Autor: Marcin Żołnierczuk
Stale konstrukcyjne wysokowytrzymałe jak S690QL, Optim HS 700 MH, S960QL, S1100QL, S700MC i S960MC są często wykorzystywane do budowy maszyn rolniczych, budowlanych, dźwigów czy samochodów ciężarowych i naczep. Zazwycznaj zastosowanie ich umożliwia redukcję masy a co za tym idzie zmniejszenie zużycia paliwa i niższe koszty użytkowania. W przypadku maszyn rolniczych istotną zaletą jest zmniejszenie ugniatania gleby. Spawanie elementów ze stali wysokowytrzymałych jest tańsze ponieważ wymagany przekrój spoiny jest zazwycznaj mniejszy w porównaniu ze zwykłymi stalami konstrukcyjnymi.
Gdyby na maszyny działały tylko obciążenia statyczne wówczas masę można by było zmniejszyć nawet o 73%. Niestety, badania wykazują że wytrzymałość zmęczeniowa połączeń spawanych stali wysokowytrzymałych jest porównywalna ze zwykłymi stalami konstrukcyjnymi, a to właśnie ona zazwyczaj określa wymaganą grubość/geometrię elementu.
Trwałość połączeń spawanych obliczona według metody promienia zastępczego (ang. effective notch stress method, [1]) zgodnie z zaleceniami IIW z zastosowaniem krzywej FAT-225 pokrywa się z testami zmęczeniowymi próbek spawanych stali wysokowytrzymałych [2].
Badania wykazują, że wytrzymałość zmęczeniowa połączeń spawanych nie zwiększa się wraz ze wzrostem wytrzymałości na rozciąganie spawanej stali.
Spoina rządzi się swoimi prawami, jest naturalnym koncentratorem naprężeń (karby spawalnicze), jest miejsce występowania wad materiałowych oraz dużych naprężeń resztkowych. Wszystko to sprawia że trwałość jest dużo niższa oraz mało zależy od wytrzymałości statycznej materiału.
Wpływ wytrzymałości na rozciąganie na trwałość zmęczeniową [3]
CO NALEŻY ZROBIĆ ABY POPRAWIĆ TRWAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ ELEMENTÓW SPAWANYCH?
Efektywne użycie stali wysokowytrzymałych wymaga przeprojektowania konstrukcji. Najważniejsze to umieszczać spoin w miejscach o małych naprężeniach - symulacje wytrzymałościowe metodą elementów skończonych MES mogą pomóc nam zlokalizować miejsca najbardziej wytężone. Pakiety typu SolidWorks, Autodesk Inventor, IronCad posiadają proste moduły do symulacji strukturalnych które nadają się do określenia miejsc koncentracji naprężeń, chcąc jednak otrzymać dokładne wartości naprężeń należy się jednak napracować z siatką i warunkami brzegowymi.
Gdy już mamy ustaloną pozycję spoiny możemy obliczyć jej trwałość np. wspomnianą wcześniej metodą promienia zastępczego z zastosowaniem symulacji MES. Będziemy wówczas wiedzieć czy należy nadal modyfikować geometrię aby uzyskać wymaganą trwałość. Z uwagi na konieczną dużą gęstość siatki MES (dokładność wyników naprężeń) w miejscach spoin stosuje się technikę submodelingu (sobmodel jest wycinkiem modelu globalnego MES całej części lub maszyny) wykorzystując zaawansowane oprogramowanie jak MSC-Apex.
Poprawę wytrzymałości zmęczeniowej spoin nawet o 100% można uzyskać przez szlifowanie a następnie kulowanie brzegów, zmniejsza się przez to karb geometryczny oraz wprowadza naprężenia ściskające. Inną metodą poprawiającą trwałość jest nagniatanie ultradźwiękowe (ang. High Frequency Impact Treatment/High Frequency Peening).
MNIEJSZA MASA, MNIEJSZY PRZEKRÓJ
A CO ZE SZTYWNOŚCIĄ I STABILNOŚCIĄ?
W przypadku obciążeń ściskających należy sprawdzić element na wyboczenie. Dodatkowo mogą pojawić się problemy związane z drganiami. Tu również można posłużyć się symulacjami inżynierskimi aby uniknąć potencjalnych problemów przeprowadzając symulację wyboczenia, wyznaczyć częstotliwości i postacie drgań własnych oraz właściwości dynamiczne.
PODSUMOWANIE
Niewątpliwie zastosowanie stali wysokowytrzymałych pozwala zmniejszyć masę produkty, należy jednak pamiętać o wspomnianych aspektach związanych z trwałością połączeń spawanych, stabilnością konstrukcji oraz zjawiskiem drgań mechanicznych. Aby w pełni wykorzystać zalety stali wysokowytrzymałych spawane elementy powinny być odpowiednio zaprojektowane, w szczególności spoiny. Czołowi producenci maszyn wykorzystują do tego celu symulacje inżynierskie MES połączone z testami, przez to mogą pochwalić się lżejszą a zarazem wytrzymałą konstrukcją.
Referencje:
[1] Hobbacher A., Recommendations for fatigue design of welded joints and components, IIW Doc. XIII-2151-07-07, may 2007.
[2] Bertil Jonsson, Implementing High Frequency Mechanical Impact in industrial components: A case study. 5th Fatigue Design Conference, Fatigue Design 2013
[3] http://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/fatigue-testing-part-2-079/
Odwiedź nas w mediach społecznościowych
SimDes Partner
tel:
+48 514 514 243
email:
adres:
ul. Żurawia 6/12 lok. 766
00-503 Warszawa
Polska
Napisz do nas