بررسي تأثير جهت دوران و زمان توقف در جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطه اي (FSSW) بر هندسه و استحكام نقطه جوش ورقهاي آلومينيم 2024-T3

امين مكي1، محمد علي صفرخانيان*2، شهرام خيرانديش3، مسعود گودرزي3
فارغ التحصيل كارشناسي ارشد مهندسي مواد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ايران
استاديار دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، گروه مواد، اصفهان، ايران
عضو هيأت علمي دانشكده مهندسي متالورژي و مواد، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ايران
* M.A.Safarkhanian@gmail.com
(تاريخ دريافت: 14/12/1389، تاريخ پذيرش:02/03/1390)

چكيده
براي اتصال نقطهاي لبه روي هم ورقهاي آلياژ آلـومينيم2024-T3 از فراينـد جوشـكاري اصـطكاكي اختلاطـي نقطـهاي (FSSW) استفاده شد. در اين تحقيق اثر جهت چرخش ابزار و زمان توقف بر استحكام برشي اتصال و هندسه ي منطقهي اختلاط بررسي شـده است. فصل مشترك اتصال و عرض منطقهي اختلاط با استفاده از ميكروسكوپ نوري بررسي شد و مشخص شد كه با تغ ييـر جهـت دوران ابزار، فصل مشترك دو ورق نزديك لبهي پي ن يا هوك (Hook) تغيير شكل و تغيير جهت مييابد. همچنين با افـزايش زمـانتوقف ابزار، عرض منطقه ي اختلاط و نيروي شكست آزمون برش افزايش مي يابد.

واژه هاي كليدي:
جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطهاي، آلومينيوم 2024-T3، جهت دوران ابزار، زمان توقف ابزار.

مقدمه
آلياژ آلومينيوم 2024 به دليل ماهيت رسوب سختي پذيري آن و مستعد بودن به ترك گرم در حين جوشكاري ذوبي، به آلياژ جوش ناپذير معروف شده است. ذوب شدن فازهاي ثانويه و قرار گرفتن آنها در طول مرزدانههاي منطقهي ذوب جزئي آلياژهاي آلومينيم، باعث ترك بين دانهاي در كرنشهاي وارد شده حين جوشكاري ميشود. به همين دليل جوشكاري مقاومتي نقطه اي1 كه معمولاً براي اتصال ورق هاي فولادي استفاده ميشود، براي ورق هاي آلومينيومي جوش هاي بسيار ضعيفي از لحاظ خواص مكانيكي توليد ميكند [1-2]. فرآيند جوشكاري اصطكاكي اختلاطي2(FSW) در سال 1991 توسط مؤسسهي جوشكاري 3TWI ثبت اختراع شده است. به تازگي با تغييراتي در روش جوشكاري اصطكاكي اختلاطي، روشي به نام جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطهاي4 (FSSW) توسعه و كاربرد پيدا كرده است كه با استفاده از حركت چرخشي ابزار (شامل يك پين و يك شانه ابزار) به درون دو ورق و سپس برگشتن به عقب و به جا گذاشتن يك سوراخ، باعث ايجاد اتصال نقطهاي ميشود [3]. روش جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطه اي شبيه به فرايند جوشكاري اصطكاكي اختلاطي است، فقط به جاي حركت ابزار در طول خط اتصال، ابزار فقط در قسمت بالاي نمونه كه در شكل 1 نمايش داده شده است، فرو مي رود. اين روش در صنايع اتومبيل سازي به عنوان روش جايگزيني براي جوشكاري مقاومتي نقطه اي آلومينيوم مطرح شده است [4 -5]. فرايند جوشكاري FSSW مي تواند به طور قابل توجهي سريع انجام شود، به طور مثال، زمان جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطه اي آلياژ آلومينيوم 6061 به ضخامت mm 1، حدود 2 ثانيه گزارش شده است [6 -7]. مهمترين مزيت فرايند جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطه اي در قياس با روش هاي متداول جوشكاري نقطه اي اين است كه مي تواند بدون ذوب فلز پايه، فرايند جوشكاري را انجام دهد [5]. تاكنون تحقيقات مختلفي بر روي اتصال آلياژهاي مختلف آلومينيوم توسط فرايند FSSW انجام شده است. زمان توقف، سرعت دوراني ابزار و هندسهي ابزار از مهمترين پارامترهاي فرايند FSSW هستند كه بر روي خواص ريزساختاري و مكانيكي جوش تأثير قابل توجهي دارند [7 -10].

شكل(1): شماتيك مراحل جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطهاي[8].

بــا وجــود تحقيقــات انجــام گرفتــه بــر روي روش جوشــكارياصطكاكي اختلاطي نقطهاي، هنوز نكات مبهم بسياري در مـوردايــن روش وجــود دارد. جهــت دوران ابــزار يكــي از مهمتــرين پارامترهاي اين فرايند است كه بـر نحـوهي سـيلان مـواد اطـرافپ ين، نح وهي قرارگي ري فص ل مش ترك دو ورق در نزديك يسوراخ يا هوك5 و در نتيجه بـر خـواص مكـانيكي اتصـال تـأثيربسيار زيادي دارد. هدف انجام ايـن پـژوهش بررسـي اتصـال لبـهروي هم (Lap-joint) ورقهـاي آلـومينيمT3 -2024 بـه ضـخامتmm 3، با دو جهت دوران اب زار همجهت و غير همجهت بـا شـيارپين، در زمان هـاي توقـف 3/0 تـا 12 ثانيـه و در سـرعت دورانـيابزار RPM 450 مي باشد.

2- روش تحقيق
براي جوشكاري اصطكاكي اختلاطي نقطهاي (FSSW) در حالت لبه رويهم از ورقهاي آلياژ آلومينيم T3-2024 به ضخامت mm 3 استفاده شد. تركيب شيميايي و خواص مكانيكي اين آلياژ در جداول 1و 2 ارائه شده است.

جدول (1): تركيب شيميايي آلياژ مورد استفاده
عنصر Al Si Fe Cu Mn Mg Zn
Wt% bal 0/21 0/38 4/84 0/55 1/52 0/07

جدول( 2): خواص مكانيكي فلز پايه Al 2024-T3
سختي (ويكرز) درصد
ازدياد طول استحكام تسليم (MPa) استحكام كششي (MPa)
137±1/5 19±1 340±3 460±6

ورقهايي به ابعاد mm 3×130×170 براي جوشكاري برش زده شدند. سطح كليه ورقها قبل از جوشكاري سنگ زده شد و عمل سمباده زني تا سمباده با شماره مش 400 انجام شد تا اثر ناخالصيها در فصل مشترك اتصال به حداقل برسد. سپس با استون تميزكاري شدند. سرعت دوران ابزار RPM 450 انتخاب شد و در چهار زمان توقف 3/0، 3، 7 و 12 ثانيه جوشكاري شدند. ابزار در اين فرايند شامل يك شانهي ابزار6 و يك پين دندانهدار چپگرد با گام mm 8/0 ميباشد كه در شكل 2 به صورت شماتيك نشان داده شده است. قطر شانهي ابزار، قطر بالايي و پاييني پين به ترتيب mm 28، 8 و 6 است. جنس ابزارها از فولاد ابزار گرم كار H13 با سختي HRC 55 بود.

mm
شكل (2): شماتيك ابزار استفاده شده با گام پين 8/0.

براي نگهداري ورقها در حين فراينـد از فيكسـچر اسـتفاده شـد. بعد از نفوذ كامل ابزار به داخل ورقهاي آلومينيمي، شانه ابزار به اندازه mm 3/0 در داخل سطح ورق بالايي نفوذ داده شد. نمونـه -هاي متالوگرافي از قسمت مياني جوش تهيه شدند. مقطع عرضـينمونه هاي متالوگرافي با خمير الماس پـوليش شـدند و بـا محلـول
Keller ش امل mL 2 اس يد mL ،HF 3 اس يد mL ،HCl 5 اس يد 3HNO و mL 190 آب مقط ر، اچ ش دند. ب راي بررس ي درش ت
ساختار از ميكروسكوپ نوري با بزرگنمايي 7 برابر اسـتفاده شـد.
براي بررسـي دانـه بنـدي و ريزسـاختار منـاطق كنـاري جـوش ازميكروسكوپهاي نوري و الكتروني روبشي (SEM) استفاده شد. عمود بر مقطع جوشها، نمونه برداري انجام شد و توسط دستگاه ريزسختي سنجي با بار اعمال شـده ي kgf 1/0 پروفيـل سـختي ازمقطع عرضي نمونهها بدست آمـد . نمونـه هـاي آزمـون اسـتحكامكششي – برشي طبـق اسـتاندارد 2.AWS-D17 [11] تهيـه گرديـدكه در شكل 3 طرح شماتيك آن نشان داده شـده اسـت. آزمـونكش ش- ب رش ب ا س رعت ف ك mm/min 1 انج ام گردي د و ب ر حسب بيشترين نيروي اعمالي توسط دستگاه محاسـبه گرديـد. از هر نمونهي جوشكاري شده سه نمونـه آزمـون اسـتحكام كشـشبرشي تهيه شد.

شكل (3): نمونه آزمون كشش- برش طبق استاندارد AWS D17.2 [11].

نتايج و بحث
بررسي خواص مكانيكي
3-1-1- نتايج سختي سنجي
در شكل 4 نشان داده شده است كه سختي با دور شدن از منطقـهاتصال ابتدا كاهش و سپس افزايش مي يابد همچنين مشاهده مـيشود كه با افزايش زمان توقف از 3/0 ثانيه تا 12 ثانيه، سـخ تي در مناطق اختلاط و متأثر از حرارت، كاهش مييابد. عامـل افـزايشسختي و استحكام در آليـاژ 2024، تشـكيل رسـوبات بسـيار ريـزAl2CuMg ي ا هم ان S در زمين ه آلي اژ م يباش د [7، 12-13]. ب ا اعمال حرارات نسبتاً بالا در حين فرايند FSSW، ايـن رسـوبات يـادر زمينه حل ميشوند يا درشـت مـيشـوند . در نتيجـه سـختي درمناطق حرارت ديده كاهش مييابد. با افزايش زمان توقـف ابـزاردر ماده، حرارت ورودي افزايش پيدا ميكنـد و عـرض منطقـهي اختلاط و منطقهي متأثر از حرارت افزايش مييابد. ايـن نتـايج بـانتــايج حاصــل از تحقيقــات قبلــي انجــام شــده توســطTran و همك ارانش [5] و توس ط Su و همك ارانش [14] مطابق ت دارد.

شكل (4): تغييرات سختي در مناطق مختلف جوش با تغيير زمان توقف، با جهت دوران ابزار همجهت با شيار پين (ساعتگرد) و در سرعت دوراني RPM450.

بر اساس تغييرات ايجاد شـده در ريزسـاختار آلياژهـاي آلـومينيمحين جوشـكاري FSSW، سـه منطقـه ي مجـزا تشـكيل مـي شـود .
1) منطق ه ي اخ تلاط ي ا ٧ SZ ك ه س يلان ناشـي از عب ور اب زارجوشكاري را تجربه كرده است، 2) منطقه ي تحت تـأثير فرآينـدترمومكانيكي يا ٨TMAZ كه در اين منطقه اندازه ي دانه هـا تغييـرنم ي كنـد و تنه ا در جه ت ك ار مك انيكي كش يده م ي ش وند، 3) منطقه ي متأثر از حرارت يا ٩ HAZ كه درشت شدن رسوبها و دانه ها در اين منطقه گزارش شده است.
در تمام نمونه ها و با توجه به منحنيهاي شكل 4، نقطهي مينيمم در بيشترين زمان توقف ابزار يعني 12 ثانيه، بـه مقـدار زيـادي بـهسمت فلز پايه حركت كرده است كه نشان ميدهد مناطق كناري جوش شامل مناطق TMAZ ،SZ و HAZ به علت افزايش حـرارتورودي گستردهتر شدهاند.

3-1-2- نتايج آزمون كشش-برش نتايج حاصل از آزمونهاي كشش- بـرش بـه صـورت مـاكزيممنيروي شكست بر حسب پارامترهاي جوشكاري در شكلهـاي 5 و 6 ارائه شده است. همانطور كه در شكل 5 مشـاهده مـي شـود،جهت دوران ابزار به طور قابل تـوجهي بـر روي نيـروي شكسـت تأثير گذار است. در واقع شكل 5 نقش حياتي جهت دوران ابـزاردر ابزارهاي شياردار را نشان ميدهد. بنابراين به دليـل چـپگـردب ودن ش يار پـين در اي ن پ ژوهش، اب زار فق ط قابلي ت اخ تلاطكنندگي خوبي در جهت دوران ساعتگرد را دارد. شكل 6 نشـانميدهد با افزايش زمان توقف ابزار از 3/0 ثانيه تا 12 ثانيه، نيروي شكست از 7106 به8080 نيوتن افزايش مييابد و سـپس بـه حـداشباع يا ثابتي ميرسد. دليل تغييرات در خواص مكـانيكي نمونـهها كه در شكل هاي 5 و 6 نشان داده شدند را بايد در ريزسـا ختار جستجو كرد كه در ادامـه (بخـش 3-2) تغييـرات ريزسـاختار درنمونه هاي جوشكاري شده بررسي خواهد شد.

1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
(
N
)

رش
ب


شش
ک

ست
ک
ش

نيروی
پين

شيار

با

جهت

هم

غير

دوران

هت
ج

پين

شيار

با

جهت

هم

دوران

جهت

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

(

N

)

رش



قیمت: تومان


پاسخ دهید