پایان نامه صنعت جوش

پیشگفتار

با پیشرفت روز افزون علم و تکنولوژی ، صنعت جوشکاری نیز دستخوش تغییرات زیادی گردیده و امروز به صنعتی کلیدی و غیر قابل انکار در میان سایر صنایع تبدیل شده است . به جرات می توان گفت که تمام صنایع کوچک و بزرگ ، به طور مستقیم یا غیر مستقم با این صنعت در ارتباط و به آن وابسته هستند . ناگفته پیداست که داشتن اطلاعات کافی در زمینه این علم ، کمک شایان توجهی به صاحبان صنایع در امر افزایش بهره وری و کاهش هزینه ها و حرکت به سوی دنیای مدرن می کند . در دنیای صنعتی و پیشرفته امروز که قرن سرعت نامیده می شود تا کاربر ، علاوه بر فراگیری سریع مطالب ، توجیهات علمی و مسائل تکنیکی مورد مصرف خود را نیز دانسته و برخوردی با داشته باشد .

پایان نامه ای که تحت عنوان تنش گیری ارتعاشی در اختیار دارید ،حاصل مطالعه و تحقیق در زمینه این فرایند و استفاده از منابع علمی داخلی و خارجی می باشد که طی آن ، موضوعات مهم و اساسی فرایند تنش گیری ارتعاشی  مورد بحث و بررسی دقیق و علمی قرار گرفته است.

تنش های پسماند بوجود آمده در مراحل و عملیات های مختلف ساخت سبب افزایش سطح تنش در قطعات در حین کار و حساس تر شدن قطعات و ایجاد ترک می شوند. ایجاد اعوجاج در فریم ها و پایه های ماشین ها و ناپایداری ابعاد نیز از اثرات نامطلوب تنش های پسماند هستند. سرد شدن غیر یکنواخت قطعات در هنگام جوشکاری باعث می شود که شکل و ابعاد قطعه تغییر کند. در تنش زدایی عموماً یکی یا هر دو هدف زیر مورد نظر است:

1. پایداری ابعادی قطعه در یک مدت زمان طولانی

معمولا درصد کمی کاهش تنش های پسماند برای رسیدن به پایداری مطلوب کافی است.

2. تحمل بارهای متناوب

برای آنکه قطعات بتوانند بارهای متناوب را به خوبی تحمل کنند سطح تنش های پسماند می بایست تقریبا صفر شود.

تنش زدایی با استفاده از تغییر شکل پلاستیک؛ می توان در دمای اتاق با استفاده از اعمال تنش خارجی در ناحیه ای که تنش پسماند به وجود آمده است رسید. مقدار این تنش اعمالی باید چنان باشد که جمع جبری تنش ها از تنش تسلیم ماده تشکیل دهنده قطعه در دمای اتاق بیشتر باشد. پس از حذف تنش های خارجی سطح تنش های پسماند کاهش می یابد. مکانیزمی که شرح داده شد اساس کار روش تنش زدایی ارتعاشی است.

چکیده

تنشهای پسمانده از بارگذاری خارجی نبوده و در حالت خود تعادلی می‌باشند. یعنی مجموع نیروها و ممان‌های ناشی از اینگونه تنشها در جسم برابر صفر می‌باشد. به طور خلاصه می‌توان عوامل زیر را به عنوان مهمترین عوامل در تشکیل تنشهای پسمانده جوش نام برد :

حرارت دادن موضعی و غیرهمگون (ذوب موضعی که متأثر از هندسه اتصال و انرژی جوش است)

تغییر شکل حرارتی (کرنش)

درجه مهار یا ممانعت قطعه کار (گیره‌بندی)

نوع و میزان تغییر شکلهای جوش ناشی از تنش‌های پسمانده به عوامل متعددی بستگی دارد که اهم آنها عبارت است از: جنس و هندسه قطعه، شکل و موقعیت اتصال،‌ انرژی جوش روشهای کاهش تنش‌ها و کرنش‌های پسماند جوشی: می‌توان تنش‌ ها و کرنش‌های پسماند را به طرق مختلف از قبیل عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT)، عملیات مکانیکی و بعضاً جوشکاری و پیشگرم کاهش داد یا به طور مؤثر از بین برد. در عملیات مکانیکی تنش گیری ، معمولاً سازه موردنظر را با باری بزرگتر از بار طراحی شده آن (ولی کمتر از بار بحرانی) تحت بارگذاری قرار می‌دهند تا تنش های پسماند از طریق ایجاد کرنش‌ های پلاستیکی استحاله شود. پیش‌گرم در عملیات حرارتی عمدتاً به خاطر جلوگیری از ترک سرد بوده و معمولاً بین دمای محیط تاC˚ 225 صورت می‌گیرد. یک روش بسیار علمی جهت کاهش تنش‌های پسماند جوشی استفاده از روشهای جلوگیری از ایجاد تنش‌های پسماند جوشی می‌باشد که با توجه به شرایط جوشکاری و نوع طرح اتصال در جداول استاندارد نوع تکنیک‌های کاربردی و مقادیر مربوط به آن تعیین شده است. مهمترین تکنیک‌های کاربردی عبارتند از:

1-پایان جوشکاری قبل از تقاطع خط جوشها.

 2- استفاده از طرح اتصالهای متفاوت با توجه به هندسه قطعه کار.

3- استفاده از پیش نشاندن قطعات به منظور کاهش انقباض عرضی،‌ پیچش زاویه‌ای، خمش و کمانش .

4-استفاده از تکنیک‌های جوشکاری پیشبرد برای جوشکاری‌های طولانی

 5- رعایت ترتیب جوشکاری در ورق ها مطابق استاندارد.

تنش های پسماند در جوشکاری

1-1 انقباض و تنش پسماند:                                                       

تنش های پسماند به آن دسته ازتنش هایی اطلاق می شود که پس از عملیات خاصی در جسم باقی مانده و ناشی از بارگذاری خارجی نمی باشد . این تنش ها در حالت خود تعادلی هستند . منظور از خود تعادلی این است که مجموع نیرو ها و ممان های ناشی از اینگونه تنش ها در جسم برابر صفر می باشد . هنگامی که یک جسم دارای تنشهای پسماند ، تحت بارگذاری خارجی قرار می گیرد ، تنشهای ناشی از بار خارجی به تنشهای پسماند افزوده می شود . تنشهای پسماند در نتیجه کار روی قطعات از جمله حین ریخته گری ، آهنگری ، نوردکاری و یا جوشکاری در قطعه بوجود   می آیند .

عموما ، عبارت تنش پسماند به صورت اثر استاتیکی ، نماینده میدانهای تنشی تک محوری یا چند محوری دریک سیستم بسته ، بدون وجود هیچگونه نیرو یا گشتاور خارجی است . این مواضع تنشی با هم در تعادل اند .

تنش پسماند از لحاظ گستردگی در جسم به سه نوع تقسیم می شود :

1- تنش های پسماند نوع اول ، اغلب در ناحیه وسیعی از ماده ( چندین دانه ) ، بصورت همگن و یکنواخت قرار دارد . برهم خوردگی و اغتشاش در تعادل نیروها ، همواره منجر به تغییرات ابعادی ماکروسکوپی می شود .

2- تنش های پسماند نوع دوم ، اغلب در ناحیه کوچکتری از ماده ( در یک دانه یا در تعداد اندکی از دانه ها ) ، به طور یکنواخت و همگن توزیع شده اند . در این حالت اغتشاش در تعادل نیروهای مناطق مختلف ماده می تواند منجر به تغییرات ابعادی ماکروسکوپی شود .

3-  تنش های پسماند نوع سوم ، در سرتاسر محدوده ماده حتی در ابعاد چند فاصله اتمی ، بصورت نا همگن پخش شده اند . اغتشاش در تعادل نیرو ، منجر به تغییرات ابعادی ماکروسکوپی نمی شود .

 تنش های پسماند جوشی از نوع تنشهای حرارتی می باشد که در اثر حرات دادن ، انبساط وانقباض موضعی و تغییر شکل پلاستیکی حاصله در جسم ، تشکیل می شوند.  لازم به اشاره می باشد که چنانچه قطعه ای به طور همگون و یکنواخت حرارت داده شده و سپس آرام سرد شود و هیچگونه مانعی در انبساط و انقباض قطعه وجود نداشته باشد ، یک چنین سیکل حرارتی منجر به تنش یا تغییر شکل های پسماند نخواهد شد .

در حین جوشکاری ، حوزه حرارتی ناشی از قوس الکتریکی باعث تغییر شکل حرارتی ( انبساط در حین گرو شدن و انقباض در حین سرد شدن ) در جوش و اطراف آن می شود . تغییر شکل حرارتی به طور کلی متناسب با درجه حرارت بوده و این بستگی تا حد نقطه ذوب فلز وجود دارد . هنگامیکه در نقطه ای از جسم ، درجه حرارت به درجه حرارت ماکزیمم می رسد ، دراطراف آن یک شیب حرارتی تند بوجود آمده که منجر به ایجاد یک حوزه تغییر شکل حرارتی در اطراف نقطه مزبور می شود .این منطقه بوسیله فلز سردتر موجود در اطراف آن محدود می گردد . شدت

این حوزه ، در نزدیکی نقطه حرارتی بحدی است که این منطقه در حین گرم شدن ، بشدت تحت تاثیر تنش های فشاری قرار گرفته و تغییر شکل پلاستیکی در آن بوجود می آید . در حین سرد شدن ، به واسطه انقباض موضعی ، تنش های کششی به اندازه تنش تسلیم فلز پایه در جوش و مناطق نزدیک به آن (HAZ ) توسعه می یابد .

تنش های پسماند تنش های سه محوره هستند ( طولی ، عرضی و ضخامتی ) . تاثیر انقباض در جهت ضخامت در مواد با ضخامت کم ، بسیار اندک است . با افزایش (30 mm  ) تنشهایی در جهت ضخامت نیز می توانند بوجود آیند و به سرعت به تنش تسلیم برسند . تنش های ضخامتی خطر ایجاد ترک و در نتیجه شکست ترد را بیشتر می کند .

اگر در یک ماده تنش سه محوری ظاهر شود :

·  استحکام تسلیم مواد تا سه برابر استحکام تسلیم معمولی افزایش می یابد .

·  اضافه طول به طور قابل توجهی کاهش می یابد .

·  ازدیاد طول تا یک مقدار مینیمم کاهش می یابد .

·  تمایل به تشکیل ترک افزایش می یابد .

    برای  اثبات این فرضیات ، سال ها قبل آزمایش های کشش بر روی نمونه هایی  با انواع مختلف شیار توسط لودویک انجام شد .

1-2 تنش پسماند کششی:

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،  تنش های 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 شود ، 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.

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 می‌شود. چنانچه قطعه کار آزاد بوده و به قطعات دیگر متصل نباشد ، این نوع مهار از نوع مهار اولیه بوده چنانچه قطعه کار خود به قطعات دیگر متصل باشد ، درجه مهار بالاتر بوده و مهار ثانویه  نیز در شکل‌گیری تنش های پسماند دخیل خواهد بود . بنابراین سطح و توزیع تنش های 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  مهار اولیه قویاً تعیین کننده بوده و مهار ثانویه اثر کمی دارد . بنابراین صرفه نظر 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 تنش های 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 که منجر به ایجاد تنشهای پسماند عرضی می‌شود . اصول ایجاد این تنش ها نظیر تنش های 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 تنش های 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 تنش ها می‌شود .

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

تنش های پسماند جوش معمولاً روی خواص استحکامی استاتیکی قطعه و یا شکست پلاستیکی (Plastic  Collapse) آن اثر قابل توجهی نداشته و لیکن چنانچه چقرمگی جوش پایین باشد ، امکان ترک خوردگی وجود داشته و این تنش ها می‌توانند به تنهایی باعث شکست موضعی یا کامل قطعه شوند . بی‌مناسبت نخواهد بود چنانچه اشاره شود که در بعضی از سوانح بزرگ در سازه‌های جوش ( ریزش کامل پلهای فلزی و یا دونیم شدن کشتیهای تولید شده با اتصالات جوشی )‌ تنش های پسماند جوش مهمترین عامل سانحه بوده‌اند. تنشهای پسماند (‌طولی)‌ جوش در اتصالات نازک فلزی می‌توانند منجر به کمانش پوسته (Buclkling) سازه شوند. تنش های پسماند جوش 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 تنش های فشاری قرار گیرد .

 بطور خلاصه می‌توان از عوامل زیر به عنوان مهمترین عوامل در تشکیل تنشهای پسماند جوش 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

فصل دوم

مقدمه ای بر تنش زدایی ارتعاشی

تنشهای پسماند بوجود آمده در مراحل و عملیات های مختلف ساخت سبب افزایش سطح تنش در قطعات در حین کار و حساس تر شدن قطعات و ایجاد ترک می شوند. ایجاد اعوجاج در فریم ها و پایه های ماشین ها و ناپایداری ابعاد نیز از اثرات نامطلوب تنش های پسماند هستند. سرد شدن غیر یکنواخت قطعات در هنگام جوشکاری باعث می شود که شکل و ابعاد قطعه تغییر کند. در تنش زدایی عموماً یکی یا هر دو هدف زیر مورد نظر است:

1. پایداری ابعادی قطعه در یک مدت زمان طولانی

معمولا درصد کمی کاهش تنش های پسماند برای رسیدن به پایداری مطلوب کافی است.

2. تحمل بارهای متناوب

برای آنکه قطعات بتوانند بارهای متناوب را به خوبی تحمل کنند سطح تنش های پسماند می بایست تقریبا صفر شود.

عموماً از روشهای حرارتی برای تنش زدایی استفاده می شود. در این حالت با بالا بردن دمای قطعه تا آنجاییکه تنش تسلیم ماده مورد نظر در آن دما بسیار پایین باشد بخش اعظمی از ماده پلاستیک شده و سپس با نگهداشتن قطعه در این دما و بعد از آن سرد کردن تدریجی آن تا رسیدن به شرایط اتاق باز می گردانند. در مورد فولادها با رساندن دمای قطعه به 510 تا 570 درجه سانتیگراد و نگاه داشتن قطعه به مدت یک ساعت 60 تا 85 درصد تنشهای پسماند آزاد می شوند. باید دقت داشت که عمل سرمایش آرام و تدریجی باشد تا از ایجاد تنش های پسماند که به دلیل وجود گرادیان های دمایی بوجود آمده اند جلوگیری شود.

2- 1 اصول حاکم بر تنش زدایی ارتعاشی

تنش زدایی با استفاده از تغییر شکل پلاستیک؛ می توان در دمای اتاق با استفاده از اعمال تنش خارجی در ناحیه ای که تنش پسماند به وجود آمده است رسید. مقدار این تنش اعمالی باید چنان باشد که جمع جبری تنش ها از تنش تسلیم ماده تشکیل دهنده قطعه در دمای اتاق بیشتر باشد. پس از حذف تنش های خارجی سطح تنش های پسماند کاهش می یابد. مکانیزمی که شرح داده شد اساس کار روش تنش زدایی ارتعاشی است.

سازه های واقعی دارای توزیع تنش بسیار پیچیده ای هستند و اعمال بارهایی که به اندازه کافی بزرگ باشند تا تنش زدایی مؤثر باشد ، مشکل و عملاً غیر ممکن است. این بارها می بایست در موقعیت های مناسب و با دقت به سازه وارد شوند تا اثر مطلوبی ارائه دهند. به دلیل آنکه جابجایی و کرنش های بزرگ یک سازه در حالت رزونانس قابل دستیابی است، در این حالت به مقادیر کمی نیرو برای تحریک سازه نیاز است ؛ ارتعاش کنترل شده سازه راه حل بسیار مناسبی برای بارگذاری یک سازه با یک فرم کاملاً پیچیده است.

Vibratory stress relief

Process of foundry, forging, welding, cutting and application of metal will cause residual stress within the work pieces due to cold, heat or machinery distortion, which lead to unstable condition of work pieces and decrease dimensional stability and mechanical physical property. As a result, the work pieces will deform and be out of use under long time applying, and dimension precision can not be assured. Thermal stress relief and natural stress relief are generally adopted in the past to relieve the residual stress within metal work pieces. However, these two methods are of many defects and drawbacks: NSR costs too much time and area, and suits no mass production; while TSR costs too much money, area, affiliated equipment, and energy. It’s difficult to control temperature of furnace, therefore the work pieces burnt are easy to be oxidized, which adds to the work of cleaning, and crack under uneven heat. It’s also likely to cause new stress when they are getting cold. Besides, the working environment of TSR processing is severe with pollutant and low automatic mechanization. On the contrary, Vibratory stress relief saves substantial energy, decrease cost and time. Compared with TSR, Vibratory stress relief can save stress relieving cost more than 90%, energy 95%, and investment 90%. It cost half a year or two years to go through NSR, TSR one to two days, while Vibratory stress relief half an hour to one hour at most. The equipment is easy to carry, operate with high adaptability, automation and no restriction to place, size and weight of work pieces.

Vibratory stress relief meets the requirement of contemporary industrial society for energy and environment preservation, which makes it a trend for replacing the traditional TSR in some ways and becomes a revolutionary high-and-new tech. Vibratory stress relief has aroused tremendous attention and interest from mechanical manufacturing industry, and has been widely used worldwide in recent twenty to thirty years.