< Terug naar vorige pagina
Project
Experimental Validation of Residual Stress Simulations in Welded Steel Tubes with Digital Image Correlation (Experimentele validatie van eigenspanningssimulaties in gelaste stalen buizen met digitale beeldcorrelatie)
Zoals bij elk productieproces, ontstaan ook bij de productie van koudgerolde stalen buizen eigenspanningen in het materiaal. Dit onderzoek werdgestart vanuit de problematiek van lasergesneden stalen buizen. Tijdenshet snijproces ontspant het materiaal, wat ervoor zorgt dat de buis vervormt en dit levert een minder nauwkeurige snede dan verwacht. Eigenspanningen kunnen ook een rol spelen bij spanningscorrosie of voortijdig falen van buisconstructies.
Dit werk concentreert zich op de eigenspanningen in koudgerolde stalen buizen ten gevolge van het lasproces. Om inzicht te krijgen in het ontstaan, invloedsfactoren, grootte en verdeling van de eigenspanningen wordt het lasproces gesimuleerd met een eindige elementen model. Op deze manier is het mogelijk om de genoemde aspecten inbeeld te brengen in heel de buis. Een lassimulatie vergt echter de bepaling van heel wat inputparameters: onder andere de thermische en thermomechanische materiaaleigenschappen (die bovendien variëren in functie vande temperatuur), thermische en mechanische randvoorwaarden en een modeldat de warmte-inbreng van de lastoorts beschrijft. De simulatie wordt opgesplitst in een thermische simulatie die de temperatuursverdeling in de buis tijdens en na het lasproces berekent en een thermomechanische simulatie die de spanningen en vervormingen berekent.
Dit groot aantal inputparameters maakt een controle van de simulatieresultaten noodzakelijk. Daarom wordt een laboratoriumsetup gebouwd die toelaat temperaturen en vervormingen te meten tijdens het lassen van de buis. De temperatuur wordt gemeten met 5 thermokoppels. De vervorming van de buis wordt gemeten met rekstrookjes en digitale beeldcorrelatie (digital image correlation - DIC).
Hoewel DIC zeker een aantal voordelen heeft t.o.v. andere technieken om vervormingen tijdens een lasproces op te meten zijn er de auteur geen publicaties bekend waarin een soortgelijke toepassing beschreven wordt. Daarom wordt eerst onderzocht of het mogelijk is om de uniforme thermische uitzetting van de roestvaste staalsoorten die in ditwerk aan bod komen (austenitisch SS304 en ferritisch SS409) te meten op3D-objecten. Dit blijkt mogelijk tot 600°C. De resultaten van deze metingen worden gebruikt om de uitzettingscoëfficiënt te bepalen die dan gebruikt wordt in de thermomechanische simulaties. Hoewel de rekken in dezetoepassingen eerder klein zijn in vergelijking met gangbare DIC-toepassingen, is het toch mogelijk om ook tijdens het lassen en afkoelen van debuis het rekverloop te volgen. Dit verloop komt overeen met het rekverloop gemeten met de rekstrookjes. Ook rekstrookjes hebben in deze toepassing hun beperking aangezien de gemeten rek moet gecompenseerd worden voor verhoogde temperatuur ter hoogte van het meetpunt.
In de thermischesimulatie wordt het voorspelde temperatuursveld in overeenstemming gebracht met de gemeten temperatuurscurves. Daarvoor wordt de waarde van drie moeilijk te begroten parameters geoptimaliseerd: (i) het rendement vanhet lasproces; (ii) de werkelijke kamertemperatuur rond de setup en (iii) deconvectiecoëfficiënt. De bekomen waarden voor deze parameters zijn fysisch aanvaardbaar. Het verschil tussen de gemeten en gesimuleerde temperatuurscurves ter hoogte van de thermokoppels is geminimaliseerd, wat niet wil zeggen dat ze volledig samenvallen en dat wordt gereflecteerd in de gesimuleerde rekverlopen.
In de thermomechanische simulatie wordt het thermisch veld gecombineerd met de thermische uitzetting van het materiaal om de spanningen en vervormingen tijdens het lasproces te berekenen. De buis waarvoor de methode ontwikkeld wordt, is spanningsarm gegloeid en in de simulaties wordt gestart van een spanningsloos model. De gesimuleerde rekverlopen worden vergeleken met de gemeten rekverlopen. Het eigenspanningsprofiel in de middendoorsnede wordt vergeleken met een röntgendiffractiemeting. Een sensitiviteitsanalyse wijst uit dat parametervariaties even goed opgemerkt worden in het rekverloop als in het finale eigenspanningsprofiel. Bijgevolg wordt het rekverloop als validatietool verkozen boven een eigenspanningsmeting omdat zo het volledige proces en niet slechts de finale toestand wordt gevalideerd.
De methode ontwikkeld voor een SS304 buis met diameter 60mm en wanddikte 1.5mm wordt ook toegepast op een SS409 buis met diameter 60mm en wanddikte 2mm. In deze case studie zijn vooral de hogere warmte-inbreng en de lagere uitzettingscoëfficiënt bepalend. De resultaten zijn vrij gelijkaardig, maar een betere materiaalbeschrijving van het SS409 staal kan de resultatennog verbeteren.
Tot slot wordt aangetoond dat initiële eigenspanningen een effect hebben op de rekverlopen en op de finale eigenspanningen in de buis. Hiervoor wordt de spanningstoestand, berekend met een verkennende simulatie van het rolproces, als startpunt genomen voor de lassimulaties. Uit deze simulaties blijkt dat de vorm van het finale eigenspanningspatroon vooral bepaald wordt door het lasproces.
Dit werk concentreert zich op de eigenspanningen in koudgerolde stalen buizen ten gevolge van het lasproces. Om inzicht te krijgen in het ontstaan, invloedsfactoren, grootte en verdeling van de eigenspanningen wordt het lasproces gesimuleerd met een eindige elementen model. Op deze manier is het mogelijk om de genoemde aspecten inbeeld te brengen in heel de buis. Een lassimulatie vergt echter de bepaling van heel wat inputparameters: onder andere de thermische en thermomechanische materiaaleigenschappen (die bovendien variëren in functie vande temperatuur), thermische en mechanische randvoorwaarden en een modeldat de warmte-inbreng van de lastoorts beschrijft. De simulatie wordt opgesplitst in een thermische simulatie die de temperatuursverdeling in de buis tijdens en na het lasproces berekent en een thermomechanische simulatie die de spanningen en vervormingen berekent.
Dit groot aantal inputparameters maakt een controle van de simulatieresultaten noodzakelijk. Daarom wordt een laboratoriumsetup gebouwd die toelaat temperaturen en vervormingen te meten tijdens het lassen van de buis. De temperatuur wordt gemeten met 5 thermokoppels. De vervorming van de buis wordt gemeten met rekstrookjes en digitale beeldcorrelatie (digital image correlation - DIC).
Hoewel DIC zeker een aantal voordelen heeft t.o.v. andere technieken om vervormingen tijdens een lasproces op te meten zijn er de auteur geen publicaties bekend waarin een soortgelijke toepassing beschreven wordt. Daarom wordt eerst onderzocht of het mogelijk is om de uniforme thermische uitzetting van de roestvaste staalsoorten die in ditwerk aan bod komen (austenitisch SS304 en ferritisch SS409) te meten op3D-objecten. Dit blijkt mogelijk tot 600°C. De resultaten van deze metingen worden gebruikt om de uitzettingscoëfficiënt te bepalen die dan gebruikt wordt in de thermomechanische simulaties. Hoewel de rekken in dezetoepassingen eerder klein zijn in vergelijking met gangbare DIC-toepassingen, is het toch mogelijk om ook tijdens het lassen en afkoelen van debuis het rekverloop te volgen. Dit verloop komt overeen met het rekverloop gemeten met de rekstrookjes. Ook rekstrookjes hebben in deze toepassing hun beperking aangezien de gemeten rek moet gecompenseerd worden voor verhoogde temperatuur ter hoogte van het meetpunt.
In de thermischesimulatie wordt het voorspelde temperatuursveld in overeenstemming gebracht met de gemeten temperatuurscurves. Daarvoor wordt de waarde van drie moeilijk te begroten parameters geoptimaliseerd: (i) het rendement vanhet lasproces; (ii) de werkelijke kamertemperatuur rond de setup en (iii) deconvectiecoëfficiënt. De bekomen waarden voor deze parameters zijn fysisch aanvaardbaar. Het verschil tussen de gemeten en gesimuleerde temperatuurscurves ter hoogte van de thermokoppels is geminimaliseerd, wat niet wil zeggen dat ze volledig samenvallen en dat wordt gereflecteerd in de gesimuleerde rekverlopen.
In de thermomechanische simulatie wordt het thermisch veld gecombineerd met de thermische uitzetting van het materiaal om de spanningen en vervormingen tijdens het lasproces te berekenen. De buis waarvoor de methode ontwikkeld wordt, is spanningsarm gegloeid en in de simulaties wordt gestart van een spanningsloos model. De gesimuleerde rekverlopen worden vergeleken met de gemeten rekverlopen. Het eigenspanningsprofiel in de middendoorsnede wordt vergeleken met een röntgendiffractiemeting. Een sensitiviteitsanalyse wijst uit dat parametervariaties even goed opgemerkt worden in het rekverloop als in het finale eigenspanningsprofiel. Bijgevolg wordt het rekverloop als validatietool verkozen boven een eigenspanningsmeting omdat zo het volledige proces en niet slechts de finale toestand wordt gevalideerd.
De methode ontwikkeld voor een SS304 buis met diameter 60mm en wanddikte 1.5mm wordt ook toegepast op een SS409 buis met diameter 60mm en wanddikte 2mm. In deze case studie zijn vooral de hogere warmte-inbreng en de lagere uitzettingscoëfficiënt bepalend. De resultaten zijn vrij gelijkaardig, maar een betere materiaalbeschrijving van het SS409 staal kan de resultatennog verbeteren.
Tot slot wordt aangetoond dat initiële eigenspanningen een effect hebben op de rekverlopen en op de finale eigenspanningen in de buis. Hiervoor wordt de spanningstoestand, berekend met een verkennende simulatie van het rolproces, als startpunt genomen voor de lassimulaties. Uit deze simulaties blijkt dat de vorm van het finale eigenspanningspatroon vooral bepaald wordt door het lasproces.
Datum:8 jan 2009 → 4 jun 2012
Trefwoorden:lassen, koudvormen, anisotropie, stalen buizen, residuele spanningen
Disciplines:Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie, Structurele ingenieurskunde, Andere burgerlijke ingenieurswetenschappen en bouwkunde
Project type:PhD project