خلیل کوشیان : دانشجوی کارشناسی ارشد , دانشگاه علم و صنعت ایران

محمد ریاحی : دانشیار دانشگاه علم و صنعت ایران

محمد فرجی : دانشجوی دکترا , دانشگاه علم و صنعت ایران

منتشر شده در هفدهمین کنفرانس سالانه مهندسی مکانیک در سال ۱۳۸۸
چکیده : 
فرآیند جوش بات فیوژن یا لب به لب یکی از مرسوم ترین روشهای اتصال و جوش لوله های پلی اتیلن میباشد. مرحله حرارت دهی یا جذب حرارت مهم ترین مرحله در این روش میباشد. کیفیت جوش به ضخامت لایه مذاب و مقدار ماده مذاب موجود در لبه جوش بستگی دارد لذا تعیین توزیع درجه حرارت و عمق لایه مذاب برای پیش بینی کیفیت جوش بسیار اهمیت دارد. در این تحقیق انواع مدلهای انتقال حرارت وارد در این فرآیند به صورت تحلیلی بررسی و اثرات آنها شناسایی شده است و در ادامه به بررسی معادله دیفرانسیل حاکم بر مساله انتقال حرارت در جوش لب به لب پرداخته شده است و در نهایت یک مدل عددی(FEM) از فرآیند جذب حرارت با در نظر گرفتن شرایط فیزیکی حاکم در جوش برای تعیین توزیع درجه حرارت در آن تهیه شده است و با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است . نتایج شبیه سازی با نتایج تجربی توافق خوبی را نشان میدهد.

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

مقدمه
امروزه  لوله های پلی اتیلن  به  مهم ترین  ماده  مورد  استفاده  در شبکه های انتقال و  توزیع آب ، انتقال گاز  و  شبکه های دفع فاضلاب شهری تبدیل شده است .

مهم ترین عواملی که باعث این انتخاب شده است عبارتند از:

– هزینه های پایین نصب ونگهداری نسبت به لوله های فلزی
– مقاومت بالا در برابر خوردگی
– مقاومت شیمیایی بالا
– حد دوام و عمر بالاتر(حداقل ۵٠ سال )
– مقاومت بالا در برابر بارهای ضربه ای ناگهانی مانند زلزله . 
برای اتصال لوله ها در  شبکه های پلی اتیلن گاز  و  آب از  چندین روش استفاده می شود  که  مهم ترین و  شناخته  شده ترین این روشها جوش لب به لب (بات فیوژن ) و جوش الکتروفیوژن میباشد. 
در جوش بات فیوژن یا لب به لب ابتدا برای رفع آلودگی، سطوح اتصال را به صورت دقیق تمیز میکنند یا برای انطباق دقیق سطوح انتهای لوله ها را پیشانی تراشی می کنند تا سطوحی صاف و عمود بر هم حاصل شود. بعد از آن سطوح را در تماس با یک پلیت حرارتی یا هیتر قرار می دهند و فاز گرمایش آغاز میشود. معمولاً فاز گرمایش در لوله ها در دو مرحله انجام می شود. فازاول گرمایش با حضور عامل فشار و فاز دوم گرمایش که معمولاً  مقدار فشار محوری اعمال شده بسیار کم و در حدود صفر است . در فاز اول گرمایش یک فشار اولیه در انتهای لوله به صورت یکنواخت اعمال می شود که زمان این فاز در استانداردها  مشخص  است  و  برای لوله  باSDR١١١(قطر  خارجی mm١۶٠ و  ضخامت  mm ١۴/۶در  حدود  ٢٢ ثانیه میباشد. بعد از تشکیل گرده اولیه جوش فاز دوم مرحله گرمایش که  در  آن  فشار  اعمالی بر  انتهای لوله  در  حدود  صفر  است  آغاز میشود. زمان این فاز در حدود ١٧۵ ثانیه است . مرحله بعدی مرحله تغییر  وضعیت ٢ و  کنار رفتن پلیت حرارتی و  اتصال سطوح  مذاب و نرم  شده  تحت  اثر  یک  فشار  معین  میباشد.  این  مرحله  به  طور همزمان با مرحله خنک کاری و سرد کردن می باشد و نفوذ مولکولی و خنک کاری با هم همپوشانی دارند. در شکل زیر مراحل جوش به صورت شماتیک و به صورت یک گراف ارائه شده است . 
مرحله حرارت دادن را به عنوان مهم ترین و  بحرانی ترین مرحله جوشکاری میشناسند، زیرا جوش دو  سطح بدون ایجاد  لایه  مذاب نازک یا نرم شده  در  محل اتصال دو  سطح غیرممکن است .تخمین توزیع  دما  در  سطوح  اتصال  جوشکاری کاربرد  بسیار  زیادی دارد. 
توزیع  دما را میتوان برای تخمین اندازه  منطقه  متأثر  از  دما و  نوع میکروساختار  ایجاد  شده  توسط  فرایند،  تخمین  انبساط  حرارتی و اندازه  تنش های پسماند در قطعات جوشکاری شده  استفاده  کرد. 
تعدادی تحقیق در موضوع جوش لب به لب وجود دارد ولی در آنها محقیقن  به  توضیح  تئوری فرآیند  حادث  شده  در  مراحل  مختلف جوش  لب به لب نمی پردازند و  همچنین در  این  تحقیقات به کل فرآیند نیز پرداخته نمیشود. لسکویچ  به بررسی تاثیر  جوش  لب  به  لب  بر  روی میکروساختار  جوش و  مقایسه  با  ساختار  اصلی لوله  پرداخته  است . 
کولا لوکا و  همکارانش بر روی بهینه سازی فرآیند جوش لب به لب با استفاده از پارامترهای مؤثر بر آن و انجام یک سری آزمایشهای تجربی با  استفاده از  روش  آماری F.F.T پرداخته  است .  ژائو  و همکارش به بررسی اثر آلودگی سطوح بر روی جوش لب به لب لوله های پلی اتیلن و لو و همکارانش  به بررسی تأثیر پارامتر فشار و آلودگی سطوح بر روی مقاومت و کیفیت جوش پرداخته اند. آز.وود به بررسی و تحلیل عددی فرآیند انتقال حرارت جوش لب به لب  در  لوله های پلی اتیلن  با  استفاده از  روش  دیفرانسیل  محدود پرداخته است و یک مدل ریاضی برای مساله بدست آورده است . 
با توجه  به مرور  تحقیقات انجام  شده  در  جوش لب به  لب ، در زمینه  مدلسازی عددی فرآیند جذب حرارت کارهای چندان زیادی انجام  نشده  است و نیز  با توجه  به  اینکه  پایه  تئوری محکمی برای مدلسازی کامپیوتری فرآیند  جهت بهینه سازی پارامترهای جوش وجود  ندارد  در  این  مطالعه  به  منظور  درک  بهتر  فرآیند  جوش لب به  لب و  تاثیر  پارامترهای مختلف بر  روی توزیع  دما در  فرآیند جذب  حرارت ابتدا  به  مطالعه  تئوریک  انتقال  حرارت  و  معادله دیفرانسیل  حاکم  بر  آن  پرداخته  شده  است و  در  نهایت  یک  مدل کامپیوتری بر  مبنای استفاده  از  روش  المان  محدود(FEM)  تهیه شده است و با نتایج تجربی مقایسه شده است . از نتایج این مطالعه میتوان  برای بهینه  سازی فرآیند  جوش  و  تخمین  اندازه  منطقه HAZ استفاده کرد.
انتقال حرارت در فرآیند جوش لب به لب تحلیل تئوریک انتقال حرارت 
در  حالت  کلی در  جوش  لب  به  لب  انتقال  حرارت  به  سه  طریق کنوکسیون ،  هدایت  و  تشعشع  انجام  می شود و  هر  یک  از  آنها  در مراحل  مختلف  وارد  می شوند  و   تاثیر  هر  یک  از  آنها  در  مراحل مختلف ممکن است متغیر باشد. در این قسمت از :
٢-Q١ : مقدار گرمای انتقالی به ازای واحد زمان بین جسم (١) و (٢)
٢-q١ : انتقال حرارت به ازای واحد زمان بین سطح (١) و (٢) استفاده شده است . 

انتقال حرارت به طریق هدایت 
هدایت حرارتی مهم ترین مد انتقال حرارت بین لوله و پلیت حرارتی میباشد و شار حرارتی از سمت پلیت به سمت لوله می باشد و مقدار 
آن با استفاده از رابطه هدایت حرارتی فوریه محاسبه میشود: 

انتقال حرارت به طریق تشعشع 
در دستگاه جوش لب به لب قطر پلیت حرارتی در حدود mm ٣۵٠ است  که  برای جوش  لوله  ای به  قطر  mm  ١۶٠ و  ١١=SDR 
استفاده میشود. بنابراین با این اندازه قطر پلیت انتقال تشعشعی گرما بسین حلویل ن و  تپالثییرت دقااربد. شچشم حراپروتشیی ت نشیعسشت عیو بیبرن رسویطح توپزلییع ت (د١م)یو سطح لوله (٢) ٢-qr١ را می توان با استفاده از رابطه زیر به دست آورد:

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

نتیجه گیری و جمع بندی
در این تحقیق فرآیند جذب حرارت در جوش لب به لب به دو روش تئوریک و عددی بررسی شد و عمق نفوذ حرارت و عمق لایه مذاب به دو روش به دست آمد. مقدار تئوریک محاسبه شده mm۵ است که کمتر از مقدار تجربی اندازه گیری شده با ترموکوپل یعنی mm۴ می باشد.  این  اختلاف  اندک را  میتوان  به دلیل  ایده آل در نظر گرفتن تماس بین لوله و پلیت و نادیده گرفتن شرایط واقعی تماس بین لوله پلی اتیلن و پلیت و مقاومت تماسی بین آنها دانست . 
در  شبیه سازی عددی نتایج توزیع  دمایی و  عمق  لایه  مذاب  با نتایج  تجربی مطابقت قابل  قبولی دارد.  برای فواصل  نزدیک توزیع دماییتطابق و همسانی بسیار خوبی با نتایج تجربی دارد  ولیبرای فواصل دورتر از پلیت نتایج شبیه سازی با نتایج تجربی تطابق ندارد که دلیل آن  را  می توان  به  خاطر  نادیده گرفتن مد انتقال حرارت تشعشعی در شبیه سازی عددی دانست . 
برای بهبود نتایج شبیه سازی پیشنهاد میشود که خواص آنتالپی ذوب و تغییرات آن با تغییر دما در نظر گرفته شود و همچنین تشعشع به عنوان یک عامل مهم در انتقال حرارت نیز در محاسبات وارد شود. 

مراجع 
1 – ISO11414, "Plastic pipes and fitting- preparation of polyethylene  (PE)  pipe/pipe  or  pipe/fitting test  pieces assemblies by butt fusion",first edition , 1996.
2 – Benkreira H., Shillitoe S., Day A.J.,  « Modeling of the  Butt  Fusion  Welding  Process»,  Chemical  Engineering Science, Vol. 46, No. 1, pp. 135, 1991.
3 – Budak V.M., «Investigation of the Thermal Aspects of Contact Butt Welding in Polyethylene Tubes », Svar. Proiz., No. 1, pp.5, 1997.
4 –  Shillitoe  S.,  Day  A.J.,  Benkreira  H.,  «A  Finite Element Approach to Butt Fusion Welding  Analysis  », Proc. Instn. Mech. Engrs., Vol. 204, pp. 95, 1990.
5 – .A.Grewell,  A.Benatar,  J.B.Park,”Plastics  and Composites  Welding  Handbook”,2003,  Hanser 
Publisher, munich. 
6 –  K. Leskovics, M. Koll´ar, P. B´arczy ," A study of structure and mechanical properties of welded joints in polyethylene pipes",2005.
7 – M.  A.  Colaluca;  L.  L.  Earles;  S. C. Malguarnera,." Fractional  Factorial Testing  to  Determine  Processing Parameters  Producing  Acceptable  Heat  Fused Joints In Polyethylene  Pipe",Superior  Oil  Company,  Lafayette, Louisiana,(1983).
8 –  Jack  Q.  Zhao,  Lyne  Daigle,  and  Denis  Beaulieu, "Effect  of joint  contamination  on  the  quality  of  butt-fused high-density polyethylene (HDPE) pipe", (2002).
9 – X.Lu, R.Qian, N.Brown, G.Buczala, "The Effect of Pressure and Contamination on Slow Cracj Growth in a Butt Fusion in a Polyethylene Gas Pipe", (1992).
10 –  A.  S. WOOD,"  Numerical  simulation  of the  butt-fusion  welding  process",  Department  of  Mathematics, University of Bradford, West Yorkshire BD7 1DP, UK, (1996).
 

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید