معرفی تنش زدایی 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 تنش زدایی

• تنش زدایی 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؛
• تنش زدایی 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.
• تنش زدایی اولتراسونیک (Ultra-sonic Stress Relief): این روش به تنش زدایی با ضربات امواج فراصوت (Ultrasonic Impact Treatment) یا چکش‌کاری فراصوتی، شناخته می‌شود.
• تنش زدایی ارتعاشی (Vibratory Stress Relief): در این روش، یک لرزاننده، قطعه را در فرکانس‌های معینی مرتبط با فرکانس طبیعی، مرتعش می‌کند؛ تا با اعمال تنش های ارتعاشی، در ناحیه‌های دارای تنش پسماند، تنش از حد تسلیم بگذرد و به حالت پلاستیک برسد و تنش پسماند کاهش یابد.

تنش زدایی ارتعاشی

در همهٔ روش‌های ذکرشده، تنش زدایی یا تنش گیری به‌وسیلهٔ اعمال تغییرشکل میکروپلاستیک انجام می‌شود. در روش تنش‌ زدایی 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 تنش زدایی ارتعاشی، به وسیلهٔ لرزاننده، تنش مکانیکی به قطعه وارد می‌شود و جمع‌شدن آن با تنش پسماند باعث تغییرشکل‌های میکروپلاستیک می‌شود و قطعه تنش زدایی می‌شود. بنابراین، در تنش زدایی حرارتی، سطح نمودار تنش-کرنش پایین می‌آید و در تنش زدایی 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 تنش زدایی 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 تنش زدایی در آمریکا تعداد ۳۵۰ دستگاه تنش زدایی 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 تنش زدایی ارتعاشی

تنش زدایی یا تنش گیری ارتعاشی به دو روش انجام می‌شود. در روش اول که روش تنش زدایی ارتعاشی سنتی نیز نامیده می‌شود، ارتعاشات فقط در یک فرکانس اعمال می‌شود. اما در روش جدید که از نظر تنش زدایی 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 تنش زدایی 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 تنش زدایی 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 تنش زدایی 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 تنش های پسماند ساختار آن نیز بهبود یابد. اگر چنین قطعه‌ای با استفاده از تجهیزات تنش زدایی ارتعاشی به ارتعاش درآید، ممکن است سطح بسیار ناچیزی از تنش های 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.