بخشی از مقاله
چکیده
آلیاژ آلومینیم 5083 ازجمله آلیاژهای گرید، دریایی است که در ساخت کشتیهای مسافربری، قایق های تندرو، صنایع دریایی و صنایع دفاعی به دلیل مقاومت به خوردگی بالا در آب دریا، جوشپذیری خوب و خواص مکانیکی بالا بهطور گسترده به کار میرود. در کارخانجات کشتیسازی، آلیاژ آلومینیم 5083 به روش GMAW1 با چندین پاس جوشکاری میشود. اگر در هنگام بازرسی جوش در حین جوشکاری و یا در شرایط کاری عیوبی در جوش یا نزدیک موضع جوشکاری مشاهده شود بهمنظور افزایش عمر کاری تعمیر بر روی آن صورت میگیرد. در این تحقیق به بررسی تأثیر تعمیر مکرر بر ریزساختار و خواص مکانیکی آلومینیم 5083-H321 تحت فرآیند جوشکاری P-MIG2 با فلز پرکننده ER5183 پرداخته شده است. نتایج حاصل از تعمیر مکرر حاکی از این است که حرارت ورودی اضافی در اثر افزایش تعداد دفعات تعمیر باعث افزایش فاصله بین بازوهای دندریت در جهات مختلف در فلز جوش، افزایش اندازه دانه در اثر تبلور مجدد درHAZ3 و همچنین تشکیل شبکه پیوستهای از رسوبات در مرز دانه ها و تهی شدن زمینه از فاز سخت میشود که منجر به کاهش خواص مکانیکی در اثر تعمیر با توجه به نتایج حاصل از آزمون کشش و میکرو سختی میشود.
کلمات کلیدی: جوشکاری میگ پالسی، آلیاژ آلومینیم 5083-H321، جوشکاری تعمیری، ترکیبات بین فلزی، ریزساختار، میکرو سختی
مقدمه
آلیاژ آلومینیم - منیزیم AA5083-H321 جزء آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر سری 5xxx میباشد . این آلیاژ به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی بالا، قابلیت جوشکاری خوب، انعطافپذیری بالا و قابلیت شکلپذیری خوببهطور وسیعی در صنایع دریایی برای ساخت کشتیهای مسافربری، باربری، قایقهای تندرو و در ساخت زیردریاییها و همچنین در خودروسازی، هوافضا و پلها مورداستفاده قرار میگیرد.[1] وجود حدود 5 درصد منیزیم در این آلیاژ، استحکام را از طریق استحکام دهی محلول جامد افزایش میدهد و باعث افزایش کار سختی میشود. علاوه بر آلومینیم و منیزیم عناصری مانند منگنز، سیلیسیم، کروم، آهن و تیتانیم از دیگر عناصر مهم در این گروه از آلیاژها میباشند. منگنز مانند منیزیم با تشکیل محلول جامد باعث افزایش استحکام و انعطافپذیری میشود. کروم باعث افزایش مقاومت به خوردگی تنشی شده و تیتانیم بهعنوان ریزدانه کننده استفاده میشود .[2]
بررسیهای انجامشده بر روی ریزساختار فلز پایه آلیاژ آلومینیم 5083 نشان میدهد که زمینه این آلیاژ یک ساختار دانهریز متشکل از فاز محلول جامد آلفا - محلول جامد منیزیم در آلومینیم - بوده که ذرات ریز Mg2Al3 و ذرات درشت شامل ترکیبات بین فلزی Al-Fe-Mn-Si در داخل آن توزیعشدهاند . در این آلیاژ سه نوع رسوب میتوان مشاهده نمود، رسوبات غنی از آهن باترکیب Al6 - Fe-Mn - که گاهی علاوه بر Al، Fe، Mn مقداری Cr هم در آنها دیده میشود، رسوبات حاوی سیلیسیم و منیزیم باترکیب Mg2Si و رسوبات غنی از منیزیم باترکیب Al3Mg2 هستند. آلیاژهای آلومینیم - منیزیم استحکام خود را مدیون وجود ترکیبات بین فلزی در آنها میباشند .[3-5]
در کارخانجات کشتیسازی، آلیاژ آلومینیم 5083 با روش جوشکاری قوسی فلز با گاز خنثی با چند پاس جوشکاری میشود اما با توجه به مزایای استفاده از روش پالسی از قبیل کاهش انرژی ورودی، کاهش منطقه متأثر از حرارت، کاهش اندازه دانه و ریزساختار، بهبود شکل گرده جوش و کاهش اعوجاج ناشی از جوشکاری بیشتر از فرایند P-MIG استفاده میشود. همچنین بهمنظور تمیز کردن قوس و شکستن لایههای اکسیدی در جوشکاری آلومینیم در این روش از جریان مستقیم با الکترود مثبت DCEP4 استفاده میشود. با توجه به شرایط کاری و محیطی که کشتیهای دریایی در آن کار میکنند، اجزاء و سازههای جوشکاری شده تحت تنشهای زیادی قرار میگیرند که این تنشها باعث تحلیل رفتن آنها و درنهایت انهدام آنها میشود؛ بنابراین اگر پس از جوشکاری و یا در حین کار عیوبی در نزدیکی مقطع جوش تشخیص داده شود جوشکاری تعمیریمعمولاً برای افزایش عمر کاری انجام میشود. بااینحال مؤثر بودن جوش تعمیری کمی ابهام دارد زیرا ممکن است این کار همراه با افزایش تنشهای پسماند، اعوجاج قطعه و از بین رفتن ریزساختار به علت سیکلهای حرارتی اضافی گردد. هرچند تاکنون مطالعات بسیار کمی در ارتباط با جوشکاری تعمیری بر روی آلیاژ آلومینیم 5083 با فرایند MIG و تأثیر حرارت ورودی و تعداد دفعات تعمیر بر ریزساختار و خواص مکانیکی و خوردگی انجامشده اما در تحقیقی که توسط Katsas و همکاران انجامشده است. تأثیر افزایش تعداد دفعات تعمیر بر ریزساختار و خواص مکانیکی بر روی آلومینیم موردبررسی قرارگرفته است. در این تحقیق بر روی نمونهها جوشکاری تعمیری تا 4 مرتبه صورت گرفته است. نتایج بهدست آمده حاکی از این است که در اثر افزایش تعداد دفعات تعمیر اندازه ترکیبات بین فلزی Fe-Mn و مقدار تخلخل در پاس ریشه افزایش یافت. سیکلهای حرارتی اضافی پس از هر تعمیر منجر به کاهش استحکام در پاس ریشه و ناحیه متأثر از حرارت میشود. با افزایش تعداد دفعات تعمیر اندازه دانه در پاس ریشه جوش افزایش یافت.[6]
در این پژوهش به بررسی تأثیر تعمیر مکرر بر ریزساختار و خواص مکانیکی جوش آلیاژ آلومینیم 5083-H321تحت فرایند P-MIG پرداخته شده است.
مواد و روش تحقیق
در این تحقیق از ورقهای آلومینیم Al 5083-H321 ، به ابعاد 500mm×300mm×5mm و فلز پرکننده ER5183 استفادهشده است. ترکیب شیمیایی ورق و فلز پرکننده در جدول - 1 - بر اساس استانداردAWS5 نمایش دادهشده است. با توجه به ضخامت ورقها در هنگام آمادهسازی، قطعات بهصورت لببهلب با پخ جناغی یکطرفه با پشتبند مطابق با شکل - 1 - آماده شدند.
جدول : - 1 - ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم 5083 و فلز پرکننده مورد .[7]
الف: مشخصات محل اتصال ب: ابعاد قطعات جوشکاری شکل ج: تصویر محل اتصال عملیات جوشکاری مطابق با پارامترهای جدول - 2 - بر سه نمونه W1،W2وW3 انجام گرفت. نمونهW1 فقط در دو پاس جوشکاری شده و جوشکاری تعمیری6 بر روی آن صورت نگرفته است. نمونه W2 علاوه بر جوشکاری اولیه در دو پاس و همچنین یکمرتبه جوشکاری تعمیری بر روی آن انجامشد. نمونه W3 علاوه بر جوشکاری اولیه در دو پاس، دومرتبه جوشکاری تعمیری بر روی آن انجامشده است. هر مرتبه جوشکاری تعمیری در دو پاس انجام شد. برای شبیهسازی جوشکاری تعمیری ابتدا جوشکاری اولیهای بر نمونهها انجامشده بود، به صورت مکانیکی و توسط عملیات سنگزنی برداشته شد وسپس با استفاده از متغیرهای جدول - 3 - جوشکاری تعمیری صورت گرفت.
جدول : - 2 - پارامترهای جوشکاری AA5083 به روش P-MIG
جدول : - 3 - پارامترهای جوشکاری تعمیری AA5083 به روش P-MIG
بهمنظور بررسی ریزساختار هریک از قطعات W1،W2 وW3 و مقایسه آنها باهم، نمونههایی با اندازه 25mm×10mm× 5mm بهصورت عمود بر جهت جوشکاری، از هریک از قطعات جدا شد. سپس نمونهها مانت گرم شدند و با سمبادههای80، 220، 320، 600، 800، 1200، 1500، 2000، 2500، 3000 ، 3500 سمباده زنی شدند و توسط پودر آلومینای 0/5 میکرومتر پولیش شدند. بهمنظور بررسی ریزساختار سطح مقطع جوشها و ناحیه متأثر از حرارت از محلول12ml HCL، 1ml H2O، 1ml HF، 6ml HNO3 و زمان اچ 5 تا 20 ثانیه استفاده شد.
برای بررسی خواص مکانیکی، آزمایشهای مکانیکی شامل کشش و میکرو سختی بر روی هریک از نمونهها انجام شد. برای ارزیابی خواص کششی قطعات، نمونههایی از آنها بر اساس استاندارد BS EN 895 تهیه شد. بهمنظور اندازهگیری سختی نمونهها و همچنین رسم پروفیل سختی مقاطع جوش، ناحیه متأثر از حرارت و فلز پایه از دستگاه ریز سختی سنج استفاده شد و آزمایش ریز سختی با واحد ویکرز با اعمال بار 500gr توسط ساچمه فولادی طبق استاندارد ASTM-E384-05a صورت گرفت. پروفیل سختی برحسب فاصله از مرکز جوش در فواصل 2mm برای نمونههای W1،W2 وW3 رسم شده است.
نتایج و بحث
شکل - 2 - ، ریزساختار فلز جوش نمونههای W1،W2 وW3 را با میکروسکوپ نوری نشان میدهد. در نمونه W1 که جوشکاری تعمیری بر آن انجام نمیشود به دلیل کم بودن حرارت ورودی حوضچه مذاب سریع سرد شده و دندریتها فرصت کافی برای رشد پیدا نمیکنند. بنابراین فلز جوش دارای ریزساختار دندریتی و ریز است؛ اما در نمونه W2 یکمرتبه جوشکاری تعمیری علاوه بر جوشکاری اولیه بر روی آن انجامشده حرارت ورودی اضافی نسبت به نمونه W1 به آن وارد میشود، درنتیجه نمونه W2 دیرتر نسبت به نمونه قبل سرد شده و دندریتها فرصت رشد کردن در جهات مختلف را طبق تصاویر ریزساختار دارند و باعث افزایش فاصله بازوهای دندریتی7 میشود. در نمونه W3 بهواسطه دومرتبه جوشکاری تعمیری حرارت ورودی اضافی بهمراتب بیشتر از نمونه W2 به آن وارد میشود؛ که باعث کاهش شدید نرخ سرد شدن نمونه دومرتبه تعمیر نسبت به نمونه یکمرتبه تعمیر شده درنتیجه فلز جوش نمونه W3 دارای ساختاری دندریتی بهمراتب ریزتر، کشیدهتر، مورب و هم محورتری نسبت به نمونه W2 میباشد. علت مورب شدن و کشیدگی به سبب گرمای ناهمگن و سرد شدن در طول مدت جوشکاری میباشد و باعث میشود که دندریتها از حالت ستونی به دندریتهای هممحور و ریز تبدیل شوند.[8]
