بخشی از مقاله
چکیده
جوشکاری A-TIG یک روش اصلاحی جوشکاری گاز تنگستن برای افزایش عمق نفوذ جوش است که در آن از یک فلاکس فعال روی حوضچه مذاب استفاده میشود. فلاکس فعال الگوی جریان مذاب در حوضچه را تغییر داده و باعث افزایش عمق حوضچه میشود، اما از طرف دیگر، به دلیل ایجاد ذرات اکسیدی در جوش میتواند مشکل ایجاد کند. به همین دلیل شناخت چگونگی جریان مذاب و حرکت و توزیع ذرات اکسیدی ناشی از فلاکس در حوضچه جوش اهمیت دارد.
در پژوهش حاضر یک مسئله صنعتی جوشکاری A-TIG ورق فولاد زنگ نزن 304L با فلاکس اکسیدی SiO2 طرحشده و تلاش بر این بوده که به روش شبیهسازی ریاضی، سازوکار جریان مذاب و حرکت ذرات اکسیدی در حوضچه جوش، شناسایی و بررسی شود. مسئله در سه بعد با رویکرد اویلر - مشعل ثابت و ورق متحرک - و پایدار در زمان طرح شد.
مدل ریاضی بر پایه معادلات پیوستگی، مومنتم و انرژی بنا گردید و پدیدههای فیزیکی مؤثر شامل جریان طبیعی ناشی از گرادیان دما، جریان اجباری ناشی از قوس و دمش گاز، جریان مارانگونی ناشی از تغییرات کشش سطحی و نیز ذوب و انجماد آلیاژی به روش آنتالپی در مدل ریاضی در نظر گرفته شد. مدل عددی به کمک کد نویسی فورترن و به روش حجم محدود FVM ساخته و با الگوریتم SIMRLEC حل شد.
پس از به دست آمدن میدان سرعت، ذرات جامد کروی شکل بهعنوان ذرات اکسیدی در میدان سرعت رها شدند و نحوه حرکت و مسیر آنها مطابق قانون استوکس محاسبه گردید. نتایج محاسبات برای هندسه حوضچه مذاب و توزیع ذرات اکسیدی با دادههای تجربی موجود از پروژه دیگر ارزیابی شد. نتایج بهصورت الگوی جریان مذاب در حوضچه، توزیع دما، هندسه حوضچه و مسیر حرکت ذرات در حوضچه ارائه و بررسی شدند. به کمک نتایج عددی، رفتار حوضچه مذاب تحت اثر پارامترهای مسئله شامل سرعت و توان مشعل جوشکاری A-TIG بررسی و در مورد چگونگی حرکت ذرات درون حوضچه بحث شد. این پژوهش کمک کرد که شناختنسبتاً بهتری از حوضچه مذاب جوشکاری A-TIG به دست آید.
مقدمه
مدلسازی انتقال گرما و جریان سیال در جوشکاری، با روشهای مختلف عددی و تحلیلی توسط نویسندگان متعدد مورداستفاده قرارگرفته و دارای مزایا و محدودیتهای خاص خود هستند. با توجه به کارهای کلابکار و همکاران [1]، اولین مقاله فنی در مدلسازی جوشکاری توسط روسنتالٌ در سال 1942 منتشرشده است. او بسیاری از فرضها را برای سادهسازی مسئله بهکاربرده تا مسئله را خطی کرده و به روش تحلیلی حل کند.
یکی از اهداف اصلی مدلسازی انتقال حرارت، پیشبینی تنش باقیمانده و تحریفهای مرتبط با آن است. مدلهای عددی نقش بالقوهای در این زمینه ایفا میکنند، زیرا تکنیکهای NDT - تست غیر مخرب - استفادهشده برای تعیین آزمایش تنش باقیمانده محدودیتهای بسیاری دارند. تمام تئوریهای بهینهسازی مدرن مانند شبکههای عصبی، الگوریتم ژنتیک و غیره میتوانند به فرآیند جوشکاری نیز اعمال شوند. بسیاری از محققان شبکه عصبی برای مدلسازی جوشکاری را اعمال کردند. [2]
از سال 1980 به بعد، بسیاری از مقالات با توجه به اثرات مغناطیسی و هیدرودینامیکی در داخل حوضچه جوش منتشرشدهاند. بسیاری از محققان به بررسی تأثیر نیروهای حاکم بر شکل حوضچه، توزیع سرعت، فرورفتگیهای سطحی و غیره پرداختهاند. [3] در حوضچهی جوش، مذاب فلز جریان سیال بچیدهای دارد و انواع مختلفی از نیروها با شدت متفاوت بر مذاب وارد میشوند و الگوی این جریان را شکل میدهند.
در بین آنها نیروی شناوری، جریان ناشی از تنش سطحی - مارانگونی - ، نیروی الکترومغناطیسی - نیروی لورنز - و نیروی کشش قوس قالب هستند.[4] پژوهش حاضر بر اساس به عملکرد فلاکس فعال در حوضچه جوش و چگونگی توزیع آنها پرداخته است و یک مدل ریاضی سهبعدی برای شبیهسازی جریان سیال و انتقال حرارت در حوضچه جوش توسعه داده است.
مواد و روش تحقیق
در مسئله حاضر فرآیند جوشکاری A-TIG بر روی ورق فولاد زنگ نزن 304L انجام میشود که از سیلیس بهعنوان فلاکس فعال استفاده گردید. به این منظور، ورق فولاد بهصورت مکعب مستطیلی به ابعاد 8*50*100 میلیمتر در نظر گرفته شد که میتوان تمام اجزای فرآیند را نسبت به خط جوش متقارن فرض کرد. همچنین برای سهولت حل مسئله، مشعل بهصورت مربعی به ضلع 6 میلیمتر بهصورت ثابت در وسط ورق جوش فرض گردید. البته در عمل منظور از سرعت جوشکاری، حرکت الکترود با سرعت ثابت u x نسبت به قطعه کار است. اما در این صورتمسئله در شرایط ناپایا قرار میگیرد.
میتوان با فرض یک سیستم مختصات مکعبی و متحرک با سرعت ثابت u x این مسئله را به یک مسئله حالت پایا تبدیل کرد. بنابراین در پژوهش حاضر، ماده از مرز ورودی با سرعت ثابت وارد و از مرز خروجی نیز با همان سرعت خارج میشود. سرعت جوشکاری نیز 5 mm/s فرض گردید. همچنین ابعاد مربع keyhole نیز 6*6 میلیمتر در نظر گرفته شد که نیمی از آن در خط جوش متقارن در نظر گرفته شد. در پژوهش حاضر به سه فیزیک مهم آن پرداخته میشود. این سه شامل پدیدههای زیر میباشند:
• انتقال حرارت برای کسب توزیع دما و انجماد برای توزیع ترکیب مذاب و جامد
• انتقال جرم فلاکس و الگوی حرکت ذرات اکسیدی در حوضچه
• جریان طبیعی سیال و جریان مارانگونی برای الگوی جریان سیال
