معرفی تنش‌زدایی ارتعاشی (Vibratory Stress Relief)

تنش پسماند (residual stress)

تنش پسماند تنشی است که قطعات در حالتی که بار خارجی بر روی آنها وجود ندارد، در خود دارند. این تنش معمولاً در فرایندهای ساخت به وجود می‌آید. بارگذاری‌های حرارتی و مکانیکی زیاد در حین جوش‌کاری، ریخته‌گری، فورج، ماشین‌کاری و دیگر روش‌های ساخت، منجر به ایجاد تنش پسماند می‌شود.

تأثیرهای نامطلوب تنش پسماند

• ناپایداری ابعادی (dimensional instability) قطعات در طول زمان
• پایین آمدن مقاومت قطعات در بارگذاری
• کاهش عمر خستگی
• افزایش احتمال خوردگی

روش‌های تنش‌زدایی

• تنش‌زدایی طبیعی (Natural Stress Relief): در این روش قطعه به مدت طولانی (حدود یک‌سال)، در فضای باز می‌ماند؛ تا با نوسان تنش حرارتی ناشی از شبانه روز و فصل‌ها، به‌مرور، تنش پسماند کاهش یابد؛
• تنش‌زدایی حرارتی (Thermal Stress Relief): در این روش، قطعه در مدت زمان و دمای مشخصی، در کوره‌ای گرما داده می‌شود؛ تا با کاهش تنش تسلیم ناشی از دما، در ناحیه‌های دارای تنش پسماند، تنش از حد تسلیم (yield point) گذشته و به حالت پلاستیک (plastic) برسد و تنش پسماند کم شود.
• تنش‌زدایی اولتراسونیک (Ultra-sonic Stress Relief): این روش به تنش‌زدایی با ضربات امواج فراصوت (Ultrasonic Impact Treatment) یا چکش‌کاری فراصوتی، شناخته می‌شود.
• تنش‌زدایی ارتعاشی (Vibratory Stress Relief): در این روش، یک لرزاننده، قطعه را در فرکانس‌های معینی مرتبط با فرکانس طبیعی، مرتعش می‌کند؛ تا با اعمال تنش‌های ارتعاشی، در ناحیه‌های دارای تنش پسماند، تنش از حد تسلیم بگذرد و به حالت پلاستیک برسد و تنش پسماند کاهش یابد.

تنش‌زدایی ارتعاشی

در همهٔ روش‌های ذکرشده، تنش‌زدایی به‌وسیلهٔ اعمال تغییرشکل میکروپلاستیک انجام می‌شود. در روش تنش‌زدایی حرارتی، به علت افزایش دما در قطعه، سطح منحنی تنش-کرنش کاهش می‌یابد و تنش پسماند موجود در قطعه باعث ایجاد تغییر مکان‌های میکروپلاستیک می‌شود. در روش تنش‌زدایی ارتعاشی، به وسیلهٔ لرزاننده، تنش مکانیکی به قطعه وارد می‌شود و جمع‌شدن آن با تنش پسماند باعث تغییرشکل‌های میکروپلاستیک می‌شود و قطعه تنش‌زدایی می‌شود. بنابراین، در تنش‌زدایی حرارتی، سطح نمودار تنش-کرنش پایین می‌آید و در تنش‌زدایی ارتعاشی، سطح تنش افزایش می‌یابد.

میزان تنش، با دامنهٔ ارتعاش، متناسب است. با تحریک در فرکانس‌های طبیعی قطعه، می‌توان با کم‌ترین مصرف انرژی، بیشترین دامنهٔ ارتعاش را تأمین کرد. بنابراین، معمولاً، فرکانس ارتعاش لرزاننده، نزدیک به تشدید، انتخاب می‌شود.

روش تنش‌زدایی ارتعاشی، در دههٔ ۵۰ میلادی، در آمریکا، ابداع شد و به علت محاسن آن، به اروپا و آسیا گسترش یافت. برای نمونه، یکی از مراکز تنش‌زدایی در آمریکا تعداد ۳۵۰ دستگاه تنش‌زدایی ارتعاشی در اختیار دارد. کشور چین نیز با توجه به این که در زمینهٔ ریخته‌گری در جهان پیشرو است، در این زمینه، پژوهش‌های زیادی کرده است. در این کشور، این روش بسیار رایج است.

انواع روش‌های تنش‌زدایی ارتعاشی

تنش‌زدایی ارتعاشی به دو روش انجام می‌شود. در روش اول که روش تنش‌زدایی ارتعاشی سنتی نیز نامیده می‌شود، ارتعاشات فقط در یک فرکانس اعمال می‌شود. اما در روش جدید که از نظر تنش‌زدایی توانایی‌ها و تأثیرهای بهتری دارد، ارتعاشات در چند فرکانس تشدید، اعمال می‌شود. به این روش، چند-هارمونیک (multi-harmonic) یا ناوبر (navigator) می‌گویند.  در این روش، نسبت به روش سنتی، خطاهای کاربری به میزان زیادی کاهش می‌یابد و نویز کم‌تری دارد. همچنین، برای قطعه‌های با فرکانس بالا، محدودیت ندارد و اثربخشی به مراتب بالاتری دارد؛ به‌طوری‌که در حال حاضر، در جهان، دیگر، از روش سنتی، استفاده نمی‌شود.

مزایای تنش‌زدایی ارتعاشی نسبت به روش‌های دیگر

• برای مواد و ساختارهای متنوعی قابل استفاده است
• هزینه این روش در حدود ۱/۴ (یک چهارم) روش حرارتی است
• به لحاظ ابعاد و اندازه قطعات و سازه ها محدودیتی وجود ندارد؛ (از ۱۰ کیلوگرم تا ۱۰۰ تن)
• روش حرارتی ممکن است باعث تأثیرات نامطلوب بر خواص متالورژیکی و مکانیکی مواد شود (آنیل شدن قطعه) ولی تنش زدایی ارتعاشی تأثیری بر خواص مواد از قبیل مقاومت سایش، سختی و تنش تسلیم، ندارد؛
• تنش زدایی ارتعاشی باعث از بین رفتن و تخریب پوشش قطعات نمی‌شود؛
• نسبت به روش‌های دیگر، بسیار سریع‌تر است (در حدود دو ساعت زمان لازم است)
• دستگاه‌های آن قابل حمل است و با توجه به این که فرایند تنش‌زدایی در محل کارفرما انجام می‌شود، در هزینه‌های حمل و نقل صرفه‌جویی می‌شود؛
• مصرف انرژی و آلودگی محیطی کم‌تری دارد؛
• در این روش، تغییرات نامطلوب روی لایه‌های بیرونی قطعات از قبیل اکسیدشدگی، اتفاق نمی‌افتد.

محدودیت‌های تنش‌زدایی ارتعاشی

در قطعاتی که با روش ریخته‌گری تولید شده و سرعت سرد شدن آنها زیاد باشد، به دلیل به وجود آمدن ساختارهای شکننده در قسمت‌های سطحی آن و همچنین تشکیل دانه‌های تیز در آن، حتماً باید به روش حرارتی آنیل شود، تا ضمن رهایی از تنش‌های پسماند ساختار آن نیز بهبود یابد. اگر چنین قطعه‌ای با استفاده از تجهیزات تنش‌زدایی ارتعاشی به ارتعاش درآید، ممکن است سطح بسیار ناچیزی از تنش‌های پسماند موجود در آن آزاد شود، اما خطر ایجاد یا رشد ترک هم وجود دارد. به‌علاوه، ساختار متالورژیکی آن هنوز بهبود نیافته است.

این روش برای قطعات اکسترود شده و یا قطعاتی که تحت کار سرد شدید قرار گرفته‌اند، پیشنهاد نمی شود.