بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي حرارتي حالت پلاسما در جوشکاري
چکيده
در اين مقاله ، جوشکاري قوس پلاسما مـورد بررسـي حرارتـي قرارگرفتـه و ميدان دمايي فولاد زنگ نزن آستنيتي در اين روش بدست آمده است .
تاثير حرارتي قوس پلاسما و ميدان دمايي ناشي از آن در قطعـه کـار، کليـد اصلي تحليل و بهينه سازي فرآيند جوشکاري پلاسما است .که هـدف اصـلي اين مقاله نيز در همين راستا تعريف شده است .
شبيه سازي فرآيند جوشکاري قوس پلاسـما و پارامترهـاي مـوثر بـر آن بـه وسيله نرم افزار ANSYS، بدست آوردن ميدان دمايي جسم ، تاثير تغييـر پارامترها بر ميدان دمايي و در نهايت بحـث در مـورد بهينـه بـودن فرآينـد جوشکاري ، بخش اصلي اين مقاله مي باشـد. شـبيه سـازي ايـن فرآينـد بـا استفاده از حل گر FSI بصورت کاملا دقيق و با در نظـر گـرفتن ميـدانهاي جداگا نه اي براي قطعه کار و همينطور بـراي گازهـاي پلاسـما و محـافظ و هواي اطراف آغاز شده است . معادله هاي اين ميدان ها اسـتخراج شـده و در پايان با استفاده از کوپل کردن ، معادله هاي ميدانهاي مختلـف بـا هـم حـل شده اند. جواب هاي بدست آمده از ميدان دمايي ، اثر هر يک از پارامترهـاي جوشکاري را مشخص نموده و با استفاده از ايـن موضـوع بـه بهينـه سـازي فرآيند جوشکاري قوس پلاسما با استفاده از کد نويسي به وسيله زبان برنامه نويسي ANSYS، پرداخته شده است .
کلمات کليدي : قوس پلاسما- المان محدود- ميدان دمايي - FSI–ANSYS
مقدمه
جوشکاري قوس پلاسـما، يکـي از فرآينـدهاي جوشـکاري قوسـي اسـت ،که قوسي به هم فشرده بين الکترود غيـر مـصرف شـدني و حوضـچه ي جـوش (قوس منتقل شده ) يا بين الکترود و شيپوره ي تنگ کننـده مـشعل (قـوس منتقل نشده ) به کار مي برد. همانند جوشکاري تيـگ بـا يـک الکتـرود، گـاز درون محفظه حجمي را گرم کرده تا به دماي يونيزاسيون برسد کـه در ايـن حالت هادي جريان الکتريسيته مي باشد. اين گاز يونيزه شده ، تحـت عنـوان گاز پلاسما شناخته مي شود. گاز پلاسما عموماً توسط يک منبع کمکي گـاز، پشتيباني مي شود. اين گاز محافظ مي تواند يک گاز بي اثر مجزا يا ترکيبي از گاز های بی اثر میباشد فشار در این مرحله نقشی ندارد و فلز پـر کننـده را نيـز میتوان در صورت نیاز مورد استفاده قرار داد . با توجه به اينکه معادلات تعاملي سازه و سيال به صورت غير خطي مي باشند راه حلهاي تحليلي غالبا قابل استفاده نيستند، زيرا با وروديها و مقادير اوليه که جهت حـل بـه مـسائل تعـاملي داده ميـشود، مـسئله بـسيار پيچيـده شـده و تکنيکهاي حل عددي تنها روشهايي هستند که براي دستيابي به راه حل هـاي کامل در دسترس مي باشند.
در برسي هاي به عمل آمده توسط دانشمندان راه حـل هـاي مختلفـي بـراي بررسي حرارتي جوشکاري ارائه گرديده است . از جمله مي توان حل عددي اين فرآيند جوشکاري توسط Tanaka و همکارانش را نام برد[۱]. ازآنجا کـه ايـن موضوع داراي کاربردهاي فراواني در صنعت مي باشد، در استانداردهاي موجود نيز روشهاي خوبي ارائه شـده اسـت . کـه ايـن روش توسـط Steffans ارائـه گرديده است [۲].
شبيه سازي نهايي فرآيندکه نتايج مقاله بر مبناي آن است بـا اسـتفاده از حـل گر FSI بصورت کاملا دقيق انجام شـده اسـت . بـدين صـورت کـه ميـدانهاي جداگانه براي ميدان جامد ( فولاد زنگ نزن بعنوان قطعه کار) و همينطور براي ميدان سيال ( گازهاي پلاسما و محافظ و محيط اطراف ) در نظر گرفتـه شـده است . معادله هاي اين ميدان ها استخراج گرديده سپس بـا اسـتفاده از کوپـل کردن ، معادله هاي ميدانهاي مختلف با هم حل شده اند. در نهايت بـا اسـتفاده از کد نويسي به وسيله ي زبان برنامه نويسي ANSYS به بهينه سازي فرآيند پرداخته شده است . براي اين کار متغيرهاي طراحي شبيه سازي معرفي شده و سپس متغيرهاي حالت بصورت تابعي از متغيرهاي طراحي معرفي گرديدنـد و تابع هدف که همان ميدان دمايي قطعه کاربوده ، جهت نيـل بـه ميـدان بهينـه سازي شده ، بدست آمده است .که شرايط مطلـوبي از نظـر سـرعت سردشـدن ، کنترل توسعه ي منطقه ي HAZ وکمينه بودن ميـزان انـرژي مـصرف شـده جهت انجام فرآيند دارا مي باشد.
معادلات حاکم بر شرايط مرزي
بادرنظر گرفتن قطعه فولاد زنگ نزن (ميدان جامد) و ميدان سيال مطابق شکل (۱) و با فرض ايده آل بودن سيال روي قطعه ، خط ميان ميدان جامد و ميدان سيال ، ناحيه مشترک سيال و سازه است ، که در آن رابطه زير برقرار است :
که در اين رابطه تابع پتانسيل سرعت سـيال ورودي بـه سـطح کنتـرل فرض شده روي ميدان جامد در مرز سطح کنتـرل ، n برداريکـة عمـود بـر ناحية سيال و u سرعت لايه مرزي سيال در هنگام خروج از سطح کنترل است .[۳]
اگر اين رابطه را براساس شتاب و فشار نشان دهيم ، نتيجه خواهد شد:
و براي سطوح جانبي سطح کنترل که همان سطح آزاد ميدان سيال تلقـي مي شوند، فرض 0=P اعمال مي شود.
معادلة ديفرانسيل حرکت يک المان سيال در مختصات کارتزين در غياب نيروهاي خارجي برابر است با:
همچنين براي شرايط اوليه با فاصله نـوک مـشعل از سـطح قطعـه کـار رابطه برقرارمي باشد. و با فرض ثابت بودن P بدست مـي آيد :
حال با توجه به مطالب ارائه شده فوق مي توان رابطة زير را بـراي سـطوح جانبي سطح کنترل ارائه مي شود:
براي مشخص کردن خط تشعشع مي توان طبق روش زير عمل نمود. .[۳]
اگر فقط تغييرات در جهت y در نظرگرفته شود، مي توان نوشت :
در اين رابطه C سرعت صوت است مي باشد.از آنجا که در جهت x هيچگونه سيال خروجي از مشعل نداريم تشعشع حاصل تنها در راستاي y خواهد بود. مطابق شکل (۱) در نبود موج G و با توجه به شرايط ، رابطه (۶) مي شود:
با داشتن تابع F و مشتق اين تابع F :
بررسي فرم ضعيف شدة تعامل سازه و سيال
حال مي توان فرم ضعيف شده براي ميدان سيال به شکل زير معرفي نمود
چنانچه هدف نشان دادن نواحي معرفي شده در بخـش قبـل بـر اسـاس شـرايط مرزي ميدان سيال بصورت معادله هايي در فرم ضعيف شده باشـد، بدسـت مـي آيد:
در اين معادله دامنه کل سيال و Ti شرايط مرزي قـسمتهاي تعريـف شـده مي باشد.
بطور مشابه براي ميدان جامد مي توان فرم ضعيف شده را به شکل زير بيان نمود.
بررسي معادلات انتقال حرارت
اگر انتقال حرارت به روش رسانندگي در يک بعد بصورت زير باشد:
رابطه بالا در دو بعد را مي توان بصورت زير نوشت :
که در آن KXX و Kyy ضرايب رسانندگي حرارتي مي باشند.
در ضمن انتقال حرارت به روش همرفتي نيز بصورت :
مي باشد، با استفاده از روابط بالا براي انتقال حرارت با در نظر گرفتن اثر همرفتي داريم :
با بهره گيري از روابط ارائه شده مي توان معادله پتانسيل انتقال حرارت را بصورت زير نوشت :
تکنولوژي فرآيند جوشکاري قوس پلاسما
فرآيند جوشکاري قوس پلاسما را مي توان يک توسعه ي فرآيند جوشـکاري قوس تنگستني در نظر گرفت . به هر حال ، فرآيندهاي قوس پلاسـما داراي چگالي انرژي قوس بيشتر و سرعت گاز بيشتر هستند که محـصول رانـدن قوس پلاسما از درون يک افشانک تنگ کننده است . يک مشعل جوشکاري قوس پلاسما شامل يک الکترود تنگستني مرکزي ، يک افشانک تنگ کننده با روزنه اي کوچک و يک افشانک گاز خارجي است کـه گـاز محـافظ را بـه جسم مورد جوشکاري مي رسـاند. بـا عبـور گـاز روزنـه از درون محفظـه ي مشعل پلاسما، توسط قوس گـرم و منبـسط و از روزنـه ي تنـگ کننـده بـا سرعت زياد خارج ميگردد. نازلي که قوس پلاسما از آن عبور مي کند داراي دو بعد اصلي است : قطر دهانه و طول گلوگاه . دهانه مـي توانـد اسـتوانه اي شکل يا مخروطي ، همگرا يا واگرا باشد.
الکترود موجود در مشعل GTAW ازانتهاي نازل گاز محافظ خارج شـده و تا سطح قطعه کار، امتداد مي يابـد. قـوس تنگـستن گـاز، منقـبض شـده نيست و به طور تخميني داراي شـکل مخروطـي فـرض شـده کـه الگـوي حرارتي عريض را بر روي قطعه کـار توليـد مـي نمايـد. بـراي يـک جريـان جوشکاري مشخص ، محيط اصابت قوس مخروطي شکل بـا قطعـه کـار بـا مسافت الکترود تا قطعه کار فرق مي کند. بنـابراين يـک تغييـر کوچـک در طـول قـوس يـک تغييـر بـزرگ در ورودي حرارتـي در واحـد محـيط را ايجادمي نمايد.
در مقايسه ، الکترود مشعل قوس پلاسما درون نـازل منقـبض شـده ، پـس رفت مي نمايد. قوس تنظيم شده و به وسيله نـازل منقـبض شـده بـر روي محيط کوچکي از قطعه کار متمرکز مي شـود. از آنجـايي کـه شـکل قـوس استوانه اي مي باشد، با تغييرات Standoff مشعل پلاسما، تغييرات بـسيار کوچکي در محل تماس بر روي قطعه کار مشاهده مي شود. بنابراين پروسـه PAW به تغييرات مسافت مشعل تا قطعه کار نسبت به پروسه GTAW حساسيت کمتري دارد.[۴]
شبیه سازی عددی
شبيه سازي المان محدود در سه مرحله و با اسـتفاده از اجـزاء اصـلي نـرم افزار ANSYS انجام شده است .
مرحله اول ، ساخت مدل با استفاده از پيش پردازنده داخلي مدلساز المـان محدود است .
مرحله دوم ، بررسي و تحليل حرارتي و پردازش است .
مرحله نهايي ، پس پردازش نتايج تحليل با استفاده از پردازنده Post-GL نرم افزار ANSYS براي تفسير نتايج مي باشد.
تکنيکهاي خاص مدلسازي مورد نياز براي ارائه يک مدل اجزاء محدود عبارتند از :
۱- ارائه مدل اجزاء محدود، انواع و خواص اجزاء براي قسمتهاي مختلف مدل
۲- ايجاد وتخصيص خواص مادي
۳- تعريف پارامتر
۴- بارگذاري
۵- تعريف شرايط مرزي و اوليه
۶- تعريف فصول مشترک
۷-تعريف پارامترهاي کنترلي
کليات حل عددي
الف ) در حل عددي انجام شده به کمک کد ANSYS از روش اجزاء محدود با متد Implicit استفاده شده است .
ب ) در حل عددي با توجه بـه تعامـل سـازه وسـيال از حـل گـر FSI)Fluid (Soild Interface استفاده شده است .
ج ) با توجه به به اينکه در جوشکاري قوس پلاسما، بارگذاري از ماهيت حرارتـي برخوردار است و مشاهده نتايج با درنظر گرفتن حرکتهاي بسيار سريع مي باشد، گامهاي زماني بسيار کوچکي مورد استفاده قرار گرفته است .
