شبیه سازی فرآیند جوشکاری الکتریکی welding لب به لب با آباکوس Abaqus

جوشکاری الکتریکی Arc Welding یکی از رایجترین روش ها برای اتصال قطعات در صنایع مختلف می باشد. به دلیل تغییر دمای غیر یکنواخت که در هنگام جوشکاری Welding رخ می دهد، اعواج های Distortion شدید و تنش های پسماند Residual stress در قطعه جوشکاری شده ایجاد می شود. اعوجاج Distortion عموماً به تغییر شکل هایی گفته می شوند که در قطعه بدون پس از جوشکاری ایجاد شده و در قطعات باقی می مانند. در فرایند های ساخت قطعات از جمله قالب گیری ، نورد ، کشش عمیق ، برش، ماشین کاری قطعات و بسیاری فرایند های دیگر اعوجاج ها به وجود می آیند. مسلما هر چه مقادیر اعوجاج distortion در قطعات کمتر باشد قطعه تولید شده دارای کیفیت بالاتری است. در فرآیند جوشکاری نیز باید پارامترهای جوشکاری را به نحوی مناسبی انتخاب کرد تا مقادیر اعوجاج ایجاد شده در قطعات مینیمم باشد. اعواج ها باعث ایجاد تنش های پسماند Residual stress در قطعات شده که وجود تنش های پسماند در صورتی که به صورت کششی باشند عمر قطعات را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهند. تنش های پسماند فشاری تنش های مفیدی هستند که باعث افزایش عمر خستگی Fatigue Life قطعات، کاهش احتمال ایجاد ترک و شکست ترد در قطعه می شوند اما تنش های پسماند کششی عموماٌ برای قطعات مضر می باشند و باعث کاهش استحکام قطعه می شوند. در فرایند جوشکاری تنش های پسماند کششی سطحی و اعواج هایی که در قطعه ایجاد می شوند فرمت اولیه قطعه را تغییر می دهند به همین دلیل بررسی این تنش ها از اهمیت بالایی برخوردار است. تغییر دماهای شدیدی که در هنگام جوشکاری Welding در قطعه ایجاد می شود باعث ایجاد کرنش های حرارتی Thermal Strain در قطعه وایجاد تغییر شکل های پلاستیک Plastic Deformation مخصوصاٌ در نواحی اطراف مسیر جوشکاری می شود و به همین دلیل در نواحی مسیر جوشکاری تنش های شدید کششی ایجاد می شوند که قطعات عموماٌ نیز از همین ناحیه دچار شکست می شوند.
همواره محققان بسیاری سعی داشته اند که مقدار اعوجاج و همچنین تنش های پسماند را با روش های مختلف اندازه گیری کنند و مقدار این تنش ها را درر قطعات کاهش دهند. روش های مختلفی برای اندازه گیری تنش های پسماند Residual stress با گذشت زمان ایجاد شدند اما اغلب روش ها پرهزینه و وقت گیر بودند. یکی از روش هایی که در چند سال اخیر مورد توجه خاصی قرار گرفته است استفاده از المان محدود است. این روش به دلیل هزینه کمی که نسبت به روش های دیگر دارد و همچنین آسان بودن بررسی پارامترهای تأثیر گذار بر روی اعوجاج قطعات مورد توجه قرار گرفته است. محققان بسیاری سعی کردند که پروسه جوشکاری را توسط المان محدود شبیه سازی کنند و مقالات بسیاری در این زمینه ارائه کردند و تعدادی از آنها توانسته اند مدل هایی با دقت مناسب را ارائه دهند. شبیه سازی پروسه جوشکاری به دلیل تغییرات دمایی غیریکنواخت در قطعه، ایجاد تغییر فاز در ماده و تغییرات پلاستیک و ذوب شدن ماده در ناحیه جوشکاری کار مشکل می باشد. در این تحقیق پروسه جوشکاری الکتریکی توسط المان محدود شبیه سازی شده است و پارامترهای مختلف جوشکاری در این مدل لحاظ شده اند. نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج آزمایشگاهی ارائه شده توسط ایسلام و همکارانش مقایسه گردیده و مشخص شده است که مدل شبیه سازی شده دارای دقت مناسب برای پیش بینی مقادیر اعوجاج در قطعات جوشکاری شده می باشد. می باشد.
پارامترهای مختلفی در جوشکاری وجود دارند که بر مقدار اعوجاج نهایی که در قطعه ایجاد می شود تأثیر می گذارد که در این تحقیق اثر سرعت جوشکاریی بررسی شده است. با بررسی اثر سرعت می توان مقدار آن را به گونه ای انتخاب کرد تا اعوجاج نهایی مینیمم گردد. به دلیل کاربرد فراوان جوشکاری لب به لب در صنایع مختلف و همچنین موارد استفاده گسترده در سازه های ساختمان ها، مدلی که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته است از این نوع جوشکاری می باشد. مدل به صورت سه بعدی است چون با مدل های دو بعدی فرایند جوشکاری را نمی توان به خوبی مدل کرد و دقت لازم در محاسبه اعوجاج ها و تنش های پسماند را ندارند. مدل های دو بعدی توانایی مدل کردن بار حرارتی متحرک و همچنین در نظر گرفتن تنش های سه بعدی را نیز دارا نیست. مشکل مدل سه بعدی طولانی بودن فرایند حل می باشد که به عنوان مثال فرآیند حل برای مدلی که در این مقاله بررسی شده است در حدود ۲۴ ساعت با کامپیوتر با حافظه ۱۲ گیگابایت و ۴ هسته پردازشگر زمان برده است. در روش استفاده شده در این شبیه سازی در ابتدا هندسه جوش به صورت کامل مدل سازی می شود و در حین آنالیز این هندسه به صورت تدریجی با پیشرفت الکترود و اضافه شدن ماده جوش به مدل اضافه می گردد.
جنس دو قطعه جوشکاری شده و ماده جوش از آلیاژ استیل سری ASTM-A591 بوده که خواص مکانیکی و حرارتی آن به صورت وابسته به دما در نظر گرفتهه شده است. تولد المان¬ها و اضافه شدن ماده جوش به مدل نیز در مدل در نظر گرفته شده است. حل در هر مرحله تغییر داده شده است. از روش عددی نیوتن در این پروژه استفاده شده است و همچنین نوع آنالیز به صورت کوپل حرارتی- سازه ای Coupled Temp-Displacement می باشد. در این روش آنالیز حرارتی و سازه ای به موازات یکدیگر انجام می گیرند بدین صورت که پس از انجام آنالیز حرارتی در یک بازه زمانی کوچک داده های مربوط به آنالیز حرارتی به آنالیز سازه ای اضافه می شود و آنالیز سازه ای صورت می گیرد و این روند تا کامل شدن حل مسئله ادامه پیدا می کند. یک بار حرارتی که ناشی از حرارت ایجاد شده بین قطعه و الکترود است به مدل اعمال شده است. برای مدل کردن این بار حرارتی مدل دو بیضی که توسط Goldak Double ellipsoid ارائه گشته مورد استفاده قرار گرفته که به صورت یک بار حرارتی متحرک به قطعه اعمال شده است. برای این مدل انتقال حرارت از طریق رسانش ، همرفت و تابش صورت می گیرد. دمای اولیه محیط و قطعه ۲۰ درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است.