Nationell Teknik plattform för konstruktion och tillverkning av lätta svetsade strukturer Framtagen genom TEMA Lätta optimerade svetsade strukturer (LOST) + MERA-projektet Kvalitet optimering och kosteffektiva svetsade strukturer (KOST) Prof Jack Samuelsson Volvo CE/KTH, Alexander Kaplan LTU Dr Peter Hammersberg CTH, Dr Niklas Järvstråt HV Dr Joachim Larsson SSAB, Stellan Carlsson Svetskommissionen 1 Innehåll Bakgrund IIW Projektöversikt Verksamhet Industriella resultat Akademiska resultat Teknikplattform 2 1
Development of R&D in Welded Structures in Nordic Projects Medium Material strength High Spectrum loading Corrosion Fatigue Optimisation Acceptance Design Limits Thinness 1988 2004 3 IIW - International Institute of Welding International Institute of Welding är det internationella nätverket inom svetsområdet. IIW grundades 1948 och har över 50 medlemsländer. Svetskommissionen är en av grundarna till IIW och huvudansvarig för det svenska medlemskapet. Medlemmar i Svetskommissionen har åtkomst till IIW:s tekniska dokument 4 2
List of Institute of Welding (IIW) Working Units Working Unit C I C II C III Title Brazing, Soldering, Thermal cutting and flame processes Arc Welding and Filler Metals Resistance welding, solid state welding and allied joining processes C XIII C XIV C XV C XVI Fatigue of welded components and structures Education and training Design, Analysis and fabrication of welded structures Polymer joining and adhesive technology C IV Power Beam Processes IAB International Authorisation Board C IX Behaviour of metals subjected to welding IAB/A Education, Training and Qualification C V C VI C VIII C X C XI C XII Quality control and quality assurance of welded products Terminology Health and Safety Structural performances of welded joint - Fracture avoidance Pressure vessels, boilers and pipelines Arc welding processes and production IAB/B SC AIR SC ENV SC QUAL SC STAND Implementation and Authorisation Select Committee Permanent joints in new materials and coatings for aircraft engineering Select Committee Environment Quality Management in welding and allied processes Select Committee for Standardization 5 Improving quality of life through optimum use and innovation of welding and joining technologies Commission XIII - Fatigue of Welded Components and Structures Chairman Prof Gary Marquis Testing and data evaluation Post weld improvement technology FE based design methods Weld quality for fatigue Repair and retrofitting Design Guidelines Residual stress and distortion 6 3
Industriella problemställningar (2005): Dålig noggrannhet vid utmattningsdimensionering Svetsar som har hög anvisningverkan eller olämpligt placerade Strukturoptimering användes av ett fåtal Förbättringsmetoder användes i liten utsträckning. Kassation, haverier och garantikostnader uppkommer p g a brister i Svetsklassystemet brister i processtyrning brister i kontroll Långsam introduktion av nya fogningsmetoder Begränsade resurser 7 8 4
WP Beskrivning Ansv Primära deltagare 1 Produktionstekniska aspekter på lokal geometri och KTH LTU, SSAB, HIAB, lokalt inducerade spänningstillstånd m a på (WP 6 i Volvo, HV, ATLAS KOST) utmattningsdimensionering, 2 Strukturoptimering ALFG KTH, HIAB. ATLAS Volvo, SSAB, VAC 3 Utveckling av ny svetsklasstandard och kontrollsystem, Volvo HV, SVK, SSAB, ESAB (WP1 och 4 i KOST) Implementering av nya svetsklasser tillv. företag 4 Förbättringsmetoder för svetsförband samt dimensioneringsunderlag SSAB KTH, Volvo, ATLAS för valsade ytor och skurna kanter i hög- hållfast material (WP3 i KOST) 5 Automatisering av kvalitetssäkrad svets- och förbättringsprocess HV ESAB, Volvo, LTU, (WP2 i KOST) Processtyrning i löpande AHAN, Brink, HIAB. serieproduktion. 6 Kontrollstrategi för inre fel (WP5 i KOST), Produktionsanpassat system för oförstörande provning (OFP). CTH 7 Framtagning av robust Laserhybrid process LTU HIAB, tilv. företag 8 Demonstrator 1. Utskjutsprofil med optimalt svetsläge HIAB LTU, SSAB 9 Demonstrator 2. Stödbensutdrag med optimerad svets HIAB LTU, SSAB 10 Demonstrator 3. Lätt Vågbalk VCE SSAB, LTU 11 Demonstrator 4. Lätt Lyftramverk VCE SSAB, ALFGAM 12 Demonstrator 5 Borrbomsdel ATLAS SSAB 13 Utbildning och implementering av teknik för dimensionering och tillverkning av lätta svetsade konstruktioner FORCE, ÅF,, HV, LTU, tillv företag. 9 SVK Samtliga Målsättning: Att skapa förutsättningar för att utveckla unika eller högpresterande lätta produkter För att verifiera en möjlig viktsreduktion kommer 5 demonstratorer att utvecklas och tillverkas: Reduktion av strukturvikt av komp HIAB 1 med >15 % Reduktion av strukturvikt av komp HIAB 2 med >15 % Reduktion av strukturvikt av komp Volvo CE 3 med > 15 % Reduktion av strukturvikt av komp Volvo CE 4 med > 15 % Reduktion av strukturvikt av komp ATLAS COPCO 5 med > 15 % 10 5
WP1 Fabrication of Test Specimens Non-load carrying cruciform joints 6 manual welded batches - Factory A: Welding method MCAW 4 robot welded batches - Factory A: Welding method MCAW 3 manual welded batches - Factory B: Welding method FCAW MCAW = Metal Cored Arc Welding FCAW = Flux Cored Arc Welding Welded Panels Cruciform Joints Research Dept. & Advanced of Aeronautical Engineering & Vehicle Engineering Zuheir Barsoum Toe radius (mm) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 VB- weld class VC- weld class 0 degree 90 degree 45 degree Ultra sonic peened Kt = 2.5 0,5 VD- weld class 0 0 20 40 60 80 100 Toe angle (degrees) nominal stress range - σ r [MPa] 1000 100 pos. 0 deg (LI) pos. 45 deg (PA) pos. 90 deg (ST) run outs FAT 80 pos. 0 (LI) pos. 45 pos. 90 (ST) 10 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07 Cycles to failure Figur 1. Resultat från undersökning av olika svetspositioners inverkan: mätningar av övergångsradien i svetstån, utmattningsprovning. 12 6
Utvecklade FEM subrutiner för Svetssimulering prediketering av restspänningar i svetsförband Utmattningsdimensionering brottmekaniska modeller för livlängdsprediktering genom automatisk sprickpropagering och inverkan av restspänning 1 2 3 13 Resultat WP1 Fastställa den lokala svetsgeometrin (tå-radie och vinkel) och dess inverkan på utmattningslivslängden Utvecklat svetssimuleringsmetoder mha FE för att generera svetsegenspänningsprofiler för förekommande svetsförband Avsevärt förbättrat noggrannheten vid utmattningsdimensionering genom att använda lokala predikteringsmetoder 14 7
WP3 OLD weld class: STD 5605,51 THERE ARE TOTALLY appr 30 DISCONTINUITIES 15 FAT värden i ISO 5817 140 120 FAT värden [Mpa] 100 80 60 40 20 SVK. D SVK. C SVK. B 0 1.7:1 1.7:2 1.9 1.10 1.11 1.12:1 1.12:2 1.13 1.14 1.16 1.17 1.20 1.21 2.12 2.13:1 2.13:4 3.1:1 3.1:2 3.2 Diskontiuitet Nr Resultat från undersökning av ISO-standardens utmattningsbild. FAT anger det spänningsomfång som med 95% sannolikhet ger 2 miljoner cykler. 16 8
R Feltyp VD VC VB ( as welded, normal quality ) ( as welded, high quality ) ( posttreated welds ) Kallflytningar (cold laps) a < 1 mm a < 0,1 mm Ej tillåten Inre bindfel Ej tillåten Ej tillåten Ej tillåten Övergångsradie R > 0,25 mm R > 1 mm R > 4 mm Svetsdike a < 0,05t [max 1 mm] a < 0,025t [max 0,5 mm] Ej tillåten a-måtts-avvikelse < -0,2a [max 2 mm] Ej tillåten Ej tillåten ( större OK ) ( större OK ) ( större OK ) Kant- / vinkel-förskjutning a < 0,1t [max 2 mm] a < 0,05t [max 2 mm] Ej tillåten En por inre/yttre 0,4t [max 4] / 0,3t [max 3] 0,3t [max 3] / 0,2t [max 2] 0,2t [max 2] / 0,1t [max 1] Porsaml. inre/yttre 6% / 3% 4% / 2% 2% / 1% 17 Tabell 1: Klassificering av cold laps Shematisk bild Exempel från Micro-Digital Kamera Type I: Sprut Type II: Överlapp Type III: Komplex 18 9
WP4 Weld Improvements Methods Method Burr Grinding Weld Geometry X Residual stress TIG-Dressing (Plasma dressing) X (X) Hammer Peening X X Ultrasonic Impact Treatment (UIT) X X Needle Peening (X) X Shot Peening X 19 WP4 Fatigue of UIT treated specimens 400 as-welded, R=0.1 as-welded, R=-1 Nominal stress range 300 200 R=0.1 treated at LUT R=-1 treated at LUT R=-1 VA treated at LUT Full penetration, R=-1, UIT Full penetration, R=-1, AW 100 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+08 cycles to failure 20 10
WP4 Spänningvidd Δσ (MPa) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Konstant ampiltud R=0, N=10 6 Cykler 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Sträckgräns Re (MPa) Slipad yta och kant FAT 220, Rz=3 Kallvalsad yta, bearbetad kant FAT 200 Rz=6 Varmvalsad yta, bearbetad kant FAT 170 Rz=15 Varmvalsad yta, Laser- eller plasmaskuren kant FAT 160 Rz=18 Vamvalsad yta, Gasskurna kanter FAT=140 Rz=60 Borrat hål, Kt=2,5 FAT 100 Rz=15, Sigma beräknas på nettoarean Stansat hål, Kt=2,5 FAT 80, Fim=1, Sigma beräknas på nettoarean f m rn to k lfa ria te a M 2,60 2,50 2,40 2,30 2,20 2,10 2,00 1,90 1,80 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 Kurva Rz A 3 B 6 C 9 D 12 E 15 F 18 G 24 H 30 I 42 J 60 K 120 L ϕm=1 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Sträckgräns R e,min MPa) A B C D E F G H I J K L Inverkan av sträckgräns och ytjämnhet på utmattningshållfastheten vid olika yt- och kanttillstånd, god ytkvalitet och kanter utan sprickliknande defekter, Materialfaktorn φm som funktion av sträckgräns och ytjämnhet Rz 21 WP5 Automatisering av kvalitetssäkrad svets- och förbättringsprocess Closed loop penetration Open loop penetration Simulerad svetsning vid olika godstjocklek vid öppen och sluten styrning En annan parameter som påverkar slutresultatet vid svetsning är fixtureringen. En demonstrator har tagits fram där variabel fixturkraft används. Även detta arbete är simuleringsbaserat och har validerats med experiment. Kvarstående deformation ökar om man fixturerar med större kraft 22 11
KOST LOST WP5 kontakt: Peter Hammersberg (CTH) WP6 Utvecklingen av oförstörande provningsteknik är i första hand inte ett tekniskt problem. Mellanbranschproblematik Inombranschproblematik 2008 10 01 23 Övre kurvan visar svetsprocessens verkliga spridning Undre den som operatören ser eftersom mätspridning och processpridning inte kan skiljas åt utan att genomföra mätsystemanalys. Svetsprocessen spridning Total spridning 24 12
WP7 Laserhybridsvetsning Inom WP7 har systematiska och omfattande lasersvets- och laserhybridsvetsförsök utförts för att utveckla processteorin, svets-defekttolkning och parameteroptimering. Bestämma processparametrar för demonstratorerna hexagonal balk i WP8 och utdragsbalk i WP9 Via FE-analys beräkna spänningsfält och resulterande stress-raiser för att kunna förklara utmattningsbeteende Undersöka hur utseendet på svetsfogens påverkas av svetsparametrar. Under projektet har höghastighetsfilmning av lasersvetsprocessen utvecklats och metoden används numera vid de flesta experiment i LTUs laserlab 25 26 13
Dagens utförande LOST MIG Laserhybridsvets I 27 28 14
WP10 Lätt vågbalk till dumper Dagens vågbalk väger 183 kg. Målet med demonstratorn är att minska vikten med 20%. Tanken är att utnyttja det nya svetsklass-systemet, använda HSS-material och angripa kritiska punkter som dagens vågbalk har med konstruktiva ändringar 29 1. Vi har konstruerat och tillverkat en ca 20% lättare vågbalk 2. Riggprovningen har identifierat flera svaga punkter 3. Svetsar som har fleraxliga spänningar med olika tecken måste dimensioneras annorlunda 4. Svetsens utförande och kontroll i produktion måste vara utöver det vanliga 5. Tillverkningskostnaden uppskattas till något lägre än dagens 30 15
WP2 - Optimering / WP11 31 RESULTAT Vikten minskade ca 12 % i gjutgodset under optimeringen, se figur nedan. Jämfört med vikten i svetsade varianten blev viktsbesparingen ca 22% 32 16
WP 12 Viktsbesp i % av nuv. vikt: 20% Vikt i % av totalvikt: 2.5% Viktsbesparing i % av totalvikt: 6% % ökning av lastkapacitet: 9% Det är här vi vill spara vikt. Ofta ligger mer än 2/3 av vikten på framaxeln. Att kunna öka lastkapaciteten utan att öka last på ramverk och axlar etc är en mycket viktig konkurrensfördel. Det kan t ex innebära att man kan bära borra 0.6 m längre hål i varje salva vilket ger en direkt produktions ökning av ca 14%. 33 Industriella resultat Utmattningsprovning av korsprovstavar svetsade i olika lägen påvisar anmärkningsvärda resultat Ett nytt svetsklassystem har utvecklats och är nu en öppen Volvo Standard, introduceras nu som grund för internationella regler inom IIW och ISO Ett antal olika kommersiella vision system har provats varvid de flesta system inte har uppnått en industriellt acceptabel niva m a p användarvänlighet mm Resultat från omfattande provning hos SSAB visar att kombinationen höghållfasta stål och moderna skärmetoder ger potential utöver föreliggande normer En studie pågår för att kartlägga variationen i befintlig svetsprocess. Preliminära resultatet visar bl a på allvarliga brister inom teknikområdet Utbildning av verksamma beräkningsingenjörer, teknologer och doktorander har genomförts på KTH Lättkonstruktioner, på 6 hp (högskolepoäng), på Volvo Buss och på MEDESO med över 100 deltagare 34 17
Akademiska resultat: Doktorander anställda på LTU och HV deltar i projektet. Simuleringsrutiner har utvecklats i FEM för framtagning av generiska restspänningsfördelningar i vanligt förekommande svetsförband Karakterisisering av svetsdefekter, simulering av svetsgeometri En Tekn Dr har rekryterats till CTH för att bl a utveckla OFP-verksamheten Zuheir Barsoum, KTH avlade doktorsavhandling med Titeln: Residual Stress Analysis and Fatigue Assessment of Welded Steel Structures, april 2008, En ny metod Bifurcation Flow Chart, har utvecklats på LTU för att dokumentera och generalisera svetsresultat mm. En högmodern 15 kw högeffektfiberlaser har installeras på LTU, som möjliggör svetsning av tjockare material. En simuleringsbaserad ansats för processstyrning har tagits fram med integrering av FE-simulering av svetsprocess En modern kurs i dimensionering av svetsade konstruktioner startad på KTH 35 Teknikplattform för Lätta Svetsade Konstruktioner består bl a av: FE-baserad dimensioneringsmetod (Effective Notch Stress) LEFM för svåra rotsidor samt resthållfasthetsanalyser Ett vetenskapligt baserat kvalitetsystem Kvalitetssäkrade förbättringsmetoder Kvalitetsäkrad processstyrning, speciellt m a p rotsidor Kvalitetsäkrad NDE/NDT Vid styrda processer utnyttja kunskapen om restspänningsstillståndet Material/defektdata för höghållfasta material 36 18
Förväntade resultat. Temats resultat kommer att ge viktsreduktion, en bättre marknadsposition samt även lägre garantikostnader. Temats resultat kommer att påverka alla företag vilka utvecklar och/eller tillverkar utmattningsbelastade svetsade strukturer inom landet. Samarbetet mellan de olika parterna kommer att förstärkas eller etableras. För industrierna med verksamhet utanför Sverige kommer även resultatet att påverka verksamhet utanför landet Det kommer med all sannolikhet att utvecklas internationella projekt med deltagande från Temat. 37 Publikationer [1] Marquis G., Samuelsson J., Agerskov H. and Haagensen P. J., (editors) Integrated Design and Manufacturing of Welded Structures, proceedings International symposium, March 13-14 Eskilstuna Report 18, Lappeenranta University of Technology, 2007 [2] Samuelsson, J. Marquis G., Hansen A.,. and Haagensen P. J., Research to improve the quality of advanced fabricated structures, ibid., pp.1-9 [3] Barsoum, Z. Fatigue strength of cruciform joints fabricated with different welding processes, ibid., pp.57-74 [4] Järvstråt, N. and Sohi, M. Surface geometry measurements for SCF assessment, ibid. pp.105-107 [5] Byggnevi, M. and Mrden, N. Fatigue performance of gas cut edges, ibid., pp109-123 [6] Barsoum, Z. Prediction of welding residual stresses, ibid., pp 183-203 [7] Gustafsson, M. Fatigue of high strength steel welded joints under spectrum load, ibid. pp. 249-296 [8] Jonsson, B. FE base design procedures for fatigue loaded components, ibid., pp. 309-320 [9] Jonsson, B. Revision of Volvo's weld quality rules, ibid., pp. 337-353 [10] Edstorp, M. Numerical simulation of the weld pool, ibid., pp. 355-359 [11] Gustafsson, M. Fatigue strength of HSS joints welded with martensitic filler material, ibid., pp. 373-379 [12] Samuelsson, J., (editor), Integrated Design and Manufacturing of Welded Structures, Nordic Innovation Center, 2007 [13] Samuelsson, J. Marquis G., Agerskv, H.,. and Haagensen P. J., Work in progress on fatigue of welded structures in the Nordic countries, IIW Document XIII-2168-07, IIW Annual Assembly Dubrovnik, 2007 [14] Barsoum, Z. and Jonsson, B. Fatigue assessment and LEFM analysis of cruciform joints fabricated with different Welding processes, IIW Document XIII-2175-07, IIW Annual Assembly Dubrovnik, 2007, to be published in Welding in the World [15] Barsoum, Z. Spectrum fatigue of high strength steel joints welded with low temperature transformation consumables, 2 nd International Conference on Fatigue Design 07, Senlis, 20-22 november 2007 [16] Jonsson, B. A proposal for a new weld class system, 2 nd International Conference on Fatigue Design 07, Senlis, 20-22 november 2007 [17] Sikström, F. Simulation as a tool for design of an adaptive welding system, Swedish Production Seminar, Göteborg 2007 [18] Peigang Li Investigation on the quality of automated tandem-arc welds, Diploma work No.121/2008, ISSN 1652-8913, HV, 2008 [19] Barsoum, Z. Residual Stress Analysis and Fatigue Assessment of Welded Structures, PhD-thesis, TRITA-AVE 2008:11, KTH, 2008 [20] Methods for automatic inspection of weld geometry, Bachelor s thesis, report 2008:MR01, Mechatronics Engineering, Robotics and Embedded Systems, Department of Engineering Science, HV, 2008, [21] Jonsson, B. and Samuelsson, J. A new weld class system, IIW doc. XIII- 2235-08, IIW Annual Assembly Graz, Austria, 2008 [22] Jonsson, B. and Samuelsson, J, AB VOLVO s nya svetsklass standard, Tidningen Svetsen Nr 1 2009, Svetskommissionen [23] Barsoum, Z. and Lundbäck, Simplified FE simulation of fillet Welds 3Deffects on the formation of residual stresses, Accepted for Publication, Engineering Failure Analysis, 2009 38 19
Beskrivning Delieverables 08 09 WP1. Produktionstekniska aspekter på lokal Rekommendationer för dimensionering av * geometri och lokalt inducerade spänningstillstånd svetsade komponenter WP2. Strukturoptimering Rapport över optimala geometrier för * svetsförb. WP3. Utveckling av ny svetsklasstandard och Förslag på ny Standard * kontrollsystem, (WP1 och 4 i KOST) WP4 Förbättringsmetoder för svetsförband samt Förslag på dimensioneringsunderlag för * dimensioneringsunderlag ytor och skurna kanter olika förbättringsmetoder och skärkanter WP5 Automatisering av kvalitetssäkrad svets- Rekommendationer för processtyrning av ett * och förbättrings-process Processtyrning. antal olika typer av svetsade strukturer WP6 Kontrollstrategi för inre fel Produktionsanpassat system för oförstörande provning (OFP). Förslag på kostnadseffektiva systemlösningar * WP7 Framtagning av robust Laserhybrid process Rapport över hybridplattform för svetsning * Demonstrator 1. Utskjutsprofil Prototyp med lägre vikt * Demonstrator 2. Stödbensutdrag Prototyp med lägre vikt * Demonstrator 3. Lätt Vågbalk Prototyp med lägre vikt * Demonstrator 4. Lätt Lyftramverk Prototyp med lägre vikt * Demonstrator 5 Borrbomsdel Prototyp med lägre vikt * Utbildning och implementering av teknik Road map för fortsatt teknikutveckling * 39 Erfarenhet från Svetskommissionens Utbildningar (Stellan Carlsson) - Skriande behov av beräkningsutbildning för svensk verkstadsindustri = Underbetyg åt nuvarande Högskoleutbildning i utmattningsdimensionering - Citat: Vi räknar inte utan lägger på a-mått 40 20