
miękkich blach stalowych o grubości 1,0 mm. Rysunek 1a przedstawia graficzny interfejs
użytkownika służący do przygotowywania danych wejściowych, takich jak materiały oraz
parametry procesu zgrzewania. Rysunek 1b przedstawia raport z symulacji obejmujący
warunki wejściowe oraz wyniki symulacji, w tym krzywe parametrów procesu oraz ostateczną wielkość jądra zgrzeiny.
a)
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
2
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
b)
Rys. 1. Symulacja procesu przeprowadzona w oparciu o system SORPAS®:
(a) kreator do przygotowywania danych wejściowych dotyczących użytych materiałów oraz zastosowanego procesu
zgrzewania; (b) raport z symulacji zawierający warunki wejściowe oraz przewidywane rezultaty procesu zgrzewania.
Rozprysk jest symulowany poprzez przewidywanie czasu początkowego powstawania
wyprysku w trakcie procesu zgrzewania oraz określenie intensywności powstawania
wyprysków, tj. niskiej, średniej oraz wysokiej. Rysunek 2a przedstawia krzywą rezystancji
dynamicznej ze wskazaniem czasu początkowego powstawania wyprysku oraz intensywności
tego procesu. Rysunek 2b przedstawia utworzone jądro zgrzeiny oraz intensywność
tworzenia wyprysku.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
3
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
a)
b)
Rys. 2. Symulacja dynamicznego wyprysku z przewidywanym czasem początkowym
oraz intensywnością powstawania wyprysku.
(a) Krzywa parametrów procesu z czasem początkowym oraz intensywnością powstawania wyprysku
w trakcie procesu zgrzewania.
(b) Końcowa wielkość jądra zgrzeiny ze wskazaniem intensywności powstawania wyprysku.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
4
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
3. Optymalizacja procesu
Wyniki symulacji procesów posłużyły opracowaniu zautomatyzowanych procedur
umożliwiających optymalizację parametrów procesu zgrzewania rezystancyjnego.
Międzynarodowa Norma ISO 14327:2004 zawiera analizy zgrzewalności oraz informacje
dotyczące optymalizacji zgrzewania rezystancyjnego wraz z dwoma wykresami
przedstawiającymi krzywą narastania zgrzeiny oraz określenie zgrzewalności (zakresu
parametrów poprawnego zgrzewania). System SORPAS® umożliwia automatyczną
symulację wykresów obejmujących granice przewidywanego wyprysku oraz okno
parametrów procesu.
Krzywą narastania zgrzeiny można utworzyć przeprowadzając serię testów zgrzewania
zwiększając przy tym natężenie prądu zgrzewania oraz dokonując pomiarów wielkości
utworzonego jądra zgrzeiny. Badanie tego rodzaju jest czasochłonne oraz kosztowne.
Dzięki zautomatyzowanym procedurom, system SORPAS® pozwala na przeprowadzenie
symulacji wszystkich zgrzein wzdłuż krzywej narastania zgrzeiny oraz umożliwia uzyskanie
informacji na temat wyprysków.
W podobny sposób można symulować zakres parametrów wyznaczających poprawną
zgrzewalność, tj. symulując zgrzeiny w ramach określonego zakresu prądu zgrzewania oraz
siły docisku elektrody, jak również wyznaczyć okno parametrów procesu zgrzewania. Na
podstawie dwóch zmieniających się parametrów procesu można symulować zgrzewalności
(okno parametrów). W przypadku pierwszego parametru zmienne jest natężenie prądu
oraz czas zgrzewania, natomiast siła docisku elektrody pozostaje bez zmian. W przypadku
drugiego rodzaju parametru, zmianie ulegają natężenie prądu oraz siła docisku elektrody,
podczas gdy czas zgrzewania nie zmienia się.
Rysunek 3 przedstawia optymalizację procesu w przypadku zgrzewania punktowego
arkuszy ze stali miękkiej o grubości 1,0 mm. Rysunek 3a przedstawia symulowaną krzywą
narastania zgrzeiny wraz ze średnicą jądra zgrzewania w funkcji prądu zgrzewania. Można
zauważyć, iż jądro zgrzeiny zaczyna tworzyć się z chwilą uzyskania określonej wartości
przez prąd zgrzewania oraz powiększa się wraz z rosnącą wartością prądu zgrzewania.
Czarne (kwadratowe) punkty oznaczają brak zgrzeiny lub jej niedostateczną wielkość.
Czerwone (trójkątne) punkty oznaczają rozpryski. Zielone (okrągłe) punkty pośrodku
oznaczają prawidłowe zgrzeiny oraz wskazują okno parametrów procesu zgrzewania
z zakresem roboczym prądu zgrzewania. Rysunek 3b przedstawia pole (zakres)
zgrzewalności z natężeniem prądu oraz siłą docisku elektrody jako parametrami zmiennymi
przy stałym czasie zgrzewania. Czarne (kwadratowe) punkty oznaczają brak zgrzeiny lub
jej niedostateczną wielkość. Czerwone (trójkątne) punkty oznaczają rozpryski. Zielone
(okrągłe) punkty oznaczają prawidłowe zgrzeiny oraz wskazują okno parametrów procesu
zgrzewania.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
5
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
a)
b)
Rys. 3. Optymalizacja procesu dzięki systemowi SORPAS®:
(a) krzywe narastania zgrzeiny oraz zakres prądu zgrzewania;
(b) zakres zgrzewalności oraz okno parametrów procesu zgrzewania.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
6
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
4. Zautomatyzowany zakres parametrów zgrzewania w procesach
zgrzewania punktowego stali oraz aluminium
Oprócz możliwości wyznaczania okna parametrów procesu zgrzewania oraz optymalizacji procesów, ważną z punktu widzenia przemysłu jest możliwość definiowania wymagań zakresu parametrów zgrzewania w oparciu o optymalne parametry procesu zgrzewania. Nowa funkcja (Zakres Parametrów Zgrzewania - Weld Planning) została opracowana
na podstawie procedur optymalizacji w celu umożliwienia doboru optymalnych parametrów zgrzewania tj. prądu, siły docisku elektrody oraz czasu zgrzewania dla konkretnego
zadania. Nowa, 12 wersja SORPAS® 2D proponuje wiele udogodnień ułatwiających
planowanie zadań związanych ze zgrzewaniem punktowym stali oraz stopów aluminium.
Rysunek 4a przedstawia graficzny interfejs użytkownika funkcji Zakres Parametrów
Zgrzewania (Weld Planning) umożliwiający przygotowanie Opisu Zadania (Weld Task
Description - WTD) uwzględniającego informacje dotyczące blach, elektrod oraz urządzeń
zgrzewalniczych. Specjalnie opracowany algorytm umożliwia automatyczną analizę
połączeń materiałowych i grubości blach, pozwala wyznaczyć siłę docisku elektrody oraz
czas zgrzewania i, w rezultacie, uzyskać okno najkorzystniejszych parametrów procesu
zgrzewania, takich jak prąd zgrzewania, siła docisku elektrod oraz czas zgrzewania.
Rysunek 4b przedstawia Raport Zakresu Parametrów Zgrzewania (Weld Planning
Report) z danymi wejściowymi potrzebnymi do Opisu Zadania; graficzną prezentację
najkorzystniejszych parametrów procesu zgrzewania; Specyfikację Zakresu Parametrów
Zgrzewania (Weld Schedule Specifications - WSS) obejmującą najkorzystniejszy prąd
zgrzewania, siłę docisku elektrod, czas zgrzewania oraz czas wytrzymania wraz z oknem
parametrów procesu zgrzewania, jak również rezultaty zgrzewania uzyskane na podstawie
optymalnych parametrów procesu zgrzewania.
Na podstawie symulowanych optymalnych parametrów procesu zgrzewania użytkownik może szybko wyznaczyć początkowe parametry procesu zgrzewania.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
7
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
a)
b)
Rys. 4. Zakres Parametrów Zgrzewania umożliwiający uzyskanie optymalnych parametrów procesu zgrzewania.
(a) Opis Zadania (Weld Task Description) pozwalający na zdefiniowanie blach, elektrod oraz urządzeń.
(b) Przewidywane optymalne parametry procesu, okno oraz rezultaty procesu zgrzewania.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
8
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
5. Właściwości zgrzeiny po zgrzewaniu
System SORPAS® oblicza właściwości zgrzeiny pod kątem mikrostrukturalnych
przemian fazowych oraz rozkładu twardości dla typowych gatunków stali stosowanych
w przemyśle samochodowym. Ponadto, system SORPAS® 3D umożliwia symulowanie
badań wytrzymałości na podstawie przewidywanego rozkładu twardości pozwalając tym
samym przewidzieć wytrzymałość zgrzeiny podlegającej określonemu obciążeniu.
Podczas nagrzewania, obliczenia dotyczące austenityzacji oparte są na temperaturze Ac1 oraz Ac3, niezależnie od szybkości nagrzewania. Zakłada się, iż do pełnej
austenityzacji dochodzi w momencie, kiedy maksymalna temperatura procesu jest wyższa
aniżeli temperatura Ac3, natomiast do austenityzacji nie dochodzi, kiedy maksymalna
temperatura procesu jest niższa niż temperatura Ac1. Interpolacja liniowa jest stosowana
pomiędzy temperaturą Ac1 oraz Ac3. Przemiana austenityczna pod wpływem następującego po nagrzewaniu chłodzenia jest oparta na krytycznych szybkościach chłodzenia
prezentowanych na wykresach CTP dla ciągłego chłodzenia. Zgodnie ze wzorami przedstawionymi przez Blondeau i in. [12], krytyczne szybkości chłodzenia prowadzące do
powstania martenzytu, bainitu oraz ferrytu/perlitu są wyznaczane na podstawie składu
chemicznego. Maynier i inni [13] przytacza wzory na twardość każdej fazy w zależności
od składu chemicznego. Wartość twardości całkowitej ustala się na podstawie twardości
poszczególnych faz, traktowanych w tym przypadku jako twardości wyjściowe.
Rysunek 5a przedstawia przykład przewidywanego rozkładu twardości dla zgrzewanego punktowo złącza dwóch arkuszy blach, każdy o grubości 1mm. Górny arkusz
jest wykonany z niskowęglowej stali głębokotłocznej w gat. DC06, natomiast dolny arkusz jest wykonany z dwufazowej stali wysokowytrzymałej DP600. Rysunek przedstawia
twardość materiału podstawowego wokół jądra, twardość będącą wynikiem procesu austenityzacji oraz powstanie kolejnych faz w jądrze zgrzeiny oraz w strefie wpływu ciepła
(SWC) podczas chłodzenia. SWC ujawnia różnicę pomiędzy arkuszami. W stali DP600
powstała duża ilość martenzytu, co skutkuje wzrostem twardości, podczas gdy SWC stali
DC06 niemal nie zawiera martenzytu, dzięki czemu twardość pozostała na niezmienionym
poziomie. W jądrze, w którym w wyniku mieszania, powstają fazy o mieszanym składzie
chemicznym, dochodzi do utworzenia pewnej ilości martenzytu oraz wzrostu twardości
w porównaniu do twardości charakteryzującej obydwa materiały podstawowe.
Rysunek 5b przedstawia przykładowe badanie wytrzymałości na rozciąganie
poprzeczne [14]. Symulacja przedstawia miejsce uszkodzenia poza jądrem zgrzeiny, co
jest zgodne z zaobserwowanym w trakcie badania eksperymentalnego zniszczeniem (plug
failure). W bibliografii podano informacje dotyczące krzywych obciążenia-wydłużenia
dla badań wytrzymałości na ścinanie przy rozciąganiu, wytrzymałości na rozciąganie
poprzeczne oraz wytrzymałości na odrywanie. Dalsze szczegółowe informacje dotyczące
zmian o charakterze metalurgicznym, przewidywania twardości oraz uszkodzeń podane są
w innych publikacjach [15].
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
9
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
a)
b)
1mm DC06
1mm DP600
Rys. 5. Symulacja
(a) rozkładu twardości wg metody Vickersa w punktowo zgrzewanym złączu różnoimiennym DC06-DP600,
oraz (b) badania wytrzymałości na rozciąganie poprzecze dwóch arkuszy ze stali DP600 [14].
Symulacja wskazuje miejsce uszkodzenia zgodne z zaobserwowanym eksperymentalnie pełnym zerwaniem
(plug failure).
6. Symulacja 3D nowego materiału warstwowego
Nowym zastosowaniem symulacji trójwymiarowej systemu SORPAS® 3D jest
zgrzewanie punktowe lekkich materiałów warstwowych np. LITECOR® (informacje na
temat materiału warstwowego LITECOR® patrz [16-17]). Rysunek 6 przedstawia dwa
arkusze ze stali DC06 zgrzane punktowo do środkowej warstwy wykonanej z LITECOR®,
gdzie, w porównaniu do „konwencjonalnego” zgrzewania punktowego zastosowano
dodatkowy element bocznikujący (shunt tool). W początkowej fazie procesu prąd płynie
zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 7a tj. przez zewnętrzne arkusze oraz
bocznik bez przechodzenia przez strefę zgrzewania. Przepływ prądu powoduje rozgrzanie
i zmiękczenie warstwy polimeru w LITECOR®, co w połączeniu z zastosowanym naciskiem
elektrody prowadzi do wyciśnięcia polimeru w strefie zgrzewania, uzyskaniu kontaktu
przez elementy metalowe oraz przepływie prądu zgodnie ze schematem przedstawionym
na rysunku 7b. Prąd przepływający przez cztery warstwy metalu powoduje powstanie
zgrzewanego punktowo złącza łączącego trzy warstwy.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
10
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
Rys. 6. Schemat zgrzewania punktowego materiału LITECOR®
umieszczonego pomiędzy dwoma arkuszami ze stali głębokotłocznej DC06
- zastosowanie elementu bocznikowego umożliwia przepływ prądu przed stykiem metal-metal w pozycji zgrzewania.
Rys. 7: Przepływ prądu (a) podczas wstępnego nagrzewania
oraz wyciskanie polimeru w celu uzyskania styku metal-metal oraz (b) w trakcie zasadniczej fazy zgrzewania.
Sagüés Tanco i in. [18] przedstawił eksperymenty oraz symulacje wykorzystujące
system SORPAS® 3D w przypadkach przedstawionych na rysunkach 6 oraz 7. Niektóre z rezultatów przedstawiono poniżej. Symulowana gęstość prądu przed wyciśnięciem
polimeru (odpowiadająca rysunkowi 7a) jest przedstawiona na rysunku 8a jako obraz
uzyskany w określonym (wybranym) czasie. Można zaobserwować prąd przepływający
przez stalowe arkusze zewnętrzne oraz element bocznikujący bez przechodzenia przez
warstwę polimeru materiału warstwowego LITECOR®. Rysunek 8b przedstawia gęstość
prądu w określonym momencie po wyciśnięciu polimeru, co pozwoliło na przepływ prądu
przez określony punkt w celu utworzenia zgrzeiny. Część prądu w dalszym ciągu przepływa przez element bocznikujący. Rysunek 9a przedstawia przykładowe symulowane jądro
zgrzeiny porównane z jądrem uzyskanym eksperymentalnie przedstawionym na rysunku
9b. Wielkość jądra mierzona na styku pomiędzy arkuszem ze stali DC06 a warstwo BH220
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
11
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
materiału warstwowego wynosi 5,05mm, co w znacznej mierze pokrywa się z wynoszącą
5,11mm wielkością jądra zmierzoną podczas eksperymentu. Informacje na temat dalszych
porównań obejmujących cały garb zgrzewalności są dostępne w [18].
a)
b)
A/mm2
1400
1260
1120
980
840
700
560
420
280
140
0
Rys. 8. Symulowane gęstości prądu [18] odpowiadające schematycznemu przepływowi prądu
przedstawionemu na (a) Rys. 7a oraz (b) Rys. 7b.
a)
b)
2mm
Rys. 9. Końcowe jądro zgrzeiny [18] (a) symulacja; (b) przekrój poprzeczny uzyskany eksperymentalnie.
8. Wnioski
Numeryczne symulacje zgrzewania rezystancyjnego stosowane są w przemyśle
w celu oceny zgrzewalności nowych materiałów oraz optymalizacji parametrów procesu
zgrzewania. System obejmuje dwie automatyczne procedury umożlwiające optymalizację
parametrów procesu zgrzewania na podstawie krzywych narastania zgrzeiny oraz zakresu
zgrzewalności. Nowa funkcja Zakres Parametrów Zgrzewania (Weld Planning) umożliwia
wyznaczenie najkorzystniejszych parametrów procesu zgrzewania.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji 3D umożliwiają symulowanie bardziej złożonych procesów, podczas gdy symulacje dwuwymiarowe są bardziej przydatne
w optymalizacji procesów zgrzewania punktowego oraz prostych przypadków związanych
ze zgrzewaniem garbowym.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
12
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
9. Literatura
[1] W. Zhang, H. Hallberg and N. Bay. Finite Element Modeling of Spot Welding
Similar and Dissimilar Metals. 7th Int. Conf. on Computer Technology
in Welding, San Francisco, USA, p.364-373. 1997.
[2] W. Zhang and L. Kristensen. Finite Element Modeling of Resistance Spot
and Projection Welding Processes. The 9th Int. Conf. on Computer Technology
in Welding, Detroit, Michigan, p.15-23. 1999.
[3] W. Zhang. Design and Implementation of Software for Resistance Welding
Process Simulations. SAE 2003 Transactions: Journal of Materials and
Manufacturing, Vol.112, No.5, p.556-564. 2003.
[4] A. Harthoej and K.R. Pedersen. Analysis and Modeling of Microstructure and
Hardness in Resistance Welding of Steels. B.Sc.-Thesis. Technical University
of Denmark. 2008.
[5] C.V. Nielsen, K.S. Friis, W. Zhang, and N. Bay. Three-Sheet Spot Welding
of Advanced High-Strength Steels. Welding Journal Research Supplement, Vol.
90 (2), p.32s-40s. 2011.
[6] W. Zhang, A. Chergui and C.V. Nielsen. Process Simulation of Resistance
Weld Bonding and Automotive Light-weight Materials. Proceedings of the 7th
International Seminar on Advances in Resistance Welding. Busan, Korea, p.6775. 2012.
[7] C.V. Nielsen, A. Chergui and W. Zhang: Single-sided sheet-to-tube spot welding
investigated by 3D numerical simulations. Proceedings of the 7th International
Seminar on Advances in Resistance Welding. Busan, Korea, p.147-158. 2012.
[8] C.V. Nielsen, W. Zhang, L.M. Alves, N. Bay, P.A.F. Martins: Modeling
of Thermo-Electro-Mechanical Manufacturing Processes with Applications
in Metal Forming and Resistance Welding. Published by Springer. 2013.
[9] C. V. Nielsen, W. Zhang, W. Perret, P.A.F. Martins, N. Bay. Three-dimensional
simulations of resistance spot welding. Proceedings of the IMechE Part D:
Journal of Automobile Engineering Vol. 229, No. 7, p.885–897. 2015.
[10] C.V. Nielsen, W. Zhang, P.A.F. Martins, N. Bay. 3D numerical simulation
of projection welding of square nuts to sheets. Journal of Materials Processing
Technology, Vol. 215, p.171-180. 2015.
[11] Information on http://www.swantec.com.
[12] R. Blondeau, P. Maynier, J. Dollet, B. Vieillard-Baron. Prévision de la dureté, de
la résistance et de la limite d’elasticité des aciers au carbone et faiblement alliés
d’après leur composition et leur traitement thermique. Mémoires Scientifiques
Revue Métallurgie p.759-769. 1975.
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
13
INSTYTUT SPAWALNICTWA w GLIWICACH
Seminarium: Nowoczesne materiały i kierunki rozwoju technologii zgrzewania rezystancyjnego
[13] P. Maynier, B. Jungmann, J. Dollet. Creusot-Loire system for the prediction of
the mechanical properties of low alloy steel products. Hardenability Concepts
with Applications to Steels. The Metallurgical Society of AIME Heat Treatment Committee / American Society for Metals Activity on Phase Transformations p.518-545. 1978.
[14] C.V. Nielsen, R.A.K. Bennedbæk, M.B. Larsen, N. Bay, A. Chergui, W. Zhang,
P.A.F. Martins. Experimental and Simulated Strength of Spot Welds. The 8th
International Seminar on Advances in Resistance Welding, Baveno, Italy p.161172. 2014.
[15] C.V. Nielsen, P.A.F. Martins, W. Zhang, N. Bay. Numerical methods in simulation of resistance welding. VI International Conference on Computational
Methods for Coupled Problems in Science and Engineering p.322-333. 2015.
[16] O. Hoffmann. Environment oriented light weight design in steel. Ökologischer
Leichtbau in Stahl, Hannovermesse Werkstoff-Forum, Hannover, Germany.
2012.
[17] O. Hoffmann. Steel lightweight materials and design for environmentally
friendly mobility, Industrial Technologies 2012 integrating nano, materials and
production. Aarhus, Denmark. 2012.
[18] J. Sagüés Tanco, C.V. Nielsen, A. Chergui, W. Zhang, N. Bay. Weld nugget
formation in resistance spot welding of new lightweight sandwich material.
International Journal of Advanced Manufacturing (Published online 2015: DOI
10.1007/s00170-015-7108-0).
Najnowsze osiągnięcia w zakresie symulacji i optymalizacji procesu zgrzewania rezystancyjnego
Opracowali: Chris V. Nielsen, Rune Bennedbæk and Wenqi Zhang
14

Podobne dokumenty