Nowe podejście do modelowania spawania
Ponad połowa części w sprzętach domowych i przemysłowych zawiera połączenia spawane, toteż spawanie nadal jest ważnym filarem wielu gospodarek. W procesie spawania stopiony materiał tworzy jeziorko, które po zastygnięciu staje się spoiną. Zrozumienie chemii powierzchni styku oraz skomplikowanej morfologii kryształów ma duże znaczenie dla zapobiegania pęknięciom i usterkom. Naukowcy i inżynierowie zainicjowali finansowany ze środków UE projekt "Modelling of interface evolution in advanced welding" (MINTWELD) , aby opracować wieloskalowe i wielofizyczne ramy modelowania do symulowania chemii połączeń i procesu formowania się struktur krystalicznych. W odróżnieniu od konwencjonalnych metod doświadczalnych nowe podejście oparte na modelowaniu komputerowym powinno wspomóc tworzenie podmorskich rurociągów gazowych i naftowych. Za pomocą oprogramowania modelującego z projektu MINTWELD z powodzeniem opisano kluczowe zjawiska procesu spawania we wszystkich istotnych skalach wielkości. Szczególnie dokładnie zajęto się ewolucją powierzchni styku ciała stałego z cieczą. W ramach utworzonej platformy połączono modele powierzchni styku i pękania oparte na dynamice molekularnej (MD) i modele atomowe ab initio z modelami nanoskalowymi pola fazowego (PF) granic ziarna oraz modelami chemii i struktur połączeń. Te z kolei zintegrowano z mezoskalowymi modelami śledzenia czoła spoiny (FT) opisującymi wzrost kryształów i rozkład wielkości ziaren oraz makroskalowymi modelami przepływu ciepła i masy wykorzystującymi obliczeniową dynamikę płynów. Połączenie modeli przepływu cieczy, krzepnięcia, PF i FT umożliwiło uczestnikom projektu MINTWELD dostarczenie danych o termodynamice, kinetyce i segregacji elementów istotnych dla ewolucji powierzchni styku podczas krzepnięcia oraz dla powstawania granic ziaren. Modele ab initio i MD dostarczyły informacji o energiach powierzchni i połączeń. Obrazowanie synchrotronowe w czasie rzeczywistym umożliwiło naukowcom obserwowanie ewolucji morfologicznej czoła spoiny spawalniczej oraz przepływów wewnętrznych w jeziorku spawalniczym. Zastosowano też mikroanalizator z sondą elektronową oraz sondę atomową do scharakteryzowania chemii stopów wokół granic ziarna. Uczestnicy projektu MINTWELD badali możliwości uproszczenia spawania oraz poprawy bezpieczeństwa i opłacalności tego procesu poprzez wykorzystanie nowych technologii i najnowocześniejszych metod modelowania komputerowego. Wyniki projektu MINTWELD pozwalają uzyskać kontrolę nad strukturą i właściwościami, stwarzając okazję do wyraźnej poprawy procesu spawania i otwarcia nowych rynków przed europejskim sektorem spawalniczym.
Słowa kluczowe
Spawanie, spoiny spawalnicze, ewolucja powierzchni styku, proces spawania, dynamika molekularna, modele pękania, granica ziarna, chemia powierzchni styku, modele struktury, wzrost kryształów, energie na stykach, jeziorko spawalnicze, chemia stopów
