بخشی از مقاله
بررسی خواص مکانیکی و متالورژیکی جوشکاري اصطکاکی در فولاد زنگ نزن AISI 316L و بهینه
سازي پارامتر هاي جوشکاري به روش تاگوچی
چکیده
فولادهاي زنگ نزن به واسطه دارا بودن خواص منحصر به فرد طور گسترده در بسیاري از صنایع مانند اتومبیل سازي، صنایع شیمیایی، صنایع غذایی و ... مورد استفاده قرار می گیرند و نیاز به اتصال این فولاد ها در بسیاري از صنایع احساس می شود. اتصال این شاخه از فولاد ها به روش هاي متداول جوشکاري داراي مشکلاتی است که نیاز به بکار گیري روش هاي جدید دارد.این پژوهش اساسا بر روي جوشکاري اصطکاکی فولاد زنگ نزن AISI 316L تمرکز می کند. نمونه هاي جوشکاري شده با استفاده از تست هاي مکانیکی و متالورژیکی (تست کشش،میکروسختی و متالوگرافی) ارزیابی شده اند. با افزایش زمان
جوشکاري ناحیه تغییر شکل پلاستیک افزایش یافته و پلیسه بیشتري تولید می شود. همچنین سطح شکست نمونه هاي کشش با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد بررسی قرار گرفته اند و نتایج نشان داده است که شکست با افزایش زمان جوشکاري به صورت نرم و اغلب در ناحیه جوش رخ می دهد. با بررسی نتایج آزمایشات به راحتی می توان دید که مقاومت کششی جوش قابل مقایسه با فلز اصلی است. با توجه به نتایج بدست آمده از آزمایشات کشش مقادیر بهینه پارامتر هاي متغیر در این روش جوشکاري توسط روش تاگوچی تعیین شده است.
کلمات کلیدي: جوشکاري اصطکاکی، خواص مکانیکی و متالورژیکی، فولاد 316، بهینه سازي
مقدمه
فولاد هاي زنگ نزن به چهار دسته مارتنزیتی، فریتی، آستنیتی و دو فازي تقسیم می شوند کـه فولادهـاي زنـگ نـزن آسـتنیتی بزرگترین گروه بوده و در تناژهایی بالاتر از هر گروه تولید می شوند. ایـن دسـته داراي حـداقل %12 کـروم و %8 نیکـل مـی باشند.مهمترین مشخصه شناسایی این دسته از فولاد هاي زنگ نزن غیر مغناطیسی بودن آنها می باشد. در فولاد هاي زنگ نـزن 316 به منظور بهبود مقاومت به خوردگی حفره اي حدود %2مولیبیدن جایگزین مقدارمعادل آن ازکـروم شـده اسـت کـه ایـن مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی زمینه هاي استفاده از این آلیاژ آستنیتی را در بسیاري از صنایع علی الخصـوص صـنایع غذایی، برودتی، پزشکی و .... فراهم آورده است. از آنجا که جوشکاري این آلیاژها به روش هاي معمول ذوبی باعث تغییـرات متالورژیکی و تشکیل فازهاي ناخواسته( مانند فاز سیکما یا فریت دلتـا) شـده((4 و ایـن تغییـرات در ترکیـب بـا تـنش هـاي پسماندي که به هنگام جوشکاري به وجود می آیند از کارایی و عملکرد صحیح آنهـا مـی کاهـد، روش هـاي جوشـکاري در حالت جامد مانند جوشکاري اصطکاکی می تواند یکی از راه حل هاي مناسب باشد. جوشکاري اصطکاکی به وسـیله حـرارت ایجاد شده ناشی از حرکـت سایشـی دو قطعـه کـار روي یکـدیگر،امکان ایجـاد اتصـال را فـراهم مـی آورد.از دلایـل برتـري جوشکاري اصطکاکی نسبت به روش هاي معمول ذوبی می توان به عدم نیاز به روانساز، ماده پرکننده و گاز محافظ؛ عدم نیـاز به تمیز کاري سطوح، انرژي مورد نیاز کمتر، عملیات جوشکاري بدون قوس، گاز و دود؛ منطقه متاثر از حرارت باریک، امکان
اتصال فلزات غیر همجنس و غیر فلزات و تنش هاي پسماند کمتر اشاره کرد که تنش هاي پسماند کمتر در مورد اتصال فولاد هاي زنگ نزن به دلیل کاهش مقاومت به خوردگی منطقه جوش در حضور تنش هاي پسماند حائز اهمیت است.
ساتیا((5 به بررسی خواص مکانیکی و متالورژیکی جوشـکاري اصـطکاکی فـولاد زنـگ نـزن 304 پرداخـت. آنهـا در تمـامی آزمایشات مقاومت کششی جوش را بیش از %95 فلز پایه گزارش کرده اند. همچنین با انجـام دیگـر آزمایشـات مکـانیکی بـر روي نمونه ها، جوشکاري اصطکاکی براي این آلیاژ را بسیار موفق توصیف کرده اند.
ساتیانارایانا و دیگر همکارانش((7 به بررسی و مقایسه اتصـال دو فـولاد زنـگ نـزن غیـر همجـنس 304 و 430 بـه دو روش جوشکاري اصطکاکی و قوس الکتریکی پرداختند. آنها با روش تحلیل واریانس به تحقیق بر روي نتـایج حاصـله از تسـت هـا پرداخته و اتصال جوشکاري اصطکاکی را موفق تر و خواص مکانیکی این اتصال را بسیار نزدیک به فلز پایه گزارش کرده اند. آویناش((3 به بررسی رفتار مکانیکی آلیاژ Ti-6Al-4V که به روش جوشکاري اصطکاکی اتصال داده شده بـود پرداخـت. ایـن آلیاژ به علت مقاومت کششی بسیار بالایی که در دماهاي زیاد از خود نشان می دهد نیـاز بـه یـک روش اتصـال مطمـئن و بـا کیفیت بالا دارد که جوشکاري اصطکاکی به عنوان یکی از روش ها مورد تحقیق قرار گرفتـه اسـت.آنهـا بـا انجـام آزمایشـات مکانیکی و متالوگرافی اتصال روش جوشکاري اصطکاکی را یکی از بهترین روش هاي اتصال براي این آلیاژ گزارش کرده اند. هاکان((2 به بررسی خواص سوپر آلیاژ MA956 (پایه آهنی) متصل شده به روش جوشکاري اصطکاکی پرداختند. این آلیاژ که مقاومت بسیار خوبی در برابر خزش و اکسیداسیون در دماهـاي بـالا دارد اگـر بـا روش هـایی ماننـد جوشـکاري لیـزر، پرتـو
الکترونی و قوس الکتریکی با تنگستن متصل شود نمی تواند خواص مکانیکی مطلوب را از خود نشـان دهـد.آنهـا بـا بررسـی اتصال به روش جوش اصطکاکی این روش را موفق ترین در میان روش هاي ذکر شده گزارش کرده اند.
مواد و روش ها
این پژوهش اساسا بر روي اتصال فولاد زنگ نزن با شماره استاندارد AISI 316L به روش جوشکاري اصـطکاکی تمرکـز مـی کند که عناصر آلیاژي بکار رفته در آن با انجام آنالیز کمی (کوانتومتري) مشخص گردیده است(جـدول .(1 مفتـول هـاي بکـار رفته براي انجام آزمایشات داراي قطر 20 mm و طول 100±5 mm بوده است. پارامتر هاي مهم و موثر بـر کیفیـت اتصـال در فرایند جوشکاري اصطکاکی عبارتند از: سرعت دوران اسپیندل((V، فشار اولیه (P1)، زمان اولیه (T1)، فشار ثانویه (P2)، زمـان ثانویه .(T2) هریک از این پارامترها با توجه به نوع ماده تحت جوشکاري و ابعاد آن اثـرات متفـاوتی بـر روي کیفیـت اتصـال دارند که تا کنون یک روش واحد و استاندارد براي انتخاب این پارامترها ابداع نشده است.
جدول 1 درصد عناصر آلیاژي در فولاد 316 L
در این پژوهش در تولید تمامی نمونه هاي آزمایش سرعت دوران اسپیندل ثابت و برابر 1500 rpm در نظر گرفته شـده اسـت. چهار پارامتر دیگر متغیر و دامنه تغییرات هریک با توجه به مقالات و تحقیقات گذشته، امکانات دستگاه و انجام چند آزمـایش اولیه در جدول2 آورده شده است.در ادامه براي طراحی آزمایش به روش تاگوچی بهترین انتخاب، جدول آرایـه هـاي متعامـد L9 است. با وارد کردن سطح تغییرات پارامتر ها در جدول آرایه هاي L9 شرایط تولید هر یک از 9 نمونـه آزمـایش مشـخص خواهد شد(جدول .(3نمونه هاي آزمایش به وسـیله دسـتگاه جوشـکاري اصـطکاکی سـاخت شـرکت Black Equipment بـه یکدیگر متصل گشته اند.
نمونه ها پس از جوشکاري به شکل 1 در آمده اند. به منظور انجام تست کشش هر یک از دو نمونه مشابه تولید شده به شکل دمبلی و طبق استاندارد DIN 50 125-A 10*50 آماده سازي گشته اند. همچنین به منظور متالوگرافی ناحیه جوش نمونه هـا در راستاي عمود بر خط جوش بریده شده که براي این کار از دستگاه وایرکات به منظور کاهش اثرات حرارتی حاصل از برش
