پیچیدگی در مقاطع جوشکاری
در حالت کلی به ایجاد تغییر در ابعاد و زوایای یک سازه پیچیدگی یا اعوجاج (Distortion) میگویند. این موضوع به تاب برداشتن نیز معروف است که موجب از بین رفتن دقت ابعادی قطعه یا سازه میشود. پیچیدگی یا تاب برداشتن یکی از مشکلات رایج در ساخت قطعات و سازهها با استفاده از فرآیندهای جوشکاری است.
دلیل ایجاد پیچیدگی یا اعوجاج سازهها در حین جوشکاری، انبساط و انقباض فلز در اثر گرمای ناشی از فرآیند جوشکاری است. فلزات مثل اکثر مواد در اثر حرارت، انبساط مییابند و وقتی سرد میشوند منقبض میشوند. چنانچه حرارت وارده به جسم به صورت موضعی باشد نظیر آنچه در حین عملیات جوشکاری رخ میدهد، باعث ایجاد انبساط و انقباض موضعی و غیر متعادل در قطعه شده که نتیجه نهایی آن اعوجاج یا تاب برداشتن قطعه پس از جوشکاری است.
تقسیم بندی انواع پیچیدگی
به طور معمول پیچیدگیهای ناشی از فر آیندهای جوشکاری را میتوان به سه دسته عمده تقسیم کرد.
پیچیدگی یا اعوجاج در اثر انقباض طولی (Shrinkage longitudinal)
اگر قطعه فلزی در امتداد طول خود دچار پیچیدگی شود، دلیل پیچیدگی قطعه مذکور انقباض فلز جوش در امتداد خط جوش است. از آنجا که اتصال دو قطعه از طریق جوش یک طرفه با طرح اتصال V صورت گرفته، بنابراین در شرایط جوشکاری حجم مذاب بیشتری در طرف گرده جوش تشکیل میشود به همین دلیل مقدار انقباض ناشی از منجمد شدن فلز جوش مذاب در طرف رویی قطعه نیز بیشتر است. در نتیجه قطعه بصورت طولی دچار اعوجاج میشود. این نوع پیچیدگی با افزایش ضخامت دو قطعه کار افزایش مییابد.
پیچیدگی یا اعوجاج در اثر انقباض عرضی (Shrinkage Transverse)
اگر قطعه فلزی در امتداد عرضی دچار پیچیدگی شده، و باعث شود که لبههای دو قطعه کار در قسمت جلویی خط جوش روی یکدیگر قرار گیرند. دلیل پیچیدگی قطعه مذکور آن است که دو قطعه کار قبل از جوشکاری به وسیله خال جوش یا گیره مناسب، نسبت به یکدیگر ثابت نشدهاند و انقباض ناشی از منجمد شدن فلز جوش مذاب باعث نزدیک شدن لبههای دو قطعه کار و نهایتاً روی هم قرار گرفتن آنها شده است.
پیچیدگی یا اعوجاج زاویهای (Distortion Angular)
اگر قطعات فلزی در حالت طرح اتصال لب به لب و اتصال گوشهای، دچار پیچیدگی زاویهای شوند، دلیل این نوع پیچیدگی عدم تعادل در مقدار مذاب فلز جوش در دو طرف قطعه کار و به تبع آن انقباض بیشتر در طرف حوضچه مذاب است. از آنجا که در طرح اتصال لب به لب اتصال دو قطعه از طریق جوش یک طرفه با طرح اتصال V صورت گرفته است، بنابراین در شرایط جوشکاری حجم مذاب بیشتری در طرف گرده جوش تشکیل میشود. به همین دلیل مقدار انقباض ناشی از منجمد شدن فلز جوش مذاب در طرف رویی قطعه نیز بیشتر است. در نتیجه دو قطعه کار به طرف گرده جوش متمایل میشوند. در طرح اتصال گوشهای نیز چون فلز جوش به طور کلی در یک طرف اتصال ایجاد شده، بنابراین دو قطعه کار به طرف فلز جوش متمایل میشوند.
عوامل موثر در پیچیدگی
متغیرهای جوشکاری
ولتاژ و شدت جریان که نشان دهنده میزان حرارت ورودی به قطعه کار هستند، تعداد پاسهای جوشکاری، میزان پیشگرم و پسگرم کردن قطعه کار و فرآیند جوشکاری و ترتیب جوشکاری جزء عواملی هستند که بر اساس دستورالعمل جوشکاری مشخص میشوند و روی میزان پیچیدگی قطعه کار موثراند.
خواص متریال پایه
قابلیت هدایت حرارتی، ضریب انبساط حرارتی، قابلیت تغییر فرم پذیری و نیز استحکام فلز پایه تاثیر قابل توجهی در میزان اعوجاج و تاب برداشتن دارند. به طور مثال در شرایط یکسان قطعات فولاد زنگ نزن، به دلیل کمتر بودن ضریب انتقال حرارت، مشکل بیشتری از نظر پیچیدگی نسبت به قطعات فولادی ساده کم کربن دارند.
طرح اتصال جوشکاری
به طور کلی هندسه طرح اتصال (شکل پخ، زاویه پخ، یکطرفه یا دو طرفه بودن) از جمله عوامل بسیار موثر در ایجاد پیچیدگی و اعوجاج سازههایی جوشکاری بحساب میآید.
مونتاژ کردن قطعات قبل از جوشکاری
استفاده از ابزار نگهدارنده نظیر گیره و قید و بند، درجه آزادی قطعهکارها، خال جوش زدن از جمله عواملی هستند که مربوط به شرایط آمادهسازی و مونتاژ قبل از جوشکاری هستند و روی میزان ایجاد پیچیدگی و اعوجاج در سازههای جوشکاری نقش دارند.
راهکارهای مقابله با اعوجاج
به طور کلی راهکارهای مقابله یا کنترل اعوجاج و پیچیدگی میتواند در دو مرحله انجام پذیرد
- قبل از جوشکاری
- بعد از جوشکاری
برای کنترل پیچیدگی، قبل از جوشکاری میتوان از راهکارهای زیر استفاده کرد.
- خال جوش زدن قطعات به منظور جلوگیری از حرکت و جابجایی قطعات در حین جوشکاری
- استفاده از ابزار نگهدارنده کمکی نظیر: گیره و قید و بند برای مهار کردن قطعات و جلوگیری از انبساط و انقباضهای ناخواسته در قطعه حین جوشکاری و یا عملیات دیگر نظیر ماشینکاری، عملیات حرارتی و غیره
- تا حد امکان انجام جوش در دو طرف کار حول محور خنثی
- خنثی کردن اعوجاج حین طراحی و ساخت قطعه
- استفاده از تعداد جوش کمتر با اندازه کوچکتر برای بدست آوردن استحکام مورد نیاز
- تشدید حرارت و تمرکز آن بر حوزه جوش
- ازدیاد سرعت جوشکاری
- در صورت امکان بالا بردن ضخامت
- تا حد امکان انجام جوش در دو طرف کار حول محور خنثی
پیچیدگی در سازههای جوشکاری و راهکارهای جلوگیری از آن
کنترل اعوجاج پس از جوشکاری
راهکارهای مقابله با پیچیدگی و اعوجاج در قطعه جوشکاری شده پس از پایان عملیات جوشکاری به طور عمده شامل دو دسته اقدامات میشود.
- کاهش یا از بین بردن تنشهای باقیمانده
- رفع یا کاهش پیچیدگی و اعوجاج بوجود آمده
تنشهای باقیمانده
تنشهای باقیمانده یا پسماند تنشهایی هستند بر اثر انجام عملیات مختلف مثل جوشکاری فورج ماشینکاری و غیره در جسم ایجاد میشوند و پس اتمام عملیات، در حالی که جسم تحت بارگذاری خارجی قراد ندارد در جسم باقی میمانند. ماهیت تنشهای پسماند به گونهای است که در مجموع یکدیگر را خنثی میکنند. یعنی در مقابل تنشهای کششی به مقدار معادل آن تنشهای فشاری نیز در جسم وجود دارند، به طوری که جسم در حالت تعادل باقی بماند. تنشهای پسماند دلیل اصلی ناپایداری قطعات در طول زمان هستند. همچنین تنش پسماند باعث پایین آمدن تحمل بارگذاری قطعات و نیز کاهش عمر خستگی میشود. این تنشها مانند نیروی مازاد بر روی قطعه وجود دارند و در بسیاری از موارد باعث تخریب سازهها میشود.
تشکیل تنشهای پسماند در اتصالات جوشکاری
یکی از فرایندهایی که باعث ایجاد تنش پسماند در سازهها میشود، جوشکاری است که به علت گرم و سرد شدنهای متوالی جوش و مناطق نزدیک جوش تنشهای پسماند داخلی در فلز جوش و مناطق مجاور آن بوجود میآید. مقدار انبساط و تغییر شکل جسم در مقابل گرما متناسب با درجه حرارت است. اصولاً با افزایش درجه حرارت تا نقطه ذوب فلز انبساط پیدا میکند. هنگامی که در قسمتی از جسم به دلیل جوشکاری درجه حرارت به طور موضعی افزایش یابد دراطراف آن یک شیب حرارتی بوجود میآید که میخواهد باعث انبساط موضعی بشود، ولی نواحی اطراف موضع جوشکاری که دمای بالایی ندارند تمایل به تغییر شکل ندارند و با تغییر شکل موضع جوشکاری مقابله میکنند.
بنابراین در مواضعی که فلز در اثر فرآیند جوشکاری ذوب میشود هنگام انجماد به دلیل انقباض موضعی تنش کششی ایجاد میشود و مناطق نزدیک به فلز جوش تحت تنش فشاری قرار میگیرند. به این ترتیب تنشهای پسماند جوش در جهت موازی با جهت جوش در فلز جوش و نواحی نزدیک به آن از نوع کششی و در حد تنش تسلیم فلز هستند و با افزایش فاصله از مرکز جوش سطح این تنشها کاهش مییابد. لازم به یادآوری است براساس اصل خود تعادلی متناسب با این گونه تنشها، تنشهای فشاری نیز جهت تعادل جسم در مناطق مجاور جوش بوجود میآیند. همچنین میزان و نحوه توزیع تنشهای پسماند جوش وابستگی زیادی به نوع اتصال جوشی و شرایط مهار جسم ناشی از ابعاد کلی قطعه و قید و بندهای دیگر دارد.
بنابراین تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری روی خواص مکانیکی مثل استحکام و خستگی اتصالات جوشی تاثیر گذار است. بطوری که بر اساس بررسیهای صورت گرفته در بعضی از سوانح بزرگ مربوط به سازههای جوشکاری ریزش پلهای فلزی یا دونیم شدن کشتیهای ساخته شده با اتصالات جوشی، تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری مهمترین عامل سانحه شناخته شده است. لذا بهتر است تا حد امکان طول مسیر جوش حداقل باشد و اتصال جوشی طوری طراحی شود که در محلهای دور از محلهای مرکز تنش یا حتیالمقدور در محلهای نزدیک با تنشهای فشاری قرار گیرند. بطور خلاصه مهمترین عوامل در تشکیل تنشهای پسماند جوشی را میتوان به صورت زیر ذکر کرد.
- حرارت موضعی و غیر همگن ناشی از جوشکاری
- پیچیدگی در سازههای جوشکاری و راهکارهای جلوگیری از آن
- تغییر شکل جسم ناشی از تنشهای حرارتی
- پایین آمدن تنش تسلیم فلز با افزایش درجه حرارت
- میزان مهار جسم یا درجه آزادی قطعه کار
کاهش تنشهای پسماند در اتصالات جوشکاری
سازههای جوش شده چه هنگام جوشکاری مهار شده و چه آزاد بوده باشند در آستانه تنش تسلیم دارای تنشهای پسماند یا باقیمانده هستند، این تنشها قادراند اشکالاتی در جوش به وجود بیاورند. البته احتمال پدید آمدن این اشکالات به ترکیب شیمایی فولاد، روش جوشکاری، طرح جوش و شرایط بهره برداری و غیره بستگی دارد. با این وصف از بین بردن این تنشها فوائد زیر را نیز در پی خواهد داشت.
- افزایش استحکام و تحمل تنش
- پایداری بیشتر ابعاد
- مقاومت بیشتر در مقابل خوردگی
پایداری ابعادی در یک جوش مستقیماً از تنش هایی که در قطعه محبوس مانده باشند، متاثر میشود. هنگامی که یک سازه جوشکاری در عین حال که دارای تنشهای پسماند یا باقیمانده است تحت عملیات تراشکاری یا ماشینکاری قرار میگیرد، پخش مجدد تنشها و انقباض جوش رخ میدهد. لذا تراشکار نمیتواند مطمئن باشد که در جهت درستی تراشکاری میکند یا نه. چون جوش همزمان با تراش قطعه به انقباض خود ادامه میدهد. بنابراین در بسیاری مواقع تنش زدائی قطعه جوشکاری قبل از ماشینکاری باعث میشود که قطعه از نظر شکل پایدار بماند و ابعاد آن هنگام ماشینکاری تغییر نکند. در واحدهای صنعتی بزرگ سازنده سازههای بزرگ جوشکاری به طور معمول کورههای بزرگ عملیات حرارتی جهت تنشزدای سازه نهایی وجود دارد.
تنش زدایی مکانیکی
در متد تنش زدایی ارتعاشی تنش مکانیکی به وسیله لرزاننده به قطعه اعمال میشود. تنش اعمال شده همراه با انرژی موجود در داخل قطعه که ناشی از تنش پسماند هستند جمع گشته و باعث ایجاد تغییر شکلهای میکرو پلاستیک گشته و در نهایت قطعه تنش زدایی میشود. تنش زدایی ارتعاشی به دو روش انجام میگیرد. در روش اول که روش تنش زدایی ارتعاشی سنتی نیز نامیده میشود، ارتعاشات فقط در یک فرکانس اعمال میشود. ولی در متدهای جدید که به مراتب دارای قابلیتها و تاثیرات بهتری از نظر تنش زدایی است، ارتعاشات در چند فرکانس رزونانس اعمال میشود. در این روش نسبت به روش سنتی خطاهای اپراتوری به میزان زیادی کاهش یافته ودارای نویز کمتری است. همچنین جهت قطعات با فرکانسهای بالا محدودیت ندارد و دارای اثر بخشی به مراتب بالاتری است. بطوریکه در حال حاضر در دنیا دیگر از روش سنتی استفاده نمیشود.
مزایای تنش زدایی ارتعاشی نسبت به روش حرارتی
- کیفیت بدست آمده به خوبی تنش زدایی حرارتی است.
- برای مواد و ساختارهای مختلف قابل استفاده است.
- هیچگونه محدودیت اندازه یا وزن در به کارگیری این روش وجود ندارد.
- تاثیری بر خواص مواد از قبیل مقاومت سایش، سختی و تنش تسلیم ندارد.
- باعث تاثیرات نامطلوب بر خواص متالورژیکی مواد نمیشود.
- باعث از بین رفتن و تخریب پوشش قطعات نمیشود.
- نسبت به روشهای دیگر بسیار سریعتر بوده و باعث صرفه جویی در زمان میشود.
- تجهیزات این روش قابل حمل هستند که باعث کاهش فوق العاده هزینههای حمل و نقل میشود. همچنین میتوان فرایند تنش زدایی را در محل کارفرما انجام داد و در هزینههای حمل و نقل صرفه جویی کرد. تغییرات نامطلوب در لایههای بیرونی قطعات از قبیل اکسید شدگی در این روش اتفاق نمیافتد.
- زمان مورد نیاز به مقدار زیادی کاهش یافته است. معمولاً اگر قطعات چندان پیچیده و بزرگ نباشند کل عملیات تنش گیری با استفاده از این روش در حد چند دقیقه وقت میگیرد. ولی به هرحال نسبت به روش حرارتی بسیاری از زمانها مثل آماده سازی کوره، زمان مورد نیاز برای گرم کردن و سپس سرد کردن آن که به صورت تدریجی است، حذف میشوند.
- راندمان بالا و عدم تولید آلودگی از مزایای روش تنش زدایی ارتعاشی است. با توجه به مسائل زیست محیطی که امرزه بسیار مورد توجه جوامع مختلف است، کاهش قابل توجه الودگی و استفاده از انرژیهای پاک (برق) مهمترین مزیت این روش است. مصرف توان و انرژی فوق العاده پایین است.
محدودیتهای تنش زدایی ارتعاشی
تنش زدایی ارتعاشی دارای محدودیتهایی نیز است. به عنوان مثال بهبود دانه بندی که در روش تنش زدایی حرارتی ایجاد میشود در این روش وجود ندارد. همچنین این روش جهت مواد کار سخت شده و مواد با تنش تسلیم بسیار بالا محدودیت وجود دارد.