PROJEKT WSPÓ£FINANSOWANY PRZEZ UNIÊ EUROPEJSK¥ ZE ŒRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO

INNOWACYJNA GOSPODARKANARODOWA STRATEGIA SPÓJNOŒCI

UNIA EUROPEJSKAEUROPEJSKI FUNDUSZ

ROZWOJU REGIONALNEGO

Niekonwencjonalne technologie ³¹czenia elementów konstrukcji lotniczych

Nowoczesne technologie materia³owe stosowane w przemyœle lotniczym

SPOTKANIE PANELI EKSPERTÓW28-29 Czerwca 2010 ZB 15

Projekt kluczowy

Politechnika Lubelska, Politechnika Rzeszowska, Politechnika Czêstochowska, Instytut Maszyn Przep³ywowych Polskiej Akademii Nauk

Wyniki badañWskaŸniki realizacji celów projektu

Referaty

Publikacje

Prace mgr, dr, hab.

·T.Balawender, T.Sadowski, P.Golewski: Experimental and numerical analysis of hybrid:

clinched - adhesive joint, 4th International Conference on Advanced Computational

Engineering and Experimenting, ACE-X 2010, Pary¿, 08-09 lipca, 2010

·T.Sadowski, W. Zarzeka-Raczkowska: Hybrid adhesive bonded and riveted joints - thinfluence of rivets layout geometry on joints' strength, 20 International Workshop on

Computational Mechanics of Materials, IWCMM'20, Loughborough, 8-10 wrzeœnia 2010

·T.Sadowski, J. Sêp, P.Lacki, J.Adamus, K.Wojsyk, M.Kneæ, W.Zielecki: A numerical and thexperimental analysis of tensile test of aluminium tailor-welded blanks, 20

International Workshop on Computational Mechanics of Materials, IWCMM'20,

Loughborough, 8-10 wrzeœnia 2010

·V.Burlayenko, T.Sadowski: A Numerical Study of Dynamic Responses of Sandwich thPlates Initially Damaged by Low Velocity Impacts, 20 International Workshop on

Computational Mechanics of Materials, IWCMM'20, Loughborough, 8-10 wrzeœnia 2010

·T.Sadowski, L.Marsavina, E.Craciun, M.Kneæ: Numerical and experimental study of the thparallel of the cracks propagation in a pre-stressed orthotropic elastic material, 20

International Workshop on Computational Mechanics of Materials, IWCMM'20,

Loughborough, 8-10 wrzeœnia 2010

·

– European Conference on Materials and Structures in Aerospace, Berlin, 7 – 8 czerwiec

2010r.

·T. Balawender : £¹czenie blach przet³aczaniem (klinczowanie), Progresywne

Technologie i Materia³y „PRO-TECH-MA’10”, 28 – 30 czerwca 2010, Lublin –Kazimierz

Dolny. Materia³y konferencyjne

·Zielecki W., Zielecki K.: Analiza MES wp³ywu struktury geometrycznej powierzchni na

naprê¿enia w spoinie klejowej. II Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna nt.

PO£¥CZENIA MONTA¯OWE PM-2010, Rzeszów – Bukowiec, 25– 28 maja 2010 r.

Materia³y konferencyjne.

·Per³owski R., Zielecki W., Pawlus P., Dzierwa A.: Analiza wp³ywu struktury

geometrycznej powierzchni w uk³adzie 3D na wytrzyma³oœæ po³¹czeñ klejowych. II

Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna nt. PO£¥CZENIA MONTA¯OWE PM-

2010, Rzeszów – Bukowiec, 25– 28 maja 2010 r. Materia³y konferencyjne.

·T.Sadowski, P.Golewski, E. Zarzeka-Raczkowska, Damage and failure processes of

hybrid joints: adhesive bonded aluminium plates reinforced by rivets, Comput. Mat.

Sci. (2010) - zaakceptowany

·T.Sadowski, J.Bec, Effective Properties for Sandwich Plates with Aluminium Foil

Honeycomb Core and Polymer Foam Filling - Static and Dynamic Response,

Comput. Mat. Sci. (2010) doi:10.1016/j.commatsci.2010.04.014

·V.Burlayenko, T.Sadowski, Free vibration of sandwich plates with impact-induced

damage, Proc. Appl. Math. Mech. 9 (2009) 178-180.

·T.Sadowski, M.Knec, P.Golewski, Experimental investigations and numerical

modelling of steel strip adhesive joint reinforced by rivets, Int. J. Adhesion &

Adhesives 30 (2010) 338-346.

·V.Burlayenko, T.Sadowski, Influence of skin/core debonding on free vibration

behaviour of foam and honeycomb cored sandwich plates, Int. J. Non-Linear

Mechanics (2010) doi:10.1016/j.ijnonlinmec.2009.07.00

·V.Burlayenko, T.Sadowski, Free vibration of sandwich plates with impact-induced

damage, Proc. Appl. Math. Mech. 9 (2009) 178-180.

·T. Balawender: Klinczowanie jako sposób ³¹czenia blach, Technologia i Automatyzacja

Monta¿u, 1-2010 (67)

·T. Balawender :£¹czenie blach przet³aczaniem (klinczowanie), Rudy i Metale

Nie¿elazne (przed publikacj¹)

!

·P. Sokólski. Analiza procesu ³¹czenia nitami dwuczêœciowymi typu tuleja i rdzeñ.

!Prace magisterskie w realizacji:

·T. Ga³aczyñski : Analiza mo¿liwoœci wprowadzenia elementów z³¹cznych typu Hi-Lok

jako alternatywnego rozwi¹zania konstrukcyjnego po³¹czenia metalowych struktur

lotniczych . Promotor: dr hab. in¿. Romana Œliwa,

Prace doktorskie

· mgr Marcin Kneæ: Badania eksperymentalne oraz modelowanie teoretyczne rozwoju

pêkniêæ w po³¹czeniach klejonych Status: W trakcie realizacji

· mgr Janusz Czaja: Analiza cech mechanicznych i materia³owych elementów

po³¹czeñ œrubowych silnie obci¹¿onych. Promotor: dr hab. in¿. Romana Œliwa.

Status: W trakcie realizacji

·mgr in¿. Bartosz Puchowski : Niekonwencjonalne technologie zgrzewania kompozytów

epoksydowo - wêglowych. Promotor: prof.dr hab. in¿ Piotr Doerffer.

Status: W trakcie realizacji

Prace habilitacyjne

Tytu³: Zagadnienia modelowania po³¹czeñ hybrydowych elementów konstrukcyjnych

w warunkach obci¹¿eñ termicznych i uderzeniowych

Autor: dr in¿. Ewa Zarzeka-Raczkowska

Status: W trakcie realizacji

Tytu³ roboczy: Zagadnienia z zakresu zawansowanych po³¹czeñ w strukturach

lotniczych

Autor: dr in¿. Tadeusz Balawender

Status: W trakcie realizacji

T. Balawender, R.E.Œliwa: New rivet type of sleeve – pin construction, EUCOMAS 2010

Prace magisterskie obronione:

Analiza mo¿liwoœci wykorzystania blach typu „tailored blanks” w przemyœle lotniczym.

Przeprowadzenie wstêpnych badañ (próba rozci¹gania) aluminiowych blach spawanych

Rys. 10. Widok próbki po spawaniuRys. 11. Sk³ad chemiczny blachy

aluminiowej EN AW-6061-T4

ZawartoϾ % pierwiastka

materia³ Si Fe Mg Mn Cu Zn Cr Ti inne Al

EN AW-

6061-T4

0,40-

0,80

0,70 0,80-

1,20

0,15 0,15-

0,40

0,25 0,04-

0,35

0,15 0,15 reszta

Po operacji spawania próbki poddano operacji pneumokulowania (w Politechnice Rzeszowskiej) w celu usuniêcia naprê¿eñ, bêd¹cych wynikiem procesu spawania i wystêpuj¹cych w tzw. strefie wp³ywu ciep³a. Zastosowano nastêpuj¹ce parametry pneumokulowania:

1. dla próbek Nr 029, 030, 031: ciœnienie p.=0,65 MPaczas t=2x45sœrednica kulek dk=2,0 mm

2. dla próbek Nr 028:ciœnienie p=0,65 MPaczas t=2x60sœrednica kulek dk=2,0 mm

3. dla próbek Nr 032, 033, 034:ciœnienie p.=0,45 MPaczas t=2x60sœrednica kulek dk=2,0 mm

4. dla próbek Nr 035, 036, 037:ciœnienie p..=0,45 MPaczas t=2x45sœrednica kulek dk=1,5 mm

Wstêpne badania doœwiadczalne przeprowadzone na próbkach z blachy aluminiowej 6061-T4 wskazuj¹ na koniecznoœæ przeprowadzenia badañ z wykorzystaniem innych metod ³¹czenia blach, pozwalaj¹cych na zmniejszenie rozmiarów spoiny i ograniczenie strefy wp³ywu ciep³a. Przeprowadzone badania wskazuj¹ na mo¿liwoœæ wykorzystania systemu ARAMIS do okreœlania stanu naprê¿enia i odkszta³cenia materia³u w wyniku jego obci¹¿ania, a zw³aszcza do okreœlania granicznej krzywej t³ocznoœci blach zarówno jednolitych, jak i spawanych.

Rys. 13. Przyk³adowe wyniki badañ próby rozci¹gania próbki aluminiowej (Nr 033), spawanej po operacji pneumokulowania; parametry pneumokulowania: p. = 0.45 MPa, t = 2x60s, dk = 2,0mm

Opracowanie metodyki prowadzenia symulacji numerycznych procesu zgrzewania tarciowego tytanu z aluminium

Opis modelu numerycznegoModel numeryczny zbudowano przy u¿yciu metody elementów skoñczonych z zastosowaniem programu ADINA System v8.5. Ze wzglêdu na fizykê procesu technologicznego uwzglêdniono wp³yw zjawisk mechanicznych na zjawiska termiczne. W tym celu zbudowano termomechaniczny osiowosymetryczny (2D) model procesu zgrzewania tarciowego. Do zamodelowania procesu zgrzewania w zakresie mechanicznym przyjêto sprê¿ysto-plastyczny model materia³u bazuj¹cy warunku plastycznoœci Hubera-Misesa (HM). Prawo p³yniêcia stowarzyszone z warunkiem plastycznoœci HM i izotropowym modelu wzmocnienia materia³u.

X Y

Z

c) Wersja 3

PLASTICSTRAIN

TIME 2.0

1.040

0.880

0.720

0.560

0.400

0.240

0.080

MAXIMUM1.127

NODE 185

MINIMUM0.002994

NODE 654

PLASTICSTRAIN

TIME 2.000

0.6500

0.5500

0.45000.3500

0.2500

0.1500

0.0500

MAXIMUM0.6956

NODE 96

MINIMUM0.000

NODE 290

a) Wersja 1 b) Wersja 2

PLASTICSTRAIN

TIME 2.0

0.7800

0.6600

0.5400

0.4200

0.3000

0.1800

0.0600

MAXIMUM0.8602

NODE 126

MINIMUM0.000

NODE 352

Rys. 3. Rozk³ad odkszta³ceñ plastycznych na przekroju prêtów po czasie tarcia (t = 2s). Geometria próbki: a) wersja 1, b) wersja 2, c) wersja 3.

500

1000

2.0

1500

4.0

2000

6.0

2500

8.0

3000

10.0

3500

12.0

Si³a

,

N

Czas, s

Prz

em

ieszczen

ie,

mm

14.0

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Si³a, N wersja 1

Si³a, N wersja 2

Si³a, N wersja 3Przemieszczenie aluminiowego prêta, mm

Tarcie Spêczanie

Rys. 4. Przebieg si³y docisku prêtów [N] w czasie zgrzewania [s] oraz zadane przemieszczenie prêta aluminiowego [mm]

Wraz ze wzrostem œrednicy prêta aluminiowego wzrasta si³a potrzebna do realizacji procesu zgrzewania tarciowego. Przebieg si³y w czasie tarcia ma w przybli¿eniu sta³¹ wartoœæ zale¿n¹ od œrednicy zastosowanego prêta aluminiowego. W czasie spêczania przy braku generowania ciep³a wzrasta si³a potrzebna do wymuszenia przemieszczenia.

Wskutek postêpuj¹cego odkszta³cenia powierzchni czo³owej aluminium jego strefa przypowierzchniowa przemieszcza siê w kierunku promieniowym tworz¹c wyp³ywkê która usuwa tlenki aluminium i tytanu z obszaru kontaktu. Tworz¹ca siê wyp³ywka chroni tytan przed potencjalnym utlenieniem i naazotowaniem z powietrza.

Badania metalograficzne i twardoœci z³¹czy spawanych

wi¹zk¹ elektronów – okreœlenie maksymalnych twardoœci

Opracowanie technologii spawania stali 30HGS i odpowiedników umo¿liwiaj¹cych

uzyskanie z³¹czy o dopuszczalnych poziomach twardoœci

Modelowanie procesu spawania wi¹zk¹ elektronów

Rys. 7. Objêtoœæ metalu o temperaturze przekraczaj¹cej 500°C dla prêdkoœci: a) 20 mm/s b) 10 mm/s c) 6.(6) mm/s

Rys. 6. Rozk³ad temperatur w zale¿noœci od g³êbokoœci, prêdkoœæ 10 mm/s

Rys. 8. Ocena porównawcza obliczeñ numerycznych i badañ doœwiadczalnych

Poprzez porównanie linii izotermicznych z analizy numerycznej i obrazu makrostruktury spawanego z³¹cza dokonano oceny zgodnoœci doœwiadczenia z teori¹. Przyjêty model numeryczny pozwoli³ na uzyskanie satysfakcjonuj¹cej zgodnoœci wyników obliczeñ numerycznych z danymi eksperymentalnymi.

TEMPERATURE

3060.2880.2700.2520.2340.2160.1980.1800.1620.1440.1260.1080.900.720.540.

ISOSURFACE

TEMPERATURETHRESHOLD 500.0

TIME 0.70833

a)

b)c)

MAXIMUM3448.

TIME 1.4167MAXIMUM

5042.

TIME 2.1250MAXIMUM

6216.

Rys. 5. Rozwój strefy wp³ywu ciep³a w modelu numerycznym spawanych tulei; a) czas 0.3056s, b) czas 0.58333s, c) czas 0.86111s, d) czas 1.4167s

Model numeryczny procesu EBW zbudowano przy u¿yciu programu ADINA System Program bazuje na Metodzie Elementów Skoñczonych. Przyjêto, sto¿kowe Ÿród³o ciep³a. Trójk¹tny przekrój sto¿kowego Ÿród³a ciep³a odwzorowuje rzeczywisty kszta³t przekroju poprzecznego spoiny. W modelu Ÿród³a ciep³a o kszta³cie sto¿ka, uwzglêdniono jego ruch podczas procesu spawania. Za³o¿ony kszta³t Ÿród³a ciep³a wynika z mechanizmu rozchodzenia siê wi¹zki elektronów wewn¹trz z³¹cza.

Za³o¿eniem globalnym przy konstruowaniu stanowiska badawczego by³o wykorzystanie typowej laboratoryjnej maszyny wytrzyma³oœciowej (zrywarki) do okreœlenia wytrzyma³oœci na œcinanie po³¹czeñ klejonych. Uwzglêdniono w tym celu zakres mo¿liwych do przeprowadzenia badañ. Brano pod uwagê wymiary przestrzeni roboczej zrywarki oraz maksymaln¹ mo¿liw¹ do przy³o¿enia si³ê.

Opracowanie metodyki badañ po³¹czeñ klejonych

oœ mimoœrodu

œruby mocuj¹ce

p³yta mimoœrodu

przeciwwaga

fragment szczêki

hamulcowej

próbka

przeciwpróbka

p³yta bazowa

³¹cznik mimoœrodu

mocowanie do

zrywarki

Rys. 9. Koncepcja stanowiska badawczego do prób wytrzyma³oœci po³¹czeñ klejonych: ok³adzina cierna – szczêka hamulcowa (widok: front)

G³ówne cechy stanowiska:

? próbkê stanowi reprezentatywny wycinek ok³adziny ciernej przyklejony do fragmentu szczêki hamulcowej,

? przeciwpróbka odwzorowuje fragment bêbna hamulcowego z dodatkowym elementem blokuj¹cym przemieszczanie siê próbki,

?zwiêkszenie si³y oddzia³uj¹cej na z³¹cze klejone realizowane jest poprzez mimoœród,

?stabilnoœæ zamocowania uk³adu badawczego na maszynie wytrzyma³oœciowej zapewnia przeciwwaga o odpowiednich gabarytach,

Przygotowanie próbek do badañ bêdzie polega³o na wyciêciu reprezentatywnych fragmentów ok³adziny ciernej o d³ugoœci ok. 10 mm. Równolegle zostan¹ przygotowane stosownych wymiarów fragmenty szczêk hamulcowych przeznaczonych do osadzenia (przyklejenia) na nich próbek ok³adziny ciernej.

Temperatura wstêpnego nagrzania przy gruboœci

do 15 mm

pow. 15 do 25 mm

pow. 25 do 50 mm

200 –

300

[0C]

250 –

350

[0C]

pow. 350

[0C]

Rys. 1. Zmiana temperatury wstêpnego podgrzewania w zale¿noœci od gruboœci podczas spawania stali 30HGSA

Sposób przygotowania krawêdzi z³¹czaBrzegi do spawania nale¿y ukszta³towaæ zgodnie z wytycznymi kart technologicznych spawania, które sporz¹dza siê w oparciu o odpowiednie normy przedmiotowe uwzglêdniaj¹ce gatunek spawanego materia³u, jego gruboœæ i przyjêt¹ technologiê spawania. Krawêdziom nale¿y nadaæ kszta³t za pomoc¹ obróbki mechanicznej. Przygotowanie brzegów elementów mo¿na wykonaæ za pomoc¹ ciêcia plazmowego, po czym brzegi nale¿y obrobiæ mechanicznie na g³êbokoœæ nie mniejsz¹ ni¿ 1mm. Przy ciêciu termicznym materia³ów sk³onnych do hartowania siê nale¿y stosowaæ podgrzewnie wstêpne do temperatury analogicznej jak przed

ospawaniem. Do ciêcia nale¿y stal 30HGSA wstêpnie podgrzaæ do temperatury 200 – 250 C.

Ciête powierzchnie nale¿y studziæ w spokojnym powietrzu.

Stan powierzchni krawêdzi z³¹cza przed spawaniemPrzed spawaniem krawêdzie elementów nale¿y bezwzglêdnie oczyœciæ z wszelkichzanieczyszczeñ pokrywaj¹cych powierzchniê zewnêtrzn¹, wewnêtrzn¹ i czo³ow¹(zgorzelina, rdza, smar, farba, itp..). Minimalna szerokoœæ oczyszczonej strefy materia³urodzimego powinna wynosiæ 20mm od krawêdzi z³¹cza. Operacjê czyszczenia nale¿yprowadziæ do momentu uzyskania czystej powierzchni metalicznej.

Dok³adnoœæ monta¿u elementów przed spawaniemElementy do spawania nale¿y pozycjonowaæ z zachowaniem tolerancji wymiarowych okreœlonych w projekcie.

Sczepianie z³¹cza do spawaniaSczepianie z³¹cza mog¹ wykonywaæ wy³¹cznie spawacze posiadaj¹cy odpowiednie uprawnienia do spawania. Punkty sczepne nale¿y uk³adaæ w miejscach naj³atwiej dostêpnych oraz na odcinkach, które bêd¹ spawane w najdogodniejszych pozycjach. Podczas sczepiania nale¿y œciœle przestrzegaæ wytycznych zawartych w kartach technologicznych spawania danego z³¹cza (spoiwo, temperatura podgrzewania itd.).

Spostrze¿enia i wstêpne wnioski

1. Badania metalograficzne i twardoœci dowodz¹, ¿e materia³y podstawowe (rury ze stali 30HGSA) dostarczane s¹ w stanach po ró¿nych obróbkach cieplnych (rozrzut twardoœci od 181 do 410 Hv10).

2. Z³¹cza spawane, mimo autoobróbki cieplnej kilkakrotnie prowadzon¹ wi¹zk¹ elektronów (np. próbki nr 5, nr 6, nr 8) nie uzyskuj¹ gwarantowanej, niskiej twardoœci.

3. Wzrost twardoœci poza granicê 350 HV, a szczególnie 420 HV ma ograniczony przestrzennie charakter, a umiejscowienie w¹skich stref koncentruje siê w strefach wp³ywu ciep³a i spoinie (próbki nr 3, nr 4, nr 6, nr 7, nr 8).

4. Mo¿liwe jest osi¹gniêcie w z³¹czu dopuszczalnych twardoœci (próbki nr 1, nr 2, nr 5) spoiny i strefy wp³ywu ciep³a, niezbêdnych dla bezpiecznej eksploatacji z³¹czy.

szerokoϾ

b

[mm]

wysokoϾ

h

[mm]

b/h szerokoϾ

SWC

[mm]

3

4

0,75

0,3

Rys. 2. Rozk³ad twardoœci w z³¹czach spawanych elektronowo.Dopuszczalne poziomy twardoœci : 350HV i 420HV.

4 mm 1.55 mm

P1

P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14P2

P3

P4

P0

Tem

pera

ture

[°C

]

0

100

200

300

400

500

600

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6Time [s]