بخشی از مقاله
چکیده
جوشکاري روشی مهم و فراگیر در زمینه اتصال قطعات درصنعت با هدف ایجاد اتصالی دائمی بوده و داراي کاربردهاي فراوان و حتی در برخی موارد غیر قابل جایگزین است. بنابراین تحلیل اتصال جوش به منظور دست یابی به استحکام، جهت طراحی اتصالات جوش ضروري است.
در مقاله حاضر، از آنالیز المان محدود الاستوپلاستیک حرارتی در تحلیل رفتار ترمومکانیکی جوشکاري قوس الکتریکی براي نمونه آزمایشی با اتصال جوش لب روي هم استفاده شده است و با استفاده از نرم افزار ANSYS اتصال جوش دو مرحله اي شبیه سازي شده و با استفاده از دو تحلیل مستقل حرارتی و مکانیکی، استحکام جوش ارزیابی شده است، در تحلیل حرارتی براي شبیه سازي منبع گرمایی در هنگام جوشکاري از خاصیت مرگ و تولد المان استفاده شده است و به علت گرادیان دمایی بالا در ناحیه جوش، خواص ترمو فیزیکی و مکانیکی ماده به صورت متغیر با دما لحاظ گردیده است. علاوه بر این، بر روي نمونه آزمایشی منطبق با مدل انتخاب شده در شبیه سازي عددي، با استفاده از دستگاه سروهیدرولیک، آزمایش کشش جهت بررسی استحکام جوش انجام گرفته است.
از مقایسه نتایج تحلیل عددي و مطالعه تجربی می توان به تشابه نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازي جوش پی برد و این امر حاکی از دقت نسبی شبیه سازي فرآیند جوش می باشد، چرا که طبق نتایج حاصل از آزمایش حتی اگر نمونه در قسمت هاي دور از ناحیه جوش تحت شکست قرار گرفته باشد باز هم آن ناحیه و تمام سایر بخش هاي قطعه جوش داده شده تحت اثر گرادیان هاي حرارتی فرآیند جوش قرار گرفته اند و متناسب با اثرات ناشی از آن رفتار می کنند.
مقدمه
تحلیل فرآیند جوشکاري جهت اندازه گیري استحکام جوش یک تحلیل حرارتی- مکانیکی است. این تحلیل در نرم افزار ANSYS به صورت مجزا صورت می گیرد و شامل دو مرحله است: مرحله اول که مرحله تحلیل حرارتی است تا توزیع دما طی جوشکاري به دست آید.
در مرحله دوم از تاریخچه دمایی هر گره به عنوان بار گرمایی استفاده شده تا تحلیل مکانیکی انجام گیرد و در واقع از این طریق، مقادیر تنش هاي گرمایی به دست می آیند. هم تحلیل حرارتی و هم تحلیل مکانیکی غیر خطی می باشند، چرا که خصوصیات فیزیکی1 و مکانیکی2 مواد وابسته به دما بوده و در حین جوشکاري متغیر می باشند.
حرارت تولیدي در طی قوس جوشکاري، سیکل گرمایی پیچیده اي را طی می کند که این گرما باعث تغییراتی در میکرو ساختار نواحی تحت اثر گرما می شود و موجب پیدایش تنش گرمایی وابسته به زمان و کرنش در فلز می شود و همین طور باعث ایجاد تنش پسماند3 و اختلال در محصول نهایی می گردد، براي تحلیل این گونه مسائل در درجه اول باید جریان گرمایی در طول جوش تحلیل شود و سپس با اعمال بار مکانیکی استحکام اندازه گیري می شود.
-1 مدلسازي و تحلیل در نرم افزار ANSYS
ماده انتخابی براي مدلسازي در نرم افزار ANSYS، فولاد St37 است که خصوصیات آن مطابق با شکل هاي - 1 - و - 2 - زیر به عنوان ورودي به نرم افزار اعمال گردیده است.[2] همچنین مقدار چگالی gr 7870 - Cm3 - و ثابت در نظر گرفته شده است.
شکل:1 خواص حرارتی St37 برحسب دما .[2]
شکل :2 خواص مکانیکی St37 بر حسب دما.[2]
مدلسازي دو تسمه فولادي و جوش لب روي هم آن به صورت سه بعدي انجام شده که نماي دو بعدي آن در شکل - 3 - نشان داده شده است.
پس از مدل سازي، شبکه بندي آن انجام گردید. المان ها در نزدیکی خط جوش - جایی که گرادیان حرارتی بزرگ تري نسبت به سایر نقاط مدل وجود دارد - کوچکتر هستند. شبکه بندي در شکل - 4 - نشان داده شده است.
شکل:3 مدلسازي نمونه در نرم افزار .ANSYS
شکل:4 مش بندي نمونه در نرم افزار .ANSYS
یکی از نکات شبیهسازي سه بعدي جوش، مدل کردن ماده پر کننده در طی زمان جوشکاري میباشد. با توجه به این که فرآیند جوشکاري همراه با اضافه شدن ماده به مدل است و در طی زمان حل امکان تولید یا حذف المانها وجود ندارد، باید تمامی المانها در ابتدا تولید گردند. بنابراین براي مدل کردن جوش چند پاسه از قابلیت تولد و مرگ المانها کمک گرفته می شود. این روش به جاي حذف المانهایی که هنوز الکترود از روي آنها عبور نکرده است از مرگ المانها استفاده می کند. براي مرگ المان ها، ضریبی کاهنده در سختی این المانها ضرب میشود و براي تولد المانها، ضرایب سختی، جرم، نیروي المان وغیره به مقدار اولیه خود بر میگردند.
در مقاله حاضر نحوه بارگذاري حرارتی به شرح زیر می باشد:
• دماي 25 درجه سانتی گراد به عنوان شرایط اولیه4 به کل مدل اعمال گردید.
• اعمال شار حرارتی تولیدي در فرآیند جوشکاري که برابر گرماي
ایجاد شده در قطعه کار بر اثر جریان گرمایی جوش بوده و مقدار آن از رابطه زیر بدست می آید :
که در این رابطه پارامترها عبارتند از: i s
Dfi شار حرارتی ناشی از جوشکاري،
η بازده جوشکاري، که %70 در نظر گرفته شده است،
Vi ولتاژ جوشکاري، که 220 ولت در نظر گرفته شده است، Ii جریان جوشکاري، که 100 آمپر در نظر گرفته شده است، twi زمان جوشکاري، که بطور متوسط 7/5 ثانیه براي هر پاس در نظر گرفته شده است،
ts زمان شبیه سازي جوشکاري در نرم افزار، که 5 ثانیه براي هر پاس در نظر گرفته شده است که شار حرارتی از ابتدا تا انتهاي طول پاس جوش را طی می کند، ui حجم ناحیه جوش، که هر پاس جوش برابر با 625 میلی متر مربع در نظر گرفته شده است.
• تاثیر انتقال حرارت جابه جایی با محیط براي سطوحی که در معرض تبادل حرارتی هستند. دماي محیط برابر 25 درجه سانتی گراد فرض شده و مقدار ضریب جابه جایی حرارتی، به دلیل در نظرگرفتن اثرات تشعشع، متغیر بوده و برابر با رابطه زیر در نظر گرفته شده است :
پارامترهاي این رابطه عبارتند از:
T دماي ناحیه جوش در هر لحظه، αh ضریب انتقال حرارت جابه جایی.
• از تکنیک مرگ و تولد المان ها5 جهت شبیه سازي فرآیند جوشکاري استفاده شد.
در تحلیل مکانیکی جوش، نتایج مربوط به تحلیل حرارتی به عنوان بار اعمالی به مساله استفاده ، و سپس با اعمال بارکششی به مدل، میزان تنش استخراج شده است. در طی تحلیل مکانیکی دو انتهاي قطعه تحت بار کششی یکنواخت قرار گرفته است.
ذکر این نکته ضروري است که علت انتخاب جنسSt37 در شبیه سازي نرم افزاري تشابه این جنس با St20 در خواص مکانیکی و درصد عناصر تشکیل دهنده می باشد که در جدول - 1 - آورده شده است.
جدول:1 درصد عناصر تشکیل دهنده نمونه آزمایش وشبیه سازي
در شکل - 5 - نمودار تغییرات تنش – نیرو حاصل از شبیه سازي اجزاء محدود در تحلیل حرارتی نشان داده شده است.
شکل:5 تنش -نیروي شبیه سازي جوش - با تحلیل حرارتی - در ANSYS
در بارگذاري مکانیکی جوش و در حالت کرنش صفحه اي و با اعمال نیروي کششی به دو سر قطعه با تنش پسماند نتایج براي تنش هاي اصلی ایجاد شده در مدل از تحلیل مکانیکی نرم افزار استخراج می گردد. پس از آن که آزمایشات انجام شد به دلیل شکست نمونه هاي آزمایش در مقطعی غیر از مقطع جوش نتایج آزمایشگاهی معیار چندان مناسبی جهت مقایسه با تحلیل حاصل از شبیه سازي جوش در نرم افزار نبودند، این فرضیه وارد است که زمانی می توان از نتایج تحلیل حرارتی- مکانیکی بهره جست که شکست در ناحیه جوش یا در نزدیکی آن - ناحیه تحت تاثیر حرارت - اتفاق بیفتد. بنابراین مطابق با این فرض تنش حاصل از آزمایش، حد شکست نمونه مورد نظر است و براي مقایسه آن باید از تحلیل مکانیکی نمونه مورد نظر که فاقد بارگذاري حرارتی می باشد بهره برد. بنابراین در ادامه نتایج حاصل از بارگذاري مکانیکی فاقد تحلیل حرارتی نمونه و نتایج حاصل از بارگذاري مکانیکی با شبیه سازي جوش به منظور بررسی صحت این فرضیه آورده شده است. براي تحلیل مکانیکی نوع تحلیل کرنش صفحه اي انتخاب گردید.
نتایج حاصل از تحلیل حرارتی مکانیکی و تحلیل مکانیکی به تنهائی، براي بیشترین تنش بر حسب نیروي کششی اعمال شده به مدل، در جدول - 2 - و در شکل - 6 - نشان داده شده اند. مشاهده می شود که مقدار تنش ماکزیمم پس از تحلیل حرارتی همواره مقداري بیشتر از تنش تسلیم نمونه یعنی مقدار 229/5 مگاپاسکال است، این درحالی که در مدل فاقد بارگذاري حرارتی، مقدار تنش ماکزیمم به مراتب کم تر از تنش تسلیم است. این امر حاکی از وجود تنش هاي باقیمانده در جسم بر اثر بارگذاري هاي حرارتی فرآیند جوشکاري است.
جدول :4 مشخصات هندسی نمونه هاي آزمایش.
شکل:6 مقایسه تنش هاي نرم افزاري تحت بارهاي مختلف و تنش تسلیم.
شکل - 7 - نتایج براي رابطه تنش- نیرو در مدل حرارتی-مکانیکی و مدل مکانیکی به همراه نتایج تجربی را نشان می دهد.
همانطور که از این شکل پیداست، نتایج آزمایشگاهی به شبیه سازي جوش بسیار شبیه تر از بارگذاري مکانیکی است، این امر حاکی از دقت نسبی شبیه سازي فرآیند جوش می باشد، زیرا که مطابق با نتایج حاصل از آزمایش حتی اگر نمونه در قسمت هاي دور از ناحیه جوش دچار شکست شود، علاوه بر این ناحیه، تمام قطعه جوش داده شده تحت اثر گرادیان هاي حرارتی فرآیند جوش قرار گرفته اند و متناسب با اثرات ناشی از آن رفتار می کنند. بدین ترتیب فرضیه مطرح شده مبنی بر تشابه نتایج آزمایشگاهی با تحلیل مکانیکی نرم- افزار رد می شود.
جدول:2 مقایسه مقادیر تنش با تحلیل حرارتی و بدون تحلیل حرارتی
جدول :3 مشخصات جوشکاري نمونه هاي آزمایش.
شکل :7 مقایسه تنش هاي آزمایشگاهی و نرم افزاري تحت بارهاي مختلف.
-2 بررسی تجربی استحکام جوش
به منظور اندازه گیري استحکام جوش، 6 نمونه از جنس تسمه نرم فولادي St20 با اتصال لب رو هم با جوش قوس الکتریکی جوشکاري شدند. نمونه ها بوسیله ماشین اسپارك تحت عملیات آج زنی قرار گرفته و توسط دستگاه سروهیدرولیک اینسترون6 مورد آزمایش کشش تک محوري قرار گرفتند. جزئیات مربوط به مشخصات هندسی نمونه آزمایش در جداول زیر آورده شده است.
مشخصات جوشکاري در جدول - 3 - و مشخصات هندسی نمونه هاي آزمایشی در جدول - 4 - آورده شده اند. شکل - 8 - یکی از نمونه هاي آزمایشی را نشان می دهد.
