3.

Projektomfang

[TILBAGE]
3.2  Projekt 2 - Aluminiums reaktion på varmepåvirkning

3.2.1   Opgavebeskrivelse
3.2.2   Idegrundlag
3.2.3   Målbeskrivelse
3.2.4   Organisering
3.2.5   Projektets faciliteter
3.2.6   Usikkerheder


3.2.1 

[TOP] 		 Opgavebeskrivelse

Baggrund

Sammenføjning af aluminium er en nøgleteknologi for en succesrig udnyttelse af materialets store potentiale. Det er vigtigt at bemærke, at en følge af aluminiums egenskaber er, at alle former for sammenføjning af alumini-umslegeringer er komplekse og indebærer krævende udfordringer, hvilket udbudsmaterialet fra Søfartsstyrelsen også har som baggrund. Disse udfordringer må nødvendigvis løses, før aluminium kan få et afgørende gennembrud som konstruktionsmateriale.

Groft set kan sammenføjning opdeles i mekaniske metoder, limning, lodning og svejsning. Bortset fra flyindustrien, der ikke er meget udbredt i Danmark, er svejsning absolut dominerende. Langt den overvejende del af den svejsning, der udføres i dag, udføres ved lysbuesvejsning. Selv om der findes en række varianter af lysbuesvejsning (f.eks. TIG-, MIG-, MAG- og plasmasvejsning), er det et fælles træk, at emnerne under gasbeskyttelse opvarmes ved hjælp af en elektrisk lysbue og sammensmeltes. Også de avancerede metoder, som er på vej til et gennembrud inden for konstruktive anvendelser, nemlig laserbaserede teknologier, bygger på, at materialerne tilføres varme og smeltes. Kun den såkaldte "friction stir welding"-teknik, der kun vil kunne anvendes i begrænsede tilfælde, udføres i fast fase - dvs. uden væsentlig opvarmning.

Med henblik på sammenføjning ved svejsning har aluminium nogle karakteristika, som gør, at man ikke uden videre kan overføre erfaringer fra stål til aluminium. Følgende specielle forhold, som har relevans for aluminiumslegeringers reaktion på varmepåvirkning, kan nævnes:

- Varmeledningsevnen er meget stor og smeltetemperaturen lav, hvilket gør, at en smeltesvejsning forløber helt anderledes i en aluminiumslegering end i stål. Smeltebadet bliver således meget stort, og den visuelle vurdering af svejsningens forløb kan ikke anvende glødefarverne. Beregningsmæssigt kan vurderingerne af indflydelsen af varmepåvirkningen på svejsningen ikke - som ved stål - alene gøres på grundlag af varmeindføringen, da dette forudsætter, at man kan anvende de bagvedliggende varmeledningsligninger i deres højhastighedstilnærmelse. Dette er ikke tilladeligt for aluminium, og i stedet må anvendes empiriske metoder eller alternativt et meget tungt formelapparat.

- Den store varmeledningsevne i forbindelse med den lave styrke ved højere temperaturer end ca. 300°C betyder også, at kastninger og andre deformationer i forbindelse med svejsning bliver meget store og ukontrollable. Dette udgør et meget stort anvendelsesmæssigt problem ved svejste aluminiumskonstruktioner.

- Næsten alle aluminiumslegeringer taber kraftigt i styrke ved varmebehandling (svejsning), idet modningshærdede legeringer overmodner, ligesom effekten af en eventuel koldbearbejdning under fremstillingen af pladen fjernes.

Ud over de udfordringer, der knytter sig til selve de enkelte svejseteknologier, kan der derfor identificeres et stort fælles sæt af problemstillinger, der knytter sig til aluminiums opvarmning og smeltning som en del af svejseprocesserne. Det drejer sig om aluminiums reaktion på varmepåvirkning, som er temaet for dette projekt.

3.2.2 

[TOP]		 Idegrundlag

Varmepåvirkning er den direkte årsag til en række væsentlige industrielle udfordringer i forbindelse med svejsning, nemlig bl.a.

- store og ukontrollable kastninger
- styrketab
- manglende samlet beskrivelse af størrelse af og effekt på den varmepåvirkede zone ved svejsning (HAZ)

Det skal bemærkes, at emnet også er særdeles relevant for brandpåvirkede konstruktioner, idet aluminiumslegeringer taber afgørende i styrke over ca. 300°C og smelter allerede ved ca. 650°C. Endvidere kan langsom deformation over lang tid (krybning) ligesom struktur- og styrkeændringer ske allerede ved opvarmning til nogle få hundrede grader.

Legeringstyper

Rent aluminium er meget blødt og svagt, men kan styrkes ved koldbearbejdning og/eller legering med andre elementer. En del legeringselementer forøger styrken ved simpel opblanding (opløsningshærdning), det gælder f.eks. for magnesium og silicium. De største styrker opnår man dog ved modningshærdning, hvor små partikler udskilles i strukturen. Sådanne legeringer indeholder kobber eller en kombination af enten magnesium/silicium eller magnesium/zink.

For konstruktive anvendelser i svejste konstruktioner vil specielt de følgende typer være relevante (tallene indeholdt i betegnelserne angiver omtrentlige procentandel af legeringselementerne):

- Magnesiumlegerede opløsningshærdede typer, f.eks. AlMgl, AlMg3 eller AlMg4.5Mn, hvor den sidste type hører til de såkaldt søvandsbestandige typer.

- Magnesium/silicium modnings- og opløsningshærdede typer, som bl.a. er velegnede for ekstrudering, f.eks. AlMgSil og AlMgO.5SiO.7

- Zink/magnesium modnings- og opløsningshærdede typer, f.eks. AlZn5.5MgO.8, som giver den største styrke af de såkaldte svejsbare legeringer, og som også kan ekstruderes.

Disse hovedtyper af legeringer vil blive inddraget i projektet, men de præcise legeringssammensætninger vil blive defineret i projektet i et samarbejde mellem projektets partnere.
3.2.3 

[TOP]		 Målbeskrivelse
Delprojekt 2.1: Varmepåvirkning - Svejserækkefølge:

A Der etableres en sammenhæng mellem svejseparametrene for de forskellige processer og den varmepåvirkede zones form og udbredelse såvel som det termiske forløb i svejsemetallet (WM), den varmepåvirkede zone (HAZ) og grundmaterialer (BM). Modellen udvikles til at være industrielt operationel.
B Principperne for de forskellige typer af aluminiumslegeringers styrketab i forbindelse med varmepåvirkning fastlægges på såvel mikrostrukturelt som operationelt niveau. Gennem varmebehandlingsforsøg såvel som svejseforsøg fastlægges modeller for styrketabet ved svejsning og dets relation til svejseparametrene. Sidstnævnte kræver anvendelsen af det under A) udviklede modelapparat.
C Principperne for kastninger i forbindelse med svejsning fastlægges. Der udføres grundlæggende forsøg på enkle veldefinerede geometrier (elementartilfælde) for derigennem at bestemme størrelserne af de involverede spændinger og deformationer. Der opstilles modeller for forudsigelse og dermed styring/reduktion af kastninger og andre deformationer ved svejsning.

D Der gennemføres beregninger og forsøg med "gode eksempler", ligesom kvalitetskriterier samt de produktionsmæssige konsekvenser såvel som de økonomiske vurderes. I forbindelse med den demonstrationsmodel, der er opbygget andet sted i projektet i fuld størrelse, vil de opstillede modeller og kriteriers egnethed blive vurderet ved fuldskala-forsøg.


Delprojekt 2.2: Varmepåvirkning - Reduktion af varmeindførsel

Såvel produktivitetsmæssigt som med hensyn til kvalitet, styrke og kastninger vil det som hovedregel være gavnligt med en minimering af varmeindførslen (varmeinput).

A De forskellige lysbueprocessers muligheder og begrænsninger afklares gennem en blanding af forsøg og analyser. Eksempelvis undersøges effekten af svejsehastighed, beskyttelsesgastype og blanding samt svej-sestillinger.
B Desuden undersøges effekten af at koncentrere varmeindførslen (effekttætheden), hvorved et mindre smeltebad, et hurtigere termisk forløb samt en mindre varmeindførsel generelt kan opnås. Noget kan opnås gennem eksempelvis valg af beskyttelsesgas ved MIG/MAG- og TIG-processerne, men specielt plasmasvejseprocessen og også lasersvejseprocessen er relevant i denne forbindelse, idet man med disse processer kan komme ud over den varmeledningsbegrænsede svejsning og opnå 2-dimensionel varmeudbredelse også i tykke plader.
C I praksis lader en stor svejsehastighed sig som regel ikke gennemføre i forbindelse med manuel svejsning, fordi der er en øvre grænse for den hastighed, en svejser kan præstere som en jævn bevægelse. Grænsen ligger et sted mellem 300 mm/min og 500 mm/min. Specielt ved svejsning af sømme med små tværsnit er dette dilemma påtrængende. Derfor er en mekaniseret udførelse ofte en nødvendighed alene af kvalitetsmæssige hensyn. For lidt mere sammensatte emner er almindelige én-aksede lineære eller roterende bevægelser utilstrækkelige. Her vil fleraksede mekanismer, typisk industrirobotter, komme på tale. Det er imidlertid vigtigt at være opmærksom på, at der som regel stilles store krav til præcisionen i bevægelsen ad den bane, som beskrives af svejsefugen. Foruden almindelige unøjagtigheder kan termiske bevægelser knyttet til igangværende svejseoperationer medføre afvigelser mellem fugens placering og den forud-programmerede banebevægelse. Integration af et fugefølgesystem eller et mere alsidigt sensorsystem kan derfor komme på tale. Gennem robotisering eller automatisering kan der således opnås højere produktivitet såvel som et mere ensartet og velkontrolleret resultat - mulighederne herfor vurderes og beskrives.

D På samme måde vurderes mulighederne for at opnå et faktisk A-mål så tæt på det nominelle som muligt, samtidig med at man ikke må gå under det nominelle mål. Ved visse svejseprocesser kan der dog eventuelt tillades et mindre end nominelt A-mål, hvis der kan garanteres en minimum-indtrængning i grundmaterialet - mulighederne herfor undersøges bl.a. gennem forsøg og beskrives.

E Effekten af begrænsede henholdsvis gode adkomstforhold undersøges, og der gennemføres forsøg med "gode eksempler", ligesom kvalitetskriterier samt de produktionsmæssige konsekvenser såvel som de økonomiske vurderes.

 
Delprojekt 2.3: Varmepåvirkning - overlængder

Tæt knyttet til den i delprojekt 2.1 foretagne undersøgelse af kastninger og anden deformation i forbindelse med svejsning er den nødvendige størrelse samt placering af overlængder.

A På baggrund af resultaterne fra delprojekt 2.2 udvikles derfor en simpel beregningsmodel til bestemmelse af overlængdernes nødvendige størrelse, ligesom der udvikles kriterier for vurderingen af deres placering i konstruktionen.
B Der gennemføres beregninger og forsøg med "gode eksempler", ligesom kvalitetskriterier samt de produktionsmæssige konsekvenser såvel som de økonomiske vurderes.
C I forbindelse med den i projekt 3 opbyggede demonstrationsmodel i fuld størrelse vil de opstillede modeller og kriteriers egnethed blive vurderet ved fuldskala- forsøg.


3.2.4 

[TOP]		 Organisering

FI er projektleder og vil i samarbejde med de øvrige deltagende parter og konsortiet koordinere arbejdet samt sørge for, at den samlede opgave bliver løst. Der vil blive afholdt regelmæssige projektmøder samt i øvrigt efter behov.
3.2.5 

[TOP]		 Projektets faciliteter

FI har en bred svejseteknisk, metallurgisk og beregningsmæssig viden og stiller svejselaboratorier og maskiner til rådighed. Migatronic er svejsema-skineproducent og tilsatsmaterialeleverandør og råder derfor specielt på dette område over en meget stor viden, og endelig har DTU en stor viden om skibsdesign og -beregning m.m. Tilsammen råder parterne endvidere over såvel svejseudstyr som computere og måleudstyr.
3.2.6 

[TOP]		 Usikkerheder

Det er naturligvis uklart, hvor præcise de udviklede modeller m.m. vil blive, men det er på den anden side åbenbart, at der vil opnås en stor forbedring i forhold til det aktuelle niveau. Et andet usikkerhedsmoment er, hvor operationelt dette vanskeligt tilgængelige stof kan gøres.

[TOP]
[TILBAGE]