تأثير فاصله ي بين صفحات بر روي عمر خستگي اتصالات نقطهجوش آلياژ
آلومينيوم 5083-O

١
سوران حسن ي فرد*، محمد زهساز و فيروز اسماعيل ي گلدرق
دانشکده فن ي مهندس ي مکانيک، دانشگاه تبريز

(دريافت مقاله: ٠١٩/١٠/١٣٩٠- دريافت نسخه نهايي: ٢٤/٠٣/١٣٩١)

چكيده – هدف اصلي از اين تحق يق، مطالعهي تأث ير فاصلهي ب ين صفحات بر روي عمر ۱خستگي اتصالات نقطهجـوش از جـنس آليـ اژ آلوم ينيـ وم5083-O است. به هم ين منظور، مقادير فاکتور کاهش مقاومت فاق براي اتصالات نقطهجوش با فواصل مختلف بهروش حجم ي محاسبه شدند. عمـر خـستگي اتـصالاتنقطهجوش با استفاده از مقادير کاهش مقاومت فاق و نيز منحني تنش-عمر موجود براي نمونه بدون فاق از جنس آلياژ آلوم ينيوم5083-O تعيين شـد. عمرهـاي
يتخمن زده شده با اطلاعات به دست آمده از آزمون خستگي مقايسه شد و نشان داده شد که عمرهاي پيشبيني شده عددي با نتايج تجربي تطابق بسيار خوبي دارند.

واژگان كليدي : اتصال نقطه جوش، عمر خستگي، فاصله ي صفحات، روش حجمي، فاکتور کاهش مقاومت فاق، گراديان تنش

Effect of Sheet Spacing on Fatigue Life of 5083-O Aluminium Alloy Spot-Welded Joints

S. Hassanifard, M. Zehsaz and F.E. Goldarag

Faculty of Mechanical Engineering, University of Tabriz, Tabriz, Iran

Abstract: The main goal of this investigation was to study the influence of sheet spacing on the fatigue life of 5083-O aluminium alloy spot-welded joints. The values of notch strength reduction factors were obtained for all kinds of spot-welded joints with different gap distances between sheets based on volumetric approach. The fatigue lives of spot welded joints were then determined using the notch strength reduction factors and the available smooth S-N curve of 5083-O aluminium alloy sheets. The results were compared with the experimental fatigue test data, showing a very good agreement between numerical predictions and experimental results.

Keywords: Spot welded joist, Fatigue life, Sheet spacing, Volumetric approach, Notch strength reduction factor, Stress gradient
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
* : مسئول مكاتبات، پست الكترونيكي: hasanifard@tabrizu.ac.ir
١٣٩٢
١- مقدمه
از نقطه جوش بهطور گسترده براي اتصال فلزات زماني کهضخامت صفحات اتصالي حداکثر تا حـدود چهـار مي لـيمتـرباشد، استفاده ميشود. يکي از مثال هاي متداول کاربرد نقطـه-جوش، اتصال صفحات فلزي در صنايع خودروسـازي اسـت که در آن برا ي مونتاژ بدنه يک خودرو حدود ۳۰۰۰ تـا ۵۰۰۰ نقطهجوش استفاده ميشود[۱].
از بين مع ي ارهـاي مختلـف طراحـي ماننـد تـسليم شـدن،کمانش، خستگ ي، خزش و خوردگي، پد يدهي خستگ ي مهم تـرين و متداو ل ترين عامل شکست و گسيختگي است که بايد با طراحي مناسب از آن اجتناب شود. عليرغم چاپ چندين مقا لهي مختلفدر رابطه با عمر خستگ ي نقطه جوش [۲-۷]، به نظـر مـيرسـد بـهدليل وجـود پارامترهـاي پيچيـ ده و گـاهي ناشـناخته مکـانيکي ومتالورژيکي، درک بهتر رفتار اتصالات که در معرض بارهاي تکرارشونده قرار دارند، مستلزم تلاش هاي بيشتري است.
روش هاي متداول براي پيشبيني عمر خـستگي اتـصالاتنقطهجوش را م يتـوان بـه روش هـاي عمـر- تـنش [۸-۱۱]، عمر-کرنش [۱۲-۱۴]، روش هاي مکان يـ ک شکـست و رشـدتـرک خـستگي [۱۵-۱۸] دسـتهبنـدي کـرد. مـستقيمتـرين و ساده ترين روش براي تع يين عمر خستگي، روش تحليل عمر – بار است[۱۹]. اشکال اين روش در آن اسـت کـه بـراي تمـامپارامترهاي هندس ي و مادي نقطهجوش، وجود دادههاي آزمون تجربــي لازم اســت. پارامتره اي هندســي ش امل ضــخامت صفحات و قطر ناگت نقطهجوش است. پارامترهاي ماد ي علاوه برخواص فلز پايه، خواص ناحيه حرارت ديده۲ که به عوامل فراينـدجوشکاري وابسته است را نيز در بر ميگيرد. اما در صورت وجوددادههاي کاف ي، اين روش منجر به نتـايج سـودمند، بـدون در نظـرگرفتن فرضهاي تحليل تنش پيچيده مي شود.
روش د يگر برا ي تع يـي ن عمـر خـستگي اتـصالات نقطـه-جوش، روش تحليـ ل سـازه اي۳ اسـت . روش تـنش سـازهاي بدين صورت است که تعدادي از جنبـه هـاي بحرانـي حالـتتنش در موقعيت شروع تـرک اتـصال نقطـهجـوش مـشخصميشود و اين حالت تنش بر پارامترهاي شکست که به نيروها و گشتاورها ي ناگت ۴ و هندسه اتصال که شامل قطر ناگـتd و ضخامت صفحهt است ، مرتبط ميشود[۱۹]. اين پارامترهـامعمو ﹰلا بر حسب تنشهاي سازهاي (يا اسم ي) که رابطه خطي با ن يروهاي ناگت دارند، بيان م يشوند. اين روش بعضي مواقعپارامترهايي را براي در نظر گرفتن مود بارگـذاري يـ ا هندسـهمسئله نيز در بـر مـيگ يـرد. مشخـصهاي کـه ا يـن روش را ازروش هاي د يگر متما يز مـيسـازد، جزييـ ات خـاص آن بـراي چگونگي تعيين تنشها از روي بارها و هندسه اتصال است.
روش د يگر بـراي تع يـي ن عمـر خـستگي اتـصالات نقطـهجوش، روش رشد ترک خستگ ي است. در اين روش، از يـ ک مدل رشد تـرک بـا بـه کـارگيري رابطـهda/dN و K∆ بـراي پيش بي نـي عمـر خـستگي اسـتفاده مـي شـود. ابـزار ديگـر دربه کارگيري روش مکانيک شکست، استفاده از فـاکتور شـدتتنش برا ي مشخص كردن بارگذار ي است. فاکتور شدت تنشبراي مدل تک لبه برشي محاسبه شـده و هـر دو مـود اصـلي شکست خستگ ي يعني مودI وII در موقعيت شکست نقطـه-جوشها مشاهده ميشود. روش شدت تنش براي اولـين بـارتوسط پوک پيشنهاد شد کـه در آن مقاومـت خـستگي نقطـه-جوشها به صورت برش ي-کششي بـر حـسب فـاکتور شـدتتنش در نقطه جوش مورد بررسي قرار گرفت[۲۰].
در روش عمر-کرنش لبه هاي نقطه جوشهـا، جـايي کـهترک خستگ ي در آن اتفاق ميافتد، به عنوان فـاق هندسـي بـاشعاع فاق مربوطه در ريشه در نظر گرفتـه مـي شـود. در ايـ ن روش، کرنش ها در ي ک يا چند نقطه خاص که معمو ﹰلا بر روي سطح بيرون ي در نزديکي لبه نقطهجوش قرار دارند، بـه عنـوانمقادير مرجع استفاده ميشوند[۱۵]. رابطـهي بـينNi (عمـرآغــاز تــرك خــستگي) و دامنــه كــرنش الاســتيك 2

∆εe به صورت زير است:
13335094525

∆ε2e = σEf′ (2Ni )b (۱)

m
µ
500
ترک

طول

m

µ

500

ترک

طول

شکل ۱- يک نمونه از رشد ترک خستگي در اتصال برشي- کششي نقطه جوش

كه در آن ′σf ضريب خستگي،b نماي استحكام خستگي وE مدول الاستيسيتهاند. رابطهي بينNi و دامنه كرنش پلاستيك2

∆εp توســط کــوفين و مانــسون ارائــه شــده اســت
[۲۱ و ۲۲]:
(۲) ∆ε2p = εf′ (2Ni )c

كه در آن ′εf ضريب شكل پذيري خستگي و c نماي شكل پذيري خستگي اند. با تركيب معادلات (۱) و (۲) معادله منحني عمر-كرنش به صورت زير در خواهد آمد:
16611585574

∆ε2 = σEf′ (2Ni )b + εf′ (2Ni )c (۳) .دامنـه كـرنش كـل اسـت ∆ε = ∆ε + ∆εep ،در ا ين معادلـه
مارو[۱۹] زمان ي که تنش ميـانگين نيـز در نظـر گرفتـه شـود،معادله زير را پيشنهاد داد:
(۴) ∆ε2 = σ −σf′ E m (2Ni )b + εf′ (2Ni )c

اين معادله بيان م يکند که تأثير تنش ميانگينσm را ميتـوانبا تصح يح قـسمت الاسـتيک منحنـي عمـر – کـرنش، در نظـرگرفت. عواملي که عمـر خـستگي اتـصالات نقطـه جـوش راتحت تأث ير قرار ميدهند، عبارت اند از: ضـريب تمرکـز تـنش،تـنش اهـ ي پـسماند، ويژگـي اهـ ي مـاده، پارامترهـا ي فراينـد جوشکاري (زمـان جوشـکاري، جر يـان الکتر ي کـي و ن يـروي فشردگي الکتـرود) و ک يفيـ ت جـوش (انـدازه ناگـت جـوش،فاصله صفحات، نفوذ، تورفتگي و غيره). از بـين عوامـل ذکـرشده، فاکتور کاهش مقاومت خستگي و شـعاع فـاق تـأثيرات بسيار مهم ي بر روي عمر خستگي اتصالات نقطه جوش دارندو نيازمنـد مطالعـه بيـشترند. اآقـ ي اديـب و همکـارانش[۲۳] تخمين عمر خستگي اتصالات نقطهجوش را برا ي هندسههاي مختلف، با در نظر گرفتن شکاف بين صفحات اتـصالي مـوردبررسي قرار دادند. آن ها به منظور بهدسـت آوردن تـنش هـاي مؤثر، فاصله مؤثر و فاکتور کاهش مقاومت فاق، توزيع تنش را در امتداد خط گسترش ترک که از نقطـه حـساس بـه شـروعترک در امتداد ضخامت و عمود بر جهت بارگذار ي بود، رسمکردند. اما نتايج مورفولوژي رشد تـرک در اتـصالات برشـي-کششي نقطه جوش نشان داده است که رشد ترک دقيقﹰا عمـودبر امتداد بارگذاري انجام نميگيرد، و زاويه ۷۵ درجه با امتداد بارگذاري ميسازد[۲۴]. يک نمونه از رشد تـرک خـستگي دراتصال برش ي-کششي نقطه جوش در شکل(۱) نشان داده شدهاست. شعاع فاق يا فاصله صفحات يکي از مهم تـرين عوامـلمؤثر بر عمر خستگي، به خصوص برا ي اتصال با يـک نقطـه-جوش است [۲۳و۲۴]. مقادير مختلف فاصـله بـين صـفحاتباعث ا يجاد توز يع تنش متفـاوت در مجـاورت ر يـشه نقطـه-جوش شده، در نتيجه عمر خستگي اتـصا لات نقطـه جـوش راتغيير م يدهد. اگرچه فاصله زياد بين صفحات باعـث افـزايش مقدار تنش در ريشه فاق به علت تأثير خمشي م يشـود ، ولـي همان طور که در اين تحق يق نشان داده خواهـد شـد، ا يـن امـرباعث کاهش تنش م يـانگين و محـدوده کـرنش در طـي يـک مرحله کامل بارگذاري و بـاربرداري مـي شـود. فواصـل زيـ اد همچنين م يتواند مقاد ير فاکتور کـاهش مقاومـت فـاق را کـهيکي از عوامل بسيار مهم در بررسي عمر خـستگي اتـصالاتاست را کاهش دهد، در حالي که تنشها به علت افزايش اثـرخمشي افزا يش مييابند. قابل ذکر اسـت کـه فواصـل شـکافبسيار کوچک (در حدود صفر) بين صفحات، مقادير تـنش رابه علت ضريب تمرکز تنش بـالا، افـزايش مـيدهـد . در ا يـ ن مورد، شکاف به عنوان يک ترک بسيار تند عمل ميکند، ولـي از اثرات خمش ميتوان صرف نظر کرد.

شکل ۲- توزيع تنش الاستيک– پلاستيک و گراديان تنش نسبي در نمودار لگاريتمي براي ريشه فاق [۲۱].

هدف از تحقيق موجود ارائه اطلاعات کامـل دربـارهتأثير شعاع فاق و در نتيجه اثرات تمرکز تـنش بـر روي مقاومت خـستگي اتـصالات نقطـهجـوش اسـت . بـدين منظور، اتصالات ي با مقادير مختلـف شـعاع فـاق در نظـرگرفته شده، و فاکتورهاي کاهش مقاومت خستگي تع يين شده است. از روش حجمي براي بررس ي عمـر خـستگي اتصالات استفاده شده است.

۲- پيش زمينه ي نظريه
مق ادير ت نش موض ع ي ف اقه ا در اث ر ض ريب تمرک ز تنشKt ، در مقايسه با تنشهاي م يانگين اسم ي بزرگتر ند اين افزايش تنش براي شکست خستگي بس يار مضر است، ولي به ص ورت م ستقيم مح دوده ت نش را در خ ستگ ي م شخص نميكند. بنابراين با يد کاهش مقاومت خستگي تعر يـ ف شـود.
در اين تحق يق، فاکتور کاهش مقاومت خستگي بر مبناي روشحجمي پيشنهاد شده توسط پلاو ينيج[۲۵] تعيـي ن شـده اسـت .
روش حجمي ۵ روش ي براي مطالعه رفتار خـستگي در اطـراففـاقهاسـت. اسـاس ايـن روش در ايـن اسـت کـه شکـست خستگي در فاق نيازمند وجود حجم فيزيکي بـراي بـه وقـوعپيوستن اسـت . ايـ ن روش بـه يـ ک مع يـ ار پ يـدايش تـرک دوپارامتري، يعني تنش مؤثر۶ و فاصله ي مؤثر۷، منجـر مـيشـود . فاصلهي مؤثر به يک نقطه خاص از توزيـ ع تـنش الاسـتيک-پلاستيک که در نمودار لگاريتمي رسم شده، مربوط مـيشـود .
تنش م ؤثر به يک مقدار ميانگين در محدودهي فاصـلهي مـؤثرکه در آن اثرات فاصله و گراديان نسبي تنش بـ ه صـورت تـابعوزني لحاظ شده مربوط م يشـود . در روش حجمـي فـاکتورکاهش مقاومت فاق، با اعمال خواص مکانيکي و مشخـصاتهندسي مربوطه با استفاده از تحليل اجزاي محـدود غي رخطـي محاسبه م يشود. محاسبه فاکتور کاهش مقاومت فاق و استفادهاز منحن ي مرجع ۸ (منحني خستگ ي نمونه بدون فاق) منجـر بـهمنحني خستگ ي نمونه فاقدار در نمودار خستگي ميشود. يـ ک نمونه از توزيع تنش الاستيک-پلاستيک و گراديان نسب ي تنشدر نزد يکي فاق در نمـودار لگـاريتمي شـکل (۲) آورده شـده است.
توزيع تنش باز کننده ترک۹ خستگي σyy (x) در نزديکـيريشه فاق مقدار ماکزيممσmax را داشته و با فاصله گرفتن ازريشه فاق کاهش مييابد. توزيع تنش در نمودار لگاريتمي سهناحيه خاص را نشان مـيدهـد کـه هـر يـ ک از ايـ ن نـواحي وي ژگيهاي خاص خـود را دارنـد کـه در ادامـه توضـيح دادهمي شود. مقدار ماکزيمم تنش و فاصله مربوط به آن در ناحيه I قابل تشخيص است. مشخصه مهم اين ناحيه وجود مـاکزيمممقدار تنش در توزيع الاستيک-پلاستيک اسـت کـه از تحليـلاجزاي محدود الاستيک-پلاستيک به دسـت آمـده، اسـت. درناحيه II مقدار تنش کاهش پيداکرده و در نهايت توزيع تـنشبه يک مقدار تنش مؤثرσeff منتهي ميشود. تنش مؤثر، اوليننقطه ناحيهIII است و فاصله مربـوط بـه آن يعنـي فاصـلهي مؤثر براي پيشبيني عمر خستگي و ناحيه پلاسـتيک مـؤثر درمجاورت ريشه فاق مـورد اسـتفاده قـرار مـيگيـرد . در روشحجمي ضريب خستگي فاق و گراديان تنش نـسبي از معادلـهزير قابل محاسبه است [۲۵]:
(۵) kf =

Xeff1σn ∫0Xeff σyy (x)(1 x )dx− χ که در آنXeff فاصله مؤثر،σn تـنش خـالص،σyy تـنش بـاز کننده ترک وχ گراديان نسبي تنش است که بهصورت زير

ترک

مسير
ترک

کننده

باز

تنش
eff
x
)
(
x
yy
σ
χ
max
σ
eff
σ

ترک



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید