Θερμομηχανική προσομοίωση των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης με τριβή - ανάμιξη και με ακτίνα λέιζερ

Abstract

The design criteria in modern structures aim to the production of components with reduced weight and low cost, as well as, with higher performance and increased safety. The above goals lead to a tendency of replacing traditional differential structures with more modern integral structure, mainly in aeronautic sector where the weight and cost reduction, without decrease of safety, comprises the main target of the current research effort. The production of integral structures requires the adaptation of existing forming processes as well as the development and optimization of advanced welding processes. The most promising welding processes in aeronautics and maritime industries currently are the Friction Stir Welding–FSW and Laser Beam Welding-LBW. Despite of the many technological advantages of FSW and LBW process, their application in the production of integral structures leads to the development of Residual Stress (RS) and distortion fields which can cause significant problems. Specifically, distortions can effect on the components assembly, while, RS affect the structural integrity. However, an appropriate selection of process parameters can significantly reduce the RS and distortions levels. The usual way to optimize process parameters is experimental trial and error approach; recently, process simulation has been proven efficient, too. The present work aims to the development of efficient methodologies for the thermomechanical simulation of FSW and LBW processes in order to predict temperature history, as wells as RS and distortion fields. Consequently, the RS field is used for the determination of the welding effects on the structural integrity of the welded component. Generally, the reliability of a simulation methodology of any thermo-mechanical process, such as welding, is seriously affected by many parameters; two of them are very base, namely, the accurate determination of the heat input introduced to the material (thermal load) and the accurate representation of thermal and mechanical boundary conditions. As the boundary conditions determined by the welder and it is usually easy to transfer in a numerical model, one of the most difficult simulation issues is the appropriate determination of the heat input which will lead to an accurate prediction of the material temperature history. For this reason, one of the main objectives of the present work is to develop methodologies for the accurate thermal load calculation in both FSW and LBW processes. After the validation of the developed methodologies with respect to experimental measurements, the defined heat sources are used in global thermal models in order to predict the temperature histories which, thereinafter, are introduced in the thermo-mechanical models to predict the developed RS and distortion fields. Finally, the structural integrity of the welded component, under the effect of both RS field and service loading is studied; different possible ‘fracture scenarios’ are investigated based on the Stress Intensity Factor concept and the Elastic Fracture Mechanics principles.

Τα κριτήρια σχεδιασμού στις σύγχρονες κατασκευές και κυρίως στην αεροναυπηγική και ναυπηγική βιομηχανία, στοχεύουν στην παραγωγή δομικών στοιχείων με μειωμένο βάρος και χαμηλότερο κόστος, ενώ ταυτόχρονα, απαιτείται να παρουσιάζουν υψηλότερες επιδόσεις και ικανοποιητική δομική ασφάλεια. Οι στόχοι αυτοί έχουν διαμορφώσει μια σχεδιαστική τάση η οποία οδηγεί στην αντικατάσταση των ‘παραδοσιακών’ διαφορικών δομών (differential structures) με ‘σύγχρονες’ ολοκληρωμένες δομές (integral structures). Η τάση αυτή βρίσκει εφαρμογή κατά κύριο λόγο στην αεροναυπηγική, όπου η μείωση του βάρους χωρίς υποβάθμιση της ασφαλούς λειτουργίας αποτελεί βασικό και μόνιμο στόχο. Η αυξημένη παραγωγή δομικών στοιχείων ολοκληρωμένων δομών έχει οδηγήσει σε συνεχή αύξηση της εφαρμογής διεργασιών συνένωσης με έμφαση στις προηγμένες διεργασίες συγκόλλησης. Οι διεργασίας συγκόλλησης οι οποίες, λόγω των πλεονεκτημάτων τους, βρίσκονται στην αιχμή της τεχνολογίας είναι η Συγκόλληση με Τριβή και Ανάμιξη (Friction Stir Welding – FSW) και η Συγκόλληση με Ακτίνα Λέιζερ (Laser Beam Welding – LBW). Η εφαρμογή συγκολλήσεων στην παραγωγή ολοκληρωμένων δομών έχει πολλά τεχνολογικά πλεονεκτήματα έναντι των άλλων τύπων σύνδεσης, ωστόσο, συνοδεύονται από την ανάπτυξη Παραμενουσών Τάσεων και στρεβλώσεων στο τελικό προϊόν, κάτι το οποίο, ανάλογα με την εφαρμογή, μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα. Συγκεκριμένα, οι στρεβλώσεις επηρεάζουν τη λειτουργικότητα του δομικού στοιχείου, αφού μεταβάλλουν την γεωμετρία του, ενώ οι παραμένουσες τάσεις, αναπροσαρμόζοντας το εσωτερικό εντατικό πεδίο, επιδρούν στη δομική τους ακεραιότητα. Όπως είναι γνωστό με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων της διεργασίας (π.χ. ταχύτητα συγκόλλησης, ισχύς κτλ) μπορεί να επιτευχθεί μείωση των αναπτυσσόμενων παραμενουσών τάσεων και στρεβλώσεων. Επίσης, τα τελευταία χρόνια έχει αποδειχθεί ότι η προσομοίωση μιας διεργασίας συγκόλλησης μπορεί να βοηθήσει σημαντικά στην επιλογή του βέλτιστου συνδυασμού των παραμέτρων της. Για το λόγο αυτό, μεγάλο μέρος της ερευνητικής δραστηριότητας στην περιοχή των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης έχει στραφεί προς την ανάπτυξη αξιόπιστων μεθοδολογιών προσομοίωσης, οι οποίες με δεδομένο (input data) τις παραμέτρους της διεργασίας μπορούν να δώσουν σαν αποτέλεσμα (output data) κρίσιμες απαντήσεις όσον αφορά στις τεχνολογικές ιδιότητες της συγκόλλησης. Βάσει των ανωτέρω, σκοπός της παρούσης διατριβής είναι η ανάπτυξη ολοκληρωμένων μεθόδων θερμομηχανικής προσομοίωσης των προηγμένων διεργασιών συγκόλλησης FSW και LBW με κύριο στόχο την πρόβλεψη των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων καθώς και τη μελέτη της επίδρασης τους στη δομική ακεραιότητα των παραγόμενων δομικών στοιχείων. Ένα από τα σημαντικότερα και ίσως το κρισιμότερο στάδιο κατά την προσομοίωση μιας θερμομηχανικής διεργασίας είναι η εξομοίωση της θερμικής πηγής και ο υπολογισμός του θερμικού φορτίου, γιατί μια εσφαλμένη εκτίμηση του θερμικού φορτίου προκαλεί λανθασμένη πρόβλεψη της θερμοκρασιακής κατανομής και κατά συνέπεια εισάγει σφάλματα στον υπολογισμό των παραμενουσών τάσεων και των στρεβλώσεων. Στη βάση αυτή, τόσο για την περίπτωση της FSW όσο και για την LBW αναπτύχθηκαν μεθοδολογίες για τον προσδιορισμό των θερμικών πηγών τους και συνοδεύτηκαν από θερμικά μοντέλα για την πρόβλεψη του θερμοκρασιακού ιστορικού. Ακολούθως, το θερμοκρασιακό ιστορικό ασκείται υπό τη μορφή εξωτερικού φορτίου σε ένα θερμομηχανικό μοντέλο από όπου υπολογίζονται οι παραμένουσες τάσεις και οι στρεβλώσεις της διεργασίας. Τέλος, η εσωτερική εντατική κατάσταση του συγκολλημένου δομικού στοιχείου συνυπολογίζεται στο εντατικό πεδίο λόγω της φόρτισης λειτουργίας της κατασκευής και γίνεται πρόβλεψη των συντελεστών έντασης τάσης (Stress Intensity Factors - SIFs ) έτσι ώστε να εκτιμηθεί η επίδρασης της συγκόλλησης στη δομική ακεραιότητα. Τόσο το θερμομηχανικό όσο και το θραυστομηχανικό μοντέλο μπορούν να προσαρμοσθούν σε πολλούς διαφορετικούς τύπους σύνδεσης και ρηγμάτωσης, αντίστοιχα.