نسبي بالا در يک صفحه كوتاه.
پ – جوش با سرعت نسبي بالا در يک صفحه طويل.

يك مثال از توزيع سه بعدي تنش‌هاي پسماند عرضي در شكل 3-6 نشان داده‌شده است. اين توزيع با موردي كه در شكل 3-5- ب آمده و نشان‌دهنده توزيع تنش‌هاي عرضي در صفحات کوتاه است، تطابق دارد. در اين مثال توزيع تنش‌هاي پسماند عرضي در جوشكاري بين دو صفحه با پهناي 250 ميليمتر و طول 500 ميليمتر ارائه شده است. ارائه تعريفي از صفحات كوتاه به آساني ميسر نيست. در واقع اصطلاح صفحات كوتاه، اصطلاحي پيچيده است كه در تعريف آن نهتنها ابعاد هندسي بلكه عوامل جوشكاري و حتي خواص مواد موثرند. در شكل 3-6 مي‌توان ديد كه عمده قلههاي منحني تنش‌هاي پسماند عرضي در نزديكي دو انتهاي صفحه متمرکز شده‌اند.

شكل 3-6 نمايش سه بعدي از توزيع تنش‌هاي پسماند عرضي] 33[.

بايد خاطرنشان كرد كه تنش‌هاي پسماند عرضي نهتنها در سطح رويي صفحات جوش داده‌شده بلكه در راستاي عمق ضخامت نيز موجود ميباشند. مقدار آن‌ها در برخي از موارد آنقدر بالا هست كه لازم است به طور جدي به آن‌ها پرداخته شود. البته در اغلب موارد مثل جوشكاري با قوس الكتريكي غوطهور، بر روي صفحات نازك و يا حتي نسبتاً ضخيم تنش‌هاي پسماند عرضي در راستاي عمق ضخامت ناچيز بوده و قابل صرف‌نظر كردن است. دليل اين امر شكل و وسعت ناحيه تغييرشکل مومسان در اين‌گونه از عمليات جوشكاري است. اين حقيقت به صورت اجمالي در شكل 3-7 نشان داده‌شده است. تنش و تغيير شكل در اكثر مواقع در تضاد با يكديگرند، يعني تنش‌هاي بالا معمولاً در ناحيهاي كه از تغييرشکل باز داشته شده است، رخ ميدهد. يك مثال براي اين مورد در شكل 3-7- الف ارائه شده است. اين شكل شامل جوشكاري SAW (قوس الكتريكي غوطهور) يكپاسه براي اتصال صفحات با ضخامت متوسط و يا هر نوع جوشكاري در صفحات نازك است. اين نوع عمليات جوشكاري معمولاً با يك ناحيه تغيير شكل يافته مومسان نسبتاً وسيع توصيف ميشوند. در اين حالت موادي كه در ناحيه نزديك به خط جوش ميباشند، قادرند به هر سمت دلخواه حركت و تغيير شكل داشته باشند. همين امر باعث ميشود كه در اين نواحي تنش‌هاي پسماند عرضي مقادير كمتري داشته باشند] 33[.

شكل 3-7 تنش‌هاي پسماند عرضي در راستاي عمق ضخامت] 33[:
الف- جوشكاري با ناحيه تغييرشكل مومسان وسيع.
ب- جوشكاري با ناحيه تغييرشكل مومسان محدود.

شكل 3-7- ب نيز حالت جوشكاري در صفحات ضخيم و يا صفحات با ضخامت متوسط تطابق دارد. در اين حالت فلز در ناحيه نزديك به خط جوش از حركت در راستاي ضخامت بازداشته شده است كه اين امر نيز سبب ميگردد كه تنش‌هاي پسماند عرضي در راستاي ضخامت داراي مقادير بالايي باشند.

3-4 روشهاي تعيين تنشهاي پسماند ناشي از جوشکاري
روشهاي به دست آوردن تنشهاي پسماند به دو دستهي روشهاي آزمايشگاهي و روشهاي عددي تقسيم‎بندي ميشوند. در گذشته فقط روشهاي آزمايشگاهي مورد استفاده قرار ميگرفت. اين روشها به دو دستهي مخرب و نامخرب تقسيمبندي ميشوند. در روش مخرب ميتوان به مقاله پنگ و پوکاس9 اشاره نمود که با استفاده از سوراخ نمودن صفحه و استفاده از کرنشسنج مقادير تنش را اندازهگيري نمودند. در روشهاي نامخرب ميتوان به آزمايش با استفاده از روش اشعه ايکس اشاره نمود که در اين زمينه چاندرا10 تنشهاي پسماند ناشي از جوشکاري را در يک صفحه با جوش شياري اندازهگيري نمود. هر دو روش ذکرشده نميتواند مقادير تنش را در تمامي نقاط در دسترس قرار دهند. همچنين اين روشها هزينه‌بر هستند. در سالهاي اخير تحليلهاي عددي براي حل مسايل پيچيده بيش‌ترين کاربرد را داشتهاند. در سال 1971 يودا11 و نوماتو12 در کاربرد روش اجزاي محدود در به دست آوردن تنشهاي پسماند ناشي از جوشکاري پيشقدم شدند. به دليل پيچيدگي و زمانبر بودن تحليلهاي عددي، پژوهشهاي انجام‌شده اوليه به صورت دو بعدي انجام‌شدهاند. در شکل 3-8 صفحه مدل شده به صورت دو بعدي نمايش داده‌شده است ]34[.

شکل 3-8 مدل دو بعدي جريان انتقال حرارت ]34[:
الف – نمايش مدل سه بعدي جسم.
ب – مقطع عرضي جداشده از جسم براي تحليل حرارتي.
پ – مدل شبکهبندي شده در نرم‌افزار اجزاي محدود.
با پيشرفت رايانهها و برنامههاي اجزاي محدود، استفاده از مدلهاي سه بعدي گسترش يافت که ميتوان در اين مورد به مرجعهاي [35] و [36] اشاره نمود. در اين مرجعها، با استفاده از سختشوندگي همسانگرد و خواص متغير با دما، با استفاده از تحليل ناخطي، فرآيند جوشکاري در لولهها و صفحات مدلسازي شده است. در شکل 3-9 هندسه قطعه کار و مدل ساخته‌شده در نرمافزار نمايش داده‌شده است.

شکل 3-9 هندسه قطعه کار و مدل سه بعدي قطعه کار در نرمافزار ]39[.

دنگ13 [36] به بررسي تغييرشکل يک اتصال سپري پس از فرآيند جوشکاري، با استفاده از تحليل ناخطي پرداخت و نتايج تحليل را با نمونه آزمايشگاهي راستيآزمايي نمود (شکل 3-10 و 3-11).

(الف)
(ب)
شکل 3-10 اتصال سپري: الف – نمونه آزمايشگاهي ب – مدل اجزاي محدود [36].

(الف)
(ب)
شکل 3-11 تغييرشکل جسم پس از جوشکاري:
الف – نمونه اجزاي محدود تغييرشکل يافته.
ب- مقايسه نتايج تغييرشکل مقطع مياني با نمونه آزمايشگاهي [36].

دنگ [37] براي مدلسازي فرآيند جوشکاري و نشان دادن تنشهاي پسماند به بررسي يک لوله مدل شده در نرمافزار Abaqus پرداخت. نتايج تحليل نرمافزار با استفاده از نتايج آزمايشگاهي راستيآزمايي شده است. در شکل 3-12 سطح مقطع جوش به همراه مدل اجزاي محدود نشان داده شده است.

شکل 3-12 سطح مقطع جوش و مدل‌سازي شده در نرمافزار [37].

در شکل 3-13 تاريخچه دمايي چند نقطه بر روي سطح داخلي نشان داده شده است.

شکل 3-13 تاريخچه دمايي براي چند نقطه بر روي سطح داخلي [37].

در شکل‌هاي 3-14 و 3-15 توزيع تنش پسماند طولي و شعاعي، به ترتيب در سطح داخلي و بيروني نمايش داده ميشود. نتايج تحليل حرارتي نشان ميدهد که توزيع دما در ناحيه نزديک به منبع گرمايي ثابت بوده و با حرکت منبع حرارت در زمانهاي مختلف به طور ثابت تکرار ميشود ]38[.

(الف)
(ب)
شکل 3-14 الف) توزيع تنش پسماند طولي در سطح داخلي ب) توزيع تنش پسماند شعاعي در سطح داخلي [38].

همچنين نتايج تحليل مکانيکي نشان ميدهد که توزيع تنشهاي پسماند به صورت زير ميتواند بيان شود:
1- تنشهاي پسماند محوري در سطح داخلي و بيروني توزيع مخالف يکديگر دارند.
2- در ناحيه جوش و مجاورت آن تنش پسماند کششي در سطح داخلي پديد ميآيد و در سطح بيروني تنش پسماند فشاري توليد ميشود.
3- با دور شدن از محور جوشکاري تنشهاي پسماند از کششي به فشاري در سطح داخلي و از فشاري به کششي در سطح بيروني تغيير پيدا ميکند.
4- در سطح داخلي شکل توزيع تنشهاي شعاعي مشابه با تنشهاي محوري است.
5- شکل توزيع تنشهاي شعاعي در سطح بيروني به فاصله از محور جوش بسيار حساس است ]39[.

(الف)
(ب)
شکل 3-15 الف) توزيع تنش پسماند طولي در سطح بيروني ب) توزيع تنش پسماند شعاعي در سطح بيروني [39].

3-5 بررسي تاريخچه تأثير توالي يك جوش بر تنش‌هاي پسماند ناشي از جوشكاري
شكل 3-16، آماده سازي براي جوش را نشان مي‌دهد شرايط داراي تقارن محوري جهت مدل‌سازي يك جوش لببهلب محيطي v شكل ساده با ضخامت جداره 19 ميليمتر و شعاع داخلي 190 ميليمتر، به كار رفته است. اتصال جوش داراي زاويه 60 درجه حفره ريشه (كف) 18/3 ميليمتر و به عرض 18/3 ميليمتر بود. شكل 3-17، توالي جوشكاري را براي حالت‌هاي 1 و 2 نشان مي‌دهد ]40[.

شكل 3-16 طرح اتصال براي جوش محيطي در استوانه ]40[.

شكل 3-17 توالي جوشكاري براي حالت 1 (3 پاسه) و حالت 2 (8 پاسه) ]40[.

حالت اول يك جوش محيطي سه پاسه با گرماي ورودي نسبتاً بالا در هر پاس و حالت دوم يك جوش محيطي هشت پاسه با گرماي ورودي نسبتاً كم در هر پاس است. در جدولهاي 3-1 و 3-2 روش جوشكاري بر حسب سرعت جوش و توان خالص مشعل جوشكاري براي هر پاس ارائه شده است. از نرمافزار Abaqus جهت انجام دادن تحليلها در اين شبيهسازي استفاده شده است ]40[.

جدول 3-1 حرارت ورودي براي حالت 1 ]40[.
Pass
Travel Speed (in./min)
Net Power (watts)
1
9.5
1600
2
7.51
5300
3
7.51
8000

جدول 3-2 حرارت ورودي براي حالت 2 ]40[.
Pass
Travel Speed (in./min)
Net Power (watts)
1
9.5
1600
2
9.5
4300
3
7.51
1400
4
7.51
1200
5
4.8
1900
6
4.8
1900
7
4.8
1900
8
4.8
2400

3-5-1 تاريخچه تحليل حرارتي
با اضافه شدن هر پاس، جريان حرارت به مدل اضافه مي‌شود از يك منحني نيز كه در شكل 3-18 نمايش داده شده است، جهت تعريف تابع حرارت (كه تابعي از زمان است)، استفاده مي‌شود. به مدل اجازه داده ميشود تا مدتي سرد شود (به مدتي كه مشعل جوشكاري نياز دارد تا يك دور محيط را بپيمايد و يا تا زماني که حرارت بيشينه كمتر از 200 درجه شود، هر کدام كه طولانيتر بود) بنابراين دماي بين پاسي در اين تحليل محدود به 200 درجه مي‌شود. آناليز حرارتي پس از سرد شدن هر پاس متوقف شده تا شرايط اوليه حرارتي تعيين گردد ]41[.

شكل 3-18 منحني به كار رفته جهت حرارت ورودي (كل زمان = T) [41].
3-5-2 تاريخچه تحليل مكانيكي
در تحليل مكانيكي، كرنشهاي حرارتي به دست آمده از تحليل حرارتي جهت تعيين تنش‌هاي پسماند مورد استفاده قرار مي‌گيرد. دو انتهاي قطعه آزاد گذاشته شده تا در طي شبيه‌سازي جوشكاري بتواند انقباض پيدا كند. اجزاي درون هر پاس پس از آنكه تحليل حرارتي براي آن پاس نشان داد كه مصالح تا دماي 1500 درجه سرد شده‌اند، فعال شدند. اكنون نتايجي كه از اين شبيه‌سازي به دست آمده در ادامه ميآيد ]41[.

3-5-3 نتايج به دست آمده از شبيه‌سازي
در شكلهاي 3-19 و 3-20 تغييرات حرارتي با زمان براي پنج نقطه روي سطح در دو حالت رسم شده است. سه نقطه در سطح داخلي و در فواصل 7/12، 19 و 25 ميلي‌متري از خط وسط جوش و دو نقطه در شعاع بيروني و در فاصله‌هاي 19 و 25 ميلي‌متري از خط وسط جوش بودند ]41[.

شكل 3-19 نمودار حرارت در برابر زمان براي حالت 1 [41].

مقادير تنش‌هاي پسماند پس از مراحل خاصي از توالي جوشكاري و در امتداد دو خط نشان داده شده در شكل 3-20 تعيين شدند. نمودار شكل 3-21 تنش‌هاي پسماند پيش‌بيني شده را در موقعيت (1) براي هر دو حالت 1 و 2 (3 پاس و 8 پاس) پس از آخرين پاس جوش نشان ميدهد. تنشها در جهت حلقوي موازي جوش و تنش‌هاي محوري عمود بر جوش به وجود ميآيند. مقادير تنش با كمك مقاومت تسليم مصالح (براي دماي اتاق)، هموارتر شدهاند ]41[.

شكل 3-20 نمودار حرارت در برابر زمان براي حالت 2 [41].

شكل 3-21 مقادير تنش‌هاي پسماند براي هر دو حالت 1 و 2 [41].

شكل 3-22 نتايج تغيير شكلهاي محوري براي هر دو حالت 1 و 2 [41].

شكل 3-22 نتايج حاصل از تغيير شكل شعاعي را براي هر دو حالت نشان مي‌دهد. نمودار حرارتي در شکلهاي 3-19 و 3-20 نشان مي‌دهد كه همانگونه كه انتظار ميرفت، حرارتهاي بيشينه براي حالت 2 (جوش 8 پاس) نسبت به حالت 1 (3 پاس) كاهش مييابد. تنش‌هاي پسماند در امتداد ضخامت جوش و روي خط مركزي جوش شكل 3-21 علاوه بر اينكه مقادير متفاوت تنش را براي حالات مختلف نشان ميدهد. براي حالت 1، هر دوي تنش‌هاي محوري و حلقوي در نزديك قطر دروني بيشترين مقدار را داشته و در امتداد ضخامت كاهش پيدا ميكنند. با اين وجود، براي حالت 2، تنشها تقريباً سينوسي و براي جهت حلقوي در وسط ضخامت، بيشينه است. شكل 3-22 اشاره به اين موضوع دارد كه تغيير شكل شعاعي

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید