تنش های پسماند دراتصالات جوشی

[spow 44197]

برای مشاهده این محتوا لطفاً ثبت نام کنید یا وارد شوید.

• ورود
• یا
• ثبت نام

 

 

مقدمه:

مبحث تنش‌زدايي در مورد اتصالات جوشي از اهميت زيادي برخوردار است و عموم مباحث ارائه گرديده در فصلهاي بعد در مورد تنش‌زدايي اتصالات جوشي مي‌باشد، لذا لازم است قبل از وارد شدن به مبحث تنش‌زدايي اين اتصالات ، اطلاعاتي راجع به انواع اتصالات جوشي و همچنين راجع به نحوه ايجاد تنش پسماند در اتصالات جوشي داده شود.

انواع اتصالات جوشي:

جوشكاري فني است كه توسط آن قطعات فلزي عمدتاً از طريق ذوب موضعي بين آنها (به كمك مواد مصرفي يا بدون استفاده از آنها) به يكديگر متصل شده و عمدتاً قطعه واحدي را ايجاد مي‌كنند .

جوشكاري با توجه به شكل سازه‌اي كه از اتصال اين قطعات بدست مي‌آيد مي‌تواند به شكل‌هاي مختلف صورت بگيرد .

قطعات كار به علت تنوع در سازه هايي که جوشکاري مي شوند، به حالتهاي مختلفي در كنار يكديگر قرار مي‌گيرند و جوشكاري مي‌شوند. مهمترين اين حالات مطابق شكل زير است:

1- اتصال لب به لب (But welding) : در اين حالت لبه‌هاي قطعه كار به حالت صاف يا پخ زده به طور مستقيم در مقابل هم قرار مي‌گيرند. نوع پخ يا انحناي آن بستگي به روش جوشكاري و شرايط كار و ضخامت قطعه دارد :

در شرايطي كه ضخامت قطعه در حد نفوذ جوشكاري باشد نيازي به پخ زدن نمي‌باشد و مطابق شكل a1 جوشكاري بدون نياز به پخ‌ زدن صورت مي‌گيرد.

اگر ضخامت قطعه بالاتر از حدي باشد كه جوش بتواند نفوذ بكند لازم مي‌گردد كه مانند شكلb1 پخ v شكل زده شود . در ضخامتهاي بالاتر از پخهاي x و v دو طرفه نيز استفاده مي‌شود و از چند پاس جوشكاري با توجه به ضخامت قطعه كار استفاده مي‌گردد.

2- اتصال لب روي هم يا لب برلب (Lap Joint) : در اين حالت ورقها بر روي هم قرار گرفته و جوشكاري بر روي لبه‌ها صورت مي‌گيرد كه به يكي از حالتهاي شكل 2 صورت مي‌گيرد .

 

تفاوتي كه حالتهاي مختلف شكل 2 دارند در نسبت طول به عرض جوش (over lap ratio) است كه هر چه اين نسبت بيشتر باشد تمركز تنش كمتر خواهد بود و از نظر مقاومت مصالحي شرايط بهتري خواهد داشت . در بعضي مواقع مانند شكل d1 انحناي سطح جوش را بعلت اينكه انحناي سطح آن موجب تمركز تنش مي‌گردد، با سنگ زدن حذف مي كنند.

3- اتصال T شكل : در اين نوع اتصال همانگونه كه در شكل 3 نشان داده شده است يكي از ورقها به طور عمود يا با زاويه بر روي ورق ديگر قرار مي‌گيرد و عموماً دو پاشنه آن جوش مي‌خورد. در اينجا نيز با توجه به شكل و ضخامت ورق و روش جوشكاري ممكن است قطعه‌ها بدون پخ باشند (شكل a3) يا از هر دو طرف پخ خورده باشند (شكل b3) و يا تنها از يك سمت پخ خورده باشند (شكل c3).

4- اتصال نبشي (Fillet weld) : در اين حالت دو قطعه با زاويه در كنار هم قرار مي‌گيرند (شكل 4). در اينجا قطعات مي‌توانند به صورت ساده يا پخ زده باشند كه در شكل انواع مختلف آن نشان داده شده است.

 

نحوه تشکيل تنش پسماند كششي در جوش

تنش پسماند تنشي است كه بر اثر انجام عمليات خاصي در جسم باقي مي‌مانند و در حالي كه جسم تحت هيچ بارگذاري خارجي نيست نيز وجود دارد. طبيعت تنش پسماند به گونه اي است که در مقابل هر تنش كششي تنش فشاري نيز بايد وجود داشته باشد ، به گونه‌اي كه جسم در حالت تعادل باقي بماند كه به اين حالت، حالت خود تعادلي مي گويند.

علت اينكه شناسايي چنين تنشهايي براي ما مهم است اين است كه وقتي جسم تحت تنش خارجي قرار مي‌گيرد، اين تنش خارجي به تنش پسماند موجود افزوده مي‌شود. پس اگر در منطقه‌اي تنش پسماند كششي داشته باشيم و بارگذاري ما نيز تنش كششي باشد سطح تنش در آن منطقه بالاتر از آنچه كه تنها با لحاظ تنش كششي خارجي بدست مي‌آيد خواهد بود. لذا در صورتي كه تنش كششي پسماند داخلي را در نظر نگيريم و قطعه را تنها براساس تنش اعمالي خارجي طراحي مي‌كنيم ممكن است در اثر تنش‌هاي پسماند خارجي تنش در قطعه از حد تسليم آن بالاتر رفته و باعث شكست آن گردد.

يكي از فرايندهايي كه باعث ايجاد تنش پسماند در سازه‌ها مي‌گردد جوشكاري است كه به علت گرم و سرد شدنهاي متوالي جوش و مناطق نزديك جوش و عدم امكان جابجايي در بعضي جهات، تنشهاي پسماند داخلي در جوش و مناطق مجاور آن بوجود مي آيد.

مقدار انبساط و تغيير شكل جسم در مقابل گرما متناسب با درجه حرارت مي‌باشد . اصولاً با افزايش درجه حرارت تا نقطه ذوب فلز شاهد انبساط در آنها خواهيم بود. حال هنگامي‌ كه در نقطه‌اي از جسم درجه حرارت به طور موضعي افزايش يابد دراطراف آن يك شيب حرارتي بوجود مي‌آيد كه مي‌خواهد باعث تغيير شكل و انبساط نقطه‌اي كه دماي آن افزايش پيدا كرده است بشود ، ولي از اطراف توسط فلزي كه اين نقطه را احاطه كرده‌اند و ميل به تغيير شكل ندارند با تغيير شكل اين نقطه مقابله مي‌شود ، لذا مناطق نزديك اين نقطه تحت تنش فشاري قرار مي‌گيرند و در صورتي كه تنش فشاري موجود از حد تسليم بيشتر شود باعث تغيير شكل پلاستيك اين منطقه مي‌شود. در حين سرد شدن منطقه‌اي كه گرم شده بود شاهد انقباض موضعي خواهيم بود كه باعث ايجاد تنش كششي در مجاورت اين نقطه در حد تنش تسليم فلز خواهد بود.

حال اگر بخواهيم تشكيل تنش پسماند در جوش را توضيح بدهيم ابتدا مدل زير را در نظر مي‌گيريم.

سه ميله 1و2و3 را در نظر بگيريد كه توسط صفحات صلب 4 و5 از دو طرف محدود شده‌اند(شکل 5). با گرم‌ شدن ميله 2 اگر دماي آن به اندازه ∆T افزايش يابد اين ميله در حالت آزاد به اندازه αlΔT افزايش طول پيدا مي کند ولي ميله‌هاي 1و3 چون تغيير دمايي نداشته‌اند در مقابل تغيير طول مقاومت مي‌كنند، لذا تنشي در آنها القا مي‌شود كه كششي است و عكس‌العمل اين تنش به ميله 2 وارد مي‌شود كه تنش فشاري است لذا به اين ترتيب با گرم‌ شدن ميله دو در ميله‌هاي 1و3 تنش كششي و در ميله 2 تنش فشاري خواهيم داشت.

در جوش نيز چنين حالتي را خواهيم داشت . البته در بحث راجع به تنشهاي تسليم جوش به اين نكته نيز بايد توجه داشته باشيم كه تنش تسليم فولادها با افزايش درجه حرارت مطابق شكل 6 كاهش مي‌يابد.

در نظر بگيريد كه يك اتصال جوشي بين دو ورق بزرگ بوجود آمده و در منطقه‌اي نواري شكل در فاصله مشخصي از مركز جوش مورد بررسي مي‌باشد (شكل 6) فرض مي‌شود كه نوار مورد بررسي در جهت طولي خود كاملاً مهار شده و تغيير شكلي در اين جهت ندارد. قبل از گرم كردن، نوار فاقد تنش بوده و وضعيت آن با نقطه A در شكل 6 نشان داده شده است. در حين گرم كردن، اين نوار متمايل به انبساط بوده و ليكن توسط محيط (فلز) اطراف خود كه درجه حرارت پايين‌تري دارد از انبساط آن ممانعت مي شود و در نتيجه تحت تاثير تنشهاي فشاري قرار مي‌گيرد. تغيير شكل در نوار در ابتدا الاستيك بوده و با افزايش درجه حرارت افزايش يافته و در درجه حرارت T1 تغيير شكل پلاستيكي شروع مي‌شود(مسير ABC) . با افزايش درجه حرارت ميزان تنش تسليم جسم كاهش يافته و تغيير شكل پلاستيكي نوار افزايش مي‌يابد (مسير CDE). چنانچه T2 حداكثر درجه حرارتي باشد كه در نوار اعمال مي‌شود، تغيير شكل پلاستيكي فشاري تا نقطه E ادامه خواهد يافت. در هنگام سرد شدن، نوار مورد بررسي تمايل به انقباض داشته كه منجر به كاهش سطح تنشها در آن مي‌شود. كاهش سطح تنشها در اين حالت منجر به تغيير شكل الاستيكي (مشابه باربرداري در نمونه‌هاي تحت آزمايش كشش) شده كه با توجه به درجه حرارت نوار، مطابق مسيرEF ادامه خواهد داشت. در درجه حرارت T3 (نقطه G) سطح تنشها در نوار در سطح تنش تسليم فلز در اين درجه حرارت خواهد شد. با كاهش بيشتر درجه حرارت ، تنش تسليم (و در نتيجه سطح تنش‌ها در نوار) افزايش يافته و تغيير شكل پلاستيكي (كششي) در نوار بوجود مي‌آيد (مسير GH). نتيجتاً اينكه سيكل حرارتي فوق‌الذكر منجر به ايجاد تنشهاي پسماندي در سطح تنش تسليم فلز در نوار فوق‌الذكر خواهد شد. با استفاده از مدل فوق الذكر مي‌توان سطح تنش پسماند جوشي را در نقاط مختلف اطراف منطقه جوش بدست آورد.

چنانچه درجه حرارت حاصله در نقطه بررسي پايين‌تر از T1 باشد، تنها تغيير شكل الاستيكي در آن نقطه بوجود مي‌آيد. براي فولادهاي جوشي اين درجه حرارت بين 300-150 درجه سانتيگراد مي‌باشد. در درجه حرارت بين T1 و T4 سطح تنشهاي پسماند پايين‌تر از تنش تسليم جسم بوده و چنانچه درجه حرارت نقطه مورد بررسي از T4 بيشتر شود، تنشهاي پسماند در سطح تنش تسليم فلز خواهد بود.

 

[spow 44197]

از بررسي فوق‌الذكر نتيجه مي‌شود كه تنشهاي پسماند جوشي در جهت موازي با جهت جوش (Longitudinal) در فلز جوش و نواحي نزديك به آن از نوع كششي و در حد تنش تسليم فلز بوده و با افزايش فاصله از مركز جوش سطح اين تنش‌ها كاهش مي‌يابد . به جهت اصل خود تعادلي براي اينگونه تنشها ، لزوماً بايد تنشهاي فشاري نيز جهت بالانس كردن آنها در مناطق مجاور بوجود آيند. شكل 7 تشكيل تنشهاي جوشي طولي را در مقاطع مختلف يك اتصال جوشي در حين جوشكاري نشان مي‌دهد. در شكل 7 حوضچه مذاب جوش با سرعت v به سمت جلو حركت كرده و در نقطه O بسر مي‌برد . در مقطع A-A ، كه در جلوي حوضچه جوش قرار دارد، هنوز تغييرات عمده درجه حرارت صورت نگرفته و بنابراين تنشهاي جوشي مربوطه صفر مي‌باشند. در مقطع B-B (از ميان حوضچه) ، قطعه كار داراي شديدترين شيب حرارتي بوده و درجه حرارت در مركز حوضچه جوش ماكزيمم مي‌باشد. در مقطع C-C در پشت حوضچه مذاب جوش، به واسطه سرد شدن و كاهش نسبي درجه حرارت ، از شيب حرارتي كاسته شده و بالاخره در مقطع D-D كه به حد كافي از محل حوضچه جوش دور مي‌باشد، سرد شدن كامل بوقوع پيوسته و درجه حرارت آن برابر با درجه حرارت عمومي قطعه كار شده است.

تنشهاي جوشي در مقطع B-B و در محل حوضچه جوش ، به دليل اينكه مذاب نمي‌تواند نيروي كششي را تحمل كند، برابر صفر مي‌باشد. در اين مقطع و در نزديكي حوضچه جوش ، تنشهاي جوشي از نوع فشاري بوده كه با فاصله گرفتن از محل جوش كاهش يافته و به تدريج تنشهاي كششي به جهت بالانس كردن آنها توسعه مي‌يابند درجه حرارت و در نتيجه تغيير شكلهاي حرارتي در مقطع بالا بوده ولي به علت پايين بودن تنش تسليم جسم، سطح تنشهاي جوشي نيز پايين مي‌باشد. در مقطع C-C ، كه حوضچه مذاب منجمد شده و فلز اطراف نيز تا حدي سرد شده است، فلز جوش و اطراف آن تا حدي منقبض شده كه با توجه به ممانعت فلز اطراف آن، تنشهاي كششي در اين منطقه توسعه يافته‌اند. در مركز جوش اين تنشها در سطح تنش تسليم جسم در درجه حرارت مربوطه بوده و در فواصل دورتر ، تنشهاي فشاري جهت بالانس كردن تنشهاي كششي توسعه يافته‌اند. در مقطع D-D تنشهاي جوشي در منطقه جوش و اطراف نزديك به آن از نوع كششي و در حد تنش تسليم فلز در درجه حرارت محيط بوده و سطح اين تنشها با افزايش فاصله از مركز جوش به سرعت كاهش يافته و به سمت تشكيل تنشهاي فشاري جهت بالانس كردن تنشهاي كششي ميل مي‌كند.

 

همانگونه كه ملاحظه مي‌شود ، تشكيل تنشهاي جوشي ناشي از كرنش‌هاي حرارتي بوده كه بواسطه گرم و سرد شدن موضعي و غيريكنواخت در محل حوضچه جوش و اطراف آن و ممانعت محيط (فلز) اطراف ايجاد مي‌شوند . اين كرنشها در منطقه جوش و مجاور نزديك آن ، كرنش پلاستيكي بوده كه هم در حين گرم شدن و هم در حين سرد شدن بوجود مي‌آيند. منطقه‌اي كه در آن كرنشهاي حرارتي ايجاد مي‌شود كم يا بيش توسط محيط (فلز) اطراف خود مهار يا ممانعت (Restraint) مي‌شود. چنانچه قطعه كار آزاد بوده و به قطعات ديگر متصل نباشد ، اين نوع مهار از نوع مهار اوليه ( Primary restraint ) بوده چنانچه قطعه كار بنوبه خود به قطعات ديگر متصل باشد ، درجه مهار بالاتر بوده و مهار ثانويه (Secondary restraint ) نيز در شكل‌گيري تنشهاي پسماند دخيل خواهد بود . بنابراين سطح و توزيع تنشهاي پسماند جوشي بستگي به مهار اوليه (ناشي از نوع اتصال جوشي ) و مهار ثانويه ( ناشي از ابعاد كلي قطعه و نحوه درگيري آن ) دارد . براي تنشهاي پسماند طولي ( Longitudinal residual stresses ) مهار اوليه قوياً تعيين كننده بوده و مهار ثانويه اثر كمي دارد . بنابراين صرفنظر از اينكه ابعاد كلي قطعه كار و نگهداري آن به چه صورت باشد مي‌توان براي تخمين سطح و توزيع تنشهاي پسماند طولي در اتصالات ورقي جوشي از شكل 8 استفاده نمود.

لازم به توضيح است كه در قسمتهاي ابتدايي وانتهايي يك جوش طولي تنشهاي پسماند طولي به سرعت كاهش يافته و به صفر مي‌رسند. به عنوان يك قاعده سرانگشتي مي‌توان اظهار نمود كه تنشهاي طولي در يك جوش از فاصله 150mm دو سر جوش شروع به كاهش نموده و در دو انتها به صفر مي‌رسند . چنانچه طول جوشي بيش از 300mm باشد در وسط آن سطح تنشهاي پسماند جوشي در حد تنش تسليم فلز خواهد بود. يك اتصال جوشي در جهت عرضي ( عمود بر جهت جوشكاري ) نيز منقبض شده (Transverse shrinkage) كه منجر به ايجاد تنشهاي پسماند عرضي (Transverse residual shrinkage ) مي‌شود . اصول ايجاد اين تنشها نظير تنشهاي طولي بوده با اين تفاوت كه مهار اوليه در شكل‌گيري آنها كمتر مؤثر بوده و مهار ثانويه مهم مي‌باشد . در شكل 8 سطح و توزيع تنشهاي عرضي بطور شماتيك نشان داده شده است . در قسمت مياني جوش ، تنشها از نوع كششي بوده و در قسمتهاي انتهايي تنشهاي فشاري به جهت بالانس كردن تنشهاي كششي ايجاد شده‌اند . حداكثر سطح تنشهاي عرضي به واسطه مهار اوليه در حدود 25% ميزان تنش تسليم فلز مي‌باشد . چنانچه قطعه كار در جهت عرضي مهار شده باشد ، ممانعت ثانويه ايجاد شده كه بسته به درجه مهار منجر به افزايش سطح اين تنشها مي‌شود .

 

تنشهاي پسماند جوشي همچنين مي‌توانند در جهت ضخامت نيز به وجود آيند . در مقاطع نازك (كمتر از 30mm ) سطح اين تنشها در جهت ضخامت ناچيز و قابل صرفنظر كردن مي‌باشد ، ليكن براي مقاطع ضخيم‌تر سطح اين تنشها مي‌تواند در سطح تنش تسليم فلز بوده و توزيع پيچيده‌اي همراه داشته باشد . بنابراين ، بطور كلي تنشهاي پسماند جوشي ، كم يا بيش سه بعدي بوده ، به ويژه اينكه اتصال جوشي در سه جهت عمود به هم مهار شده باشد .

تنشهاي پسماند جوشي معمولاً روي خواص استحكامي استاتيكي قطعه و يا شكست پلاستيكي (Plastic Collapse) آن اثر قابل توجهي نداشته و ليكن چنانچه خواص سمجي جوش پايين باشد ، امكان ترك خوردگي وجود داشته و اين تنشها مي‌توانند به تنهايي باعث شكست موضعي يا كامل قطعه شوند . بي‌مناسبت نخواهد بود چنانچه اشاره شود كه در بعضي از سوانح بزرگ در سازه‌هاي جوشي ( ريزش كامل پلهاي فلزي و يا دونيم شدن كشتيهاي توليد شده با اتصالات جوشي )‌ تنشهاي پسماند جوشي مهمترين عامل سانحه بوده‌اند. تنشهاي پسماند (‌طولي)‌ جوشي در اتصالات نازك فلزي مي‌توانند منجر به كمانش پوسته (Buclkling) سازه شوند. تنشهاي پسماند جوشي همچنين مي‌توانند موجب كاهش خواص استحكام و خستگي اتصالات مربوطه شده و در اين رابطه بهتر است كه طول مسير جوش حداقل بوده و اتصال جوشي طوري طراحي شود كه در محلهاي دور از محلهاي مركز تنش و يا حتي‌المقدور در محلهايي با تنشهاي فشاري قرار گيرد .

بطور خلاصه مي‌توان از عوامل زير به عنوان مهمترين عوامل در تشكيل تنشهاي پسماند جوشي نام برد .

1- حرارت دادن موضعي و غير همگون

2- تغيير شكل ( كرنش ) حرارتي

3- وابستگي تنش تسليم فلز به درجه حرارت

4- درجه مهار يا ممانعت قطعه كار