بخشی از مقاله
چکیده
تیتانیوم در صنایع هوافضا کاربرد فراوانی دارد. استفاده از آلیاژهای تیتانیوم در پروژههای فضایی به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت به خوردگی و خستگی عالی این آلیاژها در حال افزایش است. در ساخت مخازن عمدتا از فرایند جوشکاری استفاده میگردد که استفاده از جوشکاری تیگ به دلیل ایجاد اعوجاج کم کاربرد فراوانی دارد.
در این پژوهش، از مدلسازی المان محدود برای تحلیل رفتار مکانیکی- حرارتی ناشی از فرایند جوشکاری تیگ، در یک مخزن کروی تیتانیومی جدار نازک استفاده شده است. مدل المان محدود با مقایسه با نتایج سایر محققین اعتبار سنجی گردیده است. شبیهسازی المان محدود فرایند جوشکاری تیگ بر اساس سه پارامتر ولتاژ، شدت جریان و سرعت پیشروی جوش و در 6 حالت انجام شد. اعوجاج ناشی از جوشکاری تیگ برای 6 حالت مختلف جوشکاری استخراج و با یکدیگر مقایسه شده است.
مقدمه
تیتانیوم و آلیاژهای آن با خواص منحصر به فردی مانند مقاومت به خوردگی و خستگی عالی، نسبت استحکام به وزن بالا و چقرمگی خوب در صنایع هوافضا به عنوان یک ماده استراتژیک در بدنه و موتور هواپیماها، سفینه-های فضایی و موشکها کاربرد گستردهای دارند. در هر طراحی جدید میبینیم که میزان و درصد استفاده از تیتانیوم در صنایع هوافضا افزایش یافته است، به عنوان مثال در هواپیمای جنگنده اف15 در حدود %26 و در هواپیمای جنگنده اف22 در حدود %39 وزن را تیتانیوم به خود اختصاص داده است.
تیتانیوم فلزی است که در دماهای بالا میتواند عناصرجوی مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن راجذب کرده و در خود حل کند، که این امر موجب کاهش چقرمگی و افزایش حساسیت آن به ترک میشود.[1] لذا فرایند جوشکاری در آلیاژهای تیتانیوم بخاطر واکنشپذیری بالای آن در دماهای بالا از حساسیت بالایی برخوردار است. برای ساخت مخازن کروی جدار نازک، از فرایند جوشکاری که متداولترین و موثرترین روش اتصال قطعات مختلف به یکدیگر است، استفاده می-شود.
جوشکاری مخازن کروی دستورالعملهای خاصی دارد و تقسیم ناموزون تنشهای حرارتی و تنشهای پسماند جوشکاری باعث به هم خوردن مونتاژ سایر قسمتها و حتی ایجاد ترک در بعضی از قسمتهای جوشکاری شده میگردد. جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن به روشهای مختلفی از جمله جوشکاری قوس الکتریکی تنگستن با گاز خنثی - تیگ - ، جوشکاری قوس الکتریکی فلزی با گاز خنثی، جوشکاری قوس الکتریکی پلاسما و در نهایت جوشکاری باریکه الکترونی انجام میشود.
روش جوشکاری قوس الکتریکی تنگستن با گاز خنثی - تیگ - یکی از بهترین روشهای جوشکاری برای اتصالات تیتانیوم و آلیاژهای مربوط به آن در کاربردهای فضایی میباشد. با استفاده از این نوع جوشکاری میتوان جوشکاری صفحات نازک و ظریف تا مخازن تحت فشار را انجام داد. به دلیل جوش نفوذی که در نتیجه ذوب آلیاژ و انجماد دوباره آن میباشد، عملیات حرارتی قبل و بعد از جوشکاری میتواند برای خواص مکانیکی منطقه تحت تاثیر جوشکاری مهم باشد. حفاظت از منطقه جوشکاری به دو روش خلاء و یا محافظت با گاز خنثی - آرگون یا هلیوم - انجام میشود تا آلایندههای ناشی از هوا وارد منطقه ذوب جوش نشود. از مهمترین مزایای جوشکاری تیگ میتوان، به جوش با کیفیت بالا و اعوجاج کم اشاره کرد و از طرفی بدون فیلر یا با فیلر میتوان با آن جوشکاری کرد.
استفاده از مخازن کروی به عنوان مخازن سوخت و اکسنده و همچنین سازههای فضایی در صنایع هوافضا کاربرد گستردهای دارد. در شکل 1 نمونههایی از کاربرد مخازن کروی در صنایع فضایی نشان داده شده است. از طرفی جوشکاری روشی معتبر و موثر برای اتصال فلزات میباشد که با وجود مزایای قابل توجه، ایجاد تنشهای پسماند و اعوجاج حاصل از آن امری اجتناب ناپذیر میباشد و تعیین مقادیر و توزیع آن در طراحی سازهها دارای اهمیت است.
در این زمینه مطالعات عددی و تجربی زیادی صورت گرفته است. کالایسلوان و الانگو در پژوهشی به بررسی اعوجاج ناشی از عدم همراستایی صفحات نازک تیتانیوم در هنگام جوشکاری پرداختهاند. در این پژوهش انواع مختلف عدم همراستایی شامل طولی، عرضی، زاویهای، چرخشی و ... بررسی شده است.[2] سانگلی نیز تنش پسماند و اعوجاج را در سازههای جوشکاری مورد بررسی قرار داده است.
وانگ و لی به بررسی عددی و آزمایشگاهی اعوجاج گذرا در جوشکاری تیگ آلیاژ آلومینیوم پرداختهاند.[4] دیاز و همکارانش در مطالعهای به تحلیل مقایسهای اعوجاج ناشی از جوشکاری تیگ در فولادهای داپلکس و آستنیتی پرداختهاند. در این مطالعه، تحلیل تنش حرارتی در فرایند جوشکاری تیگ در دو آلیاژ فولاد ذکر شده انجام پذیرفته است.
روی و همکارانش در مطالعهای به بررسی فرایند دینامیکی اعوجاج زاویهای بین آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم در فرایند جوشکاری تیگ پرداختند. در این مطالعه اعوجاج زاویهای بین آلومینیوم 5A12 و تیتانیوم BT20 بررسی شده است.
شکل -1 نمونه ای از مخزن مورد استفاده در صنایع فضایی
تحلیل جوشکاری تیگ
برای تحلیل حرارتی قطعه در زمان جوشکاری قطعه را میتوان به صورت یک حجم محدود در نظر گرفت. طبق اصل بقای انرژی، معادله انتقال حرارت برای حجم مرزی مذکور را می توان به صورت زیر نوشت:
که در آن، بردار شار حرارتی وارد بر سطح، مقدار گرمای ناشی از منبع داخلی، چگالی، ظرفیت گرمای ویژه و دمای قطعه در هر لحظه میباشد. قانون فوریه برای شار حرارتی بهصورت زیر است:
با جایگذاری معادله - 2 - در معادله - 1 - و پس از سادهسازی، رابطه زیر حاصل میشود
این رابطه یک معادله غیرخطی است و برای حل نیاز به شرایط مرزی و اولیه دارد. شرایطی که میتوان برای معادله - 3 - در نظر گرفت عبارتند از:
دمای اولیه قطعه قبل از شروع جوشکاری،که برابر با دمای محیط میباشد. به عبارت دیگر:
معادلهای که برای شار حرارتی روی سطح قطعه در نظر گرفته شده، با توجه به توزیع گلداک [9] به دست آمده است:
که در آن، مقدار شار حرارتی است که حین فرایند جوشکاری بر واحد سطح قطعه در نیمه جلویی و پستی توزیع میشود. a ، b و c ثابتهای ابعادی مدل گلداک بوده و به ترتیب برابر عمق منبع حرارتی، نصف عرض منبع حرارتی و طول نیمبیضی میباشد.و به ترتیب برابر ضریب توزیع حرارت در نیمه جلویی و پشتی میباشد که مجموع آنها برابر با 2 است. مقدار گرمای ورودی است که برابر میباشد. ولتاژ و I شدتجریان جوشکاری است. همچنین ضریب بازدهی جوشکاری است و مقدار آن بسته به نوع جوشکاری بهصورت تجربی به دست میآید، که این مقدار برای جوشکاری تیگ برابر با 0/7 است
انتقال حرارت سطح قطعه با صورت جابجایی صورت میگیرد از طرفی، حرارت ناشی از تشعشع قوس الکتریکی به صورت انتقال حرارت تابشی را نیز می توان برای تمامی سطوح در نظر گرفت. بر این اساس، معادلاتی که میتوان برای این دو نوع انتقال حرارت نوشت عبارتند از:
- 7 - برای انتقال حرارت جابجایی - 8 - برای انتقال حرارت تشعشع - 9 -
که در آنها، گرمای منتقل شده از طریق جابجایی، ضریب هدایت گرمای جابجایی، گرمای منتقل شده از طریق تابشی، ثابت استفان- بولتزمن، ضریب صدور و ضریب شکل یا فاکتور سطح میباشد. معادله شرط مرزی را به صورت زیر است:
کافی است برای تحلیل حرارتی و رسیدن به توزیع دما، شرایط مرزی ذکر شده تعریف شوند و اطلاعاتی از قبیل خصوصیات فیزیکی ماده که وابسته به دما هستند نیز مشخص شوند
