پيش بيني تنشهاي پسماند حاصل از جوشكاري قوسي لولههاي سوپرآلياژ اينكولوي۸۰۰
به روش المان محدود

حسين پورمحمد*، احمد كرمانپور**، مرتضي شمعانيان** دانشكدة مهندسي مواد، دانشگاه صنعتي اصفهان

(دريافت مقاله: ۶/۳/۱۳۸۷- دريافت نسخه نهايي: ١٩/١٢/١٣٨٨)

چكيده – در اين تحقيق نحوه توزيع گرما و تنشهاي پسمان د حاص ل از جوشكاري قوسي الكترود تنگستني (GTAW) لوله هايي از جـنس سـوپرآلياژاينكولوي۸۰۰ به صورت سربهسر به روش المان مح دود شبيهسازي ش د. بدين منظور ي ك م دل تركيبي گرمايي – مكانيكي در مقياس سهبع دي به كمـكنرمافزار المان مح دود انسيس توسعه داده ش د. براي اعمال منبع گرمايي در حين جوشكاري ي ك ك د ماكرو بر اساس م دل گلـداك در محـيط نـرمافـزاربرنامهنويسي ش د. در م دل مكانيكي كه به صورت متوالي با م دل گرمايي كوپ ل ش ده، قانون سخ تشون دگي جنبشي و معيار تسلي م فون مايززبراي تشريحرفتار سيلان ماده مورد استفاده قرار گرف ت. به منظور اعتبارسنجي م دل تركيبي حاضر، آزمونهاي تجربي اندازه گيري توزيع گرما توسط ترموكوپ ل در حين جوشكاري و نيز ان دازه گيري توزيع تنشهاي پسمان د توس ط روش كرنش سنجي سوراخ روي نمونه هاي جوشكاري ش ده انجام گرفت. تأثير متغيرهاي مختلف نظير راندمان جوشكاري و مق دار گرماي ورودي در هر پاس جوشكاري مورد بررسي قرار گرف ت. نتايج نشان داد كه در امتـداد ضـخامت لولـه، تنـشهايپسمان د محوري از داخ ل به خارج ماهيت كششي – فشاري داشته و تنشهاي پسمان د محيطي تمامﹰا ماهيت كششي دارن د. افزايش گرماي ورودي به ميزان۳۶ درص د، تنشهاي پسمان د محوري در خ ط مركزي جوش در سطح داخلي لوله را به ان دازه۱۱ درص د افزايش مي ده د. م دل تركيبي حاضر بـا دقـت قابـلقبولي قادر به تحلي ل نحوه توزيع گرما در حين جوشكاري و تنشهاي پسمان د ناشي از جوشكاري سربه سر لوله ها در مقياس سه بع دياس ت.

واژگان كليدي : شبيه سازي ع ددي، روش المان مح دود، جوش كاري قوسي، كرنشسنجي سوراخ، اين كولوي۸۰۰

Prediction of Residual Stresses in Arc Welding of Incoloy 800H Pipes

H. Purmohamad, A. Kermanpur, and M. Shamanian

Department of Materials Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran

Abstract: In this investigation, the thermal and residual stresess distributions developed during the circumferential butt gas

640084192

* – كارشناس ارشد ** – دانشيار
شهريور
tungsten arc welding (GTAW) of Incoloy 800H pipes were simulated using the finite element method. A coupled thermostructural model was developed in three dimensions using ANSYS software. A subroutine based on the Goldak model was added to the model to simulate the distribution of arc heat source. The plastic behaviour of the material was described by Von-Mises yield function and the bilinear kinematics hardening in the mechanical part of the model, which is sequentially coupled with the thermal one. In order to validate the coupled model, temperature distributions during welding and residual stresses distributions in the welded pipes were both measured using thermocouples and hole drilling method, respectively. Using this model, a process parameter study was performed for the process variables such as welding efficiency and the amount of heat input in each pass. The results showed a tension-compression distribution of the axial stresses through thickness from inside to outside surface of the pipe and a tensile distribution for the hoop stresses. Increasing the heat input by 36% increased the axial residual stresses along the weld centerline on the inner surface of pipe to 11%. The present simulation model is able to predict distributions of temperature and residual stresses during the GTAW process with a reasonable precision.

Keywords: Numerical Simulation, Finite element method, GTAW process, hole drilling method, Incoloy 800H

١- مقدمه
امـروزه از فراينـدهاي جوشـكاري بـه طـور گـسترده اي در ساخت پلها، ساختمان ها، كشتي ها، سكوهاي حفاري نفت، خطوطلوله، سفينه هاي فضايي، راكتورهاي هسته اي و مخزن هـاي فـشاربالا استفاده ميشود. بسياري از ساختارهاي پيشرفته كنوني مانندراكتهاي فضايي، زير درياييها و مخـازن راكتورهـاي هـسته اي رانمي توان بدون كاربرد تكنولوژي جوشكاري توليد كرد [۱].
در صــورت عــدم اســتفاده از فراينــد مناســب و رعايــتپارامترهاي مربوطـه، سـاختارهاي توليـد شـده عـاري از عيـبنخواهند بود . تنشهاي پسماند و اعوجاج جوشكاري تقريبا جزو مهمترين مسايلي است كه در زمينـه جوشـكاري مـورد مطالعـهقرار ميگيرد. به واسطه گرماي موضعي و سرد شدن نايكنواخت حاصل از جوشكاري، توزيع پيچيـدهاي از تنـشهاي پـسماند درناحيه اطراف اتصال ايجاد و اغلب باعث تغييرشكل و اعوجـاجنامطلوب در سازه ميشود [۲]. اين تنشهاي پسماند و اعوجـاجباعث ايجاد ترك و عدم انطباق در ساختار مـيشـوند . تنـشهايپسماند كششي بالا در نواحي نزديك جوش ممكن است منجـربه شكست ترد، خستگي و يا خوردگي تنشي شـود و از طرفـيتنشهاي پسماند فشاري و اعوجاج اوليه ممكن اسـت منجـر بـهكاهش استحكام پيچشي اجزاي ساختار شود [۱].
مقدار تنشهاي پسماند را ميتوان به وسيله عمليات گرمـاي ي بازپخـت و بـا اسـتفاده از فناوريهـاي مناسـب حـين عمليـاتجوشكاري بر مبناي كاهش حجم جـوش كـاهش داد. امـا ايـنروش گران قيمت است و اغلب به واسطه ابعاد بـزرگ قطعـاتمونتاژ شده و يا به خاطر تغييرات متالورژيكي كه نتيجه عملياتگرمايي است ، انجام نميگيرد. از اين رو پيش بيني ميزان و ميدانتنشهاي پسماند در فرايند جوشكاري براي مهندسان طراح امريضــروري و حيــاتي اســت. اســتفاده از روشــهاي تجربــي وآزمايشگاهي در اندازه گيري تنشهاي پـسماند حـداقل داراي دوعيب بارز است. اولا اين روشها عمدتا گـرانقيمـت و زمـانبـرهستند و نيازمند تجهيزات پيشرفتهاند. ثانيا برخي از اين روشـهامستلزم تخريب قطعهاند و برخي ديگر محـدود بـه قطعـات بـاهندسه سادهاند [۳]. به دلايل بالا استفاده از روشهاي شبيهسازي عددي براي پيشبيني تنشهاي پسماند گسترش يافته است. براي پيش بيني توزيع گرما و تـنش معمـولا از روش المـان محـدود۱ (FEM) استفاده ميشود. به كمك اين روش مي توان بـسياري ازپديدههاي فيزيكي مرتبط با جوشكاري را شبيه سازي كرد و اثـرمتغيرهاي مختلف جوشكاري بر اين پديدهها و تنشهاي پسماندرا بـه صـورت جداگانـه مـورد بررسـي قـرار داد [۳-۷]. آليـاژ اينكولوي۸۰۰ يك سوپرآلياژ پايه آهن آستنيتي است كه كـاربردگسترده اي در صـنايع شـيميايي و پالايـشگاهها دارد. در مـواردمتعددي نياز است كه لولههايي از جنس اين آلياژ به يكديگر بـهصورت سربهسر جوشكاري شود. تنـشهاي پـسماند حاصـل ازجوشكاري سربهسر لولهها در جهت محوري بيشترين اثر را بـرروي تخريب قطعه دارند. تنـشهاي پـسماند محـوري مهمتـرينمبحث در مورد شروع و پيشرفت تركهاي حاصل از خـستگي وخوردگي تنشي (SCC) هستند [۶ و ۸-۱۰]. از ايـنرو بررسـيتنشهاي پسماند محوري در ناحيه جوش اهميت خاصي دارد.

در اين تحقيق نحوه توزيع گرما و تنشهاي پسماند حاصل از جوشكاري سوپر آلياژ اينكولـوي ۸۰۰ بـه روش قـوس الكتـرودتنگستني۲ (GTAW) به كمك تحليل المان محدود و با اسـتفادهاز نرمافزار انسيس شبيه سازي شده است. بدين منظور برنامـه اي به زبان پارامتري نرم افزار۳ (APDL) براي مـدل كـردن حركـتمنبع گرمايي در سيستم نوشته شده است. اين مدل با اسـتفاده ازنتايج تجربي اندازه گيري شده دما و تنشهاي پسماند اعتبارسنجي شده است.

۲- مواد و روش تحقيق
۲-۱- جوشكاري نمونه ها
آلياژ مورد استفاده در اين تحقيق سوپر آليـاژ اينكولـوي ۸۰۰ بـامشخصات هندسـي ارائـه شـده در جـدول (۱) اسـت . تركيـبش يميايي ايــن س ـوپر آليــاژ ب ر اســاس اســتانداردASME در جدول (۲) داده شده است [۱۱]. تركيب شـيميايي سـيم جـوشمورد استفاده كه بر اساس استانداردAWS داراي نام اختـصاري ER NiCr-3 اسـت ، در جـدول ( ۳) داده شـده اسـت [۱۲]. بـراساس جـدول، ايـن سـيم جـوش حـاوي مقـدار زيـادي نيكـل مي باشد.
جدول۱- مشخصات هندسي لولههاي مورد استفاده(بر حسب mm).
ضخامت قطر خارجي استاندارد مورد استفاده
۵/۵۴±۰/۱۰ ۶۰/۳±۰/۱۹ ASME SB-515

جدول۲- تركيب شيميايي سوپرآلياژ مورد استفاده.
Name Standard UNS No. Fe Ni Ti Cr Al Mn Si C S
Incoloy800 ASME SB-407 N08810 39.5
Min -0.03
35.0 -51.0
0.60 -0.91
23.0 -51.0
0.60 1.5
Max 1.0
Max -50.0
0.1 0.015
Max

جدول۳- تركيب شيميايي و مشخصات سيم جوش ER NiCr-3.
Name UNS No. Fe Ni Cr Ti Al Mn Si Nb C S P
Inconel82 N06082 3.0 67.0
Max -0.81
22.0 0.75 0.3
Max -5.2
3.5 0.5 -0.2
3.0 0.1
Max 0.015 0.03
براي تهيه نمونهها، لولههايي با طول ۸۰ ميلي متر، به صورتسربه سر به هم جوش داده شـدند. طـرح اتـصال و مشخـصاتابعادي پـخ در شـكل (۱) نـشان داده شـده اسـت. جوشـكارينمونهها به روش جوشكاري قوسي با الكترود تنگـستني و گـازمحافظ آرگـون (GTAW)، تحـت ولتـاژV ۱±۱۰ و بـا قطبيـتالكترود منفي (DCEN) به صـورت دو پاسـه انجـام شـد. نـوعحركت مشعل بـه صـورت اسـتيرينگ ۴ يـا صـاف بـوده اسـت.
پارامترهاي جوشكاري در جدول (۴) آورده شده است. پـيش ازانجام جوشكاري، لوله ها و الكترود ها پيـشگرم نـشدند. پـيش ازانجام جوشـكاري، لولـههـا در چهـار نقطـه بـه ترتيبـي كـه درش كل (۲) ن شان داده شـده اس ت، ب ه ه م ج وش نقط ه اي شدند [۱۳]. بـر اسـاس اسـتاندارد خـال جوشـها در موقعيتهـايروبه روي يكديگر با زاويه ۱۸۰ درجه نسبت به هم، بـه ترتيـبشماره هاي نشان داده شده در شكل (۲) انجام شدند. جوشكاري در هر پاس به دو قسمت ۱۸۰ درجه قسمت شد. جهت حركتمشعل جوشكاري در مقطع عرضي لوله بـا دو پيكـان، يكـي درجهت ساعتگرد و ديگري در جهت پادساعتگرد كه از شـماره ۱ شروع و به شماره ۲ ختم مي شوند، در شكل (۲) نشان داده شده است. در انجام جوشكاري سعي شد كه جوشكاري بـا سـرعتيكنواخت انجام شود و فاصـله زمـاني بـين پاسـهاي اول و دومبراي همه نمونهها يكسان باشد. از آنجا كه طول جـوش كوتـاه

شكل۱- طرح اتصال و مشخصات ابعادي آن.

جدول۴- پارامترهاي جوشكاري نمونه ها.
شماره نمونه شماره پاس I (A) V
(V) V
(mm/s) گرماي ورودي خالص
(J/mm/s) قطبيت
S١ ١ ٨٠ ١٠ ٠/٧٧ ١٠٣٨ DCEN
٢ ٨٠ ١٠ ٠/٤٧ ١٧٠٢ DCEN
S٢ ١ ١٠٠ ١٠ ١/٠٣ ٩٧٠ DCEN
٢ ١٠٠ ١٠ ٠/٧٩ ١٢٦٦ DCEN
S٣ ١ ١٢٠ ١٠ ١/٤١ ٨٥١ DCEN
٢ ١٢٠ ١٠ ١/١١ ١٠٨١ DCEN

شكل۲- شمايي از موقعيت جوشهاي نقطهاي و جهت حركت مشعل در هر پاس. جدول۵- زمانهاي مربوط به مراحل مختلف جوشكاري (بر حسب ثانيه).
پاس دوم بين دو پاس پاس اول نمونه
۲۰۰ ۲۵ ۲۰۰ ۵۵ ۱۰۰ ۲۵ ۱۰۰ S۱
۱۲۰ ۱۲۰ ۱۲۰ ۵۵ ۷۵ ۲۵ ۷۵ S۲
۸۵ ۲۵ ۸۵ ۵۵ ۵۵ ۲۵ ۵۵ S۳

شكل۳- شمايي از نحوه و محل قرارگيري ترموكوپلها و شرايط شكل۴- شمايي از موقعيت قرارگيري رزتها بر روي سطح بيروني مرزي (بر حسب ميلي متر). لوله (بر حسب ميلي متر).

بوده به جاي بيان سرعت جوشكاري از پارامتر زمـان اسـتفادهشد [۱۴]. در جدول (۵) زمان اندازه گيري شده براي پاسـها ومراحل مختلف جوشكاري نمونههاي ۱S۲ ،S و ۳S ارائه شدهاست. براي حفاظت ريشه جوش، لولـههـا از يـك طـرف بـهوسيله يك چسب كاغذي پهن مسدود شـد و از طـرف ديگـرگاز آرگون توسط شيلنگي با دبيlit/min ۱۵ بـه داخـل لولـهدميده شد.

۲-۲- ثبت تاريخچه دمايي
براي اندازه گيري توزيع دما در نقاط مختلف روي فلز پايـه،
تعداد ۳ ترموكوپلTC2 ،TC1 وTC3 در فواصـل ۳، ۱۱ و ۱۹ ميليمتر از خط جوش روي ميلـه قـرار داده شـد. بـراي نـصبترموكوپلها با مته اي با قطر ۵/۱ ميلي متر، برابـر بـا قطـر غـلاففلزي ترموكوپل، سوراخهايي به عمـق ۳ ميلـيمتـر در فواصـلتعيين شده از خط جوش، در امتداد يك خـط راسـت بـر رويلوله ايجاد شد، شكل (۳).
۲-۳- اندازه گيري تنشهاي پسماند
تنـشهاي پـسماند حاصـل از جوشـكاري، بـا اسـتفاده از تكنيــك كــرنش ســنجي ســوراخ ۵ و بــر اســاس اســتاندارد ASTM E837 در شرايط پس از جوشكاري اندازه گيري شـد
[۱۵]. گيجهاي مورد استفاده براي اندازه گيري ميـزان كرنـشهااز نوع روزت سه جزيي بـود. بـراي بـه دسـت آوردن توزيـعتنشهاي پسماند محوري و شعاعي در امتداد خـط عمـود بـر
جوش، چهار رزتSG3 ،SG2 ،SG1 وSG4 بـه ترتيـب بـافاصله مشخص از خط مركزي جـوش در يـك راسـتا نـصبشدند. مطابق شكل (۴)، رزت اول در خـط مركـزي جـوش،رزت دوم در فاصـله mm۱۳ از خـط جـوش، رزت سـوم در فاصــله mm۲۵ از خــط جــوش و رزت چهــارم در فاصــلهmm۶۰ از خط جوش نصب شـدند. بـه منظـور بررسـي اثـرميزان گرماي ورودي بر ميزان تنشهاي پسماند، ايـن آزمـايشبر روي دو نمونه ۱S و ۳S انجام گرفت.

۳- نظريه مدل
۳-۱- مدل گرمايي
توزيع دمايي گذرا و سه بعـدي (T(x, y, z, t مطـابق معادلـهديفرانسيلي براساس قانون فوريـه در هـدايت مطـابق زيـر بيـانمي شود:
23088689440

∂ ⎛⎜kx ∂T ⎞⎟+ ∂ ⎛⎜ky ∂T ⎞⎟+ ∂ ⎛⎜kz ∂T ⎞⎟
∂x ⎝∂x ⎠⎛∂∂Ty ⎝ ∂T∂y⎞⎠ ∂z ⎝∂z ⎠ (۱)
91744824648

+ =Q ρCp ⎜⎝ ∂t − v ∂x ⎟⎠
كه در آن ky ، kx و kz ضرايب هدايت گرمايي در جهات y ،x و Q ،(Wm-1K-1) z توان توليدي در واحـد حجـم (3-ρ ،(Wm
دانسيته (3-Cp ،(kgm گرماي ويژه(1-(Jkg-1K وv سرعت نـسبيقطعه (در اينجا در جهت(ms-1) (x است. شـرط اوليـه عبـارت است از:
T(x, y, z, 0)= T0 for (x, y, z) (۲) :شرايط مرزي ضروري يا به صورت دريكله
T(x, y, z, t)= T0 (٣)
:يا به صورت طبيعي استkn

∂∂Tn −q + h (Tc −T )∞ +σεF(T4 −T )r4 = 0 (٤)
كه در آنkn هدايت گرماي عمـود بـر سـطح،q شـار گرمـايي (2-hc ،(Wm ضــــريب انتقــــال گرمــــاي جابــــه جــــايي
(1-σ ،(Wm-2K ثابـت اسـ ـتفان- بـ ـولتزمن بـ ـراي تشعـــشع
(4-ε ،(٥/٦٧*١٠-٨ Wm-2K ضريب نشر،F ضـريب شـكل، ∞T دماي محيط وTr دماي منبع حرارتـي تشعـشعي اسـت . وجـودخواص ترموفيزيكي به همراه عبارت تشعشع در شرايط مـرزيمعادلات بالا اين نوع تحليل را بسيار غيرخطي مي كند. تغييـراتگرمايي حاصل از تشعشع را ميتوان با در نظر گـرفتن ضـريبانتقال گرماي معادل به صورت جابهجايي تبديل كرد: (٥) (hr =σεF T( 2 + Tr2) T( + Tr
در كار حاضر از يـك منبـع گرمـاي ي متحـرك بـر اسـاس مـدلگلداك٦ براي اعمال گرماي حاصل از مشعل در فرايندGTAW استفاده شده است. در اين مدل منبع به صـورت يـك دوبيـضينامتقارن است كه قسمت جلـوي حوضـچه يـك چهـارم يـكبيضي و قسمت عقب آب يك چهارم بيضي ديگر است. در اينمدل نياز به تعريف كسرهايff وfr است كه نشان دهنده كسرياز گرماي كل اسـت كـه بـه ترتيـب بـه قـسمت عقـب وجلـوحوضچه وارد ميشود و داريمff + fr = 2 . تابع توزيع توان در قسمت جلويي حوضچه به صورت:
q x,y,z,t() = 6 3fπ πf Qfexp⎛⎜⎜⎝− 3ax22 ⎞⎟⎟⎠
716281-384850

abc ⎛ 3y2 ⎞⎛ 3ξ2 ⎞ (۶)
exp⎜− ⎟exp⎜−

⎟ ⎝⎜ b2 ⎠⎟ ⎝⎜ cf2 ⎠⎟
و به طور مشابه براي قسمت عقبي حوضچه:
6 3f Qr⎛ 3×2 ⎞
845821-145026

q x y z t( , , , )=exp⎜−

2 ⎟
abcrππ ⎝ a ⎠
22 (۷)
⎛ 3y ⎞ ⎛ 3ξ ⎞ exp⎜− 2 ⎟exp⎜−

2 ⎟
⎝b ⎠⎝cr ⎠
است. در دو معادله ۶ و ۷ متغيرهايb ،a وc مي تواننـد مقـاديرمتفاوتي در قسمت جلو و عقب حوضچه داشته باشند. از اينرو متغيرهاي مستقل محسوب مـيشـوند . در واقـع در جوشـكاريفلزات نامشابه نياز به تعريف دو دسته متفاوت و مستقل از ايـنمتغيرهاست [۱۶].

۳-۲- مدل مكانيكي
از آن جا كه در طول فرايند جوشكاري هـيچ اسـتحاله فـازيحالت جامد در فلز زمينه و فلز جوش رخ نميدهـد، از ايـنرو نرخ كرنش كل به صورت معادله زير بيان مي شود:
ε=ε +ε +εepth (۸)
كه در آن عبارتهاي اول، دوم و سوم در سمت راست معادله بـهترتي ب بي ان كنن ده نرخهـاي ك رنش الاسـتيك، پلاس تيك و گرمايياند. كرنش الاستيك با استفاده از قانون هوك بـا در نظـرگرفتن ضريب پواسون و مدول الاستيك وابسته به دما مدل شدهاست. رفتار پلاستيك ماده با در نظر گرفتن تابع تسليم فون مايزز و كارسختي جنبشي دوخطي مدل شـده اسـت. از آنجـا كـه درفرايند جوشكاري، ماده تحت كرنشهاي بالايي قرار نميگيـرد و تنها به دليل گرم و سرد شدن، تحت تنـشهاي تنـاوبي فـشاري-كششي قرار ميگيرد، از اينرو بايد اثر باوشينگر به عنـوان يـكاثر مهم در نظر گرفته شود. در نتيجه حالت كارسـختي جنبـشياهميت بيشتري مييابد. در نهايت كرنش گرمايي بـا اسـتفاده ازضريب انبساط گرمايي وابسته به دما محاسبه مي شود.

۴- شبيه سازي فرايند
اگرچه يك مدل دو بعدي تقارن محوري٧ نيازهاي رايانـهاي براي شبيهسازي فرايند را كاهش ميدهد امـا بـا محـدود كـردنتحليل به يك بخش از هندسه كامل مـدل، مـشكلاتي در نتـايجحاصل ايجاد ميشـود . تغييـرات ناپايـدار و بـي ثبـات تنـشهاي پسماند در محيط لوله به دليـل همپوشـاني نـواحي مجـاور هـمناشي از حركت قوس و اثـرات نقـاط شـروع و پايـاني فراينـدجوشكاري، فرضياتي را كـه در مـدل دوبعـدي در نظـر گرفتـهميشود به مقدار قابل توجهي تحت تاثير قرار ميدهد. بنـابراينيك مدل دوبعدي قادر به پيشبيني دقيق توزيع تنشهاي پسمانددر جوشكاري سر به سر لوله ها نيست [٥].
1020319-2936577

شكل۵- نمايي از شبكهبندي مدل مورد استفاده در تحليل گرمايي.
در اين تحقيق يك مدل سه بعدي به روش المـان محـدود و به وسيله كدنويسي در نرمافزار انسيس تهيه شـد. بـا توجـه بـهوجود تقارن، تنها نيمـي از اتـصال سـربهسـر مـدل شـد. نحـوه المانبندي مدل و دسـتگاه محورهـاي مختـصات در شـكل (۵) نشان داده شده است. همان گونه كه مشاهده ميشود بـا نزديـكشدن به خط جوش، به دليل وجود گراديانهاي دمـايي و تنـشيشديدتر و در نتيجه نيـاز بـه دقـت بـالاتر، ازالمان هـاي ريزتـرياستفاده شده اسـت. تعـداد المان هـا در ايـن مـدل ۴۷۰۴ اسـت .
شبكه بندي در حل گرمايي و مكانيكي به صورت دسـتي انجـامشده است. جنس فلز پركننده، مشابه فلز پايه در نظر گرفته شدهو درنتيجه خواص گرمايي و مكانيكي فلز جوش مشابه فلز پايهاست. به منظور اضافه كـردن فلـز پركننـده، از خاصـيت تولـد ومرگ المانها استفاده شده است.
از آنجا كه ماهيت تنشهاي پـسماند ناشـي از جوشـكاري ازنوع تنشهاي گرمايي بوده و مـستلزم در نظـر گـرفتن ميـدانهاي گرم ايي و س ازهاي اس ت، از اي نرو در اي ن تحقي ق تحلي ل غيركوپله انجام گرفته است. بدين صورت كـه نتـايج حاصـل ازتحليل گرمايي به عنـوان بـار ورودي در تحليـل مكـانيكي واردشده است.

۴-۱- تحليل گرمايي
المان مورد استفاده در تحليل گرماييSOLID90 اسـت كـهيك المان ۳ بعدي با ۲۰ گره و يك درجه آزادي حرارتي در هرگره است. بارهاي مورد نظر را ميتوان بر روي گرهها و يا خودالمان اعمال كرد. جابـهجـايي يـا شـار گرمـاي ي و تشعـشعي راميتوان به عنوان بارهاي سطحي روي سطوح المان و نرخ توليدگرما را به صورت بار حجمي روي گـره هـا اعمـال كـرد. يكـيديگر از ويژگيهاي خاص اين المان، دارا بودن خاصيت مـرگ وتولد است . مدل منبع گرمـاي ي مـورد اسـتفاده، مـدل دو بيـضيگلداك است كـه بـا اسـتفاده از زبـان برنامـهنويـسي پـارامترينرم افزار اعمال شده است.
براي شرايط مرزي گرمايي در خط مركزي جوش بـه دليـلتقارن شار صفر و در ساير سطوح خارجي لوله، هـر دو حالـتتشعشع و جابه جايي در نظر گرفته شـده اسـت. كـاهش دمـا ازطريـق تشعـشع در دماهـاي بـالا و نزديـك قـوس و از طريـق جابــه جــايي در دماهــاي پــايين و در منــاطق دور از قــوسحكمفرماست. با تعريف ضريب انتقال گرماي تركيبي وابسته بهدما، شرايط مرزي براي هـر دو حالـت تشعـشع و جابـهجـاييتعريف ميشود. اين ضـريب تركيبـي بـه صـورت معادلـه زيـراستفاده شده است [۷] ۱:
hh11=0=0.0668231TT- Wm82 1 Wm-2 ºC 0 < T < 500°C -2 ºC T > 500°C (٩)
./

1436370-2158575

شكل۶- تغييرات خواص ترموفيزيكي بر حسب دما براي سوپرآلياژ اينكولوي۸۰۰ .
از آن جا كه سطح داخلي لوله در تماس با گاز آرگون قرار دارد،از اين رو مقدار ضريب انتقال گرماي جابه جايي بـراي آن مقـدارثابت h2= ۲۰ Wm-2 ºC در نظر گرفته شده است.
در شكل (۶) نمودار تغييرات خواص گرمايي فلز بر حـسبدما آورده شده است. چگالي فلز مقدار ثابـت 3Kg/m ۸۰۰۰ درنظر گرفته شده است. محـدوده تغييـر فـاز بـا تعريـف منحنـيانتالپي- دما مشخص شده است. بـراي در نظـر گـرفتن اتـلافگرماي حاصل از تلاطم فلز مذاب در حوضـچه جـوش، مقـدارضريب هدايت گرمايي در دماهـاي بـالا و نزديـك دمـاي ذوبتقريبا دو برابر در نظر گرفته شده است [۵].

۴-۲- تحليل مكانيكي
مدل المان محدودي كه براي تحليل مكانيكي بـه كـار رفتـهماننـد مـدل گرمـايي بـوده اسـت. در ايـن قـسمت از تحليـل، تاريخچه دمايي حاصل از تحليل گرمايي به عنـوان بـار وروديبه مدل مكانيكي اعمال شده است. المان مـورد اسـتفاده در ايـنقسمت المانSOLID95 بوده است. اين المان شامل ۲۰ گـره وسه درجه آزادي در هر گـره شـامل انتقـال در جهـاتy ،x و z ميباشد. المان مذكور جهت پلاستيسيته، خزش، تـنش سـختي،تغييرشكلها و كرنشهاي زياد سازگاري دارد. در اين تحليل براي اعمال رفتار تنش-كرنش، قانون سخت شوندگي جنبشي و معيارتسليم فون مايزز در نظر گرفته شده است.

در شكل (۷) شرايط مرزي مدل مكـانيكي نـشان داده شـدهاست. مطابق شكل مولفههاي جابهجاييUy ،Ux وUz در ۸ گرهانتهايي مدل لوله برابر صفر در نظر گرفته شده است. صـفحه اي كه از خط مركزي جوش۸ ميگذرد، همان صفحه تقـارن نمونـهاست كه تنها يك طرف آن مدل شده است. بنـابراين در صـفحهتقارن 0=z مولفه جابهجايي در جهـتz مقيـد شـده اسـت. در شكل (۸) تغييرات خواص مكانيكي فلز بـر حـسب دمـا آوردهشده است.

۵- نتايج و بحث
۵-۱- نتايج گرمايي تجربي

1747266-1324184

شكل۷- شماتيكي از شرايط مرزي مكانيكي در مدل به صورت دوبعدي.

1261110-2400126

شكل۸- تغييرات خواص ترمومكانيكي بر حسب دما براي سوپرآلياژ اينكولوي۸۰۰ .
در شكل (۹) تاريخچه دمـايي سـه موقعيـت روي لولـه درطول فرايند جوشكاري مشاهده ميشود. ايـن نتـايج بـه منظـوراعتب ار س نجي



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید