شبيهسازي ريزساختار منطقه متأثر از حرارت (HAZ) و پروفيل دمايي در
جوشكاري GTAW فولاد زنگنزن 316

عليرضا محموديان1، يعقوب يعقوبينژاد2
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد سيرجان
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي واحد سيرجان
Ali_reza_mahmoudian@yahoo.com

چكيده
در تحقيق حاضر، تحولات ريزساختار ي منطقه متأثر از حرارت1 (HAZ) و فلز جوش نمونههاي جوشكاري GTAW فولاد زنگنزن 316 بـا اسـتفاده ازپروفيل دمايي بهدست آمده از يك مدل انتقال حرارت و جريان سيال مناسب، مورد بررسي قرار گرفـت . بـا توجـه بـهميـزان حـرارت ورودي اعمـالي، حداكثر اندازه دانه در منطقه متأثر از حرارت در محدوده دو تا چهار برابر اندازه دانه فلز پايه تغيير كرد. بررسي ريزساختار در فلز جـوش نـشان داد كـهدو پارامتر گراديان دمايي و سرعت سرمايش اثر مهمي در پيشبيني مورفولوژي انجماد و اندازه دانه فلز جوش دارند.

واژههاي كليدي:
رشد دانه، فولاد زنگنزن 316، منطقه متأثر از حرارت، پروفيل حرارتي، .GTAW

مقدمه
حرارت ورودي جوشكاري، شديداً روي ريزساختار منطقه متـأثر از حرارت فولادها تأثير مي گذارد. بهويژه اين كه حرارت ورودي جوشكاري، رشد دانه در منطقه نزديك خـط ذوب 2 را بـه مقـدارزيادي افزايش ميدهـد . از طرفـي سـاختار دانـههـا بـر اسـتحكام،چقرمگ ي، انعط افپ ذيري و مقاوم ت خ وردگي آلياژه ا ت أثير ميگـذارد [1]. از ايـنرو درك صـحيح اثـرات حـرارت وروديجوشكاري بر ريزساختار و خواص نمونـههـاي ج وشـك اري شـدهاهميت خود را نشان ميدهد. با توجه بهاين كه انجـام آزمايـشاتتجربي مستلزم هزينه و زمـان زيـادي مـيباشـد، ارائـه يـك مـدلعددي مناسب بهمنظور مـشخص كـردن اثـرات حـرارت وروديجوشكاري تا حد زيادي ميتواند در كاهش هزينه و زمان، مـؤثر واقع گردد . در دهـه اخيـر پيـشرفتهـ اي قابـل تـوجهي در زمينـه
شبيهسازي ريزساختار منطقه متأثر از حرارت بهدست آمده اسـت . اس ترلينگ3 [2 و 3]، مع ادلاتي در زمين ه محاس به ريزس اختار و سختي منطقه متأثر از حرارت جوش فولادهاي ميكروآلياژي، بـراساس آناليز فازي ارائه كردهاست. اخيراً روش مونت كارلو برايشبيهسازي رشد دانهHAZ جوشهـا بـهصـورت دو بعـدي و سـهبعدي بهكار برده شده است[1 و 7-4].
در ارتباط با رشد دانه در HAZ نمونههاي جوشكاري شده توجه بهدو نكته مهم حائز اهميت است. نخـست ايـنكـه HAZ، تحـتتأثير سيكل هاي حرارتي با سرعت گرمايش و سرمايش زياد قراردارد. از آنجاييكه رشد دانه شديداً وابسته بهدمـا اسـت، بنـابراينتح ول س اختار دان ه در HAZ، ب همق دار زي ادي ب ا رش د دان ه ايزوترمال4 فلزات و آلياژها متفاوت ميباشد. نكته دوم كـه شـايدمهمتر هم باشد اين اسـت كـه گراديـانهـاي دمـايي شـديدي درHAZ، وجود دارد كه ميتواند بر تحرك اتمي تأثير بگذارد[8].
محاسبه پروفيل حرارتي درHAZ و فلز جوش، نخـستين گـام درمدلسـازي ريزسـاختار اسـت. در ضـمن جوشـكاري فلـز مـذابسريعاً در حوضچه جوش تحت تأثير نيروهاي حاكم بر حوضـچهجوش سيركوله شده و اغلب، جابجـايي نخـستين مكـانيزم انتقـالحــرارت اســت [4]. وســعت HAZ، بــا موقعيــت جــوش تغييــر ميكند[9] و اين مورد تنها بهكمـك محاسـبه سـه بعـدي جريـانسيال و حرارت ميتواند شبيهسازي شود.
در تحقيق حاضر كه در دانشگاه آزاد اسـلامي واحـد سـيرجان ازبهار 87 شروع و طي دوره يكساله بهاتمام رسيده است، اندازه دانه
در HAZ نمون هه اي جوش كاري ش ده ب هروش GTAW ف ولاد زنگنزن 316، محاسبه شد و با نتايج شبيهسازي مقايـسه گرديـد.
از يك مـدل انتقـال حـرارت و جريـان سـيال سـه بعـدي مناسـب [12-10]، بـ راي محاسـ به پروفيـ ل دمـ ايي و ارزيـ ابي كيفـ ي ريزساختار در فلز جوش استفاده شده است. سپس از پروفيلهـايحرارتي بهدست آمـده در يـك مـدل آمـاري بـراي شـبيهسـازيساختار دانه در HAZ، استفاده شد.

روش تحقيق
2-1- مدلسازي رياضي
معادلات حاكم و شرايط مرزي مسأله بهصورت زير بيان مي شود:
الف) معادلات حاكم
در حوضچه جوش، جريان سيال نيوتني و آرام5 فـرض مـيشـود .
بنابراين سيركو لاسـيون فلـز مـايع در حوضـچه جـوش مـيتوانـد بهوسيله معادله مومنتوم بهصورت زير بيان شود[11]: (1) ρ(V.∇)V=Fb −∇P+μ∇2V كه نيروي حجمي به صورت زير بيان ميشود[11]:
Fb = Femf − Fb

Femf = J×BFb =ρ. . .gβΔT (4)
كهρ دانسيته ،V سرعت،Fb نيـروي شـناوري،P فـشار، μ ويسكوزيته،Femf نيروي الكترو مغنـاطيس،J دانـسيته جريـان، B ميدان مغناطيسي،g شتاب ثقل، β ضريب انبساط حرارتـيو T دما است.
ميدان الكترومغناطيس در نمونه از حل معادلات ماكسول ب هدست ميآيد[11]:

∇×B=μmJ

0 =J .∇ كه μm نفوذپذيري مغناطيسي است.
معادله پيوستگي را بهصورت زير ميتوان بيان نمود:
∇.V= 0

بهمنظور نشان دادن فصل مشترك جامد- مـايع ، آنتـالپي كلـي H بهصورت جمع گرمـاي محـسوس6 (مقـدار گرمـايي كـه صـرفتغيي ر حال ت م اده نم ي ش ود بلك ه موج ب تغيي ر دم اي م اده ميگـردد ) h و گرمـاي ذوبΔH ، يعنـيH=h+ΔH بيـانم يش ود. گرم اي مح سوس h، ب هص ورت h=∫CPdT بي ان ميشود[11]، كه CP گرماي ويژه و T دما است. مقدار گرمـايذوب ΔH بهصورت ΔH = fL.L داده ميشود كـه L گرمـايذوب است. كسر مذاب،fL ، فرض م يشود كه بهصورت خطيبا دما تغيير كند[11].
22098-11764

(8)

كه TL و TS دماي ليكوئيدوس و ساليدوس هستند. انتقال انرژي حرارت ي در قطع ه ك ار م يتوان د ب هوس يله معادل ه ان رژي بي ان شود[11]: (9) ρ.CP(V.∇T) =∇.(K∇T)+Qh

شكل (1): طرح شماتيكي حوضچه جوش كه شرايط مرزي استفاده شده در محاسبات را نشان ميدهد[11].

كه K هدايت حرارتي و CP ظرفيت حرارتـي اسـت. تـرم منبـع Qh بهصورت زير بيان ميشود[11]:
537988104620

Qh =−ρ∂Δ∂tH −ρ∇.(VΔH) ب) شرايط مرزي
يـك سي ستم كورديناسـيون ك ارتزين سـه بع دي در محاس باتاستفاده شده است، در حاليكه فقط نيمي از قطعـه كـار بـهمنظـورسهولت در انجام محاسبات در نظر گرفته شده اسـت. شـكل (1)، شمايي از شرايط مرزي را نشان ميدهـد . ايـن شـرايط مـرزي درزير بيشتر بحث ميشود.
در سطح بالايي شرط مرزي بهصورت زير داده ميشود[11]:
⎠ 2K

∂∂Tz

rb ⎛⎝ f x2rb y كه Qپتانسيل حرارتي قوس، η كارايي قوس، rb پارامتر توزيع انرژي قوس، hc ضريب جابجايي و 0T دماي اوليـه اسـت . شـرطمرزي مربوط بهسرعت بهصورت زير بيان ميشود[11]:
453390113775

μ∂∂uz =∂∂γT .∂∂Tx .fL
μ∂∂vz =∂∂γT .∂∂Ty .fL (14) 0=w كه μ ويسكوزيته است و w ،v ،u اجزا سرعت در جهـاتy ،x و z هــستند. همــانطور كــه از معــادلات (12) و (13) مــشخص ميشود، uو v از اثر ماراگوني بهدست ميآيند. معادله (14) بيان ميكند كه جرياني از مذاب بهخارج از حوضچه وجـود نـدارد وسطح حوضچه بهصورت تخت در نظر گرفته شده است.
در 0 y = و تقارن حول محور x شرايط زير برقرار است[11]:
∂∂Ty =0
V
89918-207100

0=y ∂∂ براي سطوح غير از سطحz = 0 ، داريم:
(0K∇T =−α(T −T كهα ضريب انتقال حرارت تركيبي براي شرايط مرزي تشعـشعيو هدايتي است.
محاسبات عددي بر روي نمونهاي بـا طـول و عـرض و ضـخامت بهترتيب 400، 100 و 4 ميلي متر انجام شد. تعداد المان هاي مـورداستفاده 446782 المان بود. المانبندي بـهصـورت غيريكنواخـتبهمنظور افزايش دقت در انجام محاسبات، انجام شد. المـان هـا درنزديك منبع حرارتي كوچكتر انتخاب شـدند. مبـدأ مختـصات در مركز مدل در نظر گرفته شدهاست. خـواص فيزيكـي مربـوط بهفولاد زنگ نزن 316 مورد استفاده در محاسبات در جـدول (1) آورده شده است. مرز حوضچه بـهوسـيله دمـاي سـاليدوس آليـاژتعيين شد.
براي محاسبه اندازه دانه در شبيهسازي از معادلـه اورامـي اسـتفادهشد و ثوابت سينتيكي از طريق آزمايشات تجربي بهدست آمدنـد.
در اكثر موارد رشد دانه در حين جوشكاري بهصورت رشـد دانـهنرمال است.
ب ا توج ه ب هوج ود گرادي ان دم ايي زي اد در جوش كاري ب راي محاسبه رشد دانه، سيكلهـاي حرارتـي بـهدسـت آمـده از طريـقشبيهسازي را بهبازههـاي كوچـك تقـسيم كـرده و بـدين ترتيـباندازه دانه را در هر يك از زير بازهها بهدست آورديم . بـه منظـور
اف زايش دق ت و ك اهش خط ا ب هعل ت گرادي ان دم ايي ش ديد، ب ازهه اي زم اني را 0005/0 ثاني ه در نظ ر گـرفتيم. ان دازه دان ه بهدست آمده در هر مرحله بهعنـوان انـدازه دانـه اوليـه در مرحلـه

جدول (1): خواص فيزيكي فولاد زنگنزن 316 استفاده شده در محاسبات[13 و 14].
مقدار خاصيت فيزيكي
1400 دماي ليكوئيدوس، (K)
1375 دماي ساليدوس، (K)
8×103 دانسيته فلز مذاب، (3(kg/m
0/1 ويسكوزيته مذاب، (kg/ms)
19/3 ضريب هدايت حرارتي جامد، (J/msK)
204 ضريب هدايت حرارتي مذاب، (J/msK)
500 ظرفيت حرارتي جامد، (J/kgK)
831 ظرفيت حرارتي مذاب، (J/kgK)
-0/41×103 گراديان كشش سطحي مذاب نسبت بهدما، (N/mK)
19/9 ضريب انبساط حرارتي، (µm/m.K)

جدول (2): پارامترهاي جوشكاري[16].
شماره
نمونه حرارت ورودي
(J/mm) جريان (A) ولتاژ (V) سرعت
(cm/min)
1 490 100 11/3 10
2 726 140 12/2 10
3 1069 180 13/5 10
4 717 180 13/5 15

بعدي استفاده گرديد. البته در اين حالت اندازه دانه مربوط به يك نقطه بهدست مي آيد. براي بهدست آوردن انـدازه دانـه مــتوسط، قطـعه جوش ــكاري را المانبندي ك ـرده و انــدازه دان ـه متوسط رادر هر يك از المانها بهدست آورديم.
2-2- كارهاي تجربي
با روشGTAW و بهكمك دستگاه مـدلKTW 400 (واقـع دردانشگاه آزاد اسلامي واحد سيرجان) بـر روي نمونـههـاي فـولادزنگنزن 316 آنيل شده، جوشكاري انجام شد. ضخامت نمونه ها 4 ميلي متر بوده و طول و عرض آنها بهترتيب 40 و 10 سـانتي متـردر نظر گرفتـهشـد . از گـاز آرگـون خلـوص بـالا بـهعنـوان گـازجوشكاري استفاده گرديد. فاصله بين نوك الكترود و قطعه كـاربراي همه نمونهها به اندازه 2 ميليمتر ثابـت بـوده و از الكتـرود بـاقطر 4/2 ميليمتر و زاويه نوك 50 درجه و از جـنس تنگـستن بـادو درصد توريم براي جوشكاري استفاده شد. دبي گـاز 10 ليتـربر دقيقه تنظيم گرديد. پارامترهاي جوشكاري تنظيم شده بر رويدستگاه جوشكاري در جـدول (2) آورده شـدهاسـت . بـهكمـكتكنيكهاي مرسوم پوليشكاري و اچ، بررسيهـاي متـالوگرافيبر روي نمونههاي جوشكاري شده (فلز جـوش و منطقـه متـأثر ازحرارت) انجام شد. با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبـشي(SEM) مدلTescan-VEGA- II ، پژوهـشگاه متـالورژي رازي، مورفول وژي س اختار انجم ادي فل ز ج وش م ورد ارزي ابي ق رار گرفت.
11750001635356

محلــ ول اچ مــ ورد اســ تفاده داراي تركيــ ب 3ml HNO5، ml HCl15 و ml H2O100 م يباش د. ب راي ب هدس ت آوردن پارامترهاي سينتيكي رشد دانه تعدادي نمونه فولاد زنگنزن 316 آنيل شده ، با ابعاد 4×10×20 ميليمتر را در دماهاي 400، 600، 800 و 1000 درجه سانتي گراد بهمدت زمانهاي 50، 40، 30، 20 و 10 دقيقه قرار د اده و اندازه دانه هـر يـك از نمونـههـا بـهدسـتآمد. با استفاده از فرمولRn −R0n =kt مقـاديرk وn را در ايـندماها بهدست آورده و بـراي بـهدسـت آوردنk وn در دماهـايبالاتر از برونيابي داد هها استفاده كرده و مقادير اين پارامترهـا دردماهاي بالاتر تا دماي ذوب، برونيـابي شـد. بـراي انـدازهگيـريانــدازه دانــه بــهطــور تجربــي از روش تقــاطع خطــي اســتفادهگرديد[15].

3- نتايج و بحث
جريان سـيال در حوضـچه جـوش مـيتوانـد بـر شـكل حوضـچهجوش ت أثير بگـذارد. نيروهـاي رانـش مهـم موجـود در حوضـچهجوش شامل نيروي لورنتز، نيروي شناوري، تنش برشـي ناشـي ازگراديان كشش سطحي، پلاسماي قوس و فـشار قـوس اسـت. در مي ان اي ن نيروه ا س ه ني روي ل ورنتز و ت نش برش ي اعم الي ب رحوضچه، ناشي از شـرايطي كـه γT∂∂

مثبـت اسـت و فـشار قـوسم يتوانن د عم ق حوض چه ج وش را ب ا تحري ك جري ان س يال

جدول (3): عمق و پهناي جوش بهدست آمده از طريق شبيه سازي.
نسبت عمق
بهپهنا پهناي حوضچه جوش (mm) عمق حوضچه
جوش (mm) نمونه
جوشكاري
0/5 4/8 2/4 1
0/53 6 3/18 2
0/54 7/5 3/8 3
0/52 6/2 3/2 4

بهقسمت پايين حوضچه، زياد كننـد . در مقابـل سـه نيـروي تـنشبرشي ناشي از شرايطي كـهγT ∂∂

منفـي اسـت، نيـروي شـناوري ونيروي پلاسما جت، جزء نيروهايي هستند كه با تحريـك جريـانسيال بهاطراف حوضچه، عمق حوضچه را كـاهش داده و پهنـايحوضچه را زياد ميكنند.
نت ـايج مرب وط ب ه ش كل حوض چه ج وش در ش كل (2) آورده شدهاست. با افزايش ميزان حرارت ورودي و سرعت جوشـكاريشكل حوضـچه جـوش كـشيدهتـر مـيشـود و از حالـت بيـضوي بهشكل قطره اشك تبديل مي شود. نتايج بهدست آمده نيـز چنـينروندي را نشان ميدهند.
شكل حوضچه جوش بـهوسـيله سـرعت حركـت قـوس بـر رويقطعه كـار و سـرعت از دسـت دادن حـرارت در فـصل مـشتركجامد– مايع كنترل ميشود. بهعبـارت ديگـر بـراي حفـظ شـكلثابتي در مورد حوضچه جوش، ميبايستي سرعت ذوب با سرعت انجماد از طريق كنترل سرعت حركت قـوس و نـرخ سـرد شـدنمتوازن شود، در غير ايـن صـورت، در صـورت غالـب شـدن هـر يك، شكل حوضچه تغيير ميكند. گرما توسـط گراديـان دمـاييجامد از دست داده مـي شـود. حـداكثر سـرعت انجمـاد در خـط مركزي جوش 7 مي باشد، مادامي كه اين حداكثر سرعت برابـر يـابيشتر از سرعت حركت قوس نگـه داشـته شـود، شـكل حوضـچهبدون تغيير ميماند. در صورتي كه سرعت قوس بيشتر از سـرعتحداكثر انجماد شـود، در ايـن صـورت سـرعت انجمـاد در خـطمركزي جوش نميتواند در بيشترين مقدار نگهـداري شـود و درنتيجه شكل حوضچه كـشيده مـيشـود و بـهسـمت قطـره اشـكيشكل متمايل ميشود.
مقدار عمـق و پهنـاي حوضـچه جـوش بـهدسـت آمـده از طريـق شبيهسازي در جدول (3) آورده شده است. با توجه بهجـدول (3) مشاهده مي شود كه با افزايش جريان جوشكاري عمق حوضچه ونسبت عم ق به پهنـاي جـوش افـزايش پيـدا كـردهاسـت . ايـن امـر ميتواند تأييدي بر تأثير نيروي الكترومغنـاطيس بـر عمـق جـوشباشد. نيروي الكترومغناطيس باعث حركت مذاب بهسمت پـايينحوض چه ج وش ش ده و در نتيج ه ح رارت را از منب ع حرارت ي بهسمت كف حوضچه جوش هدايت كرده و باعث افزايش نفوذم يگ ردد. در ح الي ك ه نيروه اي مخ الف در حوض چه ج وش (نيروي شناوري، تنش برشي قـوس و نيـروي كـشش سـطحي درغياب عناصر فعال سطحي) باعث افزايش پهناي حوضچه جـوشميگردند. با توجه بهاينكه با افـزايش جريـان جوشـكاري نـسبتعمق به پهناي جـوش افـزايش پيـدا كـردهاسـت، مـيتـوان نتيجـهگرفت كه نيروي الكترومغناطيس توانسته است بر سـاير نيروهـايمخالف غلبه كند و اين نسبت را افزايش دهد.
ســرعت ســرمايش در جوشــكاري اغلــب بــا زمــان لازم بــرايسرمايش از دماي 500 تا 800 درجه سانتيگراد (5−8Δt) مقايـسهميشود. استحاله اوسـتنيت بـهفريـت در ايـن محـدوده دمـايي درفولاد معمولي اتفاق ميافتد. اگر چه اين محدوده دمـايي ممكـناست بـراي سـاير آلياژهـا چنـدان مهـم نباشـد ولـي يـك پـارامترمناسبي را براي زمان سرمايش بهدست ميدهد.
بهدليل كشيدگي حوضچه جـوش، اخـتلاف بـين حـداكثر دمـايحوضچه (Tmax) و دمـاي مـرز حوضـچه (TL ) در خـط مركـزيج وش، بي شتر از خ ط ذوب اس ت. بن ابراين گرادي ان دم ايي در جهت عمود بر مرز حوضچه در خط مركزي جوش، GCL، كمتر از خط ذوب، GFL، خواهد بود. اهميـت مقـدارG و R (سـرعتسرمايش) از اين جهت است كه تركيب اين دو پارامتر بهصورت G/R وG.R در پيشبيني مورفولوژي انجماد و اندازه ريزسـاختارانجماد مؤثر ميباشد. با كاهش نسبت G/R حالت انجماد در خط

(الف)

(ب)

(ج)

(د) شكل (2): پروفيل حوضچه جوش بهدست آمده از طريق شبيهسازي
،V = 10 cm/min ،I = 140 A (ب ،V = 10 cm/min ،I = 100 A (الف
.V = 15 cm/min ،I = 180 A (و د V= 10 cm/min ،I = 180 A (ج

ف
ال

ب

ف

ال



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید