در اين مقاله، يك جوش دايره‌اي به روي ديسكي متقارن مدل شده بود. نتايج به دست آمده از مدل حرارتي دو بعدي، تطابق خوبي با اندازه‌گيري‌هاي تجربي نداشت و از ميان نتايج تنش، فقط مقدار تنش بيشينه با مقادير آزمايشگاهي همخواني داشت. ديگارمو [17]، حساسيت نتايج حاصل از تحليل حرارتي را نسبت به شبکه‌بندي و گام‌هاي زماني، مورد بررسي قرار داد.
در مرجع [18] يك مدل اجزاي محدود دو بعدي براي حل توزيع دما و تنش گذرا براي جوشكاري لببهلب دو ورق فولادي ارائه شد. مدل حرارتي تطابق خوبي با دماهاي تجربي در بيرون ناحيه متأثر از حرارت موسوم به HAZ داشت. در اين مقاله خواص مواد نسبت به دما در نظر گرفته شد؛ اما تنش‌هاي پسماند محاسبه‌شده، بسيار بيشتر از مقادير اندازه‌گيري شده بود. نويسنده مقاله بر اين باور بود كه اين اختلاف به خاطر دو بعدي بودن مدل وي بوده است.
ريبيكي [19]، در مقاله‌اي كه در سال 1980 منتشر كرد، مدلي براي محاسبه تنش‌هاي پسماند در يك لوله با جوش دو پاس محيطي بر اساس يك منبع حرارتي نقطه متحرك و روش اجزاي محدود ارائه داد. دماهاي به دست آمده توسط ترموکوپل‌ها نسبت به دماهاي محاسبه‌شده، حداكثر داراي 9 درصد اختلاف براي پاس اول و 17 درصد اختلاف براي پاس دوم بودند.
در مرجع [20]، براي محاسبه ميدان تنش در يك ورق با جوش لببهلب، يك آناليز اجزاي محدود دو بعدي انجام گرديد. در اين كار شرايط تنش صفحه‌اي در نظر گرفته شده و تحليل‌هاي مختلفي براي سرعت جوشكاري و گرماي ورودي مختلف و همچنين براي جوشكاري يكطرفه و دوطرفه انجام‌شده است. نتيجه‌گيري شده كه در دماي حدود c° 1200 به دليل کرنش‌هاي كششي عرضي زياد ممكن است ترکهاي گرم تكثير شوند. نويسنده مقاله تصديق نموده است كه براي انجام يك تحليل كامل و دقيق در فرآيند ترموديناميكي جوشكاري و به دست آوردن توزيع دما و تنش، يك مدل سه بعدي مورد نياز است.
فنگ [21]، تغييرات خواص مواد نسبت به دما را تا درجه ذوب منظور نمود. در اين كار از فولاد AISI 1020 با مدل سختشوندگي همسانگرد جنبشي استفاده كرد. تغييرشكل محاسبه‌شده، تطابق خوبي با نتايج تجربي داشت. ضمناً در اين مدل، حالت كرنش صفحه‌اي فرض گرديده و پيشنهاد شده كه آناليز سه بعدي براي اين كار بسيار مناسب است.
در مرجع [22]، يك مدل ترمو مكانيكي براي جوشكاري ارائه گرديده است. اين مدل سه بعدي است و خواص مواد به صورت وابسته به دما در نظر گرفته شده و از مدل سختشوندگي تركيبي همسانگرد جنبشي استفاده شده است. نتايج به دست آمده تطابق خوبي با نتايج آزمايشگاهي دارند.
مراجع ديگري هم در اين زمينه موجود است و در اينجا فقط به چند نمونه كلي اشاره گرديد. از مرور كردن مقالههاي يادشده استنباط مي‌شود كه اكثر مدلهاي تحليل تنش موجود، دوبعدي هستند و اين به دليل هزينه بالاي تحليل رايانه‌اي در گذشته بوده است. در سال‌هاي اخير چند تحليل سه بعدي انجام گرفته كه اكثراً نتايج رضايت بخشي داشته‌اند [23و24]. در تمامي اين مدل‌سازيها از سختشوندگي همسانگرد و يا سخت‎شوندگي تركيبي همسانگرد جنبشي استفاده شده است.

3-2 تنشهاي پسماند طولي ناشي از جوشکاري
نتايج پژوهشها نشان ميدهد که حداكثر تنش‌هاي پسماند طولي در جوشها ()، معمولاً به تنش حد جاري شدن () نزديك است. با دور شدن از محور جوش، تنش‌هاي پسماند كششي کاهش‌يافته تا جايي كه در نواحي مجاور، تبديل به تنش‌هاي پسماند فشاري ميگردند.
براي فولادهاي با درصد کربن پايين (که به طور معمول در سازهها استفاده ميشوند) توزيع تنش‌هاي پسماند طولي در يک مقطع عرضي در يك صفحه جوشکاري شده مي‌تواند مانند شکل 3-1- الف باشد. اين تصوير مي‌تواند با توجه به تراز آلياژي جوش و فلز پايه به طور معنيداري تغيير كند. علاوه بر آن نرخ سرد شدن فلز در حين فرآيند جوشكاري و همچنين حالت اوليه فولاد مي‌تواند بر روي توزيع تنش‌هاي پسماند طولي، به طور جدي تأثير بگذارد (شکلهاي 3-1- ب و 3-1- پ).

شكل 3-1 مثالهايي از توزيع تنش‌هاي طولي ناشي از جوشكاري ]25[.
الف – براي فولاد معمولي.
ب – براي فولاد با آلياژ بالا با پركننده مارتنسيتيك.
پ – براي فولاد آلياژ بالا با پركننده آستنتيك.

ساختار ريز مواد گاهي در حين جوشكاري به شدت تغيير مي‌کند كه اين تغييرات باعث تغييرات اساسي در توزيع تنش‌هاي پسماند طولي مي‌گردد. به اين تغييرات ساختاري در اصطلاح، فاز دگرگوني مي‌گويند. در شكل 3-2 منحني‌هاي انبساط حرارتي براي حالت عادي و حالت مواد با تغييرات ساختاري رسم گرديده است] 25[.

(ب‌) (الف)
شكل 3-2 منحني خصوصيات انبساطي] 25[:
الف – براي فولاد عادي.
ب – براي فولاد با ساختار تغييريافته.

بر اساس پژوهشهاي انجامگرفته در سال 1991، پهناي ناحيه تغييرشکل مومسان در فرآيند جوشكاري به عوامل گوناگوني بستگي دارد كه عبارتند از] 26[:
– خواص مواد
– عوامل مؤثر در جوشكاري
– سختي سازه
در مورد دسته اول بايد گفت كه مهم‌ترين خاصيتهاي مواد عبارتند از:
– تنش تسليم (y?)
– ضريب كشساني (E)
– ضريب انبساط حرارتي (?)
با ثابت بودن E، ? و y? هرچه بزرگ‌تر باشد، ناحيه تغيير شكل مومسان باريک‌تر خواهد بود و در حالتي که y? ثابت باشد با افزايش E و ? ناحيه تغييرشکل مومسان پهنتر ميشود.
طبق پژوهشهاي انجامشده، در مورد دسته دوم نيز بايد گفت كه مهم‌ترين عوامل جوشكاري عبارتند از:
– گرماي ورود در هر واحد (qw)
– سرعت جوشكاري (V)
طي فرآيند جوشكاري مقدار qw بالاتر سبب ايجاد ناحيهي تغييرشکل مومسان وسيعتري خواهد گرديد. همچنين افزايش سرعت جوش درqw ثابت، باعث كاهش پهناي ناحيه تغييرشكل مومسان خواهد شد]27[.

شكل 3-3 نمايش سه بعدي از توزيع تنش‌هاي پسماند طولي ناشي از جوشكاري] 27[.

در شكل 3-3 نمايش سه بعدي از توزيع تنش‌هاي طولي نشان داده‌شده است. اين تصوير براي درك بهتر و جامعتر حالت تنش‌هاي حاصل از فرآيند جوشكاري كمك ميكند. براي اجسام دو يا سه بعدي كه در قسمت كوچكي از آن‌ها بارگذاري شده است، هرچه از محل بارگذاري دور مي‌شود مقادير كرنش و تنش كاهش مييابد. چنين امري در مورد تنش‌هاي پسماند نيز صادق است و مي‌توان آن را با مراجعه به شكل 3-3 به خوبي مشاهده كرد.

ب) الف)
شكل 3-4 تأثير طول نمونه جوشكاري] 27[:
الف – توزيع تنش‌هاي پسماند طولي.
ب – توزيع بيشينه تنش‌هاي طولي.

طول نمونه نيز در توزيع تنش‌هاي طولي تأثير دارد. اين تأثير در شكل 3-4 تصوير شده است. در اين نمودارها داده‌ها از جوشكاري صفحه‌اي با ضخامت 25 ميليمتر به وسيله جوشكاري با قوس الكتريكي غوطه‌ور دوپاسه، به دست آمده‌اند. البته اين داده‌ها را نمي‌توان به عنوان مرجع در برآورد عوامل جوشكاري بكار برد. در اين حالت نمودارها از ابتدا تا انتهاي فاصله‌اي كه تنش‌هاي پسماند طولي به بيش‌ترين مقدار خود مي‌رسند، به پهناي ناحيه تغيير شكل مومسان نزديك است] 28[.
به طور خلاصه مي‌توان نتيجه گرفت شكل نمودار در شكل 3-4- ب به سه عامل خواص مواد، عوامل موثر در جوشكاري و سختي سازه، بستگي دارد.
در شكل 3-4- الف به وضوح مي‌توان ديد که با طي مسافتي از دو انتهاي جوش، تنش‌هاي پسماند طولي شروع به رشد مي‌کنند و در منطقه مركزي جوش تنش‌هاي كششي بالا هستند. همچنين از اين تصوير مي‌توان دريافت كه قله تنش‌ها در منطقه مركزي، با افزايش طول جوش افزايش مي‌يابد. با توجه به اين واقعيت بايد افزود كه براي داشتن يك آزمايش با نتايج قابل‌اعتنا احتياج به يك نمونه با طول 450 ميليمتر است تا تنش‌هاي پسماند كششي بزرگي در جهت طولي ايجاد كند. در پايان بايد افزود كه براي جوش‌هاي با طول بلندتر از 450 ميليمتر تنش‌هاي پسماند طولي ايجادشده در ناحيه مركزي جوش، همسان خواهد گرديد]29[.

3-3 تنش‌هاي پسماند عرضي ناشي از جوشكاري
طبق پژوهشهاي انجامشده، بعد از عمليات جوشكاري و پس از اينكه صفحات جوش داده‌شده سرد شدند، مواد دچار کوتاهشدگي طولي و عرضي ميگردند. در اثر اين کوتاهشدگي، تنش‌هاي پسماند عرضي در سازه رخ ميدهند. مقدار و نحوه توزيع تنشهاي عرضي به عوامل مختلفي وابسته است. مهم‌ترين اين عوامل عبارت‌اند از: ابعاد صفحات، سرعت جوشکاري و شرايط گيرداري صفحات (گيرههاي جوشکاري).
اگر صفحات در شرايط آزاد و رها جوشكاري شوند، آنگاه تنش‌هاي عرضي خيلي بزرگ نخواهند شد. منظور از شرايط آزاد عدم استفاده از گيرههاي اضافي است كه براي جلوگيري از كوتاهشدگي طولي و عرضي مورد استفاده قرار ميگيرند. بيش‌ترين مقادير تنشهاي عرضي در نزديکي خط جوش به وجود مي‌آيند. مقدار اين تنشها در دو انتهاي خط جوش به صورت فشاري و در وسط خط جوش کششي هستند. از نظر عددي مقادير تنشهاي فشاري دو انتهاي خط جوش از مقدار تنشهاي کششي وسط خط جوش بيشتر است] 30[.
بر اساس آزمايشهاي انجام‌شده، اگر يك جوشكاري سريع و آني را در بين دو صفحه انجام شود و سپس در شرايط آزاد و بدون استفاده از محدوديت‌هاي عرضي اجازه سرد شدن را به آن داده شود، آنگاه يك بخش شكافدار در ميان و در امتداد طول جوش پديد مي‌آيد. با توجه به كوتاهشدگي ناحيه‌‍ تغييرشكل مومسان در راستاي طولي در اين حالت، تنش‌هاي عرضي فشاري توليد خواهند شد. در ضمن چنين امري باعث خواهد شد كه لبه انتهايي صفحه كش آمده و شروع به خم شدن كند. در اين حالت نيز، در لبه صفحه شاهد شکل‌گيري تنش‌هاي عرضي فشاري خواهيم بود و با نزديك شدن به ميانه خط جوش اين تنش‌ها تبديل به كششي خواهند شد] 31[.
اگر عمليات جوشكاري در صفحات به صورت آرام صورت گيرد، آنگاه در حين جوشكاري شاهد خواهيم بود كه لبه‌هاي صفحات در قسمت چپ و راست خط جوش، به سمت يكديگر حركت مي‌کنند. يعني در واقع شاهد يك كوتاهشدگي عرضي خواهيم بود.
حال اگر اين جوشكاري سريع و آني را در صفحات نازك و كوتاه انجام دهيم، آنگاه در حين سرد شدن صفحات، لبههاي آن‌ها به سمت يكديگر حركت مي‌کنند. اين كوتاهشدگي طولي سعي مي‌کند تا صفحات را در سطح رويي خم كند كه در صورت استفاده از شرايط محدودکننده، تنش‌هاي پسماند عرضي در امتداد خط جوش پديد مي‌آيند. تنها فرق اين حالت با حالت جوشكاري در صفحات طويل اين است كه، در صفحات طويل شاهد صفر شدن تنش‌هاي عرضي با دور شدن از لبه صفحه خواهيم بود ولي در صفحات كوتاه، تنش‌هاي عرضي در تمام طول خط جوش وجود خواهند داشت. معمولاً در دو انتهاي خط جوش شاهد تنش‌هاي فشاري عرضي خواهيم بود و در ميانه صفحه، تنش‌هاي كششي عرضي خواهيم داشت. اين حالت در شكل 3-5- ب نشان داده‌شده است.
مقدار اين تنشها با افزايش ابعاد صفحات در جهت موازي جوش تغيير مينمايد. به نحوي که مقادير تنشهاي کششي کاهش مييابد و به صفر شدن ميل مينمايند. ولي مقادير تنشهاي فشاري دو انتهاي خط جوش تغيير محسوسي ندارند] 32[.
اگر سرعت جوش به اندازه كافي آرام باشد، آنگاه قسمتهاي جوش داده‌شده از فاصله نه چندان دور در پشت قوس جوش فرصت سرد شدن خواهند داشت. در چنين حالتي انتهاي خط جوش تنش‌هاي كششي را تجربه خواهد كرد و هرچه به قسمتهاي مياني نزديك ميشويم اين تنشها تبديل به فشاري خواهند شد. اين حالت توزيع تنش‌هاي عرضي كاملاً عكس حالت جوشكاري با سرعت نسبي بالاتر است.

شكل 3-5 تنش‌هاي پسماند عرضي ناشي از جوشكاري يك پاسه] 32[:
الف – جوش با سرعت نسبي کم در يک صفحه طويل.
ب – جوش با سرعت

دسته بندی : No category

دیدگاهتان را بنویسید