وبلاگ مهندسی مکانیک (جوشکاری و قالبسازی)

مقالات جوشکاری ، تعاریف جوشکاری ، نرم افزار های جوشکاری ، مهندسی ، تخصصی ، تاریخچه جوشکاری ، فیلم های جوشکاری

اتصالات جوشی وتنشهای پسماند جوشی
نویسنده : حسین وطن دوست - ساعت ۳:٥٩ ‎ب.ظ روز دوشنبه ۱٤ اردیبهشت ۱۳۸۸
 

مقدمه:

مبحث تنش‌زدایی در مورد اتصالات جوشی از اهمیت زیادی برخوردار است و عموم مباحث ارائه گردیده در فصلهای بعد در مورد تنش‌زدایی اتصالات جوشی می‌باشد، لذا لازم است قبل از وارد شدن به مبحث تنش‌زدایی این اتصالات ، اطلاعاتی راجع به انواع اتصالات جوشی و همچنین راجع به نحوه ایجاد تنش پسماند در اتصالات جوشی داده شود.

انواع اتصالات جوشی:

جوشکاری فنی است که توسط آن قطعات فلزی عمدتاً از طریق ذوب موضعی بین آنها (به کمک مواد مصرفی یا بدون استفاده از آنها) به یکدیگر متصل شده و عمدتاً قطعه واحدی را ایجاد می‌کنند .


جوشکاری با توجه به شکل سازه‌ای که از اتصال این قطعات بدست می‌آید می‌تواند به شکل‌های مختلف صورت بگیرد .

 قطعات کار به علت تنوع در سازه هایی که جوشکاری می شوند، به حالتهای مختلفی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند و جوشکاری می‌شوند. مهمترین این حالات مطابق شکل زیر است:

1- اتصال لب به لب (But welding) : در این حالت لبه‌های قطعه کار به حالت صاف یا پخ زده به طور مستقیم در مقابل هم قرار می‌گیرند. نوع پخ یا انحنای آن بستگی به روش جوشکاری و شرایط کار و ضخامت قطعه دارد :

    در شرایطی که ضخامت قطعه در حد نفوذ جوشکاری باشد نیازی به پخ زدن نمی‌باشد و مطابق شکل a1 جوشکاری بدون نیاز به پخ‌ زدن صورت می‌گیرد.

     اگر ضخامت قطعه بالاتر از حدی باشد که جوش بتواند نفوذ بکند لازم می‌گردد که مانند شکلb1 پخ v شکل زده شود . در ضخامتهای بالاتر از پخهای x و v دو طرفه نیز استفاده می‌شود و از چند پاس جوشکاری با توجه به ضخامت قطعه کار استفاده می‌گردد.

 

 

شکل 1- انواع مختلف اتصال لب به لب(Butt Joint)[1]

2- اتصال لب روی هم یا لب برلب (Lap Joint) : در این حالت ورقها بر روی هم قرار گرفته و جوشکاری بر روی لبه‌ها صورت می‌گیرد که به یکی از حالتهای شکل 2 صورت می‌گیرد .

 

 

شکل 2 – انواع مختلف اتصال لب بر لب (Lap Joint)[1]

تفاوتی که حالتهای مختلف شکل 2 دارند در نسبت طول به عرض جوش (over lap ratio) است که هر چه این نسبت بیشتر باشد تمرکز تنش کمتر خواهد بود و از نظر مقاومت مصالحی شرایط بهتری خواهد داشت . در بعضی مواقع مانند شکل d1 انحنای سطح جوش را بعلت اینکه انحنای سطح آن موجب تمرکز تنش می‌گردد، با سنگ زدن حذف می کنند.

3- اتصال T شکل : در این نوع اتصال همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است یکی از ورقها به طور عمود یا با زاویه بر روی ورق دیگر قرار می‌گیرد و عموماً دو پاشنه آن جوش می‌خورد. در اینجا نیز با توجه به شکل و ضخامت ورق و روش جوشکاری ممکن است قطعه‌ها بدون پخ باشند (شکل a3) یا از هر دو طرف پخ خورده باشند (شکل b3) و یا تنها از یک سمت پخ خورده باشند (شکل c3).

 

 

شکل 3 – انواع مختلف اتصال T شکل[1]

4- اتصال نبشی (Fillet weld) : در این حالت دو قطعه با زاویه در کنار هم قرار می‌گیرند (شکل 4). در اینجا قطعات می‌توانند به صورت ساده یا پخ زده باشند که در شکل انواع مختلف آن نشان داده شده است.

 

 

شکل 4 – انواع مختلف اتصال نبشی[1]

 

نحوه تشکیل تنش پسماند کششی در جوش

تنش پسماند تنشی است که بر اثر انجام عملیات خاصی در جسم باقی می‌مانند و در حالی که جسم تحت هیچ بارگذاری خارجی نیست نیز وجود دارد. طبیعت تنش پسماند به گونه ای است که در مقابل هر تنش کششی تنش فشاری نیز باید وجود داشته باشد ، به گونه‌ای که جسم در حالت تعادل باقی بماند که به این حالت، حالت خود تعادلی می گویند.

علت اینکه شناسایی چنین تنشهایی برای ما مهم است این است که وقتی جسم تحت تنش خارجی قرار می‌گیرد، این تنش خارجی به تنش پسماند موجود افزوده می‌شود. پس اگر در منطقه‌ای تنش پسماند کششی داشته باشیم و بارگذاری ما نیز تنش کششی باشد سطح تنش در آن منطقه بالاتر از آنچه که تنها با لحاظ تنش کششی خارجی بدست می‌آید خواهد بود. لذا در صورتی که تنش کششی پسماند داخلی را در نظر نگیریم و قطعه را تنها براساس تنش اعمالی خارجی طراحی می‌کنیم ممکن است در اثر تنش‌های پسماند خارجی تنش در قطعه از حد تسلیم آن بالاتر رفته و باعث شکست آن گردد.

یکی از فرایندهایی که باعث ایجاد تنش پسماند در سازه‌ها می‌گردد جوشکاری است که به علت گرم و سرد شدنهای متوالی جوش و مناطق نزدیک جوش و عدم امکان جابجایی در بعضی جهات،  تنشهای پسماند داخلی در جوش و مناطق مجاور آن بوجود می آید.

مقدار انبساط و تغییر شکل جسم در مقابل گرما متناسب با درجه حرارت می‌باشد . اصولاً با افزایش درجه حرارت تا نقطه ذوب فلز شاهد انبساط در آنها خواهیم بود. حال هنگامی‌ که در نقطه‌ای از جسم درجه حرارت به طور موضعی افزایش یابد دراطراف آن یک شیب حرارتی بوجود می‌آید که می‌خواهد باعث تغییر شکل و انبساط نقطه‌ای که دمای آن افزایش پیدا کرده است بشود ، ولی از اطراف توسط فلزی که این نقطه را احاطه کرده‌اند و میل به تغییر شکل ندارند با تغییر شکل این نقطه مقابله می‌شود ، لذا مناطق نزدیک این نقطه تحت تنش فشاری قرار می‌گیرند و در صورتی که تنش فشاری موجود از حد تسلیم بیشتر شود باعث تغییر شکل پلاستیک این منطقه می‌شود. در حین سرد شدن منطقه‌ای که گرم شده بود شاهد انقباض موضعی خواهیم بود که باعث ایجاد تنش کششی در مجاورت این نقطه در حد تنش تسلیم فلز خواهد بود.

حال اگر بخواهیم تشکیل تنش پسماند در جوش را توضیح بدهیم ابتدا مدل زیر را در نظر می‌گیریم.

سه میله 1و2و3 را در نظر بگیرید که توسط صفحات صلب 4 و5 از دو طرف محدود شده‌اند(شکل 5). با گرم‌ شدن میله 2 اگر دمای آن به اندازه ∆T افزایش یابد این میله در حالت آزاد به اندازه αlΔT  افزایش طول پیدا می کند ولی میله‌های 1و3 چون تغییر دمایی نداشته‌اند در مقابل تغییر طول مقاومت می‌کنند، لذا تنشی در آنها القا می‌شود که کششی است و عکس‌العمل این تنش به میله 2 وارد می‌شود که تنش فشاری است لذا به این ترتیب با گرم‌ شدن میله دو در میله‌های 1و3 تنش کششی و در میله 2 تنش فشاری خواهیم داشت.

 

 

 

شکل 5-  ایجاد تنش پسماند در اثر تغییر دما و قید صلبیت

 

در جوش نیز چنین حالتی را خواهیم داشت . البته در بحث راجع به تنشهای تسلیم جوش به این نکته نیز باید توجه داشته باشیم که تنش تسلیم فولادها با افزایش درجه حرارت مطابق شکل 6 کاهش می‌یابد.

در نظر بگیرید که یک اتصال جوشی بین دو ورق بزرگ بوجود آمده و در منطقه‌ای نواری شکل در فاصله مشخصی از مرکز جوش مورد بررسی می‌باشد (شکل 6) فرض می‌شود که نوار مورد بررسی در جهت طولی خود کاملاً مهار شده و تغییر شکلی در این جهت ندارد. قبل از گرم کردن، نوار فاقد تنش بوده و وضعیت آن با نقطه A در شکل 6  نشان داده شده است. در حین گرم کردن، این نوار  متمایل به انبساط بوده و لیکن توسط محیط (فلز) اطراف خود که درجه حرارت پایین‌تری دارد از انبساط آن ممانعت می شود و در نتیجه تحت تاثیر تنشهای فشاری قرار می‌گیرد. تغییر شکل در نوار در ابتدا الاستیک بوده و با افزایش درجه حرارت افزایش یافته و در درجه حرارت T1 تغییر شکل پلاستیکی شروع می‌شود(مسیر ABC) . با افزایش درجه حرارت میزان تنش تسلیم جسم کاهش یافته و تغییر شکل پلاستیکی نوار افزایش می‌یابد (مسیر CDE). چنانچه T2 حداکثر درجه حرارتی باشد که در نوار اعمال می‌شود، تغییر شکل پلاستیکی فشاری تا نقطه E ادامه خواهد یافت. در هنگام سرد شدن، نوار مورد بررسی تمایل به انقباض داشته که منجر به کاهش سطح تنشها در آن می‌شود. کاهش سطح تنشها در این حالت منجر به تغییر شکل الاستیکی (مشابه باربرداری در نمونه‌های تحت آزمایش کشش) شده که با توجه به درجه حرارت نوار، مطابق مسیرEF ادامه خواهد داشت. در درجه حرارت T3 (نقطه G) سطح تنشها در نوار در سطح تنش تسلیم فلز در این درجه حرارت خواهد شد. با کاهش بیشتر درجه حرارت ، تنش تسلیم (و در نتیجه سطح تنش‌ها در نوار) افزایش یافته و تغییر شکل پلاستیکی (کششی) در نوار بوجود می‌آید (مسیر GH). نتیجتاً اینکه سیکل حرارتی فوق‌الذکر منجر به ایجاد تنشهای پسماندی در سطح تنش تسلیم فلز در نوار فوق‌الذکر خواهد شد. با استفاده از مدل فوق الذکر می‌توان سطح تنش پسماند جوشی را در نقاط مختلف اطراف منطقه جوش بدست آورد.

چنانچه درجه حرارت حاصله در نقطه بررسی پایین‌تر از T1 باشد، تنها تغییر شکل الاستیکی در آن نقطه بوجود می‌آید. برای فولادهای جوشی این درجه حرارت بین 300-150 درجه سانتیگراد می‌باشد. در درجه حرارت بین T1 و T4 سطح تنشهای پسماند پایین‌تر از تنش تسلیم جسم بوده و چنانچه درجه حرارت نقطه مورد بررسی از T4 بیشتر شود، تنشهای پسماند در سطح تنش تسلیم فلز خواهد بود.

 

 

شکل 6 –مدل ساده ای برای تخمین تنشهای پسماند جوشی در حوالی منطقه جوش[7]

 

از بررسی فوق‌الذکر نتیجه می‌شود که تنشهای پسماند جوشی در جهت موازی با جهت جوش (Longitudinal) در فلز جوش و نواحی نزدیک به آن از نوع کششی و در حد تنش تسلیم فلز بوده و با افزایش فاصله از مرکز جوش سطح این تنش‌ها کاهش می‌یابد . به جهت اصل خود تعادلی برای اینگونه تنشها ، لزوماً باید تنشهای فشاری نیز جهت بالانس کردن آنها در مناطق مجاور بوجود آیند. شکل 7 تشکیل تنشهای جوشی طولی را در مقاطع مختلف یک اتصال جوشی در حین جوشکاری نشان می‌دهد. در شکل 7 حوضچه مذاب جوش با سرعت v به سمت جلو حرکت کرده و در نقطه O بسر می‌برد . در مقطع A-A ، که در جلوی حوضچه جوش قرار دارد، هنوز تغییرات عمده درجه حرارت صورت نگرفته و بنابراین تنشهای جوشی مربوطه صفر می‌باشند. در مقطع B-B (از میان حوضچه) ، قطعه کار دارای شدیدترین شیب حرارتی بوده و درجه حرارت در مرکز حوضچه جوش ماکزیمم می‌باشد. در مقطع C-C در پشت حوضچه مذاب جوش، به واسطه سرد شدن و کاهش نسبی درجه حرارت ، از شیب حرارتی کاسته شده و بالاخره در مقطع D-D که به حد کافی از محل حوضچه جوش دور می‌باشد، سرد شدن کامل بوقوع پیوسته و درجه حرارت آن برابر با درجه حرارت عمومی قطعه کار شده است.

تنشهای جوشی در مقطع B-B و در محل حوضچه جوش ، به دلیل اینکه مذاب نمی‌تواند نیروی کششی را تحمل کند، برابر صفر می‌باشد. در این مقطع و در نزدیکی حوضچه جوش ، تنشهای جوشی از نوع فشاری بوده که با فاصله گرفتن از محل جوش کاهش یافته و به تدریج تنشهای کششی به جهت بالانس کردن آنها توسعه می‌یابند درجه حرارت و در نتیجه تغییر شکلهای حرارتی در مقطع بالا بوده ولی به علت پایین بودن تنش تسلیم جسم، سطح تنشهای جوشی نیز پایین می‌باشد. در مقطع C-C ، که حوضچه مذاب منجمد شده و فلز اطراف نیز تا حدی سرد شده است، فلز جوش و اطراف آن تا حدی منقبض شده که با توجه به ممانعت فلز اطراف آن، تنشهای کششی در این منطقه توسعه یافته‌اند. در مرکز جوش این تنشها در سطح تنش تسلیم جسم در درجه حرارت مربوطه بوده و در فواصل دورتر ، تنشهای فشاری جهت بالانس کردن تنشهای کششی توسعه یافته‌اند. در مقطع D-D تنشهای جوشی در منطقه جوش و اطراف نزدیک به آن از نوع کششی و در حد تنش تسلیم فلز در درجه حرارت محیط بوده و سطح این تنشها با افزایش فاصله از مرکز جوش به سرعت کاهش یافته و به سمت تشکیل تنشهای فشاری جهت بالانس کردن تنشهای کششی میل می‌کند.

 

 

شکل 7 –تغییرات درجه حرارت وتنشهای پسماند جوشی در حین جوشکاری [7]

 

همانگونه که ملاحظه می‌شود ، تشکیل تنشهای جوشی ناشی از کرنش‌های حرارتی بوده که بواسطه گرم و سرد شدن موضعی و غیریکنواخت در محل حوضچه جوش و اطراف آن و ممانعت محیط (فلز) اطراف ایجاد می‌شوند . این کرنشها در منطقه جوش و مجاور نزدیک آن ، کرنش پلاستیکی بوده که هم در حین گرم شدن و هم در حین سرد شدن بوجود می‌آیند. منطقه‌ای که در آن کرنشهای حرارتی ایجاد می‌شود کم یا بیش توسط محیط (فلز) اطراف خود مهار یا ممانعت (Restraint) می‌شود. چنانچه قطعه کار آزاد بوده و به قطعات دیگر متصل نباشد ، این نوع مهار از نوع مهار اولیه ( Primary restraint ) بوده چنانچه قطعه کار بنوبه خود به قطعات دیگر متصل باشد ، درجه مهار بالاتر بوده و مهار ثانویه (Secondary  restraint ) نیز در شکل‌گیری تنشهای پسماند دخیل خواهد بود . بنابراین سطح و توزیع تنشهای پسماند جوشی بستگی به مهار اولیه (ناشی از نوع اتصال جوشی ) و مهار ثانویه ( ناشی از ابعاد کلی قطعه و نحوه درگیری آن ) دارد . برای تنشهای پسماند طولی ( Longitudinal  residual  stresses ) مهار اولیه قویاً تعیین کننده بوده و مهار ثانویه اثر کمی دارد . بنابراین صرفنظر از اینکه ابعاد کلی قطعه کار و نگهداری آن به چه صورت باشد می‌توان برای تخمین سطح و توزیع تنشهای پسماند طولی در اتصالات ورقی جوشی از شکل 8 استفاده نمود.

لازم به توضیح است که در قسمتهای ابتدایی وانتهایی یک جوش طولی تنشهای پسماند طولی به سرعت کاهش یافته و به صفر می‌رسند. به عنوان یک قاعده سرانگشتی می‌توان اظهار نمود که تنشهای طولی در یک جوش از فاصله 150mm دو سر جوش شروع به کاهش نموده و در دو انتها به صفر می‌رسند . چنانچه طول جوشی بیش از 300mm  باشد در وسط آن سطح تنشهای پسماند جوشی در حد تنش تسلیم فلز خواهد بود. یک اتصال جوشی در جهت عرضی ( عمود بر جهت جوشکاری ) نیز منقبض شده (Transverse  shrinkage) که منجر به ایجاد تنشهای پسماند عرضی (Transverse residual shrinkage ) می‌شود . اصول ایجاد این تنشها نظیر تنشهای طولی بوده با این تفاوت که مهار اولیه در شکل‌گیری آنها کمتر مؤثر بوده و مهار ثانویه مهم می‌باشد . در شکل 8 سطح و توزیع تنشهای عرضی بطور شماتیک نشان داده شده است . در قسمت میانی جوش ، تنشها از نوع کششی بوده و در قسمتهای انتهایی تنشهای فشاری به جهت بالانس کردن تنشهای کششی ایجاد شده‌اند . حداکثر سطح تنشهای عرضی به واسطه مهار اولیه در حدود 25%  میزان تنش تسلیم فلز می‌باشد . چنانچه قطعه کار در جهت عرضی مهار شده باشد ، ممانعت ثانویه ایجاد شده که بسته به درجه مهار منجر به افزایش سطح این تنشها می‌شود .

 

 

(تنشهای پسماند عرضی،Ds به علت مهار ثانویه)                              (تنشهای پسماند طولی در جهت x )

شکل8- تنشهای پسماند طولی وعرضی در یک ورق با جوش لب به لب[7]

 

تنشهای پسماند جوشی همچنین می‌توانند در جهت ضخامت نیز به وجود آیند . در مقاطع نازک (کمتر از 30mm ) سطح این تنشها در جهت ضخامت ناچیز و قابل صرفنظر کردن می‌باشد ، لیکن برای مقاطع ضخیم‌تر سطح این تنشها می‌تواند در سطح تنش تسلیم فلز بوده و توزیع پیچیده‌ای همراه داشته باشد . بنابراین ، بطور کلی تنشهای پسماند جوشی ، کم یا بیش سه بعدی بوده ، به ویژه اینکه اتصال جوشی در سه جهت عمود به هم مهار شده باشد .

تنشهای پسماند جوشی معمولاً روی خواص استحکامی استاتیکی قطعه و یا شکست پلاستیکی (Plastic  Collapse) آن اثر قابل توجهی نداشته و لیکن چنانچه خواص سمجی جوش پایین باشد ، امکان ترک خوردگی وجود داشته و این تنشها می‌توانند به تنهایی باعث شکست موضعی یا کامل قطعه شوند . بی‌مناسبت نخواهد بود چنانچه اشاره شود که در بعضی از سوانح بزرگ در سازه‌های جوشی ( ریزش کامل پلهای فلزی و یا دونیم شدن کشتیهای تولید شده با اتصالات جوشی )‌ تنشهای پسماند جوشی مهمترین عامل سانحه بوده‌اند. تنشهای پسماند (‌طولی)‌ جوشی در اتصالات نازک فلزی می‌توانند منجر به کمانش پوسته (Buclkling) سازه شوند. تنشهای پسماند جوشی همچنین می‌توانند موجب کاهش خواص استحکام و خستگی اتصالات مربوطه شده و در این رابطه بهتر است که طول مسیر جوش حداقل بوده و اتصال جوشی طوری طراحی شود که در محلهای دور از محلهای مرکز تنش و یا حتی‌المقدور در محلهایی با تنشهای فشاری قرار گیرد .

 بطور خلاصه می‌توان از عوامل زیر به عنوان مهمترین عوامل در تشکیل تنشهای پسماند جوشی نام برد .

1- حرارت دادن موضعی و غیر همگون

2-  تغییر شکل ( کرنش ) حرارتی

3-  وابستگی تنش تسلیم  فلز به درجه حرارت

4-  درجه مهار یا ممانعت قطعه کار  

 


 
comment نظرات ()