بخشی از مقاله
چکیده
در بررسی روشهای جوشکاری و اتصال قطعات به یکدیگر روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یکی از روش های نوینی می باشد که در جوشکاری قطعات آلومینیومی به عنوانی روشی اقتصادی و باکیفیت مطرح میگردد. در مقاله حاضر سعی شده است تا با معرفی این روش به بررسی تاثیر پارامترهای گوناگون بر روی خواص اتصالات آلومینیوم آلیاژی سری 7000 از لحاط خواص متالورژیکی و حرارتی آلومینیوم نظیر نحوه ی توزیع دما و ریز ساختار جوش پرداخته شود. نتایج بدست آمده از این آزمایش نشان می دهد که اندازه دانه ها در ناحیه ناگت در حدود 5 تا 12 میکرومتر است و کمترین اندازه دانه در ناحیه ناگت تشکیل می شود.
-1مقدمه
در سالهای اخیر در بحث اتصالات آلومیینیوم به دلیل داشتن برخی خواص توجه خاصی شده است. با توجه به پیشرفت علم در زمینه ی جوشکاری قطعات آلومینیوم می توان به روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اشاره کرد. البته باید به برخی ویژگیها نظیر ضریب انبساط حرارتی بالای آلومینیوم که موجب انبساط حجمی و اعوجاج غیر قابل قبولی در حین جوشکاری میشود توجه خاصی داشت.
به عنوان نمونه ضریب هدایت حرارتی بالای آلومینیوم نیازمند وجود منبع حرارتی قویتر و متمرکز تری می باشد، علاوه بر آن به علت بالا بودن ظرفیت حرارتی آلومینیوم، برای افزایش دمای آلومینیوم حرارت بیشتری مورد نیاز است. رسانش الکتریکی بالای آن نیز محدودیتهایی را در استفاده از جوشکاری مقاومتی که در آن حرارت در نتیجه مقاومت الکتریکی به وجود میآید به همراه خواهد داشت
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در سال 1991 به عنوان یک روش جوش حالت جامد در موسسهی جوش انگلستان ابداع گردید و در ابتدا برای آلیاژهای آلومینیوم استفاده شد. مفهوم پایهی این نوع جوشکاری، بسیار ساده است. یک ابزار چرخنده غیر مصرفی با طراحی مخصوص پین و شانهی ابزار به درون لبههای دو ورق نفوذ میکند و در طول خط جوش پیش میرود .
این ابزار جوش دو وظیفهی اصلی را انجام میدهد. الف - گرم کردن قطعه کار. ب - حرکت مواد به منظور ایجاد اتصال. اصطکاک بین ابزار جوش و قطعه گرما را ایجاد میکند. این تولید گرمای موضعی، باعث نرم شدن مواد اطراف پین میشود. در بخش اول این تحقیق با انجام کار آزمایشگاهی به بررسی پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی روی خواص حرارتی و ریز ساختار اتصالات ورق آلومینیوم آلیاژی پرداخته شده است و در بخش دوم که در مقاله ای دیگر ارائه شده خواص مکانیکی این اتصالات مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. بررسی آزمایشگاهی بهترین راه حل برای بررسی فرآیند و مطالعه خواص آن میباشد. به عنوان مثال در گزارشهای مختلف ناحیههای متفاوتی را به عنوان محل شکست تعریف نمودهاند که نشان دهندهی وابستگی کیفیت نهایی جوش به تمام متغیر های اثر گذار فرایند است
کار تجربی و آزمایشگاهی
هندسه ابزار از بخشهای مهم موثر در این نوع جوشکاری میباشد. یک ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، شامل پین و شانهی ابزار میشود در شکل 1 نمایی از ابزار نشان داده شده است .[4]
شکل 1 تصویری از قطعات ابزار جوشکاری
درجدول 1 جزییات ابزارهای مورد استفاده در این تحقیق آورده شده است.
جدول 1 هندسه ابزارهای آماده شده برای فرآیند جوش
با توجه به افزایش دانش و انجام آزمایش های گوناگون، ابزار هایی طراحی شده اند که نیروی لازم را کاهش داده و نیز مخلوط شدن بهتر و جریان مناسب ماده را ایجاد میکنند که در نتیجه منجر به جوشی بهتر میگردند . [5] به عنوان مثال میتوان ابزار های معرفی شده توسط انجمن جوشکاری انگلستان را بیان نمود. در شکل 2 تصویری از این ابزارها نمایش داده شده است.
جدول :3 خصوصیات مکانیکی فولاد ابزار
عملیات حرارتی سخت کردن ابزار مطابق با استانداردهای ASTM انجام شده است: ابتدا حرارت دادن آرام و یکنواخت تا دمای بین 995 تا 1025 درجه سانتیگراد و شناوری به مدت 20 دقیقه که برای هر 25 میلیمتر ضخامت، 5 دقیقه اضافه در نظر گرفته می شود. سپس عملیات سرد کردن سریع کهمعمولاً از هوا به عنوان سیال خنک کننده استفاده میشود. و در نهایت عملیات بازپخت به منظور سختی ثانویه که شامل نگهداری ابزار به مدت 2 ساعت در دمای حدود 510 درجه سانتی گراد جهت افزایش استحکام و سپس خنک کردن در هوا میباشد. البته میتوان از بازپخت ثانویه نیز برای افزایش بیشتر استحکام استفاده کرد که شامل دو بار تکرار عملیات بازپخت به مدت 2 ساعت در دمای مورد نظر و خنک کاری در هوا میباشد. در جدول4 خواص فولادپس از بازپخت آورده شده است.
شکل 2 ابزارهای معرفی شده توسط انجمن جوشکاری انگلستان
ابعاد ورقهای آلومینیوم به کار رفته به عنوان قطعه کار در این تحقیق، 6×300×150 میلی متر میباشد و هیچ گونه عملیات حرارتی بر روی ورقها انجام نگرفته است. برای ایجاد حرکت دورانی مورد نیاز پین در درون قطعه از یک دستگاه فرز کاری کمپانی FIRST تایوان استفاده شده است. دستگیرهی صفحه متحرک دستگاه به طور دستی چرخانده میشود، همچنین دستگاه قابلیت ارائه سرعت دورانی 250، 500، 1500، 2200 دور بر دقیقه را دارا میباشد. جنس ابزار جوشکاری از فولاد ابزار AISI H13 انتخاب شده است. این نوع فولاد، از انواع گرم کار فولاد ابزار میباشد. که در جداول 2 ترکیب شیمیایی و در جدول 3 خصوصیات مکانیکی آن ارایه شده است
جدول :4 خواص فولاد بعد از بازپخت شدن
همچنین در جدول 5 ترکیب شیمیایی ورقهای آلومینیوم مورد استفاده در این تحقیق بیان شده است.
جدول :5 مقادیر آلیاژهای موجود در نمونه مورد استفاده
نتایج
توزیع دما
دو عامل تغییر شکل پلاستیک و اصطکاک بین ابزار و قطعه کار موجب افزایش دما درون ناحیهی اغتشاشی و اطراف آن میشود .[4] همچنین افزایش دما بر ریزساختار ماده مانند: اندازهی دانه، مرز دانه بندی، حل شدن رسوبات و در نتیجه خصوصیات مکانیکی جوش تأثیر گذار است. در تحقیقات انجام شده بیشینه دما در این ناحیه با استفاده از ریز ساختار جوش پیشبینی شده است .[9] در مواردی نیز از ترموکوپل تعبیه شده در پین برای اندازه گیری دما در این ناحیه استفاده شده است. رودز و همکارانش بیشینه دمای فرآیند جوشکاری برای Al7075-T651 را 400 تا 480 درجهی سانتیگراد تخمین زدند. درشکل 3 نتایج توزیع دما در فواصل مختلف و در سرعت های دورانی متفاوت نشان داده شده است
شکل :3 تأثیر سرعت دورانی بر روی بیشینه دما
با توجه به نمودار ارایه شده افزایش سرعت دورانی از 300 به 650 بیشینه دما را 40 درجه افزایش داده است و افزایش آن از 650 به 1000 فقط 20 درجه بیشینه دما را افزایش داده است. در این تحقیق ورق های جوش داده شده تحت عملیات حرارتی قرار نگرفته اند. اما ورق کار شده جز آلیاژهای عملیات حرارت پذیر دسته بندی میشود. در این آلیاژها سختی و استحکام، ناشی از رسوب سختی مناسب در حین فرآیند پیرسازی است.
سیکل های حرارتی که در حین فرآیند جوشکاری اعمال میشود، منجر به درشت شدن رسوبات و نابجایی می شود. برای اینکه فرآیند از لحاظ دمایی کنترل گردد و نیز تاریخچه دمایی آن به دست آید، از حسگر دماسنج مولتی متر GWINSTEK GDM394 استفاده شده است که دارای دقت 1درجه سانتیگراد و قابلیت اندازه گیری دما در محدودهی -40 تا 1000 درجه سانتیگراد است.
خطای ابزار طبق اعلام سازنده در محدودهی 0 تا 400 درجه، 1 درصد میباشد. مکانهای مورد نظر برای اندازه گیری دما بسته به قطر شانه ابزار در فواصل 1، 5 و 10 میلیمتری از لبهی ابزار در نظر گرفته شدهاند. در شکل 4 نقاطی که اندازه گیری دما در آنها اتفاق افتاده نشان داده شده است. پارامترهای آزمایش عبارتند از سرعت دورانی 2200 دور بر دقیقه، سرعت پیشروی 4 میلی متر بر دقیقه، زاویهی انحراف 3/5 درجه و ابزار با قطر شانهی 20 میلی متر استفاده شده است.
شکل :4 میزان دما در نواحی مختلف
باید توجه داشت که این اندازه گیری دما هم زمان انجام نگرفته است اما به علت سرعت پایین پیشروی میتوان آن را هم زمان در نظر گرفت. درجدول 6 نتایج حاصل از اندازه گیری دما در نقاط نشان داده شده در شکل 4 آورده شده است.
جدول :6 اندازه گیری دما در نقاط مختلف نشان داده شده
در شکل 5 تقریبی از تغییرات دما برحسب فاصله از مرکز جوش در سمت جانبی - منحنی - y1 و در سمت جلوی ابزار - منحنی - y2 نشان داده شده است. در هر دو رابطه با صفر قرار دادن مقدار x می توان به دمای پیش بینی شده برای مرکز جوش رسید.
شکل :5 نمودار رابطه تغییرات دمابرحسب فاصله
