بخشی از مقاله
چکیده
در عملیات جوشکاری توزیع ناهمسان دما در جسم سبب میشود بعد از مرحلهی سرد شدن، تنشهایی در آن باقی بماند که به آنها تنشهای پسماند گفته می شود . تنش های پسماند اطراف جوش، یکپارچگی سازه را از بین برده و تنش پسماند کششی بزرگی در نزدیکی خط جوش ایجاد می کند که باعث ترد شدن فلز و کاهش عمر آن می شود. با توجه به اهمیت بسیار زیاد تنش در طراحی ستونها و مخازن در صنایع دریایی و هوافضا، تخمین درستی از مقدار تنش در مرحله طراحی سازهها حائز اهمیت است.
در این تحقیق به بررسی و تحلیل اجزاء محدود اثر تنش پسماند ناشی از جوشکاری بر روی پوسته استوانه ای آلومینیوم سرس 5000 با استفاده از روش المان محدود توسط نرم افزار ANSYS پرداخته شده است. بدین منظور با استفاده از یک تحلیل حرارتی، تاریخچه دمایی جسم بدست آمده و از آن به عنوان بارگذاری در تحلیل مکانیکی استفاده می شود. جهت مدلسازی پاس های جوش و ورود المان های مذاب به داخل حوضچهی جوش از تکنیک تولد و مرگ المانها استفاده شده است. با توجه به نتایج تحلیل اجزاء محدود، توزیع تنش پسماند در جسم در دسترس قرار گرفته و از تحلیل بدست آمده میتوان در طراحی و کاربردهای آینده پوسته آلومینیومی استفاده نمود.
کلمات کلیدی: تحلیل اجزاء محدود، تنش پسماند، جوشکاری آلومینیوم، پوستههای استوانهای
مقدمه
جوشکاری روشی معتبر و مؤثر برای اتصال فلزات میباشد و به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. علیرغم مزایای قابل توجه روشهای مختلف جوشکاری از قبیل دسترسی آسان به آنها و استحکام زیاد قطعات در محل اتصال، ایجاد تنشهای پسماند حاصل از آن ضرری اجتناب ناپذیر در فرایندهای ساخت و تولید می باشد. در جوشکاری، تنش پسماند به علت گرم و سرد شدن قطعات در حین فرایند جوشکاری و تغییر فرم های برگشت ناپذیر به وجود می آید. زمانی که ماده در محل جوشکاری تحت تأثیر دماهای زیاد قرار می گیرد تنش های گرمایی در آن به وجود می آید. با اتمام فرایند جوشکاری و حذف منبع گرمایی، ماده دچار افت دما شده و تا دمای محیط سرد می شود.
این گونه تغییر دما در مواد باعث تغییرات میکروساختاری و به تبع آن ایجاد تنش پسماند در قطعه می شود. تنش های پسماندی که داخل و اطراف اتصالات جوش ایجاد می شوند برای یکپارچگی و کارکردی که قطعات جوشکاری در اختیار قرار میدهند، مضر میباشند. تنشهای پسماند کششی بزرگ ممکن است در ناحیه نزدیک جوش باعث ایجاد شکست های ترد، کاهش عمر خستگی و توسعه ترک هایی شوند که در اثر تنش های ناشی از خوردگی به وجود می آیند. در سازه های پوسته ای تنش های پسماند به مقدار قابل توجهی بار کمانش الاستیک را کاهش داده و یا حتی منجر به کمانش بدون اعمال بار خارجی میگردند. لذا تحلیل درست عوامل موثر در کمانش از جمله تنشهای پسماند گریزناپذیر، بسیار حیاتی میباشد.
در عملیات جوشکاری توزیع ناهمسان دما در جسم سبب میشود بعد از مرحلهی سرد شدن، تنشهایی در آن باقی بماند که به آنها تنشهای پسماند میگویند. این تنش ها بر رفتار جسم تاثیر گذاشته، منحنی تنش-کرنش را از حالت ایده آل کشسان-مومسان به حالت غیر خطی در میآورد. تغییر منحنی تنش-کرنش سبب تغییر در مقاومت عضو میگردد، و این تنش ها از مهمترین علل بروز ترک در سازه و لولههای جوشکاری شده میباشند. به همین دلیل تحلیل دقیقی از تنشهای پسماند بوجود آمده در جسم بسیار در طراحی آن بسیار مهم میباشد.
با توجه به ماهیت پیچیده تنش های پسماند و نحوه توزیع آنها در سازه، فرمولهای تحلیلی غالبا جوابگو نبوده و تنها روشهای عددی قابل اتکا هستند. لذا مدل سازی عددی فرآیند جوشکاری با توجه به پارامترهای واقعی جوشکاری که ممکن است برای هر حالتی متفاوت باشند برای بدست آوردن توزیع کامل تنشهای پسماند - که دارای مولفههای کششی و فشاری است - گامی اساسی در طراحی و تحلیل سازه میباشد.پژوهش های انجام شده در مورد مدل سازی تنش های پسماند عموما در مورد صفحات تخت انجام شده است و در مورد ستونهای دایروی اکثر کارهای انجام گرفته محدود به مدل سازی استوانه ها با المان های پوسته بوده است که نسبت به المان های جامد به فیزیک مسئله کمتر نزدیک هستند.
تنگ و چانگ [1] تحقیقی روی اثر تنش پسماند بر رشد ترک خستگی ماده بعد از عملیات جوشکاری انجام دادهاند که طی آن با تحلیل الاستوپلاستیک، تنش پسماند تعیین شده است. با توجه به توزیع غیر یکنواخت دما، ایجاد کرنشهای حرارتی و تغییر فرم پلاستیک محلی ماده بعد از جوشکاری، مشکلات مهمی از قبیل شکست و کاهش استحکام کمانشی سازه به وجود میآید .[2] از این رو، تحقیقات بسیاری در مورد تنش پسماند ناشی از جوشکاری صورت گرفته که در آنها به نحوه توزیع دما در جوشکاری، تنش پسماند، تأثیر آن بر عمر خستگی و تحلیل عمر خستگی تا شکست ماده پرداخته شده است.
همچنین در بعضی مقالات، روشهای تنش زدایی بعد از عملیات جوشکاری مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. به عنوان نمونه، چو و همکاران [3] تحقیقی روی اثر تنش زدایی با عملیات حرارتی پس از جوشکاری انجام داده اند. در بسیاری از مقالات، روشهای تجربی و آزمایشگاهی برای اندازه گیری تنش پسماند مورد استفاده قرار گرفته اند. با توجه به حرکت منبع گرما، متمرکز شدن گرما در ناحیه جوش و همچنین وابسته بودن خصوصیات ماده به تغییرات دما، پیش بینی مقادیر دقیق تنش پسماند مشکل است. اولین سری تکنیکهای اندازه گیری تنش پسماند شامل روشهای غیر مخرب بود. برای نمونه، نوترون و روزنتال 4] و [5 تنش پسماند را به وسیله تکنیک تابش اشعه X اندازه گیری کردند.
پانگ و پوکاس [6] از سوراخ زنی و استفاده از کرنش سنج برای دستیابی به تنش پسماند استفاده نمودند. چو و همکاران [7] تنشهای پسماند جوشکاری را با امواج سوپرسونیک اندازه گیری کرده اند. کلارک و همکاران [8] روش انکسار نوترون و نامکونگ و همکاران [9] روش مغناطیسی را برای اندازه گیری تنش پسماند مورد استفاده قرار دادهاند. اخیراً، روشهای عددی نیز برای پیش بینی مقادیر تنش پسماند مورد استفاده قرار گرفته که اندازه گیری تنش پسماند را آسانتر کرده اند. در میان روشهای عددی، المان محدود کارایی بیشتری دارد، زیرا کار با این روش ساده تر است، برای همه نوع مسئله ای قابل استفاده می باشد، هیچ محدودیتی در نوع شکل، هندسه و مواد ندارد و میتوان از آن در همه شرایط استفاده کرد.
بر این اساس، مقالات زیادی را می توان مشاهده کرد که در آنها از روش المان محدود برای تحلیل فرایند جوشکاری استفاده شده است. در بعضی مقالات، توزیع دمای ناشی از جوشکاری با استفاده از روش المان محدود مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است.هدف از این تحقیق بررسی و تحلیل اجزاء محدود اثر تنش پسماند ناشی از جوشکاری بر روی پوسته استوانهای آلومینیومی می باشد. لذا با استفاده از یک تحلیل حرارتی، تاریخچه دمایی جسم بدست آمده و از آن به عنوان بارگذاری در تحلیل مکانیکی استفاده شد. با توجه به نتایج نرم افزار، توزیع تنش پسماند در جسم در دسترس قرار گرفته است.
مدلسازی جوش
در تحقیق حاضر جوشکاری شعاعی دو مرحله ای و جوشکاری طولی تک مرحله ای پوسته استوانه ای آلومینیومی مورد بررسی قرار گرفته است. لوله دارای قطر خارجی 3200 میلیمتر، ضخامت 20 میلیمتر و طول 6000 میلیمتر بوده که به روش جوشکاری قوس تنگستنی با گاز محافظ انجام شده است. در شکل - 1 - ابعاد و اندازههای مدل نشان داده شده است.در مدل سازی فرآیند جوشکاری، سه حوزهی حرارت، متالوژی و مکانیک در تعامل با یکدیگرند. با انتخاب روش تحلیل برای آنالیز جوشکاری، چگونگی ارتباط این سه حوزه تعیین می شود.
تقابل این سه حوزه بیانگر آن است که در شبیه سازی فرآیند لازم است دو دسته معادله دیفرانسیل حرارتی و مکانیکی به صورت همبسته حل گردند. در این تحقیق از روش غیر وابسته حرارتی و مکانیکی استفاده شده است که از دو مرحله اساسی تشکیل شده است. در مرحله اول که تحلیل حرارتی مدل است با استفاده از مدل حرارتی، تحلیل گذرای حرارتی انجام میشود. نتایج این تحلیل که در تاریخچه حرارتی نقاط مختلف سازه است، در تحلیل مکانیکی به عنوان ورودی مساله مورد استفاده قرار میگیرد. در نهایت با انجام یک تحلیل الاستیک- پلاستیک میدان تنشهای پسماند به دست میآید.
تحلیل حرارتی
به منظور مدل سازی و تحلیل حرارتی و مکانیکی از نرم افزار المان محدود ANSYS16 استفاده شده است. در ابتدا از آنالیز حرارتی برای بررسی توزیع دما در زمانهای مختلف استفاده می شود. هم چنین به منظور شبیه سازی نحوه جوشکاری از روش تولد و مرگ المان استفاده شده است. با استفاده از خاصیت تولد و مرگ المان می توان جوشکاری را به نحوی شبیهسازی نمود که در ابتدای آنالیز کلیه المانهای جوش حضور داشته باشند در حالی که تاثیری در روند تحلیل ندارند یا به اصطلاح المان هایی مرده می باشند و پس از زنده شدن می توانند خاصیت ماده گرفته و رسانایی داشته باشند.
بر اساس سرعت جوشکاری، تعداد المانهای مجاور برای جوش انتخاب شده و به تمام نودهای آنها، دمای 1500 درجه اعمال می شود. زمان مورد نیاز برای نگه داشتن دمای فوق، برابر با طول المانهای انتخاب شده تقسیم بر سرعت جوش - t = x / v - میباشد. پس از گذشت زمان یک مرحله از آنالیز، تعدادی برابر با المان های پیشین انتخاب شده و به نودهای آنها دمای 1500 درجه اعمال می شود در حالیکه دما از روی نودهای مرحله قبل برداشته میشود. در این مرحله المانهای جدید، زنده خواهند شد تا در تحلیل المان محدود موثر واقع شوند.
فرضهای انجام گرفته در این تحقیق عبارتند از:
-1 دمای محیط در اطراف جوش و در نقاط دیگر، یکسان و 25 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است. -2 تغییرات حجمی طی فرآیند تغییر فاز نادیده گرفته می شود.
-3 اعمال شرایط همرفت با ضریب همرفت 15 و دمای 25 برای کلیه المانهایی که در معرض هوا قرار دارند. -4 اعمال شرایط دمایی جوشکاری در 1500 درجه -5 خواص الکترود مصرفی با خواص فلز پایه یکسان فرض شده است.
المان مورد استفاده در آنالیز حرارتی Solid 278 میباشد که المانی دارای 8 گره با درجه آزادی دمایی است.
توزیع دما به عنوان خروجی آنالیز حرارتی در پایان هر مرحله کامل جوشکاری که شامل دو مرحله جوشکاری شعاعی و یک مرحله جوشکاری طولی می باشد به ترتیب در اشکال زیر نشان داده شده است. با توجه به تقارن مدل و به منظور ساده سازی عملیات تحلیل، مدل به صورت یک چهارم آنالیز شده است.
