مقاله شبیه سازی اعوجاج جوشکاری در مونتاژ ورق نازک فولادیst37

بخشی از مقاله

چکیده

در این مقاله، اعوجاج های ناشی شده از اتصال لب به لب ورق های نازک با استفاده از فرآیند جوشکاری قوسی با گاز محافظ مورد بررسی قرار گرفته است. از جمله راهکارهای پیش بینی اعوجاج ناشی از جوش، شبیه سازی شرایط جوشکاری با استفاده از روش های المان محدود می باشد. بدین جهت، شبیه سازی فرآیند جوشکاری، توسط بسته نرم افزاری چند منظوره ی المان محدود آباکوس صورت پذیرفت.

با استفاده از مدلسازی سه بعدی شرایط ترمو-الاستیک -پلاستیک المان محدود - FEM - ، به پیش بینی تغییرات میدان های دمایی و تغییر شکل های ناشی از جوشکاری پرداخته شده است. میزان واقعی تغییرات دمایی در طول جوشکاری به وسیله ی نصب ترموکوپل در چندین نقطه ی مشخص بدست آمد و همچنین با استفاده از کولیس دیجیتال و ساعت اندیکاتور - تغییرات طولی، عرضی و ضخامت - میزان اعوجاج نیز به صورت تجربی اندازه گیری شد.

نتایج این تحقیق نشان داد که مقایسه بین نتایج عددی با اندازه گیری های تجربی تطابق خوبی با یکدیگر داشته و مدل به وجود آمده می تواند پیش بینی خوبی از توزیع دما و اعوجاج در این فر آیند جوشکاری داشته باشد. اعوجاج ناشی از جوشکاری نیز با کاهش سرعت جوشکاری، حداکثر مقادیر افزایش را نشان داد. بنابراین روش شبیه سازی عددی نه تنها به منظور پیش بینی اعوجاج ناشی از جوشکاری در مرحله مونتاژ است، بلکه این مدل قابل استفاده در طراحی سازه های جوشکاری شده قرار می گیرد.

.1مقدمه

امروزه فرآیند جوشکاری ورق های نازک در صنایع بزرگی از جمله تولید بدنه خودرو، واگن،کشتی، مخازن فلزی و اجزای دیگر مکانیسم ها رو به گسترش است. از جمله مزایای جوشکاری در ایجاد اتصالات دائمی ورق های فلزی می توان به آب بندی خوب، استحکام بالای اتصالات،کاهش وزن و بهبود عملکرد محصول اشاره کرد. در عملیات جوشکاری، سیکل گرم و سرد شدن، باعث انقباض در فلز پایه و فلز جوش می شود که این انقباض باعث اعوجاج در قطعه مورد جوشکاری می گردد. این تغییر شکل ها در جوشکاری ورقهای نازک شدیدتر می باشد.

با وجود توسعه تکنولوژی، هنوز این مشکلات در سازه های جوشی وجود دارد .[1] بهترین روش جهت پیش بینی تغییر شکل های جوشکاری، استفاده از روش های ترکیبی، مقایسه شده تجربی با محاسبه عددی است. با امکانات محاسبات مدرن، روش المان محدود - FE - یک روش موثر برای پیش بینی و تخمین تنش پسماند و اعوجاج جوشکاری تبدیل شده است .[4-2]

بنابراین، سرعت و دقت پیش بینی اعوجاج ناشی از جوشکاری برای کاربردهای مهندسی واقعی، چالش برانگیز است. مای کلریس4 و همکاران [5]، به مقایسه داده تجربی با محاسبه عددی قطعات جوشکاری شده ورق های نازک در مقیاس کوچک و مقیاس بزرگ پرداختند تا صحت مقیاس پذیری نتایج را ارزیابی کنند. همچنین، شماری از مدل های المان محدود، با هدف نشان دادن تاثیراستفاده از روش های مدل سازی مختلف برای تحلیل مراحل ترمو- الاستو-پلاستیک فرآیند جوشکاری، توسط مالی کنه5 و همکاران [6] ارائه شد.

دنگ و همکاران [7] به مطالعه و بررسی المان محدود، تنش پسماند و اعوجاج ناشی از جوشکاری لب به لب ورق های فولادی نازک پرداختند. مدل سازی با استفاده از نرم افزار آباکوس6 و به صورت کوپل غیر مستقیم حرارتی-مکانیکی انجام شد. آداک7 وهمکاران [8] و هاشم زاده و همکاران [9]، با استفاده از شبیه سازی المان محدود سه بعدی، به تاثیر حرارت ورودی در تغییرات دمایی مدل و همچنین تاثیر شرایط مرزی در تغییر شکل های ناشی از جوشکاری در قطعات جدار نازک فولادی پرداختند.

با بررسی منابع مشخص شد که در گذشته کارهای زیادی بر روی جوشکاری ورق ها انجام شده است، که عمدتا از جنس فولاد بوده است. در این تحقیق، به پیش بینی توزیع دمایی و اعوجاج های ناشی از جوشکاری ورق لب به لب جدار نازک با استفاده از مدلسازی المان محدود مورد مطالعه قرار گرفته است. بر همین اساس، ابتدا یک مدل مرجع المان محدود به صورت سه بعدی و در نرم افزار آباکوس مدلسازی شد. مدل اعوجاج حاصل از شبیه سازی المان محدود با داده های آزمایشات تجربی بدست آمده اعتبار سنجی گردید. مدل المان محدود فرآیند جوشکاری امکان مطالعه جزء به جزء و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف بر قطعه را فراهم نموده و در کاهش هزینه ها بسیار موثر است.

.1-2 مدلسازی المان محدود

شبیه سازی المان محدود فرآیند جوشکاری توانایی پیش بینی توزیع دما و اعوجاج های ناشی از فرآیند جوشکاری را دارا می باشد. با توجه به محدودیت های اندازه گیری تجربی دما و اعوجاج وجود دارد، با استفاده از یک مدل المان محدود با دقتی بالا می توان جزئیات تغییرات دما و یا انقباض را در نقاط مختلف روی مدل و در زمان های متفاوت به دست آورد. در مدل سازی المان محدود از نرم افزار آباکوس 14- 2 جهت تحلیل حرارتی و سازه ای استفاده شده است. تمام پارامتر های جوشکاری از قبیل شرایط مرزی و زمان سیکل تک پاس در هر دو مدل حرارتی و مکانیکی دقیقا همانند شرایط آماده سازی نمونه ها انتخاب شدند.

در این تحقیق روند کلی آنالیز به صورت کوپل حرارتی- سازه ای می باشد. در این روش آنالیز حرارتی و سازه ای به موازات یکدیگر انجام می گیرند بدین صورت که پس از انجام آنالیز حرارتی در یک بازه زمانی کوچک داده های مربوط به آنالیز حرارتی به آنالیز سازه ای اضافه می شود و آنالیز سازه ای صورت می گیرد و این روند تا کامل شدن حل مسئله ادامه پیدا می کند. همچنین المان های به کار رفته در تحلیل حرارتی - سازه ای از نوع مکعبی خطی 8 گره ای می باشد.

جهت مدل کردن فلز پر کننده از روش تولد و مرگ المان8 استفاده شده است. از آنجاییکه تغییرات شدید دما و تنش در نزدیکی جوش وجود دارد از المان های ریز تری تا فاصله 10 میلیمتری از مرکز خط جوش استفاده شده است. با دور شدن از این ناحیه، ضرورت وجود اندازه المان ریز کاهش می یابد لذا جهت کاهش زمان محاسبات باید اندازه المان ها همزمان با افزایش فاصله از جوش، درشت تر شود. صحت و نزدیک به واقعیت بودن جواب های نهایی نرم افزار، نتیجه تعریف مش مناسب و پارتیشن بندی مدل است. در نظر گرفتن بیشینه دمایی مربوطه به نقاط روی نمونه به عنوان شاخص همگرایی جواب، این تعداد المان با اختلاف حدود 4 درصد با تعداد المان بیشتر، پاسخ قابل قبول را ارائه می نمایند.

2-2 مشخصات نمونه و مواد مصرفی

در این پژوهش، مشخصات هندسی و ابعاد ورق هایی که در تحلیل استفاده می شود در شکل1 نشان داده شده است. هر ورق به ابعاد 200×100×3 میلی متر می باشد که اتصال دو ورق به صورت لب به لب به یکدیگر متصل شده اند. جنس ورق ها از فولادی است که خواص آن در جدول1 آورده شده است. خواص فلز پایه و فلز جوش یکسان در نظر گرفته شده است. فرآیند جوشکاری با روش جوشکاریGMAW با گاز محافظ با قطبیت مثبت - DCEP - انجام شده است. پارامترهای جوشکاری، ویژگی های الکتریکی، سرعت حرکت و غیره، در جدول2 نشان داده است.