روند رو به افزايش استفاده از فرايندهای ذوبی در اتصالات دائم به گونه ای است که با گذشت زمان، فرايند جوشکاری به يکی از مهمترين روش های اتصال دائم تبديل شده است و ابداع روش های گوناگون جوشکاری، همچون روش جوشکاری تیگ، کمک شايانی به بهبود کیفیت اتصالات نموده است. ظاهر مناسب جوش، بازده بالاتر اتصال، عدم محدوديت در ضخامت و کاهش هزينه ها از مزايای اين روش می باشد. از سويی محدوديت هايی همچون تغییر شکل ناشی از انجام فرايند، تنش های پسماند و اعوجاج اتصالات، لزوم مطالعه و ارايه ی راهکار مناسبی در راستای بهبود فرايند را آشکار میسازد. به همین منظور، روش المان محدود در راستای تسريع در شبیه سازی فرايند جوشکاری بسیار کارآمد می باشد و شبیه سازی به کمک اين روش، با در نظر گرفتن حرکت منبع حرارتی به منظور ارزيابی توزيع دما و تنش پسماند در فرايند استفاده می شود. در اين پژوهش، شبیه سازی فرايند جوشکاری تیگ برای دو ورق با شیار v شکل (به صورت لب به لب) صورت گرفته و در زمان کوتاه و با دقت قابل قبولی به انجام رسیده است. روند حل مسئله شامل دو بخش تحلیل غیرکوپله حرارتی و حل مکانیکی می باشد که در بخش اول، شبیه سازی حرارتی انجام و بر اساس نتايج آن، حل مکانیکی فرايند جوشکاری صورت می پذيرد. در نتیجه حل مکانیکی، تنشهای پسماند موجود و اعوجاج حاصل از فرايند تعیین می گردند. در ادامه، میزان تنش پسماند موجود با نتايج عددی و آزمايشگاهی محققان ديگر مقايسه می شود و صحت سنجی میزان اعوجاج با نتايج آزمايشگاهی مدل تهیه شده انجام خواهد شد.

مقدمه

   در سالهای اخیر و با رشد چشمگیر تکنولوژی طراحی و ساخت تجهیزات صنعتی و ماشین آلات، جايگاه فرايند جوشکاری به منظور اتصال دائم فلزات به يکديگر بیش از پیش مشخص شده است. سرعت اجرا و استحکام بالا از مزايای اين فرايند می باشد. از اين رو به طور گستردهای در ساخت ساختمان ها، کشتی ها، سکوهای حفاری نفت، خطوط لوله، سفینه های فضايی و مخازن تحت فشار استفاده میشود و به طبع گسترش تحقیقات روی اين فرايند امری بديهی می باشد.

   فرايند جوشکاریTIG ، يک روش اتصال فلزات با کیفیت بالا میباشد که به صورت گسترده در ساخت اجزای ساختاری تجهیزاتی همچون سکوهای حفاری نفت و يا مخازن تحت فشار به کارگرفته می شود و به علت دامنه وسیع کاربردهای صنعتی آن، از اهمیت بالايی برخوردار است. يکپارچگی دراينگونه سازه ها وابسته به تنش پسماند و اعوجاج ناشی از فرايند تولید میباشد. فرايند جوشکاری TIG ، فرايند ذوبی است که قابلیت ارائه بازدهی قوس به صورت پالسی را دارا بوده و اين امر موجب ريز شدن ساختار فلز جوش و کاهش پهنای ناحیه ی متاثر از جوش می شود.
   از جمله محدوديت فرايندهای ذوبی مانند جوشکاری TIG ، گسترش تنش های پسماند حاصل از حرارت موضعی بالا، سیکل های حرارتی و نیز گراديان حرارتی بسیار بالا می باشد.کلیه فرايندهايی که موجب تغییر شکل پلاستیکی شوند، منجر به ايجاد اين تنش پسماند تنش های پسماند در قطعه خواهند شد.
   باعث شکست ترد و کاهش استحکام خمشی در سازه ها شده و مشکلات جدی را در پی خواهد داشت که اين امر بر لزوم بررسی میزان و توزيع تنش های پسماند دلالت دارد. گستردگی توزيع تنش پسماند و تغییر شکل ناشی از اختلاف انبساط حرارتی به کمک روش المان محدود قابل اندازه گیری است.

   اعوجاج در ساختار اتصالات جوشکاری شده، به دلیل انبساط و انقباض غیر يکنواخت فلز جوش و فلز پايه ناشی از حرارت و چرخهی خنک کاری در روند جوشکاری می باشد. اعوجاج در فرايند جوشکاری، علاوه بر تاثیر منفی در نمای ظاهری اتصالات جوشکاری شده، به میزان قابل ملاحظه ای بر کاهش دقت و صحت مونتاژ جوش تاثیرگذار است. در بسیاری از موارد، هزينه های اضافی و تاخیر در برنامه ی زمانبندی فرايند جوشکاری، ناشی از اعوجاج موجود در اتصالات جوش داده شده می باشد و از سويی لزوم دستیابی به تلرانس های دقیق ساخت در طراحی سازهها از چشم پوشیده نیست. به منظور  پیش بینی اعوجاج با دقت قابل قبول، بايستی مقادير ظرفیت گرمايی، تنش تسلیم و انبساط حرارتی به عنوان توابع حرارتی در شبیه سازی فرايند در نظر گرفته شود.
   برای دست يابی به کیفیت مطلوب جوش، نیاز است که رابطه پارامترهای مؤثر جوشکاری بروی هندسه جوش مدل سازی شود. اهمیت اين مطلب بدان خاطر است که خصوصیات مکانیکی جوش نیز تحت تاثیر هندسه جوش قرار دارد. علیرغم استفاده گسترده از اين فرايند، به علت فقدان مدل مناسب، هنوز فرايند جوشکاری در نواحی نزديک به خط جوش همچون ناحیه متاثر از جوش با مشکلاتی مواجه است.
   در سال 2000 ، هوس و همکارانش عوامل افزايش میزان نفوذ حوضچه جوش توسط شار فعال شده را برای فرايند جوشکاری TIG را مورد مطالعه قرار دادند. آنها دريافتند که پارامترهايی که با در نظر داشتن دانسیته جريان به افزايش عمق نفوذ کمک می کنند، تناسبی با تغییرات حرارتی در سطح و کشش سطحی ندارند.

   پس از آن در سال 2001 ، تانگ و همکارانش تغییرات ناشی از امواج مافوق صوت LCR در سطوح زيرين ورق ها و میله های فولادی را مشاهده کردند. نتايج بدست آمده حاکی از وابستگی تعیین میزان تنشپسماند به فرکانس کاری و نسبت فاصله ی بین مبدل های گیرنده و فرستنده و نیز استفاده از مبدلهای جفتی جهت به حداقل رساندن خطای اندازه گیری بود.

   در همین سال، ون جوشکاری زيرپودری چند پاسه لوله های جدار ضخیم را توسط نرم افزار ABAQUS مدل کرد. وی تحلیل اجزاء محدود را تحت شرايط مختلف انجام داد و نتايج حاصل از آنها را با يکديگر مقايسه کرد و همینطور اثر تنش و کرنش های پسماند حاصل از شکل دهی لوله قبل از جوشکاری را مورد بررسی قرار داد. نتايج حاصل نشان داد که در نظر گرفتن تنش و کرنشهای حاصل از شکلدهی لوله قبل از جوشکاری، مخصوصاً برای برآورد هندسه اعوجاج مهم می باشد.
   در سال 2002 ، چو مدلی جديد برای در نظر گرفتن استحاله های فازی ارائه کرد و به کمک نرم افزار ABAQUS تنش های پسماند حاصل از جوشکاری قوس تنگستنی گازی را بدست آورد. وی اين تحلیل را برای دو نوع ورق (فولاد کم کربن AISI 1020 و فولاد کربن متوسط AISI 1045 ) انجام داد و با مقايسه نتايج حاصل شده از روش عددی، با نتايج آزمايشگاهی نشان داد که اثر در نظر گرفتن استحاله های فازی بر روی تنش پسماند، در فولاد با کربن متوسط و بالا قابل توجه می باشد ولی اين اثر، در مورد فولاد کم کربن ناچیز است.
   پس از آن در سال 2003 ، مانان و همکارانش میزان جوش پذيری در مواد مختلف را بررسی کردند. آنها با در نظرگرفتن عواملی همچون تشعشع موجود در برخی سازه ها و میزان نفوذ را به عنوان عامل اصلی انتخاب مواد، به بررسی اجزای ساختاری موجود در فولادها پرداختند. نتايج بدست آمده با در نظر داشتن جوش پذيری، میزان کربن کمتر از 0.03 درصد و نیتروژن جهت افزايش استحکام و کرم و مولیبدن به منظور جلوگیری از ترک های تنشی منجر به انتخاب فولادهای زنگ نزن آستنیتی از نوع 316LN و 304LN برای ساخت اين سازه ها شد.

   درسال 2004 ، چانگ آنالیز الاستیک پلاستیک حرارتی به کمک روش اجزاء محدود را برای تحلیل رفتار ترمومکانیکی و برآورد تنش های پسماند در اتصالات لب به لب جوش شده مورد بررسی قرار داد. بعلاوه تنش های پسماند در سطح را توسط روش پراش پرتو X اندازه گیری و با نتايج اجزاء محدود مقايسه کرد. وی در برنامه خود از قابلیت تولد و مرگ المانها برای مدل کردن جوش سه پاسه قوس تنگستنی با گاز محافظ استفاده کرده  است.
   در سال 2004 ، ياجیانگ توزيع تنش پسماند در اتصال جوش صفحات فولادی با استحکام بالا توسط نرمافزار ANSYS را مورد بررسی قرار داد. روش جوشکاری در اين تحقیق، از نوع جوشکاری قوسی با گاز محافظ می باشد. روش اجزاء محدود، وجود يک گراديان شديد تنش اطراف منطقه جوش را نشان داد. از بررسی نتايج مشخص گرديد که تنش عمود بر امتداد جوشکاری اثر بیشتری روی ايجاد ترک نسبت به تنش در دو امتداد ديگر دارد.
   در سال 2005 ، گِری 6 جوشکاری ذوبی را بر اساس مدل گُلداک برای حل حرارتی به صورت دو بعدی و سه بعدی شبیه سازی کرد و اثرات سرعت جوشکاری، توان ورودی و پارامترهای مربوط به مدل گُلداک را بررسی کرد که نتايج حاکی از اين است که افزايش سرعت جوشکاری باعث کاهش دما در منطقه ذوب می شود و اثر کمتری روی ناحیه خارج از FZ دارد. در مورد توان ورودی بیان کرد که اثر آشکاری روی دمای منطقه متأثر از جوشکاری ( HAZ ) دارد به طوری که يک رابطه تقريباً خطی بین تغییرات حرارت ورودی و دما وجود دارد. همچنین با بررسی اثر پارامترهای مدل گُلداک مشخص شد که مرزهای FZ و HAZ به تغییرات اين پارامترها حساس اند. وی بدست آمدن دمای بالاتر در FZ و دمای کمتر در ناحیه دور از HAZ در مدل دوبعدی نسبت به مدل سه بعدی را بدلیل صرفنظر کردن از حرارت در جهت طولی می داند.

   همچنین در سال 2007 ، واسودوان در رساله ی دکترای خود با عنوان محاسبه و مطالعه ی آزمايشگاهی بر روی جوشکاری مقاومتی فولاد ها مطالعاتی انجام داد. وی در بررسی برامدگی جوش ايجاد شده به روش A-TIG بر روی فولادهای زنگ نزن آستنیتی از نوع 316LN و 304LN متوجه نقش اساسی هندسه در تعیین خواص مکانیکی و کیفیت جوش شد. او ايجاد يک الگوريتم ژنتیک را به منظور بهینه سازی پارامترهای فرايند (همچون شدت جريان، ولتاژ، سرعت مشعل و فاصله ی ايجاد قوس) پیشنهاد کرد.
   در سال 2009 يک گروه از محققان به سرپرستی پالانیچامی به کمک روش امواج مافوق صوت تنشهای پسماند موجود در اتصالات جوش از جنس فولاد زنگ نزن آستنیتی را اندازه گیری کردند. نتايج بدست آمده شامل میزان تنش سطحی و داخلی با استفاده از امواج مافوق صوت LCR و نیز بدست آوردن تغییرات تنش پسماند در سرتاسر جوش بود.
   در سال 2011 ، تسنگ و همکارانش مطالعاتی پیرامون تاثیر فرايند جوشکاری TIG را بروی فولاد های ضد زنگ آستنیتی انجام دادند. تحقیقات آنها تاثیر فرايندهای مختلف بر عمق جوش و میزان نفوذ در فلز پايه را نشان داد و مشخص کرد که جوشکاری به روش فرايند جوشکاری TIG به همراه نوعی شار فعال کننده (A-TIG) بیشترين میزان نفوذ و کمترين اعوجاج را دارا می باشد.
   در سال 2014 نیز، گانش و همکارانش تحلیل حرارتی مکانیکی از فرايند جوشکاری TIG بر روی فولادهای زنگ نزن آستنیتی از نوع 316LN انجام دادند. آنها پس از يک مطالعه ی دقیق و مدلسازی عددی از تنش پسماند سطحی و داخلی و اعتبار سنجی با دو روش تست غیرمخرب اشعه ی X و نیز امواج مافوق صوت، بهکارايی تستهای انجام شده در مقايسه با مدلسازی عددی و رفتار حرارتی مکانیکی در اندازهگیری میزان تنش پسماند پی بردند.

   قبلا نیز در سال 2012 ، واسانساراجا و همکارانش مطالعه ای پیرامون تاثیرات تنش پسماند و اعوجاج در فولادهای زنگ نزن آستنیتی انجام داده بودند. در مطالعات آنها فرايندهای چند پاسه به دو روش A-TIG و TIG معمولی مقايسه شدند و مشخص شد که فرايند A-TIG دارای مقدار کمینه از تنشپسماند کششی و ، حداقل اعوجاج زاويهای بوده است. همچنین در سال 2008 شايو و همکارانش تاثیرات فرايند جوشکاری TIG از نوع جوش
A-TIG را بررسی نموده و پی بردند که اين روش علاوه بر افزايش میزان عمق نفوذ، خواص مکانیکی (شامل استحکام، انعطاف پذيری و سختی )را افزايش می دهد.
   در سال 2009 کومار و همکارانش بررسی ساختار و مزايا و میزان اثر بخشی جوش A-TIG را انجام دادند. ايشان متوجه شدند که اين فرايند (A-TIG) ، گراديان دمايی با شیب تندتری نسبت به روش TIG معمولی دارد و در مقايسه با يکديگر، فرايند A-TIG به میزان قابل توجهی افزايش بهره وری دارد .
   در سال 2011 شاکسیول و همکارانش رفتار شکاف خزشی را در فولادهای زنگ نزن آستنیتی از نوع 316LN را مطالعه کردند و دريافتند که هر چه میزان محتويات فريتی در دانه بندی کمتر و هم راستايی دانه بندی به صورت ستونی و در جهت تنش اعمال شده بیشتر باشد، پديده خزش کمتر و پارگی خزشی بهبود می يابد.
   کار ديگر در سال 2014 انجام شده و واسانساراجا و همکارانش تاثیر فرايند جوشکاری اتصالات فولاد های ضد زنگ آستنیتی نوع 316LN بر روی تنش پسماند و اعوجاج را بررسی کردند. به اين منظور آنها سه مدل با هندسه های متفاوت جهت  جوشکاری به روش TIG تهیه کردند. پس از انجام کار آزمايشگاهی، نتايج نمونه ها با انجام تست راديو گرافی و بررسی ريز ساختاری تايید شدند. همچنین جهت اندازه گیری تنش های پسماند موجود از روش غیرمخرب تست امواج مافوق صوت استفاده شد.
   در سال 2013 ، يوگوآنگ و همکارانش مطالعه ی اجزاء محدود پیرامون ضرايب تمرکز تنش در اتصالات K شکل دارای تنش پسماند جوش انجام دادند. آنها با استفاده از نرم افزار ANSYS ، فرايند جوش را با در نظر گرفتن پارامترهای هندسی، شبیه سازی کردند. همچنین با استفاده از تکنیک تولد و مرگ المانها، شبیه سازی میدان دمايی، میزان تنش پسماند و مکان نقاط داغ در جوش را بدست آوردند. نتايج نشان دهنده ی تنش پسماندی بالاتر از نقطه ی تسلیم ماده بود که با انجام عملیات حرارتی(آنیل) بهبود يافت. پژوهش اين محققان بر روی 125 مدل ديگر از اين نوع اتصال حاکی از اين بود که با بالا رفتن مقادير α ، γ و θ ضرايب تمرکز تنش (SCF) افزايش می يابد و مقدار ζ تنها در صورتی بیشتر از 0.1 باشد موجب افزايش SCF خواهد شد.
   پس از آن در سال 2015 ، ايج وات و همکارانش تاثیر خواص حرارتی مکانیکی مواد را در دسته های مختلف فولاد بر روی تنش پسماند و اعوجاج بررسی کردند. آنها نیز با استفاده از  نرم افزار ANSYS به تحلیل حرارتی مکانیکی مواد مذکور جهت ارزيابی تنش پسماند و اعوجاج پرداختند و دريافتند که به منظور ارزيابی تنش پسماند، میتوان دمای اتاق را ثابت در نظر گرفت. از سويی متوجه شدند که در فولادهای کربنی، ظرفیت گرمايی برای تحلیل حرارتی جزو پارامترهای مهم می باشد و تمامی خواص مواد وابسته به دما هستند.