چکش‌کاري التراسونیک (Ultrasonic Peening)

چکیده

با توجه به کاربرد روزافزون فرآيند جوشکاري در صنايع مختلف و نيز استحکام پايين اتصالات جوشي در برابر بارهاي ديناميکي، شکست ناشي از خستگي يکي از مشکلات اصلي طراحي و نگهداري اتصالات جوشي در صنعت محسوب مي‌شود. از اين رو انجام عمليات بهبود دهنده به منظور افزايش استحکام خستگي اتصالات جوشي يکي از مباحث تحقيقاتي مهم بوده که جنبه‌هاي کاربردي فراواني دارد.

روش‌هاي مختلفي از قبيل عمليات حرارتي، اصلاح هندسه جوش، دوباره ذوب کردن جوش، سنگ‌زني و تنش‌زدايي براي افزايش استحکام خستگي جوش وجود دارند. یکی از جدید‌ترین فرایند‌های استاندارد برای افزایش استحکام سازه‌های جوشی، چکش‌کاری التراسونیک می‌باشد. فرآيند چکش‌کاري التراسونیک روشي است که در آن بر اساس اعمال ضرباتي با فرکانس بالا (در حدود 20 هزار بار در ثانیه) و دامنه میکرونی، منجر به ایجاد تغييرشکل پلاستيک موضعی مي‌گردد. نتايج بدست آمده از آزمايش‌ها و کاربرد‌های صنعتی در کشور‌های پیشرو در این زمینه (آمریکا، اروپا، ژاپن و کره جنوبی) نشان مي‌دهند که در مقايسه با ساير روش‌هاي بهبود‌دهنده استحکام خستگي، فرآيند چکش‌کاري التراسونیک با اصلاح شکل جوش و حذف تنش‌هاي پسماند کششي و ایجاد تنش‌هاي پسماند فشاري در جوش، خواص مکانيکي سازه‌هاي جوشي و قطعات مکانيکي را به ميزان قابل ملاحظه‌اي افزايش مي‌دهد.

استفاده از فرایند چکش‌کاری التراسونیک تنها به قطعات جوشی مرتبط نمی‌باشد و کاربرد‌های مختلفی را در بر می‌گیرد. لازم به ذکر است فرایند چکش‌کاری التراسونیک در استاندارد AASHTO آمریکا به عنوان روش پیشنهادی برای افزایش استحکام سازه‌ پل‌های عظیم سفارش شده است. هدف از این نگارش آشنایی پژوهشگران، مدیران و صنعتگران با کاربرد‌های رو به فزونی فرایندی نوین در صنایع سازه‌های سنگین و سبک به نام چکش‌کاری التراسونیک می‌باشد.

مقدمه

با گسترش ساخت سازه‌های بزرگ مهندسی به محیط دریا (مانند سکو‌های نفتی، کشتی‌های غول‌پیکر و زیر‌دریایی‌ها) مسائل جدیدی پیش روی مهندسان و سازندگان آن‌ها قرار گرفت؛ نظیر شکستن اتصالات مکانیکی که اجزای مختلف سازه را به یکدیگر متصل می‌نماید و یا حتی اجزای یکپارچه سازه. ایجاد اتصال توسط جوش فرآیند غالب در ساخت این سازه‌های غول‌پیکر می‌باشد. در ناحیه پاشنه جوش (محل اتصال گرده جوش به فلز پایه) ناحیه‌ای تیز در محل اتصال دو صفحه تشکیل می‌شود که در بارگذاری‌های خستگی باعث تمرکز تنش و در نتیجه کاهش شدید عمر خستگی سازه‌ها می‌شود. از طرفی در ناحیه متاثر از جوش در روی سطح و درون ماده تنش‌های پسماند کششی به شدت مقاومت به خوردگی ماده را کاهش می‌دهد که این مساله بخصوص در سازه‌های دریایی که در معرض آب شور دریا قرار دارند با اهمیت می‌باشد.

از آنجا که بخش عظیمی از صنعت کشور درگیر صنایع نفت و حفاری می‌باشد و محیط کار آب خورنده دریا یا دیگر مواد خورنده از محصولات نفتی یا گازی می‌باشد توجه به مساله حذف تنش‌های پسماند و اصلاح شکل جوش توسط روش چکش‌کاری التراسونیک بسیار حائز اهمیت می‌باشد.

تنش پسماند و روش‌های افزایش استحکام خستگي اتصالات جوشي

عموماً تنش‌هاي پسماند موجود در محصولات، در حين فرآيند‌هاي توليدي شكل گرفته و در داخل محصول ظاهر مي‌شوند. اين تنش‌ها خواص مواد را تحت تاثير قرار داده و به ميزان زياد استحكام خستگي قطعات و سازه‌ها را كاهش مي‌دهند. بنابراين توزيع و دامنه تنش‌هاي پسماند در محصول نهايي، يك عامل مهم در بهينه‌سازي فرايند‌هاي توليدي و تعيين طول عمر محصول است.

تنش‌هاي پسماند يكي از انواع مختلف تنش‌ها هستند كه مستقل از وجود بار خارجي و تغييرات درجه حرارت، در داخل ماده به وجود مي آيند و يا به عبارت ديگر تنش‌هايي هستند كه در داخل ماده‌اي كه تحت تاثير نيرو‌هاي خارجي قرار ندارد، حضور دارند.

اين تنش‌ها در اثر تغيير فرم‌هاي الاستيك-پلاستيكي غير يكنواخت (تغيير فرمي كه به صورت غير يكنواخت داخل ماده توزيع شده است.) حاصل مي‌شوند. شکل1 وجود تنش پسماند کششی در پاشنه جوش و ناحیه متاثر از جوش را در یک جوش لب به لب نشان می‌دهد.

تنش‌هاي پسماند مي‌توانند خواص مهندسي مواد و ساختار آنها را به شدت تحت تاثير قرار دهند. خواصي از قبيل عمر خستگي، اعوجاج، پايداري ابعادي، مقاومت به خوردگي مواد تحت تاثير تنش‌هاي پسماند قرار گرفته و منجر به کاهش عمر قطعات مي‌شود. لذا تنش‌ پسماند يکي از معيار‌هاي اساسي و مهم است که به لحاظ تغيير خواص مهندسي مواد و قطعات، بايد در طراحي اوليه و توليد انواع محصولات در نظر گرفته شود. به همين دليل پيشرفت‌هاي زيادي در زمينه مديريت تنش پسماند و روش‌های آزاد سازي تنش پسماند صورت گرفته است.

تا کنون روش‌های مختلفی برای افزایش استحکام خستگی سازه‌های جوشی ارائه شده است. که در بین روش‌های افزایش استحکام خستگی، روش چکش‌کاری التراسونیک بیشترین افزایش در استحکام خستگی را دارد. به گونه‌ای که براساس گزارش تحقیقات صنعتی بسیار این روش قادر است استحکام خستگی را 5 الی 10 برابر افزایش دهد. مطابق این نتایج، این روش در متن استاندارد AASHTO برای بهبود عمر خستگی سازه پیشنهاد شده و کشورهایی با سطح تکنولوژی بالا، به تولید تجاری این محصول دانشی روی آورده‌اند.

فرآيند چکش‌کاري التراسونیک

چکش‌کاري التراسونیک روش جديدي براي افزايش استحکام خستگي سازه‌هاي جوشي است که براساس حذف تنش‌هاي کششي مضر و ايجاد تنش‌هاي پسماند فشاري در سطح فلزات و آلياژ‌ها و بستن ترک‌هاي سطحي عمل مي‌کند و منجر به کاهش تمرکز تنش در منطقه متاثر از گرما (HAZ) و پايه جوش و نيز بهبود خواص مکانيکي در سطح نمونه مي‌شود.

بازده فرآيند چکش‌کاري التراسونیک، به خصوصيات ماده، عمليات حرارتي آن، نوع جوش مورد استفاده (شکل جوش)، بار‌هاي وارده و پارامترهاي فرآيند چکش‌کاري التراسونیک بستگي دارد.

در اين روش پس از توليد ارتعاشات التراسونیک، ارتعاشات توليد شده به ابزارهاي ضربه‌زننده انتقال يافته و از طريق تماس ابزار با سطح قطعه‌کار، تغييرشکل پلاستيک در قطعه رخ داده و تنش‌هاي پسماند مضر آزاد مي‌شوند.

در روش التراسونیک چکش‌کاری از فرکانس‌هاي بين kHz40-20 براي اعمال نيرو در روي سطح استفاده مي‌شود. در فرکانس‌هاي پايين قدرت ضربات بيشتر شده و تغييرشکل زيادي رخ مي‌دهد.

مکانيزم و فيزيک فرآيند چکش‌کاري التراسونیک

ایجاد تغييرشکل پلاستيک، به عنوان يک روش موثر براي مستحکم کردن قطعات و سازه‌هاي جوشي استفاده مي‌شود. در حين تغيير شکل پلاستيکِ لايه‌هاي سطحي‌، علاوه بر افزایش چگالی عيوب کریستالی، تنش‌هاي پسماند فشاري نیز ایجاد می­شوند و منجر به بهبود خواص مهندسي مواد، قطعات و سازه‌هاي جوشي مي‌گردد.

چکش‌کاري التراسونیک يکي از روش‌هاي ايجاد تغيير شکل در سطح قطعات و سازه‌هاي جوشي بوده که بر اساس دو عامل ضربات با فرکانس بالا و ايجاد ارتعاشات التراسونیک در داخل ماده عمل مي‌کند.

در شکل3 مکانيزم عملکرد چکش‌کاري التراسونیک به صورت شماتيک نشان داده شده است. با راه‌اندازي منبع توليد جریان الکتريکي، ارتعاشات مکانيکي اولتراسونیکِ (1) مبدل () شروع مي‌شود، که با توجه به نوع دستگاه با فرکانس‌هاي متفاوتي نوسان صورت مي‌گيرد. سپس اين ارتعاشات سينوسي التراسونیک، از طريق متمرکز‌کننده () به ابزار ()  انتقال داده مي‌شوند. بدين ترتيب دامنه ارتعاشي کم مبدل توسط متمرکز‌کننده به دامنه ارتعاشي بزرگتري تبديل خواهد شد. درنتيجه انتقال دهنده با دامنه ارتعاشي خود ضرباتي با فرکانس بالا (2) به انتهاي ابزار وارد مي‌کند، ابزار اين ضربات را به سطح قطعه () منتقل مي‌سازد. در طي اين مراحل ارتعاشات متناوب و سينوسي (1) به ضربات پالسي (2)، در انتهاي انتقال‌دهنده تبديل شده و به سطح قطعه منتقل مي‌شوند. انرژي ضربات پالسي که توسط ابزار به سطح قطعه‌ وارد مي‌شود، ابتدا صرف تغيير شکل پلاستيک (4) سطح قطعه‌کار مي‌گردد تا منطقه تغييرشکل پلاستيک ایجاد شود. درنتيجه‌ی اين تغيير شکل پلاستيک، تنش فشاري پسماند (5_sp) در سطح قطعه القا مي‌شود که با نفوذ در عمق قطعه کاهش مي‌يابد.

از طرف ديگر خود لايه تغيير شکل پلاستيک يافته در سطح قطعه‌کار، با فرکانس التراسونیک مرتعش مي‌گردد. درنتيجه‌ی اين ارتعاشات، امواج تنشي یکنواخت و غیر یکنواخت در حجم ماده القا مي‌شود که اين تنش‌ها به تنش‌هاي پسماند قبلي اضافه شده و موجب حرکت لايه‌هاي سطحي و آزاد‌سازي تنش پسماند مي‌گردد.

ضربات ابزار ضربه‌زننده به سطح قطعه‌کار توام با اثرات متقابل زیر بین ابزار و قطعه‌کار می‌باشد:

• ارتعاشات اجباري متناوب اولتراسونيك ابزار در ماده قطعه‌كار VΙ با تماس پيوسته بين ابزار و سطح درگیری (ضربات متناوب اولتراسونيك)
• ارتعاشات اجباري غير متناوب ابزار با پس‌زني ابزار به وسيله سطح قطعه‌كار (ضربه غير‌متناوب اولتراسونيك)
• برخورد‌هاي مجزاي ابزار با برگشت خودش از قطعه‌كار VΙ

درنتیجه با برخورد ابزار التراسونیک با سرعت و فرکانس بالا به سطح، انرژي جنبشي آن در سطح قطعه تبديل به انرژي گرمايي می‌شود. به علت کوچک بودن منطقه وارد شدن انرژي (محل ضربه)، دماي این ناحیه تا دماي تغيير فاز بالا مي‌رود و به علت بزرگ بودن حجم قطعه، آن منطقه به سرعت سرد مي‌شود. بنابراين اگر جنس قطعه از فولاد‌هاي کربني باشد، ممکن است تبديل به مارتنزيت شود که در آن صورت لايه‌اي مقاوم در مقابل سايش و خوردگي ايجاد مي‌گردد. با بررسي متالوگرافي سطح مقطع نمونه‌‌اي که تحت عمليات چکش‌کاري التراسونیک قرار گرفته، لايه مقاوم به شکل لايه‌اي سفيد نمايان خواهد بود. شکل4 لايه مقاوم تغيير شکل يافته و حدود ابعادي لايه‌هاي مختلف را در اثر فرآيند چکش‌کاري التراسونیک نشان مي‌دهد.

در منطقه تغيير شکل به علت تنش پسماند فشاري بالاي اعمالی به آن (در حد تنش تسليم فلز)، از باز شدن و رشد ترک‌ها جلوگیری شده و حد دوام خستگي بهبود می­یابد.

همچنين در اثر تغيير شکل پلاستيک لايه‌هاي سطحي، چگالی عيوب کریستالی بالا رفته و نیز تنش‌هاي پسماند فشاري تشکيل می‌گردد. درنتيجه خواص مهندسي مواد و اتصالات جوشي بهبود مي‌يابد. تکنيک‌ها و عمليات بهبود ‌دهنده نظير ساچمه‌زني، چکش‌کاري و شوک ليزري نيز همين اثر را دارند.

تغيير شکل پلاستيکي ايجاد شده در اين عمليات، حتي در تنش‌هاي کمتر از حد تسليم قطعه‌کار، نيز اتفاق مي‌افتد، اما اگر زمان بين دو ضربه متوالي کمتر از زمان آزاد سازي تنش‌ها باشد، شرايط نامتعادل در قطعه‌کار ايجاد شده و تغيير شکل‌ها روي يکديگر انباشته مي‌شوند. لذا با افزايش فرکانس در اين فرآيند، راندمان عمليات کاهش مي‌يابد.

در فرآيند چکش‌کاري التراسونیک، فولاد‌ها با حد تسليم بالاتر بهبود بهتري داشته و افزايش استحکام خستگي آنها بيشتر مي‌باشد. دليل اين امر، تشکيل تنش‌هاي پسماند فشاري تا حد تنش تسليم فلز بوده و در فولاد‌هايي که مقدار تنش تسليم زياد باشد، تنش‌هاي فشاري بيشتري نيز تشکيل مي‌شوند.

شکل4، مناطق سه‌گانه سطح قطعه پس از عمليات چکش‌کاري التراسونیک را نشان مي‌دهد. همچنين فوايد حاصل از چکش‌کاري التراسونیک و نواحي ايجاد شده در اثر برخورد‌هاي التراسونیک در جدول1 آمده است. از روي شکل مشخص مي‌شود که پس از انجام فرآيند چکش کاري التراسونیک، تنش‌هاي پسماند فشاري در نواحي A و C و تنش‌هاي پسماند کششي در ناحيه B تشکيل مي‌شوند.

همچنين علاوه بر بهبود خواصي از قبيل مقاومت به سايش و خوردگي (Abration and Corrosion Resistance) در ناحيه C و A، اعوجاج در نواحي A و B بهبود مي‌يابد. در هر كاربرد مي‌توان با كنترل پارامتر‌ها به هر يك از اثرات و يا تركيبي از اثرات مفيد فرآيند چکش‌کاري اولتراسونيك دست يافت.

 در فرآيند چکش‌کاري التراسونیک، ناحيه پايه جوش (مرز بين فلز جوش و فلز پايه) تغيير شکل داده و انتقال از فلز جوش به فلز پايه به شکل نرم و صاف (Smooth) صورت گرفته و بنابراين تمرکز تنش‌ها در اين ناحيه کاهش مي‌يابد.

شکل4 : نواحي تحت تاثير عمليات چکش‌کاري التراسونيک