Approccio innovativo alla simulazione di assiemi complessi soggetti a processi di saldatura
Lorenzo Iorio, Sergio Schiavone - ESI Italia
1. INTRODUZIONE
ESI Group ha messo a punto e validato da decenni la soluzione software “verticale” dedicata alla simulazione numerica dei processi di saldatura e trattamenti termici ESI SYSWELD, ormai comunemente in uso nei settori Energy/Oil&Gas (Figura 1), Transportation ed Aerospace.
Tale soluzione permette di prevedere la risposta di una struttura sottoposta all’effetto di una sorgente termica in movimento, come nel reale processo di saldatura, per valutare distribuzione di temperature, distorsioni, stress residui, cambiamento delle fasi metallurgiche del materiale, deformazioni, durezza, ecc. La simulazione accoppiata dei fenomeni fisici di tipo termico e meccanico e delle fasi metallurgiche garantisce risultati altamente predittivi consentendo quindi di verificare in anticipo tutti i parametri del processo fisico prima della sua realizzazione.
2. Metodologie di simulazione di saldatura
La modellazione del processo di saldatura può essere eseguita mediante tre approcci fondamentali:
Moving Heat Source: la sorgente di calore, caratterizzata da parametri di forma ed energetici tipici della macchina industriale simulata, si muove lungo una traiettoria identificata dal cordone di saldatura che viene modellato in maniera intuitiva tramite il modulo Visual Mesh. Questo tipo di approccio permette di simulare in maniera affidabile gli effetti scaturiti dal processo di saldatura, in quanto i riscaldamenti e raffreddamenti dell’assieme risulteranno locali e tempo varianti come le distorsioni e stress residui scaturiti da tali fenomeni;
Macro-Bead: nel caso di assiemi molto grandi e complessi, una simulazione di tipo “Moving Heat Source” può risultare molto onerosa dal punto di vista dei costi computazionali, per questo è stata messa a punto la soluzione Macro-Bead che abbatte di un ordine di grandezza il costo computazionale (tipicamente da un’ora di calcolo a pochi minuti), pur conservando un elevato livello di accuratezza risultati. Tale metodologia si utilizza spesso insieme a una modellazione effettuata con la sorgente in movimento ma su un modello di dimensioni ridotte, in questo modo è infatti possibile ricavare rapidamente informazioni locali di dettaglio circa il ciclo termico del cordone di saldatura che poi verranno utilizzate come input per l’intera struttura. I risultati ottenibili sono ancora tempo varianti e perfettamente coerenti con il metodo Moving Heat.
Shrinkage: questa metodologia, simulata tramite il modulo Visual Assembly, consente un’ulteriore riduzione del costo computazionale perché si basa sull’ipotesi che gli effetti dominanti che causano le distorsioni di un assieme a valle di un processo di saldatura sono dipendenti dal forte ritiro del materiale dei giunti saldati.
Si ipotizza quindi che la maggiore parte delle distorsioni sia concentrata nel raffreddamento del cordone di saldatura, in quanto l’arco temporale occupato da questa fase è sensibilmente maggiore rispetto a quello di riscaldamento. A tale scopo, vengono trascurate le dinamiche del processo di saldatura in termini di sorgente e parametri e si incentra tutta l’attenzione dell’analisi sui possibili ritiri e conseguenti deformazioni dell’assieme simulato. Il calcolo che scaturisce da tale metodologia risulta molto rapido e quando tarato opportunamente insieme con i metodi precedenti, fornisce soluzioni estremamente precise. Inoltre, tale metodologia permette di simulare anche gli effetti prodotti dal processo di assemblaggio in termini di movimentazioni e serraggi. In questo modo è quindi possibile ottimizzare allo stesso tempo il processo di assemblaggio e il processo di saldatura riducendo al minimo le distorsioni finali e rendendo un componente il più possibile fedele ai requisiti nominali di progetto.
3. Simulazione di assiemi complessi
Un tipico esempio di utilizzo accoppiato dei tre approcci di simulazione appena descritti può essere identificato nella modellazione di una struttura complessa e di grandi dimensioni soggetta a saldatura (Figura 3) come per esempio: una tubatura di un gasdotto, un imperiale e/o una fiancata di un treno, un nodo strutturale di un ponte o una traversa automotive; quest’ultima di dimensioni più contenute, ma soggetta a numerose operazioni di assemblaggio.
Le tre fasi di simulazione possono essere interpretate anche come il passaggio da un approccio microscopico ad uno macroscopico:
Studio di giunti rappresentativi della struttura (e.g. giunto T, giunto sovrapposto, giunto testa-testa) utilizzando l’approccio Moving Heat Source.
Partendo da parametri di input deducibili dal documento WPS (Welding Procedure Specification) di saldatura e dalla geometria tipica del giunto, si studia in dettaglio l’effetto termico e meccanico della saldatura in termini di: estensione della zona fusa e termicamente alterata, stress residui e deformazioni all’interfaccia tra metallo base e d’apporto, e si estrapola il ciclo termico rappresentativo della saldatura;
Studio delle distorsioni su una porzione di struttura con l’approccio Macro-Bead. Utilizzando, come input, il ciclo termico ottenuto dallo step precedente, è possibile analizzare una porzione di una struttura composta dalle stesse tipologie di giunti analizzati nello step 1. Il ciclo termico imposto avrà lo stesso effetto della saldatura studiata al punto uno, ma permetterà di analizzare un fenomeno più ampio come la deformazione della porzione di struttura in analisi.
Studio della distorsione globale della struttura complessa tramite approccio Shrinkage. Al fine di ottimizzare i tempi di calcolo, sarà possibile utilizzare i risultati ottenuti nello step 2 per simulare l’intera struttura. Tale approccio permetterà di ottenere risultati in termini di distorsioni e stress globali in tempi ragionevolmente ristretti.
4. Simulazione avanzata di assiemi stampati e/o curvati
Un altro esempio di simulazione avanzata di assemblaggio per saldatura viene identificato quando si affrontano problematiche legate a componenti provenienti da operazioni di manufacturing, come lo stampaggio di lamiere e/o curvatura tubi. Tali componenti, essendo ottenuti per lavorazioni di deformazione plastica, presentano delle distorsioni diverse da quelle ipotizzate a progetto (caso nominale). A causa di queste distorsioni, non è banale prevedere in anticipo le problematiche che la stazione di assemblaggio per saldatura (successiva a quella di stampaggio o curvatura) dovrà affrontare per ridurre gli scostamenti “nominale vs deformato” di componenti multipli costituenti l’assieme finale.
Per questa tipologia di problematiche ESI offre una suite di simulazione di manufacturing che permette di simulare tutta la storia “manifatturiera” di un componente, al fine di avere sotto controllo tutte le tolleranze e le problematiche di processo sin dalla fase di progetto.
In Figura 4 è schematizzata una linea di produzione associata ai software ESI per la soluzione del Virtual Manufacturing. Un utente può quindi affrontare il Virtual Manufacturing in un unico ambiente integrato in cui siano presenti le diverse fasi di produzione di un assemblato (e.g. simulazione di processi di stampaggio e curvatura tubi, assemblaggio per saldatura e trattamento termico ecc.), potendo così prevedere e correggere, già durante il design iniziale, tutte le criticità che ogni fase di produzione potrebbe presentare. Un esempio tipico di simulazione di Virtual Manufacturing può essere la produzione di un montante B nel settore automotive (Figura 5). Il montante B viene ottenuto tramite assemblaggio di 3 componenti, realizzati precedentemente per stampaggio, tramite saldatura a punti (spotweld).
Le fasi di assemblaggio possono essere suddivise in:
Pre-positioning: i 3 componenti provenienti da una operazione di stampaggio vengono posizionati per gravità sull’attrezzatura di assemblaggio. I componenti, provenendo da una simulazione di stampaggio, presenteranno delle lievi distorsioni che, sommate in fase di assemblaggio, potranno generare delle problematiche di posizionamento.
Holding: l’attrezzatura di afferraggio si chiude sui componenti precedentemente posizionati uno sull’altro. Tale operazione può essere utile per simulare eventuali operazioni di pre-bending di un assemblato, al fine di compensare le distorsioni di ritorno elastico causate dalla saldatura simulata nello step successivo.
Joining: i componenti vengono uniti tra loro tramite saldatura a punti, come nel caso del montante B, o saldatura a filo. La simulazione di tale fase permette di prevedere le distorsioni risultanti dall’operazione di assemblaggio per saldatura con relativi effetti di ritorno elastico, ma l’utilizzo accoppiato del modulo di ottimizzazione consente di individuare anche la migliore sequenza di saldatura o la compensazione geometrica dei componenti che minimizza le distorsioni finali.
5. Conclusioni
La realizzazione di una metodologia numerica efficiente per simulare i processi di saldatura tramite l’uso della suite di saldatura ESI SYSWELD permette di prevedere la qualità dei prodotti in lavorazione, al variare delle condizioni operative (di processo e/o ambientali).
La soluzione proposta risulta altamente versatile in quanto i diversi approcci permettono di passare agevolmente da un’analisi su piccola scala e di dettaglio (e.g. simulazione del giunto), ad un’analisi su grande scala e globale (e.g. strutture semplici o complesse), assicurando risultati affidabili per la quantificazione degli effetti dei fenomeni termomeccanici e metallurgici su strutture/assemblati soggetti a processi di saldatura.
L’approccio Virtual Manufacturing, in cui tutte le fasi di produzione vengono simulate in cascata tramite importazione dei risultati tra una fase e l’altra, permettono di tenere sotto controllo tutte le criticità di processo che potrebbero presentarsi in fase di produzione, permettendo quindi di individuare le opportune manovre correttive in fase iniziale di analisi di processo, in termini di compensazione del ritorno elastico e di ottimizzazione degli afferraggi e delle sequenze di saldatura.