دانلود مقاله نحوه تشکیل تنش پسماند کششی در جوش

تنش پسماند تنشی است که بر اثر انجام عملیات خاصی در جسم با قی می مانند و در حالی که جسم تحت هیچ بار گذاری خارجی نیست نیز وجود دارد .

طبیعت تنش پسماند به گونه ای است که در مقابل هر تنش کششی تنش فشاری نیز باید وجود داشته با ئشد ،به گونه ای که جسم در حالت تعادل با قی بماند که به این حالت ، حالت خود تعادلی می گویند .

علت اینکه شناسایی چنین تنشهایی برای مامهم است این است که وقتی جسم تحت تنش خارجی قرارمی گیرد .این تنش خارجی به تنش پسماند موجودافزوده می شود .

پس اگردر منطقه ای تنش پسماند کششی داشته با شیم و بارگذاری ما نیزتنش کششی باشد سطح تنش درآن منطقه بالاتر از آنچه که تنها با لحاظ تنش کششی خارجی بد ست می آید خواهدبود .لذا در صورتی که تنش کششی پسماند داخلی را در نظر نگیریم و قطعه را تنها بر اساس تنش اعمالی خارجی طراحی می کنیم ممکن است دراثرتنشهای پسماندخارجی تنش در قطعه از حد تسلیم آن بالاتر رفته وباعث شکست آن گردد.یکی ازفرایندهایی که باعث ایجاد تنش پسماند در سازه ها می گردد جوی است .که به علت گرم و سرد شدن های متوالی جوش و مناطق نزیدک جوش و عدم امکان جابه جایی در بعضی جهات ، تنشهای پسماند داخلی در جوش و مناطق مجاور آن بوجود می اید .

مقدارانبساط وتغییر شکل جسم در مقابل گرمامتناسب با درجه حرارت می باشد .

اصولاً با افزایش درجه حرارت تا نقطه ذوب فلز شاهد انبساط در آنها خواهیم بود .حال هنگامی که در نقطه ای از جسم درجه حرارت به طور موضعی افزایش یابد در اطراف آن یک شیب حرارتی بوجود می آیدکه می خواهد باعث تغییر شکل و انبساط نقطه ای که دمای آن افزایش پیدا کرده است بشود ،ولی از اطراف توسط فلزی که این نقطه را احاطه کرده اند و میل به تغییر شکل نداردبا تغییر شکل این نقطه مقابله می شود،لذا مناطق نزدیک این نقطه تحت تنش فشاری قرار می گیرند و در صورتی که تنش فشاری موجود از حد تسلیم بیشتر شود با عث تغییرکل پلاستیک این منطقه می شود .در حین سرد شدن منطقه ای که گرم شده بود شاهدانقباض مو ضعی خواهیم بود که باعث ایجاد تنش کششی در مجاورت این نقطه درحد تنش تسلیم فلزخواهد بود .حال اگر بخواهیم تشکیل تنش پسماند در جوش را تو ضیح بدهیم ابتدا مدل زیر را در نظر میگیریم .

سه میله 1و2و3 اردر نظر بگیرید که توسط صفحات صلب4و5 از دو طرف محدود شده اند با گرم شدن میله 2 اگر دمای آن به اندازه DT افزایش یابد این میله در حالت آزاد به اندازه alDT افزایش طول پیدا می کند ولی میله های 1و3 چون تغییردمایی نداشته اند در مقابل تغییر طول مقاومت می کنند،لذا تنشی در آنها القا می شودکه کششی است وعکس العمل این تنش به میله 2 وارد می شود که تنش فشاری است لذابه این ترتیب با گرم شدن میله دو میلهای 1و3 تنش کششی و در میله 2 تنش فشاری خواهیم داشت .درجوش نیزچنین حالتی راخواهیم داشت .

البته دربحث راجع به تنشهای تسلیم جوش به این نکته نیز باید توجه داشته با شیم که تنش تسلیم فو لادها با افزایش درجه حرارت مطابق کاهش می یابد.

در نظربگیرید که یک اتصال جوشی بین دو ورق بزرگ بوجودآمده ودرمنطقه ای نواری شکل در فاصله مشخصی ازمرکز جوش مورد بررسی می باشد فرض می شود که نوارمورد بررسی درجهت طولی خود کاملاً مهار شده و تغییر شکلی در این جهت ندارد .قبل ازگرم کردن ، نوار فاقد تنش بوده و وضعیت آن با نقطه A در نشان داده شده است .درحین گرم کردن ،این نوار متمایل به انبساط بوده و لیکن وسط محیط (فلز) اطراف خود که درجه حرارت پایین تری دارد از انبساط آن ممانعت می شود و در نتیجه تحت تا ثیر تنشهای فشاری قرار می گیرد.

تغییر شکل در نوار در ابتدا الاستیک بوده و با افزایش درجه حرارت افزایش یا فته و در درجه حرارت T1 تغییر شکل پلاستیکی شروع می شود (مسیرABC با افزایش درجه میزان تنش تسلیم جسم کاهش یافته و تغییرشکل پلاستیکی نوار افزایش می یابد( مسیرCDE) چنانچه T2 حدا کثر در جه حرارتی باشد .که در نوار اعمال می شود ، تغییر شکل پلاستیکی فشاری تا نقطه E ادامه خواهدیافت .

در هنگام سرد شدن ، نوارمورد بررسی تمایل به انقباض داشته که منجربه تغییر شکل الاستیکی(مشابه باربرداری درنمونه های تحت آزمایش کشش) که با توجه به درجه حرارت نوار،مطابق مسیر EF ادامه خواهد داشت .

در درجه حرارت T3(نقطهG) سطح تنشها در نوار در سطح تنش تسلیم فلز در این درجه حرارت خواهد شد .با کاهش بیشتر در جه حرارت ، تنش تسلیم( و درنتیجه سطح تنش ها در نوار ) افزایش یافته وتغییر شکل پلاستیکی( کششی) در نوار بوجود می اید ( مسیرGH ).

نتیجتاً اینکه سیکل حرارتی فوق الذکر خواهدشد .

با استفاده از مدل فوق الذکر می توان سطح تنش پسماند جوشی رادر نقاط مختلف اطراف منطقه جوش بدست آورد.

چنانچه در جه حرارت حا صله در نقطه بررسی پایین تر از T1تنها تغییر شکل الاستیکی در ان نقطه بوجود می آید .

برای فو لادهای جوشی این در جه حرارت بین 300-150 در جه سانتی گراد می باشد .

در درجه حرارت بین T1 وT4 سطح تنشهای پسماند پایین تر از تنش تسلیم جسم بوده و چنانچه در جه حرارت نقطه مورد بررسی از T4 بشتر شود ، تنشهای پسماند در سطح تنش تسلیم فلز خواهد بود .

ازبررسی فوق الذکر نتیجه می شودکه تنشهای پسماند جوشی در جهت موازی با جهت جوش (Longitudinal)در فلزجوش و نواحی نزدیک به آن از نوع کششی و در حد تنش تسلیم بوده وبا افزایش فا صله از مرکزجوش سطح این تنش ها کاهش می یابد .به جهت اصل خود تعادلی برای اینگونه تنشها ، لزوماًباید تنشهای جوشی طولی رادرمقاطع مختلف یک اتصالی جوشی درحین جوشکاری نشان می دهد .

در حوضچه مذاب جوش با سر عت v به سمت جلو حرکت کر ده و درنقطه O بسر می برد .

در مقطع A-A ، که در جلوی حوضچه جوش قرار دارد ، هنوز تغییرات عمده درجه حرارت صورت نگرفته و بنابراین تنشهای جوشی مر بوطه صفر می باشند .تغییرات عمده درجه حرارت صورت نگرفته وبنابراین جوشی مربوطه صفرمی باشند در مقطع B-B( از میان حوضچه)، قطعه کاردارای تنشهای شد ید تری شیب حرارتی بوده و درجه حرارت درمرکز حوضچه جوش ما کزیمم می باشد در مقطع C-C در پشت حو ضچه مذاب جوش ، به وا سطه سرد شدن و کاهش نسبی درجه حرارت ، از شیب حرارتی کاسته شده و با لاخره در مقطع D-D که به حد کافی ازمحل حوضچه جوش دورمی باشد،سرد شدن کامل بوقوع پیو سته و در جه حرارت آن برابربا در جه حرارت عمومی قطعه کار شده است .

تنش های جوشی در مقطع B-B و در محل حوضچه جوش ، به دلیل اینکه مذاب نمی توان نیروی کششی را تحمل کند، برابر صفر می باشد .

در این مقطع ودر نزدیکی حو ضچه جوش ، تنشهای جوشی از نوع فشاری بوده که با فا صله گر فتن ازمحل جوش کاهش یافته وبه تدریج تنشهای کششی به جهت با لانس کردن آنها تو سعه می یابند در جه حرارت و در نتیجه تغییر شکلهای حرارتی در مقطع بالا بوده ولی به علت پایین بودن تنش تسلیم جسم ، سطح تنشهای جوشی نیز پایین می باشد .

در مقطع C-C که حوضچه مذاب منجمد شده و فلز اطراف نیز تا حد سرد شده است ، فلز جوش و اطراف آن تا حدی منقبض شده که با توجه به به ممانعت فلز اطراف آن، تنشهای کششی در این منطقه توسعه یافته اند .

در مرکز جوش این تنشهادر سطح تنش تسلیم جسم دردرجه حرارت محیط بوده و سطح این تنشها با افزایش فاصله از مرکز جوش به سرعت کاهش سافته و به سمت تشکیل تنشهای فشاری جهت بالانس کردن تنشهای کششی میل می کند .

همانگونه که ملاحظه می شود، تشکیل تنشهای جوشی ناشی از کرنشهای حرارتی بوده که بو اسطه گرم و سرد شدن مو ضعی و غیر یکنواخت در محل حو ضچه جوش و اطراف آن و ممانعت محیط ( فلز) اطراف ایجاد میشوند .

این کرنشها در منطقه جوش و مجاور نزدیک ان ، کرنش پلاستیکی بوده که هم در حین گرم شدن و هم در حین سرد شدن بوجود می آیند .

منطقه ای که در آن کرنشهای حرارتی ایجاد می شود کم یا بیش تو سط محیط( فلز ) از اطراف خود مهار یا ممانعت (Restraint) می شود .

چنانچه قطعه کار آزاد بوده وبه قطعات دیگر منصل نباشد ، این نوع مهار از نوع مهار اولیه (Primary restraint) بوده و چنانچه فقطعه کار بنوبه خود به قطعات دیگر متصل با شد ، در جه مهار بالاتر بوده و مهار ثا نویه ( Secondary restraint) نیز درشکل گیری تنشهای پسماند دخیل خواهد بود و بنابراین سطح و توزیع تنشای پماند جوشی بستگی به مهار اولیه ( ناشی از نوع اتصالی جوشی) ومهار ثا نویه ( ناشی از ابعاد کلی قطعه و نحوه در گیری ان ) دارد .برای تنشهای پسماند طولی) Longitudinal residual stresses) مهار اولیه قو یاً تعیین کننده بوده و مهار ثا نویه اثر کمی دارد .و بنابراین صرفنظر از اینکه ابعاد کلی قطعه کار و نگهداری ان به چه صورت با شد می توان برای تخمین سطح و توزیع تنشهای پسماند طولی در اتصالات ورقی جوشی از ا ستفاده نمود.

لازم به تو ضیح است که در قسمتهای ابتدایی و انتهایی یک جوش طولی تنشهای پسماند طولی به سرعت کا هش یا فته وبه صفر می رسند .

به عنوان یک قاعده سر انگشتی می توان اظهار نمود که تنشهای طولی در یک جوش از فا صله 150mm دو سر جوش شروع به کا هش نموده ودر دو انتهابه صفرمی رسند .

چنانچه طول جوشی بیش از 300mm باشد در وسط آن سطح تنشهای پسماند جوشی در تنش تسلیم فلز خوهد بود .

یک اتصال جوشی در جهت عرضی ( عمود بر جهت جوشکاری ) نیز منقبض شده ( Transverse shrinkage) که منجر به ایجاد تنشهای پسماند عرضی ( Transverse residual shrinkage ) می شود.

اصول ایجاد این تنش ها نظیر تنشهای طولی بوده با این تفاوت که مهار اولیه در شکل گیری انها مو ثر بوده و مهار ثا نویه مهم می باشد .

در سطح و توزیع تنشهای عرضی بطور شماتیک نشان داده شده است .

در قسمت میانی جوش ، تنشها از نوع کششی بوده و در قسمتهای انتهایی تنشهای فشاری به جهت بالانس کردن تنشهای کششی ایجاد شده اند.حدکثر سطح تنشهای عرضی به واسطه مهار اولیه در حدود 25% میزان تنش تسلیم فلز می باشد و چنانچه قطعه کار در جهت عر ضی مهار شده با شد، ممانعت ثا نویه ایجاد شده که بسته به در جه مهار منجر به افزایش سطح این تنشها می شود.

اصول ایجاد این تنشها نظیر تنشهای طولی بوده با این تفاوت که مهار اولیه در شکل گیری انها مو ثر بوده و مهار ثا نویه مهم می باشد .

تنشهای پسماند جوشی همچنین می توانند در جهت ضخامت نیز به وجود آیند .

در مقا طع نازک ( کمتر از 30mm ) سطح این تنشها در جهت ضخامت نا چیزو قابل صرفنظر کردن می باشد ، لیکن برای مقاطع ضخیم تر سطح این تنشه می تواند در سطح تنش تسلیم فلز بوده و توزیع پیچیده ای همراه داشته با شد .بنابراین بطور کلی تنشهای پسماند جوشی ، کم یا بیش سه بعدی بوده ،به ویژه اینکه اتصال جوشی در سه جهت عمود به هم مهار شده باشد .

تنشهای پسماند جوشی معمولاً روی خواص استحکامی استاتیکی قطعه ویا شکست پلاستیکی( Plastic Collapse ) آن اثر قابل توجهی نداشته و لیکن چنانچه خواص سمجی جوش پایین باشد ، امکان ترک خوردگی وجود داشته و این تنشها می توانند به تنهایی با عث شکست موضعی یا کامل قطعه شوند .بی مناسبت نخواهد بود چنانچه اشاره شود که در بعضی از سوا نح بزرگ در سازه های جوشی ( ریزش کامل پلهای فلزی و یا دونیم شدن کشتیهای تولید شده با اتصالات جوشی) تنشهای پسماند جوشی مهمترین عامل سا نحه بوده اند .

تنشهای پشماند ( طولی ) جوشی در اتصالات نازک فلزی می توانند منجر به کمانش پوسته ( Buclkling) سازه شوند .

تنشهای پسماند جوشی همچنین می توانند موجب کا هش خواص استحکامو خستگی اتصالات مربوطه شده و در این را بطه بهتر است که طول مسیر جوش حداقل بوده و اتصال جوشی طوری طراحی شود که در محلهای دور از محلهای مرکز تنش ویا حتی المقدور در محلهایی با تنشهای فشاری قرار گیرد .

بطور خلاصه می توان از عوامل زیر به عنوان مهمترین عوامل در تشکیل تنشهای پسماند جوشی نام برد.

حرارت دادن موضعی وغیر همگون تغییر شکل ( کرنش) حرارتی وابستگی تنش تسلیم فلز به درجه حرارت درجه مهار یا ممانعت قطعه کار.

فصل پنجم: تجزیه و تحلیل تجربی تنش های پسماند درلوله های جوش داده شده مقدمه: دراین بحثبه موضوع مشکل شکل بندی تنش پسماند در تیوبهای مارپیچ جوش خورده در حین برنامه های ساخت تکنیکی و احتمال کاش آن توسط فرایندهای تکنولوژی پس از آن اختصاص دارد .

مقاله به طور سلیس و سریح ادامه کارهای روان و سلیس منتشر شده سی ونهمین کمفرانس بین المللی EAN در تابور) Taboor)است.

در انجا نتایج اندازه یگری تنش پسماند پس از دو فرایند تکنولوژی لایه بردار در کارخانه تولید ورق استچل( Stechel) و پس از آن خمش ان قبل از جوشکاری این مقاله در بر گیرنده نتایج حاصل از اندازه گیری فشار پسماند پس از فرایندهای پی در پی تکنو لو ژی است .

فرایندهای جوشکاری حلقوی تستهای فرایند گرم کردن و سپس سرد کردن دوماده ای که برای فرایندجوش حلقوی فشار الکتریکی استفاده شدند ازتیوپ ساخته شدند(لوله –Tube) فولاد B37A ی ساختمانی وفولادریزآلیاژی اندازه گیری فشارتنش پسماند برای دو نوع فرایند مختلف تکنو لوژی انجام پذیرفت تابدین طریق مقدار پایه ای برای بهینه سازی فرایندهای ساخت کارخانه ای لوله های جوش خورده مشخص شود .

روش اندازه گیری تنش پسماند استفاده شد .

تنشهای پسماند پس ازجوشکاری حلقوی جوشکاری حلقوی پس از انجام لایه برداری و خمش انجام گرفت و در روش گوناگون و متفاوت تکنولوژی برای جوشکاری انجام شد و پس با هم مقا یسه شدند .

بیشترین توجه برای اندازه گیری تنش پسماند نزدیک جوش حلقوی در مرز وسرخط تیوب انجام گرفت .

شکل 1 ارائه کننده مکانهای الصاق ووصل کردن پسماند و درجه های اندازه گیری فشار برای اندازه گیری تنش پسماند در نزدیکیو مجاورت یکی از نمونه ها در شکل 2 نشان داده شده است .

ارزیابی اجراء و انجام مفروضات براین مینابود که قاون و هر یک برای تمام رنج و گشترده اندازه گیری تنش موجودوقابل استفاده می با شد .در این روش فشارهای پسماند اندازه گیری شده و بیشتر از نقطه ثمردهی نزدیک بودندو انها امکان ایجاد ناحیه فشار پلاستیکی را میسر می کردند .

شکل2 فو لاد ریز آلیاژو شکل 3 نتایج اجرایی برای دوروش متفاوت تکنو لو ژی را از خمش های انجام شده نشان می دهد ما می توانیم ببینیم که تنشهای پسماند پس ازجوشکاری حلقوی بسیاربالا می باشند .

تستهای فشار می باشند.در فرایند مختلف مختلف تکنولوژی تست های فشار انجام رسید .

نتایج به دست آمده از اندازه گیری به وضوح ثابت می کند که یکی از آنها برای کاهش ضروری تنش های پسماند در تیوب ها لازم می باشد و از این رو این فرایند تست فشار به صورت انحصاری استفاده می گردد .

شکل 4 کاهش شدید تنش های پسماند پس از تستهای فشار صورت می گیرد.

1-2کیفیت جوش از نقطه نظر حرارتی 1-1-2 شکنندگی چیست برای مفهوم بودن شکنندگی چهار میله به قطر اینچ از جنس شیشه « لاستیک» سرب و فو لاد کم کربن را در نظر می گیریم .اگر میله های مزبور را خم کنیم میله شیشه ای می شکند بنابراین در گروه مواد شکننده قرار می گیرد لاستیک را می توان با اندازه 180 در جه خم کرد و در اثر آزاد شدن نیرو به حالت اولیه خود بر می گردد بنابراین دارای خا صیت الاستویک است .

میله سرب را می توان 18 درجه خم کرد و لی سرب بهمان حالت با قی می ماند .بنابراین سرب نرم است .

میله فو لاد معمولی را نیز می توان تا 100 در جه خم کرد اما برای خم کردن آن نیاز به اعمال قدرت بیشتری ائست ، بنابراین فو لاد درعین حالیکه از خا صیت نرمی برخوردار است سفت هم می باشد .

هر چهار مفتول را می توان در شرایط خاصی شکننده کرد .م ثلاً اگر لاستیک رادر درجات حرارتی زیرصفر قرار دهیم شکننده میگردد( لاستیک را اگر در مایع اکسیژن که در منهایc170ّ زیر صفر است قرار دهیم و انرا در آورده برروی زمین بیندازیم مانند شیشه می شکند ) شیشه را اگر حرارت دهیم خاصیت شکنندگی خودرا از دست می دهد .

فو لاد را اگر حرارت دهیم دردرجات حرارتی معینی نرم میشود .

در در جه حرارت معمولی شیشه شکننده ، اما سرب شکننده نیست .

ولی در مورد فو لادها نمی توانیم بدرستی بگوئیم در چه شرایطی شکننده هستند .

برای مثال اگر فلز جوش را تحت نیروی کشش قرار دهیم در2" طول20% اضا فه طول نرمی خاصیت جوش را نشان می دهد در حالیکه 5% ازدیاد طول در 2" شکنند می باشد و در حقیقت یک معیار و اتمی را نمی توان در مورد فلزات بدست داد که در کجا و در چه شرایطی شکننده هستند و در چه شرایطی نرم .

تنها میتوان گفت فلزی ترد و شکننده می باشد که بدون تغییر شکل بشکند.

با توجه به شکل قبل اگر شکستگی در نقاطx وقبل از تغییر طول دا ئمی بوجود آید می توان گفت که فلز شکننده می باشد .

چنانچه فلز در نقطه O پاره گردد ولی قبل زا آن تغییر شکل قابل ملاحظه ای پیدا کند می توان گفت که فلز نرم است .

یک حالت پیچیده ای را می توان در مورد فزات بخصوص فو لادها نشان داد .

چنانچه فو لادی را تحت تا ثیر نیروی کشش در دو جهت اما در یک راستا قرار دهیم تغییر شکل آن قبل از پاره شدن خیلی بیش از هنگامی ست که همان فلز از دو جهت ولی عمود بر هم تحت تا ثیر کشش قرار گیرد مانند دیگ بخار و مخازن تحت فشار .

فا کتورهای مختلفی در شکنندگی مو ثرند که در اینجا فقط چند مورد آنرا بیان می کنیم: تنش های چند محوری وجود شیارو خوردگی در کناره های جوش عملیات مکانیکی زیاد بودن نیروی کششی به نیروی برشی ضریب انتفال حرارت عددTSN با توجه به فا کتورهای فوق می توان فا کتور ضریب انتقال حرارت وعدد TSN رابه عنوان مهمترین فا کتور معرفی کرد .

لذا به توضیح مختصری را جع به این فاکتور ها می پردازیم.2 ضریب انتقال حرارت : ضریب انتقال حرارت یا فاکتور K مقدار عایق بودن یک جسم را نشان میدهد.

چنانچه اندازه K کمتر از 1 باشد جسم در برابر حرارت عایق است در حالیکه اگر اندازه آن بیشتر باشد به نسبت ازدیاد آن هدایت حرارتی جسم بیشتر است.

چنانچه یک قطعه مستطیلی شکل از جنس فیبرگلاس را در نظر بگیریم فاکتور k برای آن در حدود B.t.u 3/0 است مطابق شکل : چنانچه یکی از سطوح درجه حرارت آن 91F باشد و صفحه مقابل به آن درجه حرارتش 90F باشد طبیعتاً حرارت از مقطع جسم بطرف سطح سردتر انتقال پیدا می کند و مقدار حرارتی که از طرف سطح گرم به سطح سرد سرازیر می گردد با مقطع 1 اینچ B.t.u 3/0 در ساعت است بنابراین اندازه K نشان دهنده تأثیر پذیری انتقال حرارت در جسم است یا به عبارت دیگر مقاومتی که جسم در برابر انتشار حرارت از خود نشان میدهد و اندازه آنرا میتوان از رابطه زیر بدست آورد : ضریب انتقال حرارت جسم برحسب Btu = k سطح مقطع جسم برحسب قوت مربع = A درجه حرارت صفحه گرمتر = t1 درجه حرارت صفحه سردتر = t2 کلفتی جسم و یا فاصله بین دو سطح = L در زیر اندازه K برای اجسام مختلف در درجه حرارت 70F نشان داده شده است: ضریب انتقال حرارت اجسام مختلف : فیبرگلاس 3/0 مس 2700 پشم شیشه 3-72/0 آلومینیوم 1400 آجر معمولی 5 نیکل 430 یخ 15 فولادهای کربن دار 310 برف 4 فولادهای ضد زنگ 1000 آجر نسوز 10 با توجه به جدول فوق مشاهده می گردد که فلزات در برابر انتشار (انتقال) حرارت مقاومت کمتری نسبت به غیر فلزات دارند یا به عبارت دیگر هادی حرارتند.

ضریب انتقال حرارت در جوشکاری که متناسب به جنس و ضخامت آن دارد بسیار مؤثر است.

برای مثال در جوشکاری تیرآهنهای ضخیم حرارت از حوضچه مذاب جوش به سرعت به اطراف پخش میگردد.

بنابراین سرعت سرد شدن جوش زیاد خواهد بود، و حاصل آن شکستگی است برای اینکه احتمال شکستگی از بین برود باید تفاضل t1-t2 را به حداقل رسانید یعنی بیش گرم کردن فلز ضروری است.

عدد TSN برای اتصالات جوشکاری : انتقال حرارت در اتصالات تنها به مقدار حرارت داده شده بستگی ندارد، بلکه شکل هندسی اتصال و جنس آن در انتقال حرارت مؤثر است.

ظرفیت جذب حرارت از ناحیه جوش معمولاً به صورت تزریق حرارت در جسم بیان می شود و آنرا با عدد TSN بیان می نمایند.

با اینکه TSN از جمله خواص فلز نیست اما برای پیش بینی شکستگی در اتصال جوش و جلوگیری از آن بسیار مؤثر است.

شکستگی در جوش و یا مجاورت آن یکی از مسائل بغرنج در جوشکاری است که شیشه در اتصالات بعد از اتمام جوشکاری پدیدار می شود.

هرچند که ضریب انتقال فولادهای کربن دار نسبت به مس و آلومینیوم و یا نقره کم است ولی با این وجود هدایت حرارتی آن هنوز زیاد است.

در نتیجه باعث سریع سرد شدن جوش میگردد.

میدانیم که هرچه فلز سریعتر سرد گردد تردی آن افزایش می یابد و بهمان نسبت شکننده تر میگردد.

همانطوریکه گفته شد انتقال حرارت در جسم متناسب است با فاکتور K – سطح – ضخامت و اختلاف درجه حرارت، بنابراین اختلاف درجه حرارت (t1-t2) ما بین جوش و نقطه ای مانند a زیاد است.

چونکه در محل جوش فلز به نقطه ذوب رسیده در حالیکه نقطه a هیچوقت به نقطه ذوب نمی رسد.

فرض می کنیم که فاکتور k برای تمام فولادها یکسان است و اختلاف درجه حرارت (t1-t2) نیز ثابت است بنابراین سطح A حرارتی را که از جوش به اطراف منتقل می کند متناسب است با ضخامت فولاد بنابراین سرعت سرد شدن جوش بستگی به ضخامت فلز دارد و تنش های حاصله از آن در شکستگی سرد است.

برای مثال اگر دو قطعه فولاد معمولی را به ضخامت دو میلیمتر جوش دهیم شکستگی در آن بوجود نخواهد آمد ولی اگر ضخامت حدود برسد (15 میلیمتر) شکستگی حتمی است.

ضخامت فولاد می گذرد و یا به عبارت دیگر عدد TSN آن برابر 1 است.

برای مثال اگر دو قطعه فولاد که هر کدام کلفتی آن است سربسر جوش خورد TSN آن 2 است و دو قطعه فولاد به ضخامت اگر سربسر جوش شود عدد TSN آن 4 است.

جدول صفحه بعد اعداد TSN را برای اتصالات مختلف نشان میدهد.

انجماد جوش مطابق شکل زیر ابتدا در سطح مقطع ABC گسترش می یابد و در موقعی که منبع حرارت (قوس) از آن دور شود اتم های مذاب خود را به کریستالهای سطوح ABC می چسبانند بطوریکه یک سری تغییرات منجمله در ویسکوزیته مذاب پدیدار میگردد.

بطوریکه در ابتداء کریستالهائی نازک با جایگزین شدن اتم ها در آن مانند بسته هائی که در قفسه در روی هم انباشته شده باشد شکل میگیرند و جایگزین مذاب می شود و این کریستالها از تمام جهات شروع به رشد کردن مینمایند تا اینکه به کریستالهای دیگری بپیوندند و رشد آنها عمود به خطوطی است که درجه حرارت یکسان داشته باشد که آنرا ایزوترم مینمامند.

اولین کریستالی که در مذاب شروع به رشد کردن میکند، رشد آن ستونی است که در شکل زیر نشان داده شده است و عمود است بر خطوط ایزوترم، کریستالها باعث نیرویی در صفحات کریستالهای مجاور گشته و بصورت یک تنش دائمی در فلز باقی میماند.

با عمل سرد شدن، جوش از یک تغییر حالت در درجه حرارت C 1538 عبور کرده و با ادامه سرد شدن در C 1390 همراه با یک تغییر حالت دیگر است و این وضع ادامه دارد تا دو مرتبه درجه حرارت به 910 و 510 و ...

برسد و در این تغییرات دگرگونی هائی از همه نظر بوجود می آید که توضیح داده میشود.

معمولاً در سه حرارت حوضچه مذاب جوش بالاتر از نقطه ذوب است در حالیکه نواحی مجاور به آن در درجه حرارت ذوب قرار میگیرد، و باز نواحی مجاور به آن فلز در حالت خمیری است و بعد از آن در حالت انجماد با درجه حرارتهای متفاوت در یک لحظه بسیار کوتاه با دور شدن شعله از حوضچه مذاب عمل انجماد میشود و در همین زمان فلز نواحی مجاور به جوش یکمرتبه درجه حرارتش بالا میرود تا فلز از نقطه نظر انتقال حرارت حالت تعادل پیدا کند.

چنانچه نقطه ای مانند B در شکل زیر در نظر بگیریم تغییرات بدینصورت است که: قبل از جوشکاری نقطه B درجه حرارتش به اندازه درجه حرارت محیط بوده ولی هنگامیکه ناحیه مذاب به نزدیکی آن میرسد درجه حرارتش به سرعت بالا میرود که به درجه حرارت 1538 درجه میرسد و سپس با گذشتن حوضچه مذاب از مجاورت آن درجه حرارتش به سرعت کاهش می یابد.

بنابراین تمام نقاط در روی صفحه موقعیتی مشابه نقطه B دارند بطوریکه میتوان گفت هر نقطه از فلز به درجه حرارت ماکزیمم خودش و مینیمم خودش در یک لحظه و زمان بسیار کوتاهی میرسد و ماکزیمم درجه حرارتی که اعمال میگردد میتوان در شکل زیر مشاهده کرد.

نقاطی که در روی خطوط قرار میگیرند درجه حرارتشان بستگی دارد به : روش جوشکاری (جوش یا قوس الکتریکی – گاز – جوشهای اتومات و نیمه اتومات و ...

غیره) موادی که صفحه یا فلز برای جوشکاری روی آن قرار میگیرد (زمین – خاک – شن – آجر – هوا – آب و .....

) طرح و شکل اتصال سرعت جوشکاری میزان ولت و آمپر جنس فلز فولاد جنس الکترود با توجه به شکل قبل مشاهده میشود که داخل منحنی برای 910 درجه سانتیگراد شبکه فولاد است و خارج از آن فلز جوش و صفحه در شبکه کریستالی قرار گرفته اند.

تغییرات گوناگون را میتوان در شکل زیر کاملتر بررسی کرد.

مطابق با شکل اگر نقطه ای مانند D را در نظر بگیریم بعلت اینکه درجه حرارت آن از 910 درجه سانتیگراد بیشتر است بنابراین در یک لحظه بسیار کوتاه به تبدیل میشود در حالیکه نقطه E که باندازه C 390 اختلاف درجه حرارتی دارد در زمان طولانی تری در شبکه باقی میماند اما قسمتهائی که خارج از خط 910 قرار گرفته اند در تمام مدت جوشکاری تغییر شبکه نمیدهد.

چنانچه فلز فوق قبل از جوشکاری عملیات حرارتی بر روی آن انجام گرفته باشد، مانند پروفیلهای ساختمانی، بنابراین قسمتهائی که بین درجات حرارتی 594 – 510 قرار گرفته ذرات آن متبلور میشود از اینرو نرمی آن نسبت به حالت قبل افزایش می یابد.

ذراتی که در داخل خط 1010 – 910 درجه قرار میگیرند ذرات آن شروع به بزرگ شدن مینمایند و ذراتی که از نظر حجمی بزرگ شوند به حالت قبل خود برگشت نمی نمایند مگر اینکه تحت شرایط اعمال مکانیکی قرار گیرند و یا اینکه در تغییرات شبکه ای قرار گیرند.

در حین سرد شدن ذرات فلز بعد از 910 درجه سانتیگراد تبدیل به ذرات میگردد و بزرگترین ذره در C 910 به بزرگترین ذره آلفا تبدیل میگردند.

بعد از اینکه فلز به درجه حرارت محیط برسد مشاهده می گردد که فلز محتوی ذرات خشن آهن به طریقی که گفته شد گشته و بدین لحاظ تغییرات بسیار زیادی در هر مقطع فرضی که دور از جوش باشد بوجود می آید که حاصل آن شکستگی در جوش است.

ایجاد تنش در اثر حرارت درجوشکاری با قوس الکتریکی سطح محدودی از قطعه کار با درجه حرارت نزدیک به نقطه ذوب گرم می شود و درجه حرارت با شیب حرارتی زیاد همانطور که از حوضچه مذاب دور می شویم کاهش می یابد و این به علت انتقال حرارت زیاد قطعه کار می باشد.

این حالت باعث انبساط فلزات می شود و ممکنست باعث تغییر طول ها و پیچش های شدید بشود.

جهت بررسی مطالب فوق یک صفحه فولادی را در نظر میگیریم که به سه نقطه با عرضهای مساوی تقسیم شده باشد (مناطق 1 و 2 و 3) شکل زیر : هنگامی که منطقه 1 در اثر ازدیا درجه حرارت گرم می شود در آن انبساط ایجاد می گردد.

اگر قطعه می توانست آزادانه منبسط شود طول آن باندازه a1b1 می شد حال آنکه مناطق 2 و 3 از انبساط منطقه 1 جلوگیری می کند زیرا درجه حرارت مناطق 2 و 3 به اندازه منطقه 1 نیستند بنابراین منطقه 1 تحت تنش فشاری و مناطق 2 و 3 تحت تنش کششی قرار می گیرند (تنش فشاری با علامت – و کششی با علامت + نشان داده شده است).

بنابراین منطقه 1 بجای اینکه به اندازه a1b1 شود در چنین شرایطی فقط می تواند به اندازه a2b2 منبسط شود و این مثل این است که منطقه 1 به اندازه b1b2 + a1a2 فشرده می گردد و یا به اندازه + b1b2 a1a2 تغییر شکل پلاستیکی داده است.

در موقع سرد شدن منطقه 1 می خواهد به اندازه + bb1 aa1 منقبض گردد اما بوسیله مناطق 2 و 3 از این مناطق ممانعت بعمل می آید در نتیجه منطقه 1 تحت تنش کششی و مناطق 2 و 3 تحت تأثیر تنش فشاری واقع خواهند شد.

زمانی که قطعه کاملاً سرد می شد منطقه 1 دارای طول a3b3 خواهد شد که از طول اولیه ab کوچکتر است، یعنی فلز یک (1 ) تغییر شکل پلاستیکی میدهد.

بایستی توجه کرد که تمام تغییرات گفته شده در زمان و لحظه بسیار کوتاهی رخ می دهد در شکل زیر یک جوش لب به لب نشان داده شده است و در شکل (b) همان جوش در امتداد محور طولی برش خورده است .

مشاهده می گردد که هر کدام از نیمه را به حالت اولیه برمی گردانیم باید قسمتهای میانی کشیده شود و قسمتهای انتهائی فشرده شود.

گفتار فوق را می توان چنین خلاصه کرد که : قطعات فلزی بعد از اتمام جوشکاری یک تنش باقیمانده در آنها وجود دارد که اگر به هر نحوی فلز جوش شکننده باشد (سریع سرد شدن) ترکهائی در کناره های جوش بوجود خواهد آمد.

میدانیم در موقع جوشکاری فلز نزدیک به جوش درجه حرارت بالائی دارد و فلز مجاور آن درجه حرارت کمتری، ولی به هر حال هر دو قسمت اجزاء یک فلز واحد هستند.

حال هنگامی که فلز سرد می شود به علت اینکه انقباضات با هم همگام و هماهنگ نیستند در نتیجه انقباض تحت شرایط غیر آزاد انجام می گیرد که ایجاد تنشهای درونی در فلز کرده و دامنه تنشهای فوق بسیار وسیع است و از مقادیر جزئی و قابل انقباض تا مقادیر خیلی زیاد متغیر می باشد.

تنشهای داخلی ممکن است گاهی از اوقات از حد مقاومت فلز بیشتر گردد و نتیجتاً باعث پیدایش ترک در جوش و فلز اصلی بشود بخصوص هنگامی که جوش تحت تأثیر بار خارجی قرار گیرد که تنش داخلی هم بایستی منظور گردد.