جوشکاری ورق A36

جوشکاری ورق a36- اندازه گیری غیر مخرب تنش پسماند در قطعات فولادی جوشکاری شده با روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی

چکیده

در این تحقیق به بررسی و اندازه‌گیری تنش پسماند در اتصال قطعات فولادی مورد جوشکاری، با روش غیر مخرب برهمنگاری تصاویر دیجیتالی انجام گردید. به این منظور نمونه‌هایی از جنس ورق A36 تهیه و عملیات جوشکاری قوسی با گاز محافظ بر روی آن‌ها انجام شد. برای اندازه‌گیری غیر مخرب تنش پسماند از روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی استفاده گردید. و نمونه‌های پایه، مورد جوشکاری بدون عملیات حرارتی و مورد جوشکاری با عملیات حرارتی مورد ارزیابی قرار گرفتند.

عملیات حرارتی نمونه‌ها از نوع آنیلینگ می‌باشد. که این عملیات به منظور کاهش تنش پسماند نمونه‌های مورد جوش دهی انجام گردید. به منظور اندازه‌گیری تنش پسماند به صورت غیر مخرب رابطه جدیدی معرفی گردید. که بر پایه قانون هوک است. مقادیر تنش پسماند با اندازه‌گیری میزان کرنش نمونه‌ها و قرار دهی مقادیر آن در این رابطه محاسبه گردید.

نتایج نشان می‌دهند که عملیات حرارتی انجامی بر روی نمونه‌ها سبب کاهش مقادیر تنش پسماند به میزان تقریبی 33% گردید. و روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی دقت کافی و مناسب برای اندازه‌گیری تنش پسماند به صورت غیر مخرب را در نمونه‌های مورد ذکر دارا می‌باشد.

1-مقدمه

تنش پسماند نوعی از تنش‌های داخلی است که بدون تأثیر بارهای خارجی درون جسم وجود دارد. همواره تنش پسماند موجود در قطعات بخشی از استحکام ماده را تحت تأثیر قرار می‌دهد. تنش‌های پسماند ممکن است طی فرآیند ساخت یا در طول دوره‌ی کاری، در قطعه به وجود آیند. این گونه تنش‌ها در بسیاری از موارد، به ویژه زمانی که سازه تحت بارهای متناوب یا محیط‌های خورنده باشد. نقش عمده‌ای در تخریب سازه دارند.

تنش‌های پسماند در همه موارد نقش مخرب ندارند و این امر بستگی به مقدار، علامت و توزیع تنش‌های پسماند. در مقایسه با تنش‌های ناشی از بار خارجی دارد. اندازه‌گیری تنش پسماند به سه صورت مخرب Destructive، نیمه مخرب Semi Destructiveو غیر مخرب Non Destructiveانجام می‌شود.

روش‌های مخرب به علت تخریب ساختار قطعه اولیه در فرآیند ارزیابی تنش پسماند دارای محدودیت‌هایی می‌باشند. به همین علت استفاده از روش‌های با دقت بالا و غیر مخرب در صنعت بسیار حایز اهمیت می‌باشد [1]. امروزه در بین روش‌های غیر مخرب، استفاده از روش‌های نوری که قابلیت ارزیابی به صورت مام صفحه Full-field و در موقعیت In-Situ را دارا می‌باشند. بسیار مورد توجه قرار دارد[2]. این روش‌ها دارای سرعت و دقت بالا، هزینه پایین و عدم وابستگی به ریزساختار و کیفیت سطوح می‌باشند [3].

در بین روش‌های نوری ارزیابی تنش پسماند، روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی Digital Image Correlation (DIC). به علت هزینه پایین، سرعت بالا و عدم نیاز به مواردی نظیر تحلیل فازها. هاله‌ها و امواج نسبت به سایر روش‌های نوری دارای برتری می‌باشد [4]. این روش برا اولین بار در سال 1982 توسط پروفسور ساتن به منظور به دست آوری میدان جابجایی معرفی شد [5]. پیتر و همکاران در سال 1983 از این روش برای به‌دست آوری میدان کرنش استفاده کردند [6].

ساتن و همکاران این روش را بهبود دادند و به اثبات دقت آن در محاسبه میدان کرنش پرداختند [7]. آنها از روش نیوتن-رافسون برای بهینه‌سازی الگوریتم برهمنگاری استفاده کردند [8]. وندرکس الگوریتم اولیه این روش را بهینه کرد و دقت میدان جابجایی را افزایش داد [9].

وندرکس و ناوس از این روش برای اندازه‌گیری میدان کرنش در ابعاد کسر میکرونی استفاده کردند [10]. سپس محققان مختلفی بر روی الگوریتم و بهبود آن تحقیق کردند [12,11]. چین و بروک یک الگوریتم جدید برای آنالیز میدان‌های غیر پیوسته و دارای ترک ارایه کردند [13]. رتور و همکاران الگوریتم دیگری را برای تحلیل ترک و ترک‌یابی توسعه دادند [15,14]. ساتن و همکاران با استفاده از برهمنگاری سه‌بعدی، اثر جابجایی خارج از صفحه در برهمنگاری دوبعدی را بررسی کردند [16].

آنها با استفاده از برهمنگاری سه‌بعدی، اثر فاصله قرارگیری دوربین در میدان‌های جابجایی حاصل از برهمنگاری دوبعدی و خطای روش را بررسی کردند. در سال 2012 برنگر و همکاران تأثیر روش‌های متفاوت در ایجاد الگوی تصادفی بر میدان‌های جابجایی دوبعدی را مطالعه کردند [17]. با توجه به اهمیت ارزیابی تنش پسماند در قطعات، استفاده از روش‌های نوری برای ارزیابی تنش پسماند به سرعت مورد مطالعه قرار گرفت. پژوهشگران زیادی در حوزه ارزیابی تنش پسماند با استفاده از روش‌های نوری فعالیت کرده‌اند.

شاجر در سال 2009 پیشرفت‌های اخیر در اندازه‌گیری تنش پسماند را مرور کرد [18]. کورسونسکای و همکاران به بررسی تنش‌های پسماند در مقیاس میکرون پرداختند [19].

آنها در این پژوهش به بررسی ورق‌های پوشش دهی شده نازک با استفاده از روش‌های ماشینکاری. پرتوهای متمرکز Focused ion beam (FIB) و برهمنگاری تصاویر دیجیتالی پرداختند. کروتنسالر و همکاران به معرفی روش جدیدی برای بررسی تنش پسماند. در ورق‌های نازک از طریق ترکیب روش‌های ماشینکاری پرتوهای متمرکز و برهمنگاری تصاویر پرداختند [20]. یاوو و همکاران به بررسی تنش پسماند در فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اتصالات لب به لب. با استفاده از روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی و روش مقطع زنی Digital image correlation (DIC)-aided slitting technique پرداختند [21].

مارکو و همکاران در سال 2011 به بررسی تنش پسماند ورق‌های نازک پوشش داده شده از طریق روش یون متمرکز-برهمنگاری تصاویر پرداختند [22]. سباستیانی و همکاران در سال 2014 به بررسی و محاسبه ضریب پواسون و تنش پسماند. در مقیاس میکرون با استفاده از روش‌های ماشینکاری پرتوهای متمرکز، شیارزنی و برهمنگاری تصاویر دیجیتالی پرداختند [23]. داینس و همکاران در سال 2009 به بررسی اندازه‌گیری تنش پسماند در مقیاس میکرو برای فولادها با استفاده از روش‌های یون متمرکز-برهمنگاری تصاویر پرداختند [24].

وینیاریسکی و همکاران به اندازه‌گیری تنش پسماند در مقیاس میکرون با استفاده از روش سوراخکاری و برهمنگاری تصاویر دیجیتالی پرداختند. که در این پژوهش روش جدید سوراخکاری تحت عنوان سوراخکاری تدریجی میکرونی Incremental micro-hole-drilling معرفی گردید [25]. نلسون و همکاران به تخمین تنش پسماند با استفاده از روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی سه‌بعدی پرداختند [26]. در بیشتر پژوهش‌های انجامی در حوزه اندازه‌گیری تنش پسماند با استفاده از روش‌های نوری. این روش‌ها در کنار یکی از روش‌های مخرب یا نیمه مخرب مورد استفاده قرار گرفتند. در راستای استفاده از روش‌های نوری برای ارزیابی تنش پسماند به صورت غیر مخرب، پژوهش‌های محدودی صورت پذیرفت.

کیم و همکاران به بررسی غیر مخرب تنش پسماند در نمونه‌های مورد جوشکاری لب به لب. با استفاده از روش تداخل سنجی الگوهای لکه‌ای Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI) پرداختند. آنها دو نوع نمونه مهیاسازی کردند که نمونه نوع اول فلز پایه و نمونه نوع دوم فلز جوش دهی می‌باشد. آنها روش جدیدی معرفی کردند و پس از انجام آزمون کشش بر روی تمامی نمونه‌ها، میزان تنش پسماند محاسبه شده است.

پس از اندازه‌گیری تنش پسماند تمامی مراحل در نرم‌افزار اجزای محدود محاسبه شد. و نتایج آن با میزان تنش پسماند بدست آمده، مقایسه شده است [27]. کیم و همکاران به اندازه‌گیری غیر مخرب تنش پسماند با استفاده از روش تداخل سنجی الگوهای لکه‌ای برای قطعات فولادی مورد جوشکاری پرداختند. آنها به معرفی روش جدید بر پایه قانون هوک پرداختند. که قابلیت اندازه‌گیری تنش پسماند به صورت غیر مخرب را دارد.

جوشکاری ورق a36

به این منظور قطعات فولادی با استفاده از فرآیند جوشکاری قوسی با محافظت گاز جوشکاری شدند. و میزان تنش پسماند ایجادی در قطعات با استفاده از روش تداخل سنجی الگوهای لکه‌ای و روش مورد معرفی اندازه‌گیری گردید. به این منظور چهار نمونه فلز پایه، فشاری، کششی و بازپختی کششی مطابق استاندارد برش خورد و مورد ارزیابی قرار گرفت. تمامی نمونه‌ها تحت آزمون کشش قرار گرفتند و در حین آزمون کشش از نمونه‌ها تصویربرداری شده است.

پس از انجام آزمون کشش و تحلیل تصاویر ثبتی توسط روش تداخل سنجی الگوهای لکه‌ای، مشخص گردید. که الگوهای ایجادی جابجایی برای نمونه فلز پایه و جوش داده شده متفاوت می‌باشد. و دلیل این امر وجود تنش پسماند در نمونه‌های جوشکاری شده می‌باشد [28].

در این مقاله با توجه به برخی برتری‌های روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی نسبت به سایر روش‌های نوری. به بررسی و اندازه‌گیری تنش پسماند بر روی قطعات فولادی مورد جوش دهی با استفاده از روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی بررسی گردید. در این راستا پس از بررسی تئوری مورد استفاده، نمونه‌های تجربی مورد مهیاسازی و تنش پسماند با روش مورد معرفی در آنها اندازه‌گیری انجام شد.

2-تئوری روش

1-2-برهمنگاری تصاویر دیجیتالی

روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی، روشی بر پایه ثبت و پردازش تصاویر است. که هدف اصلی آن، به دست آوری میدان جابجایی در محدوده مورد نظر از قطعات تحت تغییر شکل می‌باشد. در این روش ابتدا روی سطح قطعه الگوی لکه‌ای سیاه و سفید ایجاد می‌شود. پس از مهیاسازی نمونه، دو عکس از سطح قطعه قبل و بعد از بارگذاری ثبت می‌شود.

و سپس با انجام تحلیل این دو تصویر در الگوریتم برهمنگاری، میدان جابجایی و در ادامه آن کرنش‌ها محاسبه می‌شوند. تئوری اصلی روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی ارتباط بین نقاط قبل و بعد از تغییر شکل در ماده مورد بررسی می‌باشد. روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی با به کارگیری بخش‌های فرعی از عکس مرجع Reference Image که با نام زیر مجموعه Subset شناخته می‌شوند. و با انجام مقایسه این بخش‌ها میدان جابجایی را محاسبه می‌کند.

جوشکاری ورق a36

برای هر کدام از این زیر مجموعه‌ها، اطلاعات مربوط به جابجایی و کرنش در حین انتقال و شرایط کنونی محاسبه و مطابقت دهی می‌شوند. با توجه به شکل 1 برای بررسی مقدار انطباق هر جفت زیر ناحیه ضرب برهمنگاری C با استفاده از رابطه (1) تعریف می‌شود. که می‌تواند معیار مناسبی برای درک میزان مطابقت دو زیر ناحیه متناظر باشد.

اندیس P نشان دهنده نقطه مورد نظر می‌باشد و R بردار مجهولات به صورت زیر می‌باشد.

در معادلات بالا، U و V مؤلفه‌های مربوط به جابجایی در مرکز زیرناحیه، Gr و Gd توابع پیوسته درون‌یابی. شدت نور قبل و بعد از بارگذاری می‌باشند. (x,y) و (‘x,’y) به ترتیب مختصات نقاط در زیر ناحیه‌های تصویر مرجع و تصویر بعد از بارگذاری می‌باشند. که طبق روابط (2) و (3) با یکدیگر ارتباط دارند.

جوشکاری ورق a36

در روابط (2) و (3)، x∆ و y∆ فواصل افقی و عمودی نقطه (X,Y) از مرکز زیرناحیه می‌باشد. در روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی بهترین جواب زمانی به دست می‌آید که ضریب C کمینه شود. به عبارت دیگر، توابع درون‌یابی قبل و بعد از بارگذاری در هر نقطه اختلاف کمی داشته باشند. طبق رابطه (4) برای کمینه کردن کمیت C باید گرادیان آن صفر شود.

از روش نیوتن-رافسون برای محاسبه رابطه (۴) و به دست آوری ریشه‌های آن استفاده می‌شود. با استفاده از روش نیوتن-رافسون جابجایی‌ها و گرادیان‌های مربوط به آن با دقت کسری از پیکسل حاصل می‌گردد. نتایج این مرحله به عنوان مقادیر اولیه در الگوریتم نیوتن-رافسون برای زیر ناحیه بعدی استفاده می‌شود. در این روش با انجام محاسبات کلی در نهایت کرنش‌ها در راستاهای مختلف به صورت روابط (5-7) می‌باشند:

که در آن‌ها، ɛ_yy ، ɛ_xx و ɛ_zz مؤلفه‌های کرنش اصلی در راستای Y،X و Z می‌باشند. با استفاده از روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی می‌توان میدان کرنش ایجادی. در اثر یک بارگذاری مشخص را در سطح قطعه به طور تجربی و بدون استفاده از کرنش سنج اندازه‌گیری نمود. شماتیکی از تجهیزات مورد نیاز برای آزمون برهمنگاری تصاویر دیجیتالی در شکل 2 نمایش نمایان و مشخص است.

2-2-اندازه‌گیری تنش پسماند

قانون هوک در فیزیک، مکانیک و دانش مواد، تقریبی برای نمایش رابطه خطی بین تغییر طول و بار وارد بر آن در محدوده کشسانی می‌باشد. بسیاری از مواد تا زمانی که نیرو از حد کشسانی آن‌ها کمتر باشد با تقریب خوبی از این قانون پیروی می‌کنند. بر اساس قانون هوک، تنش با کرنش در ناحیه الاستیک دارای رابطه خطی می‌باشد و از طریق رابطه (8) حاصل می‌آید:

جوشکاری ورق a36

که در آن، σ تنش، ɛ کرنش و E مدل یانگ می‌باشد. بر اساس این رابطه، چنانچه قطعه‌ای تحت نیروی کششی و یا فشاری قرار گیرد و نیروی اعمالی در حدی باشد. که ماده را تا حد الاستیک آن بارگذاری کند، میزان کرنش ایجادی در تمامی المان‌های آن از طریق رابطه‌ی هوک محاسبه خواهد شد. چنانچه در قطعه‌ای بر اثر عملیاتی که از قبل بر روی آن انجام شده است. تنش پسماند ایجادی باشد و این قطعه تحت کشش محوری قرار گیرد.

تنش کلی موجود در قطعه متأثر از نیروی اعمالی و همچنین تنش پسماند قبلی موجود در قطعه خواهد بود. در این حالت با استفاده از نمونه استاندارد و انجام تست کشش، مقدار مربوط به مدول یانگ قطعه محاسبه خواهد شد. طبق قانون هوک رابطه بین تنش فلز پایه σ_b و کرنش فلز پایه ɛ_b از طریق رابطه (9) محاسبه می‌شود:

که در آن E_b مدول یانگ فلز پایه بدون حضور تنش‌های پسماند است. با توجه به رابطه (9) تنش کلی در قطعه σ_total برای نمونه با حضور تنش پسماند و تنش کششی محاسبه خواهد شد:

به طوری که E_R مدول یانگ نمونه‌ی دارای تنش پسماند، ɛ_R کرنش در قطعه دارای تنش پسماند σ_R. میزان تنش پسماند موجود در قطعه می‌باشد. با توجه به روابط (9) و (10) میزان تنش پسماند در قطعه از طریق رابطه (11) محاسبه خواهد شد:

3-فعالیت‌های تجربی

به منظور اندازه‌گیری تنش پسماند با روش مورد بیان، نمونه‌های دارای تنش پسماند از طریق فرآیند جوشکاری تهیه شدند. براساس تئوری روش مورد ذکر، نمونه‌ها بایستی با استفاده از یک روش مکانیکی در محدوده الاستیک تحت تنش قرار گیرند. در فعالیت‌های تجربی این تحقیق، کشش نمونه‌ها با دستگاه تست کشش سروو الکترومکانیکال سنتام SANTAM STM 20. با ظرفیت 2 تن به همراه فک دستی WG-20F و اکستنسیومتر کورس بلند ELP500 انجام شد.

برای اندازه‌گیری میزان جابجایی ایجادی در قطعه در حین آزمون کشش و به کارگیری روش برهمنگاری. از دوربین سی سی دی Charged Coupled Device (CCD) که 3/2 مگاپیکسل است استفاده گردید. کنترل دوربین توسط نرم افزار IC Capture 2.4 انجام می‌شود. و نتایج تصویربرداری در نرم افزار GOM Correlate مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. مجموعه مورد استفاده برای روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی و کشش در شکل 3 نمایان و مشخص است.

برای اتصال قطعات، فرآیند جوشکاری قوسی با گاز محافظ Gas Metal Arc Welding (GMAW) بر روی نمونه‌هایی از جنس فولادهای کربنی ASTM A36 انجام شد. برای حذف اثرات پارامترهای جوش در تنش‌های ایجادی، فرآیند جوشکاری برای تمامی نمونه‌ها به طور یکسان با سرعت 2mm/s و جریان جوش 130A انجام شد. نمونه‌ها از جنس ورق فولادی با کد استاندارد ASTM A36 انتخاب شدند. که یک ورق فولادی کم کربن دارای قابلیت جوشکاری و شکل‌پذیری مناسبی می‌باشد. خواص مکانیکی جنس فلز پایه در جدول 1 نمایش داده شده است.

جوشکاری ورق a36

در این تحقیق برای بررسی تنش پسماند، اطمینان از صحت نتایج و ایجاد قابلیت مقایسه نتایج از سه نوع نمونه جهت این فرایند استفاده شد. نمونه اول از جنس فلز بدون هیچ نوع عملیات جوشکاری به عنوان نمونه شاهد مد نظر قرار گرفت. نمونه دوم از جنس فلز پایه با انجام عملیات جوشکاری با پارامترهای مورد ذکر که هیچگونه عملیات حرارتی تنش زدایی بر روی آن انجام نشد.

و نمونه سوم که پس از جوشکاری، عملیات حرارتی تنش‌زدایی بر روی آن انجام پذیرفت. به منظور به ابعاد رسانی نمونه‌ها از دستگاه تخلیه الکتریکی برش وایرکات مورد استفاده قرار گرفت. مطابق شکل 4 طول کلی نمونه 130، طول گیج 57، عرض 12/5، ضخامت 2 میلی‌متر و شعاع فیلت نیز 12/5 میلی‌متر می‌باشد. نحوه برش خوردگی قطعات در شکل 5 نمایان و مشخص است.

نمونه فلز پایه به منظور تعیین دقیق مشخصات مکانیکی فولاد و تعیین شرایط بارگذاری مورد استفاده قرار گرفت. و تا مرز پارگی تحت آزمون کشش قرار گرفته است. بر اساس منحنی نیرو-جابجایی، حدود الاستیک و پلاستیک قطعه فولادی مشخص گردید. نمودار نیرو-جابجایی قطعه فولادی مورد کاربرد در شکل 6 نمایان و مشخص است.

به منظور کالیبراسیون سیستم و بررسی دقت اولیه روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی. میزان جابجایی نمونه با دو روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی و استفاده از اکستنسیومتر مورد ارزیابی قرار گرفت.

جوشکاری ورق a36

برای ایجاد الگوی لکه‌ای مورد نیاز در روش برهمنگاری، از اسپری رنگ سفید و مشکی استفاده شده است. که در شکل 7 نمونه شاهد پس از ایجاد الگوی لکه‌ای و در شکل 8 تصویر نمونه‌ها. قبل و بعد از عملیات کشش نمایان و مشخص است.

کانتور جابجایی مورد محاسبه، توسط روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی مربوط به قطعه در حین آزمون کشش در شکل 9 نمایان و مشخص می‌باشد. در شکل 10 نتایج مقایسه جابجایی‌های ثبتی توسط روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی و اکستنسیومتر نمایان و مشخص است.

با توجه به شکل 10 مشخص است که نتایج جابجایی حاصل از روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی، تطابق خوبی با روش استفاده از اکستنسیومتر دارد. و بر این اساس می‌توان از آن با دقت بالایی برای اندازه‌گیری تمام میدانی کرنش در سطح سایر نمونه‌ها نیز بهره برد. پس از تأیید دقت روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی به انجام آزمون کشش برای تعیین میزان تنش پسماند مورد بررسی قرار می‌گیرد.

در حین انجام آزمون کشش، تغییر شکل ایجادی در سه نمونه توسط سیستم برهمنگاری تصاویر دیجیتالی ثبت شد. در حین تصویربرداری، نورپردازی نمونه‌ها باید به دقت انجام شود تا تصاویر ثبتی کیفیت لازم را برای محاسبه نتایج با دقت بالا را دارا باشند.

جوشکاری ورق a36

میزان تغییر شکل ایجادی در نقاط مختلف قطعه بر اساس جابجایی الگوی تصادفی و مقایسه با مقدار مرجع محاسبه می‌شود. با هدف دستیابی به دقت بالاتر، کالیبراسیون نرم افزار با اعمال اندازه‌های هندسی مشخص انجام گردید. در شکل ۱۱ نمونه‌ای از عملیات کالیبره کردن نرم افزار نمایان و مشخص است.

پس از تعیین ابعادی نمونه، بایستی کیفیت الگوی لکه‌ای ایجادی مورد بررسی قرار گیرد. کیفیت نامناسب الگوی لکه‌ای باعث ایجاد خطا در نتایج مورد حاصل خواهد شد. این کیفیت با تغییر پارامترهای اندازه زیر مجموعه Facet size و فاصله بین نقاط Point distance قابلیت بهینه شدگی خواهد داشت. و در انتها بهترین حالت ممکن انتخاب می‌شود. با توجه به شکل، ارزیابی نرم افزار از الگوی لکه‌ای ایجادی بر روی نمونه رنگ سبز ایجاد می‌شود. و دارای کیفیت قابل قبول برای الگوی لکه‌ای می‌باشد.

با توجه به شکل 12 مشخص گردید که الگوی لکه‌ای ایجادی بر روی نمونه دارای دقت بالایی است. و تمامی نواحی نمونه در منطقه کیفیت بالای الگوی لکه‌ای واقع شده است. پس از وارد کردن تمامی تصاویر ثبتی از آزمون کشش به نرم افزار تحلیل بر روی تمامی نقاط نمونه انجام گردید.

اندازه تنش پسماند، بر روی نقاط موجود بر روی یک مسیر تعریف شده از سمت بالا به پایین مورد بررسی قرار گرفته است. تعریف مسیر اصولاً در نمای دید قطعه کار و در جهت‌های مورد نظر اعمال خواهد شد. و نرم افزار دارای این قابلیت می‌باشد که در تمامی راستاها نتایج را محاسبه کند. در شکل 13 مسیر ایجادی بر روی نمونه و جهت مورد بررسی نمایان و مشخص است.

لازم به ذکر است که در نرم افزار مورد استفاده، در نوع فیلتر فضایی Spatial و زمانی Temporal وجود دارد. که تنظیم کردن مناسب مقادیر آنها تأثیر زیادی بر دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت.

4-بحث و تحلیل نتایج

با استفاده از منحنی نیرو-جابجایی قطعه پایه (شکل 6) با توجه به محدوده الاستیک قطعه مورد نظر سه نیروی5،4،3 کیلونیوتن برای انجام آزمون انتخاب شدند. علت انتخاب این سه مقدار نیرو، انجام بررسی‌ها و اندازه‌گیری غیر مخرب تنش پسماند در محدود الاستیک می‌باشد. به علت مشخص بودن مقادیر نیرو، سطح مقطع و طول اولیه گیج، مدول یانگ قطعه فولادی نیز بدست خواهد آمد.

جوشکاری ورق a36

با توجه به محاسبات عددی مقدار مدول یانگ قطعه فولادی 209GPa محاسبه گردید. در شکل‌های 14 و 15 نتایج اندازه‌گیری جابجایی در طول مسیر خط مرکزی نمونه‌های پایه و مورد جوشکاری، نمایان و مشخص است. قابل ذکر است که همه نمودارهای مربوط به فاصله جابجایی که در ادامه ارایه می‌گردد. یکنواخت‌سازی و نویزگیری شده‌اند. تا نتایج به صورت شفاف و قابل مقایسه ارایه شوند.

همانگونه که در شکل 14 معلوم و مشخص است، در نمودار تغییر مربوط به قطعه پایه میزان تغییر شکل. در طول مسیر تعیینی دارای شیب یکنواختی می‌باشد. مطابق شکل 15، نمودار تغییر شکل ایجادی در طول مسیر تعریف و برای قطعه مورد جوش دهی دارای شیب یکسان نمی‌باشد.

این شیب در نواحی که تحت تأثیر اثرات جوشکاری نمی‌باشد. دارای مقداری ثابت و نزدیک به فلز پایه است. در نواحی که تحت تأثیر فرآیند جوشکاری است، مقادیر جابجایی دارای شیب متفاوتی از نواحی دور از جوش است.

از آنجا که گرده جوشکاری در این نمونه‌ها به طور کامل سنگ زده شده و برداشته شده است. تغییرات اثر نیرو در جابجایی این نقاط در محدوده الاستیک می‌تواند ناشی از وجود تنش پسماند موجود در نمونه باشد.

به منظور ایجاد امکان بررسی کمی و دقیق‌تر نتایج، هر نمونه تحت سه نیروی 5,4,3 کیلونیوتن مورد آزمون قرار گرفت. نتایج به دست آمده در شکل‌های 16 تا 18 نشان داده شده است. و مشاهده می‌گردد همه آزمایش‌ها روند یکسانی ارایه می‌دهند.

به منظور بررسی میزان اثر تنش پسماند در نمونه‌های مورد جوشکاری، نمونه‌های آزمون پس از جوشکاری، با استفاده از عملیات آنیلینگ تنش‌گیر شدند. تا تنش‌های پسماند داخل آنها تخلیه شود و نتایج برای نمونه‌های جوشی با تنش پسماند حداقلی بررسی گردد. عملیات آنیل کردن شامل حرارت دهی به نمونه‌ها تا دمای 600 درجه سانتی‌گراد. و نگه داشت نمونه در همین دما به مدت 4 ساعت در کوره می‌باشد.

جوشکاری ورق a36

مطابق شکل 19 با توجه به روند عملیات حرارتی انجامی، تنش پسماند موجود در قطعات تا حد زیادی تخلیه گردید. همانگونه که در شکل 19 مشاهده می‌گردد. حذف تنش پسماند باعث می‌شود که نمودار جابجایی فاصله در نمونه‌های مورد جوش دهی پس از عملیات حرارتی. از حالت تغییر شیب خارج شود و به حالت شیب یکنواخت برگردد.

با توجه به شکل 19 مشخص می‌شود که در نمونه‌های مورد جوش دهی بدون عملیات حرارتی، نمودار جابجایی-فاصله روند کلی کاهشی مداومی را طی می‌کند. اما در بخشی از نمونه که تنش پسماند ناشی از عملیات جوشکاری وجود دارد. روند یکنواخت کاهشی این نمودار با شیب کمتر ادامه یافته و حتی به سمت صفر میل کرده است. دلیل این امر، وجود ترکیبی از تنش‌های پسماند در داخل قطعه می‌باشد.

که این تنش با تغییر ضرایب الاستیک توانسته در مقابل کشش مقاومت کرده و میزان جابجایی این بخش از قطعه را تا حدی کاهش دهد. انجام عملیات حرارتی آنیلینگ، تا حد زیادی موجب حذف تنش پسماند موجود در نمونه‌های مورد جوش دهی خواهد شد. با حذف تنش پسماند نمودار جابجایی-فاصله به حالت نمونه پایه نزدیک می‌شود و حالت شیب یکنواخت کاهشی را پیدا خواهد کرد. در جدول 2 تمامی مقادیر مربوط به آزمایش‌های انجامی ارایه شده است. با توجه به ابعاد ارایه شده در شکل 4 سطح مقطع مربوط به تمامی نمونه‌ها برابر

می‌باشد. همانگونه که بیان شد، نیروهای مورد استفاده برای انجام آزمون کشش، 5،4،3 کیلونیوتن می‌باشد. مقادیر انتخابی برای نیروها بر اساس شکل 6 می‌باشد. و تمامی این مقادیر در ناحیه الاستیک نمونه می‌باشد. با اعمال این نیروها بر روی نمونه در حین انجام آزمون کشش، مقادیر جابجایی توسط سیستم برهمنگاری تصاویر دیجیتالی ثبت شده است. این مقادیر جابجایی در جدول 2 نمایان و مشخص است.

باید توجه داشت که مقادیر جابجایی در طول نمونه در دو ناحیه فلز پایه و جوش متفاوت از یکدیگر می‌باشند. با توجه به مقادیر جابجایی و طول اولیه نمونه مقادیر کرنش ایجادی در حین آزمون کشش محاسبه گردید. با توجه به مقادیر کرنش مورد حاصل و مقادیر مدول یانگ ثبتی برای نمونه‌ها. مقادیر تنش در تمامی نواحی نمونه در حین انجام آزمون کشش محاسبه گردید. در جدول 3 نیز نتایج مربوط به آزمون کشش-برهمنگاری برای نمونه آنیلی نمایان و مشخص است.

به منظور محاسبه مقادیر تنش پسماند در نواحی قطعه مورد نظر، مقادیر کرنش تمامی نمونه‌ها. به صورت کمی استخراج گردید و مقادیر تنش پسماند مطابق رابطه (11) محاسبه شد. نتایج مربوط به تنش‌ها در جدول 4 ارایه گردید.

نتایج حاصله نشان می‌دهد که عملیات آنیلینگ در تمامی نمونه‌ها تأثیر زیادی بر روی کاهش تنش پسماند داشته است. و این میزان به صورت درصد در ازای تمامی نیروهای کشش محاسبه شد. مطابق شکل 19 شیب نمودار جابجایی-فاصله کلیه نمونه‌های آنیلینگ به نمونه پایه نزدیک گردید. و دلیل آن هم کاهش تنش پسماند در نمونه‌ها با اعمال عملیات حرارتی می‌باشد.

5-نتیجه‌گیری

در این تحقیق تنش پسماند ایجادی در قطعات فولادی مورد جوشکاری با فرآیند جوشکاری قوسی با محافظت گاز. و جریان 130 آمپر توسط روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی محاسبه گردید. نتایج مورد حاصل در شرایط جوشکاری بدون عملیات حرارتی و با عملیات حرارتی مقایسه گردید. با توجه به نتایج مورد حاصل می‌توان نتیجه گرفت که مقادیر تنش پسماند در تمامی نمونه‌ها با اعمال عملیات حرارتی کاهش یافت. میزان این کاهش برای نمونه با نیروی 3KN به میزان 28/1%، نمونه 4KN به میزان 27/4% و نمونه 5KN به میزان 15/8% می‌باشد. روش برهمنگاری تصاویر دیجیتالی روشی نو و مناسب برای ارزیابی غیر مخرب تنش پسماند می‌باشد.

پیمان قاسمی تمامی¹، داود اکبری²

1-دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2-استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران