فهرست مطالبعنوان صفحهفصل اول- مقدمه11-1 پیشگفتار11-2 مبانی جوشکاری31-2-1 تعریف جوش31-2-2 انواع اتصالات جوشی31-2-3 انواع جوش41-2-4 جوش شیاری51-3 جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکشدار61-4 ساماندهی پایاننامه7 فصل دوم- تحليل حرارتي و مكانيكي جوش82-1 پیشگفتار82-2 تحليل حرارتي92-2-1 منبع حرارتي122-2-1-1 بازده منبع حرارتی12 2-2-1-2 شار حرارتي ناشي از قوس جوشكاري132-2-1-3 نرخ توليد گرما172-2-2 خواص ماده در تحليل حرارتي182-2-3 تغيير فاز182-2-4 شرايط مرزي212-2-4-1 اتلاف حرارت جابجايي212-2-4-2 انتقال حرارت تشعشعي222-2-4-3 شار حرارتي222-2-5 نتايج تحليل حرارتي232-3 تحليل مكانيكي242-3-1 روش تحلیل ناخطي در روش اجزای محدود252-3-1-1 روش نیوتن- رافسون262-3-2 خواص ماده در تحليل مكانيكي282-3-3 نتايج تحليل مكانيكي292-4 تنشهای ناشی از جوشکاری29فصل سوم- تنشهای پسماند ناشي از جوشكاري (مبانی نظری و تاریخچه)333-1 پیشگفتار333-2 تنشهای پسماند طولی ناشی از جوشکاری35 3-3تنشهای پسماند عرضي ناشي از جوشكاري403-4 روشهای تعیین تنشهای پسماند ناشی از جوشکاری443-5 بررسی تاریخچه تأثیر توالي يك جوش بر تنشهای پسماند ناشي از جوشكاري493-5-1 تاریخچه تحليل حرارتي513-5-2 تاریخچه تحليل مكانيكي523-5-3 نتايج به دست آمده از شبیه‌سازی523-5-4 مقايسه نتايج543-6 نتايج شبيهسازي تنش پسماند ناشی از جوشکاری563-7 تأثیر جهت جوشكاري بر تنش پسماند در جوشكاري چند پاسه (يك شياره)593-8 تنشهای پسماند ناشی از جوشكاري براي ورق ضخيم با شيار V شكل دو طرفه61 فصل چهارم- مدلسازی فرآیند جوشکاری در ANSYS70 4-1 پیشگفتار704-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل704-2-1 هندسه قطعه کار704-2-2 خواص مواد714-2-3 مشخصات منبع حرارتی724-3 تحلیل حرارتی724-3-1 جزء حرارتی73 4-3-2 روش تولد و مرگ اجزاء754-3-3 نتایج تحلیل حرارتی774-4 تحلیل مکانیکی794-4-1 جزء مکانیکی804-4-2 مدلسازی تنشهای پسماند804-4-2-1 اثرات شبکهبندی بر نتایج تنش پسماند814-4-2-2 تنشهای پسماند طولی834-4-2-3 تنشهای پسماند جانبی84فصل پنجم- صفحات دارای بازشو865-1 پیشگفتار865-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل865-2-1 هندسه قطعه کار865-2-2 خواص مواد875-3 تحلیل حرارتی875-4 تحلیل مکانیکی915-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنشهای پسماند93فصل ششم- صفحات دارای سختکننده96 6-1 پیشگفتار966-2 مشخصات مورد نیاز تحلیل966-2-1 هندسه قطعه کار966-2-2 خواص مواد976-3 تحلیل حرارتی976-4 تحلیل مکانیکی1016-5 تأثیر ابعاد صفحه بر تنشهای پسماند1026-6 تأثیر ابعاد سختکنندهها بر تنشهای پسماند1036-7 تأثیر فاصله سختکننده از محور جوش بر تنشهای پسماند1066-7-1 هندسه قطعه کار1066-8 صفحات دارای ترکیب بازشو و سختکننده1096-8-1 تحلیل حرارتی1106-8-2 تنشهای پسماند در صفحات دارای ترکیب بازشو و سختکننده111فصل هفتم– نتیجهگیری و پیشنهاد برای ادامه پژوهش1127-1 پیشگفتار1127-2 نتایج1137-3 پیشنهاد برای ادامه پژوهش114مراجع115 فهرست شکلهاشکلصفحهشكل 1-1 نواحی تشکیل‌دهنده جوش3شكل 1-2 انواع اتصالات جوشکاری4شكل 1-3 انواع جوش مورد استفاده در اتصالات5شكل 1-4 انواع آمادهسازی لبه5شكل 1-5 جوش قوس الکتریکی با الکترود روکشدار6شکل 2-1 پروفيل گوسي متحرك در حين جوشكاري14شکل 2-2 تغيير خواص فولاد نرمه معمولي نسبت به دما18شکل 2-3 نمودار آنتالپي– دما براي يك ماده آلياژي20شکل 2-4 روش حل مرحلهاي – تكراري براي مسائل ناخطي25شکل 2-5 روش طول قوس براي حل مسائل با هندسه ناخطي26شکل 2-6 مراحل روش نیوتن- رافسون28شكل 2-7 تنشهای پسماند ثبت شده روي چند ذره فلزي30شكل 3-1 مثالهایي از توزيع تنشهای طولي ناشي از جوشكاري36شكل 3-2 منحني خصوصيات انبساطي37شكل 3-3 نمايش سه بعدي از توزيع تنشهای پسماند طولي ناشي از جوشكاري38شكل 3-4 تأثیر طول نمونه جوشكاري39 شکل 3-5 تنشهاي پسماند عرضي ناشي از جوشكاري يك پاسه42شکل 3-6 نمايش سه بعدي از توزيع تنشهاي پسماند عرضي43شکل 3-7 تنشهاي پسماند عرضي در راستاي عمق ضخامت44شکل 3-8 مدل دو بعدی جریان انتقال حرارت45شکل 3-9 هندسه قطعه کار و مدل سه بعدی قطعه کار در نرمافزار46شکل 3-10 اتصال سپری46شکل 3-11 تغییرشکل جسم پس از جوشکاری47شکل 3-12 سطح مقطع جوش و مدلسازی شده در نرمافزار47شکل 3-13 تاریخچه دمایی برای چند نقطه بر روی سطح داخلی48شکل 3-14– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح داخلی48شکل 3-14– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح داخلی48شکل 3-15– الف توزیع تنش پسماند طولی در سطح بیرونی49شکل 3-15– ب توزیع تنش پسماند شعاعی در سطح بیرونی49شكل 3-16 طرح اتصال براي جوش محيطي در استوانه50شكل 3-17 توالي جوشكاري براي حالت 1 (3 پاسه) و حالت 2 (8 پاسه)50شكل 3-18 منحني به كار رفته جهت حرارت ورودي (كل زمان = T)51شكل 3-19 نمودار حرارت در برابر زمان براي حالت 152شكل 3-20 نمودار حرارت در برابر زمان براي حالت 253شكل 3-21 مقادير تنشهای پسماند براي هر دو حالت 1 و 253 شكل 3-22 نتايج تغيير شكلهاي محوري براي هر دو حالت 1 و 254شكل 3-23 نتايج به دست براي تغييرات حرارتي نسبت به زمان در فاصله 7/12 میلیمتر از خط نزديكي جوش روي سطح داخلي لوله بعد از آخرين پاس (براي حالت 1)55شكل 3-24 نتايج به دست آمده توسط 6 سازمان براي تنشهای عرضي در سرتاسر ضخامت روي خط مركزي جوش بعد از آخرين پاس (براي حالت 1)56شكل 3-25 جهت‌های جوشكاري57شكل 3-26 توزيع تنشهای معادل در مركز جوش58شكل 3-27 مشبندي صفحه60شكل 3-28 توزيع تنشهای معادل در مقطع مركزي جوش60شكل 3-29 توزيع تنشهای پسماند طولي در مقطع مركزي جوش60شكل 3-30 ابعاد نمونه شبیه‌سازی بر حسب میلیمتر62شكل 3-31 مشبندي براي جوش v شكل دو طرفه62شكل 3-32 تقسیم‌بندی لايهها62شكل 3-33 توزيع تنشهای معادل63شكل 3-34 توزيع تنشهای پسماند عرضي63شكل 3-35 توزيع تنشهای پسماند طولي64شكل 3-36 توزيع تنشهای معادل در سرتاسر ضخامت روي مقطع مركزي جوش64شكل 3-37 توزيع تنشهای عرضي در سرتاسر ضخامت روي مقطع مركزي جوش65شكل 3-38 توزيع تنشهای طولي در سرتاسر ضخامت روي مقطع مركزي جوش66 شكل 3-39 مقايسه نتايج آزمايشگاهي با شبيهسازي (تنشهای پسماند عرضي)66شكل 3-40 مقايسه نتايج آزمايشگاهي با شبيهسازي (تنشهای پسماند طولي)67شكل 3-41 مقايسه تنشهای عرضي بين لايههاي همجهت و لايههاي معكوس68شکل 4-1 مشخصات قطعه کار مدل شده71شکل 4-2 مدل جزء محدود صفحه در نرمافزار ANSYS73شکل 4-3 هندسه جزء SOLID9074شکل 4-4 توزیع دما و جهت جوشکاری77شکل 4-5 تاریخچه دمایی سه نقطه از مقطع میانی صفحه78شکل 4-6 دمای گرههای مدل در زمان 16 ثانیه79شکل 4-7 جزء SOLID18680شکل 4-8 سه شبکهبندی مورد تحلیل82شکل 4-9 توزیع تنش پسماند طولی در مقطع میانی صفحه83شکل 4-10 توزیع تنش پسماند طولی بر روی محور جوش84شکل 4-11 توزیع تنش پسماند جانبی در مقطع میانی صفحه85شکل 4-12 توزیع تنش پسماند جانبی بر روی محور جوش85شکل 5-1 مشخصات قطعه کار مدل شده87شکل 5-2 مدل اجزاء محدود صفحه و توالی جوشکاری88شکل 5-3 توزیع دما و جهت جوشکاری88شکل 5-4 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع ابتدایی صفحه89 شکل 5-5 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع میانی صفحه89شکل 5-6 تاریخچه دمایی چهار نقطه در مقطع انتهایی صفحه89شکل 5-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه90شکل 5-8 دمای گرههای مدل در زمان 125 ثانیه91شکل 5-9 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای X92شکل 5-10 توزیع تنش پسماند جانبی در راستای Y92شکل 5-11 توزیع تنش پسماند طولی در راستای Z93شکل 5-12 توزیع تنش پسماند فون مایزز در صفحه94شکل 5-13 توزیع تنش طولی در چند مقطع میانی از صفحه94شکل 6-1 مشخصات قطعه کار97شکل 6-2 مدل اجزای محدود صفحه دارای سختکننده98شکل 6-3 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سختکننده98شکل 6-4 تاریخچه دمایی در مقطعmm Y=0 صفحه با سختکننده99شکل 6-5 تاریخچه دمایی در مقطعmm Y=200 صفحه با سختکننده99شکل 6-6 تاریخچه دمایی در مقطع Y=400mm صفحه با سختکننده99شکل 6-7 تاریخچه دمایی 5 نقطه روی محور جوش در مقاطع مختلف صفحه100شکل 6-8 گرادیان حرارتی در مقطعY=200 mm بر حسب فاصله از محور جوش101شکل 6-9 سه مقطع مورد تحلیل در صفحه102شکل 6-10 تنش پسماند در مقطع Y=200 mm صفحه در جهت Y102 شکل 6-11 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/7104شکل 6-12 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 10104شکل 6-13 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/12104شکل 6-14 مقایسه تنشهای پسماند صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/12در دو راستای X و Y در Y=200 mm105شکل 6-15 مشخصات قطعه کار106شکل 6-16 مدل اجزای محدود صفحه دارای سختکننده با فواصل مختلف از محور جوش107شکل 6-17 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سختکننده با فواصل مختلف از محور جوش108شکل 6-18 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با فواصل مختلف109شکل 6-19 مدل اجزای محدود صفحات دارای ترکیب بازشو و سختکننده110شکل 6-20 نحوه توزیع دمای ناشی از جوشکاری در صفحه دارای سختکننده و بازشوی مربعی110شکل 6-21 توزیع تنش طولی در دو مقطع میانی از صفحه با سختکننده با نسبت عرض به ضخامت 5/7 و بازشو دایروی و مربعی با نسبت سطح بازشو به سطح کل 1/0111 فهرست جدولها جدولصفحهجدول 3-1 حرارت ورودي براي حالت 150جدول 3-2 حرارت ورودي براي حالت 251جدول 3-3 حداكثر تنشهای پسماند براي جهت‌های مختلف جوشكاري چند لايه58جدول 3-4 حداكثر تنشهای پسماند براي جهت‌های مختلف جوشكاري چند پاسه61جدول 3-5 حداكثر تنشهای پسماند براي توالی‌های مختلف67جدول 4-1 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل حرارتی71جدول 4-2 مشخصات مواد مورد نیاز در تحلیل مکانیکی72جدول 4-3 مشخصات منبع جوشکاری72جدول 4-4 نتایج بیشینه و کمینه تنشپسماند در شبکهبندیهای شکل (4-8) و مرجع [24]82 فصل اول مقدمه 1-1 پیشگفتاربرای اتصال دو قطعه، روشهای مختلفی وجود دارد. مهم‌ترین این روشها استفاده از جوش، پیچ و پرچ است. در این میان استفاده از جوش در ساختمانسازی بسیار رایج است. قدمت استفاده از جوش در ساخت اسکلتهای فولادی شاید به 100 سال برسد. طی این سالها، پیشرفتهای قابل‌توجهی در شناخت جوش و توسعه فنآوری مربوط به آن صورت گرفته است.مهم‌ترین دلایل استفاده از جوش را می‌توان به طور خلاصه به صورت زیر بیان نمود:1- برای اتصال دو قطعه به هم محدودیتی در ضخامت وجود ندارد.2- سرعت بالای تولید.3- استحکام بالا (ساختار یکپارچه).4- اقتصادی بودن اتصال.5- انعطافپذیری در طراحی جوش (تنوع فرآیندهای جوشکاری و قابلیت انجام شدن دستی یا خودکار).اما با در نظر گرفتن این مزایا فرآیند جوشکاری دارای معایب زیر است:1- اتصال دایمی بوده و امکان جداسازی قطعات وجود ندارد.2- نیاز به بازرسی.3- نیاز به مهارت در روشهای دستی و تجهیزات گرانقیمت در روشهای خودکار.اما مهم‌ترین عیب در یک قطعه جوشکاری شده، تولید تنش و تغییر شکلپسماند[1]در قطعه است. در عمليات جوشكاري، بعد از مرحله سرد شدن جسم، تنش‌هایی در آن باقي می‌ماند كه به آن‌ها تنشهای پسماند می‌گویند. اين تنش‌ها و همچنين تغيير شکل‌های ناخواسته ناشي از جوشكاري، مهم‌ترین عواملی هستند كه باعث ضعيف شدن اتصالات جوش و ناكارايي آن‌ها در تحمل طولاني مدت بارها، شده‌اند. از این رو، مهندسین علاقمند به دانش كاملي از توزيع تنشهای پسماند در سرتاسر جوش، روشهای تغيير دادن آن و نيز انتخاب روند جوشكاري مناسب كه بتواند تنشهای پسماند را به حداقل ممكن كاهش دهد، هستند]1[.روشهای تجربي اندازه‌گیری تنشهای پسماند جوشكاري علاوه بر گرانقیمت بودن در بعضي از موارد مستلزم عمليات سوراخ‌کاری و يا مقطع زني در قطعه جوش داده‌شده بوده و فقط مقدار تنش را در سوراخ‌های ایجادشده و يا در بلوک‌های جداشده به دست می‌دهند. پيشرفت روشهای تجربي نامخرب اگرچه توانست تا حدودي اين کاستی‌ها را جبران كند، ولي نمی‌تواند جوابگوي تمامي مشكلات باشد. به همین دليل نياز بيشتري به روشهای تحلیلی احساس میشود.با وجود این معضلات، جوشکاری هنوز به عنوان بهترین روش اتصال قطعات مورد استفاده قرار میگیرد. از همین رو، در زمینه رفتار جوش در موارد گوناگون مطالعه شده و استانداردهای مناسبی ارائه گردیده است و از این استانداردها به طور جدی در طراحی و اجرای اتصالات جوش استفاده میشود و می‌توان از مشکلات به وجود آمده در قطعات جوشکاری شده پیشگیری نمود.1-2 مبانی جوشکاری1-2-1 تعریف جوشبر اساس استاندارد ANSI/AWS A3.0-89 که مشتمل بر تعریفها و عبارتهای استاندارد جوشکاریاست، جوشکاری عبارت است از یک فرآیند اتصالدهی که یک ماده یکپارچه را به وسیله حرارتدهی تا دمای جوش، با اعمال فشار و یا بدون آن و با استفاده از ماده پرکننده و یا بدون استفاده از آن، تولید میکند.یک قطعه جوشکاری شده شامل 3 ناحیه فلز پایه، فلز جوش و ناحیه متأثر از حرارتبوده که در شکل 1-1 نشان داده شده است.