نحوه تشکیل تنش پسماند کششی در جوش

تنش پسماند تنشی است که بر اثر انجام عملیات خاصی در جسم با قی می مانند و در حالی که جسم تحت هیچ بار گذاری خارجی نیست نیز وجود دارد . طبیعت تنش پسماند به گونه ای است که در مقابل هر تنش کششی تنش فشاری نیز باید وجود داشته با ئشد ،به گونه ای که جسم در حالت تعادل با قی بماند که به این حالت ، حالت خود تعادلی می گویند .

علت اینکه شناسایی چنین تنشهایی برای مامهم است این است که وقتی جسم تحت تنش خارجی قرارمی گیرد .این تنش خارجی به تنش پسماند موجودافزوده می شود . پس اگردر منطقه ای تنش پسماند کششی داشته با شیم و بارگذاری ما نیزتنش کششی باشد سطح تنش درآن منطقه بالاتر از آنچه که تنها با لحاظ تنش کششی خارجی بد ست می آید خواهدبود .لذا در صورتی که تنش کششی پسماند داخلی را در نظر نگیریم و قطعه را تنها بر اساس تنش اعمالی خارجی طراحی می کنیم ممکن است دراثرتنشهای

پسماندخارجی تنش در قطعه از حد تسلیم آن بالاتر رفته وباعث شکست آن گردد.یکی ازفرایندهایی که باعث ایجاد تنش پسماند در سازه ها می گردد جوی است .که به علت گرم و سرد شدن های متوالی جوش و مناطق نزیدک جوش و عدم امکان جابه جایی در بعضی جهات ، تنشهای پسماند داخلی در جوش و مناطق مجاور آن بوجود می اید .

مقدارانبساط وتغییر شکل جسم در مقابل گرمامتناسب با درجه حرارت می باشد . اصولاً با افزایش درجه حرارت تا نقطه ذوب فلز شاهد انبساط در آنها خواهیم بود .حال هنگامی که در نقطه ای از جسم درجه حرارت به طور موضعی افزایش یابد در اطراف آن یک شیب حرارتی بوجود می آیدکه می خواهد باعث تغییر شکل و انبساط نقطه ای که دمای آن افزایش پیدا کرده است بشود ،ولی از اطراف توسط فلزی که این نقطه را احاطه کرده اند و میل به تغییر شکل نداردبا تغییر شکل این نقطه مقابله می شود،لذا مناطق نزدیک این نقطه تحت تنش

فشاری قرار می گیرند و در صورتی که تنش فشاری موجود از حد تسلیم بیشتر شود با عث تغییرکل پلاستیک این منطقه می شود .در حین سرد شدن منطقه ای که گرم شده بود شاهدانقباض مو ضعی خواهیم بود که باعث ایجاد تنش کششی در مجاورت این نقطه درحد تنش تسلیم فلزخواهد بود .حال اگر بخواهیم تشکیل تنش پسماند در جوش را تو ضیح بدهیم ابتدا مدل زیر را در نظر میگیریم .

سه میله ۱و۲و۳ اردر نظر بگیرید که توسط صفحات صلب۴و۵ از دو طرف محدود شده اند با گرم شدن میله ۲ اگر دمای آن به اندازه T افزایش یابد این میله در حالت آزاد به اندازه alT افزایش طول پیدا می کند ولی میله های ۱و۳ چون تغییردمایی نداشته اند در مقابل تغییر طول مقاومت می کنند،لذا تنشی در آنها القا می شودکه کششی است وعکس العمل این تنش به میله ۲ وارد می شود که تنش فشاری است لذابه این ترتیب با گرم شدن میله دو میلهای ۱و۳ تنش کششی و در میله ۲ تنش فشاری خواهیم داشت .درجوش نیزچنین حالتی راخواهیم داشت . البته دربحث راجع به تنشهای تسلیم جوش به این نکته نیز باید توجه داشته با شیم که تنش تسلیم فو لادها با افزایش درجه حرارت مطابق کاهش می یابد.

در نظربگیرید که یک اتصال جوشی بین دو ورق بزرگ بوجودآمده ودرمنطقه ای نواری شکل در فاصله مشخصی ازمرکز جوش مورد بررسی می باشد فرض می شود که نوارمورد بررسی درجهت طولی خود کاملاً مهار شده و تغییر شکلی در این جهت ندارد .قبل ازگرم کردن ، نوار فاقد تنش بوده و وضعیت آن با نقطه A در نشان داده شده است .درحین گرم کردن ،این نوار متمایل به انبساط بوده و لیکن وسط محیط (فلز) اطراف خود که درجه حرارت پایین تری دارد از انبساط آن ممانعت می شود و در نتیجه تحت تا ثیر تنشهای فشاری قرار می گیرد.

تغییر شکل در نوار در ابتدا الاستیک بوده و با افزایش درجه حرارت افزایش یا فته و در درجه حرارت T1 تغییر شکل پلاستیکی شروع می شود (مسیرABC با افزایش درجه میزان تنش تسلیم جسم کاهش یافته و تغییرشکل پلاستیکی نوار افزایش می یابد( مسیرCDE) چنانچه T2 حدا کثر در جه حرارتی باشد .که در نوار اعمال می شود ، تغییر شکل پلاستیکی فشاری تا نقطه E ادامه خواهدیافت . در هنگام سرد شدن ، نوارمورد بررسی تمایل به انقباض داشته که منجربه تغییر شکل الاستیکی(مشابه باربرداری درنمونه های تحت آزمایش

کشش) که با توجه به درجه حرارت نوار،مطابق مسیر EF ادامه خواهد داشت . در درجه حرارت T3(نقطهG) سطح تنشها در نوار در سطح تنش تسلیم فلز در این درجه حرارت خواهد شد .با کاهش بیشتر در جه حرارت ، تنش تسلیم( و درنتیجه سطح تنش ها در نوار ) افزایش یافته وتغییر شکل پلاستیکی( کششی) در نوار بوجود می اید ( مسیرGH ). نتیجتاً اینکه سیکل حرارتی فوق الذکر خواهدشد . با استفاده از مدل فوق الذکر می توان سطح تنش پسماند جوشی رادر نقاط مختلف اطراف منطقه جوش بدست آورد.

چنانچه در جه حرارت حا صله در نقطه بررسی پایین تر از T1تنها تغییر شکل الاستیکی در ان نقطه بوجود می آید . برای فو لادهای جوشی این در جه حرارت بین ۳۰۰-۱۵۰ در جه سانتی گراد می باشد . در درجه حرارت بین T1 وT4 سطح تنشهای پسماند پایین تر از تنش تسلیم جسم بوده و چنانچه در جه حرارت نقطه مورد بررسی از T4 بشتر شود ، تنشهای پسماند در سطح تنش تسلیم فلز خواهد بود .

ازبررسی فوق الذکر نتیجه می شودکه تنشهای پسماند جوشی در جهت موازی با جهت جوش (Longitudinal)در فلزجوش و نواحی نزدیک به آن از نوع کششی و در حد تنش تسلیم بوده وبا افزایش فا صله از مرکزجوش سطح این تنش ها کاهش می یابد .به جهت اصل خود تعادلی برای اینگونه تنشها ، لزوماًباید تنشهای جوشی طولی رادرمقاطع مختلف یک اتصالی جوشی درحین جوشکاری نشان می دهد . در حوضچه مذاب جوش با سر عت v به سمت جلو حرکت کر ده و درنقطه O بسر می برد . در مقطع A-A ، که در جلوی حوضچه جوش قرار دارد ، هنوز تغییرات عمده درجه حرارت صورت نگرفته و بنابراین تنشهای جوشی مر بوطه صفر می باشند .تغییرات عمده درجه حرارت صورت نگرفته وبنابراین جوشی مربوطه صفرمی باشند در مقطع B-B( از میان حوضچه)، قطعه کاردارای تنشهای شد ید تری شیب حرارتی بوده و درجه حرارت درمرکز حوضچه جوش ما کزیمم می باشد در مقطع C-C در پشت حو ضچه مذاب جوش ، به وا سطه سرد شدن و کاهش نسبی درجه حرارت ، از شیب حرارتی کاسته شده و با لاخره در مقطع D-D که به حد کافی ازمحل حوضچه جوش دورمی باشد،سرد شدن کامل بوقوع پیو سته و در جه حرارت آن برابربا در جه حرارت عمومی قطعه کار شده است .

تنشهای جوشی در مقطع B-B و در محل حوضچه جوش ، به دلیل اینکه مذاب نمی توان نیروی کششی را تحمل کند، برابر صفر می باشد . در این مقطع ودر نزدیکی حو ضچه جوش ، تنشهای جوشی از نوع فشاری بوده که با فا صله گر فتن ازمحل جوش کاهش یافته وبه تدریج تنشهای کششی به جهت با لانس کردن آنها تو سعه می یابند در جه حرارت و در نتیجه تغییر شکلهای حرارتی در مقطع بالا بوده ولی به علت پایین بودن تنش تسلیم جسم ، سطح تنشهای جوشی نیز پایین می باشد . در مقطع C-C که حوضچه مذاب منجمد شده و فلز اطراف نیز تا حد سرد شده است ، فلز جوش و اطراف آن تا حدی منقبض شده که با توجه به به ممانعت فلز اطراف آن، تنشهای کششی در این منطقه توسعه یافته اند . در مرکز جوش این تنشهادر سطح تنش تسلیم جسم دردرجه حرارت محیط بوده و سطح این تنشها با افزایش فاصله از مرکز جوش به سرعت کاهش سافته و به سمت تشکیل تنشهای فشاری جهت بالانس کردن تنشهای کششی میل می کند .

همانگونه که ملاحظه می شود، تشکیل تنشهای جوشی ناشی از کرنشهای حرارتی بوده که بو اسطه گرم و سرد شدن مو ضعی و غیر یکنواخت در محل حو ضچه جوش و اطراف آن و ممانعت محیط ( فلز) اطراف ایجاد میشوند . این کرنشها در منطقه جوش و مجاور نزدیک ان ، کرنش پلاستیکی بوده که هم در حین گرم شدن و هم در حین سرد شدن بوجود می آیند . منطقه ای که در آن کرنشهای حرارتی ایجاد می شود کم یا بیش تو سط محیط( فلز ) از اطراف خود مهار یا ممانعت (Restraint) می شود . چنانچه قطعه کار آزاد بوده وبه قطعات دیگر

منصل نباشد ، این نوع مهار از نوع مهار اولیه (Primary restraint) بوده و چنانچه فقطعه کار بنوبه خود به قطعات دیگر متصل با شد ، در جه مهار بالاتر بوده و مهار ثا نویه ( Secondary restraint) نیز درشکل گیری تنشهای پسماند دخیل خواهد بود و بنابراین سطح و توزیع تنشای پماند جوشی بستگی به مهار اولیه ( ناشی از نوع اتصالی جوشی) ومهار ثا نویه ( ناشی از ابعاد کلی قطعه و نحوه در گیری ان ) دارد .برای تنشهای پسماند طولی) Longitudinal residual stresses) مهار اولیه قو یاً تعیین کننده بوده و مهار ثا نویه اثر کمی دارد .و بنابراین صرفنظر از اینکه ابعاد کلی قطعه کار و نگهداری ان به چه صورت با شد می توان برای تخمین سطح و توزیع تنشهای پسماند طولی در اتصالات ورقی جوشی از ا ستفاده نمود.

لازم به تو ضیح است که در قسمتهای ابتدایی و انتهایی یک جوش طولی تنشهای پسماند طولی به سرعت کا هش یا فته وبه صفر می رسند . به عنوان یک قاعده سر انگشتی می توان اظهار نمود که تنشهای طولی در یک جوش از فا صله ۱۵۰mm دو سر جوش شروع به کا هش نموده ودر دو انتهابه صفرمی رسند . چنانچه طول جوشی بیش از ۳۰۰mm باشد در وسط آن سطح تنشهای پسماند جوشی در تنش تسلیم فلز خوهد 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 ) می شود. اصول ایجاد این تنشها نظیر تنشهای طولی بوده با این تفاوت که مهار اولیه در شکل گیری انها مو ثر بوده و مهار ثا نویه مهم می باشد . در 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 شده اند.حدکثر سطح تنشهای عرضی به واسطه مهار اولیه در حدود ۲۵% میزان تنش تسلیم فلز می باشد و چنانچه قطعه کار در جهت عر ضی مهار شده با شد، ممانعت ثا نویه ایجاد شده که بسته به در جه مهار منجر به افزایش سطح این تنشها می شود.

تنشهای پسماند جوشی همچنین می توانند در جهت ضخامت نیز به وجود آیند . در مقا طع نازک ( کمتر از ۳۰mm ) سطح این تنشها در جهت ضخامت نا چیزو قابل صرفنظر کردن می باشد ، لیکن برای مقاطع ضخیم تر سطح این تنشه می تواند در سطح تنش تسلیم فلز بوده و توزیع پیچیده ای همراه داشته با شد .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 ویا 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 می توانند به تنهایی با عث شکست موضعی یا کامل قطعه شوند .بی مناسبت نخواهد بود چنانچه اشاره شود که در بعضی از سوا نح بزرگ در سازه های جوشی ( ریزش کامل پلهای فلزی و یا دونیم شدن کشتیهای تولید شده با اتصالات جوشی) تنشهای پسماند جوشی مهمترین عامل سا نحه بوده اند . تنشهای پشماند ( طولی ) جوشی در اتصالات نازک فلزی می توانند منجر به کمانش پوسته ( Buclkling) سازه شوند . تنشهای پسماند جوشی همچنین می توانند موجب کا هش خواص استحکامو خستگی اتصالات مربوطه شده و در این را بطه بهتر است که طول مسیر جوش حداقل بوده و اتصال جوشی طوری طراحی شود که در محلهای دور از محلهای مرکز تنش ویا حتی المقدور در محلهایی با تنشهای فشاری قرار گیرد .

بطور خلاصه می توان از عوامل زیر به عنوان مهمترین عوامل در تشکیل تنشهای پسماند جوشی نام برد.
۱٫ حرارت دادن موضعی وغیر همگون
۲٫ تغییر شکل ( کرنش) حرارتی
۳٫ وابستگی تنش تسلیم فلز به درجه حرارت
۴٫ درجه مهار یا ممانعت قطعه کار.

فصل پنجم:
تجزیه و تحلیل تجربی تنش های پسماند درلوله های جوش داده شده
۱٫ مقدمه: دراین بحثبه موضوع مشکل شکل بندی تنش پسماند در تیوبهای مارپیچ جوش خورده در حین برنامه های ساخت تکنیکی و احتمال کاش آن توسط فرایندهای تکنولوژی پس از آن اختصاص دارد . مقاله به طور سلیس و سریح ادامه کارهای روان و سلیس منتشر شده سی ونهمین کمفرانس بین المللی EAN در تابور) Taboor)است. در انجا نتایج اندازه یگری تنش پسماند پس از دو فرایند تکنولوژی لایه بردار در کارخانه تولید ورق استچل( Stechel) و پس از آن خمش ان قبل از جوشکاری این مقاله در بر گیرنده نتایج حاصل از اندازه گیری فشار

پسماند پس از فرایندهای پی در پی تکنو لو ژی است . فرایندهای جوشکاری حلقوی تستهای فرایند گرم کردن و سپس سرد کردن دوماده ای که برای فرایندجوش حلقوی فشار الکتریکی استفاده شدند ازتیوپ ساخته شدند(لوله –Tube) فولاد B37A ی ساختمانی وفولادریزآلیاژی اندازه گیری فشارتنش پسماند برای دو نوع فرایند مختلف تکنو لوژی انجام پذیرفت تابدین طریق مقدار پایه ای برای بهینه سازی فرایندهای ساخت کارخانه ای لوله های جوش خورده مشخص شود . روش اندازه گیری تنش پسماند استفاده شد .
۲٫ تنشهای پسماند پس ازجوشکاری حلقوی

جوشکاری حلقوی پس از انجام لایه برداری و خمش انجام گرفت و در روش گوناگون و متفاوت تکنولوژی برای جوشکاری انجام شد و پس با هم مقا یسه شدند . بیشترین توجه برای اندازه گیری تنش پسماند نزدیک جوش حلقوی در مرز وسرخط تیوب انجام گرفت . شکل ۱ ارائه کننده مکانهای الصاق ووصل کردن پسماند و درجه های اندازه گیری فشار برای اندازه گیری تنش پسماند در نزدیکیو مجاورت یکی از نمونه ها در شکل ۲ نشان داده شده است . ارزیابی اجراء و انجام مفروضات براین مینابود که قاون و هر یک برای تمام رنج و گشترده اندازه گیری تنش موجودوقابل استفاده می با شد .در این روش فشارهای پسماند اندازه گیری شده و بیشتر از نقطه ثمردهی نزدیک بودندو انها امکان ایجاد ناحیه فشار پلاستیکی را میسر می کردند . شکل۲ فو لاد ریز آلیاژو شکل ۳ نتایج اجرایی برای دوروش متفاوت تکنو لو ژی را از خمش های انجام شده نشان می دهد ما می توانیم ببینیم که تنشهای پسماند پس ازجوشکاری حلقوی بسیاربالا می باشند . تستهای فشار می باشند.در فرایند مختلف مختلف تکنولوژی تست های فشار انجام رسید . نتایج به دست آمده از اندازه گیری به وضوح ثابت می کند که یکی از آنها برای کاهش ضروری تنش های پسماند در تیوب ها لازم می باشد و از این رو این فرایند تست فشار به صورت انحصاری استفاده می گردد . شکل ۴ کاهش شدید تنش های پسماند پس از تستهای فشار صورت می گیرد.

۱-۲کیفیت جوش از نقطه نظر حرارتی
۱-۱-۲ شکنندگی چیست
برای مفهوم بودن شکنندگی چهار میله به قطر اینچ از جنس شیشه « لاستیک» سرب و فو لاد کم کربن را در نظر می گیریم .اگر میله های مزبور را خم کنیم میله شیشه ای می شکند بنابراین در گروه مواد شکننده قرار می گیرد لاستیک را می توان با اندازه ۱۸۰ در جه خم کرد و در اثر آزاد شدن نیرو به حالت اولیه خود بر می گردد بنابراین دارای خا صیت الاستویک است . میله سرب را می توان ۱۸ درجه خم کرد و لی سرب بهمان حالت با قی می ماند .بنابراین سرب نرم است . میله فو لاد معمولی را نیز می توان تا ۱۰۰ در جه خم کرد اما برای خم کردن آن نیاز به اعمال قدرت بیشتری ائست ، بنابراین فو لاد درعین حالیکه از خا صیت نرمی برخوردار است سفت هم می باشد . هر چهار مفتول را می توان در شرایط خاصی

شکننده کرد .م ثلاً اگر لاستیک رادر درجات حرارتی زیرصفر قرار دهیم شکننده میگردد( لاستیک را اگر در مایع اکسیژن که در منهایc170ّ زیر صفر است قرار دهیم و انرا در آورده برروی زمین بیندازیم مانند شیشه می شکند ) شیشه را اگر حرارت دهیم خاصیت شکنندگی خودرا از دست می دهد . فو لاد را اگر حرارت دهیم دردرجات حرارتی معینی نرم میشود . در در جه حرارت معمولی شیشه شکننده ، اما سرب شکننده نیست . ولی در مورد فو لادها نمی توانیم بدرستی بگوئیم در چه شرایطی شکننده هستند . برای مثال اگر فلز جوش را تحت نیروی کشش قرار دهیم در۲″ طول۲۰% اضا فه طول نرمی خاصیت جوش را نشان می دهد در حالیکه ۵% ازدیاد طول در ۲″ شکنند می باشد و در حقیقت یک معیار و اتمی را نمی

توان در مورد فلزات بدست داد که در کجا و در چه شرایطی شکننده هستند و در چه شرایطی نرم . تنها میتوان گفت فلزی ترد و شکننده می باشد که بدون تغییر شکل بشکند.
با توجه به شکل قبل اگر شکستگی در نقاطx وقبل از تغییر طول دا ئمی بوجود آید می توان گفت که فلز شکننده می باشد . چنانچه فلز در نقطه O پاره گردد ولی قبل زا آن تغییر شکل قابل ملاحظه ای پیدا کند می توان گفت که فلز نرم است . یک حالت پیچیده ای را می توان در مورد فزات بخصوص فو لادها نشان داد . چنانچه فو لادی را تحت تا ثیر نیروی کشش در دو جهت اما در یک راستا قرار دهیم تغییر شکل آن قبل از پاره شدن خیلی بیش از هنگامی ست که همان فلز از دو جهت ولی عمود بر هم تحت تا ثیر کشش قرار گیرد مانند دیگ بخار و مخازن تحت فشار .

فا کتورهای مختلفی در شکنندگی مو ثرند که در اینجا فقط چند مورد آنرا بیان می کنیم:
۱٫ تنش های چند محوری
۲٫ وجود شیارو خوردگی در کناره های جوش
۳٫ عملیات مکانیکی
۴٫ زیاد بودن نیروی کششی به نیروی برشی

۵٫ ضریب انتفال حرارت
۶٫ عددTSN
با توجه به فا کتورهای فوق می توان فا کتور ضریب انتقال حرارت وعدد TSN رابه عنوان مهمترین فا کتور معرفی کرد .
لذا به توضیح مختصری را جع به این فاکتور ها می پردازیم.۲