مقدمه

خط جوش و ناحیه اطراف آن (HAZ)، از مناطق پر تنش در قطعات جوشکاری شده هستند. این ناحیه علاوه بر تنش های کششی پسماند دارای ترک هایی نیز می باشد. ترک ها از مناطق تمرکز تنش هستند و تحت بارهای مکانیکی کششی رشد می یابند و باعث انهدام زودرس قطعه می شوند. روش های متنوع و گوناگونی برای حذف تنش های کششی پسماند و بستن ترک های سطحی موجود در خط جوش و ناحیه اطراف آن (HAZ) ارائه شده اند. از جمله این روش ها می توان به عملیات حرارتی آنیل کردن، تنش زدایی تحت ارتعاش مکانیکی یا رها کردن قطعه در فضای آزاد اشاره نمود. هر یک از این روش ها دارای معایب مخصوص به خود هستند. به عنوان نمونه، در روش آنیل کردن ساختار قطعه دچار دگرگونی خواهد شد و خواص مکانیکی تغییر می کنند.

برای تنش زدایی قطعات بزرگ و پیچیده با استفاده از روش ارتعاش مکانیکی، باید از تجهیزات و دستگاه های پرهزینه و پیچیده ای بهره گرفت که از نظر اقتصادی به صرفه نیستند. از طرفی، با استفاده از این روش می توان تنش های موجود در قطعه را در نهایت به سطح صفر رساند. روشی که امروزه مورد توجه بسیاری از متخصصین و محققین قرار گرفته، استفاده از انرژی امواج فراصوت برای حذف تنش های پسماند کششی و بستن ترک های موجود در خط جوش است. این روش علاوه بر سادگی فرایند و پایین بودن هزینه آن باعث حذف تنش های موجود در خط جوش می شود و حتی در مواردی موجب تبدیل شدن تنش های پسماند از حالت کششی به فشاری خواهد شد. این مسأله تأثیر بسزایی در افزایش عمر خستگی قطعه نهایی دارد، به صورتی که نتایج آزمایش های ابتدایی نشان داده اند که عمر خستگی قطعه ای که با انرژی امواج فراصوت مورد عملیات قرار گرفته نسبت به قطعه عملیات حرارتی شده، تا حدود 2 برابر افزایش یافته است. 

در ادامه به معرفی روش های تنش زدایی مرسوم و معایب آن ها، امواج فراصوت و کاربردهای آن، تنش زدایی به کمک امواج فراصوت و مزیت های آن و معرفی دستگاه تنش زدایی با امواج فراصوت شرکت «توسعه فن آوری مافوق صوت» پرداخته می شود. 

روش های مرسوم تنش زدایی 

جلوگیری از شکست ناشی از خستگی موضوع بسیار مهمی در طراحی قطعات و سازه های مهندسی مورد استفاده در صنعت است. اغلب این سازه ها از قبیل کشتی ها، جرثقیل ها و سازه های گردنده ای همچون پره های توربین، همگی سازه های جوشکاری شده ای هستند که بارهای سیکلی پیچیده ای را تحمل می کنند. هنگام بارگذاری های دوره ای (سیکلی) قطعات جوشکاری شده، ضعیف ترین نقاط سازه، اتصالات جوشکاری شده هستند. مناطق جوشکاری شده دارای تمرکز تنش بالا و به طور معمول دارای تنش پسماند کششی هستند. از این رو، ترک خستگی در سازه های جوشکاری شده جوانه می زند و چرخه به چرخه، در طول زمان کاری قطعه رشد می کند تا منجر به انهدام زودرس قطعه شود. 

در روش های سنتی برای افزایش عمر خستگی در سازه های جوشکاری شده، نیاز به اضافه کردن و یا برداشتن ماده مصرفی در فرایند تولید سازه جوشکاری شده وجود دارد. از طرفی، انجام عملیات اضافی مانند سنگ زنی، برداشتن فلاکس، تمپر کردن مکانیکی و شکل دهی سطحی، همگی باعث افزایش قیمت تمام شده محصول و پیچیدگی فرایند تولید می شوند. از جمله موارد دیگری که نیاز به ارائه روشی برای بهبود کیفیت جوش را موجب شده، مسأله تعمیر قطعات و سازه های جوشکاری شده، است. معمولاً برای این منظور قطعه ای از سازه که عمر خستگی آن به پایان رسیده است را تعویض می کنند. با توجه به هزینه های بالای تعویض قطعات یک سازه در حال فعالیت، سعی بر این است تا بتوان روش های کم هزینه تری برای افزایش عمر خستگی معرفی نمود. 

در بین روش های مرسوم برای بهبود جوش، روشی وجود ندارد که بتواند به طور غیرمخرب و بدون ایجاد تغییر شکل و یا باز کردن قطعه معیوب باعث افزایش عمر خستگی شود. اغلب روش های سنتی زمانی به کار گرفته می شوند که شکست اتفاق افتاده باشد یا عیب به صورت ترک نمایان شده باشد. در این میان نباید از نقش منطقه متأثر از حرارت اطراف خط جوش (HAZ) غافل شد. این منطقه دارای ترک و تنش های پسماند کششی است و یکی از مناطق مستعد برای بروز انهدام قطعه می باشد. در میان روش های سنتی، عملیات آنیل کردن برای تغییر روند توزیع تنش و آزادسازی تنش پسماند کششی در این ناحیه استفاده می شود. اما این روش برای سازه های بزرگ و پیچیده نظیر خطوط لوله طولانی با مشکلات و مصائبی همراه است. 

روش های متعددی برای بهبود مقاومت خستگی اتصالات جوشکاری شده مورد بررسی قرار گرفته اند. برخی از تکنیک های موجود برای بهبود وضعیت جوش را می توان در مراحل اولیه تولید سازه بر روی موضع جوش انجام داد. از جمله این موارد می توان به الصاق یا اضافه کردن جزییاتی چون سفت کننده های عرضی (Transverse Stiffener)، صفحه های پوششی (Cover Plate) و صفحه های پشت بند (Gusset Plate) برای افزایش ضریب اطمینان در طراحی قطعه و استحکام خستگی سازه اشاره نمود. این روش ها باعث تحمیل هزینه های اضافی برای تولید یک سازه می شوند. در بعضی روش های دیگر استحکام خستگی اتصالات جوشکاری شده و مشخصات ریشه جوش با مکانیزم تغییر شکل پلاستیک در سطح بهبود می یابد. در این زمینه می توان به روش هایی همچون سنگ زنی، ساچمه زنی، باز ذوب پاشنه جوش یا لکه گیری با روش تنگستن و گاز خنثی اشاره نمود. از جمله روش های مرسوم دیگری که برای حذف تنش های پسماند در قطعات وجود دارند می توان به رها کردن قطعه در فضای باز، تنش زدایی ارتعاشی (VSR) و عملیات حرارتی آنیل کردن اشاره نمود. در ادامه برخی از معایب این روش ها بررسی شده اند.

در روش رها کردن قطعه در فضای باز، زمان فرايند بسيار طولاني خواهد بود و قطعه در معرض خطراتي از جمله خوردگي (ناشي از رطوبت محيط) و تغيير شکل (تاب دار شدن) قرار دارد. از طرفي اين روش در نهايت منجر به کاهش تنش باقي مانده در قطعه خواهد شد. انجام عمليات حرارتي آنيل بر روي قطعه منجر به تغيير ريزساختار قطعه مي شود. به عبارت دیگر این عملیات حرارتی باعث درشت شدن اندازه دانه ها و کاهش استحکام مکانیکی قطعه خواهد شد. به علاوه این روش برای سازه های بزرگ و ترکیب های خاص همراه با مشکلات تکنولوژیکی نظیر ابعاد کوره انجام عملیات و محدودیت دمای کاری است. 

روش تنش زدايي ارتعاشي (VSR) بر اين اساس عمل مي کند که صلبيت يک سازه ي فلزي داراي تنش پسماند هنگامي که در معرض تنش زدايي مؤثر قرار گيرد کاهش مي يابد. به عبارت ديگر، اگر يک قطعه در فرکانس طبيعي خود قرار گیرد شروع به نوسان مي کند که اين ارتعاش باعث آزاد شدن تنش هاي پسماند خواهد شد. اين روش براي سازه هاي بسيار بزرگ با فرکانس طبيعي پايين مفيد مي باشد و روشي گران قيمت است. از طرفي اين روش نيز در نهايت مي تواند منجر به حذف تنش پسماند از قطعه مورد نظر شود.

روش ديگري که از آن براي تنش زدايي قطعات ياد شد، ساچمه زني است. در اين روش ساچمه هايي با ابعاد مشخص (بسته به هدف مورد نظر و ابعاد قطعه) به سطح قطعه پاشيده مي شوند. در اثر برخورد ساچمه ها به سطح قطعه تنش هاي سطحي حذف خواهند شد. به علاوه اين روش مي تواند منجر به بسته شدن ترک هاي سطحي قطعه نيز بشود. اين روش را نمي توان به صورت انتخابي انجام داد؛ به عبارت ديگر نمي-توان تنها محل مشخصي از قطعه را مورد عمليات قرار داد. از طرفي اندازه ي محفظه ي آزمايش با توجه به ابعاد قطعه تعيين مي شود و انجام آن بر روي قطعات بزرگ برخي مشکلات تکنولوژيکي را به همراه دارد. به علاوه اين روش باعث ايجاد فرورفتگي هايي بر روي سطح نهايي قطعه مي شود که ممکن است منجر به لزوم انجام يک عمليات بعدي بر روي قطعه شود.

یکی دیگر از روش های متداول مکانیکی برای کاهش تنش های پسماند، چکش کاری در فرکانس های به نسبت پایین 50 تا 100 هرتز است. نتیجه این فرایند همواره به فشار وارد بر روی ابزار که بر روی سطح کار اعمال می شود بستگی دارد و مقدار این نیرو کمتر از kgf 20 نیست. حاصل این موارد ارتعاش شدید ابزار و انتقال مستقیم این ارتعاش به دست کاربر است. همچنین خود ابزار در حالت ناپایداری حرکت می کند و این عوامل تلاش قابل ملاحظه ای را برای نگهداری و حرکت دادن ابزار در طول پاشنه جوش می طلبد. علاوه بر این، میزان بالای ارتعاش و سر و صدای زیاد ناشی از آن، کار کردن با این روش را دشوار کرده است. 

استفاده از امواج فراصوت برای تنش زدایی خط جوش

امواج صوتی و فراصوتی امروزه در دنیای علم و تکنولوژی کاربردهای فراوانی را به خود اختصاص داده اند. دلیل این امر انرژی بالا و سادگی استفاده از این امواج است. به طور کلی به گروهی از امواج صوتی که دارای فرکانسی بیشتر از آستانه شنوایی انسان  (kHz 20- Hz 20) هستند، امواج فراصوت گفته می شود. این امواج از گروه امواج مکانیکی هستند و برای انتقال نیاز به یک محیط مادی دارند. یکی از کاربردهای حائز اهمیت این امواج در تنش زدایی قطعات جوشکاری شده و افزایش استحکام خستگی است. به طور کلی روش هایی که برای بهبود استحکام خستگی وجود دارند به دو گروه اصلی 1- روش های مبتنی بر اصلاح هندسه جوش و 2- روش های بهبود شرایط تنش های پسماند، تقسیم بندی می شوند. روش تنش زدایی با استفاده از امواج فراصوت یا عملیات چکش کاری التراسونیک (Ultrasound Impact Treatment(UIT)) از روش های متعلق به گروه دوم است، در حالی که به صورت همزمان هندسه پاشنه جوش را نیز به طور قابل ملاحظه ای تحت تأثیر قرار می دهد. 

این روش در اوايل دهه 70، توسط E.Sh. Stanikov روسي پيشنهاد شد که داراي کاربردهايي در توليد و نگه داري سازه هاي جوشکاري شده بود. اين فرایند با اعمال ضربه ي قوي اولتراسونيک به سطح مورد عمل و به دنبال آن ايجاد يک تغيير شکل پلاستيک سنگين در قطعه همراه بود. در اثر همين ضربه موج تنشي در قطعه ايجاد مي شد که باعث بهينه سازي مواد در عمق آن می گردید. بعدها G.I. Prokopenko روشي پيشنهاد نمود که با تحريک پيوسته امواج اولتراسونيک کار مي کرد و نتايج آن شبيه به حالت جرم کروي مياني بود. در اين حالت ضربه ميان مبدل اولتراسونيک و قطعه، زماني در حدود 0001/0 الي 05/0 ثانيه بود.

همان طور که اشاره شد، چکش کاری مکانیکی یکی از روش های مرسوم برای کاهش تنش های پسماند است. اساس کار روش UIT مشابه چکش کاری مکانیکی است، با این تفاوت که این روش در فرکانس های بالایی چون kHz 27 صورت می پذیرد. از این رو این روش به نیروی اعمالی بر روی ابزار، بدون در نظر گرفتن وزن آن، بیشتر از kgf 3 نخواهد بود. همچنین سر و صدای فرایند و ارتعاشات آن بسیار کمتر از چکش کاری مکانیکی است. از جمله مزایای دیگر این روش سادگی استفاده از آن است. 

در زیر تصویر نمادینی از مکانیزم عملکرد امواج فراصوت در حین تنش زدایی خط جوش نمایش داده شده است. مراحل عملیات در حین تنش زدایی با ضربات التراسونیک به ترتیبی است که در ادامه می آید. با روشن کردن مولد دستگاه UIT، ارتعاشات مکانیکی مبدل التراسونیک I آغاز می شود و با فرکانس اسمی (برای مثال kHz 27) نوسان می کند. این ارتعاشات سیونسی از طریق متمرکز کننده II بر روی ابزار متمرکز می شوند. متمرکز کننده با دامنه ارتعاشی خود به انتهای سوزن III ضرباتی با فرکانس التراسونیک وارد می کند که سوزن III این ضربات را به سطح قطعه کار منتقل خواهد کرد و در طی این مراحل، ارتعاشات متناوب سینوسی 1 به ضربات پالسی 2 در انتهای تمرکز دهنده II و همچنین سطح قطعه کار IV منتقل می شود. انرژی ضربات پالسی که توسط ابزار III به سطح وارد می شود، ابتدا صرف تغییر شکل پلاستیک سطح قطعه کار IV می شود تا منطقه تغییر شکل پلاستیک 4 را به وجود آورد. در نتیجه این تغییر شکل، تنش فشاری پسماند 5 (sp) در سطح قطعه کار القا می شود و با نفوذ به عمق قطعه کاهش می یابد.

از طرف دیگر خود قطعه و لایه تغییر شکل یافته در سطح آن، با فرکانس التراسونیک مرتعش می شود. در نتیجه این ارتعاشات امواج تنشی 5 در حجم ماده القا می شود. این تنش ها به تنش های پسماند قبلی اضافه می شوند و موجب حرکت لایه های سطحی و آزادسازی تنش پسماند می گردند. از طرف دیگر با برخورد ابزار التراسونیک با سرعت و فرکانس بالا به سطح، انرژی جنبشی در سطح قطعه تبدیل به انرژی گرمایی می شود. این انرژی گرمایی به اتم های سطح وارد شده و به علت کوچک بودن منطقه تحت ضربه، دمای نقطه حرارت دیده یا تحت عملیات UIT تا دمای تغییر فاز فلز بالا می رود. از این رو، به علت بزرگ بودن حجم قطعه و نرخ بسیار بالای سرد شدن منطقه تحت ضربه، امکان بروز استحاله مارتنزیتی در فولاد وجود دارد که نتیجه آن تشکیل یک لایه با استحکام بالا و مقاوم در برابر سایش است. علاوه بر این، از آنجا که استحاله مارتنزیتی با افزایش حجم همراه است، در نتیجه آن تنش های فشاری در لایه مارتنزیتی در سطح قطعه نیز به وجود می آیند.

به طور کلی مزایای روش UIT را می توان به ترتیب زیر خلاصه نمود:

• حذف تنش کششی پسماند و جایگزین نمودن آن با تنش فشاری پسماند که موجب افزایش عمر خستگی و استحکام کششی جوش می شود؛

• افزایش عمر قطعات سازه با تعمیر به روش UIT بدون نیاز به باز کردن قطعه از سازه؛

• کاهش زمان و هزینه تمام شده برای بهبود کیفیت جوش؛

• افزایش استحکام در مقابل خوردگی تنشی، سایش و خستگی؛

• کاهش عملیات اضافی به علت ترکیب مراحل مختلف لازم برای بهبود کیفیت جوش در مقابل خوردگی، سایش، خستگی و غیره؛ 

امروزه روش UIT کاربردهای گسترده ای را به خود اختصاص داده است. از جمله این کاربردها می توان به استفاده از آن در مقاوم سازی پایه پل ها، دکل های انتقال فشار قوی، جرثقیل، پایه تابلو های راهنما، تعمیر و مقاوم سازی قطعات نظامی نظیر لوله توپ و تانک، لانچر موشک، پهپادها و بدنه کشتی ها و زیردریایی ها، افزایش مقاومت به خوردگی در خطوط انتقال نفت و گاز، افزایش عمر مفید منابع و مخازن ذخیره مواد نفتی و شیمیایی و غیره اشاره نمود.