شبیه سازی تاثیر پارامترهای مختلف بر اعوجاج حاصل از جوشکاری 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.

از آنجایی که در صنایع دریایی جوشکاری یکی از فرایندهای مهم محسوب می‌گردد، توجه به معایب و مشکلاتی نظیر اعوجاج که در حین جوشکاری بوجود می‌آید، با اهمیت جلوه می‌کند. یکی از فرایندهای جوشکاری که به‌صورت وسیعی در صنایع مختلف جهت جوشکاری فلزات و به خصوص فولادهای زنگ‌نزن بکار می‌رود، جوشکاری به روش GMAW است. از طرف دیگر در سال‌های اخیر استفاده از شبیه‌سازی عددی اجزاء محدود برای شبیه‌سازی فرایندهای مختلفی از جمله جوشکاری بیشتر شده است. هدف از انجام تحقیق حاضر، بررسی تاثیر پارامترهای مختلف جوشکاری نظیر حرارت ورودی و پیش‌نشانی قطعات بر روی میزان اعوجاج زاویه‌ای حاصل از جوشکاری می‌باشد. از روش جوشکاری GMAW ( MIG ) در حالت تخت بصورت سر به سر و دو پاسه، استفاده شده است. فرایند جوشکاری صورت گرفته در شرایط مختلف آزمایشگاهی با روش عددی اجزاء محدود در نرم‌افزار انسیس شبیه‌سازی شده است. بدین منظور یک مدل ترکیبی حرارتی- مکانیکی الاستوپلاستیک در مقیاس سه بعدی در نرم افزار ایجاد شد. در این مدل، ابتدا آنالیز حرارتی صورت پذیرفت که برای این منظور یک کد ماکرو بر اساس مدل منبع حرارتی گلداک در محیط نرم‌افزار برنامه‌نویسی شد. سپس نتایج بدست آمده از این قسمت به عنوان بار پیش‌فرض برای آنالیز مکانیکی متعاقب آن اعمال گردید. به منظور اعتبارسنجی مدل ترکیبی مورد استفاده، اندازه گیری درجه حرارت توسط ترموکوپل در حین جوشکاری در چند نقطه معین بر روی قطعه صورت پذیرفته و با نتایج آنالیز حرارتی مقایسه گردید. در پایان جوشکاری نیز میزان اعوجاج زاویه‌ای اندازه‌گیری شده با نتایج آنالیز مکانیکی مقایسه گردید. نتایج آزمون‌های تجربی نشان داد، استفاده از حداقل حرارت ورودی که جوشی سالم و بدون عیب ایجاد کند، برای کاهش اعوجاج مناسب است. همچنین برای جلوگیری از ایجاد اعوجاج، پیش‌نشانی قطعات راهی مناسب است. مقایسه نتایج شبیه‌سازی و تجربی نشان داد که مدل ارائه شده برای شبیه‌سازی منبع حرارتی بر مدل گلداک منطبق است. نتایج تحلیل حرارتی شبیه‌سازی، از انطباق خوبی با نتایج تجربی برخوردار است و نتایج تحلیل مکانیکی شبیه‌سازی نیز با توجه به منابع ایجاد خطا در آزمون‌های تجربی، از انطباق قابل قبولی با نتایج تجربی برخوردار است. کلمات کلیدی: جوشکاری، GMAW، اعوجاج، شبیه‌سازی عددی، انسیس. از آنجایی که در صنایع دریایی جوشکاری یکی از فرایندهای مهم محسوب می‌گردد، توجه به معایب و مشکلاتی نظیر اعوجاج که در حین جوشکاری بوجود می‌آید، با اهمیت جلوه می‌کند. یکی از فرایندهای جوشکاری که به‌صورت وسیعی در صنایع مختلف جهت جوشکاری فلزات و به خصوص فولادهای زنگ‌نزن بکار می‌رود، جوشکاری به روش GMAW است. از طرف دیگر در سال‌های اخیر استفاده از شبیه‌سازی عددی اجزاء محدود برای شبیه‌سازی فرایندهای مختلفی از جمله جوشکاری بیشتر شده است. هدف از انجام تحقیق حاضر، بررسی تاثیر پارامترهای مختلف جوشکاری نظیر حرارت ورودی و پیش‌نشانی قطعات بر روی میزان اعوجاج زاویه‌ای حاصل از جوشکاری می‌باشد. از روش جوشکاری GMAW ( MIG ) در حالت تخت بصورت سر به سر و دو پاسه، استفاده شده است. فرایند جوشکاری صورت گرفته در شرایط مختلف آزمایشگاهی با روش عددی اجزاء محدود در نرم‌افزار انسیس شبیه‌سازی شده است. بدین منظور یک مدل ترکیبی حرارتی- مکانیکی الاستوپلاستیک در مقیاس سه بعدی در نرم افزار ایجاد شد. در این مدل، ابتدا آنالیز حرارتی صورت پذیرفت که برای این منظور یک کد ماکرو بر اساس مدل منبع حرارتی گلداک در محیط نرم‌افزار برنامه‌نویسی شد. سپس نتایج بدست آمده از این قسمت به عنوان بار پیش‌فرض برای آنالیز مکانیکی متعاقب آن اعمال گردید. به منظور اعتبارسنجی مدل ترکیبی مورد استفاده، اندازه گیری درجه حرارت توسط ترموکوپل در حین جوشکاری در چند نقطه معین بر روی قطعه صورت پذیرفته و با نتایج آنالیز حرارتی مقایسه گردید. در پایان جوشکاری نیز میزان اعوجاج زاویه‌ای اندازه‌گیری شده با نتایج آنالیز مکانیکی مقایسه گردید. نتایج آزمون‌های تجربی نشان داد، استفاده از حداقل حرارت ورودی که جوشی سالم و بدون عیب ایجاد کند، برای کاهش اعوجاج مناسب است. همچنین برای جلوگیری از ایجاد اعوجاج، پیش‌نشانی قطعات راهی مناسب است. مقایسه نتایج شبیه‌سازی و تجربی نشان داد که مدل ارائه شده برای شبیه‌سازی منبع حرارتی بر مدل گلداک منطبق است. نتایج تحلیل حرارتی شبیه‌سازی، از انطباق خوبی با نتایج تجربی برخوردار است و نتایج تحلیل مکانیکی شبیه‌سازی نیز با توجه به منابع ایجاد خطا در آزمون‌های تجربی، از انطباق قابل قبولی با نتایج تجربی برخوردار است. کلمات کلیدی: جوشکاری، GMAW، اعوجاج، شبیه‌سازی عددی، انسیس.