Transcript Prezentacja_na_konf ZB 15 - final - pkaero

IV KONFERENCJA CZT AERONET DOLINA LOTNICZA
i PANELE EKSPERTÓW PROJEKTU 25 – 26 Czerwca 2012 r.
„Nowoczesne technologie materiałowe stosowane w przemyśle lotniczym”
ZB - 15
Niekonwencjonalne technologie łączenia elementów
konstrukcji lotniczych
Lider merytoryczny
Tomasz Sadowski
Jarosław Sęk
Instytucje partnerskie w zadaniu
Politechnika Częstochowska
Politechnika Lubelska
Politechnika Rzeszowska
Instytut Maszyn Przepływowych PAN (Gdańsk)
I i II kwartał 2012
PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ ZE ŚRODKÓW EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
WYBRANE WYNIKI – Politechnika Rzeszowska (R.Śliwa, J.Czaja)
Opracowanie wyników badania modelu połączenia metodą światła odbitego
Development of test results the model of connection using the reflected light
Model CAD badanego węzła
w przyrządzie.
CAD model of join sample
in device
ściskanie
Md=3
Nm
rozciąganie
MR=0 - 4
Nm
Schemat obciążenia testowanego
połączenia
Scheme of load of tested
conection
Obraz izochrom badanego węzła pod obciążeniem roboczym 4 Nm – węzeł
ściskany - podkładka „twarda ” (z lewej), - podkładka „miękka”
(z prawej)
Isochromatics under working load 4 Nm – connection compressed
- "hard" washer (left), - "soft" washer (right)
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Wyznaczanie elastooptycznej stałej odkształceniowej K (Kε)
Determination of the photoelastic constant of deformation transformations K (Kε)
Zestaw do wyznaczania stałej Kε
Device for determination of deformation factor Kε
Wartości rzędu izochromy w zależności
od przemieszczenia trzpienia
Rows of isochromatics depend of pin displacement
Lp.
Przemieszczenie
trzpienia D [mm]
Wartość rzędu
izochromy N
1
2.5
0.35
2
5
0.80
3
7.5
1.27
4
10
1.74
5
12.5
2,20
Przykładowy rozkład izochrom w badanej próbce
powłoki optycznie czynnej.
Distribution of isochromatics in the sample of
optically active layer (example)
K’ – elastooptyczna stała odkształceniowa odczytana z wykresu
(dokument TN-701-1, fig. 5),
t’A – standardowa grubość kleju odblaskowego (t’A=0,075mm),
tA – rzeczywista grubość kleju odblaskowego,
tB– grubość belki pomiarowej (tB=6.35mm),
tC - grubość powłoki optycznie czynnej (tC=2.9 mm).
Kε = 0.0964
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Wnioski
Conclusions
Przeprowadzone badania elastooptyczne węzła lotniczego przedstawiają rozkład naprężeń w
połączeniu tulei głównej oraz wpływ rodzaju zastosowanej podkładki i kierunku oraz wielkości
zastosowanego obciążenia na wielkość naprężeń.
Wyznaczona stała elastooptyczna oraz przeprowadzona analiza pozwoli na określenie wielkości
naprężeń.
Dla pełnego zobrazowania rozkładu naprężeń w badanym połączeniu w kolejnym etapie badań
wskazane jest zastosowanie specjalistycznego oprogramowania do analizy obrazów, pozwalającego
na dokładne wyznaczenie granic poszczególnych obszarów.
The study of the photoelastic tests represents stress distribution in the main tube conection and the influence of the
type of the washer and the direction and value of load to be applied to the amount of stress.
Designated photoelastic constant, and the analysis will determine the size of the stress.
For a full picture of stress distribution in the studied conection in the next stage of research it is advisable to use
specialized software to analyze images, allowing for precise determination of the limits of individual areas.
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
WYBRANE WYNIKI – Politechnika Rzeszowska (T.Balawender)
Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość
złącza klinczowego
a)
b
)
d
)
e)
c
)
f)
Sposoby zniszczenia złącza klinczowego otrzymane w próbie ścinania (strzałkami zaznaczono kierunki działania
sił obciążających złącze): a) złącze blach miedzianych (M1E), b) złącze blach mosiężnych (M63),
c) złącze blach stalowych (stal niskowęglowa), d) złącze blach miedź - aluminium, e) złącze blach aluminiowych
(A1), f) złącze blach stal – aluminium
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
22%
4,5
4
Pmax = 3,6 kN
Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość złącza
klinczowego
Złącze hybrydowe - klinczowanie
po utwardzeniu kleju
Siła ścinająca P [kN]
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0,5
1
1,5
Przemieszczenie s [mm]
2
2,5
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
4,5
4
Pmax = 4,1 kN
39%
Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość złącza
klinczowego
Złącze hybrydowe - klinczowanie
przed utwardzeniem kleju
Siła ścinająca P [kN]
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0,5
1
1,5
Przemieszczenie s [mm]
2
2,5
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Typ złącza
Grubość
ścianki
bocznej
th
[mm]
Zamek
przetłoczenia
cl
[mm]
Grubość dna
przetłoczenia
x
[mm]
Klejowe
-
-
-
Klinczowe
0.52
0.17
1.04
0.49
0.18
1.04
0.50
0.18
1.11
Hybrydowe
(utwardzanie kleju przed klinczowaniem)
Hybrydowe
(utwardzanie kleju po klinczowaniu)
Parametry geometryczne złączy zakładkowych stal - miedź
Typ złącza
Maksymalna
siła
P
[kN]
Absorpcja
energii
EA
[J]
Maksymalna siła
P
[kN]
Absorpcja
energii
EA
[J]
Klejowe
3.21
0.06
0.09
0.02
Klinczowe
2.95
3.3
0.5
7.1
Hybrydowe
(utwardzanie kleju przed
klinczowaniem)
4.25
6.6
0.6
10.7
Hybrydowe
(utwardzanie kleju po
klinczowaniu)
4.31
8.6
0.7
11.6
Parametry mechaniczne złączy stal – miedź otrzymane w testach “pull” i „peel”
(uśrednione wartości dla pojedynczego złącza zakładkowego)
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Wpływ warunków kontaktu łączonych blach na geometrię i wytrzymałość złącza
klinczowego
Podsumowanie:
- Zmniejszenie tarcia na powierzchni styku łączonych blach jest korzystne dla
uformowania złącza klinczowego; powoduje polepszenie parametrów
geometrycznych złącza klinczowego, tj. zwiększenie grubości ścianki bocznej w
‘szyjce’ przetłoczenia i zwiększenie ‘zamka’ przetłoczenia.
- Zastosowanie środków zmniejszających tarcie pomiędzy łączonymi blachami
powoduje zmniejszenie adhezji blach w gnieździe przetłoczenia i dlatego obniża
wytrzymałość złącza i absorpcję energii podczas jego zniszczenia.
- Zastosowanie kleju jako środka rozdzielającego powierzchnie łączonych blach
może być korzystne dla złącza klinczowego; na etapie przetłaczania klej pełni rolę
smaru, a po utwardzeniu działa jako dodatkowe spoiwo, które powoduje wzrost
wytrzymałości złącza.
Główne wyniki zrealizowanych
prac badawczych
WYBRANE WYNIKI – Politechnika Lubelska (T.Sadowski, M.Kneć)
Określenie rozkładów odkształceń w połączeniu hybrydowym: zgrzewano
klejowym dodatkowo wzmocnionym kątownikiem
Rys. 1 Kształt, wymiary i sposób
obciążania próbki
Rys. 2 Widok próbki po zerwaniu
Strona z kątownikiem (przód)
Rys. 3 Widok próbki po zerwaniu
Strona bez kątownika (tył)
Główne wyniki zrealizowanych
prac badawczych
Rys. 4 Wykresy siła – przemieszczenie dla
próbek zgrzewanych, oraz hybrydowych:
zgrzewano-klejonych
Rys. 5. Widok odkształceń głównych
w chwili maksymalnego obciążenia
próbki hybrydowej (na wykresie
kolor czerwony) Wyniki dla obu stron
próbki zebrane za pomocą dwóch
czujników DIC, wyzwol. jednocześnie
Główne wnioski
Wnioski
Conclusions
1.
Najbardziej wytężonym przekrojem jest przekrój kątownika w miejscu
przylegania do blachy.
2.
Użycie kleju zwiększa nośność złącza ponad dwukrotnie.
3.
W celu obserwacji odkształceń złożonej budowy (3D) próbki niezbędne jest
wykorzystanie przynajmniej dwóch systemów DIC (zalecane są nawet trzy
systemy).
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
WYBRANE WYNIKI – Politechnika Lubelska (T.Sadowski, P.Golewski)
Określenie wpływu docisku wywołanego przez łączniki na wytrzymałość
połączeń zakładkowych, dwunakładkowych, hybrydowych poddanych
jednoosiowemu rozciąganiu
F
Połączenia
zakładkowe
F
Wzrost nośności połączenia o 5,8% przy
sprężeniu siłą 500N i o 20,4% przy
sprężeniu siłą 1500N
Wzrost nośności połączenia o 7,5% przy sprężeniu siła
500N i o 14,2% przy sprężeniu siłą 1500N
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
F
Połączenia
dwunakładkowe
Wzrost nośności połączenia o 4%
przy sprężeniu siła 500N i o
12,18% przy sprężeniu siłą 1500N
Wzrost nośności połączenia
o 2,8% przy sprężeniu siła
500N i o 2,4% przy
sprężeniu siłą 1500N
F
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Wnioski
Conclusions
1.
Sprężanie połączeń obu typów daje lepsze efekty dla połączeń czysto
mechanicznych niż dla połączeń z warstewką kleju.
2. Sprężanie połączeń hybrydowych zakładkowych podnosi nośność połączenia
o 7,5% dla siły sprężającej 500N oraz o 14,2% dla siły 1500N.
3. Sprężanie połączeń hybrydowych dwunakładkowych nie przynosi większych
korzyści, wzrost nośności jest na poziomie 2% – 3%.
4. Korzystniejsze jest stosowanie złącz dwunakladkowych niż zakładkowych,
gdzie nie występuje dodatkowe zginanie, ich wytrzymałość może być
większa od około 10 do 30% w zależności o rodzaju połączenia.
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
WYBRANE WYNIKI – Politechnika Rzeszowska (R.Perłowski, J.Sęp, W.Zielecki, B.Ciechcińska)
Przygotowanie powierzchni stopu Ti6Al4V do klejenia z wykorzystaniem wiązki
lasera. Analiza korelacyjna pomiędzy nośnością połączeń a parametrami
geometrycznymi powierzchni
Rys.1. Nośność statyczna zakładkowych połączeń
klejowych dla różnych wariantów obróbki wiązką lasera
1. Największy wpływ na wytrzymałość połączeń mają parametry charakteryzujące rozwinięcie powierzchni - dla profilu,
parametr Rku (współczynnik nachylenia profilu - 0,49) dla powierzchni jego odpowiednik Sku (kurtoza powierzchni 0,46), Str (wydłużenie struktury powierzchni -0,44) oraz Sdq (średnie kwadratowe nachylenie nierówności powierzchni
0,35). Znaczącym również jest Vmc (objętość rdzenia materiału powierzchni 0,55).
2. W wyniku oddziaływania wiązki lasera na powierzchni utworzyły się regularne wgłębienia sprzyjające mechanicznemu
kotwiczeniu kleju w złączu. Korzystniejsze jest ukształtowanie licznych i drobnych wgłębień zamiast nielicznych ( z
dużym odstępem) głębokich wgłębień.
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Wytrzymałość statyczna na ścinanie połączeń poddanych działaniu
różnych środowisk
Stal kwasoodporna X6Cr17, klej metakrylowy AGOMET F300
Próbki – pojedyncza zakładka - 25 x 100 x 1 [mm] – z pięciokrotnym powtórzeniem
każdego wariantu
1. Oddziaływanie środowiska zewnętrznego (płynów eksploatacyjnych) ma istotny
wpływ na statyczną wytrzymałość połączeń klejowych.
2. Największy spadek wytrzymałości (~60 %) zanotowano dla próbek starzonych w
paliwie lotniczym.
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Analiza technologii wykonywania połączeń klejowo-zgrzewanych
Badania prowadzone są we współpracy z PZL Mielec i dotyczą doskonalenia technologii wykonywania połączeń klejowo nitowych struktur
cienkościennych wzmacnianych podłużnicami wykonanych ze stopu aluminium 2024.
Przeprowadzone dotychczas badania wstępne obejmowały swoim zakresem:
- badania struktury stereometrycznej powierzchni blach ze stopu 2024 w stanie dostawy i po alodynowaniu,
- badania energii powierzchniowej w/w powierzchni,
- badania wytrzymałościowe zakładkowych złączy klejowych wykonanych z zastosowaniem wybranych klejów oraz wariantów
przygotowania powierzchni i warunków utwardzania.
1. Badania struktury geometrycznej powierzchni wykazały, że powierzchnie stopu aluminium 2024 ukonstytuowane w procesie walcowania
(stan dostawy) posiadają strukturę płasko wierzchołkową niekorzystną dla procesu klejenia. Natomiast alodynowanie powoduje rozwinięcie
powierzchni oraz ukonstytuowanie warstwy tlenkowej pożądanej w procesie klejenia stopów aluminium.
2. Pomiary energii powierzchniowej nie wykazały istotnych różnic energetycznych powierzchni walcowanej (51,3 mJ/m) i alodynowanej (53,8
mJ/m).
3. Zamienników kleju Epodur 619 należy poszukiwać wśród kompozycji epoksydowych dwuskładnikowych utwardzanych termicznie (Epidian
57 + PAC, Epidian 6 + PAC, Loctite 9483).
4. Uzyskane wyniki badań wytrzymałościowych wykazały, że największą wytrzymałość i najmniejszy rozrzut wyników posiadały złącza
klejowe, których powierzchnie łączonych elementów były alodynowane. Stąd należałoby rozważyć możliwość wykonania tej obróbki przed
operacją zgrzewania elektrooporowego.
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
WYBRANE WYNIKI – Politechnika Częstochowska (J.Adamus, P.Lacki, K.Wojsyk, K.Kudła)
Zgrzewanie tarciowe – aluminium 6061 T6
Rys. 2. Spoina od strony działania
narzędzia, pow. 100x
Rys. 1. Zgrzewanie tarciowe – pole temperatury
Rys. 3. Makrostruktura spoiny
Rys. 4. Pustka w spoinie, pow. 100x
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Spawanie wiązką elektronów – płyty ze stali 18-8
Rys. 1. Spawanie płyt ze stali 18-8, model PLS-MES
Rys. 2. Nadlew i ugięcie - porównanie
Rys. 3.Naprężenia zredukowane – przekrój poprzeczny Rys. 4. Naprężenia poprzeczne na powierzchni
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Spawanie blach tytanowych Grade 2 i 5
Rys. 1. Spawanie EBW tytanu Grade 2 i 5, naprężenia
Rys. 2. Stopnie utleniania, Ti Gr 5
Rys. 3. Przemieszczenie w kierunku Z po spawaniu
Rys. 4. Wyniki scratch testu
Główne wnioski
• W ramach analizy numerycznej procesu FSW przeprowadzone
badania pozwoliły na określenie wpływu istotnych parametrów
procesu na rozkład pola temperatury w zgrzewanym elemencie.
• Analiza numeryczna MES procesu spawania wiązką elektronów
EBW umożliwiła optymalizację parametrów procesu.
• Na podstawie symulacji numerycznej procesu spawania blach
tytanowych określono deformację spawanych blach.
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
WYBRANE WYNIKI – IMP Gdańsk (P.Doerffer, B.Puchowski)
Ocena jakości złączy zgrzewanych przy pomocy żywicy termoplastycznej
PEEK
Kompozyt epoxydowo węglowy
Temperatura wymagana do wykonania
prawidłowego złącza przy pomocy
PEEK prowadzi do destrukcji żywic
epoxydowych.
Znaczna deformacja kompozytu
epoxydowego pod wpływem
temperatury oraz ciśnienia w
rejonie złącza.
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Połączenie epoxyd - PEEK - epoxyd
16
Wytrzymałość na ścinanie [ MPa ]
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Brak możliwości wykonania złącza o dużej powtarzalności pod względem wytrzymałości
Zbyt duża ilość uszkodzonych połączeń ze względu na temperaturę oraz ciśnienie
13
14
15
Główne wyniki zrealizowanych prac
badawczych
Połączenie kompozytu epoxydowego przy pomocy żywic i klejów
termoutwardzalnych
Siatka grzewcza oraz pomiar temperatury w rejonie złącza
Połączenie kompozytu epoxydowego przy pomocy żywic i klejów
termoutwardzalnych
Umieszczenie złącza w
próżni 0,95 bara
Brak powietrza w rejonie
złacza.
Wygrzewanie z ciągłym
pomiarem temperatury
Dane do wskaźników realizacji
celów projektu
• Referaty
1. Piotr Lacki: Symulacja numeryczna procesu spawania blach tytanowych typu
TWB spawanych metodą TIG, XIX Międzynarodowa Konferencja NaukowoTechniczna KONTECH, Poznań-Opalenica, 2012
2. Krzysztof Kudła, Kwiryn Wojsyk, Ekonomiczne stosowanie spoin pachwinowych
w konstrukcjach spawanych, XVIII. Naukowo-Techniczna Krajowa Konferencja
Spawalnicza. Postęp, innowacje i wymagania jakościowe procesów spajania.,
Międzyzdroje, 2012
3. Zielecki W.,
Kubit A: Badania statyczne wytrzymałości na oddzieranie połączeń
klejowych,., „MODUŁOWE TECHNOLOGIE I KONSTRUKCJE W BUDOWIE
MASZYN – MTK-2012”, 22-25 maja 2012
4. Ciecinska B.: Ekologia w klejeniu: analiza alternatywnych sposobów wykonania
połączeń klejowych , „MODUŁOWE TECHNOLOGIE I KONSTRUKCJE W
BUDOWIE MASZYN – MTK-2012”, 22-25 maja 2012
5. Ciecinska B., Perłowski R.Swobodna energia powierzchniowa wybranych
materiałów lotniczych po obróbce laserowej, „MODUŁOWE TECHNOLOGIE
I KONSTRUKCJE W BUDOWIE MASZYN – MTK-2012”, 22-25 maja 2012
• Publikacje
1. Piotr Lacki, Konrad Adamus, Paweł Wieczorek,Theoretical and experimental
analysis of thermo-mechanical phenomena during electron beam welding
process, Computers & Structures, status: w recenzji
2. T. Balawender, T. Sadowski, P. Golewski, Numerical analysis and experiments
of the clinch-bonded joint subjected to uniaxial tension, Computational
Materials Science, Available online 24 March 2012
Dane do wskaźników realizacji
celów projektu
• Prace mgr, dr, hab.
Prace inżynierskie obronione:
1. Krystian Gertner: Własności złączy zgrzewanych metodą FSW.
Promotor: dr inż. Kwiryn Wojsyk
2. Rafał Czerniak: Technologiczne metody podwyższania właściwości
mechanicznych spoin i zgrzein .
Promotor: dr inż. Kwiryn Wojsyk.
3. Mateusz Cyran: Analiza wpływu parametrów zgrzewania na wytrzymałość
zakładkowych złączy ze stali AMS 5510
Promotor: dr hab. inż. Władysław Zielecki, 19.06.2012
Dane do wskaźników realizacji
celów projektu
• Prace mgr, dr, hab. - planowane na 2012 r.
• doktorskie
Janusz Czaja, „Analiza cech mechanicznych i materiałowych elementów połączeń
śrubowych silnie obciążonych ” , promotor dr hab. inż. Romana Ewa Śliwa, Prof. PRz
Marcin Kneć, „Badania eksperymentalne oraz modelowanie teoretyczne rozwoju
pęknięć w połączeniach klejonych” , promotor prof. dr hab. inż. T.Sadowski
Konrad Adamus, Teoretyczno doświadczalna analiza procesu spawania wiązką
elektronów, promotor dr hab. inż. Piotr Lacki
• habilitacyjne
Kwiryn Wojsyk: „Energia liniowa spawania i możliwości jej obliczania”
(w trakcie realizacji)
Tadeusz Balawender: (w trakcie realizacji)
• Zgłoszenia patentowe dokonane w I półroczu 2012 r.
brak
Stan współpracy
z przedsiębiorstwami Doliny Lotniczej
• WSK Świdnik - współpraca dotyczy zagadnienia klejenia
okładzin hamulcowych do klocków hamulcowych hamulca
bębnowego wirnika nośnego śmigłowca Mi-2
• PZL Mielec - współpraca dotyczy:
- zagadnienia zgrzewania tarciowego z przemieszaniem,
- połączenia hybrydowe zgrzewano- klejone, i nitowoklejone
- doskonalenie technologii wykonywania połączeń klejowonitowych struktur cienkościennych wzmacnianych
podłużnicami wykonanych ze stopu aluminium 2024.
• P&W Kalisz - współpraca dotyczy badania możliwości
zastąpienia technologii lutowania spawaniem w aparatach
kierujących.
• WSK Rzeszów - współpraca dotyczy optymalizacji procesu
spawania wiązką elektronów
Główne wnioski
Połączenia hybrydowe i klejone elementów konstrukcji lotniczych
• wyniki badań eksperymentalnych wskazują, że metodologia wykonania
złączy hybrydowych – utwardzanie kleju po klinczowaniu - jest bardziej
efektywna ze względu na wytrzymałość złącza niż metodologia –
utwardzanie kleju przed klinczowaniem
• sprężanie połączeń za pomocą nitów daje lepsze efekty dla połączeń
czysto mechanicznych niż dla połączeń z warstewką kleju.
• w wyniku oddziaływania wiązki lasera na powierzchni utworzyły się
regularne wgłębienia sprzyjające mechanicznemu kotwiczeniu kleju w
złączu
Połączenia elementów konstrukcji lotniczych metodą FSW i EBW
• w ramach analizy numerycznej procesu FSW przeprowadzone badania
pozwoliły na określenie wpływu istotnych parametrów procesu na rozkład
pola temperatury w zgrzewanym elemencie.
• analiza numeryczna MES procesu spawania wiązką elektronów EBW
umożliwiła optymalizację parametrów procesu.
• na podstawie symulacji numerycznej procesu spawania blach tytanowych
określono deformację spawanych blach.