كمينه سازي اعوجاج در اتصال نامتجانس جوشي فولاد كربني
CK4(1.1005) به فولاد زنگنزن AISI409(1.4512) به روش المان محدود

ميرجواد ميرنجد گرامي*1، اسلام رنجبر نوده2، مهدي فرجپور3
مربي، دانشكده فني، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تهران شرق، تهران، ايران
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تهران شرق، باشگاه پژوهشگران جوان، تهران، ايران
مربي، دانشكده فني، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد تهران شرق، تهران، ايران
* jmgerami@alum.sharif.edu
(تاريخ دريافت: 29/04/91، تاريخ پذيرش:07/10/91)

چكيده
درپژوهش حاضر بر اساس يك مدل اجزاء محدود صحه گذاري شده، ابتدا تاثير متغيرهاي طول، ضـخامت، شـدت جريـان، تجـانساتصال، توالي و مدت زمان تقيد، بر ميزان تغييرشكل پسماند در اتصال نامتجانس جوشـي بـين فـولاد كربنـي CK4(1.1005) و فـولادزنگ نزن (AISI409(1.4512 بررسي و سپس ميزان اعوجاج جوش در اتصال مذكور با لحاظ كردن زمان تقيد، شدت جريان وتوالي مورد استفاده، كمينه گرديد. نتايج نشان داد كه در اتصال نامتجانس مورد بررسي، حداقل اعوجاج پسـماند ز مـاني روي مـي دهـد كـهشدت جريان 95 آمپر، توالي متقارن و زمان تقيد در فيكسچر، 120 ثانيه مورد استفاده قرار گيرند.

واژه هاي كليدي:
اتصال نامتجانس، اعوجاج جوشي، طول جوش، شدت جريان جوشكاري، توالي جوشكاري

1- مقدمه
بع د از فرآين د جوش كاري ب ه دلي ل توزي ع غيريكنواخ ت دم ا، تنش ها و تغييرشكلهاي پسماند در فلز جوشـكاري شـده توسـعهمي يابند كه مي توانند باعث ايجاد يا تسريع شكست تـرد، كـاهشعمر خسـتگي و خـوردگي تنشـي گردنـد [1]. اتصـالات غيـرهمجنس به اتصالاتي گفته مي شوند كه بين دو ماده با تفاوت عمـدهخواص شيميايي يا متالورژيكي برقرار گردد. اين اتصال مي توانـدبين دو فلز متفـاوت يـا اتصـال دو فلـز همجـنس بـا فلـز پركننـدهغيرهمجنس برقـرار گـردد. هنگـام اتصـال فلـزات نامتجـانس بـه وسيله فرايندهاي جوشكاري ذوبي مانند TIG يا جوشكاري ليزر، آلياژسازي بين دو فلـز پايـه و فلـز پركننـده (اگـر اسـتفاده شـود) مسأله قابل توجه و مهمي است. فلز جـوش حاصـل مـي توانـد درحين سرويس دهي بعد اتصال، رفتاري كاملاً متفاوت با يك يا هر دو فلز پايه از خود نشان دهد. بنابراين طراحـي متـالورژيكي ايـناتصالات و فرايند جوشكاري فلزات و آلياژهاي نامتجانس امـريدشـ وار و پيچيـ ده اسـ ت [2]. تخمـ ين و ارزيـ ابي تـ نش هـ ا و تغييرشكلهاي پسماند جوشي همواره از موضوعات مـورد توجـهمحققين بوده است [3]. بنـابراين مدلسـازي رياضـي و روشهـايعددي مانند FEM جهت پيش بيني ميدان تنشي و كرنشي حين و بعداز جوشكاري بـه طـور عمـده اي موردتوجـه قـرار گرفتـه انـد .
144781197328

فصلنامه فرآيندهايمهندسي سال هفتم
تنش ها و تغيير شـكل پسـماند جوشـي بـه عوامـل مختلفـي ماننـدجنس قطعه كار (خواص ترموفيزيكي و مكانيكي)، هندسه قطعـهكار، انرژي جوش (سرعت، ولتـا ژ و جريـان )، ترتيـب جـوش هـا(توالي) بستگي دارد. در زمينه بررسي تجربي و شبيه سـازي تـأثيرپارامتره اي جوش كاري ب ر ت نش ه ا و تغييرش كله اي پس ماند جوشي تاكنون پژوهش هاي بسـياري انجـام شـده اسـت. Teng و همكــاران [4] تــأثير پارامترهــاي ســرعت، انــدازه نمونــه، مهــارخارجي، و پيش گرم را روي تنش پسماند در اتصال جوشـي سـر به سر فولاد SAE1020 بررسي كردند. آنان جهت شبيه سـازي ازنرم افزار اجزاء محدود ANSYS استفاده نمودند. بـه عنـوان مثـالآنان دريافتند كه افزايش طول نمونه باعث كاهش تـنش پسـماندمـي گـردد . Teng و همكـاران در پژوهش ي ديگـر [5] اثـر ت واليجوش بر تنش پسماند را مطالعه كردند. آنان با مقايسه سه حالـتپيش رونده، يك گام به عقب و متقارن دريافتند كه روش متقارن به دليل كاهش نيروهاي مهاري روي جوش، داراي حداقل تـنشپسماند خواهـد بـود. لازم بـه ذكـر اسـت كـه بحـث شـبيه سـ ازي ت نشه ا و تغييرش كله ا در اتص الات غي رهمجنس نس بت ب هاتصالات هم جنس، بحث نوپايي است كه به برخي پژوهش هـايانجام شده اشاره مي شود. Katsareas و همكـاران [6] بـه بررسـيتجربي و اجزا محدود تنش هاي پسماند اتصال جوشي بين فـولادزنگ نزن 316L و كربني A508 پرداختند. با توجه به اينكه آنـاندو لول ه را ب ـه يك ديگر متص ـل ك رده بودن ـد، بن ابراين جه تساده سـازي فراينـد از مـدل 2 بعـدي بـا تقـارن محـوري اسـتفادهنمودند. آنان جهت مدل سازي افزايش فلز پركننده به درزجـوشاز تكنيك تولد و مرگ المان بهره بردنـد . Sahin وهمكـار ان [7] با استفاده از تكنيك اجزاء محـدود، تـنش هـاي پسـماند ناشـي ازاتصال لحيم سخت فولاد به برنج را شبيه سازي نمودند. نتايج آنان ميزان تنش پسماند بالاتري را در بخش فولادي اتصـال نشـان دادكه دليل آن تنش تسليم بالاتر اين ماده بـود . Lee و همكـاران [8] به بررسي تنش هاي پسماند اتصالات هم جـنس و غيـرهم جـنسبين فولادهاي ساختماني بـا اسـتحكام تسـليم مختلـف پرداختنـد.
آنان دريافتند كه در اتصالات هم جنس با افـزايش تـنش تسـليم،حــداكثر تــنش پســماند افــزايش مــي يابــد و نيــز در اتصــالاتغيرهمجنس، تنش پسماند فولاد با استحكام بيشتر بـالاتر اسـت واين اختلاف با افـزايش اخـتلاف تـنش تسـليم فولادهـاي متصـلشـ ونده، افـ زايش مـ ي يابـ د. Nadimi و همكـ اران [9] اتصـ ال غيرهمجنس 304L به A36 با فلـز پركننـده309L را شـبيه سـازينمودند. نتايج آنان نيز نشان داد كه توزيع تنش در ايـن اتصـالاتنامتقارن بوده و در سمت با استحكام بالاتر، بيشتر است. Tsirkas وهمك اران [10] ت نشه ا و تغييرش كله اي پس ماند جوش ي در اتصالات سر بـه سـر بـه روش ليـزر را بررسـي نمودنـد. آنـان درآزمايشهاي عملي خود از فولاد كشتي سـازي AH36 و جهـتش بيه س ازي از روش اج زاء مح دود و ن رم اف زار SYSWELD اس تفاده كردن د. از اه م نت ايج آن ان م ي ت وان ب ه ت اثير س رعت جوشكاري بر ميزان تغيير شكل پسماند جوشـكاري اشـاره كـرد.
بررسي نشان داد كه با افـزايش سـه برابـري سـرعت جوشـكاري،تغيير شكل پسماند بيش از 5 برابر مي شود.
با توجه به اهميت تغيير شكلهاي پسـماند جوشـي و اينكـه طبـقاطـ لاع نويسـ ندگان در مـ ورد تـ أثير پارامترهـ اي جوشـ ي بـ ر تغييرشكل هاي پسماند اتصالات غيـرهمجنس و كمينـه سـازي آنكارشاخصي صورت نگرفته است، بنابراين درپژوهش حاضـر بـراساس يك مدل اجزاء محـدود صـحه گـذاري شـده [11] ، تـأثيرپارامترهاي طول، ضخامت، تجانس، شدت جريان، توالي و زمان تقيد بر تغيير شكل پسماند مورد بررسـي قـرار گرفـت وسـپس بـاتوجه به نتايج حاصل ميزان تغيير شكل جوشي كمينه گرديد.

2- مواد و روش تحقيق
2-1- جزئيات رياضي مدل
هندس ه م دل، م ش مورداس تفاده و ش رايط م ـرزي حرارت ـي ومك انيكي مورداس تفاده در ش كل ش ماره (1) آم ده اس ت. ابع اد مورداســ تفاده در ايــ ن پــــژوهش بــ ه دو صــ ورت نمونــــه
اعوجاج نامتجانس

بلند: 450×80×2 ميلي متـر و نمونـه كوتـاه 225×80×2 ميلـي متـرمي باشد. بهدليل شيب حرارتي شديد در نزديكـي منبـع حرارتـي،مناطق نزديك منبـع بـا مـش ريـز و منـاطق دورتـر بـا مـش بنـديدرشت المان بندي شـدند . مـش مورداسـتفاده در تحليـل تـنش بـامش حرارتـي يكسـان بـود. در فراينـد شـبيه سـازي از المـان هـاي مكعب ي 70SOLID و SOLID45 ب ه ترتيـ ب جه ت تحلي ـلحرارتي و مكانيكي استفاده گرديد. تعداد المـانهـا و گـره هـا درمدل نمونه بلند به ترتيب 11340 المان و 14105 گره و در نمونـهكوتاه 5670 المان و 7130 گره بـود. لازم بـه ذكـر اسـت كـه درتحليل 3 بعدي از المانهـاي سـطحي SURF152 جهـت اعمـالشار حرارتي وCONTAC52 به عنوان شـرايط مـرزي مكـانيكيمورد استفاده واقع شدند.

الف
(

)

الف

(

)

(ب)

(پ)

شكل (1): (الف) هندسه مدل (ب) شرايط مرزي و(پ) ومش بندي.

-3809196566

زنـگ نـزن…
ميزان انرژي ورودي جوشQ طبـق رابطـهV ) Q=ηVI ولتـاژ، η راندمان قوس و I شدت جريان) محاسبه و به صـورت يـك منبـعحرارتي گاوسي اعمال شد. معادله اساسي حرارتي مطـابق معادلـه1 ميباشد:

1
گرم اي وي ژه، C ρ ه دايت حرارت ي، K دم اي كل وين، Tك ه نرخ توليد حرارت داخلي در واحد حجم(كـه بـرايQ دانسيته و مثال حاضر صفر است) مي باشند. شرايط اوليـه، شـرايط مـرزي و منبع حرارتي گاوسي در معادلات2، 3و4 آمده است.
T x, y, z, 0 27 2
266700-35208

3 0∞(4) qr كه Ny ،Nx و Nz به ترتيب كسينوس هاي جهتي نرمال هاي مـرزب وده وh ض ريب همرف ت، qs ش ار حرارت ي، ∞T دم اي مح يط مي باشند. در معادله 4 ، r فاصله از خط مركز جـوش وσ پـارامترتوزيع گاوسي است. معادلات مكانيكي مطابق ذيـل در دو دسـتهموردتوجه قرار گرفت:
(الف) معادلات تعادل
,0 (5)

كه ,σ تنسور تنش و bi نيروي حجمي است.
(ب) معادلات پيوستگي براي يك ماده ترموالاستو- پلاستيك
(6)
ك ه معي ار م اده م وردنظر ف ون مي زر و ق انون س خت ش وندگي همسانگرد دو خطي در نظر گرفته شد. رابطـه تـنش و كـرنش بـهطبق معادلات 7و8 مي باشند:
(7)
8
كــه D مــاتريس ســختي الاســتيك، D مــاتريس ســختيپلاستيك وC ماتريس سختي حرارتـي،dσ نمـو تـنش وdε نمو كرنش وdT نمـو درجـه حـرارت اسـت [5]. از آنجـايي كـهتحليل ترموالاستوپلاستيك يك مسأله غيرخطـي اسـت، محاسـبهافزايشـي (incremental) مورداس تفاده ق رار گرف ت. در مطالع ه حاضر، افزايش تنش به وسيله روش نيوتن- رافسون بدست آمـد.
خواص مواد مورداستفاده در اشكال (2) و (3) آمده اسـت . بـرايh يعن ي ض ريب همرف ت مق ادير متف اوتي از 5-25 اش اره شـده است. اندازه گيري دقيق اين مقدار بسيار سخت است چرا كه تابعپارامترهاي زيادي مانند سـرعت حركـت سـيال و كيفيـت سـطحاست. در مطالعه حاضر ايـن مقـدار برابـر25w/m2.k فـرض شـد[12]. پارامتر مهم و تأثيرگذار ديگر، جريان سيال درون حوضچهجوش است كـه جهـت بـه حسـاب آوردن آن، ضـريب هـدايت حرارتي فولاد زنگ نزن بالاي نقطـه ذوب، در 3 ضـرب گرديـد [13]. اين پديده در فولاد كربني چندان مهم نيسـت [14]. فراينـددر مدت زمانl ) tw=l/v طول نمونه وv سرعت جوشكاري) بـهاضافه مدتي جهت سردشـدن در قيـد و سـپس رسـيدن تـا دمـايمحيط، مورد تحليل حرارتي قرار گرفت. نتايج تحليل حرارتي بهعنوان بار حجمـي(body force) بـه المـان هـاي مـدل مكـانيكياعمال گرديد. در حـين و بعـد از جوشـكاري مـدل مورداسـتفادهمقيد گرديد تا از حركت جسم صلب جلوگيري شود.

(ب)
شكل (2): الف) خواص مكانيكي و (ب) خواص فيزيكي فولاد
.[11] CK4(1.1005)
لازم به ذكر است كه از روش كوپـل غيرمسـتقيم در ايـن تحليـلاستفاده شد و از پلاستيسيته ناشي از اسـتحاله فـازي حالـت جامـدچشم پوشي شد. سپس تنش ها و تغييرشكلهـاي پسـماند بـه ازايمقادير مخالف طول، ضخامت، شدت جريان، توالي، زمان تقيـد،شبيه سازي و با موارد اتصال متجانس مقايسه گرديدند. در نهايـتبراي نمونه با طول بلند، با توجه به شدت جريـان، تـوالي و زمـانماندگاري در قيد، ميزان كمينه اعوجاج جوشي بوسيله شبيه سازي بدست آمد.

(ب)
شكل (3): (الف) خواص مكانيكي و (ب) خواص فيزيكي فولاد
.[11] AISI409(1.4512)

2-2- صحه گذاري مدل مورد استفاده صحه گذاري مدل مورد اسـتفاده قـبلا انجـام گرديـده اسـت و دراين پژوهش از نتايج پژوهش [11] استفاده شده است.
صرفاً جهت اطلاع، در جدول (1) تركيب شـيميايي فلـزات پايـهمورداس تفاده، ارائ ه ش ده اس ت. نامگ ذاري نمون ه ه ا ب ر اس اس پارامترهاي مورد استفاده در جدول (2) آمده است. لازم به ذكـراست كه منظور از توالي در جدول (2) آن است كه كـل جـوشبه چه شكل تكميل مي شود. اين امر مي تواند به 3 روش پيشرونده (حركت از ابتدا تـا انتهـاي ورق)، متقـارن (حركـت از وسـط بـهكناره هاي ورق) و يا يك گام به عقب (حركت از وسط بـه انتهـاو سپس از ابتدا به وسط ورق) صورت گيرد. سرعت جوشـكاري و ولتاژ در تمام نمونهها به ترتيب 3.56 ميليمتر بر ثانيه و 13 ولت و روش جوشكاري مورد استفاده GTAW بود.

جدول (1): تركيب شيميايي فلزات پايه مورداستفاده
فولاد C Si Mn Ni Cr Ti
AISI409(1.4512) 0.015 0.59 0.27 0.13 11.28 0.17
CK4(1.1005) 0.025 0.013 0.19 0.04 0.01 –

جدول (2): نحوه نامگذاري نمونهها
نمونه طول
(ميليمتر) ضخامت
(ميليمتر) شدت
جريان (آمپر) توالي نوع اتصال
120LPD 450 2 120 پيشرونده نامتجانس
120SPD 225 2 120 پيشرونده نامتجانس
150Thick 225 3 150 پيشرونده نامتجانس
150Thin 225 2 150 پيشرونده نامتجانس
105LPD 450 2 105 پيشرونده نامتجانس
135LPD 450 2 135 پيشرونده نامتجانس
95LPD 450 2 95 پيشرونده نامتجانس
95LSD 450 2 95 متقارن نامتجانس
120SS SS 225 2 120 پيشرونده متجانس
120CS CS 225 2 120 پيشرونده متجانس
120SBD 225 2 120 يك گام
به عقب نامتجانس
120SSD 225 2 120 متقارن نامتجانس

25148197328

اعوجاجنامتجانسزنـگ نـزن …
3- نتايج و بحث
3-1- صحه گذاري مدل مورد استفاده
جهت حصول به اطمينان بيشتر از نتايج شبيه سازي، علاوه بر نتايج پژوهش [11]، ميزان اعوجاج در چند نمونه از اتصالات متجـانسو نامتجانس به طور تجربـي انـدازه گيـري و بـا نتـايج شـبيه سـازيمقايســه شــدند . ميــزان اعوجــاج در 5 نقطــه متفــاوت بوســيلهارتفاع سنج روميزي به دست آمد و حداكثر اين مقادير تجربي، با مقادير پيشبيني شده مقايسه شدند (جدول 3).

جدول (3): مقايسه ميزان اعوجاجات پسماند تجربي و نتايج شبيه سازي
نمونه حداكثر تاب تجربي (mm) حداكثر تاب تئوري (mm)
105LPD 18/52 17/8
120SPD 4/1 4/43
120LPD 24/5 22

3-2- تاثير هندسه
اولين نكته اي كه در نتايج شبيه سازي مـورد توجـه قـرار گرفـت، تاثير عدم تجانس بر ميـزان اعوجـاج اسـت. در شـكل (4) توزيـعمي زان اعوج اج ب ر جابج ايي در جه تY ك ه مه م ت رين ج ز جابجايي است، ارائـه شـده اسـت. همـان طوريكـه در ايـن شـكلمشاهده مي شود، ميزان جابجـايي بـراي فـولاد زنـگ نـزن بيشـتراست. اين فولاد به دليل هدايت حرارت كمتر، دمـاي بي شـتري راحين جوشكاري تجربه مي كند و به دليل ضريب انبساط حرارتـيبيشتر و تنش تسليم كمتر، بيشتر دچار اعوجاج ميگردد.

شكل (4): توزيع جايجايي در جهت Y نمونه 120SPD در وسط ورق.
تأثير طول ورق مـورد اتصـال، بـا شـبيه سـازي تغييـر شـكلهـايجوشــــي در دو طــــول متفــــاوت 225 و 450 ميلــــيمتــــريبررسي گرديد، كه در شكل (5) ميزان اعوجاج جوشـي دو نمونـه120SPD و 120LPD مقايسه شده است. همانگونه كه مشـاهدهميگردد، ميزان افزايش اعوجاج ناشي از 2 برابر شدن طول، بيشاز 5 برابر ميباشد. دليل اين پديده رامي توان در اختلاف صـلبيتايــن دو ســازه جســتجو كــرد. مــيتــوان صــلبيت را معيــاري ازمشخص ات س ازه مع رف ك رد ك ه مقاوم ت آن را ب ه خم ش وكمانش نشان مـي دهـد . صـلبيت بـر خـلاف مـدول يانـگ، يـكخاصيت ذاتي ماده نيست بلكه علاوه بر خـواص مـواد بـه هندسـهآن نيز بستگي دارد. بهعنوان مثال اگر الماني تحت كشش يا فشارباشد ميزان صلابت آن بهصورت معادله9 تعريف ميشود : نكته بعدي اثر ضخامت ورق بـر توزيـع تغييرشـكلهـاي پسـماندجوشي است. جهت بررسي اين امر در شدت جريان 150آمپـر وسرعت 56/3 ميليمتـر بـر ثانيـه، ميـزان تغييـر شـكل شـبيه سـازيگرديد كه در شكل (6) آمده است. بـا افـزايش ضـخامت مقـدار صلبيت ورق افزايش مي يابد و همين امر سبب مي گردد كه سـازهمقاومت بيشتري بـه خمـش و تغييـر شـكل از خـود نشـان دهـد وبنابراين مقدار تغييرشكل كاهش يافته است. همانگونه كه ديـدهمي شود با افزايش ضخامت از 2 به 3 ميليمتر، ميزان تغييـر شـكلاز 7/6 به3/0ميليمتر كاهش يافتـه اسـت. در ضـخامت پـايين بـهدليل صلبيت كم، هر دو فولاد اعوجـاج تقريبـاً يكسـاني از خـودنش ان م ي دهن د، ام ا در ض خامت ب الا(3 ميل يمت ر) اث ر تف اوت استحكام تسليم به خوبي نمايان مـي شـود و فـولاد زنـگ نـزن بـه
3468624149907

(9) K = AEL = t×WL×E دليل استحكام تسليم پايين تر، بيشتر دچار اعوجاج مـي گـردد كـهاين امر در شكل (6) ديده ميشود.

اعوجاج نامتجانس
3-3- تاثير شدت جريان
در جدول (4) ميزان حداكثر تغيير شـكل پسـماند در نمونـه هـايمختلف بر حسب شدت جريان آورده شده اسـت. همانگونـه كـهمشاهده ميشود با افزايش شدت جريان بـه دليـل افـزايش ميـزانحرارت ورودي، ميزان تغيير شكل پسـماند افـزايش يافتـه اسـت. بنابراين منطقي است كه حداقل اعوجاج در حداقل شدت جريان لازم جهت حصول به نفوذ كامل مشاهده خواهد شد. اين حداقل ميزان شدت جريان مطابق شكل7 حـدود 95 آمپـر بدسـت آمـد.
نتيجه شـبيه سـازي بـا ايـن حـداقل شـدت جريـان، نشـان داد كـهمي توان ميزان اعوجاج جوشي را از 73/23 ميليمتـر(بـراي شـدتجريان 135 آمپر) تا حدود 8/6 ميلي متر كاهش داد (شكل8).
جدول (4): تأثير شدت جريان بر حداكثر اعوجاج.
شدت جريان(آمپر) 105 120 135
تاب(ميليمتر) 17/8 22 23/73

شكل (7): رابطه شدت جريان و عمق نفوذ.
زنـگ نـزن…

Stainless

s
teel
Carbon st
e
el



قیمت: تومان


پاسخ دهید