Πειραματική και αριθμητική μελέτη ρομποτικών συγκολλήσεων λεπτών ελασμάτων κραμάτων αλουμινίου της σειράς 5xxx

Abstract

Η σχεδίαση μιας μεταλλικής κατασκευής που περιλαμβάνει συγκολλητά μέρη παρουσιάζει ξεχωριστές και ιδιαίτερες δυσκολίες. Η ύπαρξη συγκεντρωμένης πηγής θερμότητας, η οποία κατά βάση απαιτείται για τη συγκόλληση μεταλλικών υλικών, έχει ως συνέπεια την εμφάνιση δυσμενών φαινομένων όπως είναι για παράδειγμα οι παραμένουσες τάσεις, οι στρεβλώσεις ή οι μεταλλουργικές μεταβολές στην περιοχή της συγκόλλησης. Καθώς τα φαινόμενα αυτά, δημιουργούν προβλήματα όχι μόνο κατά το στάδιο ανέγερσης της κατασκευής αλλά κυρίως ίσως κατά τη λειτουργία της, είναι βασικό, από τα πρώτα στάδια του σχεδιασμού, να έχουν καθοριστεί όλοι οι παράμετροι που επιδρούν στη συγκόλληση όπως, ο τύπος του υλικού και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του, η τεχνική και η ακολουθία συγκόλλησης, οι μηχανικοί περιορισμοί κ.λπ. Προκειμένου λοιπόν να διασφαλιστεί το βέλτιστο αποτέλεσμα σε ότι αφορά στην αξιοπιστία, το οποίο ωστόσο δεν μπορεί να είναι ανεξάρτητο του τελικού κόστους και του χρόνου αποπεράτωσης, απαιτείται βαθειά γνώση των μεταβατικών θερμικών τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη διαδικασία της συγκόλλησης, των θερμικών κύκλων, των τελικών παραμενουσών τάσεων που δημιουργούνται, καθώς και των παραμορφώσεων που προκύπτουν. Επιπλέον, η εμβάθυνση στη μεταλλουργία της συγκόλλησης συμβάλλει ουσιαστικά στην επίτευξη του στόχου αυτού. Μεταβαίνοντας στο χώρο της ναυπηγικής, όπου μιλώντας για σχεδιασμό και ανέγερση μεταλλικής συγκολλητής κατασκευής κυρίως εννοείται ή ο σχεδιασμός και ανέγερση ενός πλοίου ή έστω μιας υπερκατασκευής αυτού, στο συνολικό πρόβλημα πρέπει να ληφθούν υπόψη επιπλέον απαιτήσεις, όπως αυτές επιβάλλονται από τη φύση της κατασκευής και το περιβάλλον λειτουργίας της. Η πολυπλοκότητα της μορφής των φορτίσεων που δέχεται ένα πλοίο εξαιτίας των κυματισμών, το θαλάσσιο διαβρωτικό περιβάλλον με το οποίο είναι συνεχώς σε επαφή, η ποικιλία στη μορφή και τη φύση του φορτίου που μεταφέρει, είναι παράγοντες που σαφώς καθορίζουν τη συμπεριφορά των συγκολλητών τμημάτων του. Πιθανότατα, το ιδανικό θα ήταν η δημιουργία ενός συνολικού, ολοκληρωμένου συστήματος το οποίο λαμβάνει υπόψη και αναλύει όλους τους παράγοντες που αναφέρθηκαν και που υπεισέρχονται κατά το σχεδιασμό και την ανέγερση μιας συγκολλητής ναυπηγικής κατασκευής. Ψστόσο, ένα τέτοιο σύστημα αφενός προϋποθέτει ακόμα αρκετά υψηλό κόστος για τη δημιουργία του, αφετέρου απαιτεί εξαιρετικά σημαντικό υπολογιστικό χρόνο. ΢την παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματοποιείται πειραματική και αριθμητική μελέτη ρομποτικών συγκολλήσεων λεπτών ελασμάτων κραμάτων αλουμινίου της σειράς 5000. Η Διατριβή διαιρείται σε τέσσερις κύριες ενότητες και μια πέμπτη στην οποία συμπεριλαμβάνονται γενικά συμπεράσματα και άλλες γενικές θεωρήσεις επί της διατριβής. Καθώς τα κράματα αλουμινίου χρησιμοποιούνται ευρέως στη ναυπηγική μόλις τα τελευταία περίπου 40 χρόνια, στην πρώτη ενότητα, γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση του αλουμινίου και των κραμάτων του, με σκοπό να τονιστούν και να κατανοηθούν οι ξεχωριστές ιδιότητές του, καθώς και διαφορές του από το βασικό ναυπηγικό υλικό, το χάλυβα, ο οποίος και κυριαρχεί από τον 16ο – 17ο αιώνα (εποχή μετάβασης από τα ξύλινα στα μεταλλικά πλοία) μέχρι τις μέρες μας. ΢τη συνέχεια, στην ίδια ενότητα, επιδιώκεται η ανάλυση της συγκολλησιμότητας των κραμάτων αλουμινίου, με έμφαση φυσικά σε εκείνα που χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική. Σονίζονται τα προβλήματα που παρουσιάζονται κατά τις συγκολλήσεις τους και οι τρόποι αποφυγής αυτών, με επισημάνσεις τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και σε πρακτικό (π.χ. διαδικασία προετοιμασίας πριν τη συγκόλληση ή χαρακτηριστικά χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού κ.λπ.). Ακολουθούν τρεις ενότητες μελέτης, οι οποίες κατά σειρά έχουν να κάνουν, με τη μεταλλουργία της συγκόλλησης και τους θερμικούς κύκλους αυτής - Ενότητα 2, τη μελέτη σε πραγματικό χρόνο των στρεβλώσεων και παραμορφώσεων που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης όπως και της κατανομής των παραμενουσών τάσεων που προκύπτουν από αυτή – Ενότητα 3 - και τέλος την μοντελοποίηση της συγκόλλησης - Ενότητα 4, που περιλαμβάνει τη θερμομηχανική αριθμητική μοντελοποίηση της συγκόλλησης, μέσω προγράμματος σε ηλεκτρονικό υπολογιστή που πραγματοποιεί ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων (ABAQUS®). Σα εξαγόμενα από την προσομοίωση δεδομένα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα πειραματικά ενώ, πραγματοποιείται και παραμετρική διερεύνηση αφενός της επίδρασης των εξαρτώμενων από τη θερμοκρασία ιδιοτήτων του υλικού και αφετέρου της επίδρασης της ακολουθίας συγκόλλησης στα εξαγόμενα αποτελέσματα της προσομοίωσης. ΢ε καθεμία από τις τρεις τελευταίες ενότητες, παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο που τις διέπει σε συνδυασμό με τις σύγχρονες εξελίξεις της επιστημονικής κοινότητας που αντιστοιχούν σε αυτές, ο χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός για την πραγματοποίηση της μελέτης, τα αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα που προκύπτουν. Σέλος, όπως αναφέρθηκε, στην Πέμπτη ενότητα γίνεται σύνθεση των αποτελεσμάτων και από τις τρεις ανωτέρω ενότητες μελέτης, με σκοπό την εξαγωγή τελικών συνδυαστικών συμπερασμάτων ενώ παρουσιάζονται και άλλες γενικές θεωρήσεις επί της διατριβής. Με τον τρόπο αυτό παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη μελέτη που αφορά στις συγκολλήσεις των ναυπηγικών κραμάτων αλουμινίου, η οποία περιλαμβάνει τις σύγχρονες τάσεις προσέγγισης του προβλήματος. Μέσω αυτής, προκύπτουν σημαντικά στοιχεία, που κάνουν περισσότερο κατανοητή τη συμπεριφορά του υπό μελέτη υλικού έναντι της συγκόλλησης, ενώ ταυτόχρονα μπορούν να αξιοποιηθούν κατά το σχεδιασμό μιας ναυπηγικής κατασκευής, οδηγώντας σε αξιόπιστο αποτέλεσμα. Λόγω των ξεχωριστών παραμέτρων συγκόλλησης που αφορούν στην πειραματική μελέτη συγκόλλησης λεπτών ελασμάτων από κράμα αλουμινίου (μεγάλη εισερχόμενη θερμότητα και ταχύτητα συγκόλλησης, σημαντικές και διαφορετικού είδους παραμορφώσεις, δυσκολίες στον τρόπο συγκράτησης των δοκιμίων) οι δυσκολίες στον τρόπο εγκατάστασης μετρητικών διατάξεων και αισθητήρων μέτρησης μεγεθών κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης είναι εξαιρετικά μεγάλες με αποτέλεσμα σπάνια να συναντώνται βιβλιογραφικά αποτελέσματα ανάλογα με αυτά της παρούσας διατριβής. Έτσι, σε σχέση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, αφενός καλύπτεται ένα κενό που αφορά στη μεταλλογραφική μελέτη συγκολλήσεων κραμάτων αλουμινίου της σειράς 5xxx για ελάσματα πάχους μικρότερο από 6 mm αφετέρου, παρουσιάζεται για πρώτη φορά σε τέτοια πάχη ελασμάτων, μελέτη μεταβατικών θερμικών και μηχανικών φαινόμενων, που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια πραγματικών συγκολλήσεων σύνδεσης κι όχι απόθεσης υλικού1. Παράλληλα, και πάλι για τέτοια πάχη ελασμάτων από κράμα αλουμινίου όπως αυτά που μελετώνται στην παρούσα διατριβή, είναι η πρώτη φορά που συγκρίνονται πειραματικά αποτελέσματα με αποτελέσματα προσομοίωσης και κυρίως, που μελετάται η επίδραση της ακολουθίας συγκόλλησης, μέσω προσομοίωσης, τόσο στις παραμορφώσεις λόγω συγκόλλησης όσο, περισσότερο ίσως, στην κατανομή των παραμενουσών τάσεων στην περιοχή της συγκόλλησης.

The design of a metallic construction that includes welding parts introduces special and specific difficulties. The presence of concentrated heat source, basically demanded for the welding of metallic elements, result adverse effects such as residual stresses, deformations, or metallurgical changes in the area of the welding seams. While these effects introduces major problems not only during the erection of the construction but also and mainly perhaps, during its function, it is essential all parameters that affect the welding, like the type of the material and its geometrical characteristics, the welding technique, the welding sequence, the mechanical constrains etc. to be defined, from the first steps of the design. Preparative to secure the best result, concerning reliability, which however can‘t be independent from the final cost and time of completion, comprehensive knowledge of the transient thermal stresses, the thermal cycles, the final residual stresses and deformations, because of welding, is required. Furthermore, gaining deeper insight into the welding metallurgy, contributes towards the accomplishment of this target. Concerning marine and/or naval architecture, where talking about design and erection of a metallic construction that includes welding parts, primarily is meant the design and the construction of a ship or at least a ship‘s superstructure, further demands like these enforced by the type of such a construction and the nature of the environment that functions must be take into account in the total puzzle. The complexity of the stresses formed on a ship because of the waves, the saltwater corrosive environment in which is exposed, the diversity in the form and nature of the carrying loads are factors that affect indeed its welding sections. Likely, the ideal status would be the creation of a total integrated system that includes and analyses all the parameters affect the behavior of the welded metallic construction. However, such a system demands significant cost and computational time. In the present Ph.D. thesis an experimental and numerical study of robotic welding of thin plates of aluminum alloys of 5000 series is curried out. The thesis is divided in four primal parts and a fifth which include general conclusions and other general approaches. While aluminum alloys are widely applied in marine and/or naval constructions just during the last 40 years, in the first part of the thesis, a brief presentation of the aluminum and its alloys is taking place in order to understand and underline its discrete properties as well as its differences from the primal marine alloy, the steel, which is dominating from the 16th – 17th century (transformation age from wooden to metallic ships) until today. Continuing to the same part of the thesis a study on the weldability of the aluminum alloys is taking place emphasizing to those techniques used in marine and/or naval constructions. Furthermore, welding problems and ways to avoid them, both in theoretical and empirical level, are underlined (i.e. edge preparation sequence before welding, welding equipment apparatus used etc.). Other three parts of the thesis are following which, in the order of presentation, dealing with the welding metallurgy and the welding thermal cycles – Part 2, the transient phenomena occurring during welding and the formation of residual stresses – Part 3 and finally welding simulation through thermo-mechanical finite element analysis via ABAQUS®. Simulated results are compared to the corresponding experimental data while a study on the effects on one hand of temperature-dependent material properties and on the other hand of the welding sequence on welding simulation results is also introduced. In each of the aforementioned three parts the theoretical background, the recent developments, the tools used, the results and of course the conclusions are introduced. Finally, as mentioned before in the fifth part, general conclusions and other general approaches concerning the thesis are introduced. In general, an integrated study concerning arc welding of marine aluminum alloys is introduced which is taking into account all the modern scientific approaches. Through this study, significant results come about that helps to fully understand the behavior of the marine aluminum alloys in arc welding while, can be used in the design of marine constructions leading to more reliable results. Due to particular and special welding parameters, concerning the experimental investigation of welding thin-walled aluminium alloys (high heat input and welding speed, large amount of different kind of distortions, difficulties in clamping the welding samples) the difficulties in the installation of sensors and measurement apparatus, recording different kind of data during welding, are significant resulting rarely encountered literature results similar to those of the present study. Thus, compared to the existing literature, a metallographic study of aluminium alloys of the 5xxx series welds, of thickness less than 6 mm, has been presented though, for the first time in such thicknesses, a study of transient thermal and mechanical phenomena occurring during welding of actual joints and not on bead-on-plate welds2. Furthermore, for such thicknesses concerning aluminium alloy plates like those studied in this thesis, it is the first time that experimental results are compared to simulation results and mainly, it is the first time that the effect of welding sequence, on the deformation as even more in the distribution of the residual stresses due to welding is investigated through simulation procedure.