بار دینامیکی نیرویی است که توسط یک جسم متحرک بر یک عضو مقاومتی معمولاً در یک بازه زمانی نسبتاً کوتاه اعمال می شود. بارهای دینامیکی وارد بر سازه های جوش داده شده عموماً توسط نیروهای خارجی مانند باد، امواج یا زلزله ایجاد می شود. در بسیاری از موارد، بارهای وارد شده به سازه ممکن است با زمان متغیر باشند، به این معنی که در طول زمان تغییر می کنند. این می تواند طراحی و تحلیل سازه های جوش داده شده را بسیار چالش برانگیز کند.
یکی از چالش های اصلی در طراحی و آموزش جوشکاری برای بارهای دینامیکی این است که اطمینان حاصل شود که اتصالات بین اعضا به اندازه کافی قوی هستند تا در برابر نیروهای وارده بر آنها مقاومت کنند. جوش ها معمولاً برای تحمل بارهای استاتیکی (به عنوان مثال، غیر متحرک) طراحی می شوند، اما ممکن است نتوانند در برابر تنش های بسیار بالاتری که در طول یک رویداد دینامیکی رخ می دهد مقاومت کنند. به همین دلیل است که در طراحی سازه های جوشی باید تأثیر بارهای دینامیکی را در نظر گرفت.
روش های مختلفی برای تجزیه و تحلیل اثرات بارهای دینامیکی بر سازه های جوش داده شده وجود دارد
یکی از روش های رایج آنالیز اجزای محدود (FEA) است. این تکنیک شامل تقسیم ساختار به تعدادی عناصر کوچک است که هر کدام به طور جداگانه تجزیه و تحلیل می شوند. سپس نتایج حاصل از تمام عناصر منفرد برای ارائه یک تصویر کلی از نحوه پاسخگویی سازه به بارهای اعمال شده با یکدیگر ترکیب می شوند.
روش دیگری که می توان برای تجزیه و تحلیل اثرات بارهای دینامیکی استفاده کرد، آزمایش تجربی است.
بارگذاری استاتیک و دینامیک چیست؟
بارهای استاتیکی آنهایی هستند که بر سازه در حالت سکون وارد می شوند، در حالی که بارهای دینامیکی آنهایی هستند که بر روی سازه در حال حرکت تأثیر می گذارند.
هر دو نوع بار می توانند باعث خرابی جوش در سازه شوند. با این حال، بارهای دینامیکی به طور کلی بسیار شدیدتر از بارهای استاتیکی هستند، و بنابراین هنگام طراحی سازه های جوشی باید به دقت در نظر گرفته شوند.
بار دائمی نیرویی است که همیشه بر سازه وارد می شود، در حالی که بار دینامیکی نیرویی است که فقط گاهی اوقات بر سازه وارد می شود. بارهای دائمی معمولاً بسیار کوچکتر از بارهای دینامیکی هستند و بنابراین تأثیر کمتری بر استحکام جوش دارند.
چند نمونه از بارهای دینامیکی که می توانند بر روی سازه های جوشی اثر بگذارند عبارتند از:
- باد،
- امواج،
- زمين لرزه،
- برخورد وسایل نقلیه
- انفجارها
بار دینامیکی
بار دینامیکی باری است که در جهت، موقعیت و اندازه تغییر می کند و نیروهای مختلفی را بر روی سازه ایجاد می کند. این با بار استاتیکی متفاوت است که ثابت است و یک پاسخ واحد ایجاد می کند.
به عنوان مثال، اگر روی یک طبقه ثابت بایستید، بار ایستا ایجاد می کنید، اما اگر بالا و پایین بپرید و در اطراف زمین حرکت کنید، بار دینامیکی ایجاد می کنید.
انواع بار دینامیکی شامل افراد، ترافیک، زلزله، باد، امواج و انفجار می باشد. هر سازه ای می تواند تحت بارگذاری دینامیکی قرار گیرد و تغییراتی که با بار دینامیکی به وجود می آید می تواند تصادفی، دوره ای یا ترکیبی از این دو باشد.
بار دینامیک هر باری است که در طول زمان تغییر می کند. این نوع بارها به یک سازه نیروهایی وارد می کنند که اغلب بسیار بیشتر از معادل های استاتیکی آنهاست. به عنوان مثال، فردی که بالا و پایین می پرد، نیروی بیشتری بر روی زمین وارد می کند تا کسی که ثابت می ایستد.
علل بارگذاری دینامیکی می تواند شامل هر چیزی باشد، از جابجایی افراد گرفته تا وزش باد در برابر سازه، یا اجسام در حال ارتعاش در اثر زلزله
جوشکاری سازه های دینامیکی
جوشکاری قوس الکتریکی به یک روش رایج و پرکاربرد برای اقتصادی‌تر کردن سازه‌های فولادی تبدیل شده است.
اگرچه روند جدیدی نیست، اما هنوز اغلب اشتباه گرفته می شود. شاید برخی سردرگمی ها ناشی از پیچیدگی فناوری است. برای طراحی موثر و اقتصادی ساختمانی که قرار است جوشکاری شود، مهندس باید از متالورژی، خستگی، کنترل شکست، طراحی جوش، فرآیندهای جوشکاری، متغیرهای فرآیند جوشکاری، تست های غیر مخرب و اقتصاد جوش اطلاع داشته باشد. خوشبختانه، مراجع عالی به راحتی در دسترس هستند، و کدهای صنعتی این حداقل استانداردها را مشخص می کنند. در نهایت، صنعت جوشکاری در رابطه با طراحی جوش بارگذاری های دینامیکی نسبتاً بالغ است. اگرچه هر سال پیشرفت‌های جدیدی ایجاد می‌شود، اما اصول جوشکاری به خوبی درک می‌شود و ممکن است از بسیاری از آنها با مهندسین با تجربه برای کمک مشورت شود.
جوشکاری تنها روش اتصال است که یک عضو واقعا یک تکه ایجاد می کند. تمام اجزای یک سازه فولادی جوش داده شده به صورت هماهنگ عمل می کنند و به طور موثر بارها را از یک قطعه به قطعه دیگر منتقل می کنند.
هنگامی که از جوشکاری برای اتصال استفاده می شود، فقط حداقل مقدار ماده مورد نیاز است. روش‌های اتصال جایگزین، مانند پیچ و مهره، معمولاً گران‌تر هستند و نیاز به استفاده از صفحات و زوایای لپ‌دار دارند و تعداد قطعات مورد نیاز برای ساخت را افزایش می‌دهند. با ساخت و ساز جوش داده شده، ممکن است مواد مختلف با استحکام کششی متفاوت مخلوط شوند و در غیر این صورت می توان به اشکال دست نیافتنی دست یافت. با این حال، همراه با این مزایا، یک ایراد مهم نیز وجود دارد؛ هر گونه مشکلی که در یک عنصر از یک عضو تجربه می‌شود، ممکن است به دیگری منتقل شود. به عنوان مثال، ترکی که در فلنج یک تیر وجود دارد، ممکن است از طریق جوش به یک فلنج ستون انتشار یابد.
این بدان معنی است که، به ویژه در یک سازه بارگذاری دینامیکی که قرار است با جوشکاری به یکدیگر متصل شوند، تمام جزئیات باید به دقت کنترل شوند. میلگردهای پشتی قطع شده و غیر پیوسته، جوش های چسبناک و حتی ضربات قوس به ظاهر جزئی منجر به انتشار ترک در اعضای اولیه شده است. برای استفاده بهینه از قابلیت های منحصر به فرد جوشکاری، لازم است که کل توالی طراحی-ساخت-نعوظ را در نظر بگیرید. یک اتصال جوشی با طراحی مناسب نه تنها تنش ها را به طور ایمن منتقل می کند، بلکه ساخت آن مقرون به صرفه است. ادغام موفقیت آمیز طراحی، فرآیندهای جوشکاری، ملاحظات متالورژی، معیارهای بازرسی و بازرسی در سرویس به اعتماد متقابل و ارتباط آزاد بین مهندس و سازنده بستگی دارد.
متغیرهای موثر بر استحکام اتصال جوش داده شده
استحکام یک اتصال جوشکاری شده به استحکام فلز جوش و ناحیه جوشی که در برابر بار مقاومت می کند بستگی دارد. استحکام فلز جوش اندازه گیری ظرفیت خود فلز جوش رسوبی است که بر حسب واحدهایی مانند ksi (کیپس بر اینچ مربع) اندازه گیری می شود. استحکام اتصال ترکیبی از استحکام فلز جوش و سطح مقطع را منعکس می کند و به عنوان یک واحد نیرو مانند کیپ بیان می شود. اگر حاصل ضرب سطحی برابر استحکام فلز جوش از بارهای اعمال شده بیشتر شود، جوش نباید در سرویس استاتیکی خراب شود. برای سرویس داینامیک چرخه ای، خستگی نیز باید در نظر گرفته شود.
ناحیه ای از فلز جوش که در برابر شکست مقاومت می کند حاصل ضرب گلوگاه نظری در طول است. گلوگاه نظری جوش به عنوان حداقل فاصله از ریشه جوش تا سطح نظری آن تعریف می شود. برای جوش شیاری CJP، گلوگاه نظری برابر با جوش های فیله ای یا جوش های شیاری با نفوذ جزئی مشترک فرض می شود، با استفاده از فلز پرکننده با سطوح استحکام مساوی یا کمتر از فلز پایه، صفحه شکست نظری از طریق گلوگاه جوش است. . هنگامی که همان جوش با استفاده از فلز پرکننده با سطح استحکام بیشتر از فلز پایه ساخته می شود، صفحه شکست ممکن است به مرز همجوشی یا منطقه متاثر از گرما منتقل شود. اکثر طراحان ظرفیت بارگذاری فلز پایه و همچنین ظرفیت گلوگاه جوش را محاسبه می کنند. منطقه همجوشی و ظرفیت آن به طور کلی بررسی نمی شود، زیرا در هنگام استفاده از تطبیق یا عدم تطابق فلز جوش، این غیرضروری است. هنگامی که فلز جوش بیش از حد به طور خاص انتخاب می شود، و اندازه جوش مورد نیاز عمدا کاهش می یابد تا از مزایای فلز جوش بیش از حد استفاده شود، طراح باید ظرفیت منطقه همجوشی (که توسط فلز پایه کنترل می شود) را بررسی کند تا از ظرفیت کافی در اتصال اطمینان حاصل کند.
جوش‌های شیاری با نفوذ کامل اتصال که از فلز جوش با سطوح استحکام دقیقاً برابر با فلز پایه استفاده می‌کنند، از نظر تئوری در جوش یا فلز پایه شکست خواهند خورد. حتی با فلز جوش منطبق، فلز جوش عموماً از نظر استحکام کمی بالاتر از فلز پایه است، بنابراین صفحه شکست نظری برای اتصالات بارگذاری عرضی در فلز پایه فرض می‌شود.
اصول جوشکاری تحت بارگذاری دینامیکی
بسیاری از مشکلات مربوط به جوشکاری ریشه در نقض اصول اولیه طراحی دارند. برای سازه های با بارگذاری دینامیکی، توجه به جزئیات بسیار مهم است. این به طور یکسان در مورد بارگذاری با خستگی چرخه بالا، بارگذاری کوتاه مدت با ضربه ناگهانی و بارگذاری لرزه ای صدق می کند.
موارد زیر مروری بر اصول اولیه جوشکاری در آمادگی آزمون نظام مهندسی است که در تمام ساخت و سازها اعمال می شود.
انتقال نیروها
همه جوش ها به طور یکنواخت بارگذاری نمی شوند. این امر در مورد گروه های جوشی که در معرض خمش هستند و همچنین آنهایی که در طول طول خود تحت بارهای متغیر هستند، صدق می کند. هنگامی که فولادهای هندسی مختلف با جوشکاری به یکدیگر متصل می شوند، وضعیت کمتر آشکار است. یک قانون سرانگشتی این است که فرض کنیم انتقال نیرو از یک عضو، از طریق جوش، به عضوی که موازی با نیروی اعمال شده قرار دارد، صورت می‌گیرد. برای اکثر کاربردهای بارگذاری استاتیکی ساده، توزیع مجدد تنش در سرتاسر عضو، سطوح بارگذاری متغیر را تطبیق می‌دهد. با این حال، برای اعضای بارگذاری شده پویا، این موضوعی است که باید در طراحی به دقت مورد توجه قرار گیرد. افزودن سخت‌کننده‌ها یا صفحات پیوستگی به تارهای ستون به یکسان کردن توزیع تنش در سراسر جوش شیار کمک می‌کند.
حداقل سازی حجم جوش
یک اصل خوب طراحی جوش این است که همیشه از کمترین مقدار فلز جوش ممکن برای یک کاربرد خاص استفاده شود. این نه تنها پیامدهای اقتصادی مناسبی دارد، بلکه باعث کاهش سطح تنش پسماند در اتصال به دلیل فرآیند جوشکاری می شود. تمام فلزات منبسط شده با گرما با سرد شدن منقبض می شوند و باعث ایجاد تنش های پسماند در اتصال می شوند. این تمایلات را می توان با کاهش حجم فلز جوش به حداقل رساند. جزئیاتی که حجم جوش را برای جوش های شیاری به حداقل می رساند، عموماً شامل حداقل دهانه ریشه، حداقل زوایای گنجانده شده و استفاده از اتصالات دو طرفه است.
فراهم سازی دسترسی کافی برای جوشکاری
ضروری است که طراحی دسترسی کافی برای جوشکار و تجهیزات جوش و همچنین دید مناسب برای جوشکار فراهم کند. به عنوان یک قاعده کلی، اگر جوشکار نتواند اتصال را ببیند، بازرس نیز نمی تواند اتصال را ببیند. کیفیت جوش به طور طبیعی آسیب خواهد دید. مهم است که دسترسی کافی برای قرارگیری صحیح الکترود جوش نسبت به اتصال فراهم شود. این تابعی از فرآیند جوشکاری است. برای مثال، فرآیندهای محافظ گاز باید دسترسی کافی برای وارد کردن نازل گاز محافظ در محل اتصال جوش داشته باشند. دسترسی کلی به مفصل تابعی از پیکربندی مواد اطراف است.
طراحی جوش بدون عضو ثانویه
یک فرض اساسی طراحی جوش این است که هیچ عضو ثانویه وجود ندارد. هر چیزی که با جوش به هم وصل می شود، می تواند تنش را بین مواد به هم وصل شده منتقل کند. به عنوان مثال، قطعات فولادی که برای پشتیبان جوش استفاده می شود می تواند منجر به تمرکز تنش در سطح مشترک پشتی شود. ضمیمه هایی که به سادگی در محل جوش داده می شوند، ممکن است به اعضای اصلی حمل بار تبدیل شوند که منجر به شروع شکستگی و انتشار در سراسر سازه می شود. این جزئیات باید در مرحله طراحی هر پروژه در نظر گرفته شود و همچنین در هنگام ساخت و نصب کنترل شود.
شناسایی خواص فولاد جوشکاری
فولاد یک ماده کاملاً همسانگرد نیست. بهترین خواص مکانیکی معمولاً در همان جهتی که فولاد در ابتدا نورد شده است به دست می‌آید که به آن محور X می‌گویند. عمود بر محور X عرض فولاد یا محور Y است. از طریق ضخامت یا محور Z ممکن است نمونه های زیر از انتقال نیرو رخ دهد:
(الف) پایه جوش داده شده در زیر تیر، زمانی که به موازات و مستقیماً زیر تار تیر قرار گرفته باشد، انتقال نیرو مستقیم دارد.
(ب) همان پایه چرخش 90 منجر به توزیع نابرابر تنش در طول جوش می شود، مگر اینکه سفت کننده اضافه شود. سخت‌کننده‌ها می‌توانند مثلثی شکل باشند، زیرا هدف، ایجاد مسیری برای انتقال نیرو به داخل جوش است.
(ج) برای بخش‌های جعبه توخالی، یک گیره که عمود بر محور طولی تیر متصل می‌شود، منجر به جوشکاری ناهموار می‌شود تا زمانی که یک دیافراگم داخلی اضافه شود.
(د) پیچاندن تیغه به دور قسمت بیرونی جعبه به آن اجازه می دهد تا مستقیماً به قسمتی که موازی بار است، یعنی طرف های عمودی، جوش داده شود.
(ه) صفحات جانبی به منظور ایجاد مسیری برای انتقال نیرو به اضلاع عمودی بخش جعبه به این لگ اضافه می شوند.
در صورت امکان، همیشه مطلوب است که تنش های پسماند جوشکاری فولاد را در جهت X کشیده شود. جوش هایی بزرگ هستند که در دو طرف ضخامت فولاد قرار می گیرند که در آن تنش انقباض جوش در محور Z عمل می کند. این می تواند منجر به پارگی لایه در طول ساخت شود، یا در شرایط بارگذاری شدید، می تواند منجر به شکستگی زیر سطحی شود.
تنش های پسماند در جوشکاری
همانطور که فلز جوش گرما منبسط شده و فلز پایه اطراف تا دمای اتاق خنک می شوند، به صورت حجمی منقبض می شوند. در اکثر شرایط، این انقباض توسط مواد اطراف که نسبتاً سفت است و در برابر انقباض مقاومت می کند، مهار یا محدود می شود. این باعث می شود که جوش یک الگوی تنش پسماند را القا کند، جایی که فلز جوش در کشش پسماند است و فلز پایه اطراف در فشار باقی مانده است. الگوی تنش پسماند سه بعدی است زیرا فلز به صورت حجمی منقبض می شود.
هنگامی که جوشکاری چند پاسی انجام می شود، توزیع تنش پسماند پیچیده تر می شود. پاس جوش نهایی همیشه در کشش باقی مانده است، اما عبورهای بعدی باعث ایجاد فشار در مهره های جوش قبلی می شود که قبلاً در کشش بودند.
برای مجموعه‌های نسبتاً انعطاف‌پذیر، این تنش‌های پسماند باعث ایجاد اعوجاج می‌شوند. همانطور که مجموعه‌ها سفت‌تر می‌شوند، همان تنش‌های پسماند می‌توانند باعث ترک خوردگی جوش شوند که معمولاً در مدت کوتاهی پس از ساخت اتفاق می‌افتد.
اگر اعوجاج رخ ندهد، یا زمانی که ترک ایجاد نشود، تنش‌های پسماند خود را از بین نمی‌برند، بلکه «قفل می‌شوند». تنش های پسماند در نقطه تسلیم ماده درگیر در نظر گرفته می شود. از آنجایی که هر ناحیه ای که تحت تنش کششی پسماند قرار می گیرد توسط ناحیه ای از تنش فشاری پسماند احاطه شده است، ظرفیت کلی سازه های جوش داده شده از دست نمی رود.
با این حال، این باعث کاهش عمر خستگی برای کاربردهای کم استرس و چرخه بالا می شود. مجموعه های کوچک جوش داده شده را می توان با گرم کردن فولاد تا دمای 1150 درجه فارنهایت، نگه داشتن آن برای مدت زمان از پیش تعیین شده (معمولاً 1 ساعت در اینچ ضخامت)، و اجازه دادن به آن برای بازگشت به دمای اتاق، از نظر حرارتی کاهش داد. تنش های پسماند را می توان با این روش کاهش داد، اما هرگز به طور کامل حذف نمی شوند. این رویکرد برای مجموعه‌های بزرگ عملی نیست، و باید مراقب بود که اجزای تنش‌زدایی از حمایت کافی در دمای بالا برخوردار باشند، جایی که مقاومت تسلیم و مدول الاستیسیته به شدت کاهش می‌یابد، برخلاف خواص دمای اتاق، برای بیشتر کاربردهای سازه‌ای، تنش‌های پسماند مشکل خاصی برای عملکرد دینامیکی سیستم ایجاد نمی‌کنند و به دلیل پیچیدگی فعالیت‌های تنش‌زدایی، سازه‌های جوشی معمولاً در شرایط جوشکاری استفاده می‌شوند.
هنگامی که بارها به سازه های جوش داده شده اعمال می شود، مقداری توزیع مجدد یا کاهش تدریجی در الگوهای تنش پسماند وجود دارد. انبساط و انقباض حرارتی که یک سازه معمولی در طی یک فصل آب و هوایی تجربه می‌کند و همچنین بارهای سرویس اولیه اعمال شده به ساختمان، منجر به کاهش تدریجی تنش‌های پسماند ناشی از جوشکاری می‌شود.
این تنش های پسماند باید در هر کاربرد سازه ای در نظر گرفته شوند. در سطح کلان، آنها بر توالی کلی مونتاژ یک ساختمان توسط سازنده تأثیر خواهند گذاشت. در سطح میکرو، آنها مناسب ترین توالی مهره جوش را در یک اتصال شیار جوش داده شده خاص دیکته می کنند.
برای کاربردهای جوشکاری شامل تعمیر، کنترل تنش‌های پسماند از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است، زیرا درجه مهار مرتبط با شرایط تعمیر جوش ناگزیر بسیار بالا است. تحت این شرایط، و همچنین کاربردهایی که شامل فولاد سنگین، بسیار مهار شده و بسیار ضخیم برای ساخت و ساز جدید می‌شود، تجربه یک مهندس جوشکار ماهر می‌تواند در جلوگیری از ایجاد تنش‌های پسماند غیر ضروری مفید باشد.
ویژگی های اتصالات جوشی تحت بار دینامیکی
نظرات در مورد بار دینامیکی در زمینه های ساخت و ساز و حمل و نقل بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. در واقع عملکرد دینامیکی اتصال جوش شامل استحکام خستگی، شکل پذیری ضربه و مقاومت خمشی نسبتاً پایین است. ارتباط نزدیکی با فرآیند جوشکاری و خواص یک فلز پایه وجود دارد. گزارش‌هایی درباره مکانیسم ترک خستگی آلیاژهای جوشکاری منتشر شده است که نشان می‌دهد ترک‌ها معمولاً در سطح ماده یا در امتداد منافذ در زیر سطح ظاهر می‌شوند؛ برخی نشان می‌دهند که ناهمگنی های فاصله بازوی دندریت ثانویه و اندازه دانه ها دلایلی هستند که بر خواص خستگی آلیاژها تأثیر می گذارند.
عوامل موثر بر استحکام خستگی جوش
فلز جوش اضافی، فرورفتگی و عیوب مختلف جوش مانند ترک، همجوشی ناقص، منافذ و آخال‌های سرباره که منجر به تمرکز تنش و تنش پسماند معین می‌شود. هنگامی که غلظت تنش، گنجاندن سرباره و تنش کششی باقیمانده به هم می رسند، استحکام خستگی اتصال جوش داده شده به طور قابل توجهی تضعیف می شود. مطالعات نشان می دهند که راندمان اتصال خستگی اتصال توسط جوشکاری تیگ یا اصطکاکی اغتشاشی به ترتیب حدود 80% و 60% است. سطوح شکست، انتشار ترک خستگی شکننده را نشان می دهد، و علاوه بر این، جهت انتشار ترک به طور قابل توجهی تحت تأثیر ریزساختارها است.
در میان جوشکاری گاز خنثی فلزی (MIG)، پرتو لیزر و پرتو الکترونی بسته به پروفیل درزهای جوش، بالاترین استحکام خستگی اتصالات جوش داده شده مربوط به جوشکاری پرتو الکترونی بدون فلز پرکننده با 55٪ از استحکام فلز پایه می شود و سپس با جوشکاری پرتو لیزر با فلز پرکننده قابل دسترسی است. برای جوشکاری پرتو لیزر بدون فلز پرکننده و جوشکاری MIG، استحکام خستگی تا 50 درصد کاهش می‌یابد، در حالی که آزمایش‌ها با تقویت‌کننده‌های جوش حذف شده، مقاومت خستگی 75 درصد مقاومت فلز پایه را نشان می‌دهند. در مورد اتصالات جوشی اصطکاکی حد خستگی اتصال جوش داده شده 93.1٪ از فلز پایه در تست خمش دوار و 95.8٪ از فلز پایه در آزمایش های مکرر خستگی پیچشی است. تحقیقات نشان می دهد که خواص بار دینامیکی اتصالات جوش داده شده هنوز نیاز به بهبود بیشتری دارد. با این حال، تحقیقات در مورد خواص خستگی، ضربه و خمش محدود است و تحقیقات سیستماتیک برای آزمایش‌های بیشتر و راه‌حل‌های مربوطه ضروری است.
