تنش زدایی

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 ترکهایی نیز میباشد. ترکها از مناطق تمرکز تنش هستند و تحت بارهای مکانیکی کششی رشد مییابند و باعث انهدام زودرس قطعه میشوند. روشهای متنوع و گوناگونی برای حذف تنشهای کششی پسماند و بستن ترکهای سطحی موجود در خط جوش و ناحیه اطراف آن (HAZ) ارائه شدهاند. از جمله این روشها میتوان به عملیات حرارتی آنیل کردن، تنشزدایی تحت ارتعاش مکانیکی یا رها کردن قطعه در فضای آزاد اشاره نمود. هر یک از این روشها دارای معایب مخصوص به خود هستند. به عنوان نمونه، در روش آنیل کردن ساختار قطعه دچار دگرگونی خواهد شد و خواص مکانیکی تغییر میکنند. برای تنشزدایی قطعات بزرگ و پیچیده با استفاده از روش ارتعاش مکانیکی، باید از تجهیزات و دستگاههای پرهزینه و پیچیدهای بهره گرفت که از نظر اقتصادی به صرفه نیستند. از طرفی، با استفاده از این روش میتوان تنشهای 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 تنشهای پسماند کششی و بستن ترکهای موجود در خط جوش است. این روش علاوه بر سادگی فرایند و پایین بودن هزینه آن باعث حذف تنشهای موجود در خط جوش میشود و حتی در مواردی موجب تبدیل شدن تنشهای پسماند از حالت کششی به فشاری خواهد شد. این مسأله تأثیر بسزایی در افزایش عمر خستگی قطعه نهایی دارد، به صورتی که نتایج آزمایشهای ابتدایی نشان دادهاند که عمر خستگی قطعهای 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 روشهای تنشزدایی مرسوم و معایب آنها، امواج فراصوت و کاربردهای آن، تنشزدایی به کمک امواج فراصوت و مزیتهای آن و معرفی دستگاه تنشزدایی با امواج فراصوت شرکت «توسعه فنآوری مافوق صوت» پرداخته میشود.

روشهای مرسوم تنشزدایی
جلوگیری از شکست ناشی از خستگی موضوع بسیار مهمی در طراحی قطعات و سازههای مهندسی مورد استفاده در صنعت است. اغلب این سازهها از قبیل کشتیها، جرثقیلها و سازههای گردندهای همچون پرههای توربین، همگی   سازههای جوشکاری شدهای هستند که بارهای سیکلی پیچیدهای را تحمل میکنند. هنگام بارگذاریهای دورهای (سیکلی) قطعات جوشکاری شده، ضعیفترین 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 سازههای جوشکاری شده جوانه میزند و چرخه به چرخه، در طول زمان کاری قطعه رشد میکند تا منجر به انهدام زودرس قطعه شود.
در روشهای سنتی برای افزایش عمر خستگی در سازههای 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 میشوند. از جمله موارد دیگری که نیاز به ارائه روشی برای بهبود کیفیت جوش را موجب شده، مسأله تعمیر قطعات و سازههای جوشکاری شده، است. معمولاً برای این منظور قطعهای از سازه که عمر خستگی آن به پایان رسیده است را تعویض میکنند. با توجه به هزینههای بالای تعویض قطعات یک سازه در حال فعالیت، سعی بر این است تا بتوان روشهای کم هزینهتری برای افزایش عمر خستگی معرفی نمود.
در بین روشهای 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 روشهای سنتی زمانی به کار گرفته میشوند 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 تنشهای پسماند کششی است و یکی از مناطق مستعد برای بروز انهدام قطعه میباشد. در میان روشهای سنتی، عملیات آنیل کردن برای تغییر روند توزیع تنش و آزادسازی تنش پسماند کششی در این ناحیه استفاده میشود. اما این روش برای سازههای بزرگ و پیچیده نظیر خطوط لوله طولانی با مشکلات و مصائبی همراه است.
روشهای متعددی برای بهبود مقاومت خستگی اتصالات جوشکاری شده مورد بررسی قرار گرفتهاند. برخی از   تکنیکهای موجود برای بهبود وضعیت جوش را میتوان در مراحل اولیه تولید سازه بر روی موضع جوش انجام داد. از جمله این موارد میتوان به الصاق یا اضافه کردن جزییاتی چون سفت کنندههای عرضی (Transverse Stiffener)، صفحههای پوششی (Cover Plate) و صفحههای پشت بند (Gusset Plate) برای افزایش ضریب اطمینان در طراحی قطعه و استحکام خستگی سازه اشاره نمود. این روشها باعث تحمیل هزینههای اضافی برای تولید یک سازه می-شوند. در بعضی روشهای دیگر استحکام خستگی اتصالات جوشکاری شده و مشخصات ریشه جوش با مکانیزم تغییر شکل پلاستیک در سطح بهبود مییابد. در این زمینه میتوان به روشهایی همچون سنگ زنی، ساچمه زنی، باز ذوب پاشنه جوش یا لکه گیری با روش تنگستن و گاز خنثی اشاره نمود. از جمله روشهای مرسوم دیگری که برای حذف تنشهای پسماند در قطعات وجود دارند میتوان به رها کردن قطعه در فضای باز، تنشزدایی ارتعاشی (VSR) و عملیات حرارتی آنیل کردن اشاره نمود. در ادامه برخی از معایب این روشها بررسی شدهاند.
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 باقيمانده در قطعه خواهد شد. انجام عمليات حرارتي آنيل بر روي قطعه منجر به تغيير ريزساختار قطعه ميشود. به عبارت دیگر این عملیات حرارتی باعث درشت شدن اندازه دانهها و کاهش استحکام مکانیکی قطعه خواهد شد. به علاوه این روش برای سازههای بزرگ و ترکیبهای خاص همراه با مشکلات تکنولوژیکی نظیر ابعاد کوره انجام عملیات و محدودیت دمای کاری است.
روش تنش زدايي ارتعاشي (VSR) بر اين اساس عمل ميکند که صلبيت يک سازهي فلزي داراي تنش پسماند هنگامي که در معرض تنش زدايي مؤثر قرار گيرد کاهش مييابد. به عبارت ديگر، اگر يک قطعه در فرکانس طبيعي خود قرار گیرد شروع به نوسان ميکند که اين ارتعاش باعث آزاد شدن تنشهاي پسماند خواهد شد. اين روش براي سازههاي بسيار بزرگ با فرکانس طبيعي پايين مفيد ميباشد و روشي گرانقيمت است. از طرفي اين روش نيز در نهايت ميتواند 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 ساچمههايي با ابعاد مشخص (بسته به هدف مورد نظر و ابعاد قطعه) به سطح قطعه پاشيده ميشوند. در اثر برخورد ساچمهها به سطح قطعه تنشهاي سطحي حذف خواهند شد. به علاوه اين روش ميتواند منجر به بسته شدن ترکهاي سطحي قطعه نيز بشود. اين روش را نميتوان به صورت انتخابي انجام داد؛ به عبارت ديگر نميتوان تنها محل مشخصي از قطعه را مورد عمليات قرار داد. از طرفي اندازهي محفظهي آزمايش با توجه به ابعاد قطعه تعيين ميشود و انجام آن بر روي قطعات بزرگ برخي مشکلات تکنولوژيکي را به همراه دارد. به علاوه اين روش باعث ايجاد فرورفتگيهايي بر روي سطح نهايي قطعه ميشود که ممکن است منجر به لزوم انجام يک عمليات بعدي بر روي قطعه شود.
یکی دیگر از روشهای متداول مکانیکی برای کاهش تنشهای پسماند، چکش کاری در فرکانسهای به نسبت پایین 50 تا 100 هرتز است. نتیجه این فرایند همواره به فشار وارد بر روی ابزار که بر روی سطح کار اعمال میشود 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 میکند و این عوامل تلاش قابل ملاحظهای را برای نگهداری و حرکت دادن ابزار در طول پاشنه جوش میطلبد. 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 تنشزدایی خط جوش
امواج صوتی و فراصوتی امروزه در دنیای علم و تکنولوژی کاربردهای فراوانی را به خود اختصاص دادهاند. 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 میشود. این امواج از گروه امواج مکانیکی هستند و برای انتقال نیاز به یک محیط مادی دارند. یکی از کاربردهای حائز اهمیت این امواج در تنشزدایی قطعات جوشکاری شده و افزایش استحکام خستگی است. به طور کلی روشهایی که برای بهبود استحکام خستگی وجود دارند به دو گروه اصلی زیر تقسیم بندی میشوند:
1-    روشهای مبتنی بر اصلاح هندسه جوش
2-    روشهای بهبود شرایط تنشهای پسماند
تنشزدایی با استفاده از امواج فراصوت یا عملیات چکش کاری التراسونیک (Ultrasound Impact Treatment(UIT)) از روشهای متعلق به گروه دوم است، در حالی که به صورت همزمان هندسه پاشنه جوش را نیز به طور قابل ملاحظهای تحت تأثیر قرار میدهد.
این روش در اوايل دهه 70، توسط E.Sh. Stanikov روسي پيشنهاد شد که داراي کاربردهايي در توليد و نگهداري  سازههاي جوشکاري شده بود. اين فرایند با اعمال ضربهي 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 ميشد که باعث بهينه سازي مواد در عمق آن میگردید. بعدها G.I. Prokopenko روشي پيشنهاد نمود که با تحريک پيوسته امواج اولتراسونيک کار ميکرد 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 روشهای مرسوم برای کاهش تنشهای پسماند است. اساس کار روش UIT مشابه چکش کاری مکانیکی است، با این تفاوت که این روش در فرکانسهای بالایی چون kHz 27 صورت میپذیرد. 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 شکل 1 تصویر نمادینی از مکانیزم عملکرد امواج فراصوت در حین تنشزدایی خط جوش نمایش داده شده است. مراحل عملیات در حین تنشزدایی با ضربات التراسونیک به ترتیبی است که در ادامه میآید. با روشن کردن مولد دستگاه UIT، ارتعاشات مکانیکی مبدل التراسونیک I آغاز میشود و با فرکانس اسمی (برای مثال kHz 27) شروع بع نوسان میکند. این ارتعاشات سینوسی از طریق متمرکز کننده II بر روی ابزار متمرکز میشوند. متمرکز کننده با دامنه ارتعاشی خود به انتهای سوزن III ضرباتی با فرکانس التراسونیک وارد میکند 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 میشود. انرژی ضربات پالسی که توسط ابزار III به سطح وارد میشود، ابتدا صرف تغییر شکل پلاستیک سطح قطعه کار IV میشود 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 میشود 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 میشود. در نتیجه این ارتعاشات امواج تنشی 5 در حجم ماده القا میشود. این تنشها به تنشهای پسماند قبلی اضافه میشوند و موجب حرکت لایههای سطحی و آزادسازی تنش پسماند میگردند. از طرف دیگر با برخورد ابزار التراسونیک با سرعت و فرکانس بالا به سطح، انرژی جنبشی در سطح قطعه تبدیل به انرژی گرمایی میشود. این انرژی گرمایی به اتمهای 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 میرود. 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 تنشهای فشاری در لایه مارتنزیتی در سطح قطعه نیز به وجود می آیند.
 
شکل 1- تصویر شماتیکی از عملیات تنش زدایی التراسونیک.

به طور کلی مزایای روش UIT را میتوان 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 میشود؛
•    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 گستردهای را به خود اختصاص داده است. از جمله این کاربردها میتوان به استفاده از آن در مقاوم سازی پایه پلها، دکلهای انتقال فشار قوی، جرثقیل، پایه تابلوهای راهنما، تعمیر و مقاوم سازی قطعات نظامی نظیر لوله توپ و تانک، لانچر موشک، پهپادها و بدنه کشتیها و زیردریاییها، 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.