ريزساختار و رفتار شكست جوش هاي مقاومتي نقطه اي ناهمجنس فولاد دوفازي DP600 و فولاد ساده كم كربن St14

مجيد پورانوري1، پيروز مرعشي2 و مصطفي موسويزاده3
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد دزفول
استاديار، دانشگاه صنعتي اميركبير
دانشجوي دكتري، دانشگاه تربيت مدرس تهران
mpouranvari@yahoo.com

چكيده
مقاله حاضر بهبررسي ريزساختار و رفتار شكست اتصال ناهمجنس جوشهاي مقاومتي نقطهاي فولاد دوفـازي فريتـي- مـارتنزيتيDP600 وفولاد ساده كم كربنSt14 ميپردازد. تأثير ج ريان جوشكاري در محدوده 5/7 تا 5/9 كيلـوآمپر بـر مشخـصههـاي متـالورژيكي و مكـانيكيجوش بررسي شد. بررسيهاي متالوگرافي نوري، ريزسختي سنجي و آزمون كشش- برش انجام شد. براي توصيف رفتار شكـست جـوش هـااز پارامترهاي نيروي ماكزيمم، انرژي شكست و مود شكست استفاده شد. نتايج نشان داد كه ريزساختار دكمه جوش متـشكل از مارتنزيـت،بينيت، فريت آلوتريمورفيك و فريت ويدمن اشتاتن است كه منجر بهافزايش قابل توجه سختي دكمه جوش نسبت بهفلزات پايه مي شـود. بـاافزايش جريان جوشكاري مود شكست جوشها از فصل مشتركي بهمحيطي تغيير ميكند. نشان داد ه شد كه انـدازه دكمـه جـوش مهمتـرينپارامتر كنترل كننده ظرفيت تحمل نيرو و قابليت جذب انرژي اتصال ناهمجنس DP600/St14 است.

واژههاي كليدي:
جوش مقاومتي نقطه اي، فولاد دوفازي، جوشكاري ناهمجنس، ريزساختار، شكست.

1- مقدمه
شركتهاي خودروسـازي در جـستجوي راه هـاي ي بـراي كـاهشمصرف سوخت خودرو و افزايش امنيت سرنشينان هـستند. يكـياز اين راهها استفاده از مواد جديد در ساخت خودرو ميباشد. هرمادهاي كـه كانديـداي اسـتفاده در خـودرو مـيشـود بايـد دارايقابليت فرمدهي، جوشكاري، پوششدهي و تعمير مناسـب باشـد. امروزه استفاده از فولادهاي استحكام بالاي پيشرفته به عنوان يـكاستراتژي مهم در بسياري از شـركتهـاي خودروسـازي بـزرگدنبال ميشود. استفاده از فولادهاي استحكام بالا، با كـاهش وزنخودرو موجب كاهش سوخت مصرفي خودرو ميشود. همچنين مشخص شده است كـه اسـتفاده از ايـن فولادهـا موجـب افـزايشقابليت اعتماد به خودرو در شرايط تصادف ميشود. به اين دلايـل ام روزه بح ث بك ارگيري ورق ه اي ف ولادي اس تحكام ب الايپيشرفته به ويژه بكارگيري فولادهاي دوفازي بهعنوان يك بحـثداغ مطرح است [1]. اگر چه تا سال 2001 از فولادهاي استحكامبالاي پيشرفته در بدنه خـودرو اسـتفاده نـشدهاسـت ، امـا در سـال2005 سهم 12 درصدي بهخود اختـصاص دادهاسـت . پـيشبينـيشدهاست تا سال 2015 اين مقدار به 50 درصد افزايش يابد [2].
استفاده از فولادهـاي دوفـازي در صـنعت خودروسـازي نيازمنـدبررسي جوشپذيري اين فولادها مي باشـد . جوشـكا ري مقـاومتينقطهاي اصليترين فر آيند اتصال ورق هاي فلزي به ويژه در صنايع خودروس ازي اس ت. خودوره اي ام روزي ب ين 2000 ت ا 5000 ج وش نقط هاي دارن د [3]. درك رفت ار مك انيكي ج وش ه اي نقطهاي در شرايط مختلف بارگذاري اهميت دارد. مـود شكـستجوشهاي نقطهاي يك معيار كيفي از كيفيـت و كـارايي جـوش است. بهطور كلي ، جوشهاي نقطهاي در دو مود فصل مـشتركيو محيط ي دچ ار شك ست م يش وند. در م ود ف صل م شتركي، شكست از طريق اشاعه ترك از ميان دكمـه جـوش (منطقـه اي از اتصال كه در حين سيكل حرارتـي جـوش، ذوب شـده و دوبـارهمنجمد ميشود) صورت ميگيرد و در مود محيطـي، شكـست بـابيرون كشيده شدن د كمه جوش از يك ورق صورت مـيگيـرد .
ظرفيت تحمل نيرو و قابليت جذب انرژي در مود فصل مـشتركيبهطور قابل توجهي كمتـر از مـود محيطـي اسـت، بنـابراين بـراياينكه جوشهاي نقطهاي در حين سرويس دچار تخريب زودرسن شوند، متغيره اي فرآين د باي د ب ه گون ه اي تنظ يم ش وند ك ه از دستيابي بهمود شكست محيطي اطمينان حاصل گردد [7-4].
بهين ه س ازي فرآين د جوش كاري مق اومتي نقط ه اي فولاده اي دوفازي تحقيقات وسيعي را بهخـود اختـصاص دادهاسـت . نتـايجكلي اين مقالات نشان ميدهد كـه مـشكلات اصـلي جوشـكاريمقاومتي نقطهاي فولادهاي دوفازي عبارتند از [10- 8]:

حساسيت زياد بهمود شكست فصل مشتركي
حساسيت زياد بهبيرونزدگي مذاب
تشكيل حفرههاي انقباضي در دكمه جوش ورود فولادهاي دوفازي بهصـنعت خودروسـازي، نيـاز بـهاتـصالفولادهاي دوفـازي بـهفولادهـاي ديگـر از جملـه فولادهـاي كـمكربن را فراهم آوردهاست.
درك رفتار شكست جوشهاي نقطهاي همجنس و هم ضـخامتچندان پيچيده نيست، اما رفتار شكـست اتـصالات نـاهمجنس بـهعلت تفاوت خواص فيزيكي و مكانيكي دو ورق ميتواند مشكلباشد. اكثر تحقيقات منتشر شده در مورد اتصالات جوش نقطهاي دو ف ولاد م شابه اس ت. تحقيق ات ب سيار كم ي در م ورد ات صال ناهمجنس فولادهاي دوفـازي بـا ديگـر فولادهـا صـورت گرفتـهاست. براي مثال كـو و وكـسلر1 [11]، بـا اسـتفاده از يـك روشطراحي آزمايشات، جـوش نقطـهاي فـولادDP600 بـا ضـخامتmm 2/2 ب هف ولاد HSLA350 ب ا ض خامت mm 8/1 را بررس ي كردند. ميلتيتسكاي2 و همكارانش [12]، اتصال سـه ورقـه فـولاد DP600، يك فولاد HSLA و يك فولاد كـم كـربن را بررسـيكردند و محدوده پارامترهاي مناسب بـراي جوشـكاري را تعيـينكردند. در هر دوي اين كارها، بهمسأله مود شكست توجـه نـشدهاست. سونسون3 [13]، مدلي براي تخمين سختي دكمه جوش در اتصال دو فولاد نامشابه ارائ ه داد ، اما در اي ن كار خواص مكانيكي جوش و مود شكست مورد توجه قرار نگرفت.
مقال ه حاض ر، ب هبررس ي ريزس اختار، م ود شك ست و خ واص مكانيكي اتصال ناهمجنس فولاد دوفازيDP600 و فـولاد سـادهكم كربن St14 مي پردازد.

روش تحقيق
2-1- فلز پايه ها
در اي ن پ ژوهش از دو ورق ف ولاد ك م ك ربن (LCS) و ف ولاد دوفازيDP600 (توليد شده توسط عمليـات حرارتـي آنيـل بـينبحراني) بهعنوان دو فلز پايه استفاده شد. تركيب شيميايي ايـن دو

جدول (1): تركي ب شيميا يي فلز هاي پايه مورد استفاده در اين تحقيق.
P S Si Mn C تركيب
0/038 0/017 0/095 0/204 0/065 St14
0/018 0/004 0/388 1/28 0/135 DP600

فولاد از طريق آناليز كوانتومتري بهدست آمـده و در جـدول (1) آورده شدهاست.
2-2- فرآيند جوش مقاومتي نقطه اي جوشكاري توسط دستگاه جوش نقطهاي ثابت با توان kVA120 انجام شد. براي جوش دادن نمونه ها از الكترود گـروه A ، مطـابق كلاس 2 دسته بندي RWMA استفاده شد. جنس اين الكتـرود از آلياژ مس-كرم- زيركونيوم است. قطر نوك الكتـرود 8 ميليمتـرانتخاب شد.
در اين پروژه، متغيرهاي جوشكاري بهصورت زير در نظر گرفتـهشدند:
جريان جوشكاري با 9 سطح (از 5/7 تا 5/9 كيلوآمپر)
زمان جوشكاري: 30 سيكل
نيروي الكترود: 1/5 كيلو نيوتن
زمان فشار: 40 سيكل
زمان نگهداري الكترود پس از قطع جريان: 15 سيكل در اين شرايط بيرونزدگي مـذاب مـشاهده نـشد. در هـر شـرايطجوشكاري چهار سري نمونه جوش داده شد كه سه سـري بـرايآزمون كشش – برش و سري ديگر براي بررسـيهـاي سـاختاريمورد استفاده قرار گرفتند.
2-3- بررسيهاي ساختاري
انجام گرديد . براي اچ كردن از محلـولهـاي نايتـال دو درصـد و

براي انجام بررسيهاي ساختاري نمونـههـا از وسـط دكمـه بـرشزده و مانت گرم شدند. براي بررسي ماكرو و ميكـرو سـاختاري، عمليات متالوگرافي نمونهها شامل سمبادهزني، پوليش و اچ كردن

شكل (1): شماتيك ناحيه جوش مقاومتي نقطهاي فـولاد دوفـازيDP600 بـه فولاد كم كربن، مقدار عمق نفوذ در فولاد دوفازي (DP) بيشتر از فـولاد كـم
ك ربن (LCS) اس ت. مح له اي انج ام آزم ون ريزس ختيس نجي در ش كل مشخص شدهاست.

شكل (2): ابعاد نمونه آزمون كشش- برش.

اسيد پيكرال استفاده شد. بهمنظور بررسي مشخـصههـاي هندسـيدكمه جوش، ماكروگرافهايي از تمامي نمونهها تهيه شد و ابعادهندسي دكمه جوش اندازه گيري گرديد.
2-4- آزمون ريزسختيسنجي
آزمون ريزسختي سنجي توسط دستگاه ريزسختيسنج شيميدزو با بار 100 گرم انجام شد. آزمون ريزسختيسنجي در امتـداد فـصلمشترك و 50 ميكرومتر بالاتر و پايينتر از خـط مركـز جـوش وهمچنين در راستاي عمودي در مركز جوش انجام شد. محلهاي انجام آزمون سختي در شكل (1) نشان داده شدهاست.
2-5- آزمون كشش- برش
نمونـــــ ههـــــ اي آزمـــــ ون كـــــ شش- بـــــ رش طبـــــ ق استانداردANSI/AWS/SAE/D8.9-97 تهيه شـدند [14]. ابعـاد اين نمونه ها در شكل (2) آورده شدهاست.

شكل (3): شماتيك نمودار بار- جابجايي در آزمون كشش- برش و پارامترهاي مورد استفاده براي ارزيابي خواص مكانيكي جوش ها.

شكل (4): ماكروساختار يك جوش مقاومتي نقطه اي ناهمجنس بين DP600 و
.St14

آزمون كشش- برش بهوسيله دستگاه آزمون كشش اينـسترون وبا سرعت 10 ميلي متر بر دقيقه انجام شد و نمودار نيرو- جابجـاييبــهصــورت همزمــان ثبــت گرديــد . بــا اســتفاده از نمــودار ني رو- جابج ايي دو متغي ر: 1) مق دار ح داكثر ني رو و 2) ان رژي شكست تا نقطه ماكزيمم نيرو براي هر نمونه تعيين شد (شكل 3). انرژي شكست بهصورت سطح زير نمودار بار- جابجايي تا نقطـه ماكزيمم نيرو با استفاده از انتگرالگيري عددي بـهكمـك رابطـه زير محاسبه شد:
N
FailureEnergy

F nX nX n1 ⎤⎦ (1)
كه در آن،F نيرو، X ميزان جابجايي و N تعداد داده هاي (نقاط) ثبت شده بهوسيله نرمافزار آزمون كشش است.
با استفاده از نمونههاي شكسته شده مـود شكـست نمونـههـا ثبـت
ش د. ب راي بررس ي س طح شك ست از ميكروس كوپ الكترون يروبشي (SEM) استفاده گرديد.

نتايج و مباحث
3-1- ماكروساختار منطقه اتصال شــكل (1) يــك ماكروســاختار شــماتيك و شــكل (4) يـ ك ماكروســاختار متــالوگرافيكي يــك جــوش مقــاومتي نقطــه اي نـ اهمجنس بـ ين فـ ولادSt14 و DP600 را نـ شان مـ ي دهـ د.
همانطوركه ملاحظه ميشود تشكيل يك جوشنقطـهاي موجـبايجاد تغييرات هندسي و تغييرات ساختاري در ورقهاي فلز پايـهميشود. ايجاد يك جوشنقطهاي از نظر هندسـي موجـب ايجـاديك شيار طبيعي در محل اتصال دو ورق ميشود (شكلهاي 1 و 4) كه رفتار مكانيكي يك جـوش را بـهشـدت تحـت تـأثير قـرارمي دهـد . همچنـين فـشار الكتـرود حـين سـيكل حرارتـي جـوش موجب ايجاد فرورفتگي الكترود (شكل 1و 4) و ايجاد يك محل تمركز تنش در لبه فرورفتگي مي شود.
بهعلت سيكل حرارتي فرآيند جوشكاري نقطـهاي يـك سـاختارناهمگن در محل اتصال تشكيل ميشود. محل اتصال را ميتـوانبه 3 منطقه فلز جوش (دكمه جـوش)، منطقـه متـأثر از حـرارت وفلز پايه تقسيم كرد. همانطوركـه ملاحظـه مـيشـود، عمـق نفـوذجوش در طرف دوفازي بهعلت بالا تر بـودن مقاومـت الكتريكـيمقداري بيشتر از فـولاد كـم كـربن اسـت. بـالاتر بـودن مقاومـتالكتريكي فـولاد دوفـازي بـهدليـل بـالاتر بـودن درصـدSi آن وهمچنين حضور فاز مارتنزيت با چگالي بالاي عيـوب كريـستاليدر آن ذكر شدهاست [11].
شكل (5) ت غييرات مشخـصههـاي هندسـي دكمـه جـوش (انـدازه دكمه جـوش و درصـد فرورفتگـي الكتـرود در ورق) بـر حـسبجريان جوشكاري را نشان ميدهد. همانطوركه مشاهده ميشـود،با افزايش جريان جوشكاري اندازه دكمه جوش بهعلـت افـزايش

شكل (5):تغييرات اندازه دكمه جوش و عمق فرورفتگي الكترود در ورق با جريان جوشكاري.

حرارت توليدي افزايش مييابد. همانطوركـه مـشاهده مـيشـود،ميزان فرورفتگـي الكتـرود در ايـن شـرايط جوشـكاري زيـر 10% است. نشان داده شده اسـت كـه فرورفتگـي الكتـرود در ايـن حـدتأثيري بر استحكام جوش (نيروي شكست) ندارد [9].
3-2- ريزساختار دكمه جوش
شكل (6- الف) ريزساختار فولاد كم كربن مورد استفاده در اينپروژه را نشان ميدهد. ريزساختار اين فولاد عمدتاً فريتـي همـراهبا درصد بسيار كمي پرليت در مرزدانهها ميباشد. دانههاي فريتدر جه ـت ن ورد ك شيده ش ده ان د. ش كل (6- ب) ريزســاختار ميكروسكوپ نوري فولاد دوفازي مورد اسـتفاده در ايـن تحقيـقرا نشان ميدهد. همانطوركه ملاحظه ميشود، ساختار ايـن فـولادمتــشكل از دو فــاز فريــت و فــاز مارتنزيــت اســت. در تــصوير ميكروسكوپ نوري فاز فريت بهرنگ روشن و فاز مارتنزيـت بـهرنگ تيره است.
شــكل (6- ج) و شــكل (6- د) ريزســاختار متــالوگرافي نــوريمناطق مختلف دكمه جوش را نشان ميدهد. همانطوركه مشاهدهميشود ريزساختار دكمه جوش يك ريزساختار پيچيده متـشكلاز مارتنزي ت، فري ت آلوتريمورفي ك، فري ت وي دمن اش تاتن و بينيت است.
ريزساختارFZ تابعي از تركيـب شـيميايي و سـرعت سـرد شـدناست. تركيب شيميايي منطقه فلز جـوش (دكمـه جـوش) اتـصالناهمجنس فـولاد كـم كـربن و فـولاد دوفـازي متـأثر از تركيـبشيميايي فولاد كم كربن و فولاد دوفازي و مقدار درجه ي رقـتدر اين منطقه مي باشد.
سرعت سـرد شـدن در فرآينـد جوشـكاري مقـاومتي نقطـهاي درمقايسه با سرعت سرد شدن در ديگر فرآيندهاي اتـصال از جملـهجوشكاريهاي قوسي ، جوشكاري پرتو الكترونـي و جوشـكاريليزر بالاتر اسـت [5]. ولگـر 4 [15] گـزارش كـرد، سـرعت سـردشدن در جوشكاري مقاومتي نقطهاي هنگامي كه زمان نگهداريصفر باشد، بهC/s ° 1000 مـيرسـد . بـا افـزايش زمـان نگهـداري بهعلـت اثـر كـوينچ الكترودهـاي مـسي، سـرعت سـرد شـدن درورق هاي با ضخامت كم تـا بيـشتر از C/s° 10000 مـي رسـد [8].
گولد5 و همكا رانش [8]، مدلي تحليلي براي تخمين سرعت سردشدن ارائ ه دادند . بنابر مدل آنها سرعت سرد شدن براي يك ورقبهضخامتmm 2، حدود 3000 درجه سانتي گراد بر ثانيه تخمينزده ميشود [8]. اين سرعت سرد شدن بالا در ديگر فرآ ينـدهاياتصال بوجود نميآيد. اين سرعت سرد شدن بالا ناشي از حضورالكترودهاي آبگرد مسي و اثر كوينچ آنها و همچنين زمان كوتاهسيكل حرارتي اعمال شده بر محل اتصال است. در اين روش بـر خلاف ديگـر روشهـاي مرسـوم جوشـكاري ذوبـي، بـا كـاهشض خامت فل زات پاي ه، س رعت س رد ش دن اف زايش م ي ياب د.
سرد شدن بحراني دكمه جوش دارد. تشكيل فازهاي غيرتعادلي بالاتر از فلز پايه است. نكته قابل توجـه
اين است كه در مجاورت مرزFZ/HAZ در طرف دوفازي يـك

ريزساختار مشاهده شده در دكمه جوش در مراحـل زيـر تـشكيلميشوند: با سرد شدن دكمه جـوش تـا زيـر دمـايA3 ، آسـتنيتشروع به استحاله ميكند. اولين فازي كه تشكيل مـيشـود فريـتآلوتريمورفيـ ك اسـ ت. فريـ ت آلوتريمورفيـ ك تمايـ ل دارد ب هص ورت لاي هه ايي رش د كن د و س طح دان ه ه اي آس تنيت را بپوشاند. حين اسـتحاله، كـربن در جلـوي فريـت تجمـع كـرده وموجب كاهش سرعت رشد لايه فريت با افـزايش ضـخامت لايـه فريت مي شود. از طرف ديگر، فريت ويدمن اشـتاتن، بـهصـورتص فحهاي رش د ك رده و اج ازه توزي ع و پ س زده ش دن ك ربن بهاطراف را ميدهد. اين امـر اجـازه مـيدهـد تـا طـول صـفحاتفريت ويدمن اشتاتن با يك سرعت پايدار افـزايش يابـد. سـرعت رشد صفحات نوك تيـز ويـدمن اشـتاتن بيـشتر از سـرعت رشـدلايههاي فريت آلوتريمورفيك است. تبديل آستنيت بـه بينيـت در دماهــاي پــايين تــر رخ مــي دهــد. در ادامــه آســتنيت باقيمانــده بهمارتنزيت تبديل ميشود [16]. بايد توجه داشـت كـه سـهم هـركدام از اين محصولات بستگي بهسـرعت سـرد شـدن و سـرعت

شكل (6): ريزساختار مناطق مختلف جوش مقاومتي نقطهاي فولاد DP600 و St14، الف) BM فولاد كم كربن، ب) BMفولاد دوفازي، ج و د) دكمه جوش در مكان هاي مختلف.

3-3- پروفيل سختي
پروفيل سختي معياري براي تغييرات خواص مكـانيكي در امتـدادمحل اتصال است. سختي هر نقطه تابع ريزساختار آن نقطه است.
پروفيل سختي اتصال در امتداد فصل مشترك در دو طرف فولادك م ك ربن و ف ولاد دوف ازي در ش كل (7) آورده ش دهاس ت.
همانطوركه ملا حظه مي شود پروفيل سختي از 3 منطقـه متنـاظر بـامناطق ريزساختاري دكمه جوش (FZ)، منطقـه متـأ ثر از حـرارت(HAZ) و فلز پايـه (BM) تـشكيل شـدهاسـت . سـختي در دكمـه جوش به علت تشكيل فاز مارتنزيـت، فريـت ويـدمن اشـتاتن و…
بالاتر از سختي هر دو فلز پايه است. سختي در HAZ نيز بـه علـت

)
الف
(

)

الف

(

(ب)
شكل (7): پروفيـل سـختي اتـصال نـاهمجنس جوشـكاري مقـاومتي نقطـهاي، الف) در امتداد فصل مشترك در طرف فولاد كم كربن و ب) در امتداد فصل مشترك در طرف فولاد دوفازي.

افزايش ناگهاني در سختي مشاهده ميشود. شكل (8) ريزساختار HAZ طـ رف DP600 در مجـ اورت FZ را نـ شان مـ ي دهـ د، همانطورك ه ملاحظ ه م يش ود ريزس اختار اي ن ناحي ه عم دتاًمارتنزيتي بههمراه مقداري فريت مي باشد.
ساختارHAZ در مجاورتFZ بهدليل: الف) درشت بودن انـدازه دانه آستنيت ناشي از سيكل حرارتي جوشكاري (افـزايش انـدازهدانه موجب افـزايش قابليـت سـختيپـذيري و تـشكيل مارتنزيـتميشـود [17])، ب) بـالاتر بـودن سـختيپـذيري فـولادDP600 نسبت به فولاد كم كربن بهعلت بيشتر بودن درصد كربن و منگنزآن و ج ) بالا بودن سرعت سرمايشي كه تجربـه مـيكنـد، عمـدتاً مارتنزيتي است.

شكل (8): ريزساختار HAZ طرف DP600 در مجاورت FZ.

مخل وط ش دن دو فل ز پاي ه درFZ (ب ا درص د ك ربن و منگن زمتفاوت) منجر به اين ميشود كـه سـختيپـذيري و كـربن معـادلدكمه جوش پـايينتـر از فـولاد دوفـازي شـود. در نتيجـه سـختيدكمه جوش كمتر از سختي HAZ در طرف DP600 است.
3-4- مود شكست
در اي ن ق سمت م ود شك ست ه اي م شاهده ش ده ح ين آزم ون كشش- برش توصيف شدهاست. بهطور كلـي، در محـدودههـايپارامتره اي جوش كاري م ورد اس تفاده در اي ن تحقي ق، دو م ود شكست متفاوت در آزمون كـشش- بـرش جـوش هـاي نقطـهاي فولادDP600 وSt14 مشاهده شد: مود شكست فـصل مـشتركيو مود شكست محيطي.
3-4-1- مود شكست فصل مشتركي
نمـودار بـار- جابجـايي يـك جـوش نقطـه اي كـه در مـود ف صلمشتركي دچار شكست شدهاست، شكل منحـصر بـهفـردي دارد.
شكل (9) نمونهاي از نمودار بار- جابجايي مربوط بـهشكـس ت درمود فصل مشتركي (IF) را نشان مـيدهـد . يـك سـطح شكـستنمونه از جوشهايي كه در مـود فـصل مـشتركي دچـار شكـستشدهاند نيز در اين شكل نشان داده شدهاست. همانطوركه مشاهدهميشود، اين نوع شكـست بـا تغييـر فـرم پلاسـتيك كمـي همـراهاست.

شكل (9): نمودار بار- جابجايي مربوط بهشكست در مود فصل مشتركي.

ش كل (10): ال ف) س طح شك ست ماكروس كوپي در م ود شك ست ف صل
مشتركي، در مركز دكمه جوش حفره انقباضي مشاهده ميشود و ب ) تـصويرSEM از منطقه حفره، ساختار دندريتي بهوضوح قابل مشاهده است.

نمودار پيش از رسيدن بهنقطـه مـاكزيمم، يـك منطقـه غيرخطـيدارد كه مربوط بهتغيير فرم پلاسـتيك دو ورق و كـرنش سـختيمربوط به آن ميباشد. نقطـه مـاكزيمم در نمـودار بـار- جابجـاييمتناظر با شروع رشد ترك از لبـه شـيار طبيعـي موجـود در محـلاتصال دو ورق و ورود آن بهمنطقه دكمه جوش است. نيـرو پـساز رشد سريع ترك در دكمه جوش سريعاً بهصفر مي رسـد . شـيارمعمولاً در HAZ و يا مرز HAZ/FZ قرار دارد.
از آنجايي كه يكي از مهمترين جنبـههـاي جوشـكاري فولادهـايدوفازي، حساسيت زياد بهمـود فـصل مـشتركي در آنهاسـت، دراينجا بهبررسي سطح شكست اين جوشها پرداخته ميشود.
سطح مقطـع ماكروسـكوپي شكـست فـصل مـشتركي در مقيـاسماكروسكوپي ترد است و بنـابراين قابليـت جـذب انـرژي آن درلحظه شكست تحت تأثير اين امر كاهش خواهد يافت. در سـطحشك ست ب سياري از ج وشه ايي ك ه در م ود شك ست ف صلمشتركي دچار شكست شده اند، حفره مشاهده شد.
شكل (10- الف) سطح شكست يك جوش نقطهاي كـه در مـود فصل مشتركي دچار شكست شده و حاوي حفـره اسـت را نـشانميدهد. شكل (10- ب) تصوير SEM از سـطح شكـست جـوشدر منطقه حفره را نشان ميدهد. همانطور كه ملاحظـه مـيشـود، ساختار منطقه حفـره سـاختار دنـدريتي دارد و بنـابراين مـيتـواننتيجه گرفت حفرههاي مشاهده شده از نوع حفـرههـاي انقباضـيهستند. اين نوع تركها در دكمه جوش در اثر انقباض دكمـه درحين انجماد بهوجود مي آيد. همانطوركه مـيدانـيم مـذاب دروندكمه جوش هنگام انجماد دچار كاهش حجم ميشـود . بنـابراينآخرين قسمتي كه منجمد ميشود با كاهش مذاب روبرو شـده ودر نتيجه با انجمـاد مـذاب بـاقي مانـده، حفـره تـشكيل مـيشـود .
ماهيت ساختار انجمادي متـشكل از دنـدريتهـاي ريـز در محـلحفره مؤ يد انقباضي بودن اين حفرهها است . توجه كنيد كـه ايـنحفرهها در اثر بيرونزدگي مذاب بوجود نيامدهاند. گزارش شـدهاست كه افزايش نيروي الكترود ميتواند موجـب كـاهش مقـدارحفره هاي انقباضي شود.
سطح شكست در نواحي نزديك بهحفـره هـاي انقباضـي در مـودفصل مشتركي يك ساختار ديمپلي دارد (شكل 11- الف).

شكل (11): سطح شكست در مود فصل مشتركي، الف) منطقه شكست نرم بـامشخصه ديمپلي و ب) منطقه شكست ترد با مشخـصه كليـواژي در لبـه دكمـهجوش.

وجود ديمپل در ساختار بيانگر نرم بودن شكست است. در مناطقمج اور HAZ، س طح شك ست از ن وع كلي واژ اس ت. اي ن ن وع شكست بيانگر يك شكست ترد است. اين نـوع شكـست در لبـهدكم ه ج وش و در مج اورت HAZ، ج اييك ه س ختي ب الايي بهعلت تشكيل مارتنزيت دارد، مشاهده شد (شكل 11- ب).
3-4-2- مود شكست محيطي
بر اساس مـشاهدات ماكروسـكوپي مراحـل شكـست محيطـي درات صال ج وش نقط ه اي نام شابه ب ين ف ـولادDP600 و St14 را مي توان بهسه مرحله تقسيم كرد:
مرحله (1): بر خلاف انتظار اوليه، در تمام نمونههايي كه در مـودشكست محيطي دچار شكست شدند، مود شكست با رشد تـرك
از دور دكمه در طرف فولاد با استحكام بيشتر( فـولاد دوفـازي) آغاز شد نه از طرف با استحكام كمتر (شكل 12- الف).
مرحله (2): گردني شدن و رشد ترك در طرف فولاد كم كـربن (LCS) همزمــان بــا رشــد تــرك دور دكمــه در طــرف فــولاد دوفازي (DP) (شكل 12- ب).
مرحله (3): مرحله نهايي شكست و جدا شدن كامل ورق هـا . ايـن مرحله بهدو صورت رخ مي دهد:
نوع (1): بيرون كشيده شدن دكمه از طرف فـولاد DP همـراه بـامقدار كمي پارگي ورق در طرفLCS (شكل 12- ج).
نوع (2): بيرون كشيده شدن دكمه از طرف فـولادDP و پـارگيكامل ورق در طرفLCS ( شكل 12- د).
از نكات جالـب شكـست محيطـي در اتـصال نامـشابه بـين فـولادDP600 وSt14 ، دو طرفه بودن شكست محيطـي در ايـن اتـصالاست. شكستهاي محيطي مشاهده شده در اتصالات مشابه فولادكم كربن اغلب يك طرفه بوده بهاين معني كـه دكمـه جـوش ازيك ورق بيرون ميآيد و در واقع رشد تـرك در يـك ورق رخميدهد. اما د ر كار حاضر جوانهزني و رشد ترك در هر دو ورقصورت گرفت (شـكل 12). ايـن امـر بـهافـزايش قابليـت جـذبانرژي حين شكست كمك مي كند.
نمودار بار – جابجايي جـوشهـاي مقـاومتي نقطـهاي كـه در مـودمحيطي دچار شكست ميشوند با نمودار جوشهايي كه در مـودفصل مشتركي دچار شكـست مـيشـون د، متفـاوت اسـت. شـكل(13) نم ودار ب ار- جابج ايي ب راي ج وش نقط ه اي ك ه در م ود محيطي شكسته شده و جدا شدن نهايي ورقها به صورت نوع (1) بودهاست، نشان ميدهد. در اي ن نمودار نيـز، منطقـه غيرخطـي درمنحني ناشي از كارسختي ورقهاي فولادي است. نقطه ماكزيممدر نمودار متناظر است با رشد ترك از طرف فولاد DP.

شكل (12): مراحل شكـست محيطـي، (الـف ) مرحلـه (1)، آغـاز شكـست بـاشروع ترك در طرف فولاد دوفازي، (ب) مرحله (2)، رشد تـرك در طـرففولاد كم كربن، (ج) مرحله (3)، نوع 1، بيرون كشيده شـدن كامـل دكمـه ازورق دوفازي بههمراه پارگي جزئي در ورق كم كربن و (د) مرحله (3)، نـوع 2، بيرون كشيده شدن كامل دكمه از ورق دوفازي و پـارگي كامـل ورق كـمكربن.
بر خلاف نمودار بار- جابجايي در مودIF ، در اين حالت نمـودارداراي يك “دم” دراز است كه با نحوه شكست بيان شده بعـد ازآغاز رشد ترك متناظر است.
همانطوركه مشا هده ميشود، بعد از رسـيدن بـهنقطـه پيـك نيـرو،نيرو به صورت تدريجي كاهش مييابد. پـس از رسـيدن بـهپيـكنيرو، به دليل پارگي فلز پايهها، جذ ب انرژي هنوز ادامه دارد . ايـنامر موجب افزايش قابليت جذب انرژي كل جوش نقطه اي (يعني سطح زير نمودار منحني بار- جابجايي تـا نقطـه شكـست نهـايي) ميشود. تغييرات مشاهده شده در شيب نمودار بار- جابجـايي درقسمت “دم” متناظر است با تغيير در مسير رشد ترك. پيك نيـرومتناظر است با شروع ايجاد تـرك در ورقDP600 و شكـستگينمودار در قسمت دم متناظر است بـا ايجـاد تـرك در ورقSt14 .
اين نكته نيز قابل ذكر است كه نمودار بار- جابجايي جوش هـاييكه در مود محيطي نوع (2) دچار شكست شده اند، بهعلت پارگي كامل فلز پايه فولاد كم كربن “دم” درازتري دارند.
همانطوركه ذكر شد يكي از پديدههاي جالـب مـشاهده شـده دراين تحقيق، بيرون كشيده شدن دكمه از طرف فولاد مستحكمتـر(DP600) بود كه امري بر خلاف انتظار اوليـه اسـت. ايـن امـر راميتـوان گراديـان شـديد سـختي در مجـاورت دكمـه جـوش درHAZ فولادDP780 و تمركـز تـنش در آن محـل مـرتبط كـرد.
گراديان شديد سختي ميتواند به عنـوان يـك شـيار متـالورژيكيعمل كنـد. گزارشـات محـدودي بيـرون كـشيده شـدن دكمـه ازطرف فولا د مستحكم تر را گزارش كردهاند. براي مثال بالتازار6 و همكــارانش [18] در آزمــون كــشش- بــرش جــوش نقطــهاي DP600 به DP780 مشاهده كردند كه شكست از طرفDP780 آغاز شدهاست.

شكل(13): يك نمودار بار- جابجايي مربوط بهشكست در مود محيطي، نوع1

)
الف
(

)

الف

(

(ب)
شكل (14): الف) تأثير جريان جوشكاري و ب) تأثير اندازه دكمه جوش بر خواص مكانيكي جوش هاي مقاومتي نقطه اي ناهمجنس DP600/St14.

3-4-3- تأثير جريان جوشكاري بر مود شكست همانطوركه در شكل (5) مشخص شده اسـت، بـا افـزايش جريـانجوش كاري م ود شك ست از ف صل م شتركي ب ه محيط ي تغيي ر ميكند. اين امر بهدليل افزايش اندازه دكمه جـوش اسـت. عامـل
شك ست ف صل م شتركي ت نش ه اي برش ي در ف صل م شترك ورق/ ورق است . افزايش اندازه دكمـه جـوش، موجـب كـاهشتنشهاي برشي وارد بر فصل مـشترك دو ورق شـده و در نتيجـهتمايل به شكست فصل مشتركي كاهش مييابد. بهطور كلي يـكاندازه دكمه جوش بحراني وجود دارد كه بالاي آن مقـدار، مـودشكست محيطي حاصل مي شود [4، 5، 19 و 20].
3-5- خواص مكانيكي
شكل (14- الف) تأثير جريان جوشكاري بر ظرفيت تحمـل نيـروو قابليت جذب انرژي پيش از شكست را نشان ميدهد. همانطور كه مـشاهده مـيشـود، افـزايش جريـان جوشـكاري در محـدوده بررسي شده موجب بهبود خواص مكانيكي اتصال مي شود.
شكل (14- ب) تأثير اندازه دكمه جوش بر ظرفيت تحمل نيرو وقابليت جذب انرژي جوشهاي نقطه اي را نشان مي دهد. همانطور كه مشاهده ميشود، يك رابطه مستقيم بين اندازه دكمـه جـوش، استحكام و انرژي شكست وجود دارد. نقطه ماكزيمم در نمـودارب ار- جابج ايي آزم ون ك شش- ب رش در م ود شك ست ف صل مشتركي، متناظر بـا اشـاعه تـرك درون دكمـه جـوش و در مـودمحيطي متناظر با رشد ترك حـول دكمـه جـوش اسـت. در مـودشكست فصل مشتركي هر چه اندازه دكمه بيشتر باشـد ، مقاومـتفصل مشترك بهبرش بيشتر ميشود و در مود محيطي بـا افـزايشقطر دكمه ، مقاومت دكمه در برابر چرخش دكمه (بهدليل اعمـالگشتاور به نمونه حين تست كشش ناشـي از عـدم همراسـتا بـودنجه ت اعم ال ني رو ب ا مح ور نمون ه، دكم ه ج وش ح ين ت ست كشش- برش مـيچرخـد ) و همچنـين سـطح تحمـلكننـده نيـروافزايش يافته و در نتيجه نيروي لازم براي شروع شكست افـزايشمييابد.
بههر حال در هـر دو مـود شكـست افـزايش قطـر دكمـه موجـبافزايش نيرو و انرژي لازم براي شكـست مـيشـود . لازم بـهذكـراست كه در صورتيكه بهجاي محاسبه انرژي تا نقطـه مـاكزيمم،انرژي شكـست تـا لحظـه شكـست انـدازه گيـري شـود، اخـتلافانرژي شكست در مود فصل مشتركي و مود محيطي بـسيار بيـشترخواهد بود . ر يـوت7 [21] گـزارش كـرد اگـر چـه ممكـن اسـتنيروي شكست در مود فـصل مـشتركي بـا مـود محيطـي تفـاوتچنداني نداشـته باشـد امـا انـرژي شكـست كـل در مـود محيطـيحدود 250 درصد بيشتر از مود فصل مشتركي خواهد بود.
بر اساس شكل (14- ب) مـيتـوان نتيجـه گرفـت، انـدازه دكمـهجوش اصليترين فاكتور كنترلكننده استحكام و انرژي شكستجوش هاي نقطه اي است.

4- نتيجهگيري
در اين مقاله ريزساختار، رفتار شكست و خواص مكانيكي اتصالجوش مقاومتي نقطهاي ناهمجنس فولاد كم كربن St14 به فـولاددوفازي فريتي – مارتنزيتيDP600 بررسي شد. موارد زير نكـاتمهم مستخرج از اين كار مي باشد:
ريزساختار و سـختيFZ اتـصال نـاهمجنس جـوش مقـاومتينقطهايDP600/St14 تابع مخلـوط شـدن دو فلـز پايـه در هـم وسرعت سرد شـدن بـالاي ايـن فرآينـد مـيباشـد . ريزسـاختارFZ شامل مارتنزيت، مقداري فريت آلوتريمورفيـك، فريـت ويـدمناشتاتن و بينيت اسـت. مقـدار مـاكزيمم سـختي درHAZ طـرففولادDP600 بيشتر از سختيFZ است زيرا سختيپذيريFZ بهعلت مخلوط شدن دو فلز پايه و كاهش درصد كربن و منگنـزآن نسبت بهقسمت درشت دانه HAZ طرف DP600 كاهش مييابد.
با افزايش جريان جوشكاري مود شكست از فصل مشتركي بهمود محيطي تبديل ميشود. اين امر بهدليل افـزايش انـدازه دكمـه جوش است . با افزايش دكمه جوش مقاومت جـوش نقطـهاي دربرابر مود شكست فصل مشتركي افزايش مييابد.
سطح شكست نمونههاي شكسته شده در مود فـصل مـشتركيح اوي حف ره ه ايي بودن د ك ه نت ايج SEMو ح ضور س اختار دندريتي در اين مناطق نـشان داد ايـن حفـرههـا ناشـي از انقبـاضحين انجمـادي هـستند. سـطح شكـست مـود فـصل مـشتركي دراغلـب نقـاط حالـت ديمپلـي و در نقـاط مجـاورHAZ در طـرفDP600 حالت كليواژ دارد.
بر خلاف انتظار اوليه، محل شكست در مود محيطي از منطقـه نرمتر (يعني طرف فـولاد كـم كـربن) نبـود و شكـست از طـرفDP600 رخ داد. اين امر را ميتوان به تمركز تنش ناشي از پيـكسختي در HAZ طرف DP600 نسبت داد. 5- نشان داده شد كه يك رابطه مست قيم بين اندازهFZ و ظرفيـتتحمل نيرو و همچنين قابليت جذب انـرژي جـوشهـاي نقطـهاي ناهمجنس DP600/St14 وجود دارد.

تشكر و قدرداني نويسندگان بر خود لازم ميدانند كه از حمايتهاي دانشگاه آزاداسلامي واحد دزفـول در انجـام ايـن پـژوهش تـشكر و قـدرداني كنند.

مراجع
A. Bag, K. K. Ray and E. S. Dwarakadasa, “Influence of Martensite Content and Morphology on the Toughness and Fatigue Behavior of High-Martensite Dual-Phase Steels”, Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 32, pp.
2207-2217, 2001.

M. D. Tumuluru, “Resistance Spot Welding of Coated High-Strength Dual Phase Steels”, Weld J., Vol. 87, pp.
31-37, 2007.

H. Zhang and J. Senkara, Resistance Welding: Fundamentals and Applications, Taylor & Francis CRC Press, 2005.

Y. J. Chao, “Failure Mode of Resistance Spot Welds: Interfacial Versus Pullout”, Sci. Technol. Weld. Joining, Vol. 8, pp. 133-137, 2003.

M. Pouranvari, H. R. Asgari, S. M. Mosavizadeh, P. H. Marashi and M. Goodarzi, “Effect of Weld Nugget Size on Overload Failure Mode of Resistance Spot Welds”, Sci.
Technol. Weld. Joining, Vol. 12, pp. 217-225, 2007.

M. Marya, K. Wang, L. G. Hector and X. Gayden, “Tensile-Shear Forces and Fracture Modes in Single and Multiple Weld Specimens in Dual-Phase Steels”, J.
Manufact. Sci. Eng., pp. 287–298, 2006.

X. Sun, E. V. Stephens and M . A. Khaleel, “Effects of Fusion Zone Size and Failure Mode on Peak Load and Energy Absorption of Advanced High Strength Steel Spot Welds Under Lap Shear Loading Conditions”, Engineering Failure Analysis, Vol. 15, pp. 356-367, 2005.

J. E. Gould, S. P. Khurana and T. Li, “Predictions of Microstructures When Welding Automotive Advanced High-Strength Steels”, Weld J., Vol. 86, pp. 111s-116s, 2006.

M. Marya and X. Q. Gayden, “Development of
Requirements for Resistance Spot Welding Dual-Phase (DP600) Steels Part 2: Statistical Analyses and Process Maps”, Weld J., Vol. 84, pp. 197s–204s, 2005.

M. I. Khan, M. L. Kuntz and Y. Zhou, “Effects of Weld Microstructure on Static and Impact Performance of Resistance Spot Welded Joints in Advanced High Strength Steels”, Sci. Technol. Weld. Joining, Vol. 13, pp. 294-304, 2008.

M. Kuo and A. Wexler: Proc. Conf. AWS SMWC XI, Detroit, MI, USA, RoMan Engineering Services Inc., Paper 5-6, 2004.

M. Milititsky, E. Pakalnins, C. H. Jiang and A. Thompson, “On Characteristics of DP600 Resistance Spot Welds”, SAE Report 2003-01-0520, Warrendale, PA, USA, 2003.

L. E. Svensson, “Prediction of Hardness of Spot Welds in Steels”, Welding in the World, Vol. 48, pp. 31-35, 2004.

American Welding Society: “Recommended Practices for Test Methods for Evaluating the Resistance Spot Welding Behavior of Automotive Sheet Steel Materials”, ANSI/AWS/SAE/D8. 9-97.

M. Volger, “Investigation of Resistance Spot Weld Formation”, Ph. D. Thesis of Stanford University, Palo Alto, CA, USA, 1993.

A. De, C. A. Walsh, S. K. Maiti and H. K. D. H.
Bhadeshia, “Prediction of Cooling Rate and Microstructure in Laser Spot Welds”, Sci. Technol. Weld. Joining, Vol. 8, pp. 391-398., 2003.

G. G. Kraus, “Principle of Heat Treatment”, ASM
International, 1989.

V. H. Baltazar Hernandez, M. L. Kuntz, M. I. Khan and Y. Zhou, “Influence of Microstructure and Weld Size on the Mechanical Behaviour of Dissimilar AHSS Resistance Spot Welds”, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 13, pp. 769-776, 2008.

M. Pouranvari, A. Abedi, P. Marashi and M. Goodarzi, “Effect of Expulsion on Peak Load and Energy Absorption of Low Carbon Resisatnce Spot Welds”, Sci. Tech. Weld.
Join, Vol. 13, pp. 39-43, 2008.

P. H. Thornton, A. R. Krause and R. G. Davies, “The Aluminum Spot Welds”, Welding Journal, Vol. 75, pp.
101s-108s, 1996.

R. M. Rivett, “Assessment of Resistance Spot Welds in Low Carbon and High Strength Steel Sheet-Pat 1 Static Properties”, Research Report, The Welding Institute, 1982.

7- پينوشت
Kuo and Wexler
Milititsky
Sevenson
Volger
Gould
Baltazar
Rivet



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید