بخشی از مقاله
بررسي تجربي اتصال دو لايه جوشکاري انفجاري عرشه و سوپر استراکچرکشتي با ورقهاي کامپوزيتي آلومينيوم١٢٥٠ وفولاد دريائي گريد E
چکيده
مونتاژ ونصب سوپر استراکچر آلومينيومي در کشتيها،ا به دلايل عدم توانائي در نفوذ ناپـذيري همچنـين وجود خوردگي گالوانيکي در ناحيه اتصال عرشه و سوپر استراکچر جزء مشکلات بسيار مهم شـناورها مي باشد و تاکنون اينکونه اتصالها توسط پيچ وپرچ و لاستيک نئوپرن واسط آنها برقرار مي شده اسـت .
در اين تحقيق جوشکاري انفجاري ورقهائي از جنس آلومينيوم تجاري (١٢٥٠-Al)، بعنوان فلز پرنـده و فولاد دريائي (Steel grade-E)، به عنوان فلز مادر با ضخامت هاي ٤، ٦ ميليمتر کـه نمونـه آن در دنيا هنوز مورد ارزيابي وساخت واقع نگرديده است طي آزمايشهاي عملي در شرايط فواصـل توقـف و بار انفجاري مختلف انجام مي گيرد. براي بررسي نمونه ها آزمايشهاي مکانيکي برشي و آلتراسونيک و ريز سختي بر روي کليه نمونه ها صورت پذيرفته است . همچنين بررسيهاي فلزنگاري نوري و الکتروني برروي فصل مشترک اتصال جوش به انجام رسيده اسـت . تـاثير فاصـله توقـف بـرروي زاويـه برخـورد ديناميکي نسبت به بار انفجاري مورد بررسي قرار خواهند گرفت . در ضمن با ترسيم پنجره جوشـکاري برايSTEEL/AL١٢٥٠ وارزيابي موقعيت نقاط کليه آزمايشها نـسبت بـه محـدوده جـوش صـحت انجام جوشها و برقراري اتصالها در کليه آزمايشها مورد بررسي قرار خواهند گرفت .
١- مقدمه
نتايج پيشرفتهاي اخير درتکنولوژي کشتي سازي بيانگر اين نکتـه اسـت کـه بـا افـزايش وزن در ناحيـه فوقاني ، و کاهش وزن ماشين آلات، حرکت را کند و تعادل شناور را کاهش مي دهد. اين محدوديت با استفاده از آلياژهاي آلومينيوم با چگالي kg/m ٢٧٠٠ در نواحي سوپر استراکچر کشتيها تـا حـدود زيادي مرتفع گرديده است .
. با توجه به اينکه چگالي فولادهاي مورد استفاده در کـشتي سـازي در حـدود kg/m٧٨٧٠٣ اسـت ميتـوان گفـت کـه آلومينيوم٣٧% چگاليش کمتر از فولاد بوده و سبکتر خواهد بود. اولين کشتي که با سوپر استراکچر آلومينيـومي سـاخته شده است کشتي (HMSAMAZON)، مربوط به نيروي دريائي انگلستان مي باشد، که در آن به مقدار زيـادي از آليـاژ آلومينيوم در ناحيه سوپراستراکچر استفاده شده بود. بعدها در نيروهاي دريائي کـشورهاي پيـشرفته در اکثـر شـناورها در ناحيه سوپر استراکچر از آلياژ آلومينيوم استفاده گرديد. اتصال آلومينيوم و فولاد اتصال ساده اي نمـي باشـد، روشـهاي سنتي جوشکاري براي اتصال دادن اين دو آلياژ جوابگو نيستند، چرا که هر کدام از اين فلزات درجه حرارت نقطه ذوب متفاوتي دارند. معمولا فولادهاي کم کربن داراي درجه حـرارت ذوبـي برابـر C١٦٠٠- ١٥٠٠ هـستند. در حـالي کـه آلياژهاي آلومينيومي معمولا بين ٦٦٠ تا ٧٠٠ درجه سانتي گراد مذاب مي شـوند. همچنـين تـردي موجـود بـين اتـصال آلومينيوم و فولاد بدليل وجود فاز بين فلزي مشکل بسيار بزرگي مي باشد که جزء خواص مکانيکي ايـن نـوع اتـصال بـه شمار مي رود و بايد براي مرتفع نمودن آن تدبيري انديشيده شـود. مـشکل ثانويـه ، اسـتفاده از ايـن آليـاژ کـامپوزيتي در محيط شور دريائي مي باشد که سبب خوردگي گالوانيکي ميگردد ، چرا که اين دو فلز در مجاورت محيط خورنـده اي چون آب دريا با ميزان شوري بالا تشکيل يک پيل دو فلزي را داده و بشدت و سرعت زيادي شروع به خورده شدن مي کنند [١-٣].
يکي از روشهاي سنتي مقابله با اين عيب استفاده از لاستيک يا واشرهاي نئوپرن بين آلومينيوم و فولاد مي باشد. اين نـوع اتصال توسط پرچ يا پيچ هاي قفل شونده و قرار دادن واشر لاستيکي بين دو فلز بر قرار ميگردد. واشرهاي لاسـتيکي يـا نئوپرن که بعنوان عايق جدا کننده دو فلز هستند با گذشت زمـان و از دسـت دادن خاصـيت خـود و همچنـين حرکـات کشتي در امواج پاره شده و تماس دو فلز به صـورت مـستقيم در محـيط خورنـده (آب دريـا) برقرارمـي گـردد، و ايـن بدترين حالت براي بروز خوردگي گالوانيکي خواهد بود. براي مرتفع نمـودن ايـن عيـوب، بهتـرين راه حـل اسـتفاده از اتصال سه لايه توليد شده توسط روش جوشکاري انفجاري مي باشـد. در ايـن تحقيـق تـاثير تغييـر فواصـل توقـف وبـار انفجاري در جوشکاري انفجاري دو لايه ورقهاي کامپوزيتي مورد بررسي قرار گرفته است . همچنـين از طريـق موقعيـت نقاط در پنجره جوشکاري ميتوان، نوع سـاختار فـصل مـشترک اتـصال (صـاف-مـوجي ) را بـر اسـاس زاويـه دينـاميکي برخورد-سرعت برخورد پيشگوئي نمود.
١-١- مکانيزم جوشکاري انفجاري
بنا به نظريه هاي مختلف مکانيزم جوشکاري انفجاري مبتني بر پديده تشکيل جت مي باشد [٤-٧]. فشار بيش از حد در نقطه برخورد که به ميزاني در حد گيگا پاسکال مي باشد سبب ميشود تا فلـزات رفتـاري سـيال گونـه بيابنـد، و شـبيه بـه سيالاتي با لزجت پايين عمل کنند. بروز تغيير شکل پلاستيک در فصل مشترک باعث شکسته شدن اکسيد ها و افزايش درگيري در سطح تماس مي شود. جت تشکيل شده در فصل مشترک باعث خروج اکسيدها وساير آلودگيهاي موجـود در سطوح فصل مشترک بين فلزات مي گردد و آنها را به خارج مي راند. در اين موقع سطوح پاکسازي شـده در مقابـل يکديگر قرارگرفته و در صورت کافي بودن انرژي انفجاري برخوردي، دو سطح تحـت فـشار زيـادي در يکـديگر فـرو رفته و اتصال به خوبي برقرار مي گردد. در صورتيکه صفحه پرنده و مادر در يک فاصله بين اتمي مناسـبي قـرار گيرنـد، انرژي پتانسيل حداقل و نيروهاي جاذبه ودافعه به تعادل رسيده و يک پيوند متالورژيکي يا بين فلـزي تـشکيل مـي شـود.
چيدمانهاي جوشکاري انفجاري عبارتند از :١)چيدمان زاويه اي ٢)چيدمان موازي. ايـن چيـدمانها در اشـکال (١)و(٢) نشان داده شـده اسـت . بـا توجـه بـه چيـدمانهاي موجـود وتوصـيف شـده بـراي جوشـکاري انفجـاري اشـکال (١)و(٢)
مکانيزمهاي سينماتيکي مختلفي براي نحوه برخوردقطعات به يکديگر ارائـه شـده اسـت [٥ ,٤] . در جوشـکاري هـاي ذوبي در حقيقت انرژي حرارتي سبب ذوب شدن لايه هاي واسط بين فلزات مي شود و حتي سبب تغيير ساختار فلـزات مي گردد درحالي که در جوشکاري انفجاري که در حقيقت نوعي جوشکاري فشاري ميباشد فقط ساختار ريز فلـزات در ناحيه فصل مشترک دچار تغييرات متالورژيکي مي گردد، واين يک فراينـد حالـت جامـد ميباشـد. فلـزات در ناحيـه واسط بين خودشان با تشکيل يک موج وگاها موج و گردابه به شدت فرو ميروند. دانشمندان معتقدند که سـطوح ميـاني بين دو فلز با تشکيل جت ، تميز وعاري از هر گونه آلودگي واکسيد مي گردند.
٢- مواد و روش تحقيق
با توجه به اينکه عموما کشتيها داراي عرشهائي از جنس فولاد دريائي هستند ودر ناحيه روسازه يا سوپراستراکچر از آلومينيومهاي دريائي سري ٥٠٠٠ استفاده مي کنند، جوشکاري دو لايه از سه لايه باند اتصال گذرائي (نوارهاي -Tri clad که معمولا از آلومينيوم دريائي سري ٥٠٠٠ به عنوان فلز پرنده وآلومينيوم سري ١٠٠٠ به عنوان فلز واسط و فولاد دريائي با استحکام بالا Hts ساخته مي شوند) که از آلومينيوم سري ١٠٠٠ که در اتصال سه لايه بعنوان لايه مياني جهت از بين بردن فازهاي بين فلزي به کار مي رود، به عنوان فلز پرنده وورق فولاد دريائي Hts گريد E به عنوان فلز مادر استفاده شده است . ضخامت فلزات استفاده شده وجنس آنها در اين مطالعه تجربي بر اساس جنس وضخامت ورقهاي کامپوزيتي استفاده شده درکشتي انتخاب شده است . براي حصول اطمينان از اينکه فلزات انتخاب شده دقيقاً همان فلزات مورد نظر هستند، تکه هائي از آنها توسط دستگاه گيوتين بريده
شده و آناليز شدند. نتايج در جدول شماره (١) آمده است . جدول شماره (٢)، مقاديرفواصل توقف ومقدارماده منفجره براي مراحل مختلف جوشکاري انفجاري در فاز عملي را نمايش ميدهد. در اين جدول به جاي استفاده از بار انفجاري از ضخامت موادمنفجره استفاده شده است .
فلزات مورد نظر ابتدا پس از انتخاب، جهت سند بلاست و رنگ زدائي و برش در قطعات مناسب به کارخانه حمل گرديد، در آنجا پس از انجام عمليات سند بلاست فلزات در قطعات مربع شکل به ابعاد زير برش زده و جهت صافکاري (درحد دو مثلث ) به کارگاه حمل گرديدند.
١) ابعاد فلز مادر يا پايه از جنس فولاد HTS-G.E.mm( ٦ mm x٣٠٠ mm x ٣٠٠)
٢) ابعاد فلز واسط از جنس ١٢٥٠-AL.mm(٣ mm x ٣٠٥ mm x٣٠٥)
آماده سازي سطوح : سطوح بعد از عمليات سند بلاست و زنگ زدائي و بريده شدن در قطعات با ابعاد قيد شده با عمليات سنگ زني صاف شده و پس از پرداخت سطوح با سمباده هاي شماره ٦٠٠ , ٨٠٠ و در نهايت ١٢٠٠ پرداخت کار ي گرديده و با محلول Ca oH همچنين با محلول اتانول ٩٥% شستشو و تميز گرديدند.
٢-١- مراحل فرآيند جوشکاري انفجاري
مراحل انجام جوشکاري بترتيب زير ميباشد:
١) انتخاب فلزات متصل شونده به يکديگروحمل ونقل انها به کارخانه جهت سند بلاست وزنگ زدائي و برش در قطعات مناسب جهت انجام ازمايشات صنعتي را نشان ميدهد. پس ازاماده سازي اوليه سطوح ورقها وبرشکاري انها در قطعات مناسب ورقها جهت عمليات پرداخت کاري نهائي به کارگاه منتقل ميشوند
٢) براي انجام اين آزمايشات ابتدا بايستي ماده منفجره طوري ساخته مي شد که سرعت مورد نياز را براي انجام آزمايش به دست دهد به همين دليل و بر اساس فرمولهاي موجود همچنين جداول ترکيبات انفجاري مخلوطهائي از پودر آنفوتي ان تي دار با دانه بندي معين ترکيب و ساخته شد، سپس سرعت انفجار را توسط دستگاه سرعت سنج انفجار طي چندين نوبت آزمايش عملي در ميدان تير آزمايش نموده و پس از ثبت سرعت انفجار هر ترکيب بهترين سرعت را براي انجام عمليات جوشکاري انتخاب نموده و از آن پس مخلوط بر همان اساس ساخته شده است . بهترين سرعت مورد نظر ما m/s٢٤٨٠ بوده است که توسط دستگاه مجهز به فيبر نوري و ثبات الکترونيکي سنجيده شده است .
براي بدست آوردن سرعت فوق الذکر هشت مرحله سرعت سنجي انفجاري طولي با دستگاه Explometer به انجام رسيد.
٢-٢- مراحل تهيه مواد منفجره
ماده منفجره ترکيبي به صورت دستي تهيه شده و در زمينه ايجاد دانه بندي ريز براي آن از هاون از جنس ياقوت (ضدالکتريسيته ) و همچنين ميکسر يا مخلوط کن مجهز به سيستم خنک کننده آبي ضد الکتريسيته استفاده گرديده است و در اين راستا مواد مخلوط شده ازالک ريز عبور داده مي شوند تا به صورت پودري باشند، در ضمن آناليز ترکيب با دستگاه آنالايزر کاملاً مورد ارزيابي واقع گرديده است . مراحل تهيه مواد منفجره عبارتند از: ١- مخلوط کردن مواد با هاون از جنس ياقوت. ٢- مخلوط کردن بسيار ريز مواد با مخلوط کن مخصوص. ٣- دانه بندي مورد نظر مواد با سرند مخصوص ٤-آناليز مواد با دستگاه اناليزر الکترونيکي
٢-٣- سنجش سرعت انفجار
بعد از مراحل فوق نوبت به انجام چند نوبت تست سنجش سرعت ميباشد .که توسط دستگاه سنجش سرعت که به کابلهاي فيبر نوري مجهز مي باشد انجام ميگيرد. در اين مرحله فيبرهاي نوري دستگاه مورد ارزيابي قرار گرفته ودستگاه در محل امن مستقر ميشود. هنگام اتصال فيبرهاي نوري به دستگاه جهت حفاظت از آنها بايستي زير خاک مدفون شوند.
خصوصيات ماده منفجره به کار رفته در اين تحقيق که آنفوتي ان تي دار به صورت پودري بوده ، در جدول(٣) بيان گرديد ه است .
٢-٤- طراحي جوشکاري انفجاري افزودن مواد منفجره و چاشني
اتصالات دو لايه را از لحاظ چيدمان بصورت موازي چيده و براي ايجاد فاصله توقـف بـين لايـه هـا از واشـرهاي بـسيار نازک مسي که در اندازه مورد انتظار فاصله توقف ها تنظيم شده بگونه اي استفاده شده است که ضربه جت سيال آنرا به سمت بيرون پرتاب نمايد. شکل (٣)ترتيب چيدمان وافزودن مواد منفجره به همراه چاشني گذاري يا مسلح نمـودن قطعـه کار وتنظيم فواصل توقف رانشان ميدهد.فلزات بگونه اي چيده شد که از تـأثير اثـرات لبـه هـا در حـين عمليـات انفجـار جلوگيري به عمل آيد به همين دليل ابعاد آنها از پائين به بالا افزايش يافته است . (يعني ورق مادر يا زيرين با ابعاد (mm ٦×٣٠٠×٣٠٠) و ورق فوقاني يا پرنده با ابعاد (mm ٦×٣٠٥×٣٠٥) عکسهاي شکل (١١) شماتيکي از انجام عمليـات و ترتيب قرارگيري فلزات و مواد منفجره و چاشني بروي آنها را نمايش مي دهد.
٣- يافته ها
بنا به يافته هاي که در اين تحقيق بدست آمده است . نحوه انجام آزمايش برش و نمونه هاي آماده شده بـر اسـاس اسـتاندارد ASTM A٢٦٤ نتايج آزمون برش ومقايسه با استاندارد جدول(٤و٥)، نتايج ريز سختي سنجي شکل (٦)و متالوگرافي کليـه نمونـه هاي آزمايش جوشکاري انفجاري دو لايه آلومينيوم-١٢٥٠ با فولاد دريائي گريـد E در دو جهـت طـولي و عـرض در شکل (٧) نشان داده شده است .
