هدف از طرح این موضوع آشنایی با مدل منبع حرارتی در جوشکاری (مخصوصا قوس الکتریکی، لیزر و اشعه الکتریکی) و استخراج پارامترهای مورد نیاز به صورت عملی برای اهداف شبیه سازی است.
شاید بتوان به جرأت گفت، مهمترین پارامتر تاثیرگذار در فرآیند شبیه سازی جوش توزیع میدان حرارتی است. تعیین دقیق میدان حرارتی اولین و مهمترین قدم به سمت تعیین تغییرات متالورژیکی، کرنش ها و تنش های باقی مانده در ساختار جوش است. باتوجه به اهمیت موضوع بیان شده، تعریف یک مدل ریاضی دقیق از منشا گرما بسیار حائز اهمیت است.
مدل های منبع حرارتی به سه دسته کلی تقسیم بندی می شوند:
- یک بعدی
- دو بعدی
- سه بعدی
این سه مدل منبع حرارتی براساس پیچیدگی بیان و حل توسعه پیدا کردند. امروزه با توجه به قدرت کامپیوترها اکثر نرم افزارهای شبیه ساز جوش از روش سه بعدی استفاده می کنند.
تاریخچه
تئوری پایه جریان گرما بوسیله فوریه تعریف شد ودر دهه 1930 توسط روزنتال (Rosental) برای بیان منبع حرارتی متحرک به کار برده شد. تا قبل از روزنتال تمام تلاشها در مورد انتقال گرما در جوش به صورت آزمایشگاهی انجام شده بودند و این روزنتال بود که برای اولین بار تئوری انتقال گرما در اثر منبع حرارتی را برای جوش بیان کرد.
فرضیاتی که روزنتال در بیان تئوری خود در نظر گرفت شامل:
- خصوصیات مواد ثابت است.
- منبع حرارتی به صورت منبع نقطه است.
- سطح قطعه کار با محیط انتقال حرارت ندارد.
- از گرمای ایجاد شده توسط اثر ژول( joule effect) صرف نظر شده است.
منابع حرارتی براساس ابعادحوضچه جوش، نوع جوش و فناوری استفاده شده در جوشکاری ذوبی(fusion) :
- منبع نقطه ای(point source)
در صورت رسوب در سطح قطعات ضخیم
- منبع خطی (linear source)
در جوشکاری صفحات ضخیم که در آن می توان از گرادیان دما در جهت ضخامت آن صرفنظر کرد.
- سطح صفحه ای (planar surface)
برای جوشکاری جرقه ای (flash welding) میله ها
- سطح صفحه ای با حالت توزیع گاوسی
از حالت منبع نقطه ای استخراج شده است و بیشتر برای شبیه سازی سخت کاری سطح استفاده می شود.
- سطح نیم کره
این حالت هم از حالت منبع نقطه ای استخراج شده است، در جای که واقعیت را نسبت به حالت توزیع گاوسی نشان می دهد وبرای جوشکاری قوس الکتریکی استفاده می شود(این مدل منسوخ شده است).
- منبع بیضی
باعث تقویت مدل منبع نیمکره در جای که واقعیت را بهتر منعکس می کند میشود.
- منبع بیضی دوتایی
در حالت اصلاح شده بهترین نتایج را نسبت به واقعیت برای جوشکاری قوس الکتریکی نشان می دهد. امروزه اکثر برنامه های شبیه سازی مثل simufact welding، sysweld و…از این روش استفاده می کنند.
مدل منبع حرارتی بیضی دوتایی (Double-ellipsoid heat source model)
قصد ما پرداختن به معادله حاکم بر این مدل نیست، بلکه تعیین چهار پارامتر اساسی در این مدل است که نیاز ما برای محاسبات بعدی و یا ورودی نرم افزارهای حل عددی است.
این پارامترهای جوشکاری شامل a,b,c1,c2 است.
خوب قبل از تعیین، شما احتیاج دارید تا ولتاژ V ، آمپراژ I و بازدهی η را برای دستگاه جوش مشخص کنید. اکثر دستگاه ها به صورت دیجیتال ولتاژ و آمپراژ را نشان می دهند، اما اگر دستگاهی دارید که اینطور نیست، یا شما می خواهید به طور دقیق تری این دو پارامتر را اندازگیری کنید در مقاله دیگری به این موضوع خواهیم پرداخت.
در مورد بازدهی دستگاه، همه شرکت های سازنده بازدهی دستگاه خود را ذکر می کنند و در صورت نبود شما می توانید میانگین و به صورت سر انگشتی 0.86-0.88 را قرار دهید.
با این سه پارامتر قدرت دستگاه و منبع را بر حسب وات می توانید از فرمول زیر محاسبه کنید:
Q=V.I.η
حال با ایجاد یک جوش گوشه ای (fillet) چهار پارامتر a,b,c1,c2 را بصورت زیر تعیین کنید:
بعد از تنظیم ولتاژ و آمپراژ، بر روی یک قطعه نمونه فاصله ای را با سرعت پیش روی مشخص جوشکاری کنید.(سرعت پیش روی به سایر پارامترها مثل Q و اندازه گرده مورد نظر بستگی دارد ). بعد از اتمام جوشکاری پارامترهای c1 ,c2 را به شکل زیر و پارامترهای a.b را با برش عرضی جوش و برای دقت بالاتر با استفاده از اچ کردن و روشهای متالوگرافی اندازگیری کنید.
مدل منبع حرارتی گاوسی Gaussian heat source model
در مورد منبع حرارتی در جوشکاری لیزر و اشعه الکترونی، انرژی ورودی به سطح و حجم مبنا حرارت، تقسیم بندی می شود. میزان انرژی منبع حرارتی استوانه ای که حجمی است و میزان انرژی اعمال شده توسط آن را شرح می دهد و باقیمانده انرژی توسط مبنا حرارتی سطح اعمال می شود.
باز هم قصد تشریح معادلات حاکم بر این نوع مدل منبع حرارتی را نداریم و فقط تعیین سه پارامتر موثر بر معادله منبع حرارتی سه بعدی مخروطی گاوسی مد نظر ماست(ri,re,H)
با اعمال تمام شرایط مورد نیاز و توان لیزر، جوشکاری یک نمونه در نقطه انجام می گیرد سپس با برش و بررسی دقیق متالوگرافی نمونه از مقطع عرضی به صورت عملی این سه پارامتر قابل اندازگیری است.
