Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / Наш блог (статьи) / август 2011

2011

ноябрь октябрь сентябрь

август

июль июнь май апрель март февраль январь
 

2010

декабрь ноябрь октябрь август июль июнь май апрель март январь
 

2009

декабрь ноябрь сентябрь август июль июнь май апрель март февраль январь
 

2008

декабрь ноябрь октябрь сентябрь август июль июнь май апрель март февраль январь
 

2007

ноябрь октябрь сентябрь август июль июнь май
 
RSS пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
Главная / Библиотека / Наш блог (статьи) / август 2011

Наш блог (статьи)

Возможность оптического измерения поля деформаций для характеристики свойств соединений, полученных сваркой сопротивлением

9 августа 2011

Профессор, доктор, инженер Михаэл Ретхмфйер изучал технологию машиностроения в Техническом Университете в г. Брауншвайг, Германия. Затем он работал в Институте Технологии Сварки при том же университете, где он получил степень доктора в 2003. Он стал по совместительству менеджером исследовательского проекта в исследовательской группе Volkswagen, где он нес ответственность за производство. В 2007 он получил звание профессора Берлинского Технического Университета, а также возглавил отделение “Безопасность составных компонентов” в Федеральном Институте Исследования Материалов и Испытаний в Берлине/Германия. Кроме того, он является директором отделения “Технологии соединений и покрытий” в Фраунгофском институте систем производства и разработки технологий в Берлине. Его основными исследуемыми областями являются моделирование сварки, лазерная сварка, дуговая сварка, испытание компонентов, а также сварка сопротивлением высокопрочных сталей.

Дипломированный инженер Стефан Браузер стал инженером по специализации в технологии сварки и материалов в Берлинском Техническом Университете. С 2008 работал в качестве ученого в Федеральном Институте Исследований Материалов и Испытаний в таких областях, как сварка сопротивлением, переход из твердой фазы, а также водородное охрупчивание. Его докторская диссертация связана с переходом фаз стали при сварке сопротивлением и механическими свойствами ЗТВ и металла шва.

Доктор, инженер Герт Вебер изучал электротехнику и работал в качестве ученого в области сварки сопротивлением более чем 30 лет. В настоящее время он возглавляет рабочую группу “Сварка сопротивлением” в отделении “Безопасность составных компонентов” в Федеральном Институте Исследования Материалов и Испытаний. Кроме того, он является председателем DVS-AG 3.9 “Испытания соединений, полученных точечной сваркой”.

Для проектирования безопасных компонентов, в частности с помощью расчета с использованием метода конечных элементов, огромное значение уделяется определению параметров материала в зоне сварки. Традиционные методы испытания могут только обеспечить основные параметры, которые, однако, часто не точны для расчета компонентов, полученных сваркой сопротивлением, после это характеризуется наличием зон соединения с жестким допуском. В отличие от традиционных методов современные методы испытаний, такие как оптические измерения поля деформаций, позволяют определять данные характеристики материала для конкретизации местоположения и времени. Для того чтобы установить возможность оптических измерений поля деформаций для характеристики локального поведения материала соединений, полученных точечной сваркой, испытания на растяжения и сдвиг проводились на высокопрочных сталях, соединенных с помощью сварки сопротивлением. Результаты показывают высокую способность данной процедуры не только для количественного представления местной характеристики напряжений в зоне соединения, но также для определения  местных значений характеристики материала.

 

1 Введение

Для безопасного проектирования структуры очень важно иметь установленные механо-технологические свойства сварного шва. Знание местных параметров материала необходимо, особенно для численного моделирования характеристик компонентов сварной структуры, которые находятся под воздействием местных свойств структуры и геометрии зоны соединения.

По сравнению с традиционными процессами сварки плавлением при сварке сопротивлением из-за влияния условий охлаждения чрезвычайно локализовано полное расплавление, а также имеются зоны соединения с чрезвычайным отклонением прочности и жесткими допусками [1; 2]. В данной зоне чрезмерное растяжение может быть из-за нагружения. Традиционные методы испытания, которые изображают полное поведение материала (например, испытание на растяжение и сдвиг), не подходят для определения местных характеристик материала. Из-за небольших размеров, в частности ЗТВ, которая очень важна для разрушения соединений, существуют также ограничения на выполнение испытаний на растяжение на микрообразцах для оценки свойств материала [3]. Следовательно, применяется современный метод испытаний, такой как оптическое измерение деформационного поля, в котором напряжения могут устанавливаться с высокой точностью измерений и местной дискретностью, требуемых для определения характеристик материала и компонентов. Например, была возможность использовать оптическое измерение деформационного поля для подтверждения того, что максимальные деформации при испытании на сдвиг и растяжение возрастают с увеличением глубины вдавливания электрода [4].

В данной статье отведено место не только способности оптического измерения поля деформаций для определения характера местных напряжений соединений высокопрочных автомобильных материалов, полученных сваркой сопротивлением, но также для установления кривых местных напряжений зоны соединения.

 

2 Условия испытания

Был проведен анализ характера деформации соединений, полученных сваркой сопротивлением, на низколегированной TRIPстали (HCT690T), а также, в целях сравнения, - на низколегированной стали (HX340LAD). В частности, группа материалов TRIP сталей используется в безопасных легковесовых конструкциях из-за их особых свойств (фаза перехода побуждения напряжений) и результирующей хорошей формируемости и способности поглощения высокой энергии [5]. В таблице 1 перечислены химический состав и параметры прочности испытываемых материалов.


Сварочные испытания проводились сварочным пистолетом (робот для точечной сварки С пистолет) с серводвигателем при многочастотном прямом токе. Характер местных напряжений был оценен традиционным испытанием на разрыв и сдвиг согласно DINENISO 14273, Рисунок 1а.


Из-за многоосных напряжений в зоне соединений, соединения внахлест не дают какую-либо характеристику механических свойств путем определения кривой напряжений. Следовательно, усовершенствованный образец, испытываемый на растяжение, применялся при данных исследованиях. В данных целях традиционные образцы испытания на растяжение (DINEN 10002) были сварены вместе и позднее подверглись фрезерованию, поскольку применялась точечная сварка, Рисунок 1b. Также была возможность обеспечить одноосное напряжение в зоне сварных точек. Для того чтобы учесть совместимые условия испытания были проведены исследования сварной точки диаметром dn=5мм, в которой явно происходило отделение.

Характер местных напряжений сваренных образцов был рассчитан с помощью оценки случайного образца, Рисунок 2.


В данном случае недеформируемый изначальный образец сравнивается с образцами, которые были деформированы специально в соответствующих точках в то время, когда был проведен замер, и из локальных изменений были установлены результирующие поверхностные напряжения. Стереоскопические фотографии позволяют оценить пространственное поведение деформации и, в конечном счете, определить область напряжений в зоне соединения. На рисунке 2 схематически изображена установка для испытаний с участком изображения для расчета. В данном случае цифровые камеры соединяются с соответствующей системой обработки данных. Для характеристики напряжений сварных точек были установлены растягивающие напряжения εx, Рисунок 2. В данном случае погрешность измерений системы, которая была установлена на ненагруженном образце, была меньше, чем ±0,2%. Исследования проводились при условиях измерения: 1 Гц и скорости растяжения 0,01 мм·с-1при испытаниях на растяжение и на растяжение со смещением.

 

3 Итоги и обсуждения

3.1 Испытания на растяжение и сдвиг

Среди других методов определяется несущая способность точечных сварных соединений при испытании на растяжение и смещение. На рисунке 3 изображены установленные характеристики нагрузки/растяжения для микролегированной стали HX340LAD и для стали HCT690TTRIP.


Удлинение соответствует рабочему ходу машины с гидравлическим приводом. Увеличенная прочность основного материала - стали HCT690TTRIP по сравнению с прочностью микролегированной стали HX340LAD, Таблица 1, приводит к повышению прочности при растяжении и сдвиге (максимально допустимое усилие)  с одновременным снижением растяжения образца [6]. При испытании образца на растяжение и сдвиг напряжения достигают существенных значений только в зоне сварки [7], удлинение – мера растяжимости в зоне соединения. Результаты предполагают пониженную способность к растяжению в зоне соединения стали HCT690TTRIP по сравнению с микролегированной сталью HX340LAD. Однако количественная оценка способности к растяжению не могла быть проведена при испытаниях на растяжение и смещение из-за локальной характеристики напряжений сварного соединения.

Количественное сравнение свойств сварных соединений между различными материалами могло быть проведено с помощью оптического измерения поля деформаций, установлением параметров напряжений в зоне соединения. На рисунке 4 показано такое сравнение для зоны с максимальными основными напряжениями, изображенными в виде кривых нагрузки/напряжений для испытываемых материалов, а также соответствующего поля напряжений, когда при испытании на растяжение и сдвиг достигается прочность FS.


Почти такие же максимальные местные напряжения измеряются при нагрузке 7кН. Выше этой нагрузки сталь HX340LAD представляет характеристику пластичных материалов с существенным увеличением напряжения и сравнительно небольшим увеличением нагрузки, пока характеристика стали HCT690TTRIP показывает низкую пластичность; незамедлительно начинается разрушение после превышение значения прочности FS. Следовательно, максимальное основное местное напряжение при достижении прочности растяжения значительно увеличивается  (примерно на 15%) для микролегированных сталей HX340LADи для стали HCT690TTRIP (4,5%). Значительно низкое максимальное значение напряжений для точечных соединений из стали HCT690TTRIP по сравнению со значениями напряжений для соединений из микролегированной стали HX340LADможет отличаться повышенным содержанием углерода, Таблица 1, и увеличенным значением твердости в зоне соединения, Рисунок 5.


Сравнение максимальных значений местных напряжений сварного образца с установленными значениями растяжения основного материала без образования шейки, Таблица 1, показывает, что имеется значительное снижение основного напряжения примерно до 80% (сталь HCT690TTRIP) и 30% (HX340LAD) в зоне сварки.

Сравнение характеристик нагрузки/растяжения с характеристиками нагрузки/напряжения показывает, что оценка удлинения при испытании на растяжение и сдвиг не подходит для количественной оценки характера деформации сварных соединений. Таким образом, 25% снижения общего удлинения образца из стали HCT690TTRIPпо сравнению с удлинением образца из микролегированной стали HX340LAD проявляется в результате испытания на растяжение и сдвиг, тогда как значения местных напряжений сварных точек подтверждают, что напряжение снижается на 70%. Кроме того измерения поля деформаций показывают, что напряжения сварной точки под напряжениями растяжениями и сдвига концентрируются исключительно в ЗТВ и непосредственно в основном материале, Рисунок 4.

 

3.2 Усовершенствованные испытания на растяжения

Знание параметров материала (например, характеристики напряжений/деформаций) является необходимым условием для численного моделирования характеристики компонентов. В частности здесь показана возможность оптического измерения деформационного поля. В качестве примера, характеристики местных напряжений/деформаций могут определяться с помощью усовершенствованных испытаний на растяжение, Рисунок 1, в которых берется условие  соосности напряжений в соединении для упрощения метода. Количественное соотношение сдвига, вызванное радиусом сварной точки, не берется во внимание, а учитывается при измерении линии симметрии. Для стали HCT690TTRIP на рисунке 6 показаны установленные характеристики напряжения/деформации для металла шва, а также для ЗТВ и основного материала до разрушения.


Напряжение εxотносится к оси Х для того, чтобы дать возможность сравнивать с общими параметрами. Кроме того, устанавливается характеристика общих напряжений/деформаций, определяемая при традиционном испытании на растяжение с помощью тензометра. При некотором снижении уровня твердости ЗТВ местная деформация между точками 1 и 5 существенно возрастает. Сравнение местного предела текучести (точка 1 и 5) также показывает влияние снижения на значение твердости. Таким образом, значение предела текучести основного материала снижается по мере удаления от сварной точки. В точке 0 (основной материал/зона разрушения) значение местных растягивающих напряжений близко к значению общих растягивающих напряжений. Увеличение прочности в зоне сварки привело к разрушению основного материала образца, не могут быть установлены местные растягивающие напряжения для зоны соединения. Для низколегированных сталей можно наблюдать сравниваемые характеристики. В данном случае предел прочности на разрыв снижается до значения 480МПа.

Как видно из направлений локальной упругой деформации (до Rp0,2) и коэффициента эластичности, проблемой в настоящее время является обнаружение очень низких деформаций. Кроме того, ряд проблем, связанных с точным заданием (ЗТВ, металла шва и т.д.) существующих точек измерений для применения характеристик местных напряжений/деформаций при численном моделировании.

 

4 Заключение/перспективы

Не только деформируемость соединений, полученных сваркой сопротивлением, но также характеристики локальных зон соединения, а именно напряжения/деформации, могут быть определены на основе оптического измерения поля деформаций. По сравнению с традиционными методами испытания данный позволяет провести количественное сравнение характеристик сварных соединений, поскольку он связан как с характеристикой прочности, так,  в частности, и с характеристикой деформации. Однако оно должно допускать, что проблемы, имеющие отношение к применению данной процедуры, появляются при более точном определении относительно низких напряжений (ниже 1%). Локальные параметры материала, установленные посредством оптического измерения деформационного поля, и характеристики локальных напряжений/деформаций могут быть учтены при численном моделировании. Данное моделирование способствует более точному прогнозированию поведения разрушения сварных точек. Оптические измерения поля деформаций могут, таким образом, оказывать важное содействие в проектировании сборочных узлов для увеличения безопасности составных компонентов.

Возможность оптического измерения поля деформаций для определения локальных характеристик материала в соединениях, полученных  лазерной и дуговой сваркой, должна быть действительна при современной работе.