KSP-2012-G-FV-02 Přípravek pro měření posuvů a deformací v průběhu svařování a chladnutí se zaměřením na využití pro numerické simulace (Typ výstupu G) Ing. Jaromír Moravec, Ph.D. V Liberci dne 21. prosince 2012
Oblast techniky Technické řešení se týká měření příčných a podélných deformací v průběhu svařování a chladnutí experimentálního svaru. Tyto údaje jsou zcela klíčové při numerických simulacích napěťových a deformačních polí vznikajících ve svarku. Přípravek a osazená měřící aparatura jsou koncipovány především pro svařování konvenčními metodami obloukového svařování, ale je možné jej využít pro téměř všechny metody tavného svařování a částečně také pro měření deformací při tepelném zpracování. Toto řešení umožňuje získat celý průběh posuvu respektive deformace libovolného povrchového místa svařovaného nebo tepelně zpracovávaného dílu v libovolném směru po libovolně dlouhou dobu. Dosavadní stav problematiky Monitorizace procesních parametrů při tavném svařování je dnes již poměrně běžná, zejména když je třeba těchto údajů využít pro následné numerické simulace. Existuje také mnoho patentově chráněných řešení týkajících se například monitorizace procesních veličin svařovacího procesu, které se týká měření okamžité a efektivní hodnoty těchto veličin přímo na svařovacím zdroji. Jiná obdobná zařízení naměřené údaje okamžitě zpracovávají a na základě zpracování upravují hodnoty zdroje a optimalizují tak procesní parametry. Některá další zařízení měří teploty, ale tato měření neslouží k mapování teplotních polí, ale ke sledování kvality svaru, ke hlídání teplotního zatížení hořáku, ke hlídání hodnoty vneseného tepla atd. V podstatě všechny tyto systémy hlídají svařovací zdroj a optimalizují jeho parametry tak aby byla u poloautomatického či automatizovaného svařování zajištěna kvalita svaru. Navíc se tyto systémy výhradně věnují procesním parametrům jako je svařovací proud, napětí, rychlost podávání drátu, rychlost svařování, průtok plynu, vnesené teplo do svaru atd., případně technologickým parametrům jako je měření teploty pomocí termočlánků, což se však týká systémů hlídajících maximální hodnotu vneseného tepla pro daný materiál. Pro potřeby simulačních výpočtů je třeba zvolit jiný přístup. Monitorované parametry zde nemají za úkol hlídání kvality svaru, ale jsou využívány jako vstupní data mající za úkol co nejvíce přiblížit simulovaný děj reálnému stavu. Doposud byly simulované
údaje verifikovány pouze pomocí hodnot deformací po vychladnutí jednotlivých svařovaných vrstev, nebo po zhotovení celého svaru. Proto jsou při následných numerických simulacích posuny jednotlivých bodů modelu v průběhu svařování a chladnutí pouze předpokládány. Posuvy jednotlivých bodů definující prostorovou deformaci celku totiž v průběhu času nejsou lineární a proto je znalost časové závislosti posunutí definovaných bodů velice důležitá a pro numerické simulace významná z hlediska modifikace výpočtových modelů deformačních polí při svařování. Nově předkládané řešení měření kompletních půběhů deformací tuto nevýhodu odstraňuje. Podstata technického řešení Cílem zde popsaného technického řešení je návrh a realizace experimentálního měřícího přípravku umožňujícího měření posuvů a deformací v průběhu svařování a chladnutí. Přípravek je konstruován tak, aby mohlo být měřeno každé libovolné povrchové místo svařovaného vzorku. Držáky měřících sond jsou koncipovány tak, aby měly minimálně čtyři stupně volnosti pohybu měřícího čidla. Přípravek je konstruován tak, aby byl kompatibilní s přípravkem pro přesné definování součinitele přestupu tepla do okolí. V současné době jsou oba přípravky zakomponovány do celkového poloautomatického pracoviště pro svařování metodou 135 dle ČSN EN ISO 4063. Toto pracoviště je mimo zmíněného svařovacího přípravku vybaveno lineárním automatem s plynulým nastavením rychlosti svařování, svařovacím zdrojem BDH 550 puls syn, monitorovacím systémem WeldMonitor a měřícím systémem DiagWeld V0. Společně tak tvoří univerzální pracoviště pro měření všech procesních a technologických vstupních dat potřebných pro numerické simulace svařování. Nespornou výhodou je zde také fakt, že údaje o posuvech definovaných bodů a deformacích svařence jsou získávány souběžně s informacemi o teplotních polích svařovaného vzorku. Proto lze mapovaným deformacím přiřadit pro definovaný čas i teplotu v požadovaném místě.
Technické provedení řešení Technické řešení přípravku je schematicky ukázáno na obrázku 1. Přípravek je složen ze základní desky (1) dostatečné tuhosti. V základní desce jsou čtyři otvory průměru 8 mm pro připojení k přípravku pro svařování s přesně definovaným součinitelem přestupu tepla do okolí. Dále deska obsahuje obdélníkové otvory pro vstup bočnic přípravku pro svařování s přesně definovaným součinitelem přestupu tepla do okolí. Otvory jsou konstruovány tak, aby byla umožněna jednoduchá výměna bočnic z důvodu změny tuhosti přípravku a přitom nemuselo být demontováno celé pracoviště a měřící aparatura. Základní deska (1) dále obsahuje otvory průměru 12 mm pro držáky měřící aparatury. Držák měřící aparatury je složen z hlavní vodící tyče, která je pomocí matky M12 a pojistné podložky průměru 12 mm připevněna k základní desce (1). Po vodící tyči je možno pohybovat svorkou stojanu, kterou lze na vodící tyči zajistit v libovolné poloze a pod libovolným úhlem, pomocí šroubu M6 (obr. 2). Svorkou stojanu dále vede rameno stojanu, které je konstruováno pro uchycení LVDT čidla posuvu. Zajištění polohy je stejně jako u hlavní vodící tyče provedeno pomocí šroubu M6. Tento typ konstrukce držáku aparatury je využíván k měření průběhu úhlové deformace svarku. Dalším typem konstrukčního řešení držáku aparatury je řešení se dvěmi svěrkami stojanu a (7) (obr. 3). Toto řešení držáku měřící aparatury je využíváno pro měření příčných, nebo podélných deformací. Na hlavní vodící tyč je v požadované poloze přidělána a zajištěna šroubem M 6 svorka stojanu. Místo ramene stojanu je svorkou stojanu vedena pomocná vodící tyč (6). Pomocná vodící tyč (6) je osazena druhou svorkou stojanu (7) a teprve touto druhou svorkou stojanu je vedeno rameno stojanu s přidělaným LVDT čidlem posuvu. Toto konstrukční řešení držáku měřící aparatury umožňuje zaujmout snímači polohy libovolnou horizontální polohu proti svařovanému vzorku. Přípravek umožňuje využití prvního i druhého typu upevnění měřícího čidla, případně jejich kombinaci. Přípravek je standardně osazen třemi čidly posuvu sloužících k měření příčných, podélných a úhlových deformací. Čidla jsou připojeny k modulům (8) vzdálených vstupů a výstupů, které plní funkci převodníků. Jednotlivé moduly (8) vzdálených vstupů a výstupů jsou komunikační sběrnicí (9) připojeny k řídicímu počítači (10).
Nově vytvořený software v počítači (10) umožňuje volbu funkcí jako je například definování nulové polohy jednotlivých čidel, nebo frekvence záznamu čidel. Celý systém je navržen tak, aby odolával elektrickým a magnetickým vlivům svařovacího oblouku, ale také například vlivu vysokofrekvenčního zapalování oblouku u metody TIG. Získané záznamy jsou ukládány ve formě datového souboru, podle předem navolené struktury. Velkou výhodou je také možnost synchronního měření teplotních a deformačních polí tímto systémem, což je z hlediska verifikace simulačních výpočtů velice výhodné. Obr. 1: Přípravek pro měření posuvů a deformací v průběhu svařování a chladnutí jednotlivé pozice. Obr. 2: Držáky měřící aparatury pro měření úhlových deformací
Obr. 3: Držáky měřící aparatury pro měření příčných a podélných deformací Obr. 4: Prostorové modely držáků měřící aparatury pro měření úhlových, příčných a podélných deformací
18 19 15 16 16 (8) + (9) (6) (7) Obr. 5: Detail držáků měřící aparatury. Vodící tyč, svorka stojanu, rameno stojanu, čidlo posuvu, pomocná vodící tyč (6), druhá svorka stojanu (7), moduly vzdálených vstupů a výstupů (8), komunikační sběrnice (9). 15 svařovací hořák, 16 svarek, 18 rameno lineárního automatu, 19 dráha lin. automatu,
(7) 18 19 16 16 (6) 15 (8) + (9) Obr. 6. Detail držáků měřící aparatury, včetně části aparatury. Vodící tyč, svorka stojanu, rameno stojanu, čidlo posuvu, pomocná vodící tyč (6), druhá svorka stojanu (7), moduly vzdálených vstupů a výstupů (8), komunikační sběrnice (9). 15 svařovací hořák, 16 svarek, 18 rameno lineárního automatu, 19 dráha lineárního automatu
Poděkování Tato práce vznikla za finanční podpory Technologické agentury české republiky TAČR v rámci řešení projektu TA 02010992 svařování a tepelného zpracování, včetně svarových spojů, pro progresivní materiály využívané v energetice a leteckém průmyslu, dále pak za podpory projektu OP VaVpI Centrum pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace CZ.1.05/2.1.00/01.0005, v rámci něhož je tento projekt řešen.