payannameh article 172800 3 file

							‫حرارت در‬     ‫شبیه سازی عددی ن حوه توز يع‬
                   ‫جوشکاری فوالد زنگ نزن 316‬
‫مهندس مجتبی خدابخش کلشتری1 – دکتر مرتضی شمعانیان 2-‬
                                   ‫3‬
                                    ‫دکتر احعد سنعتچی‬

                                                ‫چکیده‬
‫در اين تحقاق یحوه توزيع حرارت حنصل از جوشکنري قوسی‬
 ‫الکترود تنگستني (‪ )GTAW‬لولم هنيي از جمن ومو د زیم‬
‫یز 316 ب صورت سرب سر ب روش العن محدود بم صمورت‬
‫عددی مدلسنزی و شبا سنزي شده است. بدين منظور يک مدل‬
‫محمدود 9 ‪ANSYS‬‬  ‫حرارتی س بادی ب کعک یرماومزار العمن‬
‫اي جند و مورد برر سی قرار گر وت. برای اع عنل حرارت‬
‫منبع حرارتی در حان جوشکنری يک کد منکرو بر اسنس مدل‬
‫گ لداک در م حاط یرما وزار برینم یوي سی شد. شرايط مدل‬
‫سنزی ب صورت س بادی، گذرا و غارخطی ممیبنشمد. بمراي‬
‫اضنو یعود ولز جوش در حان جوشكنري از تكناك تولد و‬
‫مرگ العن هن استفنده شده است. بم منظمور اعتبنرسمنجي‬
 ‫مدل شبا سنزی شده، یعوی هنيي از وو د زی یمز 316 بم‬
‫روش جو شكنري قو سي تنگ ستن- گنز جو شكنري شد و توز يع‬
‫حرارتي در یعوی هن در حان جوشكنري بن یصب ترموكوپمل-‬
 ‫هنيی در چندين یقط ایمدازهگامری و یعودارهمني درجم‬
‫حرارت - زمن رسم گرديد. سپ صحت و دقت یتمني شمبا -‬
‫م و‬ ‫مورد مقنيسم‬‫می مم‬‫منيش تجربم‬‫مني یزمم‬       ‫بم‬
                                       ‫منزی من یتم‬ ‫سم‬
                                ‫اعتبنرسنجی قرار گروت.‬
 ‫یتني شبا سنزی یشن داد ک مدل منبع حرارتی گلداک ب‬
‫خوبی قندر ب شبا سنزی منبع حرارت جوشمکنری ممیبنشمد.‬
‫اين مدل بن دقت قنبل قبولی داراي تواینيي تحلال یحوه‬
‫توزيع حرارت در جوشکنری ومو د زیم یمز 316 در مقامنس‬
‫س بادی میبنشد. از اين تحقاق ميتموا جهمت پماش بانمي‬
‫تنثار عوا مل مخت لف جو شكنري بر روي گ سترش د منيي و‬
                     ‫توزيع تنشهنی پسعنید استفنده كرد.‬

                                               ‫مقدمه‬
 ‫امروزه يکی از متداولترين روشهمنی اتصمنل ولمزات بم‬
‫يکديگر روش جوشکنری میبنشد. سرعت و اسمتحکنم بمن از‬
 ‫مزاينی روش جوشکنری میبنشد. از اين رو از جوشمکنري بم‬
‫طور گ ستردهاي در سنخت سنختعن هن، ک شتيهن، سکوهني‬
‫حفنري یفت، خطوط لولم ، سمفان هني وضمنيي، راکتورهمني‬
         ‫هست اي و مخز هني وشنر بن استفنده میشود[1].‬
‫در بررسیهنيی ک بمر روی جوشمکنری ایجمنم ممیشمود،‬
‫گرادين هنی دمنيی از اهعات وراوایمی برخموردار اسمت.‬
‫زيرا بن بن روتن دممن در وو دهمنی زیم یمز ، احتعمنل‬
‫بوجود یمد خوردگی باندای ای یاز اومزايش ممیينبمد و‬
‫اين یوع خوردگی معکن است منجر ب شکسمت قطام گمردد.‬
‫هنگنمی ک وو د زی یز یستناتی316 در دممنيی بمان 663‬
‫تن 650 قرار گارد، مثال هنگنم جوشکنری، در هنگمنم سمرد‬
‫شد احت عنل ی و جود دارد کربن بن کروم مو جود در مرز‬
‫دایممم هن واکمممنش یشمممن داده و رسممموا کنربامممد‬
‫کروم تشمکالگردد. در ايمن حنلمت مامزا کمروم در ممرز‬
‫خوردگی ح سنس‬    ‫دا ی هن ب شدت پنيان ی مده و وو د ب‬
‫وو د مو سوم ا ست،‬    ‫ب ح سنس شد‬    ‫می شود. ا ين ا مر ک‬
‫ارت بنط م ستقام بن ی حوه توز يع د من در ا طراف خط جوش‬
‫دارد ک اهعات بررسی پرووالهنی دمنيی را یشن میدهد.‬
‫هعچ نان ب وا سط حرارت مو ضاي و سرد شد غ ار يکنوا خت‬
‫حن صل از جو شکنري، توز يع پاچ ادهای از تنش هني پ سعنید‬
‫در ینح ا ا طراف ات صنل اي جند مي گردد و اغ لب بن عث‬
‫تغاارش مکل و اعوج منم ی منمطلوا در س منختنر میش مود[2].‬
       ‫م‬          ‫م‬           ‫م‬     ‫م‬          ‫م‬
‫ما عو براي پاشبا ني توز يع حرار تي از روش هني حل عددي‬
‫منیند روش العن محدود (‪ 4)FEM‬استفنده میشود. بمن کعمک‬
‫ا ين روش مي توا ب سانري از پد يدههني وازي کي مرتبط بن‬
‫جو شکنري را شبا سنزي کرده و ا ثر پنرامتر هني مخت لف‬
‫مورد‬    ‫صورت جداگن ی‬   ‫جو شکنري را بر ا ين پد يدههن ب‬
‫برر سي قرار داد. ا ين روش در ز من و هزي ن صرو جويی‬
‫بسمانری را بم دیبمنل دارد. در ايمن زمانم از یمرم-‬
   ‫م‬                              ‫م‬
‫اوزارهنی متفنوتی میتوا استفنده کرد. در اين تحقامق‬
‫از یرم اوزار 9 ‪ Ansys‬جهت شبا سنزي استفنده شده اسمت.‬
‫مهعترين مسنل در شبا سمنزی وراينمد جوشمکنری ولمزات‬
‫ایتخنا یوع منبع حرارتی و شبا سنزی ی میبنشد. در اين‬
‫تحقاق از منبع حرارتي گلداك [6] جهت شبا سنزي توزيع‬
 ‫توا حرار تي ورودي در م حل جو شكنري ا ستفنده شد ك ب‬
 ‫صورت شكل 1 ميبنشد و مقدار حمرارت ورودي طبمق رابطم‬
                                    ‫زير تاريف ميگردد:‬
                                      ‫‪6 3Q‬‬      ‫2 ‪ 3x‬‬   ‫‪‬‬     ‫2‪ 3y‬‬   ‫‪‬‬     ‫‪ 3 2 ‬‬
                   ‫‪q  x, y,   ‬‬          ‫2 ‪exp  ‬‬    ‫‪‬‬ ‫2 ‪exp  ‬‬   ‫‪‬‬ ‫‪exp   2 ‬‬
                                     ‫‪abc ‬‬     ‫‪ a‬‬      ‫‪‬‬     ‫‪ b‬‬     ‫‪‬‬     ‫‪ c ‬‬




‫4‬
    ‫‪Finite Element Method‬‬
‫شکل 1: شکل منبع حرارتي دو باضوي ب هعراه تنبع توزيع حرارت‬
                  ‫در امتداد محور ‪. ]6[ξ‬‬
                                        ‫روشها و مواد مصرفي‬
 ‫لول مورد استفنده در اين تحقاق لولم ومو د زیم یمز‬
‫یستناتی 316 بن مشخصمنت هندسمي ارا م شمده در جمدول1‬
‫ميبن شد. هعچ نان ترك اب شاعانيي یل ان ژ مذكور در جدول‬
‫شعنره 2 یمده اسمت. جهمت جوشمکنری از سمام جموش ‪Y308L‬‬
                                          ‫استفنده شد.‬

   ‫مورد استفنده(بر حسب ‪.)mm‬‬           ‫جدول1: مشخصنت هندسي لول‬
         ‫ضخنمت‬     ‫قطر خنرجی‬               ‫قطر داخلی‬
         ‫.1/.±3‬      ‫10411‬                   ‫102.1‬


 ‫یستنای 316 مورد‬   ‫یز‬      ‫جدول2: ترکاب شاعانيي یعوی وو د زی‬
                              ‫استفنده .‬
 ‫‪Name‬‬       ‫‪Ni‬‬      ‫‪Si‬‬         ‫‪Cr‬‬          ‫‪Mn‬‬          ‫‪C‬‬        ‫‪Mo‬‬

‫613‪SUS‬‬     ‫51.01‬   ‫912.0‬      ‫34.71‬        ‫40.1‬      ‫840.0‬      ‫24.2‬


        ‫یمنده سنزی طرح اتصنل مطنبق شکل 2 ایجنم شد.‬                   ‫سپ‬
 ‫و طرح اتصنل و مشخصنت اباندي ی‬   ‫شکل2: یعنيی از برش لول‬

‫هعنیطور ک در شکل6 مشنهده میشود، 1 سوراخ ب قطر 101‬
‫مالاعتر و ب ععق 6 مالاعتر در وواصل مشخص شده از خمط‬
‫مرکزی جوش ايجند شد ک محل قرار گاری ترموکوپملهمن در‬
‫حان ایجنم یزمنيش یینلاز حرارتی در حان جوشمکنری ممی-‬
‫بنشد و بن استفنده از ییهن میتوا دمن در وواصل مختلف‬
                      ‫از محل جوشکنری را ب دست یورد.‬




             ‫شکل6: محل قرارگاري ترموکوپلهن.‬

‫جو شکنری یعو ی هن ب روش جو شکنري قو سي بن الک ترود‬
‫تنگستني و گنز محنوظ یرگو (‪ ،)GTAW‬بن ولتنژ ثنبت 1.9‬
‫و لت ب صورت دو پن س ای جنم شد. مشخ صنت جو شکنري در‬
‫جدول6 یورده شده است. هعچنان زمن هني مربوط ب مراحمل‬
              ‫مختلف جوشكنري در جدول شعنره 4 یمده است‬

           ‫جدول6: پنرامترهني جوشکنري یعوی هن‬
         ‫شماره‬      ‫‪I‬‬     ‫‪V‬‬      ‫‪v‬‬        ‫حرارت ورودی خالص‬
          ‫پاس‬      ‫)‪(A‬‬   ‫)‪(V‬‬   ‫)‪(mm/s‬‬          ‫)‪(kJ/mm‬‬

          ‫1‬        ‫.41‬   ‫109‬      ‫601‬             ‫00.‬
          ‫2‬        ‫.31‬   ‫109‬      ‫601‬            ‫000.‬
                                                               ‫.‬

  ‫جدول6: زمن هني مربوط ب مراحل مختلف جوشکنري (بر حسب‬
                         ‫ثنیا ).‬
                         ‫بین دو‬
         ‫پاس دوم‬                               ‫پاس اول‬
                          ‫پاس‬
   ‫.41‬           ‫.41‬       ‫11‬            ‫121‬             ‫121‬



                                        ‫ثبت تاريخچه دمايي‬
‫پ از تعاز کرد یعوی ععل یصب ترموکوپلهمن ایجمنم‬
 ‫شد و تو سط سام مربو ط ب د ستگنه مرتبط شدید و یعو ی‬
‫در یگهدار یده ی صب گرد يد. ث بت تنريخ چ د منيي تو سط يک‬
‫ديجاتمنل از یموع 377-‪PCI‬‬   ‫دستگنه مبدل ساگننل یینلوگ ب‬
‫سنخت کعپنیي‪ Eagle Technology‬ایجنم شد. ايمن مبمدل داراي 31‬
‫کنینل ورودي و قدرت تفکاک ‪14Bit‬میبنشد. ذخامره اطالعمنت‬
‫تحمت ورک منی ‪( 1.Hz‬يان مي .1 ع مدد ب مر ثنیا م ) ایج منم‬
   ‫م‬               ‫م‬    ‫م‬       ‫م‬               ‫م‬     ‫م‬
‫پذيروت. بن جرين ينوتن گنز یر گو ع عل جو شکنری ی غنز‬
‫بن تن ظام شدت جر ين ، ول تنژ و سرعت‬        ‫گرد يد و یعو ی‬
‫جوشکنری مشخص شده در جدول شعنره 6 مورد جوشکنری پمنس‬
‫اول قرار گر وت و پ از برر سی کاف ات جوش پنس دوم ی از‬
‫جوش داده شد. زمن هنی پنس اول، زمن توقمف ممنبان دو‬
‫پنس و ز من پنس دوم هع گی از اهع ات ب سانری در ای جنم‬
‫شبا سنزی و مطنبقت ی بن جوشکنری برخوردارید و بنيمد‬
 ‫دقاقن ایدازه گاری شوید تن در ایجنم شبا سنزی بتوا‬
 ‫اطالعنت ییهن را دقاقمن وارد یعمود در شمکل4 تنريخچم‬
‫د منيي پن موقا ات تا اان شده بر روي لو ل ک د من در‬
‫ییجن در حان جوشکنري ایدازهگاری شده است مشمنهده ممی-‬
‫شود. ا ين ی تني ب من ظور اعتبنر سنجی ی تني حرار تي‬
    ‫حنصل از شبا سنزي توسط ترموکوپلهن ب دست یمدهاید.‬
‫هعنیطور ک در شکل 4 مشنهده میشود، بن دور شمد از‬
‫م حل جوش د منی ا یدازه گ اری شده تو سط ترموکو پل کنهش‬
‫ينوت است. در شکل 4دممنی همر 1 ترموکوپمل بم صمورت‬
‫گراوا کی ی عنيش داده شده ا ست. خ طی ک بن ترين م قدار‬
‫دمن را یشن میدهد مربوط بم ترموکوپمل شمعنره 1 ممی-‬
‫بنشد.اين ترموکوپل در ونصل 6 مالاعتمری از ممرز ذوا‬
 ‫قرار دارد و ب ننبراين بنيد دمنی بن تری یسبت ب بقا‬
 ‫ترموکوپلهن ثبت کنمد. در زممن 121 ثنیام يمک یقطم‬
 ‫با شان در ی عودار ا ين ترموکوپل ث بت شده ک مر بوط ب‬
‫یزديک شد مشال ب ترموکوپل شعنره 1 در یاع اول پنس‬
‫اول میبنشد ک مشال در جهت راستگرد حرکت کمرده اسمت.‬
‫یقط باشان بادی مر بوط ب یاع دوم لول در پنس اول‬
‫ولی جهت چپگرد میبنشد. یقط باشان سوم مربوط ب پنس‬
‫دوم جوشکنری و یاع اول در جهت راستگرد و یقط چهنرم‬
‫مربوط ب یاع دوم در پنس دوم میبنشمد. بنمنبراين دو‬
‫پنس اول جو شکنری و دو پ اک دوم‬    ‫پ اک اول مر بوط ب‬
‫مربوط ب پنس دوم جوشکنری میبنشد. هعنیطور ک مشنهده‬
‫میشمود. باشمان حرکمت چپگمرد در پمنس اول باشمتر از‬
‫باشان حرکت راستگرد در اين پنس است ک مربوط ب اثر‬
‫حرارت بنقاعنیده از جوشکنری یاع اول میبنشد ک بنعث‬
 ‫ا وزايش د منی یا ع دوم شده ا ست. یعودار هنی ب ادی ب‬
‫ترتاب دمنی ثبت شده توسط ترموکوپلهنی شمعنره 2و6و4و1‬
‫را یشن میدهند ک ب علت دور بود از مرز ذوا دممنی‬
                         ‫باشان ییهن کنهش ينوت است.‬




 ‫ترموکوپل یصب شده روی لول .‬   ‫شکل4 : دمني ثبت شده توسط پن‬

                                 ‫شبیهسازی آنالیز حرارتی‬
‫یرماوزار‪ANSYS‬‬  ‫هعنیطور ک گفت شد، در اين تحقاق از‬
‫جهت شبا سنزی ورايند جوشکنری استفنده شده است. اين‬
‫شبا سنزی را میتوا ب دو صورت دو بادی و ين س بادی‬
‫ایجنم داد. مسلعن ایجنم شبا سنزی ب صورت دو بادی‬
‫کعتر از حنلت س بادی زمنیگار میبنشد. امن در اين‬
‫بادی ایجنم شده است.‬      ‫صورت س‬    ‫تحقاق شبا سنزی ب‬
 ‫شبا‬   ‫علت تقنر ، تنهن از یاعی از لول‬        ‫هعچنان ب‬
                                        ‫سنزی شده است.‬
‫در اين تحقاق از روش العن محدود بن استفنده از کد‬
‫منکرو جهت شبا سنزی استفنده شمده کم در یمرم اومزار‬
‫ایسا 9 اجرا گرديده اسمت. مرحلم اول در شمبا سمنزی‬
‫ايجند هندس شکل و العمن بنمدی ی ممیبنشمد. در ايمن‬
‫مرحل لول ب العن هنی بسانر کوچک تقسام میشود و در‬
 ‫اين تحقاق تاداد کل العنیهن 14411 عدد میبنشمد کم بم‬
 ‫علت بن بود قطر لول یانز ب اين تاداد بن ی العن‬
‫و گره بوده ا ست ک م سلعن بن عث بن ر وتن ز من ا جرای‬
‫یینلاز شده است. در شکل 1 یحوه العن بندی ديده میشود‬
                      ‫ک ب صورت دستی ایجنم شده است.‬
‫ع لت شبک ب ندی قط ا ب صورت د ستی ا ين ا ست ک در‬
 ‫ی قنطی ی انز ا ست ج هت د ستانبی ب د قت بن تر، از ال عن‬
‫ب ندی ر يز تری ا ستفنده کرد. مثال ه عنیطور ک در شکل‬
‫مشنهده میشود در مننطقی ک یزديک ب محل جوشکنری است‬
‫و دمنی بن تری دارد از مشبندی ريزتمری اسمتفنده شمده‬
‫است ک بنعث بن روتن دقت یتني میشود. ولز پر کننده‬
‫یلانژ 3.6 میبنشد ک برای ی خواص مکنیاکی و حرارتمی‬
‫شبا ولز پني در شبا سنزی در یظر گروت شمده اسمت و‬
‫از تکن اک تو لد و مرگ ال عن هن در مورد یی هن ا ستفنده‬
                                              ‫شده است.‬
   ‫شکل1: یعنيي از شبک بندي مدل مورد استفنده در یینلاز‬
                         ‫حرارتي.‬

‫ب ا ين صورت ک العنی هنی و لز پرکن نده پنس اول و‬
 ‫دوم ايجند شده و ب حنلت مرده در مییيند و ب تمدري‬
‫بن وارد شد منبع حرارتی، العن هنی مذکور وانل شده و‬
‫تنثارات خود را در هنگنم جوشکنری بر جنی ممیگذاریمد.‬
‫جهت ایجنم شبا سنزی زم است اطالعنت اولا شنمل خمواص‬
‫ولز پني و جوش تها و مبننی ایجنم شمبا سمنزی قمرار‬
‫گارد. هعچنان اطالعنت ديگر شنمل دایسات ، گرمنی ويژه،‬
‫و ضريب هدايت حرار تی در دمن هنی مخت لف ی از بن يد از‬
‫مننبع استخرام گردد. هعچنان رایدمن جوشمکنری .3% در‬
‫ی ظر گرو ت شد. در مرح ل ب اد ی تني ث بت د منيی هر کدام‬
‫از ترموکوپلهن بن یتاج شبا سنزی شده ی مقنيس شد و‬
      ‫در شکلهني 3 تن.1 اين مقنيس یشن داده شده است.‬




‫شکل3: مقنيس یتني ایدازه گاری شده توسط ترموکوپل بن یتني‬
                 ‫حنصل از شبا سنزي در محل ترموکوپل شعنره 1.‬
‫شکل0: مقنيس یتني ایدازه گاری شده توسط ترموکوپل بن یتني‬
       ‫حنصل از شبا سنزي در محل ترموکوپل شعنره 2.‬




‫شکل 3: مقنيس یتني ایدازه گاری شده توسط ترموکوپل بن یتني‬
         ‫حنصل از شبا سنزي در محل ترموکوپل شعنره 6‬
‫شکل9: مقنيس یتني ایدازه گاری شده توسط ترموکوپل بن یتني‬
       ‫حنصل از شبا سنزي در محل ترموکوپل شعنره 4.‬
       ‫شکل .1: مقنيس یتني ایدازه گاری شده توسط ترموکوپل بن‬
           ‫یتني حنصل از شبا سنزي در محل ترموکوپل شعنره 1‬
    ‫هعنیطور ک در شکلهن مشنهده ممیشمود، یتمني حنصمل از‬
    ‫شبا سنزی بن یتني تجربی هعنهنگی و تطنبق خوبی دارد و‬
    ‫عدم تطنبق کعی ک مشنهده میشمود، ممیتوایمد بم ضمريب‬
    ‫ضريب هدايت‬   ‫هدايت حرار تی مر بوط بن شد. از یی جن ک‬
    ‫بر روی توز يع حرارت‬   ‫حرار تی مهع ترين عنملی ا ست ک‬
     ‫جو شکنری تنثار گذار ا ست و بن تو ج ب اين ک م ازا‬
    ‫ضريب هدايت حرارتی در دمنهنی بن از طريمق بمرو يمنبی‬
    ‫بدست یمده است، لذا میتموا خطمنی موجمود را بم ايمن‬
                                      ‫مسنل مربوط دایست.‬


                                              ‫نتیجهگیری‬
    ‫در اين تحقامق، شمبا سمنزی عمددی توزيمع حمرارت در‬
    ‫جوشکنری وو د زیم یمز 316 ایجمنم شمد و ينوتم همنی‬
                                     ‫پژوهشی یشن دادک :‬
    ‫1- بن بررسي یتني یزمنيش تجربمي توزيمع حمرارت حمان‬
    ‫جوشكنري و یتني مدل شبا سنزي شده جوشکنری توسط یمرم‬
    ‫اوزار ميتوا گفت ك مدل ب خوبي توایست یحوه توزيع‬
                     ‫دمن حان جوشكنري را شبا سنزي یعنيد.‬
    ‫2- مدل منبع حرارتي گلمداك كم در ايمن تحقامق ممورد‬
    ‫استفنده قرار گروت، مدل مننسبي جهت شمبا سمنزي منبمع‬
                          ‫حرارتي در جوشكنري‪ GTAW‬ميبنشد.‬
    ‫6- رایدمن .3% در مورد جوشكنري‪ GTAW‬مورد تنياد قرار‬
                                                  ‫گروت.‬
                                               ‫پی یوشت‬
‫1 دایشجوی کنرشننسی ارشد مهندسی متنلورژی – دایشمگنه یزاد‬
                                                     ‫-‬
                                  ‫اسالمی واحد یجف یبند‬
‫2 ع ضو ها ئت عل عی دای شکده مهند سی مواد دای شگنه صناتی‬
                                                     ‫-‬
                                                ‫اصفهن‬
‫6 ع ضو ها ئت عل عی دای شکده مهند سی مواد دای شگنه صناتی‬
                                                     ‫-‬
                                                ‫اصفهن‬
                                                 ‫مراجع:‬
    ‫.0891 ,‪[1] Masubuchi, K., “Analysis of Welded Structures”, Pergamon Press, New York‬‬
    ‫,”‪[2] Feng, Zh., “Processes and Mechanisms of Welding Residual Stress and Distorion‬‬
    ‫.5002 ,‪Woodhead Publishing‬‬
    ‫‪[3] Goldak, J., Chakaravarti, A. and Bibby, M., “A New Finite Element Model for Welding Heat‬‬
    ‫4891 ,503-992.‪Sources”, Metallurgical Transactions B, Vol. 15B, pp‬‬
    ‫‪[4] ASME Standard SB-515, Specification for Welded UNS N08800, and UNS N08810, and UNS‬‬
    ‫1002 ,‪N08811 alloy tubes, Section II‬‬