بخشی از مقاله
اتصال لبه روي هم فلزات سبک آلومينيوم و منيزيم با روش جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي (FSW) و بررسي اثر
متغيرهاي جوشکاري بر خواص اتصال
چکيده
در سال هاي اخير، سبک سازي سازه هاي مرتبط با حمل و نقل به يکي از مهمترين اهداف مهندسين و محققين تبديل شده است . منيزيم و آلومينيم با دانسيته هاي gr.cm٣ ١.٧ وgr.cm٣ ٢.٧ به ترتيب اولين و دومين فلزات مهندسي سبک به شمار مي روند که کاربردهاي آن در تجهيزات و وسايل مربوط به حمل و نقل با رشد چشمگيري همراه است . اتصال اين دو فلز در سازه هاي مرکب از طريق جوشکاري بسيار دشوار است . فرآيند جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي (FSW) براي اتصال فلزات غير هم جنس مانند جفت آلومينيوم و منيزيم ، بسيار مطلوب بوده زيرابسياري از مشکلات و عيوب متداول در اتصال حالت ذوبي را نخواهد داشت . در اين اتصال ورق هاي آلومينيوم و منيزيم خالص با طرح اتصال لبه روي هم (Lap)انجام شد. سرعت دوران در محدوده ٤٠٠ تا ١٦٠٠ دور بر دقيقه و سرعت چرخش در محدوده ٤٠-١٦٠ ميليمتر بر دقيقه مورد بررسي قرار گرفت . شرايط بهينه جوشکاري سرعت دور ني ١٦٠٠ دور بر دقيقه و سرعت پيشروي ٤٠ ميليمتر بر دقيقه بدست آمد. نمونه هاي جوشک ري شده مورد بررسي هاي ماکروسکوپي وميکروسکوپي قرار گرفتند. نتايج نشان داد که در سرعت هاي دوران کم و سرعت پيشروي بالا امکان ايجاد عيب تونلي وجود دارد. در طرح اتصال لبه روي هم سرعت پيشروي ٤٠ ميليمتر بر دقيقه و سرعت دوراني ١٦٠٠ دور بر دقيقه حالت بهينه انتخاب گرديد. بررسي هاي ريزساختاري نشان داد در فصل مشترک اتصال ، ساختار گردابي از مخلوط لايه هاي آلومينيوم و منيزيم وجود دارد. در فصل مشترک لايه هاي آلومينويم و منيزيم ، لايه بين فلزي ايجاد مي شود.
کلمات کليدي : جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، آلومينيوم ، منيزيم ، FSW ، ترکيبات بين فلزي
١- مقدمه
آلومينيم و منيزيم ، اولين و دومين آلياژهاي صنعتي سبک و با چگالي پايين محسوب مي شوند که در سازه هاي مرتبط با حمل و نقل مورد استفاده قـرار مي گيرند. در سازه هاي مـرتبط بـا حمـل و نقـل (هـوايي، زمينـي، ريلـي و دريايي)در راستاي رسيدن به هدف سبک سازي، اتصـال غيـر مشـابه آن هـا اهميت پيدا مي کند. تا کنون روش هاي گوناگوني براي اتصـال غيـر مشـابه آلومينيم و منيزيم به يکديگر مورد استفاده قرار گرفته است [١-٤].
در روش هاي اتصال ذوبي آلومينيـوم و منيـزيم ، ماننـد جوشـکاري الکتـرود تنگستني، اتصال استحکام بسيار پاييني دارد که علت آن تشـکيل ترکيبـات بين فلزي به صورت لايه هاي ضخيم و پيوسته در فصل مشترک اسـت [٢].
به همين دليل استفاده از روش هاي ذوبي براي اتصال ورق هاي آلـومينيم و منيزيم متداول نيست . با توجه به تحقيقات منتشر شده اتصال اين فلـزات بـا طرح اتصال لب به لب از طريق FSW براي اولـين بـار توسـط McLean و همکارانش [٥] در سال ٢٠٠٣ گزارش شده است و محققان ديگري تـا سـال ٢٠١٣ اتصال بين آلياژهاي مختلف آلومينيم و منيزيم را مورد بررسـي قـرار داده اند. نتايج تحقيقات انجام شده نشان مي دهد که تشکيل ترکيبـات بـين فلزي ترد در فصل مشترک اتصال Al.Mg بـر اسـتحکام و انعطـاف پـذيري اتصال اثر منفي دارد [٤-٥].
با توجه به مطالعـات کـم انجـام گرفتـه بـر روي اتصـالات غيـر هـم جـنس آلومينيوم و منيزيم و جديد بـودن فرآينـد و نـوع اتصـال ، مـواردي همچـون بررسي عيوب ايجادي و مکانيزم آن ها نظير لايه هاي اکسـيدي و همچنـين استفاده از لايه هاي مياني مناسب جهت جلوگيري از تشکيل ترکيبـات تـرد بين فلزي پيوسته AlMg٣٢ وAIMg١٢١٧ بـه خـوبي مـورد بررسـي قـرار نگرفته است . در پژوهش حاضر به بررسـي اتصـال آلومينيـوم و منيـزيم بـه جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي پرداخته مي شود. کارهاي مختلـف ولـي نـه چندان زيادي در مورد اتصالات آلياژهـاي مختلـف آلومينيـوم و منيـزيم بـه يکديگر انجـام شـده اسـت و در اغلـب آن هـا بـه بررسـي تغييـرات خـواص مکانيکي قطعات با تغيير عوامل موثري نظير هندسه و خواص ابـزار، سـرعت پيشروي ابزار، سرعت چرخش ابزار، محل قرارگيري ابزار نسبت به درز اتصال و پرداخته شده است [٦-١١]. Chen [٦] و همکارانش در سال ٢٠٠٨ براي اولين بار اتصال لبه روي هم ورق هاي آلياژهـاي AZ٣١ و آليـاژ آلومينيـوم ريختگي ACC cast٤ با ضخامت ٣ ميليمتر را مورد بررسـي قـرار دادنـد.
سرعت دوران مورد استفاده آن ها ١٥٠٠ دور بر دقيقه و سرعت پيشروي در محدوده ٢٠ تا ٨٠ ميليمتر بر دقيقه انتخـاب گرديـد. در نتـايج آن هـا ذکـر شده است که در فصل مشترک اتصال لايـه سـاختاري حـاوي فازهـاي بـين فلزي تشکيل مـي گـردد کـه در اثـر حـرارت و اخـتلاط مکـانيکي لايـه اي آلومينيوم و منيزيم بوجود مي آيند. نتايج آن ها نشان داد که در اثر حـرارت بالاي ايجاد شده نفوذ بين اتمي بين آلومينيوم و منيزيم ايجاد مي گردد و بـا تشکيل فازهاي با ترکيب يوتکيتيک زود ذوب ، مذاب ايجـاد مـي گـردد و در فصل مشترک اتصال پس از جوشکاري، ساختار انجمادي ديده مي شـود. در تحقيق ديگري که توسـط Firouzdor و همکـارانش [١١ و١٢] در سـال ٢٠١٠ انجام گرفت اتصال لبه روي هم ورق هـاي ١.٦ ميليمتـري آلياژهـاي AZ31 و ٦٠٦١ را مورد بررسي قرار داند. آن ها محدوده سـرعت چرخشـي ايزار را در محدوده ١٤٠٠ تا ٢٢٠٠ دور بر دقيقـه و سـرعت پيشـروي را ٣٨ ميليمتر بر دقيقه انتخاب نمودند. نتايج آن هـا نشـان داد در فصـل مشـترک اتصال امکان تشکيل لايـه هـاي از ترکيبـات بـين فلـزي تـا ابعـاد ٠.٥ تـا ١ ميليمتر وجود دارد. از طرف ديگر با افزايش سـرعت دورانـي، دمـا در فصـل مشترک در حين فرآيند جوشکاري افزايش مي يابد.
Yazdanian و همکـارانش [١٤] اتصـال لبـه روي هـم آلياژهـاي ٦٠٦٠ آلومينيوم با ضـخامت ٣ ميليمتـر و آليـاژ AZ31 بـا ضـخامت ٢.٥ را مـرود بررسي قرار دادند. سرعت دوراني در محدوده ٥٠٠ تـا ٢٠٠ دور بـر دقيقـه و سرعت پيشروي در محدوده ١١٢ تا ٦٣٠ ميليمتر بر دقيقه انتخـاب گرديـد.
در تحقيق آن ها در مورد نقش ميزان بالا آمدگي ورق پـاييني و ايجـاد رگـه در ورق بالايي پس از فرآيند FSW بحث شده است .
٢- روش تحقيق
در اين تحقيق ورق هاي آلومينيوم خالص و منيـزيم خـالص مـورد اسـتفاده قرار گرفته است . ورق آلومينيـوم خـالص بـا ابعـاد mm ١٠٠*٦٥*٣ و ورق منيزيم خالص بـا ابعـاد ١٠٠*٦٥*٤ مـورد اسـتفاده قـرار گرفتنـد. ترکيـب شيميايي آن ها در جدول ١ و جدول ٢ آمده است .
جدول ١: عناصر اصلي آلياژي تشکيل دهنده ورق آلومينيوم استفاده شده در فرآيند جوشکاري
جدول ٢: عناصر اصلي آلياژي تشکيل دهنده ورق منيزيم استفاده شده در جوشکاري
ابزار مورد اسـتفاده از جـنس فـولاد گرمکـار H١٣ بـوده و پـين آن مثلثـي طراحي شد. ترکيب شيميايي ابزار در جدول ٣ آورده شده است .
جدول ٣: درصد وزني عناصر تشکيل دهنده فولاد H١٣
درصد ۰.۳۵ ۴.۸ ۱.۱۳ ۰.۹۶ ۰.۹۵ ۰.۴ آزمايشات جوشکاري با استفاده از دستگاه فرز نيمه اتومات بـا ميـز متحـرک انجام شدند. براي تنظيم و يکسان سازي نيروي عمودي جوشکاري بـا انـدازه گيري ميزان فروبري شانه ابزار درون ورق فوقاني انجام شد. ميزان فـرو بـري براي همه نمونه هاي اتصـال همجـنس mm٠١ در نظـر گرفتـه شـد. زاويـه انحراف ابزار براي همه آزمايشات ، *٣.٥ تعيين گرديد و جهت چـرخش ابـزار به همراه جهت جوشکاري طوري تنظيم شد که ناحيـه RS در قسـمت لبـه ورق بــالايي قــرار گيــرد. در تمــام جوشــکاري هــا ورق منيــزيم بــالا و ورق آلومينيوم پايين قرار داده شد. در شکل هاي ١ و ٢ تصاوير نحـوه قرارگيـري ورق ها در فيکسچرو ماتيک ابزار مورد استفاده نشان داده شده است .
براي هرکدام از سرعت هاي چرخش ذکرشده ، برايهرکدام از نمونه هاي جوشکاري شده ،در نتيجه ، پارامترهاي سرعت چرخش ، سرعت حرکت ابزار مورد بررسيقرار گرفت . فرآيندهاي جوشکاري اتصالات غيرهمجنس منيزيم و آلومينيوم بـا سـرعت هـاي چرخشـي ٤٠٠، ٨٠٠ ، ١٢٠٠ و١٦٠٠ دور بـر دقيقه و سرعت هاي پيشروي ٤٠، ٨٠، ١٢٠ ميليمتر بر دقيقه انجام شدند.
براي بررسي کيفيت اتصالات ، نياز به انجام تست هاي مختلف از جملـه شـکل ظاهري ناحيه جوش ، ريز ساختار نواحي مختلف و فازها و ترکيبـات تشـکيل شده در اين نواحي و همچنين بررسي واکنش اتصالات در مقابل تسـت هـاي مکانيکي است .
پس از هر عمليات جوشکاري،به منظور بررسي ريز ساختار نمونه هاي جـوش داده شده از مقطع عمود بر ناحيـه اخـتلاط ، نمونـه هـاي متـالوگرافي از سـه ناحيه جوش تهيه شدند. نمونه هاي متالوگرافي پس از آماده سازي بوسـيله ي سنباده زني و پوليش در سـه مرحلـه حکـاکي شـدند. مرحلـه اول ، حکـاکي نمونه ها با محلولي شامل ١٠ ميلي ليتـر اسـتيک اسـيد، ١٠ ميلـي ليتـر آب مقطر و ٦ گرم اسيد پيکريک در ١٠٠ ميلي ليتر اتانول به مدت ١٠ ثانيه بـه منظور اشکار سازي منيزيم استفاده شـد. مرحلـه دوم ، حکـاکي نمونـه هـا بـا محلولي شامل ٢٠ گرم NaOH در ١٠٠ ميلي ليتر آب مقطر بـه مـدت ٤٠ ثانيه به منظور اشکار سازي ساختار دانه هاي آلومينيوم استفاده شـد. مرحلـه نهـايي، حکـاکي نمونـه هـا بـا محلـولي شـامل ٤ گـرم KMnO٤ و ٢ گـرم
NaOH در ١٠٠ ميلي ليتر آب مقطر به مـدت ٢٥ ثانيـه بـه منظـور رنگـي کردن Al،Mg ، ALMg٣٢ وALMg١٢١٧ به رنـگ هـاي مختلـف اسـتفاده شد[٩و١٠]. از ميکروسکوپ استروگراف ساخت شرکت صاايران براي بررسـي مـــاکرو و از ميکروســـکوپ نـــوري ســـاخت شـــرکت UNION مـــدل ٣-VERSAMET براي بررسي ميکرو تا بزرگنمايي ١٠٠٠ اسـتفاده شـد.
از ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) بـا طيـف سـنجي تفکيـک انـرژي(EDS) ساخت شرکت TESCAN مدل VEGA با KV٣٠ براي انـدازه گيري ترکيب شيميايي استفاده شد. از دستگاه پراش پرتـو ايکـس (XRD) ساخت شرکت JEOL مـدل ٨٠٣٠-JDX نيـز بـراي شناسـايي ترکيبـات اينترمتاليک (IMC) استفاده شد.
شکل ١: فيکسچر استفاده شده براي عمليات جوشکاري و نحوه بستن ورق ها به آن
شکل ٢: شماتيک ابزار با پين مثلثي پخ دار مورد استفاده در اين پژوهش
٣- نتايج و بحث :
٣-١ بررسي ظاهري اتصالات (بازرسي چشمي )
در شکل ٣ سطح ظاهري اتصالات مشخص گرديـده اسـت . همـانطور کـه در کليه حالات جوشکاري ديده مي شود به علت پلاستيسيته کم منيزيم ، سطح ظاهري جوش صيقلي نيست و حاوي پليسه است . منيـزيم بـه علـت شـبکه HCP خود داراي شکل پذيري کم است و سطح جـوش FSW آن هماننـد آلياژهاي آلومينيوم براق و صاف نمي شود. همـانطور کـه مشـخص اسـت در حالت (سرعت دوراني = ٨٠٠ دور بر قيقه و سرعت پيشروي =٤٠ ميليمتـر بـر دقيقه ) عيب شياري بزرگي در جوش ايجـاد مـي گـردد کـه بيـانگر حـرارت ورودي بسيار کم است . به همين دليل سرعت دوراني به ٨٠٠ دور بر دقيقـه افــزايش يافــت . در ســرعت دوران ٨٠٠ دور بــر دقيقــه و بــالاترين ســرعت پيشروي يعني ١٢٠ ميليمتر بر دقيقه نيز عيب شياري ايجاد گرديد ولـي در سرعت هاي پيشروي ٤٠ و ٨٠ ميليمتر بر دقيقه اين عيـب شـياري برطـرف گرديد که علت آن افزايش حرارت ورودي در اتصال اسـت . در سـرعت هـاي دوراني بيشتر از ٨٠٠ دور بر دقيقه احتمـال ايجـاد عيـب شـياري سـطحي حذف مي گردد که علت آن افزايش حرارت ورودي مي تواند باشد. بـا توجـه به تصاوير ظاهري جوش ها (شکل ٣) مشاهده مي گردد که سـرعت دوران بهينه بين ٨٠٠ تا ١٦٠٠ دور بر دقيقه و سرعت بهينه پيشـروي بـين ٤٠ تـا ٨٠ ميليمتر بر دقيقه است .
