Simuloinnin hyödyntäminen hitsausmuodonmuutosten minimoinnissa automatisoidussa T-profiilin hitsausjärjestelmässä
Aapro, Henry (2019)
Aapro, Henry
2019
Konetekniikka
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-02-06
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201902011203
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201902011203
Tiivistelmä
Tämä työ käsittelee hitsaamisprosessin seurauksena hitsattavaan kappaleeseen syntyviä muodonmuutoksia sekä jäännösjännityksiä. Muodonmuutokset ja jäännösjännitykset syntyvät kappaleen epätasaisen lämpenemisen ja jäähtymisen johdosta. Pysyvien muodonmuutosten pääasiallisia aiheuttajia ovat kappaleeseen epätasaisen lämpenemisen ja jäähtymisen seurauksena syntyvät paikalliset plastiset venymät.
Yleisesti käytetyt menetelmät hitsausmuodonmuutosten hallitsemiseksi ovat pääosin mekaanisen tai termisen prosessin välityksellä kappaleeseen aiheutettuja voimia, jotka pienentävät jäännösjännityksiä. Suurinta osaa käytetyistä menetelmistä sovelletaan ennen tai jälkeen varsinaisen hitsaamisen, mikä lisää kappaleiden valmistusaikaa ja -kustannuksia. Lisäksi oikaisutoimenpiteiden toteutus vaatii työntekijältä asiantuntemusta ja kokemusta muodonmuutosten hallinnasta.
Muodonmuutoksia voidaan hallita hitsauksen aikana lämmittämällä toista tai molempia yhteen hitsattavista kappaleista lokaalisti siten, että esilämmityksen aiheuttama deformaatio kompensoi hitsauksen aiheuttamaa deformaatiota. Esilämmityksen sijainnin ja tehon valinta on haasteellinen tehtävä, johon voidaan käyttää apukeinona simulointia.
Työn pääpaino on T-palkkiin syntyvien muodonmuutosten määrittäminen sitä hitsattaessa. Simuloinnin avulla voidaan määrittää sopivat hitsaus- ja esilämmitysparametrit muodonmuutosten minimoimiseksi ilman hitsaustestien materiaalihävikkiä. Työssä esitellään hitsausmuodonmuutosten yksityiskohtaisen simuloinnin proseduuri ja vastaavuus hitsaustesteillä saatuihin mittaustuloksiin. Simulaatiomallissa otetaan huomioon lämmöntuonti kappaleisiin ajasta riippuvana ja kaikki materiaaliominaisuudet lämpötilariippuvina. Huomioon otetaan hitsausparametrit, materiaaliparametrit, geometria sekä mahdollinen esilämmitys uumassa ja/tai laipassa.
Sekundaarinen tavoite on simuloinnin hyödyntämisen mielekkyyden, tarkkuuden ja sovelluskohteiden selvittäminen hitsausmuodonmuutoksien hallitsemisessa. Edellä mainittujen mallien lisäksi esitetään elastisen jäännösvenymäanalyysin toimintaperiaate ja sovelluskohteet. Yksinkertaistetussa elastisessa mallissa lasketaan kappaleen plastiset venymät ja venymäalueet, joiden oletetaan yksin olevan vastuussa hitsausmuodonmuutoksista. Malli on hyvä apuväline suurien rakenteiden muodonmuutosten simuloinnissa. Se vaatii taustalleen yksityiskohtaisen simulaatiomallin ratkaisun, mutta menetelmän etuna on se, että se tarvitsee ratkaista vain kerran yhdelle liitokselle. Ratkaisuna saadut venymät ja venymäalueet voidaan sen jälkeen siirtää alkuehtona suuremman rakenteen elastisen FE-mallin kaikkiin liitoksiin, jonka tuloksena saadaan syntyvät muodonmuutokset.
Yleisesti käytetyt menetelmät hitsausmuodonmuutosten hallitsemiseksi ovat pääosin mekaanisen tai termisen prosessin välityksellä kappaleeseen aiheutettuja voimia, jotka pienentävät jäännösjännityksiä. Suurinta osaa käytetyistä menetelmistä sovelletaan ennen tai jälkeen varsinaisen hitsaamisen, mikä lisää kappaleiden valmistusaikaa ja -kustannuksia. Lisäksi oikaisutoimenpiteiden toteutus vaatii työntekijältä asiantuntemusta ja kokemusta muodonmuutosten hallinnasta.
Muodonmuutoksia voidaan hallita hitsauksen aikana lämmittämällä toista tai molempia yhteen hitsattavista kappaleista lokaalisti siten, että esilämmityksen aiheuttama deformaatio kompensoi hitsauksen aiheuttamaa deformaatiota. Esilämmityksen sijainnin ja tehon valinta on haasteellinen tehtävä, johon voidaan käyttää apukeinona simulointia.
Työn pääpaino on T-palkkiin syntyvien muodonmuutosten määrittäminen sitä hitsattaessa. Simuloinnin avulla voidaan määrittää sopivat hitsaus- ja esilämmitysparametrit muodonmuutosten minimoimiseksi ilman hitsaustestien materiaalihävikkiä. Työssä esitellään hitsausmuodonmuutosten yksityiskohtaisen simuloinnin proseduuri ja vastaavuus hitsaustesteillä saatuihin mittaustuloksiin. Simulaatiomallissa otetaan huomioon lämmöntuonti kappaleisiin ajasta riippuvana ja kaikki materiaaliominaisuudet lämpötilariippuvina. Huomioon otetaan hitsausparametrit, materiaaliparametrit, geometria sekä mahdollinen esilämmitys uumassa ja/tai laipassa.
Sekundaarinen tavoite on simuloinnin hyödyntämisen mielekkyyden, tarkkuuden ja sovelluskohteiden selvittäminen hitsausmuodonmuutoksien hallitsemisessa. Edellä mainittujen mallien lisäksi esitetään elastisen jäännösvenymäanalyysin toimintaperiaate ja sovelluskohteet. Yksinkertaistetussa elastisessa mallissa lasketaan kappaleen plastiset venymät ja venymäalueet, joiden oletetaan yksin olevan vastuussa hitsausmuodonmuutoksista. Malli on hyvä apuväline suurien rakenteiden muodonmuutosten simuloinnissa. Se vaatii taustalleen yksityiskohtaisen simulaatiomallin ratkaisun, mutta menetelmän etuna on se, että se tarvitsee ratkaista vain kerran yhdelle liitokselle. Ratkaisuna saadut venymät ja venymäalueet voidaan sen jälkeen siirtää alkuehtona suuremman rakenteen elastisen FE-mallin kaikkiin liitoksiin, jonka tuloksena saadaan syntyvät muodonmuutokset.