ساخت و تولید

معرفی ونمایش مطالب ومقالات علمی ونمونه سوال در زمینه رشته ساخت وتولید

کاربرد شیوه تنش گیری ارتعاشی برای کاهش تنش های پسماند در قطعات جوشکاری شده

چکیده

تنش های پسماند در تعریف تنش هایی در بدنه الاستیک هستند که در نتیجه نیروها یا موانع خارجی و شیب حرارتی ایجاد می شوند. این نوع تنش ها در قطعات جوشکاری شده به واسطه توزیع غیر یکنواخت حرارت در حوزۀ جوش، انقباض، انبساط و تغییر شکل موضعی در قطعه به وجود می آیند. تاثیر تنش های پسماند جوشی بر شکست، خستگی و خوردگی توام با تنش(scc) سازه های جوشکاری شده در طی سرویس دهی در اکثر مواقع نگران کننده است. لذا کاهش تنش های پسماند برای جلوگیری از بروز چنین عیوبی از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشد. تنش گیری ارتعاشی قطعات جوشکاری شده یکی از روش های کاهش تنش های پسماند است که در سال های اخیر به ویژه در مورد قطعاتی که امکان تنش گیری حرارتی در آنها وجود ندارد مورد توجه قرار گرفته است. این روش، تنش های پسماند را تا کمترین میزان و نزدیک به تعادل استاتیکی کاهش می دهد. شایان ذکر است که شیوه تنش گیری ارتعاشی توسط پژوهشگران جهان به منظور تنش گیری مورد استفاده قرار می گیرد

کلمات کلیدی : تنش های پسماند، تنش گیری ارتعاشی، قطعات جوشکاری شده.


  

مقدمه

موضوع تنش گیری امری است که بیشتر مردم درگیر با شغل های مرتبط با فلزکاری اطلاع کافی از آن نداشته و در این زمینه آنچنان که باید متبحر و زبردست نیستند. لذا، تنش گیری موضوعی است که بیشتر آن ها از آن اجتناب می کنند. به کمک اطلاعاتی اندک، عامه مردم می توانند یک درک پایه ای از تنش های پسماند و اینکه چگونه با آن ها مقابله نمایند، پیدا کنند. با این دانش، آمادگی صنعتگران برای ارزیابی مشکلات کاری بهتر شده و یک راه حل گرانقدر و ارزنده در این زمینه پیدا خواهند کرد. در نهایت این اطلاعات جواب بسیاری از سوالاتی که اغلب در مورد تنش گیری ارتعاشی پرسیده می شود را خواهد داد.

تنش های پسماند در تعریف تنش هایی در بدنه الاستیک هستند که در نتیجه نیروها یا موانع خارجی و شیب حرارتی ایجاد می شوند. غیریکنواختی مناطق مختلف فلز توسط تغییر شکل پلاستیکی ناهمگن ایجاد شده و علت اصلی ایجاد سیستم های تنشی داخلی است. این عدم تطابق یا ناهمخوانی بین نواحی مجاور سبب اعوجاج این نواحی می شود. این وضعیت می تواند بسته به شدت و جهت این تنش ها بسیار خطرناک و یا بسیار سودمند باشد، به گونـه ای که تنش های فشاری ایجـاد شده توسط فرایند ساچمه زنی می تواند مفید باشد؛ در حالی که تنش های کششی ایجاد شده در اطراف ناحیه جوش می تواند مضر باشد.

 

پس از اتمام جوشکاری، تنش های پسماند در قطعه افزایش یافته، به گونه ای که می توانند منجر به اعوجاج قطعه گردند؛ از این رو مقادیر بالای تنش های پسماند کششی ایجا شده می توانند عمر خستگی قطعه جوشکاری شده را کاهش دهند، بنابراین نیاز به فرایند تنش گیری به شدت احساس می شود.

 

تنش های پسماند به سختی قابل تصور هستند، به گونه ای که اندازه گیری، محاسبه و پیش بینی آنها شدیداً دشوار می باشد. با این حال آن ها فقط در عملکرد قسمتی از قطعه که نیروهای ظاهری اعمال می شوند مهم می باشند، که آن هم به راحتی قابل اندازه گیری و محاسبه است. تنش های پسماند موجود در ماده اساساً با یکی از روش های حرارتی، متالوگرافی، مکانیکی و یا شیمیایی قابل نشان دادن هستند.

 

 

 

مکانیزم تنش گیری ارتعاشی و نحوی انجام آن

 

در این شیوه قطعات تحت فرکانس پائین با دامنه بالا برای مدت زمان کوتاه بسته به وزن قطعه، تحت ارتعاش قرار می گیرند. این روش، تنش های پسماند را تا کمترین میزان و نزدیک به تعادل استاتیکی کاهش می دهد.

 

فرکانس کوتاه ارتعاشی با انرژی نوسانی بالا به قسمت های مونتاژ شده یا قسمت های ماشینکاری شده اعمال می شود. این ارتعاش های فراوان، یک بار (شارژ) تولید می کنند که مازاد بر الگوهای تنش های موجود در قطعه بوده و موجب کاهش پیک تنش های پسماند می شوند. این امر سبب تولید قطعات پایدار و کاهش اعوجاج های ناگهانی که بار ها در قطعات ناپایدار اتفاق می افتند می گردد.

 

ارتعاش های رزونانسی دامنه بالا کارایی فراوانی در کاهش قابل توجه پیک تنش های پسماند در قطعات جوشکاری شده دارند.

 

 

 

دامنه کاربرد

 

این فرآیند می تواند در مورد گستره وسیعی از فلزات آهنی و غیر آهنی مورد استفاده قرار گیرد. از آن جمله می توان به فولاد های کربنی، فولاد های زنگ نزن، آلومینیم، چدن، منگنز، اینکونل و... اشاره کرد. این فلزات می توانند در حالت های مختلف از قبیل کار شده، ریخته گری شده، فورج شده، جوشکاری شده، خام، تراشکاری شده و یا ماشین کاری شده مورد عملیات قرار گیرند.

 

تجهیزات تنش گیری ارتعاشی برای شکل هایی با اندازه های متنوع، از قطعات کوچک ریخته گری شده، شافت ها، چرخ دنده ها تا قطعات بسیار بزرگ جوشکاری شده و ماشین کاری شده که برای تنش گیری حرارتی بزرگ هستند قابل استفاده است. میز ارتعاش این سیستم می بایست به گونه ای طراحی شود که برای نگهداری قطعات بسیار کوچک تا قطعات سنگین نظیر قالب ها مناسب باشد. سیستم لرزشی این دستگاه به گونه ای است که می تواند به طور همزمان تعداد زیادی قطعه را مورد عملیات قرار دهد و در نتیجه موجب صرفه جویی در زمان شود. شکل (1) نمونه هایی از کاربرد تنش گیری ارتعاشی در قطعات جوشکاری شده را نشان می دهد.

 

تنش گیری ارتعاشی

 

 

 

شکل 1- نمونه هایی از به کارگیری روش تنش گیری ارتعاشی جهت کاهش تنش های پسماند در قطعات جوشکاری شده.

مدت زمان لازم برای انجام فرایند تنش گیریدر هر فرایند عملیاتی می بایست از یک دستورالعمل معین جهت حصول موفقیت استفاده کرد. در یک فرایند حرارتی، عملیات ها توسط یک فرایند دیکته شده کنترل می شوند. فرایند ارتعاشی یا شیوه غیر حرارتی مبتنی بر زمان بوده و وزن پایه یا وزن متراکم قطعه که شامل هر گونه تجهیزات وابسته و یا ضمائم وابسته قطعه می باشد جهت تعین طول زمان فرایند مورد استفاده قرار می گیرد.

 

زمـان عملیات می تواند گستره ای از یک دوره 1دقیقه ای کوتاه تا 1 ساعت و یا بیشتر، وابسته به اندازه نمونه، وزن نمونه و اینکه آیا لازم است بیش از یک ناحیه از قطعه تحت عملیات قرار گیرد یا نه باشد. شکل (2) مدت زمان لازم جهت تنش گیری را باتوجه به وزن قطعه نشان می دهد.

 

  

 

شکل2- زمان لازم برای تنش گیری با توجه به وزن قطعه.

 

 

شیوه تعیین کاهش تنش

 

این روش بسیار پر ارزش مشکلات ناپایداری ابعادی را حل می کند. این کاملاً آشکار است که تکنیک های اندازه گیری استاندارد، موید این مطلبند که قطعه اکنون (پس از فرایند تنش گیری) در ابعادی که قبلاً وجود داشته قرار دارد. به هر حال در بیشتر کاربردهای تنش گیری مشکل ابعادی عمده ای وجود ندارد و قطعه به نظر می رسد قبل و بعد از عملیات از لحاظ ابعادی یکسان است. حال چگونه؟ آیا هیچ روش ساده ای برای تشخیص کیفیت کار انجام شده وجود دارد؟ متاسفانه نه! البته برخی تکنیک های ضعیف و موافق اصول علمی غیر قابل اثبات وجود دارند. برخی از این شیوه ها مدعی هستند که تغییرات جریان موتور وسیله ای جهت مشخص کردن این امر است. 

 

گواه کم‍ّی واقعی کارآیی و راندمان تنش گیری را می توان برای هر فلز مورد استفاده با ابزار تحلیلی صحیح بیان شود. تفاوتی نمی کند که شما از فرایند حرارتی، ارتعاشی و یا تکنیک برودتی برای تنش گیری استفاده کرده باشید. شما می بایست برای تحلیل کارتان فقط به شیوه های تحلیلی مشخص و تایید شده اعتماد کنید. این امر بسیار مهم است؛ زیرا تنها نیاز به دانستن شدت تمرکز تنش نیست، بلکه دانستن نوع تنش (کششی یا فشاری) نیز بسیار مهم و ضروری است. ابزار یا تکنیک ساده قابل دسترسی که بتواند تمام داده های مورد نیاز برای شی سه بعدی را فراهم کند، وجود ندارد. با این حال، برخی تکنیک های اندازه گیری توسط محققین به خوبی مورد استفاده قرار می گیرند. توصیه بر آن است جهت که تعین میزان کاهش تنش در قطعه عملیات شده، از تکنیک تفرق اشعه X (83-E915ASTM)، آزمایش روزنه سرعت بالا با کرنش سنج       (E837-85ASTM) یا شیوه آنالیزی نویز بارکهاوزن برای مواد فرومغناطیس استفاده شود.

 

 

آیا به کارگیری و استفاده از این روش مشکل است ؟

 

نه اصلاً ! برای استفاده از این روش یک سری قواعد وجود دارد که می بایست در تمام کاربردها از آنها پیروی کرد. اولین لازمه این روش این است که قطعه به اندازه ای که عملاً امکان پذیر است عایق شود و سپس به طور آزادانه مورد ارتعاش قرار گیرد و چنانچه این امر محقق نگردد انجام این فرایند امکان پذیر نیست. دستگاه ارتعاش می بایست به نحوی در جای خود تعبیه شود که این امر در ناحیه کاری، ممکن باشد. دستگاه باید برای فرستادن انرژی ارتعاشی به قطعه کار، مستقیماً به آن کوپل شود، که برای کامل کردن این امر می توان از گیره، اتصال یا فیکسچر استفاده کرد. یکی دیگر از شرایط این روش آن است که قطعه باید برای یک حداقل دوره زمانی، متناسب با وزن قطعه، مورد ارتعاش قرار گیرد. البته قطعات می توانند برای دوره های طولانی تر بدون هیچگونه خطر خستگی و یا کاهش استحکام کششی مرتعش شوند. تجهیزات این روش با کاربرد آسان به گونـه ای طراحی شده اند که هم قابل استفاده برای محیط های کارخانه ای بوده و هم مناسب کاربردهای خارج از کارخانه می باشند.

 

 

آیا این روش، روش مناسبی برای جایگزینی فرایندهای حرارتی است ؟

 

شیـوه حرارتی منحصراً جهت بالا بردن پایداری ابـعادی قطعه مورد استفاده قـرار می گیرد. شیوه ارتعاشی می تواند جهت دستیابی به بیشتر اثرات با ارزش، جایگزین این روش شود. این روش همچنین به ماشین کار و سازنده، این امکان را می دهد که قطعاتی را از نقاط گوناگـون به صورت سرتاسری مورد عملیات قـرار دهد که در صورت استفاده از روش دیـگر این امر پر هزینه بوده یا غیر ممکن است.

 

فرایند تنش گیری حرارتی در صورتی برای بیشتر فلزات مناسب است که یک سری محدودیت ها اعمال شود. در حالی که تنش گیری ارتعاشی انتخابی به مراتب بهتر است. برای مثال، AWS D1.1، عملیات حرارتی را برای فولادهای A514،A517 ، A709 یا ماده گرید100 را توصیه نمی کند. در مورد فولادهای کربنی یا کم آلیاژ باید گفت که گر چه ممکن است که این فولادها تغییرات نا مطلوب را در ریز ساختار خود تحمل کنند، اما این امر سبب کاهش خواص مکانیکی آنها می شود. همچنین توجه به این نکته ضروری است که اعوجاج، اکسیداسیون، کاهش مقاومت به خوردگی و یا ترک بین دانه ای ممکن است در نتیجه عملیات حرارتی ایجاد شود. شکل (3) نحوی توزیع تنش های پسماند قبل از تنش گیری و پس از تنش گیری با دو روش حرارتی و ارتعاشی را نشان می دهد.

 

امروزه شرکت های زیادی در سرتا سر جهان از این روش برای کاهش تنش های پسماند در تولیدات صنعتی خود استفاده می کنند. در جدول (1) به برخی از شرکت های استفاده کننده از این شیوه جهت تنش گیری اشاره شده است.

 

 

شکل 3- نمودار نحوی توزیع تنش در ناحیه اطراف خط جوش، : a قبل از تنش گیری، b: بعد از تنش گیری ارتعاشی و : c بعد از تنش گیری حرارتی.

 

جدول1- شرکت های که از تنش گیری ارتعاشی در تولیدات صنعتی خود استفاده می کنند.

 

کشور

شرکت

کشور

شرکت

Canada

Accurate Mold

Japan

Mitsubishi Motors

Holland

Hydraudyne

Korea

Hyundai Shipbuilding

Brazil

Aerospacial S.A

France

Cellier S.A

France

Citroen

Korea

Dae Woo

canada

Marine Industries Foresteel Div

Taiwan

Taiwan Power Co

Japan

Mitsui

Sweden

Uddeholm Steel

Brazil

Holstein-Kappert

USA

American Hoist Company

India

McNally Bharat

Peru

Ferio Del Pacifico

 

محدودیت ها

 

این پدیـده برای قطعات تولید شده از طریق فرایند اکستروژن و یا قطعات شدیداً کار سرد شده توصیه نمی شود. در مورد قطعات بسیار بزرگ، بسیار بلند و یا اشکال فضایی باز، برای انجام فرایند نیاز به، به کارگیری چندین موقعیت برای لرزش می باشد که این امر نیازمند زمان زیادی است. همچنین در مورد قطعات بسیار کوچک در مقادیر بالا می توان از فرایند عملیات حرارتی استفاده کرد. این شیوه با فرایند های جوشکاریSMAW،GMAW ، GTAW(در مورد قطعات جوشکاری شده و مواردی که از ارتعاش در طی فرایند جوشکاری استفاده می شود) سازگار بوده و در مورد سایر فرایند های جوشکاری ممکن است مشکلات لجستیکی مضری ایجاد شود.

 


 

زمان مناسب برای انجام فرآیند تنش گیری

 

قطعات ممکن است در هر مرحله ای از فرایند صنعتی به شرطی که در دسترس و قابل وصول باشند تنش گیری شوند. در بیشتر کاربرد ها، این فرایند به منظور تنش گیری محل اتصال خار در فرایند های صنعتی، یعنی پس از خشن تراشی، مته زنی، سنگ زنی و... انجام می گیرد. در مورد قطعات جوشکاری شده، تنش گیری می تواند در طی فرایند جوشکاری انجام گیرد، که این امر می تواند در جلو گیری از افزایش تنش پسماند که سبب ترک یا اعوجاج در برخی قسمت های قطعه می شود بسیار مفید باشد.

 

از آنجایی که عمل ذوب، شیب دمایی بالایی را در یک بازه زمانی کوتاه ایجاد می کند، تنش های پسماند بیشتر به صورت دینامیکی ایجاد می شوند؛ با این وجود می توان فرایند تنش گیری را برای قطعه جوشکاری شده فوراً پس از اتمام جوشکاری و یا در یک بر نامه مداوم و روتین در حین جوشکاری انجام داد.

نویسندگان : محسن جمالی، حسین جمالی (فصلنامه جوشکاری شماره57)

[ ۱۸ آذر ۱۳٩٠ ] [ ۸:٠٧ ‎ب.ظ ] [ مجید غفاری ] [ نظرات () ]
مجله اینترنتی دانستنی ها ، عکس عاشقانه جدید ، اس ام اس های عاشقانه