بخشی از مقاله
بررسی اثر پارامترهای عملیات حرارتی بر فصل مشترک و خواص مکانیکی و متالورژیکی ورق سه لایه جوش انفجاری آلومینیوم – فولاد – آلومینیوم
چکیده
یکــی از روشهــای ایجــاد اتصــال بــین فلــزات هــمجــنس و غیر همجنس، فرایند جوش انفجاری می باشد کـه فشـار لازم جهـت اتصال از طریق انرژی ناشی از انفجار مواد منفجره حاصل می شود. در این پژوهش به بررسی اثر دما و زمان عملیـات حرارتـی آنیلینـگ بـر خواص مکانیکی و فصل مشترک ورق سه لایه آلومینیـوم – فـولاد – آلومینیوم مورد مطالعه قرارگرفته است. در این راستا نمونـههـای یـاز ورق جوش انفجاری Al/Fe/Al تهیه شد. خواص مکانیکی اتصال از طریق تست های استحکام برشی و استحکام کششی مورد مطالعه قرار گرفت و پروفیل تغییرات سختی در راستای ضخامت نمونهها به دست آمد. ترکیبات بین فلزی تشکیل یافته در فصل مشترک اتصال پس از عملیات حرارتی نمونههای جوش انفجاری با استفاده از میکروسـکوپ نــوری[OM]، میکروســکوپ الکترونــی روبشــی [FESEM] مــورد بررسی قرار گرفت. مطالعه سطوح فصل مشترک نشـان مـی دهـد بـه دلیل اینکه ترکیبـات بـین فلـزی تشـکیل شـده در فصـل مشـترک اتصال، ماهیتی ترد و شـکننده دارنـد تحـت کشـش و تغییـر شـکل پلاستیک شکسته شده و موجب تسریع ترک می شوند. بررسی فصـل مشترک پس از عملیات حرارتی نشان میدهد که افزایش دما و زمان عملیات حرارتی آنیلینـگ باعـث افـزایش عمـق نفـوذ شـده اسـت و ضخامت ترکیبات بین فلزی تشکیل یافته در فصل مشـترک اتصـال، افزایش یافته است.
واژههای کلیدی
آلومینیوم، جوشـکاری انفجـاری، خـواص مکـانیکی، فـولاد، عملیات حرارتی.
مقدمه
جوش انفجاری یکی از روشهای جوشکاری حالت جامد است که امروزه به خصوص برای اتصال فلزات غیر همجنس کاربردهای فراوانی پیدا کرده است.
جوش انفجاری در اثر برخورد مورب و با سرعت بالای دو فلز بـه یکدیگر به وجود میآید. انرژی برخورد اولیه باید آن چنان باشد که در اثر پایستگی اندازه حرکت خطی باعث ایجاد جت و سیلان فلـزات در نقطه برخورد شود. جـت بـا برداشـتن یـک لایـه از سـطح، عملیـات تمیزکاری را انجام میدهد و سطوح بکر و عاری از آلودگی دو فلـز در اثر فشار بالای ناشی از انفجار به یکدیگر فشـرده مـیشـوند و اتصـال متالورژیکی به وجـود آمـدن پیونـد اتمـی در سـطح تمـاس حاصـل میشود.[1]
در این روش مقداری کار سختی هنگام برخورد صـفحات اتصـال به یکدیگر حین جوش انفجـاری و هـمچنـین بـه سـبب اثـر شـوک موجهای برگشتی ایجـاد مـیشـود. بـه منظـور بهبـود شـکلپـذیری ورقهای کار سرد شده و همچنین کاهش اثرات تنشهای پسـماندی که در فصل مشترک و مناطق اطـراف آن بـه وجـود مـیآیـد انجـام عملیات حرارتی آنیل بـر روی قطعـات ضـروری مـی باشـد. عملیـات حرارتی نمونهها به دلیل تشکیل ترکیبات بـین فلـزی تـرد در فصـل مشترک اتصال باید بـه دقـت کنتـرل شـود زیـرا تشـکیل و افـزایش ضخامت این ترکیبات بر خواص مکانیکی ورق اثر خواهد گذاشت. اگر ضخامت این ترکیبات به 5میکرومتر برسـد اتصـال را شـدیداً تحـت تأثیر قرار خواهد داد.[2]
در زمینه بررسی خواص مکانیکی و متـالورژیکی فصـل مشـترک اتصال آلیاژهای مختلف تحقیقاتی به انجام رسیده است.
چانکینگ و ژانپنگ[ 3] در سال 1992، اثر عملیـات حرارتـی در شکلگیری ترکیبات بین فلزی در فصل مشـترک اتصـال مولیبـدن فولاد را بررسی نمودند.
همچنین یان و همکاران[4]، امکان اتصال منیزیم به آلومینیوم به روش جوش انفجاری را بررسی کردند و میکرو ساختار و خواص باند جوش منیزیم / آلومینیوم را پس از جوش انفجاری مورد مطالعه قرار دادند.
در سال 2007، لـی و همکـاران[5] بـه بررسـی تـأثیر عملیـات آنیلینگ بر خواص مکانیکی و فصـل مشـترک اتصـال ورق سـه لایـه فولاد/آلومینیوم/مس که به روش نورد گـرم بـه یکـدیگر اتصـال داده شدهاند پرداختند.
در سال 2009، تریکاریو و همکاران[ 6] به بررسی تأثیر عملیـات حرارتی بر خواص متالورژیکی و مکانیکی فصل مشـترک اتصـال ورق فولاد به آلومینیوم سری 5000 پرداختند که به منظـور اتصـال ایـن ورق ها از لایه واسطه از جنس آلومینیوم سری 1000 اسـتفاده شـده است.
لو و همکاران[7] در سال 2009 به بررسی پیشرفت هـای انجـام شده در زمینه جوش انفجاری و اتصال ورقهای چندلایه به این روش و عملیات ثانویه مثل عملیات حرارتی که بر روی این ورقهـا صـورت گرفته است پرداختند.
در ســال 2009، موســوی و فرهــادی[8] ، بــه محاســبه عــددی پارامترهای جوش انفجاری و اثر نیروی انفجار بـر خصوصـیات فصـل مشــترک اتصــال تیتــانیوم/ فــولاد ضــد زنــگ پرداختنــد. چیــزری و همکاران[9]، نیز اثر شـکل صـفحه پرنـده را بـر ویژگـیهـای فصـل مشترک اتصال مورد بررسی قرار دادند و نتایج کار خـود را بـا نتـایج شبیهسازی مقایسه نمودند.
در سال 2011، شنگ و همکاران[10] ، صفحات آلومینیوم و مس را به روش نورد سرد اتصال دادند و اثر دما و زمان عملیات حرارتی بر خواص مکانیکی و متالورژیکی فصل مشترک اتصال مطالعـه نمودنـد. موحــدی و همکــاران[11]، در تحقیــق دیگــری بــه بهینــهســازی پارامترهای نورد جهت دستیابی به بالاترین استحکام باند جـوش در صفحات آلومینیوم/ فولاد پرداختند و خـواص بانـد جـوش اتصـال را مورد بررسی قرار دادنـد. حسـینی و همکـاران نیـز[12] پارامترهـای فرایند نورد را بر استحکام باند جوش صفحات هم جـنس مـس مـورد مطالعه قرار دادند.
نتایج تحقیقات محققین نشان می دهـد افـزایش دمـای عملیـات حرارتی به بیش از 300 درجه سانتیگراد منجر به کـاهش اسـتحکام اتصال آلومینیوم و فولاد می شود. همچنین مقاومـت بـه شکسـت تـا دمای 400 درجه سانتیگراد تغییر چندانی نمی کند همچنین بررسی سطح شکت نمونه ها نشان میدهد شکسـت در لایـه آلومینیـومی در دماهای بالاتر 320 درجه سانتیگراد از نوع ترد و در دماهای پایین تر از نوع نرم میباشد. لذا عملیات حرارتی ورق های آلومینیـوم / فـولاد/ آلومینیوم و در حالت کلی ورق های چند لایه جوش انفجاری شده در یک دما و زمان بهینه صورت می گیـرد تـا شـکلپـذیری و اسـتحکام جوش مناسبی به دست آید.
در این پژوهش یک ورق سه لایه متشکل از صـفحات آلومینیـوم (Al 1050)، (فولاد (ST37 و آلومینیوم (Al1050) کـه بـه روش جوش انفجاری به یکدیگر متصل شـده انـد تهیـه گردیـد سـپس اثـر پارامترهای دما و زمان عملیات حرارتی بـر خـواص مکـانیکی اتصـال ورق سه لایه آلومینیوم/ فـولاد/ آلومینیـوم مـی باشـد. بـدین منظـور خواص مکانیکی از طریق تستهای استحکام برشی و کششـی مـورد مطالعه قرار گرفت. همچنین سطوح شکست نمونههـا پـس از تسـت کشش توسط میکروسکوپ الکترونی مطالعه و بررسی گردید. در ادامه اثر عملیات حرارتی آنیلینگ بر خواص فصـل مشـترک اتصـال مـورد بررسی قرار گرفتـه اسـت کـه در ایـن راسـتای تغییـرات سـختی در راستای ضخامت نمونهها اندازهگیری شـد. ضـخامت و نـوع ترکیبـات بین فلـزی تشـکیل یافتـه در فصـل مشـترک اتصـال بـا اسـتفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی و همچنین آنالیز شیمیایی عناصر مورد مطالعه قرار گرفته است.
مواد و روش تحقیق
در ایــن مطالعــه از ورقهــای آلومینیــوم (Al1050) و فــولاد (ST37) به ابعـاد 30 30cm کـه ضـخامت ورق فـولاد 1/5 mm و ضــخامت ورق آلومینیــومی 1mm بــوده اســت بــه روش جوشــکاری انفجاری و چیـدمان مـوازی اتصـال داده شـده اسـت آنـالیز ترکیـب شیمیایی ورقهای مورد استفاده مطابق جدول 1 میباشد.
مواد منفجره پس از آمـاده سـازی و تـوزین در داخـل جعبـه از جنس کاملاً خشک ریخته شده و سپس بر روی صـفحه پرنـده قـرار گرفته است. در آزمایش جوش انفجاری شده در این تحقیـق از پـودر آماتول با ترکیب شیمیایی %92 درصد وزنـی نیتـرات آلومینیـوم بـه همراه %6 درصد وزنی گازوئیل و با چگالی 0/85 گرم بـر سـانتیمتـر مکعب و با سرعت انفجاری متوسط 2500 متر بر ثانیه استفاده شـده است همچنین جهت آغاز و اطمینان از عملیات انفجار از چاشنی C4 استفاده گردیده است.
جدول :1 آنالیز ترکیب شیمیایی ورقهای مورد استفاده در جوش انفجاری
به منظور بررسی پارامترهای دما و زمان عملیات حرارتی بر خواص مکانیکی نمونههای جوش انفجاری، تمامی نمونههای ورق سه لایه جوش انفجاری Al/Fe/Al تهیه شده در دمای250ºc و 350ºc درجه و زمان 60 دقیقه در دمای 300ºc و زمانهای 120-90-60-30min با تلرانس ± 5ºc عملیات حرارتی آنیلینگ انجام شد.
آزمون کشش به منظور بررسی اثر دما و زمان بر خواص مکانیکی مطابق استاندارد ASTM- E8M-88a آمادهسازی شده است.
به منظور بررسـی اثـر پارامترهـای عملیـاتی حرارتـی اسـتحکام نمونههای جوش انفجاری، آزمون استحکام برشی مطابق با اسـتاندارد تست استحکام برشی ASTMD 3165-95 انجام شده است
برای انجام عملیات متالوگرافی و استفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونههای کوچکی به ابعاد mm 10 10 15 با دستگاه کاتر برش و مانت گردید. برای انجام عمل پولیش از ماده ساینده پودر اکسید آلومینیوم در اندازه بسیار ظریف همراه یا پاشیدن آب روی صفحه گردان با دوران بین 300 تا 500 دور بر دقیقه انجام شد. به دلیل اینکه پس از پولیش تصویر مناسبی از ترکیبات بین فلزی مشاهده نشد فرایند اچ کردن (حک کاری) با ماده کِلِر و نایتال انجام شد.
جهت بررسی اتصال صفحات آلومینیـوم و فـولاد، تغییـرات ریـز ساختار در حین عملیات انفجار و همچنین شکلگیری ترکیبات بـین فلزی در فصل مشترک نمونههـای جـوش انفجـاری از میکروسـکوپ نوری و برای بررسی دقیقتر سطوح از میکروسکوپ الکترونی روبشـی مجهز به آنالیز EDS استفاده شده است.
به منظور بررسی تأثیر دما و زمان عملیات حرارتی آنیلینگ بر خواص مکانیکی و متالورژیکی فصل مشترک اتصال تست سختی سنجی ویکرز با بار 100 گرم در راستای ضخامت نمونه ها انجام شد به طوری که سختی هر دو فصل مشترک و مناطق اطراف آنها بررسی شده است.
نتایج و بحث
تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی نشـان دهنـده ایـن امـر است عملیات حرارتی آنیلینگ نمونه های جوش انفجـاری منجـر بـه تشکیل ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک اتصال آلومینیوم و فولاد در دمای 250 درجه سـانتیگراد گردیـده اسـت و بـا افـزایش دمـای عملیات آنیلینگ تا 350 درجه سـانتیگراد ضـخامت لایـه هـای بـین فلزی تشکیل شده در فصل مشترک اتصال افزایش یافته اسـت. ایـن موضوع در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل:1اثر تغییرات دمای عملیات حرارتی بر افزایش ضخامت ترکیبـات بـین فلزی (الف) دمای 250 درجه سانتیگراد و (ب) دمای 350 درجه سانتیگراد
تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی نشان دهنده شکلگیری و رشد ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک آلومینیوم و فولاد با افزایش دما و زمان عملیات حرارتی آنیلینگ می باشد. افزایش دما و زمان عملیات منجر به فعال شدن مکانیزم نفوذ و تشکیل ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک اتصال میشود در صورتی که ترکیبات بین فلزی هنگام جوشکاری انفجاری تشکیلشده باشد باعث سهولت بیشتر نفوذ اتمهای آلومینیوم و آهن هنگام عملیات حرارتی نمونه ها میباشد.
پروفیل ترکیب شیمیایی نشان دهنده عبور از فازهای مختلف در فصل مشترک اتصال می باشد. آنالیز کمی این نقاط جهت شناسایی ترکیب بین فلزی نشان میدهد ترکیبات بین فلزی فصل مشترک اتصال شامل؛ Al5Fe و Al3Fe2 و Al7Fe میباشد.
شکل((2 تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز شیمیایی از فصل مشترک اتصال پس از حرارت دادن در دمای 300ºc و زمان 120min را نشان میدهد. تغییرات شدید ایجاد شده در پروفیل ترکیب شیمیایی نشان دهنده عبور از فازهای مختلف در فصل مشترک اتصال میباشد. آنالیز کمی این نقاط جهت شناسایی ترکیب بین فلزی نشان میدهد ترکیبات بین فلزی فصل مشترک اتصال شامل؛ Al5Fe و Al3Fe2 و Al7Fe میباشد.
