مكانيزم تشكيل دانهها در منطقهي اختلاط حين جوشكاري اصطكاكي اختلاطي (FSW) و بررسي اثر سرعت دوراني ابزار و سرعت جوشكاري بر اندازه دانهها

محمدعلي صفرخانيان*1، مسعود گودرزي2 و سيد محمدعلي بوترابي3
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد شهر مجلسي، گروه مواد، اصفهان، ايران
دانشيار، دانشكده مهندسي متالورژي و مواد، دانشگاه علم و صنعت ايران، تهران، ايران
استاد، دانشكده مهندسي متالورژي و مواد، دانشگاه علم و صنعت ايران، تهران، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 16/03/1390، تاريخ پذيرش:14/07/1390)

چكيده
جوشكاري اصطكاكي اختلاطي (FSW) يك فرايند نوين جوشكاري حالت جامد مي باشد كه براي آلياژهاي آلومينيم به ويژه براي آن گروه از آلياژهاي آلومينيم كه روش هاي جوشكاري ذوبي براي آنها مناسب نمي باشد، مانندآلياژ آلومينيم 2024، كاربرد وسيعي دارد. حين جوشكاري FSW دانه هاي منطقه ي فلز جوش (منطقهي اختلاط)، به صورت بسيار ريز و هم محور تشكيل ميشوند. مكانيزم تشكيل اين دانهها، حين فرآيند جوشكاري از اهميت بسيار زيادي برخوردار است. در اين تحقيق علاوه بر تشخيص و ارائهي مكانيزم تشكيل دانههاي منطقهي اختلاط، تاثير سرعت دوراني ابزار و سرعت جوشكاري بر اندازهي دانههاي اين منطقه از آلياژ 2024 بررسي شده است. با افزايش سرعت جوشكاري اندازهي دانه در منطقهي اختلاط كاهش يافته و با افزايش سرعت دوراني ابزار اندازه ي دانه افزايش مييابد. مكانيزم غالب در شكل گيري دانههاي منطقهي اختلاط حين جوشكاري FSW، مكانيزم تبلور مجدد پيوسته (CDRX) تشخيص داده شد.

كلمات كليدي: جوشكاري اصطكاكي اختلاطي، دانهبندي منطقهي اختلاط، تبلور مجدد ديناميكي پيوسته، آلومينيم 2024.

1- مقدمه
روش جوشكاري اصطكاكي اختلاطي يا 1FSW در سال 1991، توسط موسسه جوشكاري انگلستان (TWI) به عنوان يك روش نوين جوشكاري در حالت جامد، ثبت شد [1]. اين روش، در زمان بسيار كوتاهي به طور چشمگيري مورد توجه قرار گرفت. فرايندFSW براي جوشكاري آلياژهاي آلومينيم به طور گسترده ميباشند، مانند آلياژهاي گروه ×××2، كاربرد وسيعي دارد. آلياژ 2024 كه مهمترين آلياژ گروه ×××2 است به طور وسيعي در سازه هاي هوافضا استفاده مي شود، ولي به دليل تشكيل مك،تخلخل و ترك گرم و همچنين افت شديد خواص مكانيكي در منطقه ي اتصال، در حين روشهاي جوشكاري ذوبي، به عنوانآلياژي جوش ناپذير شناخته مي شود [4-2].
در شكل (1) شماتيك روش FSW نشان داده شده است.
همانطور كه در اين شكل مشاهده مي شود، ابزارFSW شامل دوقسمت، 1) پين غير مصرفي2 و 2) شانه ي ابزار3 مي باشد [4].
تماس شانهي ابزار با سطح قطعه كار در حين چرخش ابزار، سببتوليد حرارت مي شود، و در نتيج هي حركت دوراني پين، مواد درمحل اتصال متحمل تغيير شكل شديد در دماي بالا م يشوند،بدين ترتيب همراه با آميخته شدن مواد از دو قطعه ي در حالاتصال و از بين رفتن خط اتصال، تبلور مجدد اتفاق مي افتد. از آنجا كه اين روش در حالت جامد انجام ميشود، عيوب انجمادياز قبيل مك، تخلخل و ترك گرم مشاهده نميگردد [5 و 4].
در قطعات جوشكاري شده از طريقFSW مي توان بر اساستغييرات ايجاد شده در ريزساختار، سه منطق هي مجزا تشخيصداد. منطقهي اختلاط يا 4SZ، منطقهي تحت تاثير فرآيند ترمومكانيكي يا 5TMAZ و من طقهي متاثر از حرارت يا 6HAZ.
اندازه ي دانه هاي منطقه ي اختلاط، بسيار ريز و به صورت هممحور گزارش شده است [6-2]. مكانيزم تشكيل اين دانههايبسيار ريز و هم محور حين فرآيند جوشكاريFSW موضوعمورد علاقه براي بسياري از محققين است.
30480196566

فرآيندهايمهندسيششـم تابسـتان

استفاده مي شود. اين فرايند به ويژه براي جوشكاري آن دسته از است، و تا كنون مشخص نشده است كه كدام يك از اين سه آلياژهايي كه در روش هاي جوشكاري ذوبي با مشكل مواجه مكانيزم، قطعاً مكانيزم غالب در تشكيل دانههاي بسيار ريز در فلز
با توجه به نتايج ارائه شده در مراجع [7]، [8] و [9] به طور قطعمي توان گفت كه همه محققين به اين باورند كه مكانيزم تبلورمجدد ديناميكي دليل تشكيل دانههاي بسيار ريز و هم محور درفلز جوش FSW، ميباشد. اين درحالي است كه براي تبلورمجدد ديناميكي سه مكانيزم ناپيوسته، پيوسته و هندسي ارائه شدهجوش آلياژهاي آلومينيم، حين فرايند FSW مي باشد.
در اين تحقيق سعي شده است علاوه بر تشخيص و ارائهي مكانيزم دقيق تشكيل دانههاي منطقهي اختلاط، تاثير سرعت دوراني ابزار و سرعت جوشكاري بر اندازهي متوسط دانههاي تشكيل شده در اين منطقه، بررسي شود.

شكل (1) : شماتيك فرآيند جوشكاري اصطكاكي اختلاطي.

2- روش تحقيق
آلياژ مورد استفاده در اين تحقيق، آلياژ 2024، يكي از آلياژهاي پركاربرد گروه ×××2 حاوي مس، منيزيم و منگنز است. در جدول 1 تركيب شيميايي آلياژ مورد بررسي، ارائه شده است.
آلياژ مورد مصرف به شكل ورق با ضخامت mm 5 و با سابقهي عمليات حرارتيT8 شامل انجام عمليات انحلالي، سريع سرد كردن تا دماي محيط، انجام كار سرد و در نهايت پيرسازي مصنوعي، انتخاب گرديد. براي انجام آزمايشها، نمونههايي به ابعاد mm 200×70 تهيه گرديد.
فولاد ابزار گرم كار H13 براي تهيه ابزار جوشكاري FSW استفاده شد. به اين منظور ميلهاي به قطر mm 30 (با تركيب ارائه شده در جدول 2 تهيه شد و با انجام عمليات حرارتي كوئنچ – تمپر در سختي RC 50 مورد استفاده قرار گرفت. پين ابزار به شكل مخروط ناقص ساخته شد به طوريكه قطر شانه ي ابزار، بيشترين قطر پين، كمترين قطر پين و ارتفاع پين به ترتيب 15، 6، 4 وmm 7/4 در نظر گرفته شدند.
جدول (1): تركيب شيميايي آلياژ 2024-T8 (درصد وزني).
Si Fe Mn Mg Cu Al
0/11 0/26 0/72 1/50 4/43 Base

جدول (2): درصد وزني عناصر شيميايي در فولاد H13.
C Si Mn Cr Mo Fe
0/39 1/27 0/35 4/96 1/25 Base

در تهيه نمونه ها، سرعت دوراني ابزار از 450 تا rpm 1800 و سرعت جوشكاري از 25 تا mm/s 100 تغيير يافت. اطلاعات مربوط به متغيرهاي مورد نظر در جدول 3 آورده شده است. لازم به ذكر است كه زاويه ي ابزار با قطعه كار حين جوشكاري، در تمام نمونه ها 3 درجه، در نظر گرفته شد.

جدول (3): متغيرهاي جوشكاري.
v (mm/min) ω (rpm) شماره نمونه
25 450 1
50 450 2
100 450 3
25 900 4
50 900 5
100 900 6
25 1800 7
50 1800 8
100 1800 9

به منظور بررسي ريزساختار نمونه هاي جوشكاري شده از مقطع عمود بر منطقه ي اختلاط، نمونههاي متالوگرافي تهيه شده، و پس از آماده سازي، توسط ميكروسكوپ نوري تحت بررسي قرار گرفتند. براي آشكارسازي ساختار نمونهها از محلول كلر7 با تركيب شيميايي 1.5%HCl ،2.5%HNO3 ،95%H2O و 1%HF استفاده گرديد.

3- نتايج و بحث
3 -1- مكانيزم تبلور مجدد در فلز جوش FSW تصوير ميكروسكوپ نوري مربوط به ريزساختار آلياژ 2024 در شكل 2 نشان داده شده است. در اين شكل دانههاي كشيده و ذرات سياه رنگ مشاهده ميشوند. دانههاي كشيده، به دليل انجام فرآيند نورد بر روي اين آلياژ به وجود آمدهاند. ذرات تيره، رسوبات و آخالها در آلياژ مي باشند و از آنجا كه هدف اين پژوهش تنها بررسي دانه ها مي باشد نتايج بررسي اين ذرات آورده نشده است.
همانطور كه در شكل 2 نشان داده شد فلز پايه داراي دانههاي كشيده شده در جهت نورد است، در حالي كه با بررسيهاي انجام شده توسط ميكروسكوپ نوري مشخص شد كه دانه هاي منطقهي اختلاط در تمام نمونهها بسيار ريز و به صورت هم محور مي باشد. به عنوان مثال ريزساختار مركز منطقه ي اختلاط نمونه ي شماره 1 در شكل 3 و نمونه ي شماره 4 در شكل 4 كه توسط ميكروسكوپ نوري تهيه شدهاند، نشان داده شده است.
در اين دو شكل مشاهده ميشود كه ريزساختار منطقهي اختلاط شامل دانه هاي هم محور است. د اده

-33527-1691659

40 μm
شكل (2) : تصوير ميكروسكوپ نوري از ريزساختار فلز پايه آلياژ 2024

توسط نرم افزار Image Analyzer ابتدا مرز دانه هاي منطقه ي اختلاط تمام نمونهها، ترسيم شد و سپس متوسط اندازهي دانه هاي مربوط به منطقه ي اختلاط هر يك از نمونهها نيز توسط نرم افزار مذكور بدست آمد كه نتايج آن در جدول 4 آورده شده است.
به عنوان مثال تصوير مرز دانه هاي منطقه ي اختلاط نمونه ي شماره 1 در شكل 5 و نمونه ي شماره 4 در شكل 6 كه توسط نرم افزار ياد شده بدست آمده است، نشان داده شده است.
جدول (4): اندازه ي متوسط دانههاي منطقه ي اختلاط.
D (μm) شماره نمونه
3/01±0/4 1
3/13±0/1 2
3/27±0/2 3
2/55±0/5 4
2/63±0/3 5
2/77±0/1 6
1/81±0/4 7
1/94±0/2 8
2/03±0/3 9

تغييرات اندازهي دانهي منطقهي اختلاط با تغيير سرعت جوشكاري و سرعت دوراني ابزار در شكل 7 نشان داده شده است. همان گونه كه در اين شكل مشاهده ميشود با افزايش سرعت جوشكاري اندازهي دانه در منطقهي اختلاط كاهش يافته و با افزايش سرعت دوراني ابزار، اندازه ي دانه افزايش يافتهاست.
نوع كار مكانيكي اعمال شده حين فرآيند جوشكاري براي تشخيص مكانيزم تشكيل دانه در منطقهي اختلاط بسيار مهم ميباشد. اگر كار مكانيكي در دماي پايين انجام شود و مقدار مشخصي از انرژي كار مكانيكي به صورت انرژي كرنشي درفلز ذخيره شود، آن فلز تحت كار سرد قرار گرفته است و اگر كار مكانيكي در دمايي باشد كه انرژي كرنشي در فلز ذخيره نشود كار گرم بر روي آن فلز انجام شده است.
با توجه به تحقيقات انجام شده، فرآيند FSW براي آلياژهاي آلومينيم يك فرآيند كار گرم ميباشد [13-10]. حين كار گرم پديدههاي بازيابي، تبلور مجدد و رشد دانه اتفاق ميافتد. اگر بازيابي و تبلور مجدد در حين تغيير شكل پلاستيك در دماي بالا اتفاق بيافتد، به اين دو پديده ، فرآيند بازيابي ديناميكي8 و تبلور مجدد ديناميكي9 ميگويند.

20
μ
m

20

μ

m

شكل (3) : دانه بندي مركز منطقه ي اختلاط نمونه ي شماره 1

20
μ
m

20



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید