بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از آلیاژهای تیتانیوم در ساخت مخازن پیشرانه مورد استفاده در صنایع هوافضا امری رایج است. علت این امر، نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت به خوردگی و خستگی عالی این آلیاژها میباشد. در ساخت مخازن عمدتا از فرایند جوشکاری استفاده میگردد که منجر به ایجاد تنشهای پسماند میگردد.
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 4 حالت انجام شد. توزیع دما و تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری تیگ برای 4 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. تیتانیوم به دو صورت کریستالی وجود دارد. اولی در دمای محیط پایدار است که فاز آلفا نامیده شده و ساختار هگزاگونال شش وجهی دارد. دومی دردمای بالا پایدار بوده، ساختار مکعب مرکزدار داشته و فاز بتا نامیده میشود.
در تیتانیوم خالص فاز آلفا تا دمای882 درجه سانتیگراد که دمای انتقال به فاز بتا است، پایدار میباشد. فاز بتا نیز از این دما تا دمای ذوب تیتانیوم یعنی1667درجه سانتیگراد پایداراست.[1] 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.[2] لذا فرایند جوشکاری در آلیاژهای تیتانیوم بخاطر واکنشپذیری بالای آن در دماهای بالا از حساسیت بالایی برخوردار است.
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 حاصل از آن امری اجتناب ناپذیر میباشد و تعیین مقادیر و توزیع آن در طراحی سازهها از اهمیت بالای برخوردار است.
در این زمینه مطالعات عددی و تجربی زیادی صورت گرفته است. دنگ با استفاده از روش المان محدود، به بررسی دما و تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری در لولههای SUS304 پرداخته است.[3] عزیزپور و قریشی شبیهسازی 3بعدی جوشکاری لیزر ورق تیتانیوم Ti6Al4V را انجام دادهاند.[4] شیرکوپیکار و گاناچاری با استفاده از نتایج آزمایشگاهی به دست آمده، اثر پارامترهای جوشکاری برای اتصال یک ورق 3 میلیمتری تیتانیومی را بررسی نمودهاند.
سانگلی تنش پسماند و اعوجاج را در سازههای جوشکاری مورد بررسی قرار داده است.[6] کیوانی و جهازی نیز تنشهای پسماند را در طی جوشکاری چند مرحلهای سازههای بزرگ بررسی و پیشبینی نمودهاند
الف - مخزن سوخت آریان5 ب - مخزن سوخت جامد star 26
شکل -1 نمونه ای از مخازن مورد استفاده در صنایع فضایی
روش ساخت مخازن کروی
برای ساخت مخازن کروی جدار نازک، از فرایند جوشکاری که متداولترین و موثرترین روش اتصال قطعات مختلف به یکدیگر است، استفاده میشود. 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 می گردد. 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.
تحلیل جوشکاری تیگ
برای تحلیل حرارتی قطعه در زمان جوشکاری قطعه را میتوان به صورت یک حجم محدود با سطح S 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 [7] 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 است. مقدار گرمای ورودی است که برابرمیباشد.ولتاژ و I شدت-جریان جوشکاری است. از طرفی 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.
با توجه به تماس سطح قطعه با هوای اطراف، انتقال حرارت از طریق جابجایی نیز صورت میگیرد. این تبادل حرارتی برای تمام سطوح حجم مرزی به جز سطوحی که به هم جوش داده می شوند، وجود دارد. 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. بنابراین، معادله شرط مرزی سوم را به صورت زیر نوشت:
معادله انتقال حرارت جوشکاری را میتوان با شرایط مرزی مذکور و استفاده از روشهای حل عددی حل کرد. 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.
تحلیل مکانیکی
در تحلیل مکانیکی الاستیک- پلاستیک، کرنش کل از رابطه زیر به دست میآید:
که در آن کرنش الاستیک، کرنش پلاستیک و کرنش حرارتی میباشد. برای یک ماده همسانگرد تنش و کرنش طبق رابطه - 12 - به یکدیگر وابسته است.
