مدلسازی جوش الکتروگداختی لوله های پلی اتیلن و بهینه سازی پارامترهای فیزیکی موثر بر آن

دکتر محمد فرجی،مهندس سمیرا ابراهیمی

در این مقاله معادله توزیع حرارت در اطراف المان حرارتی بکار رفته در اتصالات لوله­ های پلی اتیلن بدست آمده و بسط داده شده است و معادله جدیدی بدست آمده که با استفاده از نرم­افزار Mathematica  حل شده است. در ادامه تحقیق جوش الکتروگداخت در نرم­افزار Ansys  تحلیل FEM شده و همچنین یک سری آزمایش­ های تجربی مطابق با مدل ­های تحلیل شده در نرم ­افزار انجام شده است که نتایج هر سه تحلیل مطابقت خوبی با هم داشته و مقدار بهینه پارامترهای موثر بر جوش الکتروگداخت برای دستیابی به جوش با مقاومت بالا بدست آمده است. این پارامترها شامل قطر سیم المان حرارتی، ولتاژ ، زمان جوش، جنس سیم و سرعت گرمایش می باشند.

با توجه به این که شناخت و بهینه­ سازی پارامترهای موثر در جوش الکتروگداخت منجر به دستیابی به جوش با مقاومت بالا می­ شود، و همچنین با توجه به کاربرد وسیع جوش الکتروگداخت در صنعت انتقال گاز، شناخت این پارامترها یک ضرورت است.

جرمی بومان[1] در سال 1997 با انتشار مقاله­ ای با عنوان بازبینی فرایند جوشکاری الکتروگداخت خطوط لوله پلی­ اتیلنی با استفاده از نتایج یکسری آزمایشات تجربی و شبیه ­سازی رایانه ­ای تغییرات دما و فشار مذاب در حین فرایند ذوب را بررسی کرد . ناکاشیبا و همکارانش[2] تطابق بسیار خوبی بین مدل رایانه­ ای و دماهای اندازه­ گیری شده بدست آوردند. گاوب و همکارانش [3] در سال 1976 کیفیت قابل اعتماد در بلند مدت و قابلیت تحمل فشار در سامانه ­های لوله فشاری پلاستیکی را توسط اندازه­گیری طول عمر با استفاده از محاسبه و استحکام 50 سال عمر مفید را برای خطوط لوله تخمین زده­اند که این آزمایش تنها برای محاسبه قابلیت تحمل فشار داخلی یک سامانه است. مارشال و گاسکو [4] نیز تأثیر زمان ذوب روی استحکام اتصال را بررسی و پارامتری به نام استحکام در برابر شکست را استخراج نمودند.

 

1- تشریح فرایند جوشکاری مقاومتی

اتصال مقاومتی که به عنوان اتصال الکتریکی- مقاومتی یا الکتروگداخت شناخته[7] شده امروزه یکی از جالب­ترین و مهم­ترین روش­های جوشکاری گرمانرم­ ها می باشد و آن یک روش ساده است که مقاومت الکتریکی بین دو لایه قرار می­گیرد تا گرمای لازم جهت اتصال را تأمین نماید. قاعده کلی جوش مقاومتی درشکل1  نشان داده شده است. 

[EasyDNNGallery|2314|Width|400|Height|400|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

شکل 1) طرحی از جوش الکتروگداخت

زمانی که جریان الکتریسیته از المان ­های گرمایی عبور می­کند، باعث تولید گرمایی می­ شود که از قانون ژول پیروی می­ کند طوری که انرژی اتلافی متناسب با جریان ، مقاومت و زمان تخمین می­باشد.

2-گرمایش

چندین روش برای گرمایش پلی ­اتیلن ­ها جهت جوشکاری وجود دارد. در تمامی این روش­ها تنها سطوح نزدیک به سطح مشترک جوش به منظور نرم و ذوب شدن گرم می ­شوند. زیرا:

1- زیرا بازده انرژی جهت گرمایش یک لایه نازک خیلی بیشتر از مقدار زیادی از مواد می­باشد.

2-  به دلیل ضریب رسانش کم پلی ­اتیلن ­ها سطوح نزدیک به سطح مشترک جوش خیلی سریع­تر از نقاط دیگر ذوب می ­شوند.

3-ذوب  سریع سطوح نزدیک به سطح مشترک جوش از تغییر شکل کلی لایه­های جوش که به دلیل گرمایش ایجاد می­شود، جلوگیری می­کند.

سه روش کلی برای گرمایش در جوشکاری پلی ­اتیلن استفاده می­شود که شامل:

1-      گرمایش خارجی که در آن انتقال گرما وابسته به رسانش و جابجایی می­باشد.

گرمایش داخلی مکانیکی که وابسته به تبدیل انرژی مکانیکی به گرما در خلال اصطکاک سطوح می­ باشد.

 

1-      گرمایش داخلی الکترومغناطیسی که وابسته به جذب و تبدیل تابش الکترومغناطیسی به گرما می­باشد.

3-گرمایش مهم­ترین مرحله از فرایند جوش­کاری می­باشد زیرا جوشکاری بدون تغییر شکل لایه­های ذوب و یا نرم شده روی هم امکان­پذیر نمی­باشد. سرعت گرمایش و انتقال حرارت نیز یک پارامتر مهم در فرایند جوشکاری پلی ­اتیلن ­ها می ­باشد زیرا روی سرعت جوشکاری و ضخامت لایه ­های ذوب یا نرم شده موثر می ­باشد. بطور کلی روش گرمایش داخلی مکانیکی بالاترین  سرعت گرمایش، کمترین چرخه زمانی و کمترین ضخامت لایه ذوب یا نرم شده را تولید می­کند. روش گرمایش داخلی الکترومغناطیسی سرعت گرمایش، چرخه زمانی و ضخامت لایه ذوب شده متوسطی دارد. روش گرمایش خارجی بطور کلی کمترین سرعت گرمایش ، بیشترین چرخه زمانی و کمترین ضخامت لایه ذوب شده را تولید می­ کند.

بسپارها و چندسازه ­های بسپاری در مقایسه با فلزات ضریب رسانش بسیار کمی دارند بنابراین انتقال گرما از طریق رسانش از سطوح ذوب شده به لایه­ های درونی بسیار به آهستگی اتفاق می ­افتد. شکل3، لایه ­های هم­ دما را در اطراف یک بسپار نامنظم که توسط یک منبع گرمایی نقطه­ای گرم شده است را نشان می­دهد که این لایه­ ها بصورت بیضوی می­ باشند زیرا رسانش گرمایی در جهت طولی (فیبر) بیشتر از رسانش در جهت عرضی می ­باشد اما برای مواد همسانگرد (isotropic) این لایه ­ها بصورت گرد می ­باشند.

[EasyDNNGallery|2315|Width|400|Height|400|position||resizecrop|False|lightbox|False|title|False|description|False|redirection|False|LinkText||]

 

شکل3) لایه های هم دما در اطراف یک المان حرارتی مرکزی

ادامه دارد …

 

علاقمندان به مطالعه کامل این مقاله می توانند شماره 165ام ماهنامه بسپار در خردادماه را ببینند.