بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهينه سازي ريزساختار و خواص مکانيکي اتصال غيرمشابه فولاد زنگ نزن آستنيتي ٣١٠ به اينکونل ٦١٧ توسط فرايندجوشکاريقوسي تنگستن -گاز پالسي
چکيده
سوپرآلياژ پايه نيکل اينکونل ٦١٧ و فولاد زنگ نزن آستنيتي ٣١٠ AISI دونوع ماده مهندسي هستند که به صورت گسترده در صنايع دماي بالاو در کاربردهايي که نياز به مقاومـت بـه اکسيداسـيون وجـود دارد اسـتفاده مـي شـوند.
جايگزيني اينکونل ٦١٧ با فولاد ٣١٠ بسيارمقرون به صرفه بوده و به همين منظور استفاده از فرايندهاي جوشـکاري ذوبي مانند فرايندجوشکاري قوسي -تنگستن گاز ضروري است . دراين پـژوهش ،بهينـه سـازي پارامترهـاي فراينـد جوشکاري قوسي -تنگستن گاز پالسي با هدف ايجاد ريزساختار مناسب و ارائه بهترين خواص مکانيکي انجام شـد.
بدين منظور از فلز پرکننده ERNiCrCoMo به عنوان ماده پرکننده استفاده شد. فرايندجوشکاري پالسي بـاتغييـر سه پارامتر مهم جريان بيشينه ، جريان کمينه و فرکانس جوشکاري انجام شد. بررسي هاي ريـزسـاختاري و ارزيـابي خواص مکانيکي برروي مقاطع جوشکاري شـده انجـام شـد. از نتـايج تجربـي و آزمايشـگاهي بـراي توسـعه مـدل رياضي به منظورپيش بيني خواص مکانيکي اسـتفاده گرديـد. روش طراحـي آزمـايش مرکـب مرکـزي و تکنيـک تکرار کامل که جزء روش رويه پاسخ مي باشد براي بهينه سازي پارامترهاي جوشکاري مورد استفاده قـرار گرفـت .
بدين منظور از سه فاکتور متغييربا پنج سطح استفاده شد ومدل هاي رياضي توسط روش رگرسيون چندگانه توسعه داده شد.يافته هاي پژوهش نشان مي دهد که ميزان جريان جوشکاري به علـت تـاثير مسـتقيم بـر حـرارت ورودي و فرکانس جريان به دليل ايجاد ضربان هاي قوسي ناشي از تغيير جريان مهمترين عوامل تاثير گذارمي باشند.
واژه هاي کليدي : اتصال غيرمشابه ، جوشکاري قوسي -تنگستن گاز پالسي ،طراحي آزمايش ،ريزساختار، خواص مکانيکي
١.مقدمه
جوشکاري غيرمشابه بصورت گسترده در اتصال آلياژهاي مختلف به يکديگر مورد استفاده قرار مـي گيـرد. ايجاد اتصال عاري از عيب يکي از مهمترين موضوعات در مبحث فرايندهاي جوشکاري در صنايع مختلف مانند صنايع نفت و گاز، شيميايي ، توليد نيرو و...به شمارمي رود. پارامترهـاي جوشـکاري در کنـار ترکيـب شـيميايي فلزات پايه و پرکننده ، ريزساختار را تعيين نموده و عـاملي تاثيرگـذار در تعيـين مقاومـت بـه خـوردگي ، خـواص مکانيکي و جوش پذيري اتصال بشمارمي آيد. در بسياري از مـوارد، لـزوم جوشـکاري فولادهـاي زنـگ نـزن بـه آلياژهاي پايه نيکل اغلب در شرايط دما بالا به همراه اکسيداسيون شديد احساس مي گـردد. همچنـين جـايگزيني آلياژهاي پايه نيکل توسط فولادهاي زنگ نزن در صورت امکان ، تا حدود زيادي هزينه هاي تأمين مواد را کاهش مي دهد [١].اينکونل ٦١٧ يک سوپرآلياژ پايه نيکل محلول جامـد بـا خـواص مهندسـي بسـيار بالاسـت . بـه دليـل مقاومت به خوردگي داغ عالي اين آلياژ به صورت گسترده در محيط هاي اکسيدکننده و کاهنده در دماهاي بـالا مورد استفاده قرار مي گيرد [٢].فولاد آستنيتي ٣١٠ يک جايگزين مناسب براي اين آلياژ است که با تشکيل يک لايه غني از کروم تا دماهاي حدود ١١٥٠ درجه سانتيگراد مقاومت به اکسيداسيون عالي از خـود نشـان مـي دهـد
[٣].جوشکاري قوسي تنگستن -گاز با جريان پالسي يک فرايند رايج جوشکاري محسوب شده که در آن جريان جوشکاري بين سطوح بالاو پايين در زمان هاي طولاني يا کوتاه تغييرمي کند. اين امر منطقه جـوش رادر ميـزان جريان بالا به نقطه ذوب رسانده و در طول جريان پايين به آن اجازه مي دهـد کـه سـرد شـده و منجمـد شـود. در ميزان جريان زمينه (پايين ) گرماي ورودي به حوضچه جوشکاري و حجم حوضچه جوش مذاب کاهش يافتـه و بهينه ترين حالت کنترل حوضچه بدست مي آيد. چنانچه بتوان پارامترهاي جريان پالسي را بصـورت بهينـه کنتـرل نمود مي توان از مزيت هاي آن مانند ريزساختاري مناسب از لحاظ اندازه دنـدريت هـا يـا انـدازه دانـه هـا، کـاهش منطقه متأثر از حرارت ، کنترل جدايش و ميزان رقت مي توان بهره برد [٤].
٢.موادو روش تحقيق
فلزات پايه استفاده شده در تحقيق شامل فولاد آستنيتي ٣١٠ و اينکونل ٦١٧ در شـرايط آنيـل انحلالـي وبـه صورت ورق هايي با ضخامت ١٢ميلي متر بود. اتصال با فرايند جوشکاري قوسي تنگستن -گازو باجريان مستقيم الکترود منفي (DSEN) و با استفاده ازسيم جوش ERNiCrMo١ با قطر ٢/٤ميلي متر به عنوان فلز پرکننده انجـام شد. سپس قطعاتي بصورت عمـود بـر خـط جوشـکاري برشـکاري و متـالوگرافي شـد.آزمـايش کشـش مطـابق استاندارد AWS-B٤ برروي نمونه هاي گرد عرضي در دماي اتاق و با سرعت mm/min ١انجام شـد.آزمـايش ضربه بر روي قطعات عرضي با اندازه ١٠×١٠×٥٠ميلي مترو در دماي اتاق صورت پذيرفت .
٢-١.طراحي آزمايش و مدل رگرسيوني
روش رويه پاسخ ١ترکيبي ازطراحي آزمايش ،رگرسيون ٢وتئوري بهينه سازي است . در اين روش با استفاده از سري تيلورو تکنيک رگرگسيون رابطه بـين جـواب مـورد نظـرو پارامترهـاي کمـي بيـان مـي گـردد. در بـين روش هاي طراحي آزمايش ، طراحي مرکب مرکزي ٣به عنوان رايج ترين دسته شناخته مي شـود. طراحـي مرکـب مرکزي مبتني بر سه پارامترو پنج سطح ، داراي بيست آزمايش (گام ) شامل (٨=٢٣)نقاط فاکتوريل دو سـطحي و شش نقطه مرکزي و شش نقطه محوري است . فاصله گام هاي محوري از مرکزباαنشان داده مي شود.αبه تعداد آزمايش درروش فاکتوريل جزئي بستگي دارد [٥]:
و اگر آزمايش فاکتوريل کامل باشد:
که در آن K تعداد پارامترهاست .
٢-٢.طراحي روش آزمايش
مراحل استفاده شده دراين تحقيق رامي توان به صورت زير خلاصه نمود:
*تعيين پارامترهاي جوشکاري پالسي با بيشترين تأثير بر روي خواص مکانيکي و ريزساختار
*انتخاب محدوده بالاو پايين مناسب براي هر يک از پارامترهاي انتخاب شده
*تعيين و انجام آزمايش ها بر اساس ماتريس استاندارد مبتني بر تعداد پارامترهاو سطوح آن ها
*انجام آزمايش هاي مکانيکي مانند چقرمگي شکست براي بدست آوردن پاسخ ها
*يافتن شرايط بهينه وتعيين پارامترهاي مهم
*توسعه مدل هاي رياضي بر اساس روش رگرسيون
*امتحان دقت مدل هاي توسعه يافته و تعيين خطاي مدل
٢-٣.تعيين پارامترهايمهم فرايند
بر اساس مطالعات و بررسي نتايج آزمايش هاي انجام شده ، پارامترهايي که بيشترين تأثير را بر روي خـواص مکانيکي اتصالات دارند عبارت است از: جريان حداکثر، جريان زمينه و فرکانس پالس .
٢-٤.دامنه کاري پارامترهاي فرايند
تعدادزيادي آزمايش با تغيير يک پارامتر فرآيندو ثابت نگه داشتن بقيه پارامترهـا انجـام شـد. دامنـه کـاري جريان حداکثر، جريان مبناو فرکانس با استفاده از بازرسي چشمي و کيفيت جـوش و عـدم وجـود عيـوب قابـل رؤيت مانند عدم نفوذ، ذوب ناکامل ، بريدگي کنار جـوش و...تعيـين شـد. بـه عنـوان مثـال هنگـامي کـه جريـان حداکثر کمتر از ١٠١ آمپر بود عدم نفوذو ذوب ناکافي مشاهده شد. هنگامي کـه مقـدار آن از ١٩٩ آمپـر بيشـتر شد جرقه ، پاشش ، بريدگي کنار جوش و تلاطم بـيش از حـد حوضـچه جوشـکاري مشـاهده شـد. هنگـامي کـه فرکانس بيشتر از ١٦هرتز گرديـد نيـز پاشـش زيـادي مشـاهده شـد. بـر همـين اسـاس دامنـه کـاري پارامترهـاي جوشکاري تعيين گرديد که در جدول ١نشان داده شده است .جوشـکاري در چهـار پـاس و بـاميـانگين ولتـاژ ٨ ولت و سرعت ١/١٥ميلي متر بر ثانيه انجام شد.
٣.نتايج و بحث
٣-١.آزمايشات انجام شده مبتني بر طراحي آزمايش مرکب مرکزي
پس از جوشکاري بيست نمونه مطابق ماتريس طراحي آزمون هاي مکانيکي برروي هر نمونه انجام شـد کـه نتايج بدست آمده در جدول ٢نشان داده شده است .
٣-٢.محاسبه ضرايب مدل رگرسيون و توسعه مدل هايرياضي
روش رگرسيون براي توسعه مدل هاي رياضي و پيش بيني خواص مکانيکي استفاده شد. تابع رويـه پاسـخ را
مي توان اين گونه بيان نمود:
مدل رويه پاسخ مرتبه دوم براي سه پارامتر عبارت است از:
که در آن н٠عبارت ثابت معادله رگرسيون ، нiضرايب عبارت خطي ،нiiضرايب معادلـه درجـه دوم و нij
