بخشی از مقاله
تاثیر سرعت پیشروی ابزار جوشکاری اصطکاکی اختلاطی (FSW) بر ریزساختار اتصال لبه روی هم (Lap-Joint) ورقهای با ضخامت متفاوت آلیاژ آلومینیوم 5456
از آنجا که جوشکاری ذوبی آلیاژهای آلومینیوم سری 5000 به خصوص در اتصال لبه روی هم، همواره با مشکلاتی همراه
بوده است، لذا فرایند جوشکاری حالت جامد اصطکاکی اختلاطی می تواند به عنوان جایگزینی مناسب در این نوع اتصال
مطرح گردد. جهت نیل به این مقصود، نیاز به بهینه سازی پارامترهای فرایند جوشکاری اصطکاکی اختلاطی می باشد. در این پژوهش، اثر سرعت پیشروی ابزار بر ریزساختار جوش اصطکاکی اختلاطی آلیاژ آلومینیوم 5456 در حالت لبه روی هم (Lap-Joint) به گونه ای که ورق کارسرد شده H321 با ضخامت 5 میلی متر بر روی ورق آنیل با ضخامت 2/5 میلی متر قرار گرفته است، بررسی شد. همه نمونه ها با سرعت دورانی 600 دور بر دقیقه اما سرعت های پیشروی مختلف 15، 30، 60 و
100 میلی متر بر دقیقه جوشکاری شدند. در ابتدا درشت ساختار مقطع جوش مورد بررسی قرار گرفت و تاثیر سرعت
پیشروی ابزار بر چگونگی سیلان مواد در ناحیه جوش و شکل گیری عیوب مورد تحقیق واقع شد. سپس مقطع جوش توسط میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شد. همچنین تغییرات اندازه دانه دکمه جوش و سختی همان نقطه با تغییر سرعت پیشروی محاسبه گردید. نتایج نشان می دهد که با افزایش سرعت پیشروی ابزار، ارتفاع عیب هوک کاهش می یابد و در سرعتهای بالا عیب نقص پیوند تماسی (Kissing Band) ایجاد می گردد. علاوه بر این، برخلاف
نتایج سایر محققان با وجود کاهش اندازه دانه در اثر افزایش سرعت پیشروی، سختی دکمه جوش به دلیل کاهش کرنش وارده به فلز پایه کاهش یافته است.
کلمات کلیدی: آلیاژ آلومینیوم 5456، جوشکاری اصطکاکی اختلاطی، سرعت پیشروی ابزار، اتصال لبه روی هم، ریزساختار.
مقدمه:
جوشکاری اصطکاکی اختلاطی (FSW)، یک فرایند اتصال حالت جامد نسبتا جدید میباشد که در سال 1991 توسط TWI
توسعه داده شده است. امروزه، این فرایند نقش کلیدی در اتصال آلیاژهای آلومینیوم سری 2000، 5000، 6000، 7000 و همچنین آلیاژهای منیزیم، تیتانیوم، مس و فولاد ایفا میکند .[1]
آلیاژهای آلومینیوم سری 5000 ، به طور گسترده ای در صنایع نظامی، اتومبیل سازی و کشتی سازی مورد استفاده قرار می
گیرند. آلیاژ 5456 پر استحکام ترین آلیاژ تجاری غیر قابل عملیات حرارتی میباشد که برای سازههای جوش مورد استفاده
قرار میگیرد. این آلیاژ همچنین در صنایع نظامی، سازههای پر استحکام، ساختمان سازی، مخازن نفت و گاز و خطوط لوله پر
فشار کاربرد دارد 2] و.[3 در هنگام جوشکاری ذوبی این آلیاژها، خواص مکانیکی ناحیه اتصال به دلیل تشکیل ساختار دندریتی و امکان ایجاد ترک گرم و تخلخل در ناحیه ذوب شده، افت میکند. لذا استفاده از فرایند جوشکاری FSW، میتواند
روشی مناسب جهت افزایش خواص مکانیکی و میکروساختاری ناحیه اتصال در این آلیاژها باشد.
فرایند جوشکاری اصطکاکی اختلاطی، علاوه بر اتصال سر به سر1 در بسیاری از کاربردهایی که اتصال لبه روی هم یا ترکیبی
از هر دو نوع اتصال نیاز میباشد، کاربرد دارد. به عنوان نمونه، محفظه های سر بسته، مانند مبدل های حرارتی را می توان با این فرایند جوش داد. .[4]
در حالت کلی جوشکاری اصطکاکی اختلاطی در اتصال لبه روی هم نسبت به اتصال سر به سر به این دلایل مشکل تر است :[5]
1. ناحیه اتصال در فصل مشترک با یک پین با قطر کم محدود شده است.
2. تخریب لایه اکسیدی در فصل مشترک بین دو ورق و اختلاط عمودی مورد نیاز بین دو ورق بالایی و پایینی در
اتصال لبه روی هم مشکل تر است. به دلیل اینکه در اتصال لبه روی هم ( بر خلاف اتصال سر به سر)، جهت سرعت خطی ابزار چرخنده در فصل مشترک با جهت صفحه فصل مشترک موازی است.
3. لایه اکسیدی پیوسته با اندازه ای همانند عیوب (هوک) ، در اطراف دکمه و مخصوصا در سمت پیش رونده مشاهده می گردد.
گرمای تولیدی و نحوه سیلان (جریان) مواد در حین فرایند FSW ، پایه های این فرایند هستند که بایستی به طور کامل درک
شوند تا بتوان از آنها به عنوان یک ابزار علمی جهت پیش بینی کنترل کیفیت و کارایی جوش استفاده کرد. جریان مواد (پلاستیک) بر روی شکل گیری نواحی مختلف جوش و عیوب جوش تاثیرگذار است. شدت تغییر شکل پلاستیک ایجاد شده توسط پین ابزار دورانی و همچنین تاریخچه عملیات حرارتی انجام گرفته بر روی فلز پایه، بر روی ریز ساختار جوش
تاثیرگذار است .[6]
جریان مواد در فرایند جوشکاری اصطکاکی اختلاطی بسیار پیچیده است 7] و.[8 یکی از مدل هایی که به توضیح جریان مواد
در حین فرایند FSW پرداخته است، بیان می کند که دکمه جوش به این گونه شکل می گیرد که مواد سطحی از سمت پس
رونده به ناحیه پلاستیک شده اطراف پین اکسترود می شوند .[9]
مواد انتقال یافته از سمت پس رونده، تحت یک حرکت گردابی اکسترود می شوند. این موضوع، کاملا با مشاهدات حاصل از
الگوی جریان مواد در سطح مقطع طولی و عرضی اتصال لبه روی هم، در توافق می باشد. بر اساس این نتایج حرکت مواد در داخل دکمه جوش، سه نوع می باشد :[12-10]
1. حرکت گیردار1 مواد سطحی اطراف ابزار،
2. حرکت پیچشی2 مواد به علت حرکت دورانی مواد سطحی در تقابل با لایه های زیرین شانه ابزار،
3. حرکت گردابی3 مواد همراه با جریان عمودی ماده به دلیل تقابل با پین ابزار.
جهت استفاده از فرایند FSW برای ایجاد اتصال لبه روی هم در آلیاژهای آلومنیوم سری 5000، بایستی پارامترهای فرایند
همچون سرعت جوشکاری، سرعت دورانی، زاویه ابزار با سطح کار و هندسه ابزار به درستی طراحی شوند. در این پژوهش
سعی می گردد تاثیر سرعت پیشروی ابزار جوشکاری بر ریزساختار اتصال لبه روی هم ورق های با ضخامت متفاوت آلیاژ آلومنیوم 5456 مورد بررسی قرار گیرد.
مواد و روش ها:
در این پژوهش، از دو ورق آلومینیوم 5456 با ضخامت 5 و 2/5 میلیمتر استفاده گردید. شا یان ذکر است که اگرچه هر دو
ورق از لحاظ آنالیز عنصری یکسان می باشند ولی از لحاظ تاریخچه عملیات حرارتی صورت گرفته بر روی آنها متفاوت
هستند. به گونه ای که ورق 5 میلی متری کارسرد شده و H321 است، در حالی که ورق 2/5 میلی متر آنیل شده است. آنالیز
اسپکترومتری هر دو ورق توسط دستگاه Jobin Yvon Emission صورت پذیرفت. سختی هر دو ورق به صورت مجزا توسط دستگاه سختی سنج برینل Briviscop با ساچمه کاربید تنگستنی و آزمایش کشش توسط دستگاه Instron M200 با ظرفیت 20 تن و طبق استاندارد DIN EN 1002 صورت پذیرفت. آنالیز شیمیایی هر دو ورق در جدول 1 قابل مشاهده است.
جدول 1 ترکیب شیمیایی آلیاژ آلومینیوم 5456
از ورق های با ضخامت 5 و 2/5 میلی متر، نمونه هایی با ابعاد150×150 میلی متر آماده گردید. ورق ها با سنباده تا مش 800، سنباده زده شدند و در نهایت نمونه ها با استون شسته شده و آماده جوشکاری شدند. ابتدا ورق با ضخامت 5 میلی متر کارسرد شده H321، بر روی ورق با ضخامت 2/5 میلی متر آنیل قرار گرفته و سپس نمونه ها توسط گیره بر روی فیکسچر
فولادی محکم گردیدند. جوشکاری در سرعت دورانی ثابت 600 rpm و سرعتهای پیشروی 15، 30، 60 و 100 میلی متر بر
دقیقه صورت گرفت. زاویه ابزار با قطعه کار در تمامی نمونه ها، 3 درجه می باشد. سرعت ورود ابزار به قطعه کار mm/min 20 ، مدت زمان توقف ابزار قبل از حرکت و جوشکاری 15 ثانیه و جهت دوران ابزار، پادساعتگرد بود. جهت جوشکاری، از دستگاه جوشکاری اتوماتیک اصطکاکی اختلاطی LINEAR 400 در حالت نیمه اتوماتیک استفاده گردید. ازآنجا که جنس و
هندسه ابزار از پارامترهای بسیار تاثیرگذار در فرایند FSW می باشد؛ ابزاری به شکل مخروط بر عکس از جنس فولاد گرم
کار H13 استفاده گردید. مشخصات ابزار در جدول 2 مشهود است.
جدول 2 مشخصات ابزار مورد استفاده برای جوشکاری
جهت بررسی درشت ساختار و ریز ساختار، از وسط خط جوش نمونه ای با ابعاد 4×1 سانتی متر برش داده شد. جهت
بررسی نمونه ها، سطح نمونه ها توسط سنباده تا مش 2000 صاف گردید. سپس از پودر آلومینای 0/3 میکرون، جهت پولیش استفاده گردید. جهت اچ کردن نمونه ها از محلول اچ حاوی 50 میلی لیتر محلول پولتن (Poulton Reagent)، 25 میلی لیتر اسید نیتریک غلیظ و 40 میلی لیتر از محلول 3 گرم اسید کرمیک در 10 میلی لیتر آب استفاده گردید .[8] برای مشاهده درشت ساختار و ریز ساختار، میکروسکوپ نوری OLYMPUS مدلPMG3 مورد استفاده قرار گرفت. جهت بررسی های
دقیقتر ریزساختاری نیز، از میکروسکوپ الکترونی روبشی Tescan مدل Vega با ولتاژ 30 kV مجهز به EDS استفاده گردید.
ترکیب پارامترهای فرایند و همچنین گرمای ورودی، تاثیر مستقیم بر مشخصات ریزساختاری و مکانیکی مخصوصا اندازه دانه
و ریزسختی دارد. همچنین بین اندازه دانه و ریزسختی نیز، ارتباط تنگاتنگی وجود دارد. لذا جهت بررسی تـاثیر پارامترهـا بـر روی اندازه دانه، بعد از گرفتن عکس از مرکز دکمه جوش، توسـط نـرم افـزار Analysis Pro 3.2 و طبـق اسـتاندارد ASTM E112 اندازه متوسط دانه ها در مرکز دکمه جوش مشخص گردید. سپس از همان نقطه، آزمون ریز سختی ویکـرز بـا نیـروی
200 گرم و زمان 15 ثانیه توسط دستگاه BUHLER- MXT صورت پذیرفت.
نتایج و بحث:
شکل 1، تصویر درشت ساختار سطح مقطع تمامی نمونه های جوشکاری شده با ترکیب هـای مختلـف سـرعت پیشـروی در سرعت دورانی ثابت 600 rpm را نشان می دهد. در این شکل به خوبی نحوه سیلان مواد در داخل دکمه جوش، عیوب ایجاد شده در جوش و همچنین تاثیر پارامتر سرعت پیشروی مشهود است.
شکل 1 درشت ساختار سطح مقطع جوش نمونه های جوشکاری شده در سرعت پیشروی 600 rpm و سرعت دورانی الف) 15 mm/min، ب) 30 mm/min ، پ) 60 mm/min ، ت) .100 mm/min
