The numerical analysis of a titanium sheets welding process and welding joint tensile behavior

• Autorzy: Adamus K. , Lacki P.

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna procesu spawania blach tytanowych i zachowania spoiny podczas rozciągania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper analyses joining of titanium Grade 2 and Grade 5 sheets using electron beam welding, EBW, technology. The joined sheets undergo further processing to produce final aircraft component. EBW is a fusion welding process that utilizes electrons to produces heat and join materials. It is characterized by low heat input, small distortions, precise and repeatable welding parameters and vacuum operating conditions. Titanium is a unique material that offers high specific strength, heat resistance and corrosion resistance. In aerospace applications it is used for components of rotors, engines and airframes. Tailor Welding Blanks is a technology of joining sheets of different properties in order to obtain components that have mixed properties. Titanium Grade 2 has better formability while titanium Grade 5 has higher strength. The welded sheets are further formed in order to obtain final shape. The numerical simulation of the welding process investigates the impact of thermal load produced by a moving electron beam on the deformations occurring in the joined sheets. The model is based on finite element method and it takes into account elastic, plastic and thermal strains. The analyzed sheets have thickness of 0.8 mm, their small cross-section contributes to significant post-welding bending both in transverse and longitudinal directions. The paper analyzes the influence of mesh structure and welding gap on the degree of deformation. The obtained numerical results were compared with actual welding deformations. The research into modeling of titanium sheets welding was extended with analysis of joint behavior during tensile tests. Specimen was cut out from the joint and was subject to uniaxial tensile test. The strains occurring during tension were recorded using optical non contact measurement system that uses two cameras. The experimentally measured strains were compared with numerical results from a separate finite clement method model.

PL

W pracy badano zagadnienie spawania blach tytanowych Grade 2 i Grade 5 za pomocą wiązki elektronów. Zespawane blachy stanowią wsad do tłoczenia, w wyniku którego powstaje finalny komponent samolotu. W procesie spawania wiązka elektronów jest wykorzystywana do stopienia i łączenia materiałów. Spawanie wiązką elektronów charakteryzuje się małą ilością wprowadzanego ciepła, małymi deformacjami, dużą precyzją i powtarzalnością ustawienia parametrów oraz zastosowaniem komory próżniowej. Tytan jest materiałem o wysokim stosunku wytrzymałości do masy, dużej odporności na podwyższone temperatury i środowisko korozyjne. W lotnictwie tytan znajduje zastosowanie w produkcji wirników, silników oraz kadłubów. Tłoczenie wsadów spawanych z różnych materiałów pozwala na uzyskanie komponentów o mieszanych właściwościach składowych materiałów. Tytan Grade 2 zapewnia dobrą tłoczność, natomiast tytan Grade 5 oferuje wysoką wytrzymałość. Analiza numeryczna procesu spawania koncentrowała się na badaniu wpływu obciążenia termicznego wywołanego przez poruszającą się wiązkę elektronów na deformacje pojawiające się w łączonych blachach. Analizowane blachy miały grubość 0,8 mm. Ich mały przekrój umożliwiał powstawanie znacznych deformacji spawalniczych zarówno w kierunku poprzecznym jak i podłużnym. Jako miarę deformacji przyjęto kąt ugięcia poprzecznego oraz przemieszczenie końca linii spawania. Model numeryczny wykorzystywał Metodę Elementów Skończonych. W symulacji uwzględniono odkształcenia sprężyste, plastyczne oraz termiczne. Do symulacji oddziaływania wiązki elektronów wykorzystano połączone powierzchniowe i objętościowe źródło ciepła. W pracy przedstawiono wpływ struktury siaki elementów skończonych oraz modelu odstępu pomiędzy łączonymi blachami na stopień ugięcia poprzecznego i podłużnego. Uwzględniono siatki o jednorodnej i zmiennej liczbie elementów w kierunku grubości blach i w kierunku linii spawania. Porównano model, w którym blachy stanowiły pojedynczy blok materiału, z modelem, w którym do symulacji odstępu wykorzystano opcję narodzin elementu. Uzyskane wyniki zostały porównane z rzeczywistymi deformacjami zespawanych blach. Analiza procesu spawania została rozszerzona o model opisujący zachowanie próbki wyciętej z połączonych blach podczas statycznej próby rozciągania. Odkształcenia powstające w wyniku rozciągania zostały zmierzone za pomocą systemu optycznego wyposażonego w dwie kamery. Porównano odkształcenia obliczone numerycznie i zmierzone eksperymentalnie.

Słowa kluczowe

EN

electron beam welding; welding distortions; welding gap; thin sheets; finite element method

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 15, No.1
• Strony: 137--143
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys.

Twórcy

autor

Adamus K.

• Częstochowa University of Technology, ul. Akademicka 3, 42 200 Częstochowa, Poland

autor

Lacki P.

• Częstochowa University of Technology, ul. Akademicka 3, 42 200 Częstochowa, Poland

Bibliografia

• Adamus, J., Lacki, P., 2014, Analysis of Forming Titanium Welded Blanks, Comp Mater Sci, 94, 66-72.
• Adamus, K., Kucharczyk, Z., Wojsyk, K., Kudla, K„ 2013, Numerical analysis of electron beam welding of different grade titanium sheets, Comp Mater Sci, 77, 286-294.
• Arai, T., 2010, The Laser Butt Welding Simulation of the Thin Sheet Metal, Materials with Complex Behaviour: Modelling, Simulation, Testing and Applications, eds, Öchsner, A., da Silva, L.F.M., Altenbach, H., Springer Verlag, Berlin, 279-296.
• Bathe, K.J., 2006, Finite Element Procedures, Klaus-Jurgen Bathe.
• Deng, D., Murakawa, H., Ma, N., 2012, Predicting Wei Deformation in Thin Plate Panel Structure by Means Inherent Strain and Interface Element, Sci Technol Weld Joi, 17, 13-21.
• Koch, F., Enderlein, M., Pietrzyk, M., 2013, Simulation of Temperature Field and the Microstructure Evolution during Multi-Pass Welding of L485MB Pipeline Steel, Computer Methods in Material Science, 13, 173-180
• Lindgren, L.E., 2007, Computational Welding Med Thermomechanical and Microstructural Simul, Woodhead Publishing, Abington.
• Lacki, P., Adamus, K, Wieczorek, P., 2014, Theoretical and experimental analysis of thermo-mechanical phenomenal during electron beam welding process, Comp Mater Sail 94, 17-26.
• Matsuoka, S., Okamoto, Y., Okada, A., 2013, Influence of Weld Bead Geometry on Thermal Deformation in Laser Micro-Welding, Procedia CIRP, 6,492-497.
• Moein, H., Sattari-Far, I., 2014, Different Finite Element Techniques to Predict Welding Residual Stresses in Aluminum Alloy Plates, J Mech Sci Technol, 28, 679-689.
• Murakawa, H., Deng, D., Ma, N., Wang, J., 2012, Applications of Inherent Strain and Interface Element to Simulation of Welding Deformation in Thin Plate Structures, Comp Mater Sci, 51, 43-52.
• Piekarska, W., Kubiak, M., Saternus, Z., 2010, The Model of the Temperature Field and Fluid Flow in Elements Heated by Moving Heat Sources, Computer Methods in Material Science, 10, 37-41.
• Schenk, T, Richardson, I.M., Kraska, M., Ohnimus, S., 2009. Modeling Buckling Distortion of DP600 Overlap Joints due to Gas Metal Arc Welding and the Influence of the Mesh Density, Comp Mater Sci,46, 977-986.
• Schultz, H., 2000, Elektronenstrahlschweißen, DVS Verlag. Dusseldorf.
• Shan, X.Y., Tan M.J., O'Dowd, N.P., 2007, Developing a Realistic FE Analysis Method for the Welding of a NET Single-Bead-on-Plate Test specimen, J Mater Process Tech. 192, 497-503.
• Stoma, J., Szczygieł, I., Sachajdak, A., 2011, Modelling of Thermal Phenomena in Electric Arc during Surfacing. Arch Civ Mech Eng, 11, 437-449.
• Sun, J., Liu, X., Tong, Y., Deng, D., 2014, A Comparative Study on Welding Temperature Fields, Residual Stress Distributions and Deformations Induced by Laser Bean: Welding and CO2 Gas Arc Welding, Mater Design, 65. 519-530.
• Wang, J., Rashed, S., Murakawa, H., Luo, Y., 2013, Numerical Prediction and Mitigation of Out-of Plane Welding Distortion in Ship Panel Structure by Elastic FE Analysis. Mar Struct, 34, 135-155.
• Winowiecka, J., Więckowski, W., Zawadzki, M., 2013, Evaluation of Drawability of Tailor-Welded Blanks Made of Titanium Alloys Grade 2 || Grade 5, Comp Mater Sci. 77, 108-113.