Θερμομηχανική ανάλυση και πειραματική διερεύνηση συγκολλήσεων χαλύβων με μετασχηματισμούς φάσης.: εφαρμογή στο χάλυβα Ck45

Abstract

The current dissertation focuses on thermomechanics and more specifically on the prediction of the mechanical behavior of a steel structure undergoing a thermal (or thermomechanical) manufacturing process. As far as the manufacturing process and material type is concerned, the dissertation deals with the welding of thin plates made of Ck45 steel. This kind of steel was selected because it undergoes a variety of solid state transformations when heat treated. The type of manufacturing process examined is that of welding, since it involves complicated heat transfer, mechanical and metallurgical phenomena in a single process (heating, melting, cooling and solidification). As it is well known, the quality of a welded product is very sensitive to distortion, therefore welding of thin steel plates is considered as one of the most interesting and demanding manufacturing processes. The present work deals with the prediction of the out-of-plane angular distortion of the welded structure. For this purpose experimental work and numerical simulations based on the finite element theory (FEA) are carried out. Two different finite element codes are used, namely ABAQUS® and ALGOR®. A new algorithm concerning the convergence of finite element modelling results is proposed and is later used when developing two-dimensional finite element analysis models simulating an actual welding process. The modelling procedures developed in this work aim at predicting the thermal and mechanical response of a welded structure prior to the commencement of any experiments, since an accurate prediction is considered essential in the shipbuilding and aircraft building industries. Numerical results and experimental measurements are compared in order to estimate the level of accuracy obtained by the numerical modelling. Numerical models are then adapted to experimental results in order to attain the optimum convergence, aimed at further using the numerical models for parametric analyses and more detailed investigations. In the current dissertation, the strong effects of solid state material transformations on the angular distortion of thin welded plates is demonstrated on the basis of models adapted to experimental results. The general case of bead-on-plate welding is also investigated. The effect of solid state transformations is also investigated by accounting for the martensitic transformation in the weld metal during cooling from the liquid state. A shift of the maximum longitudinal residual stresses (that are normally expected to have values close to the material yield stress) to negative values is observed in this case. The numerical simulation of the martensitic transformation takes also into account additional experimental data obtained from a novel experiment of weld metal quenching. The dissertation is completed by developing a three-dimensional thermomechanical model. Discussions concerning drawbacks of the three-dimensional modelling, including the total processing time and debugging difficulties are finally carried out.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής αφορά στην περιοχή της θερμομηχανικής και ειδικότερα στην επίδραση των μετασχηματισμών δομής στερεάς κατάστασης στη μηχανική συμπεριφορά της χαλύβδινης κατασκευής κατά τη διάρκεια μιας θερμικής (ή θερμομηχανικής) κατεργασίας. Για την ανάπτυξη της διατριβής, υιοθετείται η τεχνολογία της συγκόλλησης λεπτών ελασμάτων από χάλυβα Ck45. Το συγκεκριμένο υλικό παρουσιάζει ιδιαίτερη ευαισθησία όσον αφορά τους μετασχηματισμούς δομής κατά τη διάρκεια μιας θερμικής κατεργασίας, ενώ η κατεργασία των συγκολλήσεων συνδυάζει το μέγιστο δυνατό εύρος θερμοκρασιών συμπεριλαμβάνοντας σε μία φάση κατεργασίας τη θέρμανση, την τήξη, την ψύξη και τη στερεοποίηση. Παράλληλα, η ευαισθησία των συγκολλήσεων όσον αφορά στις παραμορφώσεις που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια και μετά το πέρας της κατεργασίας καθιστά την υιοθέτησή τους ένα ολοκληρωμένο αντικείμενο μελέτης. Η διατριβή χρησιμοποιεί ως βασικά αποδεικτικά εργαλεία το πείραμα και τον αριθμητικό υπολογισμό με χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας τις πλατφόρμες ABAQUS® και ALGOR®. Προτείνεται ένας νέος αλγόριθμος για τη θεμελίωση της σύγκλισης των αριθμητικών μεθόδων και υιοθετείται αυτός αρχικά σε δισδιάστατα αριθμητικά μοντέλα προσομοίωσης. Τα μοντέλα αυτά αποσκοπούν στο να «προβλέψουν» τη θερμική και μηχανική απόκριση των προς συγκόλληση ελασμάτων πριν την πραγματοποίηση των ιδίων των συγκολλήσεων, δεδομένου ότι η εύστοχη και ταχεία «πρόβλεψη» αποτελεί σήμερα το κύριο ζητούμενο στη ναυπηγική αλλά και στην αεροναυπηγική βιομηχανία. Μετά το πέρας των πειραματικών εργασιών, όπου γίνεται καταγραφή της θερμικής και μηχανικής συμπεριφοράς των συγκολλητών τεμαχίων πραγματοποιείται σύγκριση των αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων προς αποτίμηση του ποσοστού επιτυχούς «πρόβλεψης». Εν συνεχεία εισάγεται η αναγκαιότητα για την «προσαρμογή» των αριθμητικών μοντέλων προκειμένου να επιτευχθεί η βέλτιστη σύγκλιση πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων αποσκοπώντας σε περαιτέρω παραμετρική ανάλυση και εμβάθυνση. Η διατριβή επεκτείνεται εν συνεχεία στην «ανάλυση» και στην παραμετρική διερεύνηση των αριθμητικών μοντέλων που έχουν υποστεί «προσαρμογή» στα πειραματικά αποτελέσματα. Με τον τρόπο αυτό αναδεικνύεται η σημαντική επίδραση των μετασχηματισμών δομής στερεάς κατάστασης στο επίπεδο των γωνιακών μετατοπίσεων των συγκολλημένων ελασμάτων. Παράλληλα, μελετάται και η γενικευμένη περίπτωση της θερμικής κατεργασίας όπως η περίπτωση bead - on - plate. Η επίδραση των μετασχηματισμών δομής γίνεται ακόμα πιο φανερή με την υιοθέτηση του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού κατά την διάρκεια της ψύξης της συγκόλλησης όπου παρατηρείται και υποβιβασμός των παραμενουσών τάσεων σε επίπεδα χαμηλότερα της τάσης διαρροής του υλικού, που είναι συνήθως τα αναμενόμενα. Η διερεύνηση του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού υποστηρίζεται και από ένα πρωτότυπο πείραμα βαφής του μετάλλου συγκόλλησης. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου θερμομηχανικού μοντέλου όπου γίνεται συζήτηση σχετικά με τα προβλήματα που αντιμετωπίζονται κατά την τρισδιάστατη θεώρηση όπου σαν βασικό μειονέκτημα, παρουσιάζεται ο μεγάλος χρόνος υπολογισμού και η δύσκολη αποσφαλμάτωση.