بخشی از مقاله
چکیده
اتصالات جوشکاری شده به فراوانی در ساخت سازههای فلزی بهکار گرفته میشوند. فرایند جوشکاریعموماً سبب ایجاد میدانهای تنش پسماند بزرگی در قطعات جوشکاری شده میگردد. از آنجایی-که میدان تنش پسماند اثر قابل توجهی در عمرخستگی ناشی از بارهای تصادفی و سیکلی وارده بر اتصال جوشکاری شده دارد، تخمین آن بسیار حائز اهمیت است. هدف کار حاضر، پیش بینی میدان تنش پسماند ناشی از جوشکاری در اتصال لولهای صلیبی شکل است که کاربرد فراوانی در ساخت سکوهای فراساحل دارد. بدین منظور یک تحلیل اجزاء محدود سه بعدی انجام گرفته است و نتایج حاصل با نتایج اندازهگیری تجربی میدان تنش پسماند اعتبارسنجی شدهاند. نتایج تحلیل همخوانی قابل قبولی با نتایج اندازهگیری تجربی تنش پسماند که به روش سوراخکاری انجام شده، نشان داده اند. همچنین، نتایج تحلیل سه بعدی دقت بهتری در تخمین میدان تنش پسماند نسبت به مدل دو بعدی نشان میدهند.
واژههای کلیدی:اجزاء محدود، جوش، تنش پسماند، سوراخکاری، اتصال لولهای
مقدمه
اتصالات جوشی پرکاربردترین نوع اتصالات در صنایع هوافضا، کشتی سازی، حمل و نقل زمینی و سازه های دریایی میباشند. از طرفی اتصالات جوشی به دلیل وجود عیوب ساختاری در فرآیند ساخت، مستعد ایجاد ترکهای ریز هستند. این ترکهای ریز به دلیل وجود تمرکز تنش و هم چنین وجود تنش پسماند عمرخستگی اتصالات را کاهش میدهند. تنش های پسماند کششی میتوانند رشد ترکهای ریز را تسریع کنند، درحالیکه تنشهای پسماند فشاری رشد ترک را به تاخیر میاندازند. تنشهای پسماند ناشی از کرنش-های حرارتی ناسازگار در حین جوشکاری هستند که در هنگام جوشکاری و به علت وجود گرادیان های شدید دمایی به وجود می آیند. لذا تخمین میدان تنش پسماند جهت پیشگیری از شکست اتصالات ضروری مینماید.
روشهای آزمایشگاهی اندازهگیری میدان تنش پسماند اغلب پرهزینه هستند و گاهی به دلیل مخرب بودن عملی نیستند. خطای ناشی از این روشهای نیز قابل توجه است .[1] استفاده از روش اجزاء محدود این امکان را فراهم نموده است تا تخمینی از چگونگی توزیع تنش پسماند ناشی از جوشکاری به دست آید هر چند این روش نیز کماکان محدودیتهایی هم چون زمانبر بودن خصوصاً در حالت تحلیل سه بعدی و عدم دقت کافی را به همراه دارد. تحلیل دی کوپله حرارتی- سازهای اکنون به طور گسترده به منظور تحلیل اجزاء محدود اتصالات جوشکاری شده مورد استفاده قرار می گیرد 2 ]و4و5 و[6 در این روش ابتدا در تحلیل حرارتی توزیع دما در قطعه به دست میآید و سپس توزیع دمای حاصل به عنوان بارگذاری در تحلیل سازهای جهت محاسبه تنشهای حرارتی مورد استفاده قرار میگیرد.
در پژوهش حاضر، با استفاده از روش اجزاء محدود فرآیند جوشکاری در اتصال لولهای صلیبی شکل مدلسازی شده و میدان تنش پسماند در این نوع اتصال که هندسه پیچیدهای دارد، حاصل میشود. میدان تنش پسماند حاصل با نتایج تجربی موجود اعتبارسنجی میشود. همچنین مقایسهای میان دقت نتایج حاصل از تحلیل سه بعدی و تحلیل دو بعدی انجام میگیرد.
مشخصات اتصال لولهای صلیبی شکل و فرایند جوشکاری
اتصال صلیبی شکل حاضر از جنس st-52 میباشد. این اتصال نمونهای از اتصال صلیبی به کار رفته درجاکت سکوهای بهره برداری شده در خلیج فارس است.اتصال مورد نظر از یک شاخه اصلی50 سانتیمتری و دو شاخه فرعی 32 سانتیمتری تشکیل شده است. پس از پرداخت لبههای برش بر روی هم، جوشکاری به روش قوسی 1 SMAW انجام شده است. در جدول 1 شرایط جوشکاری که در سه پاس انجام میشود، نشان داده شده است. چگونگی تهیه نمونه و شرایط جوشکاری و الکترودها در [ 3] به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل 1 نیز نمونهای از اتصال تولید شده نهایی مشاهده میشود.
جهت اندازهگیری تنش پسماند بر روی اتصال، سطح نمونه از هرگونه چربی، زنگزدگی، رنگ و غیره پاک شده و در فاصله 5 mm از خطجوش، کرنشسنج نصب میگردد. شکل2 تجهیزات مورد استفاده در اندازهگیری تنش پسماند را نشان میدهد. جهت اندازه-گیری تنشهایپسماند تا عمق 2 میلیمتر برای نقطه زینی موجودبر روی اتصال صلیبی، سوراخکاری به صورت نمویی انجام شده و در هر مرحله مقدارکرنشها - کرنش طولی، عرضی و برشی - خوانده میشود. منحنی توزیع کرنش برای نقطه زینی در هر سه جهت به دست آمده و سپس با در دست داشتن توزیع کرنش و با استفاده از روابط، توزیع تنش پسماند در سه جهت محاسبه شده است.
شبیهسازی سه بعدی اجزاء محدود
در تحلیل حاضر، با استفاده ازیک مدل سه بعدی توزیع تنش پسماند در اتصال جوشکاری شده، با استفاده از دو تحلیل دی کوپله حرارتی و مکانیکی انجام شده است. روند انجام تحلیل بدین صورت است که ابتدا یک تحلیل حرارتی گذرا انجام شده و توزیع دما در اتصال با گذشت زمان به دست میآید. سپس توزیع درجه حرات حاصل به عنوان بارگذاری در تحلیل مکانیکی بعدی بهکار گرفته میشود و تنشهای حرارتی ناشی از جوشکاری محاسبه میشود. از آنجا که در طی فرآیند جوشکاری، دما در محدوده بزرگی تغییر میکند لذا مدلسازی رفتار ماده با تغییر دما و در نظرگرفتن فرضیات ساده کنندهای که دقت مورد نظر مدل سازی را نیز تامین کنند حائز اهمیت بسیار است. هم چنین چگونگی مدل سازی منبع حرارتی و حرکت الکترود در هنگام جوشکاری تاکنون مورد توجه بسیاری پژوهشگران بوده است. در پژوهش حاضر از مدل پیشنهادی بارسوم 4]و5و[6 جهت مدلسازی منبع حرارتی استفاده شده است.
مدلسازی ماده
از آنجایی که تخمین خواص ماده در ناحیه مذاب و ناحیه تحت اثر گرما - - HAZ سخت است، در مدلسازی حاضر خواص گرمایی و مکانیکی ماده جوش و ناحیه تحت اثر گرما و فلز اصلی یکسان فرض میشود. گلداک[7] در موارد زیر اثر تغییر فاز جامد- جامد ماده بر تشکیل و اندازه تنشهای پسماند را حائز اهمیت دانست:
تنش تسلیم بالا تغییر فاز در دمایی نزدیک به دمای محیط اتفاق بیفتد.
تغییر حجم ماده به واسطه تغییر فاز بزرگ باشد.
در فولادهای کم آلیاژ با مقاومت تسلیم پایین و قابلیت جوشکاری بالا، تغییرفاز معمولاً از حالت آستینتی به حالت فریت/ پرلیت در دمایی حدود 500-600 C رخ میدهد و تغییر حجم اندک است. به جز تغییر فاز آستینت و هم چنین تغییر فاز جامد- مایع در دمای ذوب، در فولادهای کربنی، تغییر فاز از حالت فریت به آستینت نیز رخ می دهد. این تغییر فاز نیز در دماهای بسیار بالا اتفاق میافتد و میتوان از آن چشم پوشی کرد.[8] در شکل 3 تغییر خواص حرارتی ماده با دما نشان داده شده است.
مدلسازی منبع حرارتی
به منظور مدلسازی منبع گرمایی متحرک در فرآیند جوشکاری از مدل پیشنهادی بارسوم درترکیب شار سطحی و شار حجمی ثابت استفاده شده است 4]و5و.[6 در این حالت مقدار کل حرارت خالصورودی از رابطه زیر قابل حصول است: در رابطه U - 1 - ولتاژ جریان ورودی، I جریان و هم بازده میباشد که بسته به نوع فرآیند جوشکاری مقادیر متفاوتی دارد. کل حرارت ورودی در فرآیند جوشکاری از قسمتهای مختلفی چون مؤلفه شار سطحی ثابت، مؤلفه شار حجمی ثابت و مؤلفه دیگری که از افزایش ماده جوش به قطعه کار با دمای پیش گرمایش معین میباشد، تشکیل شده است.
حرکت الکترود و اضافه شدن ماده پرکننده در حین جوشکاری با تقسیم مسیر حرکت الکترود در امتداد خط جوش و زمان حرکت و با استفاده از تکنیک تولد و مرگ المان مدل شده است. بدین صورت که در ابتدای جوشکاری کلیه المان های ماده پر کننده غیر فعال هستند. با حرکت الکترود در هر مرحله المانهایی که تحت اثر شار حرارتی قرار میگیرند دوباره فعال میشوند و سپس شار - ترکیب شارحجمی و سطحی - اعمال میشود. با اعمال شار بر المانهای فعال شده در هر مرحله حل حرارتی انجام می شود و توزیع دما به دست میآید، سپس شار به ردیف بعدی المانها اعمال میشود و المان هایی که در مرحله پیش تحت اثر شار حرارتی ناشی از جوشکاری قرار گرفته بودند تحت اثر انتقال حرارت هم رفتی و تشعشعی با محیط قرار میگیرند و حل حرارتی در هر یک از این مراحل ادامه مییابد.
باید توجه داشت که شار طوری تنظیم می شود که در هر مرحله اعمال آن المانهای ماده پرکننده و دست کم یک ردیف از المانهای فلز اصلی به دمای ذوب برسند و امتزاج صورت گیرد طوری که مجموع حرارت سطحی و حجمی اعمالی برابر حرارت خالص ورودی باشد. در نهایت پس از پایان عملیات جوشکاری قطعه کار تحت اثر انتقال حرارت همرفتی با م حیط قرار میگیرد و به تدریج سرد میشود. این بخش از تحلیل جهت ایجاد توزیع تنش پسماند در تحلیل مکانیکی ضروریست.
پس از تحلیل حرارتی توزیع دمای به دست آمده تا زمان سرد شدن فراخوانی شده و در تحلیل مکانیکی به عنوان بار حرارتی اعمال میشوند. کرنشها و تنشهای حرارتی محاسبه میشوند و در نهایت با جمع همه این اثرات توزیع تنش نهایی حاصل میشود. در تحلیل سازهای خواص مکانیکی نیز متغیر با دما در نظر گرفته شده و رفتار پلاستیک ماده از نوع سخت شوندگی خطی سینماتیک در نظر گرفته شده است. - شکل - 4تحلیل حرارتی در اتصال صلیبی شکل حاضر در 6 مرحله انجام گرفته است. ابتدا پاس نخست جوشکاری مدلسازی شده و سپس در مرحله دوم، زمانی که ما بین پاس اول و دوم جوشکاری قطعه سرد میشود مدل شده است. در مرحله سوم، پاس دوم جوشکاری انجام شده و مجداً زمانی که ما بین انجام جوشکاری پاس دوم و پاس سوم قطعه سرد میشود، در مرحله چهارم تحلیل شده است. مرحلهپنجم به مدلسازی خطوط پایینی و بالایی پاس سوم اختصاص یافته است. در نهایت در مرحله ششم سرد شدن قطعه مدلسازی شده است.
به علت تقارن مسئله یک هشتم اتصال مدل سازی شده که در × ×شکل :6 توزیع تنش پسماند طولی شکل 5 مدل ساخته شده نمایش داده شده است.نتایج تنش پسماند طولی برای اتصال مورد مطالعه بیشترین کنترل و تأثیر را در ایجاد و رشد ترک دارد تنش پسماند کششی در دو ناحیه مقادیر قابل توجه و بزرگی دارد: ناحیه داخلی در اتصال شاخه فرعی و ناحیهای در اتصال شاخه اصلی. به دلیل وجود تمرکز تنش در روی شاخه فرعی به دلیل اتصال دو فلز غیر همجنس و همچنین ناپیوستگیهای ایجاد شده در نتیجه فرایند ساخت لذا این نقطه بحرانی است و بنابراین میبایست چگونگی رهاشدن تنش آن تحت بارگذاری مورد بررسی قرار گیرد که البته انتظار میرود این تنش پسماند به سرعت تحت بارگذاری آزاد شود. شکل 6 توزیع تنش پسماند طولی را نشان میدهد.
