SUPERVISOR
مرتضی شمعانیان اصفهانی (استاد مشاور) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد راهنما) مهدی احمدی نجف آبادی (استاد مشاور)
STUDENT
Masoud Naghdi
مسعود نقدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Analytical Measurement of Welding Residual Stress using Critically Refracted Longitudinal (Lcr) Wave Technique
Residual stresses occur in many manufactured structures and components. Large numbers of investigations have been carried out to study this phenomenon and its effect on the mechanical characteristics of these components. Over the years, different methods have been developed to measure residual stress for different types of components in order to obtain reliable assessment. Nondestructive measurement of residual stress is important to optimize the structures` design and control their mechanical strength. Unfortunately, there is no reliable method that nondestructively gives complete satisfaction in the in situ stress monitoring of the welded structures. Material, geometry, surface quality, cost, and accuracy of the measurement are some of the parameters that must be taken into account in choosing a proper method. Therefore, the development of several methods like X-ray diffraction, incremental hole drilling, and the ultrasonic waves are inevitable. Stress measurement by ultrasonic waves is a nondestructive, easy to use, and reasonably inexpensive method recently used in some industrial applications. Ultrasonic is one of the most economical measurement methods which can be used in the industrial environment. This method is very quick in comparison with the other nondestructive techniques such as X-ray and neutron diffraction that are very expensive and must to do in advanced laboratories by professional users. Recently the critically refracted longitudinal wave technique has become a widely used to measure residual stresses in literature. In this project, after studing the theories, methodology of residual stress measurement using critically refracted longitudinal wave method will be stablished with measuring butt weldments. Taguchi approach is used as statistical design of experiment (DOE) technique for optimizing the four pulsed welding parameters in terms of minimizing the longitudinal residual stresses in austenitic stainless steel 304. These parameters are pulse current, bachground current, % on time and pulse frequency with three levels for using a L 9 orthogonal array of taguchi design. After welding and measuring stresses with critically refracted longitudinal wave technique, the peak stresses were reported in centerline of weldments. These peak tensile stresses had a direct relationship with heat input of welding arc. So that is observed that heat input is the master criterion in analyzing the residual stresses. Analysis of variance (ANOVA) is performed on measured data and S/N (signal to noise) ratios. The optimum condition providing the lowest residual stress and heat input. This condition were found the lowest level of pulse current, background current and % on time and the highest level of pulse frequency. As a result of Taguchi analysis in this thesis, the background current was the most influencing parameter on residual stress and pulse current has the next most significant effect. The % on time is in the third stage and pulse frequency is the last one. The average of these percentage contributions of background current, pulse current, % on time, and pulse frequency in 1.5 and 3 milimetre depth of surface are 51.7%, 29%, 17.7% and 1.6%, respectively. Consequently, the Taguchi method was found to be promising technique to obtain the optimum conditions for such studies. Keywords : Residual stress, critically refracted longitudinal wave technique, Analysis of variance, Design of experiment, pulsed current gas tungsten arc welding (PCGTAW), austenitic stainless steel.
تنش های پس ماند در بسیاری از سازه ها و قطعات تولیدی به جود می آیند. پژوهش های بسیاری در خصوص چنین پدیده ای صورت گرفته تا تاثیر آن را بر روی خواص مکانیکی قطعات مطالعه کنند. در طول زمان روش های مختلفی توسعه یافته اند تا تنش های پس ماند را در قطعات مختلف و با ارزیابی مطمئن به دست آورند. اندازه گیری های غیرمخرب تنش باقی مانده جهت بهینه سازی طراحی سازه ها و کنترل استحکام مکانیکی آن ها بسیار مهم است. متاسفانه روش مطمئنی که بدون تخریب بتواند نتیجه کاملاً راضی کننده ای در نمایش تنش های داخلی جوش ارایه دهد، وجود ندارد. نوع ماده، هندسه، کیفیت سطح، هزینه و دقت اندازه گیری برخی از پارامترهایی هستند که باید در انتخاب یک روش استاندارد لحاظ شوند. از این رو توسعه روش هایی مانند پراش اشعه X ، کرنش سنجی سوراخ کاری و امواج فراصوت اجتناب ناپذیر است. اندازه گیری تنش توسط امواج فراصوتی روشی غیرمخرب، آسان و به نسبت قابل قبولی ارزان است که اخیراً در تعدادی از کاربردهای صنعتی رواج یافته است. روش فراصوت یکی از اقتصادی ترین روش های اندازه گیری است که می توان از آن در محیط های صنعتی بهره برد. این روش در مقایسه با دیگر روش های غیر مخرب نظیر پراش اشعه X و پراش اشعه نوترون بسیار سریعتر است و در عین حال نیازی به آزمایشگاه پیشرفته ندارد. اخیراً استفاده از موج طولی شکست یافته بحرانی در مقالات بسیاری به عنوان روش اندازه گیری تنش های باقی مانده مورد پژوهش قرار گرفته است. در این پروژه پس از مطالعه تئوری، روش اندازه گیری موج طولی شکست یافته بحرانی در مقاطع جوش تخت اعمال می شود. رهیافت تاگوچی به عنوان روش طراحی آزمایش آماری جهت بهینه سازی چهار پارامتر جوش پالسی در کمینه نمودن تنش های پس ماند طولی در فولاد 304 زنگ نزن آستنیتی به کار گرفته شده است. این پارامترها جریان پالس، جریان زمینه، درصد زمان پالس و فرکانس پالس هستند که در سه سطح مختلف و تحت آرایه متعامد L 9 تاگوچی به کار می روند. پس از جوش کاری و اندازه گیری تنش با روش موج طولی شکست یافته بحرانی ، تنش های بیشینه در خط مرکزی مقاطع جوش گزارش شدند. این تنش های بیشینه کششی نسبت مستقیمی با گرمای ورودی قوس جوش داشتند. بنابراین مشخص شد که حرارت ورودی معیار مهمی در تحلیل تنش های پس ماند است. تحلیل واریانس بر روی داده های اندازه گیری شده حاصل از نرخ های سیگنال به نویز انجام گرفته است. شرایط بهینه به دست آمده در کمترین سطح جریان پالس، جریان زمینه و درصد زمان پالس به دست آمد در حالی بیشترین سطح فرکانس باید منظور شود. با توجه به نتایج حاصل از تحلیل تاگوچی در این پایان نامه، جریان زمینه موثرترین پارامتر در تنش های پس ماند شناخته شده است. جریان پالس عامل مهم بعدی بوده و درصد زمان پالس هم در جایگاه سوم قرار دارد. فرکانس پالس نیز آخرین پارامتر موثر بوده است. میانگین این درصدها برای جریان زمینه، جریان پالس، درصد زمان پالس و فرکانس پالس در ارتفاع های اندازه گیری شده 5/1 و 3 میلیمتر از سطح به ترتیب 57% ، 29% ، 7/17% و 6/1% هستند. در نتیجه روش تاگوچی به عنوان روش پیشنهادی برای به دست آوردن شرایط بهینه در چنین مطالعاتی توصیه می شود