Πειραματική και αριθμητική μελέτη ρομποτικών συγκολλήσεων λεπτών ελασμάτων κραμάτων αλουμινίου της σειράς 5xxx
Authors: Χιονόπουλος Σταύρος 
Published: September 2021

Η σχεδίαση μιας μεταλλικής κατασκευής που περιλαμβάνει συγκολλητά μέρη παρουσιάζει ξεχωριστές και ιδιαίτερες δυσκολίες. Η ύπαρξη συγκεντρωμένης πηγής θερμότητας, η οποία κατά βάση απαιτείται για τη συγκόλληση μεταλλικών υλικών, έχει ως συνέπεια την εμφάνιση δυσμενών φαινομένων όπως είναι για παράδειγμα οι παραμένουσες τάσεις, οι στρεβλώσεις ή οι μεταλλουργικές μεταβολές στην περιοχή της συγκόλλησης. Καθώς τα φαινόμενα αυτά, δημιουργούν προβλήματα όχι μόνο κατά το στάδιο ανέγερσης της κατασκευής αλλά κυρίως ίσως κατά τη λειτουργία της, είναι βασικό, από τα πρώτα στάδια του σχεδιασμού, να έχουν καθοριστεί όλοι οι παράμετροι που επιδρούν στη συγκόλληση όπως, ο τύπος του υλικού και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του, η τεχνική και η ακολουθία συγκόλλησης, οι μηχανικοί περιορισμοί κ.λπ.Προκειμένου λοιπόν να διασφαλιστεί το βέλτιστο αποτέλεσμα σε ότι αφορά στην αξιοπιστία, το οποίο ωστόσο δεν μπορεί να είναι ανεξάρτητο του τελικού κόστους και του χρόνου αποπεράτωσης, απαιτείται βαθειά γνώση των μεταβατικών θερμικών τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη διαδικασία της συγκόλλησης, των θερμικών κύκλων, των τελικών παραμενουσών τάσεων που δημιουργούνται, καθώς και των παραμορφώσεων που προκύπτουν. Επιπλέον, η εμβάθυνση στη μεταλλουργία της συγκόλλησης συμβάλλει ουσιαστικά στην επίτευξη του στόχου αυτού.Μεταβαίνοντας στο χώρο της ναυπηγικής, όπου μιλώντας για σχεδιασμό και ανέγερση μεταλλικής συγκολλητής κατασκευής κυρίως εννοείται ή ο σχεδιασμός και ανέγερση ενός πλοίου ή έστω μιας υπερκατασκευής αυτού, στο συνολικό πρόβλημα πρέπει να ληφθούν υπόψη επιπλέον απαιτήσεις, όπως αυτές επιβάλλονται από τη φύση της κατασκευής και το περιβάλλον λειτουργίας της. Η πολυπλοκότητα της μορφής των φορτίσεων που δέχεται ένα πλοίο εξαιτίας των κυματισμών, το θαλάσσιο διαβρωτικό περιβάλλον με το οποίο είναι συνεχώς σε επαφή, η ποικιλία στη μορφή και τη φύση του φορτίου που μεταφέρει, είναι παράγοντες που σαφώς καθορίζουν τη συμπεριφορά των συγκολλητών τμημάτων του.Πιθανότατα, το ιδανικό θα ήταν η δημιουργία ενός συνολικού, ολοκληρωμένου συστήματος το οποίο λαμβάνει υπόψη και αναλύει όλους τους παράγοντες που αναφέρθηκαν και που υπεισέρχονται κατά το σχεδιασμό και την ανέγερση μιας συγκολλητής ναυπηγικής κατασκευής. Ωστόσο, ένα τέτοιο σύστημα αφενός προϋποθέτει ακόμα αρκετά υψηλό κόστος για τη δημιουργία του, αφετέρου απαιτεί εξαιρετικά σημαντικό υπολογιστικό χρόνο.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματοποιείται πειραματική και αριθμητική μελέτη ρομποτικών συγκολλήσεων λεπτών ελασμάτων κραμάτων αλουμινίου της σειράς 5000. Η Διατριβή διαιρείται σε τέσσερις κύριες ενότητες και μια πέμπτη στην οποία συμπεριλαμβάνονται γενικά συμπεράσματα και άλλες γενικές θεωρήσεις επί της διατριβής.Καθώς τα κράματα αλουμινίου χρησιμοποιούνται ευρέως στη ναυπηγική μόλις τα τελευταία περίπου 40 χρόνια, στην πρώτη ενότητα, γίνεται μια συνοπτική παρουσίαση του αλουμινίου και των κραμάτων του, με σκοπό να τονιστούν και να κατανοηθούν οι ξεχωριστές ιδιότητές του, καθώς και διαφορές του από το βασικό ναυπηγικό υλικό, το χάλυβα, ο οποίος και κυριαρχεί από τον 16ο – 17ο αιώνα (εποχή μετάβασης από τα ξύλινα στα μεταλλικά πλοία) μέχρι τις μέρες μας. Στη συνέχεια, στην ίδια ενότητα, επιδιώκεται η ανάλυση της συγκολλησιμότητας των κραμάτων αλουμινίου, με έμφαση φυσικά σε εκείνα που χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική. Τονίζονται τα προβλήματα που παρουσιάζονται κατά τις συγκολλήσεις τους και οι τρόποι αποφυγής αυτών, με επισημάνσεις τόσο σε θεωρητικό επίπεδο όσο και σε πρακτικό (π.χ. διαδικασία προετοιμασίας πριν τη συγκόλληση ή χαρακτηριστικά χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού κ.λπ.).Ακολουθούν τρεις ενότητες μελέτης, οι οποίες κατά σειρά έχουν να κάνουν, με τη μεταλλουργία της συγκόλλησης και τους θερμικούς κύκλους αυτής - Ενότητα 2, τη μελέτη σε πραγματικό χρόνο των στρεβλώσεων και παραμορφώσεων που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης όπως και της κατανομής των παραμενουσών τάσεων που προκύπτουν από αυτή – Ενότητα 3 - και τέλος την μοντελοποίηση της συγκόλλησης - Ενότητα 4, που περιλαμβάνει τη θερμομηχανική αριθμητική μοντελοποίηση της συγκόλλησης, μέσω προγράμματος σε ηλεκτρονικό υπολογιστή που πραγματοποιεί ανάλυση με χρήση πεπερασμένων στοιχείων (ABAQUS®). Τα εξαγόμενα από την προσομοίωση δεδομένα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα πειραματικά ενώ, πραγματοποιείται και παραμετρική διερεύνηση αφενός της επίδρασης των εξαρτώμενων από τη θερμοκρασία ιδιοτήτων του υλικού και αφετέρου της επίδρασης της ακολουθίας συγκόλλησης στα εξαγόμενα αποτελέσματα της προσομοίωσης.Σε καθεμία από τις τρεις τελευταίες ενότητες, παρουσιάζεται το θεωρητικό υπόβαθρο που τις διέπει σε συνδυασμό με τις σύγχρονες εξελίξεις της επιστημονικής κοινότητας που αντιστοιχούν σε αυτές, ο χρησιμοποιούμενος εξοπλισμός για την πραγματοποίηση της μελέτης, τα αποτελέσματα καθώς και τα συμπεράσματα που προκύπτουν.Τέλος, όπως αναφέρθηκε, στην Πέμπτη ενότητα γίνεται σύνθεση των αποτελεσμάτων και από τις τρεις ανωτέρω ενότητες μελέτης, με σκοπό την εξαγωγή τελικών συνδυαστικών συμπερασμάτων ενώ παρουσιάζονται και άλλες γενικές θεωρήσεις επί της διατριβής.Με τον τρόπο αυτό παρουσιάζεται μια ολοκληρωμένη μελέτη που αφορά στις συγκολλήσεις των ναυπηγικών κραμάτων αλουμινίου, η οποία περιλαμβάνει τις σύγχρονες τάσεις προσέγγισης του προβλήματος. Μέσω αυτής, προκύπτουν σημαντικά στοιχεία, που κάνουν περισσότερο κατανοητή τη συμπεριφορά του υπό μελέτη υλικού έναντι της συγκόλλησης, ενώ ταυτόχρονα μπορούν να αξιοποιηθούν κατά το σχεδιασμό μιας ναυπηγικής κατασκευής, οδηγώντας σε αξιόπιστο αποτέλεσμα.Λόγω των ξεχωριστών παραμέτρων συγκόλλησης που αφορούν στην πειραματική μελέτη συγκόλλησης λεπτών ελασμάτων από κράμα αλουμινίου (μεγάλη εισερχόμενη θερμότητα και ταχύτητα συγκόλλησης, σημαντικές και διαφορετικού είδους παραμορφώσεις, δυσκολίες στον τρόπο συγκράτησης των δοκιμίων) οι δυσκολίες στον τρόπο εγκατάστασης μετρητικών διατάξεων και αισθητήρων μέτρησης μεγεθών κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης είναι εξαιρετικά μεγάλες με αποτέλεσμα σπάνια να συναντώνται βιβλιογραφικά αποτελέσματα ανάλογα με αυτά της παρούσας διατριβής. Έτσι, σε σχέση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, αφενός καλύπτεται ένα κενό που αφορά στη μεταλλογραφική μελέτη συγκολλήσεων κραμάτων αλουμινίου της σειράς 5xxx για ελάσματα πάχους μικρότερο από 6 mm αφετέρου, παρουσιάζεται για πρώτη φορά σε τέτοια πάχη ελασμάτων, μελέτη μεταβατικών θερμικών και μηχανικών φαινόμενων, που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια πραγματικών συγκολλήσεων σύνδεσης κι όχι απόθεσης υλικού . Παράλληλα, και πάλι για τέτοια πάχη ελασμάτων από κράμα αλουμινίου όπως αυτά που μελετώνται στην παρούσα διατριβή, είναι η πρώτη φορά που συγκρίνονται πειραματικά αποτελέσματα με αποτελέσματα προσομοίωσης και κυρίως, που μελετάται η επίδραση της ακολουθίας συγκόλλησης, μέσω προσομοίωσης, τόσο στις παραμορφώσεις λόγω συγκόλλησης όσο, περισσότερο ίσως, στην κατανομή των παραμενουσών τάσεων στην περιοχή της συγκόλλησης.