Hydromechaniczne kszta∏towanie wsadów spawanych laserem

Hydromechaniczne kszta∏towanie
wsadów spawanych laserem
– fizyczne i numeryczne modelowanie procesu*)
ANTONI PIELA
WÊród nowoczesnych materia∏ów stosowanych
do t∏oczenia cieczà (hydroforming) elementów karoserii samochodowych nale˝y wyró˝niç blachy
spawane laserowo (tailored blanks) oraz rury (tubular
blanks). Wybrzuszanie od Êrodka cieczà blach lub
rur spawanych laserowo w zamkni´tych matrycach
umo˝liwia wytwarzanie z∏o˝onych wyt∏oczek, które
zastosowane do budowy karoserii samochodowych
zwi´kszajà pasywne bezpieczeƒstwo pojazdów. Zastosowanie do budowy karoserii samochodowych
wyt∏oczek wykonywanych z wsadów spawanych
z blach o zró˝nicowanych charakterystykach w∏aÊciwoÊci mechanicznych pozwala równoczeÊnie na
zmniejszenie ci´˝aru pojazdu [1, 2]. Dodatkowà zaletà
kszta∏towania przy u˝yciu cieczy jest wysoka jakoÊç
powierzchni wewn´trznej oraz zewn´trznej wyrobu.
Dr hab. in˝. Antoni Piela, prof. nadzw. jest pracownikiem
Politechniki Âlàskiej.
*) Praca naukowa finansowana ze Êrodków Komitetu Badaƒ Naukowych w latach 2004-2007 jako projekt badawczy
nr 3 T08B 035 27
34
PodatnoÊç wsadów spawanych laserowo (wykrojek
lub rur) do t∏oczenia cieczà zale˝y od charakterystyki
∏àczonych blach oraz w∏aÊciwoÊci i miejsca po∏o˝enia
spoiny w wyt∏oczce. Uwzgl´dniajàc fakt, ˝e wsady
spawane mogà ró˝niç si´ zarówno gruboÊcià, jak
i wytrzyma∏oÊcià ∏àczonych pasów, trudno jest okreÊliç t∏ocznoÊç tego rodzaju wsadu. Praktycznie zaÊ
problem ten sprowadza si´ do opracowania metody
analizy p∏yni´cia niejednorodnego wsadu w procesach t∏oczenia cechujàcych si´ zró˝nicowanà geometrià oraz zmiennoÊcià stanu napr´˝enia i odkszta∏cenia jedynie na podstawie poczàtkowych
w∏aÊciwoÊci pasów blach sk∏adowych. Ogólnie rzecz
bioràc, nale˝y odpowiedzieç na pytanie: na ile mo˝na
ró˝nicowaç, zarówno pod wzgl´dem gruboÊci, jak
i gatunku stali, pasy sk∏adowe stosowane do produkcji wsadów spawanych laserem (wykrojów
p∏askich oraz rur jako profili zamkni´tych), które ze
wzgl´du na ograniczenia technologii kszta∏towania
mo˝na wybrzuszaç cieczà. Problem drugi to okreÊlenie charakteru oddzia∏ywania zró˝nicowanych w∏aÊciwoÊci wsadu spawanego laserowo na proces
ROK WYD. LXIV 앫 ZESZYT 7-8/2005
plastycznego p∏yni´cia materia∏u podczas kszta∏towania cieczà. Wynika stàd zasadnoÊç stosowania
technik symulacyjnych do projektowania procesu
t∏oczenia.
Aby rozpoznaç przedstawiony problem, wykonano
laboratoryjne badania wybrzuszania cieczà krà˝ków
wykrojonych z wsadów spawanych laserem. Wykorzystano w tym celu technologicznà prób´ hydraulicznego wybrzuszania blach (bulge test). Dla porównania wykonano równie˝ próby wybrzuszania
blach stemplem o pó∏kulistym zakoƒczeniu. Równolegle wykonano badania numeryczne, w których
symulowano metodà elementów skoƒczonych przeprowadzone próby fizyczne, modelujàce swobodne kszta∏towanie cieczà, blach spawanych z pasów
o ró˝nej gruboÊci i ró˝nych w∏aÊciwoÊciach mechanicznych.
Materia∏ i stanowisko badawcze
Badania procesu wybrzuszania wsadów spawanych laserem przy u˝yciu stempla lub cieczy przeprowadzono dla czterech blach (ró˝niàcych si´
gruboÊcià lub gatunkiem): DC04 o gruboÊciach
0,7 oraz 1,2 mm (wg PN-EN 10130+A1:1999);
H180BD+Z gruboÊci 1,2 mm oraz H340LAD+Z
gruboÊci 1,5 mm (wg PN-EN 10292:2000). Wymienione blachy, wzi´te wprost z linii t∏oczenia ró˝nych
elementów karoserii samochodu Fiat Panda, spe∏nia∏y
wymagania wymienionych norm. Metodà spawania
laserowego [3], ∏àczàc po dwie taÊmy w jeden pas,
wykonano wiele wariantów wsadów spawanych,
w tym pasy, w których zespawano taÊmy tego samego
gatunku i gruboÊci. Próby wybrzuszania cieczà oraz
stemplem o pó∏kulistym zakoƒczeniu, krà˝ków wsadowych o Êrednicy ∅ 160 mm, przeprowadzono przy
u˝yciu narz´dzi przedstawionych na rys. 1.
Próby t∏oczenia
Dla ka˝dego wariantu wsadu spawanego przeprowadzono prób´ wybrzuszania do momentu osià-
gania maksymalnej si∏y dzia∏ania t∏oka lub stempla
oraz prób´ wybrzuszania do momentu p´kania blachy lub spoiny. W próbach tych stosowano po trzy
próbki dla jednego wariantu wsadu. Na ka˝dy krà˝ek wsadowy nanoszono metodà elektrochemicznà
siatki koordynacyjne o Êrednicy oczka ∅ 2 mm, które
wykorzystano do pomiaru odkszta∏ceƒ lokalnych.
W próbie hydraulicznego wybrzuszania stosowano przek∏adki z blachy stalowej o odpowiedniej
gruboÊci w celu zniwelowania ró˝nic gruboÊci wsadów spawanych. Dodatkowo w celu uszczelnienia
stosowano gumowe pierÊcienie pomi´dzy blachà
a matrycà oraz blachà a dociskaczem. W przypadku
wybrzuszania stemplem stosowano jedynie przek∏adki z blach kompensujàcych ró˝nice gruboÊci spawanego wsadu. Próby t∏oczenia stemplem wykonano bez smaru. Krà˝ki wsadowe wycinano w taki sposób, aby linia spoiny na poczàtku próby przebiega∏a
przez Êrodek. Na rys. 2 oraz 3 przedstawiono przyk∏adowe fotografie otrzymanych wyt∏oczek.
Zró˝nicowanie odkszta∏ceƒ lokalnych (rys. 4) poszczególnych pasów blachy we wsadach spawanych
wywo∏ywane jest zarówno obecnoÊcià spoiny, jak
i zró˝nicowaniem w∏aÊciwoÊci oraz ró˝nà gruboÊcià
∏àczonych blach, a tak˝e mniejszà w porównaniu
z blachami sk∏adowymi plastycznoÊcià spoiny.
W konsekwencji kszta∏t wyt∏oczek wybrzuszanych
cieczà (rys. 2a i 3a) jest ró˝ny od wyt∏oczek kszta∏towanych stemplem (rys. 2b i 3b). Odmienny jest
równie˝ charakter i lokalizacja p´kania wsadu dla
po∏àczeƒ blach jednakowej gruboÊci i tego samego
gatunku (rys. 3) w porównaniu z po∏àczeniami blach
ró˝nej gruboÊci i ró˝nego gatunku (rys. 2).
Cechà charakterystycznà procesu p∏yni´cia wsadów spawanych podczas t∏oczenia jest wykrzywienie linii spoiny. WielkoÊç przemieszczenia i wykrzywienia linii spoiny zale˝y od w∏aÊciwoÊci ∏àczonych blach, co – jak stwierdzono – jednoznacznie
okreÊla iloczyn napr´˝enia uplastyczniajàcego i gruboÊci blachy. Wyst´powanie okreÊlonego typu p´-
Rys. 1 Narz´dzia stosowane do próby wybrzuszania cieczà (a); narz´dzia stosowane do próby wybrzuszania stemplem:
1 – matryca, 2 – wsad spawany, 3 – dociskacz, 4 – ciecz lub stempel, 5 – t∏ok ( b)
ROK WYD. LXIV 앫 ZESZYT 7-8/2005
35
Rys. 2. Fotografia wyt∏oczki wybrzuszanej: a) cieczà; b) stemplem; wsad spawany z pasów: blachy A – w gatunku H340LAD+Z
gruboÊci 1,5 mm oraz blachy B – w gatunku DC04+Z gruboÊci 0,7 mm
Rys. 3. Fotografia wyt∏oczki wybrzuszanej: a) cieczà; b) stemplem; wsad spawany z pasów tej samej blachy C – w gatunku
H180BD+Z gruboÊci 1,2 mm
Rys. 4. Porównanie odkszta∏ceƒ lokalnych mierzonych wzd∏u˝ linii prostopad∏ej do spoiny dla wyt∏oczki wybrzuszanej cieczà oraz
wyt∏oczki kszta∏towanej stemplem
kania wsadów spawanych zale˝y od panujàcego
w obszarze krytycznym stanu mechanicznego (stanu
napr´˝enia-odkszta∏cenia) oraz relacji zmieniajàcego
si´ podczas t∏oczenia iloczynu napr´˝enia uplastyczniajàcego i gruboÊci blachy σp · g. Gdy umocnienie
odkszta∏ceniowe doprowadzi do przekroczenia wielkoÊci napr´˝enia uplastyczniajàcego spoiny przez
napr´˝enie uplastyczniajàce materia∏ów blach sk∏adowych lub gdy spoina jest odkszta∏cana w takim
samym stopniu jak ∏àczone blachy, to p´kni´cie
wyst´puje w spoinie (rys. 3).
Porównanie wyników
symulacji fizycznej i numerycznej
Równomierny rozk∏ad ciÊnienia cieczy kszta∏tujàcej wsad, w którym spoina laserowa ∏àczy blachy
36
o istotnie ró˝nej gruboÊci oraz ró˝nych w∏aÊciwoÊciach mechanicznych, powoduje, i˝ kszta∏t oraz
lokalizacja powstajàcych wybrzuszeƒ sà nieprzewidywalne. Problem ten nabiera istotnego znaczenia
przy konstruowaniu wykroju wsadowego, jak i projektowaniu procesu hydromechanicznego kszta∏towania. W celu rozwiàzania postawionych problemów do analizy procesu wybrzuszania cieczà wsadów spawanych laserem zastosowano symulacj´
metodà elementów skoƒczonych. Odpowiednio do
badaƒ fizycznych przeprowadzono badania symulujàce. Wykonane badania numeryczne [4] obejmowa∏y: opracowanie modelu procesu, przygotowanie danych materia∏owych i technologicznych oraz
parametrów modelu materia∏u strefy po∏àczenia,
symulacj´ procesu hydromechanicznego wybrzuROK WYD. LXIV 앫 ZESZYT 7-8/2005
szania oraz wybrzuszania stemplem wsadów spawanych laserem. Szczegó∏y dotyczàce symulacji
procesu t∏oczenia wsadów spawanych laserem oraz
opis wykorzystanego modelu materia∏owego dla
strefy po∏àczenia szczegó∏owo omówiono w pracy [5].
Na rys. 5 – 7 przedstawiono przyk∏adowy wynik
symulacji hydraulicznego wybrzuszania wsadu spawanego. Kszta∏towanie stemplem (rys. 7a) powoduje,
˝e powstajàce wybrzuszenie w szczytowej cz´Êci
jest odwzorowaniem pó∏kulistej koƒcówki stempla,
natomiast kszta∏t pozosta∏ej cz´Êci wyt∏oczki jest
wynikiem dzia∏ania nierównomiernego rozk∏adu nacisków stempla na blach´ oraz dzia∏ania si∏ tarcia.
Tarcie powoduje skupienie odkszta∏ceƒ w szczytowej cz´Êci wybrzuszenia (rys. 7c), zaÊ odkszta∏cenie
beztarciowe (rys. 5a, 6a, 7a) sprzyja wi´kszej równomiernoÊci odkszta∏ceƒ lokalnych (rys. 6b, 7b).
Hydromechaniczne kszta∏towanie
wsadów spawanych laserem
Wybrzuszanie cieczà blach lub rur spawanych laserem, stosowane do wytwarzania z∏o˝onych wyt∏oczek, odbywa si´ zazwyczaj w zamkni´tych matrycach. Jak ju˝ stwierdzono, cechà charakterystycznà
procesu p∏yni´cia wsadów spawanych podczas
t∏oczenia jest nierównomiernoÊç odkszta∏cenia wywo∏ana zarówno obecnoÊcià spoiny, jak i zró˝nicowaniem w∏aÊciwoÊci oraz ró˝nà gruboÊcià ∏àczonych blach. Przy kszta∏towaniu wyt∏oczki stemplem wielkoÊç oraz lokalny rozk∏ad odkszta∏ceƒ zale˝à
od tarcia i kszta∏tu t∏oczonego wyrobu. W wypadku
t∏oczenia cieczà rozk∏ad i lokalizacja odkszta∏ceƒ
w poczàtkowej fazie procesu, gdy kszta∏towanie
pow∏oki odbywa si´ bez oddzia∏ywania matrycy,
Rys. 5. Fotografia wyt∏oczki wybrzuszanej cieczà (a), symulowany kszta∏t wyt∏oczki (b); wsad spawany z pasów blach: A – w gatunku
H340LAD+Z gruboÊci 1,5 mm oraz C – w gatunku H180BD+Z gruboÊci 1,2 mm [4]
Rys. 6. Fotografia wyt∏oczki wybrzuszanej cieczà (a), symulowany kszta∏t wyt∏oczki z naniesionym rozk∏adem zmian gruboÊci (b);
wsad spawany z pasów blach: D – w gatunku DC04+Z gruboÊci 1,2 mm oraz B – w gatunku DC04+Z gruboÊci 0,7 mm [4]
W konsekwencji wyt∏oczki wybrzuszane cieczà w chwili p´kania
sà wy˝sze przeci´tnie o 15% w porównaniu z wyt∏oczkami wybrzuszanymi stemplem. Przemieszczenie
lub wykrzywienie spoiny w wypadku wyt∏oczek wybrzuszanych cieczà
jest znacznie wi´ksze ni˝ przemieszczenie spoiny wyt∏oczek kszta∏towanych stemplem.
Rys. 7. Fotografia wyt∏oczki wybrzuszanej
cieczà (a), symulowany kszta∏t wyt∏oczki
z rys. 7a) z naniesionym rozk∏adem lokalnych odkszta∏ceƒ w kierunku gruboÊci (b),
fotografia wyt∏oczki wybrzuszanej stemplem (c), symulowany kszta∏t wyt∏oczki z
rys. 7b) z naniesionym rozk∏adem lokalnych odkszta∏ceƒ w kierunku gruboÊci d);
wsad spawany z pasów blach: C – w gatunku H180BD+Z gruboÊci 1,2 mm oraz
B – w gatunku DC04+Z gruboÊci 0,7 mm [4]
ROK WYD. LXIV 앫 ZESZYT 7-8/2005
37
zale˝à jedynie od lokalnej wielkoÊci iloczynu gruboÊci blachy i napr´˝enia uplastyczniajàcego. Jest to
faza kszta∏towania bez udzia∏u tarcia. Zró˝nicowanie wielkoÊci lokalnych odkszta∏ceƒ blachy lub rury
w tej fazie procesu decyduje o drugiej fazie, gdy oddzia∏ywanie matrycy nak∏ada na proces p∏yni´cia
metalu oddzia∏ywanie tarcia i prowadzi do dalszego
zró˝nicowania lokalnego p∏yni´cia, wynikajàcego
g∏ównie z ró˝nego umocnienia odkszta∏ceniowego. Reasumujàc, wsad to po∏àczenie gatunkowo
ró˝nych blach. W poczàtkowej fazie kszta∏towany
jest on bez udzia∏u tarcia. W drugiej fazie procesu
t∏oczenia (z udzia∏em matrycy) zarówno ∏àczone
blachy, jak i sama spoina to materia∏ w ró˝nym stopniu
umocniony, co w konsekwencji determinuje charakter
plastycznego p∏yni´cia. Przedstawione problemy sta∏y
si´ przyczynà podj´cia prac zwiàzanych z budowà
stanowiska umo˝liwiajàcego analiz´ procesu hydromechanicznego kszta∏towania wsadów spawanych
laserem, tzn. zarówno blach, jak i rur.
Na rys. 8 przedstawiono fotografi´ wyt∏oczki oraz
przyk∏adowe narz´dzia opracowane na bazie próby
„bulge test” na potrzeby analizy procesu hydromechanicznego kszta∏towania blach spawanych. Równolegle prowadzone sà prace nad wytworzeniem
wsadów rurowych oraz budowà stanowiska do wybrzuszania rur. Do wytwarzania próbek rurowych
wykorzystano metod´ walcowania rury szczelinowej
z pasów blachy i dalej wzd∏u˝nego spawania laserem.
Na rys. 9 przedstawiono fotografie wykonanych
próbek oraz fotografi´ budowanego we wspó∏pracy
z Zak∏adem HYDRAPRESS urzàdzenia do wyt∏aczania rur ciÊnieniem cieczy. Zasadniczy problem to bu-
dowa odpowiedniego uk∏adu sterujàcego ciÊnieniami:
kszta∏tujàcym rur´ oraz ciÊnieniem dociskajàcym
g∏owice uszczelniajàce, gdy˝ ciÊnienia te majà istotny
wp∏yw na stan napr´˝enia wyst´pujàcy w kszta∏towanej rurze.
Wnioski
쐌 Rozk∏ad odkszta∏ceƒ w blachach ∏àczonych wybrzuszanych stemplem zale˝y od kszta∏tu stempla,
warunków tarcia oraz wzajemnej relacji pomi´dzy
w∏aÊciwoÊciami poszczególnych blach i w∏aÊciwoÊciami spoiny. W wypadku wybrzuszania cieczà rozk∏ad odkszta∏ceƒ zale˝y jedynie od geometrii próbki
i wzajemnej relacji w∏aÊciwoÊci po∏àczonych blach
oraz spoiny laserowej.
쐌 Wybrzuszanie cieczà prowadzi do odkszta∏cania
miejsc, w których dla danej blachy iloczyn gruboÊci
i wielkoÊci lokalnego napr´˝enia uplastyczniajàcego
jest najmniejszy, co powoduje powstawanie dwóch
wybrzuszeƒ o ró˝nym stopniu odkszta∏cenia blachy.
쐌 Numeryczna symulacja wybrzuszania wsadów
spawanych laserem, kszta∏towanych zarówno cieczà,
jak i stemplem, pozwala na pe∏nà analiz´ procesu
p∏yni´cia blachy, co umo˝liwia projektowanie tego
typu procesu.
LITERATURA
1. Kim J., Kang S., Kan B.: A prediction of bursting failure in
tube hydroforming processes based on ductile fracture
criterion. Int. J. Adv. Man. Tech. No. 22/2003, pp. 357 – 362.
2. Zhang S., Zhou L., Wang Z., Xu Y.: Technology of sheet
hydroforming with a movable female die. International
Rys. 8. Schemat narz´dzia wykonanego dla potrzeb badaƒ t∏ocznoÊci blach kszta∏towanych w matrycy (kwadratowej) metodà
hydroformingu (a), fotografia uzyskanej wyt∏oczki (b)
Rys. 9. Widok budowanego stanowiska badawczego do prób
kszta∏towania rur metodà hydroformingu (a); rury wykonane
z blach ze stali mikroskopowej:
1 – skrzynka sterownicza, 2 –
g∏owice uszczelniajàce miejsce
montowania próbki rurowej, 3 –
monitor komputera rejestrujàcego parametry procesu wyt∏aczania (b)
38
ROK WYD. LXIV 앫 ZESZYT 7-8/2005
왘
P
Dokoƒczenie z 38 str.
Journal of Machine Tools & Manufacture No. 43/2003, pp.
781 – 785.
3. Pilarczyk J., Piela A., Banasik M.: Wykroje blach „tailored
blanks” spawane laserem. Przeglàd Spawalnictwa, nr 6/2003,
ss. 1 – 4.
4. Piela A., Rojek J.: Numeryczna analiza procesu wybrzuszania
cieczà wsadów spawanych laserem. XII Konferencja nt.
Informatyka w technologii metali, Ustroƒ 16 – 19.01.2005,
Edycja: A. Piela, J. Lisok, F. Grosman, Wydawnictwo Akapit
Kraków, ss. 91 – 98.
5. Piela A., Rojek J.: Symulacja procesu t∏oczenia wsadów
spawanych laserem. Edycja: Piela A., Grosman F., Kusiak J.,
Pietrzyk M.: Informatyka w technologii metali. Wyd. Politechniki Âlàskiej, Gliwice 2003.
ROK WYD. LXIV 앫 ZESZYT 7-8/2005
39