بخشی از مقاله
بررسی اعوجاج ناشی از فرایند جوشکاری لب به لب دو لوله به کمک تحلیل المان محدود
چکیده
جوشکاری یکی از روش های رایج اتصال در صنعت می باشد که میدان دمـایی بـالای غیریکنواخـت آن سـبب افـزایش تـنش هـای پسماند و اعوجاج در هندسه نهایی می شود. در صنایع بزرگی از جمله کشتیسازی، هوافضا، قطارها و ریلهای آن، خطوط لوله نفـت و گاز و مخازن تحت فشار، اعوجاج سازه پس از جوشکاری یکی از مسائل مهم است.
در این پژوهش، به کمک نرم افزار المان محدود آباکوس به شبیهسازی فرایند جوشکاری لب به لـب دو لولـه پرداختـه شـد. نتـایج تحلیل المان محدود با نتایج سایر محققین صحه گذاری شـد. سـپس بـه کمـک مـدل ایجـاد شـده بـه بررسـی اثـر پارامترهـای مختلـف جوشکاری شامل آمپراژ، سرعت جوشکاری و پارامترهای هندسی شامل قطر و ضخامت لوله روی اعوجاج پرداخته شد. بررسیها نشان داد که پارامترهای جوشکاری اثر زیادی بر اعوجاج میتوانند داشته باشند. افـزایش قطـر لولـههـا هنگـام جوشـکاری منجـر بـه افـزایش اعوجاج میشود. افزایش آمپراژ جوشکاری، منجر به افزایش اعوجاج میشود. سرعت پیشروی نیـز از عوامـل مـوثر بـر اعوجـاج اسـت. افزایش سرعت جوشکاری منجر به کاهش اعوجاج میشود. لذا با انتخاب مناسب پارامترهای جوشـکاری، مـیتـوان اعوجـاج ناشـی از جوشکاری را کاهش داد.
واژههای کلیدی: جوشکاری لب به لب، اعوجاج، شبیه سازی المان محدود، پارامترهای جوشکاری، هندسه جوشکاری.
-1 مقدمه
جوشکاری یکی از روش های رایج اتصال در صنعت می باشد که میدان دمـایی بـالای غیریکنواخـت آن سـبب افـزایش تـنش هـای پسماند و اعوجاج در هندسه نهایی می شود. در دهه اخیر، تحقیقات بسیاری برای بهبود پارامترهای جوشکاری برای کـاهش تـنشهـای پسماند انجام شده است. شبیهسازی فرایند جوشکاری در اوایل دهه 1970 میلادی آغاز شد و تا بـه حـال پیـوهشهـای بسـیاری در ایـن زمینه انجام شده است. یوئدا [1] و هابیت [2] از جمله اولین و مهمترین افرادی بودند که تکنیک المان محدود را در شبیهسازی فرایند جوشکاری به کار گرفتند. پیچیدگی هایی که این افراد در شبیهسازی جوشکاری با آن مواجه شدند در ابتـدا باعـث اسـتقبال کـم دیگـر محققان به استفاده از این تکنیک شد. تا اینکه ریبیکی [3]، اندرسون [4] و فریدمن [5] اصـول روش اسـتفاده از المـان محـدود بـرای شبیهسازی جوش را ارائه دادند که در آن با استفاده از آنالیز کوپل ترکیبی و با در نظر گرفتن خواص مواد وابسته به دما و اعمال گرمای نهان ذوب در معادلات خود سبب ممکن شدن محاسبات تحلیلی و بدست آوردن نتایج نسبتا قابل قبـول شـدند. دورانتـون [6] بـر روی شبیهسازی جوشکاری لولههای چند پاسه با استفاده از مدل دو و سه بعدی کار کرد. هدف اصلی او استفاده از ریزسـازی مـش در حـال حرکت برای کاهش محاسبات بود. آنالیز المان محدود وی ترکیبی حرارتی و سپس مکانیکی بود. وی از مـدل چشـمه حرارتـی بیضـی گون گلداک برای بدست آوردن توزیع دما استفاده کرد. ستاریفر و همکاران در تحقیقی [7] اثر ترتیب جوشکاری را بر تنش پسـماند و اعوجاج لوله از جنس فولاد زنگ نزن بررسی کردند. در تحقیقات آنها، 9 وضعیت مختلف ترتیب جوشکاری انتخاب شد و اثر هـر یک برتنش پسماند و اعوجاج نهایی سازه به کمک تحلیل المان محدود سه بعدی بررسید گردید. عبیـد و همکـاران [8] بـا اسـتفاده از نرمافزار المان محدود اعوجاج های جوش و تنش های پسماند اتصال لوله به فلنج را بررسی کردند. بررسی آن ها بر روی اتصال لولـه بـه قطر خارجی 115، ضخامت 6 و طول 200 میلیمتر بـه فلـنج گلـویی مربوطـه از اسـتاندارد AISI کـلاس300 از جـنس فـولاد کـربن - منگنزی با پخ V شکل میباشد که در صنعت بسیار رایج است. شبیهسازی اتصال با کمک مدل المان محدود دو بعدی و سه بعـدی بـه همراه بررسی مزایا و معایب هر یک انجام شده و نتایج آن با آزمایشهای تجربی مقایسه گشته است. در بررسـی تجربـی آن هـا از فراینـد اتوماتیک میگ بر روی اتصال لوله به فلنجی که از قبل خال جوش خورده و از طرف لوله به گیره متصل شـده و طـرف دیگـر آن آزاد میباشد، انجام شد. موچیزوکی و همکاران [9] به منظور کاهش اعوجاج در جوش فیلت دو صفحه به یکدیگر از تکنیک گرم کردن با شعله تیگ در طرف معکوس جوشکاری و در حین آن توانستند شیوه جدیدی را برای کاهش تنشهای پسماند مطرح کنند.
در این پژوهش، به بررسی اثر پارامترهای مختلف جوشکاری بر اعوجاج های جوشی در فرایند جوشکاری لب بـه لـب دو لولـه بـه کمک تحلیل المان محدود پرداخته خواهد شد.
-2 مدلسازی المان محدود
مدل المان محدود ایجاد شده در این پژوهش با استفاده از یک مدل المان محدود دیگر اعتبارسنجی شده است. جهت اعتبار سنجی مدل المان محدود از مدل ارایه شده توسط مالیک و همکاران [10] استفاده گردید. آنها یک روش محاسباتی را برای آنالیز توزیع دما و تنشهای پسماند حاصل، در حین جوشکاری استوانههای جدار نازک از جنس فولاد کم کربن ارایه نموده اند. برای شبیهسازی المان محدود از یک مدل سه بعدی که در نرم افزار انسیس ایجادشده، استفاده گردیده است. به منظور سادهسازی مدل به صورت نصف در نظر گرفته شد. شکل 1 و شکل 2، به ترتیب نحوه المان بندی در مدل مالیک و مدل المان محدود را نشان میدهد.
شکل (1) نحوه مش بندی استوانه جدار نازک توسط مالیک .[10]
شکل (2) نحوه مشبندی و مدل المان محدود استوانه جدار نازک جهت اعتبارسنجی.
به دلیل شار حرارتی و درجه حرارت بالا در فلز جوش و ناحیه متاثر از حرارت از مشهاینسبتاً ریزی در این مناطق استفاده شد. همچنین دو خال جوش در نقاط شروع و 180 درجه مدل گردیده است. برای تعیین توزیع حرارت ورودی مدل دو بیضی گون گلداک به کار رفت. خواص موادی وابسته به حرارت در جدول 1، آورده شده است. چگالی ثابت و برابر 8096Kg/m فرض گردید. گرمای نهان ذوب 247 kJ/Kg در نظر گرفته شد، دمای جامد شدن 1440°c و دمای مایع شدن 1560°c فرض شد.
جدول (1) خواص حرارتی فولاد کمکربن.
پارامترهای جوشکاری و ابعاد مدل گلداک در نظر گرفته شده توسط مالیک برای مدلسازی منبع حرارتی به صورت زیر در نظر گرفته شد.
جدول (2) پارامترهای جوشکاری.
جدول (3) ابعاد مدل گلداک.
شکل و ابعاد پخ جوشکاری نیز به صورت شکل 3 فرض گردید و بازشدگی ریشه نیز 2 میلیمتر در نظر گرفته شد. طول مخزن 300 میلیمتر، ضخامت آن 3 میلیمتر، زاویهی پخ 90 درجه، و قطر آن نیز 300 میلیمتر میباشد.
