تنش زدایی ارتعاشی در فرآیندهای جوشکاری سنگین و صنایع فلزی نقشی اساسی در کاهش تنش‌های پسماند و افزایش دوام قطعات دارد. در هنگام جوشکاری، اختلاف شدید دما میان ناحیه جوش و فلز پایه باعث ایجاد تنش‌های کششی و فشاری می‌شود که می‌توانند منجر به تغییر شکل، ترک‌خوردگی و کاهش عمر خستگی سازه شوند. استفاده از روش‌های نوین مانند تنش زدایی ارتعاشی (VSR)، راهکاری مؤثر و اقتصادی برای کنترل این تنش‌ها و بهبود کیفیت نهایی سازه‌های فلزی محسوب می‌شود.

تنش‌های ایجاد شده در حین جوشکاری و پیامدهای آن

جوشکاری یکی از فرآیندهای حیاتی در صنایع فلزی است، اما در عین حال منبع اصلی ایجاد تنش‌های پسماند در قطعات محسوب می‌شود. در این فرآیند، اختلاف شدید دما میان ناحیه جوش و فلز اطراف باعث ایجاد تنش‌های کششی و فشاری می‌شود که ممکن است به استحکام تسلیم ماده نزدیک شوند. این تنش‌ها می‌توانند موجب تغییر شکل، کاهش مقاومت خستگی، ترک‌خوردگی سرد و افزایش حساسیت به خوردگی تنشی شوند.

برای جلوگیری از این مشکلات، باید مکانیزم تشکیل تنش‌های پسماند و روش‌های کاهش آن به‌خوبی درک شود. انتخاب روش مناسب تنش زدایی بسته به جنس و ابعاد قطعه، شرایط کاری و هزینه‌ها متفاوت است. در میان روش‌های موجود، تنش زدایی ارتعاشی (VSR) به دلیل عملکرد مؤثر و اقتصادی خود، در صنایع جوشکاری سنگین به‌عنوان یکی از بهترین راهکارها برای بهبود کیفیت و دوام سازه‌های فلزی شناخته می‌شود.

بیشتر بخوانید: دستگاه تنش‌گیری ارتعاشی: معرفی، اجزا و نحوه عملکرد آن

چرا تنش زدایی برای سازه‌های بزرگ جوشکاری شده ضروری است؟

سازه‌های بزرگ جوشکاری شده مانند پل‌ها، مخازن تحت فشار، سکوهای دریایی و تجهیزات نیروگاهی، به دلایل متعددی نیازمند عملیات تنش زدایی هستند. اولاً، این سازه‌ها معمولاً تحت بارهای دینامیکی و سیکلی قرار دارند که ترکیب این بارها با تنش‌های پسماند جوشکاری می‌تواند منجر به شکست خستگی شود. تنش زدایی با کاهش تنش‌های کششی، عمر خستگی سازه را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

ثانیاً، در سازه‌های بزرگ، تجمع تنش‌های پسماند از جوش‌های متعدد می‌تواند به حدی برسد که پایداری سازه را تحت تأثیر قرار دهد. این تنش‌ها می‌توانند در طول زمان و تحت تأثیر بارهای سرویس، باعث تغییر شکل تدریجی سازه شوند. در مورد مخازن تحت فشار و ظروف تحت بار، این تغییر شکل‌ها می‌توانند باعث کاهش ظرفیت تحمل بار و ایجاد ناپایداری در سازه شوند.

ثالثاً، در محیط‌های خورنده مانند محیط‌های دریایی یا صنایع شیمیایی، تنش‌های کششی باقیمانده از جوشکاری، احتمال ترک‌خوردگی ناشی از تنش (SCC) را به شدت افزایش می‌دهند. این نوع ترک‌خوردگی یکی از خطرناک‌ترین مکانیزم‌های شکست در صنایع است چرا که معمولاً بدون هشدار قبلی و به صورت ناگهانی رخ می‌دهد. تنش زدایی با حذف تنش‌های کششی، این risk را به حداقل می‌رساند.

علاوه بر این، در سازه‌های بزرگ که امکان انتقال به کوره وجود ندارد، روش‌های تنش زدایی در محل مانند VSR تنها راهکار عملی برای کاهش تنش‌های پسماند هستند. استانداردهای بین‌المللی مانند ASME و API برای بسیاری از سازه‌های حساس، انجام عملیات تنش زدایی را اجباری کرده‌اند. این الزامات نشان‌دهنده اهمیت حیاتی تنش زدایی در تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان سازه‌های بزرگ جوشکاری شده است.

یکی از روش‌های مؤثر برای کاهش ترک‌های ناشی از تنش در قطعات جوشکاری شده، استفاده از ارتعاشات کنترل‌شده در فرکانس‌های رزونانس قطعه است. این ارتعاشات باعث می‌شوند انرژی در نواحی پرتنش متمرکز شده و ماده به‌صورت موضعی تسلیم شود، که نتیجه آن توزیع مجدد تنش‌ها و کاهش تنش‌های کششی مضر است. این فرآیند می‌تواند تا حدود ۸۰٪ از تنش‌های پسماند را کاهش دهد و احتمال ترک‌های سرد را به‌طور چشمگیری کم کند.

از مزایای مهم این روش، امکان اجرای آن بلافاصله پس از جوشکاری و بدون نیاز به تجهیزات حرارتی سنگین است. به همین دلیل، در قطعات بزرگ یا سازه‌هایی که قابلیت تنش زدایی حرارتی ندارند، بسیار کاربردی است. همچنین، این روش با کاهش تنش‌های کششی، خطر ترک‌خوردگی ناشی از تنش در محیط‌های خورنده مانند صنایع نفت و گاز را کاهش داده و باعث افزایش عمر مفید تجهیزات می‌شود.

مطالعه موردی: بهبود کیفیت جوش در یک پروژه واقعی

در یک پروژه ساخت مخزن ذخیره‌سازی نفت به ظرفیت ۵۰،۰۰۰ بشکه در یکی از پالایشگاه‌های جنوب ایران، مشکلات متعددی مرتبط به تنش‌های پسماند جوشکاری مشاهده می‌شد. این مخزن به قطر ۴۰ متر و ارتفاع ۱۵ متر از جنس فولاد کربنی ساخته شده بود و پس از اتمام جوشکاری، تغییر شکل‌های قابل توجهی در ورق‌های جداره آن مشاهده شد. همچنین در بازرسی اولتراسونیک، ترک‌های مویی متعددی در ناحیه HZ برخی از جوش‌ها شناسایی شد.

تیم مهندسی پروژه پس از تحلیل شرایط، تصمیم به استفاده از روش تنش زدایی ارتعاشی (VSR) گرفت. برای این منظور، از یک دستگاه VSR پرتابل با قابلیت تولید فرکانس‌های ۱۵ تا ۲۰۰ هرتز استفاده شد. ویبراتور در نقاط مختلف مخزن نصب شد و سنسورهای شتاب‌سنج در نقاط بحرانی برای پایش پاسخ ارتعاشی قرار داده شدند. فرآیند VSR در سه مرحله و در فواصل مختلف پس از جوشکاری اجرا شد.

بیشتر بخوانید: تنش پسماند چیست و چه تاثیری بر عمر قطعات صنعتی دارد و چرا باید آنرا حذف کرد؟

نتایج پایش نشان داد که پس از اجرای VSR، دامنه ارتعاش در فرکانس‌های رزونانس به طور متوسط ۴۰٪ کاهش یافته که نشان‌دهنده افزایش میرایی و کاهش تنش‌های داخلی بود. بازرسی بعدی با روش اولتراسونیک نشان داد که ترک‌های مویی موجود رشد نکرده و ترک جدیدی تشکیل نشده است. همچنین، اندازه‌گیری‌های ابعادی نشان داد که تغییر شکل‌های موجود تا ۷۰٪ کاهش یافته و مخزن به ابعاد طراحی نزدیک‌تر شده است.

پس از بهره‌برداری از مخزن، پایش‌های دوره‌ای به مدت دو سال انجام شد که نشان داد هیچ ترک جدیدی در جوش‌ها تشکیل نشده و عملکرد مخزن در شرایط سرویس مطلوب است. این موفقیت منجر به استانداردسازی استفاده از VSR در پروژه‌های مشsequent در این پالایشگاه شد. محاسبات اقتصادی نشان داد که استفاده از VSR در مقایسه با روش‌های سنتی، ۶۰٪ صرفه‌جویی در هزینه و ۷۰٪ صرفه‌جویی در زمان را به همراه داشته است.

این مطالعه موردی به وضوح نشان می‌دهد که تنش زدایی ارتعاشی نه تنها یک روش مؤثر برای بهبود کیفیت جوش‌هاست، بلکه از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه بوده و می‌تواند نقش مهمی در افزایش قابلیت اطمینان سازه‌های جوشکاری شده ایفا کند.

جمع‌بندی

در فرآیندهای جوشکاری سنگین، تنش‌های پسماند می‌توانند به‌طور مستقیم بر استحکام، دوام و دقت سازه‌های فلزی اثر منفی بگذارند. این تنش‌ها در اثر اختلاف دمای شدید حین جوشکاری ایجاد شده و در صورت کنترل‌نشدن، منجر به تغییر شکل، ترک‌خوردگی و کاهش عمر خستگی قطعه می‌شوند. به‌کارگیری روش‌های مدرن مانند تنش زدایی ارتعاشی (VSR) با اعمال ارتعاشات کنترل‌شده، توزیع تنش‌ها را بهبود داده و تا حد زیادی از ایجاد ترک‌های سرد و ناپایداری سازه جلوگیری می‌کند.

تجربه‌های صنعتی نشان داده است که استفاده از این روش نه‌تنها کیفیت جوش و پایداری ابعادی را افزایش می‌دهد، بلکه از نظر اقتصادی نیز مقرون‌به‌صرفه‌تر از روش‌های حرارتی سنتی است. در نتیجه، اجرای تنش زدایی به‌ویژه در سازه‌های بزرگ و حساس، گامی ضروری برای افزایش ایمنی، دوام و کارایی در صنایع فلزی محسوب می‌شود.

سوالات متداول

1. چرا تنش زدایی در جوشکاری اهمیت دارد؟
زیرا تنش‌های پسماند می‌توانند موجب تغییر شکل، ترک‌خوردگی و کاهش عمر خستگی قطعه شوند. تنش زدایی باعث افزایش پایداری و دوام سازه می‌گردد.

2. چه تفاوتی بین تنش زدایی ارتعاشی و حرارتی وجود دارد؟
در روش حرارتی، قطعه تا دمای مشخصی گرم و سپس سرد می‌شود، اما در روش ارتعاشی، بدون حرارت و از طریق ارتعاشات کنترل‌شده، تنش‌ها بازتوزیع می‌شوند.

3. آیا تنش زدایی ارتعاشی برای همه قطعات قابل اجراست؟
خیر. این روش برای قطعات بزرگ، سنگین یا سازه‌هایی که انتقال به کوره ممکن نیست، ایده‌آل است، اما برای قطعات کوچک ممکن است تأثیر کمتری داشته باشد.

4. چه زمانی باید عملیات تنش زدایی انجام شود؟
بهتر است بلافاصله پس از جوشکاری و قبل از مونتاژ نهایی انجام شود تا از ترک‌های سرد و تغییر شکل‌های بعدی جلوگیری گردد.