Карактеризација геометрије и микроструктуре шава на бази топлотног и металуршког модела МАГ поступка заваривања као основа за одређивање параметара технологије

Abstract

Simulacioni modeli u zavarivanju daju uvid u uticaj parametara tehnologije zavarivanja na temperatursko polje u zavarivanim delovima a posredstvom temperaturskog polja i na geometriju, mikrostrukturu i mehaničke osobine zavarenog spoja. U ovoj disertaciji raz‐ vijen je analitički, trodimenzionalni, kvazistacionarni model toplotne razmene pri sučeonom zavarivanju limova MAG postupkom. Na osnovu analitičkog modela, dobijen je numerički model primenom metode konačnih razlika. Rešavanje sistema diferencnih je‐ dnačina izvršeno je iterativnim putem primenom multigrid i relaksacionog metoda za tačku. Pored modela toplotne razmene, izvršeno je modeliranje kinetike transforma‐ cije austenita pri hlađenju zavarivanih limova primenom Kirkaldijevog (Kirkaldy) i Li‐ jevog (Li) modela. Ova dva modela su iskorišćena za procenu vrednosti tvrdoće po Vikersu (Vickers) u poprečnom preseku zavarenog spoja. Primena numeričkih modela, odnosno, tačnost izlaznih rezultata modela u opštem slu‐ čaju, ograničena je tačnošću ulaznih podataka. U ovom slučaju postoje veličine čija se ul‐ azna vrednost ne može sa sigurnošću odrediti. Da bi se prevazišla ovakva ograničenja primenjen je višekriterijumski genetski algoritam u kombinaciji sa razvijenim nume‐ ričkim modelom. Međutim, nalaženje globalnog optimuma uz pomoć globalnih optimiza‐ cionih algoritama, povezana je sa velikim brojem iteracija što za posledicu ima veoma dugo proračunsko vreme. U cilju smanjenja vremena trajanja proračuna, razvijeni numeri‐ čki model zamenjen je meta ‐ modelom primenom metoda odzivnih površina uz upotrebu kubne interpolacije. Primenom navedenog algoritma izvršena je minimizacija odstupanja parametara geome‐ trije šava i srednje vrednosti tvrdoće u određenom broju mernih tačaka, u poprečnom preseku šava u odnosu na eksperimentalne vrednosti dobijene sučeonim zavarivanjem MAG postupkom limova od čelika P355GH. Kao promenljive su uzete upravo veličine čiju vrednost nije bilo moguće sa sigurnošću odrediti. U ovom slučaju to su stepen korisnog dejstva električnog luka i parametri izvora toplote. Na osnovu opisanog postupka kali‐ bracije, određena je funkcionalna zavisnost navedenih veličina od parametara tehnolo‐ gije zavarivanja. Ovako kalibrisan model iskorišćen je za određivanje parametara tehnologije MAG pos‐ tupka minimizacijom sume kvadrata odstupanja traženih od eksperimentalnih vredno‐ sti parametara geometrije šava i mikrotvrdoće. Minimizacija je izvedena primenom vi‐ šekriterijumskog genetskog algoritma. Eksperimentalna verifikacija pokazala je da ra‐ zvijeni modeli i metodologije predstavljaju pouzdan način za određivanje parametara te‐ hnologije MAG postupka zavarivanja.

Simulation models of welding processes give us an insight into the influence of welding parameters on temperature field in welded parts and by means of temperature fields and the influence to geometry, microstructure and mechanical properties of welded joints. In this dissertation an analytical, three‐dimensional, quasi‐stationary model of heat transfer during GMA welding was developed. Numerical model of heat transfer is derived from developed analytical model using finite differences. System of finite‐difference equations is solved iteratively using successive over‐relaxation and multigrid method. Beside the heat‐transfer model, decomposition of austenite during cooling stage of welding process is also modeled using Kirkaldy’s and Li’s models. These models were used to estimate the value of Vickers hardness in the cross section of the welded joint. The accuracy of the output results of the numerical model in general, is limited by the accuracy of the input data. In this case, there are parameters whose value cannot be prescribed accurately. In order to overcome these limitations, multi‐criteria genetic algorithm combined with the developed numerical model was applied. However, finding a global optimum using global optimization algorithms, is associated with a large number of iterations which results in a very long time of computation. In order to reduce the time of computation, the developed numerical model has been replaced by a meta‐model using response surface methodology and cubic interpolation. Using mentioned algorithm, minimization of difference between the simulated and measured values of weld geometry parameters and mean value of hardness measured in particular number of locations, during GMA welding of P355GH steel has been made. Variables in this minimization process were parameters whose value is impossible to determine with certainty. In this case, that were arc efficiency and heat sources parameters. Using described calibration procedure it was possible to determine functional relationship between uncertain variables and welding parameters. Thus calibrated model was used to determine the parameters of GMAW process, by minimization of difference between simulated and measured values of weld geometry parameters and hardness using least squares method. Minimization is carried out using multi‐criteria genetic algorithm. Experimental verification has showed that the developed models and methodologies represent a reliable way for determination of the GMAW parameters.