Bileşim ve kaynak parametrelerinin, C-Mn ve düşük alaşımlı çelik kaynakların maksimum ısıdan etkilenen bölge (HAZ) sertliği üzerindeki birleşik etkilerini modellemek için birçok girişim yapılmıştır. Her model incelenen verilere iyi bir uyum sağlamıştır, ancak diğer veriler için tutarlı bir şekilde iyi olduğu görülmemiştir. Bileşim, kaynak parametreleri, 800 °C'den 500 °C'ye soğutma süresi (t
8/5) ve maksimum HAZ sertliğinin bilindiği 300'den fazla veri noktası kullanılarak maksimum HAZ sertliğini belirlemek için on iki yöntem incelenmiştir. Ölçülen ve hesaplanan sertlik değerleri her yöntem için karşılaştırılmış ve dağılımlar not edilmiştir.
Tüm aralıkta tek bir yöntem doğru değildi ve istatistiksel parametreler herhangi bir yöntemi üstün olarak tanımlamadı. Bir dizi hibrit yöntem de incelendi ve aynı istatistiksel parametreler belirlendi. En başarılı hibrit model, Lorenz ve Düren'in bir yöntemini Yurioka'nın yöntemiyle birleştirdi ve bir martensit sertlik sınırı tahminini içeriyordu. Bu hibrit model, 28HV'lik bir standart sapma ile ölçülen verilere iyi bir uyum sağladı. Hibrit yöntem t
8/5 değerini gerektirir. EN1011-2'de verilen Rosenthal denklemlerinin yeniden düzenlenmesi kullanılarak bu, kaynak parametrelerinden belirlenebilir.
Bu nedenle, bir kaynak mühendisi çelik bileşimini, bağlantı konfigürasyonunu ve kaynak parametrelerini biliyorsa, tek geçişli bir kaynak (veya çok geçişli bir kaynağın son damarı) için maksimum HAZ sertliği tahmini bu hibrit yöntemden elde edilebilir. Maksimum HAZ sertliğinin belirli bir değerinin karşılanması gerektiğinde, yaklaşım, gerekli kaynak prosedürü kalifikasyon testlerinin sayısını önemli ölçüde azaltmalıdır.
Giriş
Söz konusu alaşıma ikame güçlendirme veya çökelme sertleşmesine katkıda bulunan mevcut elementler ve malzemenin termo mekanik geçmişi dahil olmak üzere birçok faktör bir metalin sertliğini etkiler. Bir kaynak boncuğunun yerleştirilmesi, orijinal makroskopik sınırları (hazırlık kenarları) değiştirir ve çevreleyen malzemeyi, genellikle malzemenin mikro yapısını ve sertliğini değiştiren bir termal döngüye tabi tutar. Bir servis çatlatma mekanizmasından kaçınmak için, ısıdan etkilenen maksimum bölge sertliğinin ne olabileceğinin belirlenmesi önemlidir, tahmin araçları uygun kaynak prosedürlerinin seçilmesine yardımcı olabilir.
C-Mn ve düşük alaşımlı çeliklerdeki maksimum ısıdan etkilenen bölge (HAZ) sertliği, yaklaşık 800 °C'den daha yüksek sıcaklıklarda, kaynak sırasında yalnızca bir termal döngü yaşayan ana çelik içindeki bir konumdan ortaya çıkması muhtemeldir. Bu konumda müteakip bir termal döngü yaşanırsa, maksimum sıcaklığın> 800 °C olması olası değildir ve bu nedenle bir miktar temperleme veya sertlikte azalma meydana gelebilir, ancak bir artış olasılığı düşüktür. Çok geçişli bir kaynakta, bu 'tek termal döngü' konumu, kapak geçişlerine bitişik ana malzemedir (başka tavlama boncuklarının birikmediği varsayılarak).
Bazı araştırmacılar HAZ sertliğini tahmin etmek için denklemler yayınladılar, ancak bunlardan hangisinin en muhafazakar olduğu veya belirli bir çelik için en uygun olduğu açık değil. Yazarların çoğu, sertliğin belirlenmesi için algoritmaları belirlemek için kimyasal bileşimle birlikte bir zaman-sıcaklık parametresi kullanmıştır. Seçilen zaman-sıcaklık parametresi, 800 °C'den 500 °C'ye soğumak için geçen süredir, dönüşüm sıcaklık aralığını karakterize eden bir sıcaklık aralığıdır (ancak zorunlu olarak sınırlamaz). Bu parametre t
8/5 olarak bilinir.
Hangi hesaplama yönteminin en uygun olduğunu değerlendirmek için, kompozisyon ve t
8/5 ile ilgili olabilecek sertlik verilerini dikkate alan bir doğrulama çalışması kullanılmıştır. Algoritmaları doğrulamak için 300'den fazla veri kullanıldı ve ayrıca bir sinir ağı analizi için bir temel sağladı.
Önerilen Makale: Çelik profil malzemeler ve uygulamaları hakkında detaylı bilgi almak için
paslanmaz çelik firmaları sayfamızı ziyaret etmenizi tavsiye ederiz.
Ampirik Denklemler
Her incelemeden ilgili denklemler, büyük ölçüde, maksimum sertlik, düşük t8/5, % 100 martensit rejimine karşılık gelen üç bölümden oluşuyordu; minimum sertlik, yüksek t8/5, % 0 martensit rejimi ve ara rejim. t8/5 arttıkça, daha yavaş soğutma hızı daha düşük bir sertlikle sonuçlanır (başlangıçta düşük bir martensit yüzdesinden kaynaklanır).
Öngörülen bir sertlik değeri oluşturmak için girdi bileşimsel ve t8/5 verilerini kullanarak her deneysel yöntem kullanıldı ve bu, ölçülen sertlik verileri ile karşılaştırıldı. Hesaplanan değerlerin kaydedilen değerlerle ilişkisi 1: 1 ilişki ile oluşturulmuş ve bu nedenle ilgili aralık üzerinden "muhafazakar" veya "muhafazakar olmayan" (fazla veya düşük tahminler) olarak değerlendirilmiştir. Her algoritma farklıydı ve başlangıçta sınırlı bir kompozisyon aralığına uygulanmıştı. Verilerin birleşik bir algoritma ile en iyi eşleşmesini belirlemek için çeşitli mevcut algoritmaların kombinasyonları ve regresyon teknikleri kullanılarak verilerin tamamen yeniden değerlendirilmesi için araştırıldı. Seçilen yöntemin pratik uygulaması için bir t8/5 tahmininin dikkate alınması gerekir, bu nedenle Rosenthal denklemlerine ve çelikler için yeniden düzenlemelerine dikkat edildi.
Sinir Ağları
Sinir ağları, geleneksel yöntemler kullanılarak çözülmesi zor olan, yani gürültülü veya öznel veriler içeren ve örüntü tanıma ile sınıflandırma gerektiren sorunları ele almak için uygundur.
Bir sinir ağı, paralel olarak çalışan birçok küçük işlem öğesinden oluşur. Bu elemanlar veya nöronlar, ağ üzerinden bilgi akışını ve dolayısıyla giriş verilerine tepkisini kontrol eden bağlantı "ağırlıkları" ile birbirine bağlıdır. Ara bağlantı ağırlıklarının değerleri, ağın verilen soruna yanıtını optimize etmek için bir eğitim süreci sırasında sistem tarafından belirlenir. Eğitim etkileşimli bir süreçtir ve ağın sınıflandırması gereken kapsamlı bir veri kümesi gerektirir. Eğitildikten sonra, bir sinir ağı sisteminin çeşitli avantajları vardır, yani hızlıdır, genelleştirebilir (yeni verilerle sunulduğunda), uyarlanabilirdir (veri kümesi eksik olsa bile kullanılabilir) ve kolayca yerleştirilebilir.
Deneysel formüller için kullanılan aynı veriler sinir ağını eğitmek, test etmek ve doğrulamak için kullanıldı. Ağın gelişimini kolaylaştırmak için veriler üç alt gruba ayrıldı. Çıktı için tek bir işleme elemanına ve dolayısıyla sadece bir 'gizli' katmana sahip çok katmanlı bir Perceptron tipi ağ kullanıldı. Veri miktarı nispeten küçüktü ve bu nedenle sinir ağı, maksimum kaynaklı sertliği etkili bir şekilde tahmin etmek için eğitilemedi ve ayrıca verilerdeki dağılımla sınırlıydı.
Sonuçlar
Seçilen veriler, karbon eşdeğerinde (Uluslararası Kaynak Enstitüsü, CEIIW) 0,2 ile 0,7 arasında bir değişiklik ve t8/5 ile 6 s aralığında sonuç veren bir kalınlık ve ısı girdisi aralığı ile sonuçlanan bir dizi bileşime sahipti. Bileşim aralıkları Tabloda gösterilmiştir:
Eleman - Aralığı
C: % 0,04-0,25
Si :% 0,50'den az
Mn: % 0,9-2,0
Cr: % 0.05'ten az
Mo: % 0.6'dan az
V: % 0,15'ten az
Nb: % 0,07'den az
Ni: % 0,9'dan az
Cu: % 0,4'ten az
Al: % 0,01-0,06
Ti: % 0,02'den az
Ca: %0.001-0.006
S: % 0,04'ten az
P: % 0,03'ten az
N: % 0,015'ten az
Sadece bir çelik % 0.0005 seviyesinde bor içeriyordu.
Yurioka tarafından 1981'de kullanılan yöntem büyük ölçüde muhafazakar (aşırı) sertlik tahminleri verirken, diğer algoritmalar büyük ölçüde koruyucu olmayan (düşük) sertlik tahminleri veriyordu. Yurioka algoritması, Lorenz ve Düren tarafından bir tanesiyle eşleştirildi, Aşırı tahmininkine benzer bir düşük tahmin seviyesine sahipti ve 1: 1 temelinde birleştirildi. Bu, tahmini iyileştirdi, ancak yöntemlerin kombinasyonu nedeniyle maksimum martensit ve minimum bainit sertliği kaybedildi. Bainitin, tane büyümesi nedeniyle artan t8/5 ile yumuşamaya devam edebileceği, ancak martensit maksimum sertlik 'platosunun' yeniden oluşturulması gerektiği düşünülmüştür. Lorenz ve Düren modelinde maksimum sertliği vermek için t8/5 değeri kullanılarak, kombine algoritma için martensit sertliği için tek bir değer belirlenmiştir.
Ölçülen verilerin olmadığı durumda t8/5 için bir değerin belirlenmesinde Rosenthal denklemleri dikkate alındı. Kararlı hal kaynağı sırasında ısı akışı için 'kalın levha' ve 'ince levha' ısı transfer koşulları için iki çözüm olduğu bilinmektedir. Degenkolbe, Uwer ve Wegmann, Rosenthal denklemlerinin düşük alaşımlı çeliklere uygulanmasını değerlendirdiler. Ark kaynağı için yeniden düzenlemeleri, ortalama olarak ölçülen değerlerin % 8'i içinde olan t8/5 değerlerini verir. Bu t8/5 belirleme yöntemi, sertliği belirlemenin genel yöntemine uygulandığında, ölçülen değerlerinkine makul ölçüde yakın bir tahminle sonuçlanır. Ölçülen veya hesaplanan t8/5 verilerinin kullanımıyla karşılaştırıldığında, yayılma benzerdir, ancak ölçeğin sırasıyla alt ve üst uçlarındaki düşük ve fazla tahmin, verileri 1: 1 korelasyonundan biraz saptırır. Bununla birlikte, verilerin bu çarpıklığı, zorunlu martensit platosu tarafından üretilenle karşılaştırılabilir, bu nedenle t8/5 verilerinin mevcut olmadığı durumlarda, yöntem yine de kullanılabilir.
Sinir Ağı Sonuçları
Verilerin incelenmesi, belirli değişkenlere göre verilerde önemli bir çarpıklık olduğunu ve ayrıca tek bir değişken seti için t8/5 aralıklarının ve sertliğin beklenen şekilde ille de ilişkili olmadığını ortaya çıkardı. Geliştirilen tüm modeller 25 ile 30HV arasında standart sapma ve 0.8 ile 0.88 arasında bir korelasyon ile sertlik değerleri üretti. En iyi korelasyon, birleşik ampirik formülünkine yakın olan 26.1HV'lik bir standart sapmaya sahiptir. Tahminde herhangi bir iyileşmenin daha büyük bir veri setinin kullanılmasıyla ortaya çıkması beklenmemektedir.
Tartışma
Seçilen sertlik tahmini yöntemi, verilerle makul bir uyum gösterir. Bu nedenle yöntem, sertlik eğilimleri ve özellikle prosedür tasarım aşamasında veya prosedür değiştirme aşamasında belirtmek için öngörücü bir araç olarak kullanılabilir. Kaynak mühendisleri, her olası kombinasyonu test ederek oluşturmaya gerek kalmadan, ana malzeme bileşimi ve kaynak parametrelerindeki küçük ve büyük değişikliklerin etkilerini belirleyebilirler. Bireysel durumlar için, tahmin edilen sertliğin bu yöntemle belirlenmesinin elde edilen gerçek değerlerin 56HV üstünde veya altında olabileceği ve bu durumlar için ortak bir faktör olmadığı görüldüğünden, tahminin tekil durumlar için sınırlı uygulamaya sahip olduğu unutulmamalıdır. Bu, örneğin ISO 15156'ya uymak için HAZ sertliğinin sınırlandırılması gereken zamanlar için özellikle dikkat çekicidir - 250HV HAZ sertliği vermesi öngörülen bir çelik ve kaynak prosedürü 194HV kadar düşük veya 306HV kadar yüksek verebilir. Bu, yöntemin sınırlamalarının farkına vararak ve onu öncelikle söz konusu çelik bileşimi ve kaynak parametreleri için hangi faktörlerin en önemli olduğunu belirtmek için bir araç olarak kullanarak hafifletilir. Bu nedenle tahmin, prosedür testinin yerini alamaz, ancak uygulanan prosedürle ilgili bir sorun olup olmadığını belirlemek için kullanılabilir. Bir prosedür yeterlilik testinde gerekli maksimum HAZ sertliğinin aşıldığı durumlarda, ölçülen ve tahmin edilen değerler karşılaştırılabilir ve gerekli maksimum sertliği elde etmek için hangi kaynak parametresi ayarlamalarının gerekli olacağını belirtmek için daha fazla hesaplama yapılabilir. Ek olarak, prosedürün gerekli sertlik seviyelerine ulaştığı gösterildiğinde, sahada gerekliliğin karşılanması için gerekli olabilecek bileşim üzerinde herhangi bir kısıtlama hesaplamadan belirlenebilir.
Yukarıda belirtildiği gibi, dağılım bandı oldukça büyük görünmektedir. Aşağıdaki öğelerin dağılmaya katkıda bulunduğu kabul edilir:
Kullanılan karbon eşdeğeri formüllerinde kullanılan katsayılardaki hatalar (yuvarlama hataları dahil).
Ampirik denklemlerin türetildiği soğutma süresi ölçümlerindeki hatalar.
Yeterli bir t8/5 aralığı için ampirik denklemleri tam olarak karakterize edecek veri eksikliği.
Maksimum sertliğin belirlenmesinde veya t8/5 ölçümünde kullanılan 300 verideki deneysel hatalar.
Ti çökeltileri ve kükürt içeriği gibi ampirik denklemlerde hesaba katılmayan elementlerin etkisi.
Ek olarak, sertlik ölçümlerindeki dağılım, girinti yüklerinden etkilenmiş olabilir, çünkü <10kg yüklerde, belirlenen değerdeki dağılım artmaktadır.
Pratik bir bakış açısına göre, özellikle sinir ağı deneysel denklemler üzerinde herhangi bir gelişme göstermediğinden, denklemlerin bir bilgisayar programına çevrilmesi veya bir elektronik tablo paketi içindeki denklemler çoğu kullanıcının gereksinimleri için yeterli olacaktır.
Sonuçlar
Çelik kaynaklardaki HAZ sertliğini 300'den fazla veriye tahmin etmek için tasarlanmış bir dizi deneysel algoritmanın değerlendirilmesinin ve verilerin sinir ağı modellemesinin ardından aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:
Ampirik denklemlerin hiçbiri, ölçülen ve tahmin edilen değerler arasında tatmin edici bir 1: 1 korelasyon sağlamak için kaynak halindeki maksimum HAZ sertliğini yeterince iyi tahmin edememiştir.
Yurioka 81 ve Lorenz ve Düren'den gelen iki ampirik formülden oluşan bir kombinasyon, 28HV standart sapma ile 1: 1'e çok yakın olmakla birlikte en iyi korelasyonu vermiştir.
Sertlik değerlerinin Sinir ağı kodlaması, 26HV'lik bir standart sapma ile 1: 1 korelasyon verdi.
T8/5 (veya özdeş kaynak parametrelerinden ölçülen bir değer) tahmin etme yöntemiyle kullanılan birleşik deneysel formül, kaynaklı maksimum HAZ sertliğini ve değişen girdi faktörleri ile sertlik değişimlerindeki eğilimleri tahmin etmek için kullanılabilir.
