اهمیت تنش پسماند در طراحی سازه های جوشی

تنش پسماند چیست ؟!

تنش پسماند به انگلیسی Residual Stress به تنشی گفتـه می شوند که پس از برداشتن بارگذاری هنوز در قطعه وجود دارد . ایجاد تنش پسماند در قطعه علل مختلفی دارد ، هرگونه تغییر شکل پلاستیک ناهمگن ، گرم یا سرد شدن غیر یکنواخت و غیریکسان بودن ترکیب شمیایی می تواند باعث ایجاد تنش پسماند می شود.

تنش پسماند هم می توانند مفید و هم می توانند مضر باشند . در این مقاله تخصصی تمرکز ما بر روی وجود تنش پسماند در سازه هایی جوشکاری بعد از انجام جوشکاری است.

تنش پسماند در سازه های جوشی

مشکل پیش بینی تنش باقیمانده ناشی از جوشکاری از مدت ها پیش توسط طراحان سازه های جوشی به عنوان مسئله بسیار مهمی شناخته شده بود اما با این حال تحلیل آن، کار بسیار مشکلی بود. این مشکل، ریشه در مکانیزم پیچیده ی شکل گیری تنش باقی مانده دارد، که از توزیع غیریکنواخت دمای ایجاد شده توسط منبع حرارتی در فرایند جوشکاری حاصل می شود ، بعبارت دیگر چون حرارت ناشی از جوشکــاری بصورت غیر یکنواخت در سطح قطعه توزیع می شود سبب ایجاد انبساط یا کرنش های غیر یکنواخت در جهت های مختلف قطعه می شود و پس از سرد شدن قطعه جوشکاری شده ، در قطعه باقی میمانند و جای خود را به تنش های خود تعادلی می دهند و بدین صورت تنش های باقیمانده یا تنش پسماند را ایجاد می کنند.

پرسش منطقی که ممکن است در این نقطه به ذهن فرد خطور کند این است که چرا باید نگران پیش بینی تنش باقیمانده در ساختارهای جوشکاری شده بود؟ پاسخ این است که وجود تنش پسماند بر روی کارایی سازه جوشی تاثیر می‌گذارد .

بنابراین مشهود است که مهندس اجرا کننده بخواهد ابزار طراحی برای در نظر گرفتن تنش های باقیمانده و اثرات آنها را داشته باشد. به طور مشخص تر، آنچه او می خواهد انجام دهد تغییر متغیرهای طراحی و ساخت نظیر ضخامت، طراحی اتصال، شرایط و توالی جوشکاری است. به طوری که اثرات منفی تنش باقیمانده و اعوجاج جوشی مرتبط با آن را بتوان تا سطح قابل اطمینانی کاهش داد. این مسئله بخصوص هنگامی درست است که سازه های بحرانی، مانند زیردریایی ها و مخازن تحت فشار ساخته شوند. و لازم به ذکر است یکی از مهمترین علل شکست سازه های جوشی توسعه تنش پسماند است.

پیش بینی تنش های باقیمانده جوشکاری

پیش بینی تنش های باقیمانده جوشکاری، نخست شامل حل مساله انتقال گرما و سپس استفاده از نتایج به دست آمده برای تحلیل تنش است . تنش های پسماند به عنوان تنش هایی تعریف شده اند که اگر تمام بارهای خارجی حذف شوند باز در یک قطعه وجود دارند.

تنش پسماند را نیز می توان براساس مکانیزم شکل گیری دسته بندی کرد، به صورت آنهایی که توسط عدم تطابق ساختاری تولید شده اند و آنهایی که توسط توزیع غیر یکنواخت کرنش های غیر الاستیک، مانند توزیع غیر یکنواخت حرارت تولید شده اند.

از آنجایی که تنش های باقیمانده بدون هیچگونه بار خارجی وجود دارند، همیشه باید توازن نیرو و گشتاور را ارضا کنند، یعنی باید خود متوازن باشند . بعبارت دیگر مقادیر تنش پسماند فشاری و تنش پسماند کششی در یک قطعه اثر یکدیگر را خنثی می کنند.

شکل گیری تنش پسماند در جوشکاری

برای درک اینکه چگونه تنش های باقیمانده به صورت فیزیکی طی جوشکاری شکل گرفته اند، حالت ساده‌ی جوش روی ورق با جزییات تشریح خواهند شد مطابق شکل زیر. تغییرات دما و تنش ها را به صورت خلاصه نشان می دهد که طی چنین فرایندی رخ می دهد.

قوس جوشکاری، که با سرعت مشخص حرکت می کند، در قسمت (۱) شماتیک جوش نشان داده شده ، در قسمت (۲) توزیع تغییرات دما و در قسمت (۳) توزیع تغیرات تنش نشان داده شده است .

شماتیک شکل گیری تنش پسماند در جوشکاری

شماتیک انجام جوشکاری به چهار قسمت تقسیم شده است قسمت D-D , C-C , B-B , A-A که مقطع A – A، جلوی قوس جوشکاری است، و تغییر دمای ناشی از جوشکاری ΔT تقریبا صفر است. در طول مقطع B-B، که با قوس جوشکاری متقاطع است، تغییرات دما سریع است و توزیع دما بسیار غیر یکنواخت است. توزیع دما در طول مقطع C-C که با فاصله کمی عقب قوس جوش قرار دارد و در طول مقطع D-D که بسیار دور از قوس جوشکاری است، تغییر دما ناشی از جوشکاری دوباره کاهش می یابد.

شکل (۳) توزیع تنش ها را در طول این سطح مقطع ها در راستای X ، نشان می دهد. در طول سطح مقطع A-A تنش های حرارتی به علت آنکه هنوز حرارت جوشکاری به آنجا نرسیده تقریبا صفر هستند. توزیع تنش در طول سطح مقطع B-B چون فلز ذوب شده باری را تحمل نمی کند، تنش زیر قوس جوشکاری نزدیک به صفر است. تنش ها در نواحی که با فاصله کوتاهی از قوس قرار دارند فشاری هستند، زیرا فلز پایه که دمای پایین تری دارد در برابر انبساط این نواحی مقاومت می کند.

ویژگی تنش پسماند

از آنجایی که دماهای این نواحی بالا هستند و استحکام تسليم ماده پایین است، تنش ها در این نواحی در حد استحکام تسليم ماده در دماهای متناظر است. بزرگی تنش فشاری با افزایش فاصله از جوش پا با کاهش دما افزایش می یابد. با این حال، تنش ها در نواحی دور از جوش کششی و متعادل و با تنش های فشرده در نواحی نزدیک جوش برابر هستند. به عبارت دیگر داریم:

منابع ایجاد تنش پسماند

تفاوت در انقباض نواحی که به صورت متفاوت گرم و سرد شده اند در یک اتصال جوشی، به عنوان دلیل اولیه‌ی شکل گیری تنش باقیمانده شناخته می شود، که منجر به تنش های طولی بالا ، در فلز جوش می گردد. تنش های کششی مشابه و در جهت عرضی، اما با مقدار کوچکتر نیز ایجاد می گردد.

یک منبع ایجاد آن، خنک شدن غیر یکنواخت در جهت ضخامت جوش است. لایه های سطح جوش و نواحی بسیار گرما دیده نزدیک به آن معمولا سریعتر از نواحی داخلی، بخصوص در صفحات ضخیم، خنک می شوند. بنابراین تنش های حرارتی روی یک سطح مقطعی اتفاق شکل می گیرد که می تواند منجر به تغییر شکل پلاستیک ناهمگن و بنابراین تنش های باقیمانده شود. انتظار می رود این تنش های باقیمانده‌ی سریع خنک شده در سطح نواحی بسیار گرما دیده، فشاری و خود متعادل با تنش های کششی در مناطق داخلی باشند.

سایر منابع ایجاد تنش پسماند 

منابع دیگر تولید تنش های پسماند از دگرگونی های فازی است که طی خنک شدن رخ می دهد، در مورد فولاد برای مثال، آستنیت به فریت، بینیت یا مارتنزیت، یا ترکیبی از آنها تبدیل می شود.

این دگرگونی ها با یک افزایش در حجم مشخص، باعث می شود ماده تغییر شکل داده (در فلز جوش و ناحیه متاثر از گرما) تمایل به انبساط داشته باشد. با این حال، این انبساط توسط مواد خنک تری که تبدیل نشده اند، محدود شده که نتیجه، ایجاد تنش های فشاری در ماده دگرگون شده و تنشهای کششی در نواحی دیگر است. بنابراین شیب های حرارتی کرنش های متفاوتی تولید می کنند که اگر به اندازه کافی بزرگ باشند می توانند باعث تسلیم شدن سازه جوشی شوند.

همانطور که قبلاً گفته شده مجموع تنش های پسماند در یک سازه جوشی خود متعادل هستند ، به عبارت دیگر مجموع تنش های باقیمانده فشاری و تنش های باقیمانده کششی برابر هستند و مجموع آنها برابر صفر است.

قسمت a که در شکل زیر مشاهده می کنید تنش باقیمانده فشاری است که مقدار آن مثبت است و قسمت bوc تنش پسماند کششی است که مقدار آن منفی می باشد.