تنش زدایی ارتعاشی یا Vibratory Stress Relief که به اختصار VSR خوانده میشود، یکی از روشهای کاهش تنشهای پسماند در سازه هاست. سایر روشهای تنش زدایی یا تنش گیری عبارتند از حرارتی (TSR)، اولتراسونیک، طبیعی و … که در این میان روش حرارتی قدیمی ترین و رایج ترین روش میباشد. میتوان گفت VSR مهمترین رقیب برای روش تنش زدایی حرارتی است.
عملیات VSR یا تنش زدایی ارتعاشی بر اساس یک دستورالعمل استاندارد انجام میگرد. طبق این دستور العمل پس از نصب تجهیزات VSR بر روی نقاط مناسب سازه، سه مرحله عملیات بر روی آن انجام میگیرد:
در طی این سه مرحله سازه در حدود یک ساعت و در فرکانسهای خاصی توسط ویبراتور (لرزاننده) به ارتعاش یا لرزه در می آید. همزمان با لرزش سازه، داده های ارتعاشی توسط سنسور متصل به سازه ثبت شده و نمودارهای مورد نیاز توسط داده ها رسم می گردد. این نمودارها در اثبات کاهش تنشهای پسماند سازه کمک میکند.
در شکل های زیر اجزای تشکیل دهنده دستگاه VSR دیده میشود
قطعاتی که با روش ریخته‌گری تولید میشوند و سرعت سرد شدن آن زیاد است، به دلیل به وجود آمدن ساختاری 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 تنش زدایی ارتعاشی تنش زدایی شود، ممکن است سطح بسیار ناچیزی از تنشهای پسماند موجود در آن آزاد شود، اما خطر ایجاد یا رشد ترک در آن وجود دارد.
مهمترین دستاورد یا فایده تنش زدایی پایداری ابعادی یا ثبات ابعادی سازه است. در برخی منابع اثربخشی روش VSR را در پایداری ابعادی قطعات، حتی از رقیب خود یعنی روش حرارتی، بیشتر دانسته اند. سایر فایده های VSR شامل افزایش مقاومت مکانیکی سازه ها در بارگذاریهای مجاز، افزایش عمر خستگی سازه ها (به دلیل کاهش مقدار تنش اولیه)، و کاهش احتمال خوردگی سازه است.
تنش پسماند تنشی است که قطعه در حالت بدون بار خارجی، در خود دارد که معمولاً در فرایند ساخت به وجود می‌آید. تغییرات حرارتی و بارگذاریهای زیاد در حین جوشکاری، ریخته‌گری، فورج، ماشینکاری و دیگر روشهای ساخت، منجر به ایجاد تنش پسماند میشود.
پاسخ این پرسش ساده است. اگر تنش زدایی نکنیم تنشهای پسماند سازه تخلیه نشده و سازه این تنشها را به طور طبیعی و در طول زمان (در حدود یک سال) آزاد میکند. در طی این فرآیند طبیعی، سازه دچار تغییر شکلهای نامطلوب و اعوجاج میگردد. میتوان گفت مهمترین تاثیرات نامطلوب تنشهای پسماند شامل: ناپایداری ابعادی، پایین آمدن مقاومت مکانیکی سازه ها در بارگذاریهای مجاز، کاهش عمر خستگی و افزایش خوردگی سازه است.
روش تنش زدایی ارتعاشی، در دهه ۵۰ میلادی، در آمریکا، ابداع شد؛ البته در مقایسه با روش حرارتی، این روش جدید محسوب میشود. به علت محاسن آن به تدریج به اروپا و آسیا گسترش یافت. برای نمونه، یکی از مراکز تنش‌زدایی در آمریکا ۳۵۰ دستگاه تنش‌زدایی ارتعاشی در اختیار دارد. کشور چین نیز با توجه به این که در زمینه تولید در جهان پیشرو است، در این زمینه، پژوهش‌های زیادی کرده است. امروزه این روش در کشور چین بسیار رایج است.
کشورهای آمریکا، ایتالیا، چین، سوئیس، هند، انگلیس و آلمان از کشورهای پیشرو در این زمینه محسوب میشوند. سایر کشورها نظیر کره جنوبی، آفریقای جنوبی، ترکیه و ایران نیز در این حوزه وارد شده اند.
سابقه این روش در ایران به حدود دهه 1380 بر می گیردد که شخصی برای اولین بار دستگاه VSR را از انگلستان وارد کرد و در واقع نمایندگی آن شرکت در ایران شد. پس از آن نیز یک دستگاه چینی توسط شرکت دیگری وارد شد که هم اکنون غیر فعال است. در سال 1398 شرکت تنش زدایی ارتعاشی مدرس برای اولین بار در ایران موفق به طراحی و ساخت دستگاه VSR شد.
ارزان بودن انرژی در ایران مهمترین دلیل رواج کمتر این روش در ایران نسبت به سایر کشورهای صنعتی است. طبق محاسبات روش VSR در حدود800 تا 1000 برابر انرژی کمتری در مقایسه با رقیب خود یعنی روش حرارتی یا TSR مصرف میکند. این موضوع در کشورهایی که انرژی گران است بسیار قابل ملاحظه است. لذا روش VSR در کشورهایی نظیر چین و هند و کشورهای اروپایی و آمریکا بسیار گسترش پیدا کرده است. همچنین به روز نبودن و آشنا نبودن بسیاری از صنعتگران و کارفرمایان ایرانی با اهمیت تنش زدایی و وجود روشی به نام VSR نیز از دلایل کمتر رایج بودن این روش در ایران است.
در روش VSR با اعمال تنشهای نوسانی به سازه توسط ویبراتور (لرزاننده) در واقع تنش جدیدی را به تنش پسماند موجود در سازه اضافه میکنیم. مجموع این تنشها منجر به تغییر شکلهای میکروپلاستیک در سازه شده و در واقع سازه را به مرز پلاستیک می رساند. همین تغییر شکلهای بسیار ریز باعث آزاد شدن انرژی و در واقع کاهش تنشهای پسماند میگردد.
تا کنون مطالعات و پژوهش های زیادی در این زمینه در ایران و سایر کشورها انجام شده است. میتوان گفت اگر این عملیات به طور اصولی و صحیح انجام شود تاثیر خوبی در کاهش تنشهای پسماند دارد. بسیاری از پژوهش ها نشان میدهد که روش VSR در ثبات و پایداری ابعادی سازه موثر بوده است. همچنین تجربیات شرکت تنش زدایی ارتعاشی در انجام این عملیات بر روی بیش از 500 سازه مختلف این موضوع را تایید میکند. در کنار این موضوع، تاکید و الزام بسیاری از مشاورین خارجی نظیر دانیلی ایتالیا (Danieli) و سولزر سوئیس (Sulzer) به انجام عملیات VSR بر روی سازه ها، اهمیت موضوع را می رساند.
کاهش تنشهای پسماند به دو روش قابل اثبات است:
توضیح: از آنجا که هزینه های روشهای مستقیم بالاست بسیاری از کارفرمایان روش غیر مستقیم را ترجیح میدهند. در گزارش های شرکت تنش زدایی ارتعاشی مدرس اثبات کاهش تنشهای پسماند توسط روش غیر مستقیم انجام میگرد و به کارفرما ارائه میگردد.
بهترین زمان برای VSR بعد از اتمام عملیات جوشکاری و ماشین کاری خشن و قبل از ماشینکاری finishing است. اگر از زمان اتمام جوشکاری بیش از 6 ماه گذشته باشد، VSR چندان اثر بخش نخواهد بود. پس بهتر است هر چه سریعتر اقدام کنید!
خیر به هیچ وجه. برای این کار نیاز به عملیات تابگیری است. عملیات VSR ابعاد فعلی سازه را تثبیت میکند.
بله. گزارش نسبتا مفصلی از کلیه مراحل کار و نتایج حاصل شده و نمودارها و گرافهایی که بر اساس آن کاهش تنشهای پسماند اثبات میشود ارائه میشود. این گزارش به عنوان گواهی یاcertificate نیز محسوب می شود. در اینجا نمونه ای از گزارشهای ارائه شده توسط شرکت تنش زدایی ارتعاشی مدرس قابل دیدن است.
بله استاندارهای مختلفی در این زمینه وجود دارد. در این استانداردها هم به مراحل انجام عملیات اشاره شده و هم به معیارهای پذیرش و اثبات کاهش تنشهای پسماند اشاره شده است. سه مورد از این استانداردها به شرح زیر است:
در استاندارد ASME اشاره ای به روش VSR نشده است ولی در AWS D14.1 و AWS D14.4 به این روش به عنوان جایگزینی برای TSR اشاره شده است. توجه داشته باشید در بسیاری از سازه ها VSR تنها گزینه برای تنش زدایی است.
این روش تنها برای آلیاژهایی که حالت شکننده و ترد دارند قابل استفاده نیست. همچنین VSR برای قطعاتی که به روش اکسترود تولید شده اند چندان مناسب نیست.
بله. در این نوع آلیاژها به دلیل محدودیتهای روش حرارتی، تنها گزینه تنش زدایی، VSR است.
با توجه به تجربیات مختلفی که در مقالات و گزارشها ثبت شده راندمان کاهش تنشهای پسماند در این روش در حدود 30 الی 50 درصد است. البته در بعضی منابع اعداد بیشتری نیز ذکر شده است. اما همین راندمان نیز جهت ثبات و پایداری ابعادی کافیست.
دقیقا بستگی به فرکانسهای طبیعی سازه دارد. اگر سازه فرکانس طبیعی کمتر از 100 هرتز داشته باشد استفاده از این روش میسر است. این موضوع به کمک تحلیل مودال قبل از عملیات قابل پیش بینی است.
خیر. این کار به هیچ وجه اصولی و قابل تایید نیست.
بله. شرکت تنش زدایی ارتعاشی مدرس آمادگی دارد خدمات VSR را به سایر کشورها علی الخصوص کشورهای همسایه ایران ارائه نماید.
این شرکت در طی دوران فعالیت خود حدود 100 تنوع مختلف سازه را VSR کرده که مجموع وزنی سازه ها بیش از 1000 تن میباشد.
بله. این شرکت هم در حوزه خدمات VSR و هم در حوزه محصول (دستگاه) VSR دانش بنیان است.
بله. دستگاه VSR بنا به سفارش مشتری ساخته و عرضه میگردد.