تحقيق تخمين تنش پمساند با استفاده از روش هاي غير مخرب و ارتباط آن با پروسه‌ هاي توليد در انواع مختلف جوشكاري

مقدمه

طي چند دهه گذشته تنش هاي پسماند در ظروف فشار دار و كاربردهاي ساختماني و خطوط انتقال گاز و نفت و در ساختارها و قطعات فلزي و … مورد توجه قرار گرفته است. از سوي پيشرفت هايي كه امروز در ارزيابي يكپارچه ساختارها و ساختمانها در ارتباط با قطعات جوش صورت پذيرفته است. خواستار اطلاعات دقيق تري دربارة حالت تنش پسماند مي باشد. تنش هاي پسماند در اثر عدم هماهنگي در شكل طبيعي بين نواحي مختلف در يك قطعه حاصل مي شود به خصوص در جوشكاري تنش هاي پسماند مورد توجه قرار مي گيرند. تنش هاي پسماند مي توانند بسته به علامت، اندازه و توزيع شان با توجه به تنش هاي اعمالي، تعيين كننده باشند.

ارزيابي تنش پسماند يك ابزار مهمي نيز براي كنترل فرآيند، كنترل كيفي، ارزيابي طراحي و آناليز نقص مي باشد. چون اين تنش ها مي توانند پيامدهاي مهمي روي عمكلرد اجزاء و قطعات مهندسي داشته باشند و همچنين تأثير زيادي روي خوردگي، مقاومت شكست، خزش و … دارا مي‌باشند. لذا كاهش و كم كردن اين تنش ها مطلوب مي باشد. از اين رو تنش هاي پسماند در اتصالات جوشكاري شده عمدتاً توسط عمليات حرارتي يا توسط تنش مكانيكي كاهش مي يابد.

– روش هاي متفاوتي براي اندازه گيري يا تخمين تنش پسماند براساس اندازه گيري دقيق يا با استفاده از تكنيك هاي عددي وجود دارد. اندازه گيريها مي توانند از نوع مخرب مانند (سوراخكاري)  يا غير مخرب مانند اشعه x، يا تفرق نوتروني و فراصوتي باشند. و تفرق نوتروني اساساً يك تكنيك برجسته براي پي بردن به تنش پسماند به صورت غير مخرب در درون قطعات مهندسي در سه بعد و در حجم هاي كوچك مي باشد.

در اين پروژه به تخمين تنش پمساند با استفاده از روش هاي غير مخرب و ارتباط آن با پروسه‌هاي توليد در انواع مختلف جوشكاري فولاد مي پردازيم.

– جوشكاري ذاتاً باعث بروز توليد ترك هايي در محل جوش مي شوند، اندازه و محل اين تركها را مي توان به عنوان يك معيار در تعيين عمر جوشكاري مورد استفاده قرار داد. تنش هايي كه مي توانند باعث رشد ترك خوردگي شوند به تنش هاي بيروني محدود نمي شوند. به عنوان نمونه مي توان گفت كه تنش هاي پسماند در داخل و اطراف ناحيه جوش به عنوان يك پيامد از فرآيند جوش، توليد مي شود. بنابراين اين موضوع براي دانستن اندازه و علامت تنش پمساند در ناحيه جوش مهم خواهد بود. و اين بحث خصوصاً در جوشهاي با مقطع ضخيم كه داراي يك تنش 3 بعدي است جالب توجه مي باشد. در اينجا به بحث در مورد استفاده از اسكن كردن كششي نوتروني براي فراهم آوردن اسكن هاي 3 بعدي ضخيم مربوط به نمونه هاي فولادي جوشكاري شده و جوشكاري نشده خواهيم پرداخت.

– دراين پروژه به بررسي تنش پسماند در لوله هاي فولادي 9Cr-1Mo اشاره خواهد شد كه جوشكاري مربوط به اين فولادها در صنايع نفت و برق كاربرد گسترده اي دارند. از سويي در فرآيندهاي توليد مانند جوشكاري تنش پسماند مي تواند منجر به شكست در قططعات فولادي شود. لذا براي بهبود ميزان سختي و براي حذف تنش پسماند بعد از جوشكاري ، جوشكاري فولاد Cr-Mo بايستي تحت عمليات حرارتي پس از جوشكاري قرار بگيرد. جوشكاري ذوبي يك فرآيند اتصالي است كه در ساخت كشتي، پل هاي فولادي، مخازن فشار و غيره مورد استفاده قرار مي گيرد. مزيت اين جوشكاري به عنوان يك فرآيند اتصال دهنده عبارتست از : كاري زياد اتصال ، انعطاف پذيري و هزينه كم توليد. جوشكاري ذوبي هرچند داراي ويژگي هاي زيادي در صنعت است اما مي تواند خواص مواد را تغيير داده و باعث خمش، انقباض و تنش پسماند در اتصال شود. لذا يك عمليات حرارتي پس از جوش به طور گسترده براي كاهش تنش پسماند ناشي از جوشكاري توصيه مي شود. از سويي تنش هاي پسماند تأثير بسزايي بر روي تعيين شكل جوش، استحكام خستگي، تافنس شكست و… دارند بنابراين ارزيابي و درك تنش هاي پسماند ناشي از جوشكاري مهم مي باشد.

روش هاي زيادي براي ارزيابي توزي تنش پسماند وجود دارد. روش هاي آزمايشي شامل پراش اشعه x ،تحليل فراصوتي، ايجاد سوراخ و برش است. روش هاي عددي كه تحليل هاي مفصل‌تري از تنش هاي پسماند ناشي از جوشكاري را ارائه مي كند. در طول سه دهه گذشته به علت پيشرفت رايانه ها، تكنيك هاي عددي گسترش قابل توجهي يافته است. در اين پروژه  به بررسي تنش هاي پسماند پس از جوشكاري و پس از يك عمليات حرارتي، پس از جوش به وسيله روش المان محدود اشاره خواهد شد.

از طرفي افزايش احتمال شكست و كاهش استحكام در قطعات دو اثري اند كه تنش هاي پسماند باعث بروز آنها مي شوند. لذا به منظور ايجاد يك طراحي مطمئن، ما بايستي يك روش مناسبي را پيدا كنيم كه به واسطه آن بتوان به پيش بيني هاي مربوط به اندازه و توزيع تنش پسماند دسترسي پيدا كرد. يك استفاده گسترده از پيش بيني تنش پسماند در جوشكاري، روش المان محدود مي باشد. اگرچه پيش بيني تنش هاي پسماند حين جوشكاري، با استفاده از روش المان محدود مي تواند يك روش اقتصادي و دقيق تري نسبت به روش هاي آزمايشي مانند پراش نوتروني، اشعه x و تحليل فراصوتي باشد ولي پيچيدگي هايي هم در هنگام شبيه سازي فرآيند جوشكاري با استفاده از روش المان محدود وجود دارد. براي مثال روش هاي ابعادي دو بعدي (2D) و سه بعدي (3D) روش‌هايي‌اند كه براي رسيدن به دقت مطلوب بايستي مورد استفاده قرار گيرند و اين پروژه به بحث و بررسي در مورد آنها خواهيم پرداخت.

– مواد فلزي هنگام جوشكاري با مواد مشابه و غيرمشابه مي توانند باعث ايجاد تنش پسماند گردند. گسترش اين نوع از تنش داخلي اغلب مي تواند تحت تأثير كشش دائمي غيرسازگاري حاصل از عملكردهاي مكانيكي و حرارتي مربوط به جوشكاري و تغيير شكل پلاستيكي واقع گردد. چنين عملكردهايي مي تواند منجر به شكل گيري عيب هاي شبكه اي شامل جابجايي و حفره سازي شوند. چون تكنيك PAS (يك روش غيرمخرب براي تعيين عيوب در فلزات و آلياژها مي باشد.) ثابت كرده است كه قادر است، تنش هاي پسماند را در نورد كاري سرد تعيين كند و به صورت پلاستيكي فولادهاي ضد زنگ مارتنزيتي را تغيير شكل دهد. لذا در اينجا از تكنيك PAS براي مشخص كردن تنش هاي پسماند در نمونه هاي جوشكاري شده شامل فولادهاي ضد زنگ مارتنزيتي و يا آستينيتي استفاده شده است. در اينجا به مشخص كردن تنش پسماند در نمونه هاي جوشكاري در فولادهاي آلياژي از نوع L304 و 823- EP توسط تكنيك PAS پرداخته خواهد شد، جوشكاري تلاطمي اصطكاكي، يك متود اتصال جامد است به همراه 5 فاز عمليات كه در كل فرآيند صورت مي گيرد. دوره غوطه وري، دوره ته نشيني ، دوره جوشكاري ثابت، دوره ته نشيني ثانويه و دوره رهايي. اين تكنيك اتصال فلز از جوشكاري اصطكاكي منشاء مي گيرد. از آنجايي كه بالاتري دما در فرآيند (FSW) كمتر از دماي ذوب ماده در قطعه كار مي باشد. لذا بزرگترين مزيت اين روش : تعيين ميكروساختارهاي نرم بدون شكاف يا تغيير شكل كم و بدون كاهش عناصر آلياژي مي باشد. هر چند FSW يك تكنولوژي جديد جوشكاري مي باشد اما در جوامع آكادميك و صنعتي براي اغلب آلياژهاي آلومينيوم مورد استفاده قرار مي گيرد. بررسي ها نشان مي دهد كه فرآيند FSW در آلياژهاي آلومينيوم جوشكاريهايي با كيفيت بالا و هزينه پايين را تأييد مي كند در نتيجه بهترين عملكرد ساختاري يك ديگر از مزاياي اين روش مي باشد. كه در اين پروژه به بررسي تعيين عددي تنش پسماند در جوشكاري FSW (جوشكاري تلاطمي اصطكاكي)و استفاده از مدل سه بعدي پرداخته مي شود و هم چنين شبيه سازي عددي دماي اتصال و تحليل ترمو، مكانيكي غير خطي سه بعدي با آناليز المان محدود و تحليل تنش پسماند در جوشكاري (FSW) را مورد مطالعه قرار مي دهد.

– تنش هاي پسماند در ساختارها و قطعات فلزي يك پيامد طبيعي از تكنولوژي توليد مانند : قالب گيري، نورد جوشكاري و … مي باشند. تنش پسماند تنش در ماده بدون هيچ گونه بارگذاري حرارتي يا مكانيكي بيروني مي باشد و حوزه هاي تنش پسماند همواره در يك قطعه يا ساختار مي‌باشد.

سطح تنش پسماند داخلي در ورقه فولادي نورد گرم شده اخيراً به عنوان يك پارامتر كيفي مهم، تشخيص داده شده است. اگر اين مورد، دقت نشود مشكلاتي را به واسطه دانستيه گراديان ، مربوط به تنش پسماند ايجاد مي كند، براي مثال، برشهاي طولي به صورت منحني در آمده و شكل‌هاي برش تغيير مي كند و جوش ها تغيير شكل مي يابند. حتي كم شدن مقاومت به خوردگي در لوله هاي جوشكاري شده، تحت اثر تنش پسماند در ورقه فولادي مي‌باشند. كه اين موارد در اين پروژه مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد.

در طول زمان جوشكاري غالباً تنش هاي پسماند منجر به ايجاد خساراتي در قطعه مي شوند كه اين امر باعث بروز مشكلاتي در تجهيزات نيروگاهي مي شود از آن جمله به ترك خوردگي ناشي از خوردگي تنشي (SCC) مي توان اشاره كرد. به منظور جلوگيري از خوردگي SCC در فولاد ضد زنگ، توجه به خواص ماده و تنش پسماند در جوشكاري ضروري مي باشد. علاوه بر اين توجه بيشتر به ماده و محيط يك ارزيابي مؤثر از تنش پسماند در جوشكاري را ضروري مي كند. در حالت كلي، حوزه تنش پسماند جوش به چندين عامل اصلي شامل، خواص ماده، ابعاد ساختاري و شرايط محدود كننده بيروني و پارامترهاي فرآيند جوشكاري مانند حرارت ورودي تعداد پاس هاي جوش، توالي جوشكاري، درجه حرارت پيش گرم و درجه حرارت بين پاس جوش بستگي دارد هنگامي كه يك مدل عددي براي پيش بيني دقيق تنش پسماند جوش استفاده مي شود، درجه حرارت و يا رفتار مكانيكي مانند كار سختي بايستي به دقت محاسبه شود. روش المان محدود (FEM) يك ابزار آناليز عددي قوي مفيد مي باشد. از اين روش مي توان براي شبيه سازي درجه حرارت جوش، تنش پسماند و تغيير شكل جوش، بهره برد.

در اين پروژه ما از هر دو آناليز عددي و تجربي براي تحقيق در مورد درجه حرارت و توزيع تنش پسماند جوش در لوله هايي از جنس فولاد ضد زنگ با ديواره اي با ضخامت متوسط، استفاده مي نماييم. در ابتدا آزمايش هايي براي مشخص كردن تنش پسماند در لوله فولادي ضد زنگ304 SuS  انجام مي شود و سپس تحليل المان محدود دو بعدي براي شبيه سازي درجه حرارت و تنش پسماند انجام خواهد گرفت و در نهايت تأثير استحكام نهايي فلز جوش روي تنش پسماند توسط شبيه سازي عددي انجام خواهد شد.

از جمله روش هاي كاهش تنش پسماند كوبيدن ليزري مي باشد. اصولاً كوبكاري ليزري يك تكنيك عمليات سطحي است كه از لحاظ مكانيكي فعاليتي دو طرفه محسوب مي شود. انرژي مربوط به كوبكاري ليزري يك پالسي خيلي بزرگتر از ساچمه پاشي مي باشد. اين تكنيك به عنوان يك روش جلوگيري در برابر ترك خوردگي و خوردگي تنشي (SCC) در نيروگاهها مي باشد. در اين پروژه اصول مربوط به  كوبكاري ليزري كه باعث بهبود اثرات تنش پسماند در هنگام بكارگيري كوبكاري ليزري براي ايجاد محدوده هاي جوش و اتصالات جوشكاري شده مي شود پرداخته خواهد شد و در پايان روش هايي براي كاهش تنش پسماند در جوشكاري پيشنهاد مي شود.