شبيه سازي تاثير پارامترهاي مختلف بر اعوجاج حاصل از جوشکاري به روش GMAW

STUDENT

DEGREE

YEAR

Welding is a reliable and effective metal fabrication process which is widely used in industries. Localized heating during welding, followed by rapid cooling generates residual stress and distortion in the weld and base metal. In the last few decades various research efforts have been directed towards the control of welding process parameters aiming at reducing the residual stress and distortion. Distortion at the structures due to the welding process limits their applications especially complex shape structures. Accurate prediction and reduction of welding residual stress and deformation are critical in improving the quality of welded structures. Stainless steels 316 sheets are widely used in industries, due to their superior ant oxidation and corrosion properties, that are widely used in applications requiring corrosion resistance superior to Type 304, or good elevated temperature strength. Type 316 is used extensively for weldments where its immunity to carbide precipitation due to welding assures optimum corrosion resistance. In the current study, the main aim of the work was to investigate a simplified finite element simulation of the out-of-plane distortion caused by fusion butt welding. Distortion of the stainless steel 316 during welding at different process parameters was experimentally investigated. Stainless steels were welded by GMAW with butt joint in two passes at different conditions such as heat input and presetting parts. The process under the same welding conditions was simulated by numerical finite element with using Ansys software. A hybrid model of thermal - mechanical on a scale of three-dimensional elastoplastic by programming was employed. At the first the thermal analysis was performed. A macro code, based on Goldak heat source model, programmed in the software. Then, results of this section, as load was applied the default for subsequent mechanical analysis. In order to validate the hybrid model used in this study, the temperature measured by thermocouple that fixed at some point on the piece during the welding. And thermal analysis was compared with the experimental results. At the end of Welding, the amount of angular distortion was measured. Experimental test results showed that, using the minimum heat input to reduce distortion is suitable. Also, to avoid distortion, presetting parts is suitable way. Comparison of simulation and experimental results showed that the proposed model to simulate the heat source is consistent Goldak model; therefore accuracy of program has been confirmed. Simulation results of thermal analysis, is matches on experimental results. Regard to the sources of error in the experimental tests, mechanical analysis of simulation results are also fit with experimental results satisfactory. In the most case, fifty-eight hundredths degree of angular distortion in the simulation and experimental results is different. That is related to the welding heat input of 1.097 kJ/mm in the first pass and 1.31 kJ/mm in the second pass. In terms of distortion measured value, the simulation results in the first, second and third case, have differences about fifty percent, forty-eight percent and Forty percent respectively with the experimental results. Keywords : Welding, Stainless steel 316, GMAW, Distortion, Simulation.

چکيده از آنجايي که در صنايع دريايي جوشکاري يکي از فرايندهاي مهم محسوب مي‌گردد، توجه به معايب و مشکلاتي نظير اعوجاج که در حين جوشکاري بوجود مي‌آيد، با اهميت جلوه مي‌کند. يکي از فرايندهاي جوشکاري که به‌صورت وسيعي در صنايع مختلف جهت جوشکاري فلزات و به خصوص فولادهاي زنگ‌نزن بکار مي‌رود، جوشکاري به روش GMAW است. از طرف ديگر در سال‌هاي اخير استفاده از شبيه‌سازي عددي اجزاء محدود براي شبيه‌سازي فرايندهاي مختلفي از جمله جوشکاري بيشتر شده است. هدف از انجام تحقيق حاضر، بررسي تاثير پارامترهاي مختلف جوشکاري نظير حرارت ورودي و پيش‌نشاني قطعات بر روي ميزان اعوجاج زاويه‌اي حاصل از جوشکاري مي‌باشد. از روش جوشکاري GMAW ( MIG ) در حالت تخت بصورت سر به سر و دو پاسه، استفاده شده است. فرايند جوشکاري صورت گرفته در شرايط مختلف آزمايشگاهي با روش عددي اجزاء محدود در نرم‌افزار انسيس شبيه‌سازي شده است. بدين منظور يک مدل ترکيبي حرارتي- مکانيکي الاستوپلاستيک در مقياس سه بعدي در نرم افزار ايجاد شد. در اين مدل، ابتدا آناليز حرارتي صورت پذيرفت که براي اين منظور يک کد ماکرو بر اساس مدل منبع حرارتي گلداک در محيط نرم‌افزار برنامه‌نويسي شد. سپس نتايج بدست آمده از اين قسمت به عنوان بار پيش‌فرض براي آناليز مکانيکي متعاقب آن اعمال گرديد. به منظور اعتبارسنجي مدل ترکيبي مورد استفاده، اندازه گيري درجه حرارت توسط ترموکوپل در حين جوشکاري در چند نقطه معين بر روي قطعه صورت پذيرفته و با نتايج آناليز حرارتي مقايسه گرديد. در پايان جوشکاري نيز ميزان اعوجاج زاويه‌اي اندازه‌گيري شده با نتايج آناليز مکانيکي مقايسه گرديد. نتايج آزمون‌هاي تجربي نشان داد، استفاده از حداقل حرارت ورودي که جوشي سالم و بدون عيب ايجاد کند، براي کاهش اعوجاج مناسب است. همچنين براي جلوگيري از ايجاد اعوجاج، پيش‌نشاني قطعات راهي مناسب است. مقايسه نتايج شبيه‌سازي و تجربي نشان داد که مدل ارائه شده براي شبيه‌سازي منبع حرارتي بر مدل گلداک منطبق است. نتايج تحليل حرارتي شبيه‌سازي، از انطباق خوبي با نتايج تجربي برخوردار است و نتايج تحليل مکانيکي شبيه‌سازي نيز با توجه به منابع ايجاد خطا در آزمون‌هاي تجربي، از انطباق قابل قبولي با نتايج تجربي برخوردار است. کلمات کليدي: جوشکاري، GMAW، اعوجاج، شبيه‌سازي عددي، انسيس. چکيده از آنجايي که در صنايع دريايي جوشکاري يکي از فرايندهاي مهم محسوب مي‌گردد، توجه به معايب و مشکلاتي نظير اعوجاج که در حين جوشکاري بوجود مي‌آيد، با اهميت جلوه مي‌کند. يکي از فرايندهاي جوشکاري که به‌صورت وسيعي در صنايع مختلف جهت جوشکاري فلزات و به خصوص فولادهاي زنگ‌نزن بکار مي‌رود، جوشکاري به روش GMAW است. از طرف ديگر در سال‌هاي اخير استفاده از شبيه‌سازي عددي اجزاء محدود براي شبيه‌سازي فرايندهاي مختلفي از جمله جوشکاري بيشتر شده است. هدف از انجام تحقيق حاضر، بررسي تاثير پارامترهاي مختلف جوشکاري نظير حرارت ورودي و پيش‌نشاني قطعات بر روي ميزان اعوجاج زاويه‌اي حاصل از جوشکاري مي‌باشد. از روش جوشکاري GMAW ( MIG ) در حالت تخت بصورت سر به سر و دو پاسه، استفاده شده است. فرايند جوشکاري صورت گرفته در شرايط مختلف آزمايشگاهي با روش عددي اجزاء محدود در نرم‌افزار انسيس شبيه‌سازي شده است. بدين منظور يک مدل ترکيبي حرارتي- مکانيکي الاستوپلاستيک در مقياس سه بعدي در نرم افزار ايجاد شد. در اين مدل، ابتدا آناليز حرارتي صورت پذيرفت که براي اين منظور يک کد ماکرو بر اساس مدل منبع حرارتي گلداک در محيط نرم‌افزار برنامه‌نويسي شد. سپس نتايج بدست آمده از اين قسمت به عنوان بار پيش‌فرض براي آناليز مکانيکي متعاقب آن اعمال گرديد. به منظور اعتبارسنجي مدل ترکيبي مورد استفاده، اندازه گيري درجه حرارت توسط ترموکوپل در حين جوشکاري در چند نقطه معين بر روي قطعه صورت پذيرفته و با نتايج آناليز حرارتي مقايسه گرديد. در پايان جوشکاري نيز ميزان اعوجاج زاويه‌اي اندازه‌گيري شده با نتايج آناليز مکانيکي مقايسه گرديد. نتايج آزمون‌هاي تجربي نشان داد، استفاده از حداقل حرارت ورودي که جوشي سالم و بدون عيب ايجاد کند، براي کاهش اعوجاج مناسب است. همچنين براي جلوگيري از ايجاد اعوجاج، پيش‌نشاني قطعات راهي مناسب است. مقايسه نتايج شبيه‌سازي و تجربي نشان داد که مدل ارائه شده براي شبيه‌سازي منبع حرارتي بر مدل گلداک منطبق است. نتايج تحليل حرارتي شبيه‌سازي، از انطباق خوبي با نتايج تجربي برخوردار است و نتايج تحليل مکانيکي شبيه‌سازي نيز با توجه به منابع ايجاد خطا در آزمون‌هاي تجربي، از انطباق قابل قبولي با نتايج تجربي برخوردار است. کلمات کليدي: جوشکاري، GMAW، اعوجاج، شبيه‌سازي عددي، انسيس.