خلاصه اختراع

با توجه به كاربرد عمده فرآيند جوشكاري در صنايع مختلف از قبيل صنايع پتروشيمي، كشتي سازي، ساخت سكوهاي نفتي و صنايع خودروسازي و همچنين استحكام پايين اتصالات جوشي در مقابل بارهاي ديناميكي، شكست ناشي از خستگي يكي از مشكلات اصلي طراحي و نگهداري اتصالات جوشي براي صنعت محسوب ميشود. از اينرو انجام عمليات بهبود دهنده به منظور افزايش استحكام خستگي اتصالات جوشي يكي از مباحث تحقيقاتي مهم بوده كه جنبه هاي كاربردي فراواني دارد. روشهاي مختلفي از قبيل عمليات سنگ زني، دوباره ذوب كردن پايه جوش، ساچمه زني، عمليات حرارتي براي افزايش استحكام خستگي جوش وجود دارند. روش چكش كاري مافوق صوت روش جديدي بوده كه نسبت به ساير روش ها برتري هاي فراواني دارد. در اين اختراع بر اساس معادلات طراحي كلاسيك به همراه تحليل المان محدود، كلگي ترانسديوسر اولتراسونيك و ابزار مربوطه براي عمليات چكش كاري اولتراسونيك طراحي شده و اجزاء متصل به آن مانند تمركزدهنده و ابزار متصل به تمركزدهنده بر اين اساس طراحي شده اند. بعد از طراحي مجموعه و ساخت آنها، اجزاء مونتاژ شده و منتهي به توليد يك نمونه صنعتي دستگاه چكش كاري اولتراسونيك شده است. عمليات چكش كاري روي چند نمونه جوشكاري شده انجام گرديد، نتايج بدست آمده از تست خستگي و شكست نمونه ها نشان دهنده افزايش قابل ملاحظه عمر خستگي و استحكام شكست سازه هاي جوشي مي باشد.

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

این دستگاه در حوزه‌ی مهندسی مکانیک، مهندسی مواد و مهندس پلیمر، مهندسی خودرو می باشد.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

مهندسین طراح علاقه دارند که بتوانند از تمام مزایای خواص فلزات مورد استفاده بهره مند شوند. در حالی که به طور معمول این خواسته غیر ممکن است، به این علت که مهندسین طراح باید در نظر داشته باشند که خواص فلزات در طول فرآیند ساخت تغییر می کند. جوشکاری، ریخته گری، فورج، رولینگ و یا ماشینکاری خواص مواد را عوض می کنند، و ساختاری آسیب پذیر نسبت به اعوجاج، خستگی و شکست نابهنگام ایجاد می کنند. در نتیجه هنگامی که قطعه تحت بارگذاری متناوب حرارتی یا مکانیکی قرار می گیرد، دچار شکست نابهنگام میشود. برای جبران این دگرگونی، مهندسان اغلب به افزایش جرم فلز و یا جایگزینی مواد با استحکام بالاتر روی می آورند. با توجه به این که هر دو روش جایگزین به طور قابل ملاحظه ای قیمت تولید را افزایش می دهند، در اکثر موارد از نظر تکنولوژیکی و اقتصادی مقرون به صرفه نیستند. ترکهای ناشی از خستگی عموما در قطعات و اتصالات جوشی و در مناطقی که تمرکز تنش وجود دارد، اتفاق می افتد. در بسیاری از موارد با طراحی صحیح و دقیق انواع اتصالات و سازهها، می توان از به وجود آمدن آن ترکها جلوگیری کرد. لیکن در برخی از این موارد این کار عملی نبوده و جلوگیری از به وجود آمدن ترکهای خستگی جز از طریق کاهش تمرکز تنش و افزایش استحکام خستگی میسر نیست. در بین روشهای متداول استحکام دهی سازه های جوشی فرآیند چکش کاری اولتراسونیک یکی از روش هایی است که بر اساس اعمال ضرباتی با فرکانس بالا و تولید نوسانات اولتراسونیک در داخل ماده، در سطح سازه های جوشی ایجاد تغییر شکل می نماید. در این روش از تجهیزات اولتراسونیک که شامل ترانسدیوسر و یک مبدل به همراه منبع تغذیه می باشد، استفاده کرده و پس از تولید ارتعاشات با فرکانس kHz ۲۲، به وسیله ابزار محل جوش را تحت ضربه قرار داده و منجر به تغییر شکل پلاستیک در ناحیه پاشنه جوش به عرض mm ۷- ۴ میشود. در این ناحیه به واسطه عملیات چکش کاری تمرکز تنشها کم میشوند و تنشهای پسماند فشاری جایگزین تنشهای پسماند کششی میشوند.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

دستگاه چکش کاری مافوق صوت (Ultrasonic Penning) برای افزایش استحکام خستگی و تنش زدایی سطح فلزات و سازه های جوشی به کمک ارتعاشات مافوق صوت را برای اولین بار در ایران طراحی و ساخته ایم و هیچ نمونه داخلی ندارد.
ضمنا قابلیت ها و مزایای اختراع مذکور عبارتند از:
• افزایش استحکام خستگی و خوردگی سازه های جوشی تا بیش از دو برابر
• سادگی کاربرد و وابستگی کمتر به اپراتور در این روش نسبت به روش های دیگر استحکام دهی سازه های جوشی
• قابلیت کاربرد دستگاه در موقعیت های مختلف و در سازه های فلزی بسیار بزرگ
• افزایش عمر قابل استفاده قطعات و سازه ها بدون افزایش وزن آنها
با توجه به ویژگیهای عنوان شده برای این دستگاه طراحی شده میتوان با انجام عملیات چکش کاری روی فلزات و سازه های جوشی استحکام به خستگی و در نتیجه طول عمر قطعات و سازه ها را نسبت به روشهای دیگر استحکام دهی سازه های جوشی افزایش قابل توجه داد. همچنین با توجه به قابلیت و عملکرد این دستگاه امکان بکارگیری آن در موقعیتها و شرایط مختلف به سادگی توسط اپراتور امکان پذیر است. از ویژگی های فنی این طرح سادگی کاربرد و وابستگی کمتر به اپراتور، قابلیت کاربرد دستگاه در موقعیت های مختلف و سازه های فلزی بسیار بزرگ و افزایش قابل توجه استحکام خستگی و خوردگی سازه های جوشی می باشد. با توجه به ویژگی های عنوان شده برای این دستگاه طراحی شده می توان با انجام عملیات چکش کاری روی فلزات و سازه های جوشی استحکام به خستگی و در نتیجه طول عمر قطعات و سازه ها را نسبت به روش های دیگر استحکام دهی سازه های جوشی افزایش قابل توجه داد. همچنین با توجه به قابلیت و عملکرد این دستگاه امکان بکار گیری آن در موقعیت ها و شرایط مختلف به سادگی توسط اپراتور امکانپذیر است.