بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی اثر متغیرهاي جوشکاري مقاومتی سربه سر فشاري بر عرض ناحیه متاثر از حرارت و سختی اتصال فولاد متوسط کربن((CK45
چکیده
در این تحقیق اتصال فولاد متوسط کربن((CK45 به روش جوشکاري مقاومتی سربه سر فشاري مورد بررسی قرار گرفت. در این روش جوشکاري، فشار و حرارت به صورت همزمان به قطعات اعمال می شود تا اتصال به طور کامل برقرار گردد. لذا مهمترین متغیرهاي موثر در این روش جوشکاري توان یا حرارت ورودي جوشکاري، فشار جوشکاري و زمان اعمال حرارت می باشند. در این تحقیق تاثیر دو متغیر توان و فشار بر عرض ناحیه HAZ و سختی اتصال فولاد متوسط کربن CK45 مورد بررسی قرار گرفت. بررسی ها نشان داد که با افزایش توان جوشکاري عرض ناحیه متاثر از حرارت افزایش پیدا می کند. همچنین با افزایش توان جوش در فشار ثابت، سختی در ناحیه متاثر از حرارت و جوش کاهش می یابد. با افزایش فشار در توان مشخص، نیز عرض ناحیه متاثر از حرارت افزایش یافته و سختی ناحیه جوش افزایش و ناحیه متاثر از حرارت کاهش می یابد.
واژه هاي کلیدي: جوشکاري مقاومتی سربه سر فشاري، توان جوشکاري، فشار جوشکاري و عرض ناحیه HAZ
مقدمه
جوشکاري مقاومتی سربه سر فشاري براي اولین بار سال 1960 در مرکز NASA جهت اتصال ورق هایی از جنس فولاد زنگ نزن 304 با ضخامت متفاوت ابداع شد. پس از آن در حومه رودخانه ساوانا جهت ساخت مخازن و سیلندرهاي گازي این روش بکار گرفته شد.[1] در اوائل دهه ي80 میلادي این روش جهت تولید مخازن دفع زباله هاي اتمی از جنس فولاد زنگ نزن 304L مورد استفاده قرار گرفت.[2] در سال 1989، این روش در موسسه ي جوشکاري پاتون جهت اتصال فولاد تندبر به فولاد کربنی ساده استفاده شد. در سالهاي اخیر کاربرد این روش افزایش یافته و جهت اتصال چدنها نیز بکار رفته است.[3] امروزه جهت جوشکاري میلگردها و در صنعت کشش سیم، براي فلزات همجنس و غیر همجنس کاربرد دارد.[1] در این فرآیند اتصال به طور همزمان در کل سطوح اتصال و یا در امتداد درزها انجام می شود. در این روش، اصل اتصال بر پایه گرما و فشار است. گرماي مورد نیاز جهت انجام فرآیند جوشکاري از طریق مقاومت بوجود آمده به علت عبور جریان الکتریکی از سراسر سطوحی که با یکدیگر در تماس هستند، بدست می آید. جوشکاري مقاومتی سربه سر فشاري اساساً در حالت جامد انجام گرفته و خاتمه می پذیرد. در حین جوشکاري نیروي فشاري از طریق فک هاي دستگاه به اتصال وارد می شود که باعث می گردد تا سطوح جفت شده تماس بسیار نزدیکی با یکدیگر پیدا کنند. هنگامی که درجه حرارت در فصل مشترك به حد مشخصی رسید، فشار نهایی اعمال شده و دو سطح در یکدیگر فرو می روند4]و.[5 در شکل 1 تصویر شماتیک کلی جوش مقاومتی سربه سر فشاري را نشان می دهد. از این روش در صنعت کشش سیم استفاده می شود. در دستگاههاي کشش سیم از این فرآیند جهت اتصال کلاف هاي سیم به یکدیگر به منظور انجام پیوسته فرآیند کشش استفاده می شود.[6] همچنین این روش جهت اتصال انواع محصولات ساخته شده از مفتول، ورق و لوله نیز کاربرد دارد.گستره وسیعی از آلیاژها را می توان توسط این روش جوشکاري کرد. تا کنون آلیاژهاي آلومینیم، طلا، نیکل، آلیاژهاي مقاوم در برابر حرارت، فولادهاي کم کربن و پرکربن، فولادهاي زنگ نزن و چدن ها به این روش جوشکاري شده اند. محدوده قطر سیم ها و مفتول هایی که به این روش قابل جوش هستند بین 0/0127 تا 3/175 سانتی متر می باشد.[9-7] از ویژگی هاي مهم این روش این است که عیوب جوش در این روش بسیار کمتر است به عبارتی عیوبی مانند تخلخل، ذوب ناقص، حفره (مک) ، پاشش مذاب، سطح نچسبیده و ترکهاي ناشی از فرآیند انجماد که مخصوص جوشکاري هاي ذوبی هستند در این روش وجود ندارند. به دلیل اینکه تعداد متغیرهاي فرآیند (زمان، توان، فشار) کم هستند، کنترل فرآیند ساده تر از سایر روشهاي جوشکاري بوده و به اپراتور خیلی ماهر نیاز ندارد. تکرارپذیري جوش هاي سربه سر با هر شکلی زیاد است و جوش حاصل معمولا هموار و متقارن است. از معایب این روش نیز می توان به نبود یک روش آزمایش غیرمخرب مناسب جهت بررسی کیفیت اتصال اشاره کرد و همچنین گرماي زیاد ناشی از شدت جریان اضافی باعث سیلان زیاد ناحیه جوش و تغییر شکل آن می شود4]و6و7و.[10 فولادهاي متوسط کربن داراي 0/50-0/30 درصد کربن می باشد و تغییر چشم گیري در قابلیت جوش پذیري نسبت به فولادهاي ساده کربنی دارند.[11] فولادهاي کربن متوسط به صورت گسترده اي در فولادهاي ابزار مورد استفاده قرار می گیرند.[12] بسیاري از این فولادها به دلیل مقاومت به سایش بالایی که دارند انتخاب می شوند. جهت استحصال خواص مطلوب، روي آنها عملیات حرارتی انجام می گیرد و جوشکاري ممکن است قبل از عملیات حرارتی نهایی صورت گیرد.[13]
فولادهاي حاوي حدوداً 0/30 درصدکربن و مقادیر نسبتاً پایین منگنز قابلیت جوشکاري خوبی دارند. اگر فولاد داراي 0/50 درصد کربن باشد و شرایط جوشکاري فولاد هاي نرم براي آن استفاده شود، بی شک در اثر جوشکاري ترك ایجاد می شود. همچنین هر گاه درصد کربن در فولاد افزایش یابد بایستی شرایط جوشکاري جهت جلوگیري از شکل گیري مقادیر بالاي مارتنزیت در منطقه متاثر از حرارت طراحی شود. فولاد CK45 در اجزا با چقرمگی بالا در خودرو و هواپیما مانند سگدست، اکسل شاتون، میل لنگ، انواع پیچها، میل بادامک، لوله ها، تسمه، ساختن ریل، دیگ بخار، قطعات ساختمانی و در جاهایی که افزایش جزئی سختی و مقاومت به سایش مورد نیاز باشد مثل محورها، چرخدنده هاي کوچک و قطعات آهنگري سنگین تر کاربرد دارد. علاوه براین موارد، این فولاد در صنایع نفت به عنوان مته هاي حفاري کاربرد خاص دارد6]و11و12و14و.[15
مواد و روش تحقیق
ماده مورد استفاده در این آزمایش میل گرد فولاد میان کربن CK45 با قطر 8 mm که توسط فرآیند کشش تولید شده است. جداول 1 و2 به ترتیب ترکیب شیمیایی این فولاد را نشان می دهند.
پس از تهیه نمونه، قطعاتی با طول 15 سانتی متر برشکاري شده سپس قطعات توسط دستگاه تراش، کف تراشی و سنباده زنی شد تا سطوح در تماس کاملاً یکنواخت باشند. پس از انجام این مراحل قطعات جهت انجام فرآیند جوشکاري آماده شدند.
دستگاه جوشکاري
دستگاه جوشکاري مقاومتی سر به سر فشاري مدل B-MΦ 16، ساخت شرکت الکتروتکنوتک می باشد. دستگاه از دو بخش الکتریکی و مکانیکی تشکیل شده است. در بخش الکتریکی توسط یک ترانسفورماتور کاهنده، ولتاژ کاهش یافته و شدت جریان افزایش می یابد. در بخش مکانیکی دستگاه داراي پیشروي قابل تنظیم می باشد که توسط آن فاصله بین دو الکترود تنظیم می شود و می توان ناحیه متاثر از حرارت روي مفتول را کم و زیاد کرد.
انتخاب متغیرهاي تحقیق
با توجه به ویژگی هاي دستگاه، دو متغیر انتخاب شده جهت بررسی تاثیر آنها بر خواص اتصال بصورت زیربوده است: الف- توان لازم جهت فرآیند جوشکاري که با علامت اختصاري A در طول تحقیق معرفی شده است محدوده تغییرات توان در این آزمایش بین 2800V.A تا 5600V.A انتخاب شد.
ب- مقدار فشار اعمالی جهت ایجاد تغییر شکل و ایجاد اتصال است که با علامت اختصاري P نشان داده شده است محدوده تغییرات این متغیر بین 0/92 MPa تا 1/52 MPa انتخاب گردید.
بررسی ساختار متالورژیکی
جهت بررسی تاثر پارامترها بر روي ناحیه متاثر از حرارت نمونه ها به صورت ابعاد کوچکتر به طوري که تمام مناطق جوش و قسمتی از فلز پایه را دربر داشته باشد، آماده شدند. سپس به صورت طولی مقطع زده شده و پس از آن جهت مانت کردن آماده سازي شدند. نمونه هاي مانت شده به ترتیب با سنباده هاي مش 80 تا2000 سنباده زنی شدند. در نهایت عملیات صیقل کاري مکانیکی توسط دستگاه پولیش و به کمک ذرات آلومینا و آب انجام شد. براي بررسی ریز ساختار نمونه ها در هر سه منطقه جوش، متاثر از حرارت (HAZ) و فلز پایه باید نمونه ها حکاکی شوند. براي این منظور از محلول 2 درصد نایتال استفاده شد. به منظور بررسی ریز ساختار تشکیل شده در ناحیه جوش و منطقه متاثر از حرارت از میکروسکوپ نوري مدل Olympus در بزرگنمایی هاي 50 تا 1000 برابر جهت عکس برداري استفاده شد.
سختی سنجی
به منظور انجام آزمون ریزسختی و بررسی تاثیر هر یک از متغیرها بر توزیع سختی در عرض فصل مشترك اتصال، نمونه هاي متالوگرافی پس از سنباده زنی و صیقل کاري مکانیکی و با انجام عملیات حکاکی مورد استفاده قرار گرفتند. بدین منظور سختی سنجی ویکرز در عرض سطح اتصال و با فواصل 0/5 میلیمتري و بار اعمالی 50 گرم در مدت 10 ثانیه از مناطق جوش، متاثر از حرارت وفلز پایه به صورت سنجش پیوسته توسط دستگاه Mxt 30 ساخت Matsuzawa ژاپن با دقت ±3 واحد انجام شده و پروفیل توزیع سختی براي نمونه ها رسم گردید.
نتایج و بحث
تاثیر توان و فشار بر عرض ناحیه متاثر از حرارت
تغییر در میزان توان جوشکاري، عرض ناحیه متاثر از حرارت را نیز تحت تاثیر قرار می دهد. جدول (1) عرض ناحیه متاثر از حرارت و شکل (2) نحوه تغییرات عرض ناحیه متاثر از حرارت در توان هاي مختلف جوشکاري و فشار ثابت 1/12MPa را نشان می دهد. همانگونه که مشاهده می شود با افزایش توان جوشکاري، عرض ناحیه متاثر از حرارت افزایش می یابد. علت این امر آن است که با افزایش توان جوشکاري، نقش مقاومت حجمی ماده در تولید حرارت طبق رابطه ژول افزایش یافته و همچنین عرض ناحیه اي که تحت تاثیر حرارت قرار می گیرد، ازدیاد می یابد. افزایش توان جوشکاري باعث افزایش دماي فصل مشترك جوش شده و دماي این ناحیه را بالا می برد و به تبع، حرارت از این ناحیه به ناحیه متاثر از حرارت منتقل می شود و باعث می شود که دماي این منطقه در هنگام سرد شدن یکنواخت تر بوده، شیب دمایی تند بوجود نیاید و در نتیجه عرض ناحیه متاثر از حرارت افزایش می یابد. جدول (2) تاثیر فشار جوشکاري بر عرض ناحیه متاثر از حرارت و شکل (3) نحوه تغییرات عرض ناحیه متاثر از حرارت در توان جوشکاري 3400V.A را نشان می دهد. همانگونه که مشاهده می شود با افزایش فشار جوشکاري، عرض ناحیه متاثر از حرارت افزایش می یابد. هنگامی که سطح دو فلز با زبري مشخص در تماس با یکدیگر قرار می گیرد، چنانچه فشار اعمالی کمتر از استحکام تسلیم فلز باشد، سطح تماس واقعی که بین برجستگی ها و فرو رفتگی ها ایجاد می شود، کمتر از سطح تماس هندسی خواهد بود. هنگامی که جریان الکتریکی از این سطح تماس عبور می کند، خطوط شارش جریان از داخل نقاط جداگانه اي که در تماس واقعی قرار دارند، عبور خواهد کرد. این انقباض در شدت جریان الکتریکی، سطح مقطع فلز عبور دهنده جریان در سطح اتصال را کاهش داده و سبب افزایش مقاومت الکتریکی می شود. رابطه بین فشار جوشکاري و مقدار مقاومت تماسی به صورت زیر بیان می شود.[16]
که در این رابطه تنش تسلیم ماده و چگالی برجستگی هاي سطحی، مقاومت الکتریکی ویژه حجمی مواد اتصال، مقدار مقاومت تماسی در واحد سطح و P فشار اعمالی هستند.
بر طبق این رابطه، افزایش فشار سبب کاهش مقدار مقاومت تماسی می شود. لذا با افزایش فشار نقش مقاومت حجمی ماده در ایجاد حرارت افزایش خواهد یافت. همچنین افزایش فشار سبب افزایش سهم حرارت ایجاد شده ناشی از مقاومت حجمی ماده در مقابل عبور جریان الکتریکی شده و حجم فلز در معرض حرارت را افزایش می دهد در نتیجه باعث افزایش عرض ناحیه متاثر از حرارت می گردد.
