تاثير استحاله ي فازي حالت جامد بر شکل گيري تنشهاي پسماند حاصل از
جوشکاري در لوله هاي فولادي كربن متوسط
١
محمد مشايخي١*، هادي هدايتي١ و احسان برزآبادي فراهاني۲
دانشکده مهندسي مکانيک، دانشگاه صنعتي اصفهان
دانشکده مهندسي مکانيک، دانشگاه رازي کرمانشاه

(دريافت مقاله: ٠٢/٠٨/١٣٩١- دريافت نسخه نهايي: ٠٧/٠٥/١٣٩٢)

چكيده – در اين پژوهش با ارايه يک آلگوريتم کارا تأثير استحالهي فازي حالت جامد بر شکل گيري تنش هاي پسماند، در جوشکاري لـب بـه لـب محيطـيلولههاي فولادي کربنمتوسط مورد بررسي قرار مي گيرد. براي اين منظور يک تحليل ترمو- الاستيک – پلاستيک که با يک تحليل متالورژيکي همبسته است به روش اجزاي محدود انجام مي گيرد. فرايند جوشکاري به صورت دوبعدي و سهبعدي به کمک دو زير؛برنامه يک زيربرنامه ب راي اعمال شار گرمايي و ديگري براي
اعمال استحاله ي فاز ي – تبد يل آستن يت به مارتنزيت- شبيهسازي شده است. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد تغييرات حجمي ناشي از تبديل فـاز آسـتنيت بـهمارتنزيت تأثير قابل توجهي بر مقدار و توزيع تنش هاي پسماند دارد و در مواردي ميتواند ماهيت تنش ها را از حالت کششي مخرب به فشاري تغيير دهد.
واژگان كليدي: جوشكاري لب به لب محيطي، تنشهاي پسماند جوشي، استحاله ي فازي حالت جامد.

Effects of Solid-State Phase Transformation on the Evolution of Welding Residual Stresses in Medium Carbon Steel Pipes

M. Mashayekhi1, H. Hedayati1 and E. B. Farahani2

1. Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology 2. Department of Mechanical Engineering, Razi University

Abstract: In the pressent study, the effect of the solid-state phase transformation on the evolution of residual stresses in circumferentially butt-welded medium carbon steel pipes is survied using an effective algorithme. For this purpose a thermoelastic-plastic analysis coupled with metallurgical analysis using finite element method is implemented. Welding process is simulated in 2-D and 3-D using two subroutines: one for applying heat flux and the other to consider the effect of phase transformation due to austenite-martensite transformation. The simulation results show that austenite-martensite transformation has significant effects on magnitude and distribution of residual stresses, and in some cases, it changes its nature from tensile to compressive stresses.

Keywords: circumferential butt welding, welding residual stresses, solid-state phase transformation. ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
* : مسئول مكاتبات، پست الكترونيكي: mashayekhi@cc.iut.ac.ir

١- مقدمه
لولههاي فولاد ي در صنايع مختلـف صـنعتي از جملـهنيروگاهها، خطوط لوله تحـت فـشار و پ يـل هـاي لولـهاي فولادي مورد استفاده قرار مي گيرند. به دل يل نسبت طـولبه قطر زياد و ضخامت بالا در اين لولهها، اتصال آنها بهيکديگر اجتنـاب ناپـذير اسـت. جوشـکاري لـب بـه لـبمحيطـي، يـک روش متـداول در فراينـد اتـصال سيـستم لول ه هاس ت. هنگ ام فراين د جوش کاري، تع داد ب الاي سيکلهاي گرمايي باعث تغيير خواص ريزساختار مـاده ودر نتيجه خواص مکانيکي و فيزيکي فلز جوش و ناحيه ي متأثر از گرمـاي اطـراف آن مـي شـود . بـه عـلاوه، فراينـد جوشکاري باعث تنش هـاي پـسماند ناخواسـته در سـازه مي شود که شکلگيـري پد يـده هـاي نـامطلوبي از جملـه،شکست ترد، ترکخوردگي تنش ي و کاهش عمر خـستگي قطعات را به دنبال دارد [١]. از اين رو پيش بي نـي دق يـق و براورد مناسب تنشهاي پسماند ناشـي از جوشـکار ي، در تضمين طراح ي مناسب و اي منـي سـازه نقـش بـه سـزايي دارد. با اين وجود، پيشبيني دق يق اين تـنشهـا بـه دل يـل پيچيدگي فرايند جوشکار ي بس يار مشکل است؛ چـرا کـهدر شب يهسازي اين فرايند عوامل زيادي از جمله گرمادهي محلي، تغيير خواص ماده ناشي از تغيير دما، منبع گرمايي متحــرک و عوامــل بــسيار ي تأثيرگــذار اســت. تــاكنون روشهاي تجربي متعددي از جمله روشهـاي مخـرب ونامخرب معرفي شده است. روش اجزا ي محدود به عنوان
يک ره يافت کار امـد و آسـان در ا يـن زم ينـه از مقبول يـت بالايي برخوردار است [٢]. به كمك ا يـن روش مـي تـوان توزيع دما، ميدان تنش هـاي پـسماند و تغ ييـر شـکل هـاي حاصل از فرايند جوشکار ي ر ا با دقت بـالايي پـيشبينـيكرد.
در دو دهه ي اخير، پژوهش هاي قابل توجهي براي
١٣٢

شبيهسازي هاي جوشکار ي مح يطي لوله انجام شده اسـت.
تمركز اصلي در بيشتر شبيهسازي هاي انجـام گرفتـه بـرروي کاهش حجم و زمان محاسبات از جمله استفاده ازمدل متقارنمحوري بوده است [٣]. اگر چه مـدل تقـارنمحوري به کاهش حجم محاسبات کمک مي کند، امـا ازطرف ديگر اين مدل با محدودساز ي تحليل به يک سطح مقطع از کل هندسه، باعث ساده سازي بيش از حد مسئله مي شود. به علاوه، جوشکاري لولهها بـه صـورت کـاملاﹰمتقارن پديدهاي است که در شـرايط واقعـي بـه نـدرتاتفـاق مـي افتـد. لـي و چانـگ نـشان دادنـد اثـر قـوس الکتريکي متحرک و نيز اثر نقـاط ابتـدايي و انتهـايي بـاوارد کردن تغييرات محيطي در تنش هاي پسماند جوشي، باعث عدم برقراري فرضيات مربوط بـه تقـارن محـوري مي شود [٤]. از ايـن رو مـدل متقـارن محـوري قـادر بـهپيشبيني اثرات سهبعدي در جوشکاري محيطي لولـه هـانيست. در نت يجه، تحل يل اجزا ي محدود سه بعـدي بـراينزديک شدن به شرايط واقعي و پيش بيني دقيق تنش هاي پسماند در جوشکاري لب به لب لولهها ضرور ي اسـت. از آنجا که تحليل اجزا ي محدود سـه بعـدي جوشـکاري لولهها هز ينه محاسبات ي بـالايي بـه همـراه دارد، در ا يـن زمينه مطالعات محدودي انجام شده است [٥].
مطالعات انجام شده در زمينه جوشکار ي فولادهـاي کربنـي به و يژه فولادها ي کربن ي با مقاومت بـالا، نـشاندهنـدهي لـزوممدلسازي انتقال فاز ي حالت جامد در شبيه سـازي ا يـن فراينـد است چراکه انتقال فاز ي تأثير مهمي بر روي خـواص مكـانيكي از جملـه تغييـرات حجمـي مـاده را بـه همـرا ه دارد. تغييـرات حجمي مرتبط با استحالهي فاز ي متـالورژيکي مـي توانـد تـأثير عمدهاي بر شکلگيري تنشهاي پسماند داشته باشـد. در حـالحــاضر، مطالعات صورت گرفته بـراي پـيشبي نـي تـنش هـاي

شکل ۱- هندسه ورق هاي جوشکاري شده

جدول ۱- ترکيب شيميايي فولاد S45C
Cr S P Mn Si C
۰/۱۵ ۰/۰۲۹ ۰/۰۲۲ ۰/۶۶ ۰/۲۲ ۰/۴۴

پسماند در لولههاي فولادي با در نظر گرفتن تغ ييـرات فـاز ي، در پژوهشهاي محدودي ديده م يشود. دنگ و موراکـاوا [٦] تأثير انتقال فازي حالت جامد را بر توزيع تنش هـاي پـسماند،در جوشکار ي لب به لب بـراي لولـه هـاي فـولاد ي از جـنس Cr-1Mo9 اصلاح شده، بررس ي کردند . يـاگي و همکـاران
[٧]، تنش هـاي پـسماند در لولـه هـاي P91 را بـا در نظـرگـرفتن انتقـال فـازي حالـت جامـد بـه صـورت عـددي شبيهسازي کردند. پژوهش هـاي اشـاره شـده محـدود بـهمدلهاي متقارن محوري بـوده و تأثيرهـاي سـهبعـدي درجوشکاري محيطي در نظر گرفته نشده است.
هدف تحقيق حاضر، پيشبيني تنشهاي پـسماند جوشـيدر اتصال لب به لب محيطي لولههاي فـولادي کـربنمتوسـطS45C و مطالعهي تـأثير اسـتحالهي فـازي حالـت جامـد بـرشکلگيري و توزيع مؤلفههاي محيطي و محوري تنشها ست. براي اين منظور يک تحليل سهبعدي گرمـايي – متـالورژيکي – مکانيکي بـه صـورت همبـسته در نـرمافـزار اجـزاي محـدودAbaqus با تدوين زيربرنامههايي در اين نرمافزار انجام گرفتهاست. استحالهي فازي شبيهسازي شـده در ايـن تحقيـق يـکاســتحاله ي مــارتنزيتي اســت . در ايــن پــژوهش تاريخچــهشکلگيري تنشها که در درک اثر استحاله ابزار بسيار مناسبيمحسوب ميشود، مورد بررسي قرار ميگيـرد . بـراي ارزيـابيصحت نتايج به دست آمده، نتايج حاصل از شبيهسـازي مـدلفوق با نتايج موجود در پيشينه پژوهش مقايسه ميشود.

۲- هندسه ي اتصال جوشي و پارامترهاي جوشکاري
در اين تحقيق، شـبيهسـازي فراينـد جوشـکاري بـراي دونمونه مورد بررسي قرار ميگيرد. در نمونه اول که بـه منظـوراعتبارسنجي نتايج اين پژوهش انتخاب شده است، اتصال لببه لب دو ورق از جنس فولاد کربن متوسط شبيه سازي مي شـود و صحت نتايج شبيهسازي تحقيق حاضر در مقايسه بـا نتـايج سـايرمحققان [۸] مورد ارزيابي قرار ميگيرد. در نمونـه دوم نيـز اتـصاللب به لب محيطي دو لوله شبيهسازي شده و تأثير استحالهي فازيبر تنش هاي پسماند مورد بررسي قرار مي گيرد.

۲-۱- نمونه اول اتصال جوشي
نمونهي اول شامل اتصال لـب بـه لـب دو ورق از جـنسفولاد کربنمتوسط S45C است . طول هر يك از ورقهـا ٢٠٠ ميليمتر، عرض ١٠٠ ميليمتر و ضخامت ٦ ميليمتر و اتـصالآنها در يک پاس و به روش جوشـکاري تيـگ انجـام شـدهاست [۸]. شکل (١)، ورقهاي جوشکاري شـده و هندسـهي محل جوش را نشان ميدهد. براي نشان دادن تأثير استحالهي فازي بر تنشهاي پس ماند جوشي و تغيير شکلهاي حاصـله،فولاد مورد استفاده در اين تحقيق از جنس فولاد کربنمتوسط S45C انتخاب شده است چرا که تأثير استحاله در فولادهـايکربنمتوسط و پرکـربن بـه مراتـب از فـولادهـاي کـمکـربنمشهودتر است . فولادS45C يکـي از فولادهـاي پرکـاربرد درفولادهاي کر بنمتوسط است و با توجه به خـواص مکـانيکيآن در ساخت محصولات مختلف صنعتي از جمله ميـللنـگ،چرخدنده و شاتون مورد استفاده قرار ميگيرد. به علت درصدکربن نسبتﹰا بالاي به کـار رفتـه در ترکيـب آن، ايـن فـولاد ازقابليت ماشينکاري و جوشپذيري بـالايي برخـوردار اسـت.
ترکيــب شــ يميايي فــولاد S45C و درصــد وزنــي عناصــرتــشکيل دهنــده ي آن در جــدول (١) و شــرايط جوشــکاري
جدول ۲- شرايط جوشکاري
راندمان سرعت الكترود
(mm/s) ولتاژ
(V) شدت جريان
(A) حالت
۰/۷ ۱۰ ۲۱ ۳۰۰ ۱
۰/۷ ۱۰ ۲۱ ۳۰۰ ۲

شکل ۲- خواص ترموفيزيکي وابسته به دماي فولاد S45C [٨]

شکل ۳- خواص مکانيکي وابسته به دماي فولاد S45C [٨]

ورق ها، در جدول (٢) آمده است . شكل (١)، هندسـه ي محل جوشكاري را نشان ميدهد. خواص ترموفيزيکي ومکانيکي فولادS45C به ترتيب در شکلهاي (٢) و (٣) آمده است.
۲-۲- نمونه دوم اتصال جوشي
نمونه دوم شامل اتصال لـب بـه لـب محيطـي دو لولـه ازجنس فولاد کربن متوسطS45C اسـت. لولـههـا داراي قطـرخارجي ٣/١١٤ ميليمتر، ضـخامت ٦ ميلـيمتـر و طـول ٨٠٠ميليمتر هـستند. اتـصال دو لولـه در يـک پـاس و بـه روشجوشکاري تيگ انجام شده اسـت. در شـکل (٤)، لولـههـايجوشکاري شده، پـخ لولـههـا (V شـکل) و هندسـهي محـلجـوش بـه صـورت شـماتيک ترسـيم شـده اسـت. خـواص مکانيکي و ترموفيزيکي لولههـا و شـرايط جوشـکاري نمونـهدوم همانند نمونه اول انتخاب شده است.

۳- تحليل اجزاي محدود



قیمت: تومان


پاسخ دهید