بخشی از مقاله
مدلسازی سه بعدی و محاسبه تنشهای پسماند حاصل در جوشکاری دو پاسه لوله ها بکمک نرم افزار ABAQUS
چکیده
در این مقاله بکمک نرم افزار المان محدود ABAQUS جوشکاری دو پاسه لوله های SUS304 بصورت سه بعدی مدلسازی شده و تنشهای پسماند حاصل در مناطق اطراف جوش محاسبه گردیده است. در مدلسازی انجام شده خواص مکانیکی و حرارتی لوله و الکترود بصورت تابعی از دما به نرم افزار داده شده و با توجه به جریان، ولتاژ و سرعت حرکت الکترود، شار حرارتی بصورت یک بار سطحی خارجی روی محیط جانبی لوله اعمال گردده است. تنشهای حاصل در جسم از زمان اعمال شار حرارتی تا رسیدن دمای محل جوش به دمای محیط محاسبه شده و تنشهای نهایی باقیمانده در جسم در انتهای پروسه تبادل حرارتی با محیط تنشهای پسماند می باشند. نتایج مدلسازی انجام شده همخوانی مناسبی با نتایج تجربی دارد و به کمک این نرم افزار می توان به برآورد مناسبی از نتایج رسید. بر اساس مدلسازی سه بعدی انجام شده، تنشهای پسماند محوری حاصل در محیط لوله تقریبا یکنواخت و متقارن می باشد، لذا محاسبه تنشهای پسماند بصورت تقارن محوری دو بعدی می تواند جایگزین مدلسازی سه بعدی که نیاز به زمان اجراء طولانی و حافظه زیاد کامپیوتر دارد، گردد.
مقدمه
جوشکاری یک روش ساده و موثر در اتصال اجزاء مهندسی می باشد و در اکثر صنایع از این روش استفاده می گردند. جوشکاری لب به لب (Butt-Weld) یک روش معمول در اتصال لوله های قولادی ضد زنگ در خطوط انتقال گاز، نیروگاهها و... می باشد. در این روشی دیواره لوله ها با پروسه جوشکاری به هم متصل شده و معمولا از چند پاس جوش برای این منظور استفاده می گردد. بعلت ایجاد گرمای نسبتا زیاد در محل جوشکاری، ناحیه اطراف لبه جوشی تحت سیکلی حرارتی بالایی قرار می گیرد، این سیکل حرارتی باعث سرمایشی و گرمایش غیر یکنواخت مواد در ناحیه جوش شده و تغییر شکلهای غیر یکنواخت و تنشهای پسماند در محل جوشی بوجود خواهد آمد. تنشهای پسماند باقیمانده در لوله و در شرایط کاری ممکن است عملکرد مجموعه را تحت تاثیر قرار دهد. تنشهای پسماند کششی حساسیت ماده را در اطراف ناحیه جوش افزایش داده باعت عیوب خستگی، ایجاد و رشد ترک و خوردگی در لوله و نهایتا شکست آن می شود. برای اجتناب از ایجاد تنشهای پسماند حرارتی در لوله ها فولادی، نوع و شرایط جوشکاری، ابعاد ناحیه جوش تعداد پاسهای جوش و ترتیب عملی و.... با دقت باید بررسی و تجزیه و تحلیلی گردد تا این تنشها به حداقل ممکن کاهش یابد. برای محاسبه و تعیین مقدار تنشهای حرارتی ناشی از جوشکاری از سه روش تحلیلی، عددی و تجربی استفاده می شود. مدلسازی تحلیلی فرایند جوشکاری چند پاسه بسیار مشکل بوده و معادلات حاکم پیچیده می باشد، لذا استفاده از نرم افزارهای المان محدود موجود در این خصوصی و یا انجام تستهای تجربی دو روش امکان پذیر و سریع برای این منظور است. در مدلسازی عددی یکمک نرم افزارهای المان محدود روش کار به دو صورت انجام می شود: روش آنالیز متوالی: در این روش دو یا چند آنالیز متوالی صورت میگیرد که هر کدام به یک میدان تعلق دارد. در این روش دو میدان به طریق اعمال نتایج از میدان اول به میدان دوم بعنوان بار گذاری به هم کوپل میشوند. مثلا برای تحلیل مسائل تنش حرارتی در این روش ابتدا مسئله انتقال حرارت بدون توجه به میدان تنش مدلسازی میشود. نتایج حاصل از این مدلسازی که تاریخچه توزیع درجه حرارت مییاشد بعنوال ورودی در مدل تحلیل تنش مورد استفاده قرار میگیرد. روش آنالیز مستقیمر: غالبا یک آنالیزبوده که در آن تمامی میدانها بطور مستقیم و کوپل شده به هم همزمان حل میشوند. لذا المانهای بکار گرفته شده در این روش بایستی تمامی درجات آزادی مورد نیاز هر میدان را دارا باشند. آنالیز کوپل مستقیم در مواردیکه تداخل میدانهای کوپله بسیار غیر خطی باشتدد مناسب است. اما بدلیل پیچیده شدن معادلات تحلیل مسائل با این روش وقت گیر تر از روش اول است. طی دهه های اخیر تعدادی مدل اجزاء محدود برای پیش بینی توزیع دما و تنش های پسماند در جوشکاری لب به لب لوله های فولادی ارائه گردیده استا ۳-۱ ابریکستاد و جوزفسون از یک مدل تقارن محوری دوبعدی برای تحلیل تنش پسماند در جوشکاری چند پاسه لوله های فولادی زنگ نزن استفاده نمودند || ۲ || ون و همکاران با استفاده از یک مدل دو بعدی جوشکاری لوله های پا ضخامت دیواره ۹ میلیمتر را تحلیل نمودا ۴]. تسای و همکاران با استفاده از المان پوسته سه بعدی و قوس جوشکاری متحرک تنش های پسماند در جوشکاری لوله های زنگ نزن 304 AISI را شبیه سازی نمودا ۵ الی و همکاران یک مدل اجزاء محدود سه بعدی کامل برای شبیه سازی جوشکاری لوله ها ارائه نموده اند. در این تحقیق اظهار شده است که برای تایید نتایج بدست آمده تیاز به اندازه گیری آزمایشگاهی بیشتر وجود دارد || ۶. از جمله جامع ترین تحقیقاتی که در این زمینه انجام شده میتوان به کار دنگ و همکاران اشاره نمود. دنگ و همکاران ابتدا با روش تجربی توزیع تنش پسماند در ناحیه جوشی را با استفاده از کرنش سنج هایی که در نزدیکی ناحیه جوشکاری نصب نمودند اندازه گیری نمودند. سیسی با استفاده از نرم افزار ABAQUS و مدلسازی تقارن محتوی توزیع تنش پسماندرا پیش بینی نمودنداl۷۔ در این مقاله با استفاده از روش عددی و بکمک نرم افزار المان محدود ABAQUS مدلسازی سه بعدی برای محاسبه تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری دو پاسه در لوله ها ارائه شده است [۸]. برای این منظور ضمن المان بندی لوله، شار حرارتی ناشی از جوشکاری با توجه به جریان، ولتاژ و سرعت حرکت الکترود بصورت یک بار سطحی خارجی روی محیط جانبی لوله در محل اتصال اعمال شده و تنشهای حاصل از جوشی در جسم از زمان اعمال شار حرارتی تا رسیدن دمای محلی جوشی به دمای محیط محاسیه گردیده است. تنشهای نهایی باقیمانده در جسم نقش تنشهای پسماند را بعد از تبادل حرارتی با محیط دارند. نتایج حاصل از مدلسازی انجام شده نشان داده است که توزیع تنشی بصورت تقارن محوری بوده و لذا مدلسازی دو بعدی تقارن محوری می تواند جایگزین مدلسازی سه بعدی گردد.
روش مدلسازی بکمک نرم افزار ABAQUS لوله در نظر گرفته شده برای شبیه سازی دارای قطر خارجی ۱۱۳/۵ میلیمتر ضخامت دیواره ۶ میلیمتر و طول ۲۰۰ میلیمتر میباشد. در شکل ۱ ابعاد و مشخصات داخلی و خارجی لوله جوشکاری شده نشان داده شده است. محل اتصال با استفاده از دو پاسی جوش پر می شود، در جدول ۱ میزان جریان، ولتاژ و سرعت حرکت الکترود نشان داده شده است و کلی شار حرارتی اعمالی در طی هر پاسی جوشکاری محاسبه گردیده است. خصوصیات مکانیکی لوله و الکترود با هم یکسان می باشد. با توجه به اینکه خصوصیات مکانیکی لوله و الکترود به شدت وابسته به دما است. این خصوصیات باید بصورت تابعی از دما به نرم افزار داده شود در جدول ۲ خواص مکانیکی شامل گرمای ویژه، ضریب هدایت حرارتی، دانسیته، تنش تسلیم، ضریب انبساط حرارتی، مدولی یانگا و ضریب پواسون در دماهای مختلف در شرایط جوشکاری داده شده است [۷] با توجه به جدول ۱ شار حرارتی (Heat Flux) اعمال شده در محیط لوله و در پاس اول
943000 و در مدت ۲۵۴ ثانیه اعمال می شود و در پاس دوم 1200 98 و در مدت ۲۶۸ ثانیه اعمال خواهد شد. این شار حرارتی بصورت یک بار سطحی در محل جوش لوله اعمال می شود. ضخامت لوله در طی پروسه جوش به ۸ مقطع مطابق شکل ۱ تقسیم شده و در هر مقطع شار حرارتی اعمال می گردد. برای اعمال بار حرارتی در مقطع ۱ شکل ۱، شار حرارتی به اندازه 235750 در مدت ۶۳۱۵ ثانیه در این محل اعمال می شود. سپس در مقطع ۲ شار حرارتی به همان مقدار و زمان اعمال می شود در حالی که شار حرارتی مقطع ۱ حذف شده است و این پروسه کاری ادامه می یابد تا در کل مقاطع ۱ تا ۴ شار حرارتی اعمال شود. در سطح خارجی ضخامت برای شبیه سازی پاس دوم جوش لوله نیز همین پروسه کاری ادامه می یابد ولیکن مقدار شار حرارتی برای هر مقطع 245300 و زمان آن ۶۷ ثانیه خواهد بود. پس از پایان پاس دوم مجموعه در مدت زمان ۳۰۰ ثانیه با محیط تبادل حرارتی خواهد نمود تا درجه حرارت لوله به دمای محیط برسد. در این مدلسازی فرض شده است که پاسهای ۱ و ۲ و کلی پروسه جوش بدون وقفه زمانی و بصورت پیوسته انجام می شود و برای کوتاه شدن زمان اجراه برنامه هر پاسی جوش به ۴ مقطع تقسیم شده است. با توجه به بحث فوق ۹ مرحله کاری (Step) در نرم افزار تعریف خواهد شد و نوع استپ مورد استفاده درجه حرارت حجابجایی وابسته (Couple Temperature- Displacement) می باشد. کلی مدت پروسه جوشکاری و تبادل حرارتی ۸۲۲ ثانیه است. رفتار ماده مورد استفاده برای لوله نوع الاستیک - پلاستیک تابع دما، بدون وابسته به نرخ کرنش و سخت شونده سینماتیکی در نظر گرفته شده است. المانهای مورد استفاده از نوع المان جامد (Solid) سه بعدی کوپل شده دما- تغییر مکان C3DT با یک نقطه انتگرال گیری می باشد. در لبه های اطراف محل جوشی که تنشها و تغییر شکلها بالاست المانها ریزتر و در فاصله دورتر درشت انتخاب شده اند. شکل ۳ مدل المان بندی شده لوله را نمایش می دهد. برای اعمال شرایط مرزی هر مقطع از جداره لوله بعد از اعمال شار حرارتی در جهت محوری مقید می شوند. به نحوی که در پاس اول کل ۴ مقطع اول و در پاس دوم ۴ مقطع بعدی مقید می گردند.
نتایج و بحث
در این قسمت مقادیر تنشها پسماند حرارتی حاصل بعد از مدلسازی و اجراء برنامه و تعیین تعداد المانهای بهینه محاسبه شده توسط نرم افزار ABAQUS ، آورده شده و با نتایج تجربی یا عددی موجود در مقالات مقایسه گردیده است.
شکل ۴ پروسه جوشکاری و زوایای شروع و پایان هر پاسی جوش همراه با توزیع تنش معادلی ون مایزز نهایی بعد از تبادل حرارتی با محیط نشان داده شده است. در شکلهای ۵ تا ۸ توزیع تنش پسماند محوری در سطح خارجی لوله نشان می دهد. این منحنی ها بر اساس زاویه شروع پروسه جوشکاری و در زوایای ۰، ۹۰، ۱۸۰ و ۲۷۰ در جهت نشان داده شده در شکل ۳ ارائه شده است. با بررسی شکل مشاهده می گردد توزیع تنش پسماند روی سطح خارجی لوله و در نواحی اطراف لبه جوش که متاثر از دما است (ناحیه HaZ) بصورت فشاری و حداکثر 240Mpa و در نواحی دور از لبه جوش بصورت کششی و به مقدار کم می باشد. این منحنی منطبق بر نتایج ارائه شده در مرجع || ۷ || است. علاوه بر آن مشخص است که در محلهای مختلف از نقطه شروع جوش و در زوایای صفر، ۹۰، ۱۸۰ و ۲۷۰ درجه توزیع تنش محوری تقریبا یکنواخت و متقارن بوده و در این زوایا یکسان است. لذا توزیع تنش محوری در امتداد دیواره خارجی لوله مستقل از زاویه و محیط جانبی لوله است. در شکلهای ۹ تا ۱۲ توزیع تنش پسماند محوری در سطح داخلی لوله نشان می دهد. این منحنی ها بر اساس زاویه شروع پروسه جوشکاری و در زوایای ۰، ۹۰، ۱۸۰ و ۲۷۰ درجهت نشان داده شده در شکل ۳ آورده شده است و حاصل از خروجی نرم افزار است. مانند حالت قبل با بررسی شکل ۸ تا ۱۱ مشاهده می گردد توزیع تنش پسماند روی سطح داخلی لوله و در نواحی اطراف لبه جوش بصورت کششی و حداکثر 320Mpa و در نواحی دور از لبه جوش بصورت فشاری و به مقدار کم می باشد. این منحنی منبطق بر نتایج ارائه شده در مرجع [۷] است. علاوه بر آن مشخص است که در محلهای مختلف از نقطه شروع جوش و در زوایای صفر، ۹۰ و ۲۷۰ درجه توزیع تنش محوری روی لبه داخلی تقریبا متقارن و یکنواخت بوده و در تمام زوایا یکسان است. لذا توزیع تنش محوری پسماند روی سطح داخلی مستقل از محیط مقطع می باشد. در شکل ۱۳ توزیع تنش پسماند محوری حاصل در امتداد ضخامت لوله و محلی متاثر از گرما (Haz) نشان داده شده است. نقطه صفر محور افقی سطح داخلی لوله است که تنش بصورت کششی و حداکثر ۲۲۰ مگاپاسکال است و سطح خارجی نقطه ۶ میلی متر انتهای ضخامت لوله است که تنش بصورت فشاری و ۲۴۰ مگاپاسکال منفی است. مشاهده می گردد که تغییرات ناگهایی بالایی از میزان تنش پسماند در اطراف محلی جوش وجود دارد و در طی پروسه کاری لوله می تواند مشکل ساز گردد. مقادیر تنشهای کششی و فشاری روی جدار داخلی و خارجی لوله منطبق بر نتایج سایر محققین [۷] است. در شکل ۱۴ توزیع تنش محوری حاصل در سطح خارجی لوله بر حسب زمان از لحظه شروع جوشکاری تا تبادل حرارتی با محیط (۸۲۳ ثانیه) تشان داده شده است. با توجه به شکل مشاهده می گردد تنش محوری در زمانهای مختلف فرایند جوشکاری دارای پله های ناگهانی بوده و نهایتا بعد از تبادل حرارتی به مقدار ۲۲۰ مگاپاسکال رسیده است. پله های ناگهانی منحنی تا حدود ۵۲۲ ثانیه پروسه جوشکاری ادامه دارد و بعد از آن با شروع تبادل حرارتی با محیط از لحظه ۵۲۲ تا ۸۲۲ ثانیه ( یعنی ۳۰۰ ثانیه تبادل حراراتی به محیط) بصورت یکنواخت کاهش مییابد.
نتیجه گیری
با بررسی انجام شده در این تحقیق می توان نتیجه گیری نمود که: - نرم افزار ABAQUS نرم افزار المان محدود مناسبی برای مدلسازی فرایند جوشکاری و محاسبه تنشهای پسماند ناشی از جوش می باشد.روش بکار برده شده توسط این نرم افزار بر اساس آنالیز کوپل مستقیم می باشد و هم زمان می توان تاریخچه توزیع دما و تنش را محاسبه نمود. بکمک این نرم افزار می توان به بر آورد مناسبی از تنشهای پسماند در ناحیه اطراف جوشکاری رسید. - با مقایسه انجام شده بین نتایج نرم افزار و نتایج تجربی موجود مشاهده گردیده که مقادیر تنشهای پسماند محوری حاصل در لوله همخوانی مناسبی با نتایج تجربی دارد. - بر اساسی پیش بینی نرم افزار توزیع تنش محوری در ناحیه متاثر از حرارت روی سطح داخلی لوله بصورت کششی و در ناحیه خارجی سطح لوله بصورت فشاری است. این نتیجه گیری منطبق بر نتیجه گیری سایر محققین می باشد.
- بر اساس پیش بینی نرم افزار توزیع تنش های محوری یا معادلی پسماند در امتداد محور لوله و در هر نقطه مستقل از زوایه شروع جوشکاری بوده و توزیع تنش تقریبا مستقل از زاویه و یکنواخت می باشد. لذا مدلسازی تقارن محوری مسئله می تواند جایگزین مدلسازی سه بعدی گردد. در مدلسازی تقارن محوری تعداد المانها کمتر بوده و زمان حل مسئله کوتاه تر می باشد. - بکمک نرم افزار ABAQUS می توان بهینه سازی فرایند جوشکاری را برای کاهش تنشهای پسماند انجام داد. بگونه ای که با انتخاب تعداد پاسهای جوش، زاویه شروع و پایان مشخصات جنسی و.... تنشهای پسماند را به حداقل ممکن رساند. این مرحله در آینده انجام خواهد شد.
ی پسماند بعد از تبادل حرارتی در استپ ۹
