تنش پسماند در سازه چیست ؟

تنش پسماند در سازه را می‌توان از 2 نظر مورد بررسی قرار داد که عبارت‌اند از:

1. روش‌های تجربی
2. روش‌های تئوریک

• روش‌های تجربی

در این روش‌ها، تنش پسماند در سازه از طریق اندازه‌گیری کرنش‌های باقیمانده محاسبه می‌شوند.

نمودار روش‌ها و دسته‌بندی

نخستین بررسی کمی ثبت شده به سال ۱۸۴۱ میلادی بر می‌گردد، که توسط نیومن در برلین آلمان انجام پذیرفت.

سپس موضوع قریب به یک قرن به بوته فراموشی سپرده شد تا در سال ۱۹۳۴ میلادی میدر در ژورنال انجمن مهندسین مکانیک آمریکا روشی جهت اندازه‌گیری تنش‌ پسماند در سازه به میان کشید.

تا اینجا موضوع، ارتباطی به تنش‌های پسماند در جوش ندارد.

شاید اولین بررسی جدی جهت اندازه‌گیری تنش پسماند در سازه و جوش‌ها، در سال ۱۹۵۵ میلادی به عنوان یک کار پژوهشی توسط گیونرت در انستیتو تکنولوژی استکهلم سوئد انجام پذیرفت.

تحقیق در زمینه اندازه‌گیری تنش‌های باقیمانده در جوش از آن زمان بدون وقفه ادامه یافته تا حال حاضر که در ژاپن زیر نظر پروفسور یودا روش‌های مبتنی براساس تئوری به اصلاح کرنش ذاتی و روش اجزا محدود ساخته و پرداخته می‌شوند.

روش‌های تجربی به دو دسته روش‌های تخریبی و غیرتخریبی تقسیم می‌شوند.

از روش‌های تخریبی می‌توان به دو روش معروف حفره مرکزی و حلقه نام برد.

در هر دو روش گل کرنش‌هایی در محلی که قرار است تنش‌های باقیمانده آن اندازه‌گیری شود نصب کرده و آنگاه با ایجاد حفره‌ای در مرکز کرنش‌سنج‌ها و یا با ایجاد شیار حلقه‌ای به دور آنها تنش‌ پسماند در المان سازه و جوش را آزاد ساخته و در اثر این آزادسازی، کرنش‌های پسماند را به دست می‌آوردند.

یعنی ابتدا توسط فرمول‌های زیر، کرنش‌ها را به دست آورده و سپس با استفاده از سایر روابط استخراج شده و فرمول‌های مندرج در مکانیک جامدات، تنش پسماند در سازه و جوش را تعیین می‌نمایند.

این فرمول‌ها مربوط به حالت تنش مسطح می‌باشند.

قطر و عمق حفره انتخابی، همچنین قطر شیار حلقه‌ای، تأثیر بسزائی در اندازه کرنش‌ها و نتیجتاً در دقت تنش‌های پسماند حاصله دارند.

روش حفره مرکزی دارای دقت کمتری نسبت به روش حلقه است ولی اجرای آن ساده‌تر بوده و تخریب آن نیز کمتر است.

ATSM نیز استانداردی را به روش حفره مرکزی اختصاص داده است.

از روش‌های غیرتخریبی می‌توان به 3 روش مشهور پراکندگی پرتو X، پراکندگی نوترون و تکنیک اولتراسونیک اشاره کرد.

از بین این سه روش فوق روش اولتراسونیک در حال حاضر در دست بررسی تحقیق و تکمیل است.

مشکل عمده در تکنیک فوق، عدم تشخیص تأثیر اندازه کریستال‌ها در منطقه HAZ و تنش‌های پسماند آن بر سرعت صوت می‌باشد.

در روش پراکندگی پرتو X، سازندگان تجهیزات دستگاه اندازه‌گیری قابل حملی را تولید و به بازار عرضه کرده‌اند.

یکی از تفاوت‌های دو روش پراکندگی پرتو X و نوترون در آن است که اولی برای اندازه‌گیری تنش‌های پسماند در سطح، و دومی برای اندازه‌گیری تنش‌های پسماند در عمق کاربرد دارند.

برای اطلاعات بیشتر و جزئیات به کارگیری روش‌های فوق و نحوه اندازه‌گیری تنش‌های پسماند در عمل جوشکاری می‌توان از مراجع مرتبط سود جست.

به طور خلاصه می‌توان گفت، کلیه روش‌های تجربی علیرغم اینکه معیار و ملاک تأیید تئوری و تحلیل هستند اما دارای دو نقص بزرگ و عمده می باشند که عبارتند از:

1- اندازه و تغییرات تنش‌های پسماند سطحی یا عمقی را پس از اتمام کار معلوم می‌کنند.
به عبارت دیگر قادر به نمایش پروسه و روند تشکیل تنش‌های باقیمانده نمی‌باشند.

2- قادر به نشان دادن نقش عوامل موثر در تولید و توزیع تنش‌های پسماند نیستند.

ولی در عوض روش‌های تئوریک، اعم از تحلیلی یا عددی، علیرغم فرضیات ساده کننده قادرند نقش تک‌تک عوامل مؤثر در موضوع، همچنین روند تغییرات را هم به نمایش بگذارند.

 در یک کلام می‌توان گفت که روش‌های تجربی گسسته‌اند و مقطعی، اما روش‌های تئوریک پیوسته‌اند و ممتد.

• روش‌های تئوریک

در این روش‌ها با استفاده از معادلات حاکم و حل تحلیلی و عددی آنها با توجه به شرایط اولیه و مرزی، تنش‌های پسماند محاسبه می‌گردند.

از لحاظ تئوری، اولین موضوعی که در عمل جوشکاری به ذهن خطور می‌کند، تعیین معادله‌ای است که از حل آن، تاریخچه توزیع دمای حوزه جوش حاصل می شبکه توزیع دمای حوزه جوش حاصل می‌گردد.

حرارت داده شده به قطعه کار در هر دو نوع جوش قوسی و گازی را می‌توان با اندکی مسامحه به دو صورت زیر در نظر گرفت:

1- یک چشمه حرارتی نقطه‌ای متحرک به سرعت ثابت در طول خط جوش.

2- یک چشمه حرارتی خطی به پهنای ضخامت قطعه با سرعت ثابت در طول خط جوش.

در تحلیل کامپیوتری، مسیر حرکت الکترود در امتداد خط جوش عبارت از سیکل‌های مکرر از فرآیندهای ذوب، خمیری شدن و انجماد در گره‌های ممتد با برانگیختگی و احیا شدن المان‌ها و سپس زوال آنها در هر مرحله همراه می‌باشد.

این پروسه پرتکرار به پدیده تولد و مرگ المان موسوم است.

با مشاهده شکل‌های زیر می‌توان دریافت که عدم تقارن نقاط گرهی در نمایش گرادیان دما در گره‌های واقع در طرفین انبر الکترود به دلیل عدم تجربه پدیده تولد و مرگ در المان‌هایی است که هنوز الکترود به گره‌های مختصاتی آنها نرسیده است.

مورد اخیر به منظور آنالیز تنش‌های پسماند حرارتی در تشریح سطر بند (1) بوده که مطابق مفاد مندرج در آیین‌نامه جوش ایالات متحده تأییدی بر تأمین دلیل جهت الزام در مدلسازی حرکت مولد در قطعات نازک فولادی می‌باشد.

براساس توضیه این آیین‌نامه، مدلسازی مولد متحرک در قطعات ضخیم فولادی ضرورتی ندارد.

باید دانست که تکنیک‌های مدلسازی در حوزه جوش، اغلب در فضای دو بعدی و در دستگاه مختصات کارتزین انجام می‌پذیرد.

شایان ذکر می‌باشد؛ تجربیات و اطلاعاتی که در زمینه شبیه‌سازی کامپیوتری در این حوزه حاصل شده، حاکی از آن است که به منظور بهینه‌سازی و تحصیل نتایج دقیقتر در محاسبه تنش‌های باقیمانده گرمایی و با قدرت تحلیلی در رایانه‌های امروزی، ملزم به تغییراتی هر چند کوچک در مراحل شبیه‌سازی خواهیم بود.

این واقعیت بدان معنی است که جهت دسترسی به مدل‌های بسیار دقیق در فضای سه‌بعدی و همچنین تحلیل مدل‌های پیچیده در یک فرآیند جوشکاری، ضرورت نیاز به ابرکامپیوترها محرز می‌باشد.

به عنوان مثال در کنفرانس ملی علوم ۱۹۳۵ بروکسل پایتخت بلژیک، معادله تاریخچه توزیع دمای حالت (1.) و حل آن را در حوزه نیم بینهایت ارائه کرد و آنگاه در سال‌های ۱۹۴۱ و ۱۹۴۶ هر دو حالت فوق را برای حوزه‌های گوناگون به ترتیب در مجلات جوشکاری و ASME به چاپ رسانید.

نمایش تمرکز گرادیان دمای شدید درالمانی از محل جوش

می‌دانیم که جدا کردن انقباض فلز مایع از تغییر حجم در هنگام انجماد بسیار دشوار است.

زیرا فرایند ذوب و انجماد در عملیات جوشکاری به طور همزمان پیشرفت می‌کنند.

با مشاهده یک مقطع عمودی عرضی از یک اتصال جوشی در دوره انجماد شکل (19-3) این دو مرحله به صورت تداخل مشاهده می‌شوند.

همان گونه که پیشانی انجماد به طرف بالا و در جهت خط مرکزی پیشرفت می‌کند، فلز جامد نسبت به فلز مایعی که جایگزین آن شده، فضای کمتری را اشغال می‌نماید؛ یعنی چگالی فلز جامد بالاتر است.

فلز مذاب نیز منقبض شده و در نتیجه سطح حوضچه تا زیر سطح اولیه آن کاهش می‌یابد؛ لیکن در همان زمان، فلز مذاب بعدی ناشی از ذوب فلز مبنا در پیشانی جلویی حوضچه مذاب و نیز ذوب الکترود در حوضچه مذاب، این ناحیه را تغذیه می‌کنند.

بنابراین هر چند انقباض قابل توجه‌ای هنگام سرد شدن و تبدیل از حالت مایع به جامد ظاهر می‌شود، سطح جوش معمولاً آن را نشان نمی‌دهد مگر در حالتی که میزان ماده افزودنی برای جبران کاهش حجم کافی نباشد.

در تصویر پایین (الف ردیف اول) اگر ممانعتی از سوی ورق‌های طرفین در انقباض خط جوش به عمل نیاید، خط جوش مطابق (ب ردیف اول) انقباض آزاد خود را خواهد داشت.

لیکن می‌دانیم که ورق‌های طرفین، مانع انقباض آزاد خط جوش هستند.

در شکل (ج ردیف اول) در خط جوش کشش و در ورق‌های طرفین فشار به وجود می‌آید.

کروکی تنش پسماند σx مطابق شکل (د ردیف اول) و تغییرات پیک آن در طول خط جوش در شکل (ه ردیف اول) نشان داده شده‌اند.

در صورتی که مانعی موجود نباشد، هر یک از ورق‌های طرفین خط جوش در اثر فشار ناشی از انقباض خط جوش تمایل دارد که طبق شکل پایین (الف ردیف دوم) خم شود؛ ولی عملاً چنین درزی قوسی تشکیل نمی‌گردد.

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که شکل (ب ردیف دوم) تنش‌های پسماند فشاری در نواحی دو سر خط جوش و تنش پسماند کششی در نواحی میانی خط جوش به وجود می‌آیند.

کروکی این تنش‌های پسماند σy در راستای خط جوش می‌باشد.

آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌های گوناگون انجام شده تاکنون کروکی‌های تنش‌های پسماند نشان داده شده در شکل‌های زیر را تائید می‌نمایند.

باید دانست که انقباض‌های طولی و عرضی در سیکل‌های ذوب و انجماد حوضچه مذاب، اثرات قابل توجهی بر تغییر حجم و یا بروز اعوجاج در ورق‌ها خواهد داشت.

در نقطه شروع، می‌توان فرض کرد وقتی ورق‌ها گرم هستند، تغيير حجم، فضای خالی بین دو ورق را پر می‌کند و هنگامی که ورق‌ها شروع به سرد شدن می‌کنند؛ هم در طول و هم در سطح مقطع، منقبض خواهند شد.

اولین و واضح‌ترین عامل آن است که جوش گرم از هر طرف به صفحاتی متصل است و امکان انقباض آزاد ندارند.

این صفحات کم و بیش صلب هستند به نحوی که در لحظه انقباض فلز جوش، با جلوگیری از انقباض در طول اولیه‌اش نگه داشته می‌شود و در نتیجه تغییر شکل مومسان ایجاد می‌گردد.

این بدان معنی است که در منطقه جوش، نیروهای کششی به وجود می‌آید که عکس‌العمل این نیروهای کششی، همان نیروهای فشاری در صفحات می‌باشند.

تنش‌های خود متعادل

بنابراین خط جوش در دوره سردشدگی انقباض طول پیدا کرده و هر دو ورق جوش شده خم می‌شوند، در نتیجه تنش‌های فشاری در دو سر خط جوش و تنش کششی در وسط خط جوش تولید می‌گردند.

لذا اگر این صفحات کاملا صلب باشند، هنگامی که دوره تبرید پایان می‌یابد، اتصال جوش باید همان طولی را داشته باشد که صفحات در ابتدا داشته‌اند.

به هر حال تنش‌های فشاری ایجاد شده از نظر مقدار، قابل توجه بوده و از تنش تسلیم فشاری فلز مبناء تجاوز می‌نمایند.

در سیکل‌های حرارت و برودت، تغییر شکل‌های زاویه‌ای و کمانش طولی ورق‌های فولادی که نتیجه اثرات تنش‌های پسماند در جوش هستند نیز نباید نادیده گرفته شوند.

با توجه به انقباض طولی و عرضی، مطابق آن چه که در بندهای مذکور آمده، اساسا به این دلیل که انقباض در اطراف محور خنثی صفحه به طور یکنواخت توزیع نمی‌شود و تمام جوش نه در یک لحظه بلکه به صورت تدریجی سرد می‌شود، نمی‌توان اینگونه عملیات را ساده اعمال نمود؛ لذا باید کوشش کرد تا مقادیر تغییر شکل به حداقل رسیده و محصول نهایی مورد قبول باشد.

برای محدود کردن حرکت اصفحات و ورق‌هایی که اتصال را تشکیل می‌دهند می‌توان از گیره استفاده نمود، اما این کار غالباً میسر نیست و باید تلاش‌ها به سمت ابداع روش‌های جوشکاری مناسب که به تعادل مقدار انقباض حول محور خنثی کمک نماید سوق داده شوند.

به طور کلی از دو راه حل می‌توان استفاده نمود؛ با دو طرف یک اتصال جوش داده شود یا هماهنگ‌سازی لبه به نحوی باشد که پهنای یکنواخت‌تری در طول ضخامت ورق تولید کند. شایان ذکر است که استفاده از تکنیک‌های مناسب نیز در کاهش میزان تغییر شکل‌های طولی، عرضی، زاویه‌ای، کمانش و اعوجاج ناشی از تأثیر حرارت و تنش‌های پسماند، بسیار کارگشا خواهد بود.

امیدوارم این مقاله مورد توجه شما قرار گرفته باشد

گروه آموزشی استوارسازان