مود شكست جوش مقاومتي نقطهاي فولاد دوفازي DP780 در آزمون كشش
متقاطع

مهدي منصوري حسن آبادي*1، مجيد پورانوري2
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد نجف آباد، نجف آباد، ايران
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد دزفول، دزفول، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 04/07/90، تاريخ پذيرش: 20/01/91)

چكيده
در تحقيق حاضر به بررسي ريزساختار و مود شكست اتصال جوش هاي مقاومتي نقطه اي فولاد دوفازي فريتـي – مـارتنزيتيDP780 پرداختـهميشود. بررسي هاي متالوگرافي نوري، ريزسختي سنجي و آزمون كشش متقاطع انجام شـد . نتـايج نشـان داد كـه ريزسـاختار دكمـه جـوشعمدتا متشكل از مارتنزيت و مقداري فريت ويدمن اشتاتن و بينيت است. مقداري كاهش سختي در منطقه ي متاثر از حـرارت نسـبت بـه فلـزپايه مشاهده شد. نتايج نشان داد كه با افزايش جريان جوشكاري مود شكست جوش ها از فصل مشتركي به محيطي تغيير مي كنـد . بررسـي هـانشان داد كه يك اندازه ي دكمه ي جوش بحراني براي حصول مود شكست محيطي لا زم است. براساس مكانيزم شكست جوش هاي نقطه اي در آزمون كشش متقاطع، يك مدل تحليلي براي پيش بيني حداقل انداز ه ي دكمه ي جوش مورد نياز براي اطمينـان از حصـول مـود شكسـتمحيطي ارايه شد. براساس اين مدل ارايه شده، انتقال مود شكست جوش هاي مقاومتي نقطه اي از فصل مشتركي به محيطي در آزمون كشـشمتقاطع بوسيله ضخامت ورق، نسبت سختي دكمه ي جوش به سختي محل شكست (HAZ)، مقدار حفره هاي انقباضي و تخلخل در دكمـه ي جوش و پهناي HAZ كنترل مي شود.

واژههاي كليدي:
فولاد دوفازي، جوشكاري مقاومتي نقطه اي، آزمون كشش متقاطع، مود شكست

1-مقدمه
فولادهاي استحكام بالاي پيشرفته دوفازي فريتـي – مـارتنزيتي بـهعلت استحكام و شكل پذيري مناسب، بـه طـور قابـل تـوجهي درصنعت خودروسازي مورد توجه قرار گرفته انـد . در ايـن فولادهـاحضور فاز مارتنزيت سـخت، عامـل اسـتحكام بخشـي و حضـورزمينه فريتي نرم پيوسته، عامل شكل پذيري اين فولادها است. اين تركيب عـالي از اسـتحكام و شـكل پـذيري، اجـازه ي اسـتفاده ازورق هاي نازك تر را مي دهد و در نتيجه با توجه بـه كـاهش وزنخودرو، در مصرف سوخت صرفه جويي مي شـود . بـه عـلاوه بـهعلت بالاتر بودن قابليت جذب انرژي فولادهاي دوفازي، استفاده از آنها موجب افزايش امنيت سرنشينان ميشود [1-4]. استفاده از مزايـا ي فولادهـاي دوفـازي در صـنعت خودروسـازينيازمند بررسي جوش پذيري فولادهاي دوفازي است. بهينه سازي فرايند جوشكاري مقاومتي نقطه اي فولادهاي دوفـازي تحقيقـاتوسيعي را به خود اختصاص داده است. نتايج كلي اين تحقيقـات[5-11] نشان مـي دهـد جوشـكاري مقـاومتي نقطـهاي فولادهـايدوفازي نسبت به فولادهـاي اسـتحكام پـايين پيچيـدگي بيشـتريدارد. اين پيچيدگي ناشي از عوامل زير است:
توس عه ي ريزس اختاري در دكم ه ج وش (Fusion Zone) و منطقه متاثر از حرارت (Heat Affect Zone) گــزارش شــده اســت كــه ريزســاختار دكمــه جــوش (FZ) در فولادهاي دوفازي و حتي در فولادهاي كم كربن عمدتا ماتنزيتي است [3]. نـرم شـدگيHAZ (كـاهش سـختيHAZ نسـبت بـهس ختي فل ز پاي ه) ني ز در برخ ي گري دهاي فولاده اي دوف ازي (DP780 وDP980) گــزارش شــده اســت [4، 6، 7 و10]. ايــن تغييرات ريزسـاختار شـديد رفتـار شكسـت جـوش هـاي نقطـه اي فولادهاي دوفازي را تحت تاثير قرار مي دهـد و بنـابراين بايـد درنظر گرفته شود.
حساسيت زياد به مود شكست فصل مشتركي مود شكست جـوش هـاي نقطـهاي يـك معيـار كيفـي از كيفيـتجوش است. به طور كلي، جوشهاي نقطهاي در دو مود متفاوت دچار شكست ميشوند [12-13]]]: مـود شكسـت فصـل مشـتركيكه در آن شكست از ميان منطقه ي ذوب شده (دكمـه ي جـ وش) اشاعه مي يابد ( شكل 1- الف) و مود محيطي كه در آن شكسـتاز طريق بيـرون كشـيده شـدن دكمـه ي جـوش از يـك ورق رخ ميدهد ( شكل 1- ب).
مود شكست محيطي به دليل تغيير فرم پلاستيك و قابليت جـذبانرژي بالاي همراه با آن مـود شكسـت ترجيحـي اسـت. بنـابراينشكست فصل مشتركي موجب كاهش شـديد قابليـت اعتمـاد بـهخ ودرو در ش رايط تص ادف م ي ش ود [14- 15]. ب راي اينك ه ج وشه اي نقط هاي در ح ين س رويس دچ ار تخري ب زودرس نش وند، متغيره اي فراين د باي د بـه گون هاي تنظ يم ش وند ك ه از دستيابي به مود شكست محيطي اطمينان حاصل گردد.

)
الف
(

)

الف

(

(ب)
شكل (1): شماتيك مود شكست هاي اصلي جوش هاي نقطه اي حين آزمون كشش- متقاطع: الف) مود فصل مشتركي و ب) مود شكست محيطي

نشان داده شده است كه فولادهاي دوفازي نسـبت بـه فولادهـايكم كربن حساسيت بيشتري براي شكست در مود فصل مشتركي دارند[10،7،4]. نشان داده شده است كه معيارها و اسـتانداردهايموجود براي تعيين انـدا زه دكمـه جـوش مناسـب از جملـه معيـار 0.5t) t ض خامت ورق) ب راي حص ول م ود شكس ت محيط ي در جوش نقطهاي فولادهـاي دوفـازي مناسـب نيسـت[4،7 و10]. بـاتوجه به تاثير مضر مود شكست فصل مشتركي بر قابليـت اعتمـاد به خـودرو در شـرايط تصـادف، ايـن فـاكتور در بايـد در تحليـلجوش پذيري اين فولادها مد نظر قرار گيرد.
حساسيت به تشكيل حفره هاي انقباضي در دكمه جوش فولادهاي استحكام بالاي پيشرفته به علت تركيب شـيميايي غنـيتر نسبت به فولادهاي كـم كـربن حساسـيت بيشـتري بـه تشـكيلحفره هاي انقباضي دارند[8 – 9]. حضور حفره هـاي انقباضـي دردكمه ي جوش موجب كاهش انـدازه دكمـه ي مـوثر و در نتيجـهافزايش تمايل به شكست فصل مشتركي مي شود [10].
بيرون زدگي مذاب
گزارش شده است فولادهـاي اسـتحكام بـالاي پيشـرفته بـه دليـلمقاومت الكتريكي بيشتر حساسيت بيشتري به بيرون زدگي مذاب ( خ روج م ذاب از دكم ه ي ج وش) ح ين فراين د جوش كاريمقاومتي نقطه اي دارنـد [8-10]. بيـرون زدگـي مـذاب مـي توانـد
مـ ودمقـ اومتي

موجب افـت خـواص مكـانيكي جـوش شـود [12]. بـا توجـه بـهتوسعه و تجاري شـدن گريـدهاي جديـد فولادهـاي دوفـازي درصـ نعت خودروسـ ازي، نيـ از شـ ديدي بـ ه مطالعــه ي رفتـ ار جوش پذيري مقـاومتي نقطـه اي ايـن مـواد وجـود دارد. كارهـايزيادي روي جوش مقاومتي نقطه اي فولاد دوفازي DP600 انجام شده است [4-5، 8-9]، اما كارهاي منتشر شده ي كمي در مورد گري ـدهاي ب الاتر اي ن فولاده ا مث ـلDP780 و DP980 انج ام شده است. در اين مقاله مود شكست جوش هاي مقاومتي نقطـه اي ف ولاد دوف ازي فريت ي- م ارتنزيتي DP780 در آزم ون كش ش متقاطع بررسـي شـده اسـت. همـان طـور كـه ذكـر شـد در مـوردفولادهــاي دوفــا زي، تنظــيم پارامترهــاي جوشــكاري براســاساستانداردهاي صنعتي موجود منجر به توليد دكمه جوشي بـا نـوعشكست محيطي نميشود. بنابراين در اين تحقيق سعي شـد يـكمدل تحليلي براي تخمين حداقل اندازه دكمه ي جوش لازم براي حصول مود شكست محيطي در آزمون كشش متقاطع ارايه شود.
در اين مدل برخلاف استاندارهاي صـنعتي، انـدازه دكمـه جـوشمورد نياز عـلاوه بـر ضـخامت ورق بـه فاكتورهـاي متـالورژيكي جوش نيز مرتبط شده است.

2- مواد و روش تحقيق
در اين پژوهش از ورق فولاد دوفازي DP780 (توليد شده توسط عمليات حرارتي آنيل بـين بحرانـي) بـا ضـخامت 2 ميلـيمتـر بـهعنوان فلز پايه استفاده شد. تركيب شيميايي اين فولاد دوفازي بـهصورت Fe-0.16C-0.24Si-0.52Mn است. جوشكاري توسط دسـتگاه جـوش نقطـه اي ثابـت (Pedestal) بـاتوان kVA120 با استفاده از الكترود گـروه A ، مطـابق كـلاس 2 دسته بندي RWMA انجام گرديد. جـنس ايـن الكتـرود از آليـاژمس – كرم – زيركونيوم وشكل آن به صورت مخروط ناقص بـا
قطــر تمــاس 8 ميلــيمتــر اســت . بــراي بررســي مشخصــههــاي ماكروساختاري و ارتباط آن با خواص مكانيكي و مود شكسـت ، تاثير مهمترين پارامتر جوشكاري يعني جريان جوشكاري بررسي شد. برنامه ي جوشكاري به صورت زير است:
زمان فشارش ( اعمال نيرو پيش از عبـور جريـان): 40 سـيكلمعادل 8/0 ثانيه
جريان جوشكاري: 10 سطح مختلف از 7 تـا 5/11 كيلـوآمپربا فاصله هاي 5/0 كيلوآمپري
زمان جوشكاري: 25 سيكل معادل 5/0 ثانيه
نيروي الكترود: 1/5 كيلو نيوتن
زم ان نگه داري الكت رود روي دكم ه ي ج وش: 10 س يكل معادل 2/0 ثانيه
در هر شرايط جوشكاري 4 سري نمونه جـوش داده شـد كـه سـهسري براي آزمون كشش متقاطع و يك سري براي بررسـي هـايساختاري مورد استفاده قرار گرفتند. آزمايش كشـش متقـاطع بـه وسيلهي دستگاه آزمايش كشش اينسترون و با سرعت 2 ميليمتر بر دقيقه انجام شد. ابعاد نمونههاي آزمايش كشـش متقـاطع طبـق استانداردANSI/AWS/SAE/D8.9-97 تهيه شدند [16]. شكل و ابعاد نمونههاي آزمايش كشش متقاطع در شكل (2) نشـان دادهشده است. مود شكست نمونههـا حـين آزمـايش كشـش متقـاطعثب ت ش د. مق دار ني روي م اك زيمم قاب ل ب ا توج ه ب ه نم ودار بار – جابجايي محاسبه شد.

شكل (2): ابعاد نمونه آزمون كشش- متقاطع

براي بررسـي مـاكرو سـاختاري نمونـههـا پـس از انجـام عمليـات
مرسوم آماده سازي، نمونه براي متالوگرافي شامل سمباده زنـي وپـ وليش، توسـ ط محلـ ول نايتـ ال اچ شـ دند. ماكروسـ اختار و ريزساختار مناطق مختلف ريزساختاري بوسـيله ي ميكروسـكوپن وري بررس ي ش د. آزم ون ريزس ختي س نجي توس ط دس تگاه ريزسختي سنج شـيميدزو بـا نيـروي100 گـرم بـه مـوازات فصـلمشترك ورق ها (20 ميكرومتر بالاتر از فصل مشترك) انجام شد.
فاصله ي نقاط سختي 3/0 ميليمتر بود.

3-نتايج و بحث
3-1- ماكروساختار منطقه ي اتصال شكل (3) ماكروساختار نمونه يك جوش مقاومتي نقطه اي فـولادDP780 را نشان مي دهد. سـيكل گرمـايش و سـرمايش ناشـي از سيكل حرارتي جوشكاري موجب تغييرات شـديد ري زسـاختاريدر منطقـه ي اتص ال م يش ود و ي ك س اختار ن اهمگن در مح ل اتصال تشكيل ميشود.

شكل (3): ماكروساختار يك جوش مقاومتي نقطه اي فولاد DP780

محل اتصال را مي توان بـه 3 منطقـه فلـز جـوش (دكمـه جـوش)، منطقه ي متاثر از حرارت و فلز پايه تقسيم كرد:
1- دكمه جوش (منطقه اي كه در حين فراينـد جوشـكاري ذوبشدن را تجربه كـرده و سـپس دوبـاره منجمـد شـده)، 2- منطقـهمتاثر از حرارت (منطقه اي كه حين فرايند جوشكاري ذوب نشده اما دچار تغييرات ريزساختاري شده) و 3- فلز پايه است.
3-2- پروفيل سختي و ريزساختار منطقه ي جوش پروفيل سختي معياري براي تغييرات خواص مكـانيكي در امتـدادمحل اتصال است. سختي هر نقطه تابع ريزساختار آن نقطه است. پروفيل سختي اتصال در شكل (4) آورده شده است. همـان طـ ور كه ملاحظه مي شود پروفيل سـختي از 3 منطقـه متنـاظر بـا منـاطقريزسـاختاري دكمـه ي جـوش (FZ)، منطقـه ي متـاثر از حـرارت(HAZ) و فل ز پاي ه (BM) تش كيل ش ده اس ت. در ادام ه دلاي ل تغييرات سختي در امتـداد محـل اتصـال بـا توجـه بـه ريزسـاختارمربوطه توضيح داده شده است.

شكل (4):پروفيل سختي در امتداد محل اتصال

3-2-1-فلز پايه
شكل (5) ريزساختار ميكروسكوپي فولاد دوفازي مورد اسـتفادهدر اين تحقيق را نشان مي دهد. همانطور كـه ملاحظـه مـي شـود،ساختار اين فولاد متشكل از دو فاز فريت و مارتنزيـت اسـت. در تصوير ميكروسـكوپ نـوري فـاز فريـت بـه رنـگ روشـن و فـازمارتنزيت به رنگ تيره است. سختي فلز پايه حـدود 254 ويكـرزاست كه با ريزساختار آن همخواني دارد.

شكل (5):ريزساختار ميكروسكوپ نوري فلز پايه DP780
مـ ودمقــاومتي

3-2-2- دكمه ي جوش
ش كل (6- ال ف) ريزس اختار ميكروس كوپ الكترون ي روبش ي دكمه ي جوش را نشان مي دهد. همانطور كـ ه مشـاهده مـي شـودريزساختار دكمه ي جوش عمدتا متشكل از مارتنزيت و مقـداريفريت ويدمن اشتاتن و بينيت است. ريزسـاختار تـابعي از تركيـبشيميايي و سرعت سرد شدن است.

شكل (6): ريزساختار: الف)FZ، ب) HAZ درشت دانه، ج) HAZ بين بحراني و د)HAZ زير بحراني گولد و همكارانش [3] يك مدل تحليلي بـراي تخمـين سـرعتسرد شدن در روش جوشـكاري مقـاومتي نقطـه اي ارايـه دادنـد.
براساس محاسبات آنها، سرعت سرد شـدن در جـوش مقـاومتينقطه اي ورق فولادي به ضخامت 2 ميليمتر، حدود 3000 درجـهسانتيگراد بر ثانيه است. مقدار سرعت سرد شـدن بحرانـي بـرايتشكيل مارتنزيت در فولاد ها را مـيتـوان از رابطـه ي (1) تخمـينزد [17] :
(1) LogV =7.42 3.13− C −0.71Mn−0.37Ni −0.34Cr−0.45Mo كــه در آن Mn ،C و … تركيــب شــيميايي دكمــه جــوش وV سرعت سرد شدن بر حسب درجه سانتيگراد بر ساعت اسـت . بـاتوجه به تركيب شيميايي محاسبه شده، سرعت سرد شدن بحراني ب راي تش كيل دكم هي ج وش در فل ز ج وش براب ر 864 درج ه سانتيگراد بر ثانيه محاسبه مي شـود . از آنجـايي كـه سـرعت سـرد
ش دن تجرب ه ش ده ح ين جوش كاري ورق ف ولادي دوف ازي ب ه ضخامت 2 ميلي متر بيشـتر از سـرعت سـرد شـدن بحرانـي اسـت،تشكيل مارتنزيت در دكمه جوش غيرقابل انتظار نيست.
3-1-3- ريزساختار HAZ
منطقه متاثر از حرارت (HAZ) را مي توان به 3 منطقه تقسيم كرد:
HAZ درشت دانه
HAZ بين بحراني
HAZ زيربحراني HAZ درشت دانه چسبيده به دكمه ي جوش است. در اين منطقـهدما بـالا تر از دمـاي 3A اسـت و حـين سـيكل جوشـكاري كـاملاآستنيتي شده و همچنين به دليل دماي بالاي تجربه شـده سـاختاردرشت دانه مي شود. همانطور كه در شكل (4) مشاهده مي شود، سختي اين منطقه معادل و حتي مقداري بيشتر از سـختي دكمـه ي جوش است. دراين منطقه به دليـل آسـتنيته شـدن كامـل فـولاد وهمچنين بالا بودن سرعت سرد شدن، مارتنزيت تشكيل مي شـود .
از ط رف ديگ ر درش ت دان ه ش دن اي ن منطق ـه ح ين س يكلجوش كاري منج ر ب ه اف زايش س ختي پ ذيري و تش كيل بيش ترمارتنزيت مي شود. ريزساختار ايـن منطقـه كـه در شـكل (6- ب) نشان داده شده است، مويد تشكيل يك ساختار عمدتا مـارتنزيتيدر اين منطقه است. شكل (6- ج) ريزساختار HAZ بـين بحرانـيرا نشان مي دهد. اين منطقه حين سـيكل جوشـكاري، دمـاي بـينA1 و A3 را تجرب ه م ي كن د و ح ين س يكل گرم ايش ب ه ي ك ريزساختار فريتي-آستنيتي تبديل مي شود. با سرد شدن مجدد اين منطقه، آستنيت مجددا تبـديل بـه مارتنزيـت مـي شـود . البتـه بايـدتوجه داشت كه اگرچه سرعت سرد شدن در اين منطقه كمتـر ازHAZ درشت دانـه اسـت، امـا بـه دليـل توزيـع مجـدد كـربن درمنطقه ي دو فازي فريت+آستنيت، فاز آستنيت از كربن غني شده و سختي پذيري آن افـزايش مـي يابـد . همـان طـور كـه در شـكل (6- ج) مشاهده مـي شـود، ريزسـاختار ايـن منطقـه يـك سـاختار فريتـ ي- مـ ارتنزيتي اسـ ت. شـ كل (6- د) ريزسـ اختار HAZ زيربحراني را نشان مـي دهـد . در ايـن منطقـه فـولاد حـين سـيكلگرم ايش جوش كاري، دم ايي كمت ر از 1A را تجرب ه م ي كن د.
همانطور كـه در پروفيـل سـختي نشـان داده شـده در شـكل
مشاهده مي شود، يك مقدار افت سختي در اين قسمت نسبت بـهفلز پايه مشاهده ميشود. به اين پديده نرم شدگي در HAZ گفتـهمي شود. نرم شدگي HAZ در جوشكاري فولادهاي دوفـازي درمراجع ديگر نيز گزارش شـده اسـت [6-7، 10]. محـل كمتـرينسختي مشاهده شده در HAZ متناظر بـاHAZ زيربحرانـي اسـتيعني جايي كه دما زير دماي بحراني A1 اسـت [7]. ايـن امـر درمنابع بخوبي آورده شده است كه نرم شـدنHAZ در فولادهـايدوفازي بدليل تمپر شدن مارتنزيت در منطقهي HAZ زير بحراني است.
3-3- مود شكست
3-3-1-مود شكست هاي مشاهده شده همانطور كه در شكل (7- الف وب) مشاهده ميشـود، دو مـودشكست اصلي حـين آزمـون كشـش متقـاطع مشـاهده شـد: مـودشكست فصل مشتركي و مـود شكسـت محيطـي. مشـخص شـدهاست كه اندازه ي دكمه ي جوش، مهمتـرين مشخصـه ي فيزيكـيكنترل كننده ي مود شكست جوش هـاي مقـاومتي نقطـه اي اسـت [5-12]. شكل (8- الف) تـاثير جريـان جوشـكاري بـر انـدازه ي دكمه ي جوش و مود شكست فـولادDP780 را نشـان مـي دهـد .
همانطور كه انتظار مي رود با افزايش جريان جوشكاري به دليـلافزايش حرارت توليـد شـده، انـدازه ي دكمـه ي جـوش افـزايشمي يابد. همـان طـور كـه در شـكل (8- الـف ) مشـاهده مـيشـود،افزايش جريان جوشكاري منجر به تغييـر مـود شكسـت از فصـلمشتركي به محيطي مي شود. براي جـوش هـاي مقـاومتي نقطـه اي DP780، انتقال مـود ش كسـت از فصـل مشـتركي بـه محيطـي درجري ان جوش كاري 9 كيل و آمپ ر رخ داد. ش كل (8- ب) ت اثير انــدازه دكمــهي جــوش بــر نيــروي شكســت و مــود شكســتجوش هـاي مقـاومتي نقطـه اي را نشـان مـي دهـد . همـان طـور كـهمشاهده مي شود اولا يك رابطه ي مستقيم بـين انـدازه ي دكمـه ي جوش و نيروي شكست وجود دارد، ثانيـا يـك حـداقل انـدازه ي دكمه ي جوش وجود دارد كه بالاتر از آن مقدار، جوش در مـودشكست محيطي دچار شكست مي شـوند . براسـاس نتـايج تجربـيجوش هاي نقطه اي با اندازه ي دكمه جوش كمتر از 9/5 ميليمتـردر مود فصل مشتركي دچار شكست شدند و جوش هاي نقطـه اي با اندازه ي دكمه ي جوش بيشـتر از 6/6 ميليمتـر در مـود محيطـيدچار شكست شدند.

شكل (7): (الف)سطح شكست در مود فصل مشتركي، (ب) نمونه شكسته
شده در مود محيطي

(الف)

(ب)

شكل (8):(الف) تاثير جريان جوشكاري بر اندازه ي دكمه ي جوش، (ب)
تاثير اندازه دكمه ي جوش بر نيروي شكست.تغييرات مود شكست با جريان
جوشكاري و اندازه ي دكمه ي جوش نشان داده شده اند

مــودمقـ اومتي

3-3-2-تحليل مود شكست
همانطور كه پيش تر ذكر شد، مهمترين پارامتر كنتـرل كننـدهي مود شكست جوش هاي نقطهاي، اندازه دكمه ي جوش اسـت . بـههمين علت استاندارد هاي مختلف صنعتي براي هر ضخامت ورق مشخص، يك حداقل قطر دكمـه پيشـنهاد كـرده انـد . در صـنعتخودروسازي اندازه ي دكمـه ي جـوش عمـدتا براسـاس قاعـدهي 0.5t) 4t ضخامت ورق) تنظيم مي شود [1 – 6]. براساس اين معيار حداقل قطر دكمه ي جوش براي فولاد با ضخامت 2 ميليمتر بايد برابر 6/5 ميليمتر باشد. همانطور كه مشاهده مي شـود، انـدازه ي دكمه ي جوش پيشنهاد شده توسط اين معيار نمي توانـد منجـر بـهشكست در مود محيطي شود.
چاو [14] رابطهاي بـراي پـيش بينـي مـود شكسـت جـوش هـاي نقط هاي در آزم ون كش ش متق اطع اراي ـه داد . از آنج ايي ك ه شكست فصل مشتركي پيش از تغيير فـرم پلاسـتيك قابـل توجـهاتفاق ميافتد، اين محقق مود فصل مشـتركي در آزمـون كشـشمتقاطع را به صورت رشد ترك در مود I و با استفاده از مكانيك شكست مـدل كـرد. هـمچنـين بـراي مـدل كـردن مـود شكسـتمحيطي فرض كرد، شكست هنگامي رخ مـي دهـد، كـه ميـانگينتنشهاي وارده به اطراف دكمـه ي جـوش برابـر بـا تـنش تسـليمبرشي روي فلز پايه شود. وي رابطه ي 2 را براي مشـخص كـردنتغيير مود شكست در آزمون كشش متقاطع پيشنهاد داد:

DC = 0.86⎛⎜

τyHAZ ⎞⎟

t (2)
⎝ KC ⎠

كه در آن τyHAZ استحكام برشي HAZ و Kc چقرمگـي شكسـتدكمه جوش است. اگرچه رابطهاي كه وي ارايه داده اسـت قطـربحراني را به چقرمگي شكست دكمه جوش و استحكام شكسـتبرشي HAZ مرتبط ميكند، اما او تلاش كرد تا نشان داد مـدل اووابسته به ماده نيست و در نهايت با توجه به نتايج موجود در منابع رابطه اي ارايه داد كه تنها وابسته به ضخامت ورق اسـت. در واقـعاو سعي كرد نشان دهد، نسبت ⎠⎟⎟⎞τ

KyHAZC ⎝⎜⎜⎛ براي فولادهاي مختلف ثابت است. او رابطهي (3) را براي پيش بيني مود شكست پيشنهاد داد.
DC = 3.65t

(3)

با جايگزين كردن ضخامت ورق ( برابر 2 ميلـي متـر ) در رابطـه ي 3، مق دار قط ر دكم هي بحران ي براب ر 2/9 محاس به م ي ش ود.
همانطور كه مشاهده مـي شـود ايـن مـدل مقـدار بسـيار بـالاترينسبت به مقدار تجربي پيشنهاد مي كند.
در اين قسمت يك تحليل رياضـي سـاده بـراي مـود شكسـت درآزمون كشش متقاطع ارايه ميشود. شكل (9) يك مدل سـاده ازتوزيع تنش در فصل مشـترك و محـيط دكمـه ي جـوش را نشـان ميدهد. در فصل مشترك جوش، تنش ها عمدتا كششـي هسـتند.
در محيط دكمه ي جوش تـنش هـا در محـل هـاي مشـخص شـدهعمدتا برشـي هسـتند. شكسـت جـوش هـاي نقطـه اي در نتيجـه ي رقابت بين دو مـود شكسـت اسـت بـدين معنـي كـه شكسـت درمودي رخ ميدهد كه نياز به نيـروي كمتـري داشـته باشـد. بـرايآزمون كشش متقاطع نيروي محركه مود محيطي برشي و نيـرويمحركه مود فصل مشتركي تنش كششـي در خـط مركـز جـوشاست. از نقطه نظر مهندسي ، مـي تـوان گفـت هـر نيـروي محركـهي ك مق دار بحران ي دارد و رخ دادن ه ر م ود شكس ت ب ه اي ن بستگي دارد كه كدام نيروي محركه زودتر به مقـدار بحرانـي اش مي رسد. در واقع مود شكست جوش هـاي نقطـه اي حـين آزمـون كش ش متق اطع را م ي ت وان ب ه ص ورت رقاب ت ب ين تغيي ر ف رم پلاستيك برشـيHAZ (شكسـت محيطـي) و شكسـت دكمـه ي جوش در اثر تنش هاي كششي (شكست فصل مشتركي) در نظـرگرفت.
مهمترين پارامتر كنترل كننده ي توزيع تنشـي در جـوش نقطـهاي، اندازه دكمه جـوش اسـت. بـا كـاهش قطـر دكمـه جـوش ، تـنشكششي بوجود آمده در فصـل مشـترك ورق – ورق پـيش از آنكه تنش برشي موجب تغيير فرم پلاستيك برشي مـاده ي اطـرافدكمه ي جوش در HAZ شود، به مقدار بحراني خود مـي رسـد ودر نتيجه شكست در مود فصل مشتركي رخ ميدهد. در صورتي كه اندازه دكمه ي جوش از يك مقدار بحراني بيشتر باشد، تـنشبرشي بوجود آمده روي فصل مشترك به حدي نخواهد بـود كـهموجب رشد ترك از ميان دكمه ي جوش شود و در نتيجه جوش نقطه اي در اثر تنش هـاي برشـي توليـد شـده در اطـراف دكمـه ي جوش، در مود محيطي دچار شكست خواهد شد.

شكل (9):يك مدل ساده از توزيع تنش در فصل مشترك و محيط دكمه جوش در آزمون كشش متقاطع

بنابراين براي ساختن يك مدل براي پيش بيني مود شكسـت نيـازاست ابتدا روابطي براي بيان رياضي نيـروي شكسـت در دو مـودفصل مشتركي و محيطي بدست آورده شود:
نيروي شكست درمود فصـل مشـتركي (PIF)را مـي تـوان بـافرضتوزيع يكنواخت تنش كششي بـر دكمـه ي جوش،كـه بـه صـورتيك استوانه با قطرD و ارتفاع 2t فرض مي شود، بهصورت رابطـه 4 بيان كرد:
PIF = (

πD4 2 )σFZ

كه در آنσFZ استحكام برشي دكمه ي جوش است.
يكــي از عيــوب بســيار محتمــل در جــوش مقــاومتي نقطــه اي فولادهاي استحكام بالاي پيشرفته، تخلخل و حفره هاي انجمـادياست. تاثير حفره و تخلخل بر استحكام شكست، وابسته بـه محـلتوزي ع تخلخـله ا و م ود شكس ت ج وش دارد . تخلخ ل ه ا و حفره هـاي ناشـي از بيـرون زدگـي مـذاب يـا انقبـاض انجمـادي،عمدتا در مركز جوش تشكيل ميشوند. در مود شكست محيطي، عمده تنش هـا و در نتيجـه كـرنش هـاي پلاسـتيك در لبـه دكمـهج وش، در منطق ه مت اثر از ح را رت و ي ا در فل ز پايـه متمرك ز مي شوند. اين به دليل هندسه منحصر بفرد جوش نقطه اي و وجود يك ترك خارجي در محل اتصال است و در نتيجه اين محل بـهعنوان يـك محـل تمركـز تـنش عمـل مـيكنـد . بنـابراين وجـودتخلخل در مركز دكمه جـوش تـاثير چنـداني بـر توزيـع تـنش ونيروي شكست جوش هـاي نقطـه اي نخواهـد داشـت [1]. امـا درمود فصل مشتركي، وجود تخلخل به علت كاهش سـطح تحمـلكننده نيرو، موجب كاهش نيروي شكسـت جـوش هـاي نقطـه اي ميشود. اين نكته بايد ذكر شود كـه فولادهـاي اسـتحكام بـالايپيشرفته بسـيار مسـتعد بـه تشـكيل حفـره ي انقباضـي هسـتند. ايـنفاكتور به عنوان يكي عوامل موثر بر شكست فصل مشتركي ايـنفولادها شناخته شده است. بنابراين مقـدار تخلخـل و حفـره هـايانقباضي را بايد در مدل كردن نيروي شكسـت در مـود شكسـتفصل مشتركي در نظر گرفت. براي اين كار يك فاكتور حفـره وتخلخل (P) به صورت زير در نظر گرفته شد:
P =

AtotalA−totalAPorosity , 0 p P ≤1 كــه در آن Atotal:كــل ســطح مقطــعFZ در فصــل مشــتركورق/ورق، APorosity: سطح تصوير تخلخل و حفره در FZ در فصل مشترك ورق – ورق است. بنابراين رابطه ي (4) را ميتـوانبه صورت زير اصلاح كرد:
FIF =P Dπ4 2σFZ حال نيروي ماكزيمم در مود شكست محيطي را در نظـر بگيريـد. همانطور كه ذكر شد مود شكست محيطي در اثر تنش هاي برشي رخ مي دهد. در اين حالت فرض مي شـود، شكسـت هنگـامي رخ
مـ ودمقـ اومتي

مي دهد كه تنش برشي در محيط يك نيمه استوانه اي شكل دكمه به استحكام برشي محل شكست برسد. نشان داده شده اسـت كـه در آزم ون كش ش متق اطع هنگ امي ك ه ن رم ش دگي در HAZ وجود دارد، شكسـت از ايـن منطقـه رخ مـي دهـد . بنـابراين قطـرقسمتي از جوش كه از ورق بيرون كشيده مي شود، برابر قطـرFZ به علاوه ي پهناهاي منطقه ي HAZ اطراف آن اسـت . بنـابراين دراينجا رابطه ي زير براي براي شكست محيطي جوش هاي نقطه اي در آزمون كشش متقاطع ارايه مي شود:
FPF =π(D + 2x)t τPFL
ك ه در آن τPFL اس تحكام برش ي مح ل شكس ت م ود محيط ي ميباشد كـه در ايـن حالـت منطقـه ي HAZ نـرم شـده اسـت وx عرض HAZ است. شرط اينكه جـوش نقطـه اي در مـود محيطـيدچار شكست شود اين است كه نيروي شكست در مـود محيطـيكم تر از نيروي لازم براي شكست در مود فصل مشـتركي باشـد. بنابراين قطر بحراني دكمه ي جوش با مساوي قـرار دادن رابطـه ي (6) و (7) به صورت زير بيان مي شود:

46101089239

114833489239

0.5D2tτPFL [1 (1+ + 2Px × σFZ )(8) C = PσFZtτPFL] اگـر در يـك جـوش نقطـهاي D<Dc آنگـاه FIF < FPF اسـت ، بنابراين در حين آزمون در مـود فصـل مشـتركي دچـار شكسـت ميشود و اگـر در يـك جـوش نقطـه اي D>Dc آنگـاهFPF<FIF اسـت و بنابراين جوش در مود محيطي دچار شكست مي شـود. بـهعل ت كوچ ك ب ودن ابع اد ج وش نقط هاي، ب ه دس ت آوردن اس تحكام كشش ي و برش ي من اطق مختل ف آن ب ه روش ان دازه گيري مستقيم مشكل اسـت . نسـبت اسـتحكام برشـي و اسـتحكامكششي را مي توان به صورت يك ضريب f نشـان داد. از طـرفديگر استحكام كششي فلزات با سختي ويكرزآنها متناسب است بنابراين داريم:
18364278759

τσPFLFZ = fσσPFLFZ = 1f HHPFLFZ = Kf (9)

كــه در آن HFZ ســختي دكمــه ي جــوش، HPFL ســختي محــلشكست محيطي وK نسـبت سـختي دكمـه ي جـوش بـه سـختيمحل شكست است. بنابراين رابطـه (8) را مـي تـوان بـه صـورتزير نوشت.
DC =

2PKtf [1+ +(1

2PKxft)0.5 ] (10)
ب راي ي ك تخم ين كم ي از ان دازه ي دكم هي ج وش بحران ي، پارامترهاي زير در رابطه ي 10 جايگذاري ميشود:
سختي دكمه ي جوش: 380 ويكرز
س ختي مح ل شكس ت در م ود محيط ي: 230 ويك رز ( مح ل شكست در قسمت نرم شدهي HAZ قرار دارد)
نسبت سختي (K): 65/1
عرض x) HAZ): 1 ميليمتر ( با توجه به تصاوير متالوگرافي)
فاكتور تخلخل (P): 8/0 يعني 20درصد مساحت محـل اتصـالرا حفره هـاي انقباضـي تشـكيل داده اسـت. ايـن مقـدار بوسـيله ي سطح شكست نمونه هـاي شكسـته شـده در مـود فصـل مشـتركيمحاسبه شد. مقدار گزارش شده يك مقدار ميانگين است.
ضخامت ورق(t): 2 ميليمتر
ضريب f در مورد فولادها بين 7/0 تا 8/0 گزارش شـده اسـت.
در اينجا مقدار ميانگين 75/0 در نظر گرفته مي شود.
براس اس رابط ه ي (10)، ان دازه دكم ه ج وش بحران ي براب ر 1/6 ميليمتر محاسبه مي شود. همانطور كه در شكل (8- ب) مشاهده مي شود اين مقدار بـا انـدازه دكمـه ي بحرانـي تجربـي همخـوانيخوبي دارد.

4- نتيجه گيري
ريزس اختار FZ عم دتا ش امل مارتنزي ت و مق داري فري تويدمن اشتاتن و بينيت است. يـك مقـدار افـت سـختي درHAZ نسبت به فلز پايه مشاهده شد. اين امر در فولادهاي دوفازي بدليل تمپر شدن مارتنزيت در منطقه ي HAZ زير بحراني است.
معيار 0.54t مرسوم در صنعت خودروسازي براي حصول مـودشكس ت محيط ي در آزم ون كش ش متق اطع ف ولاد DP780 ب ا ضخامت 2 ميليمتر مناسب نيست.
سطح شكست نمونه هاي شكسته شده در مود فصـل مشـتركيحاوي حفره هاي انقباضي است. اين حفره ها بـا كـاهش انـدازه ي دكمه ي جوش مـوثر موجـب افـزايش تمايـل بـه شكسـت فصـلمشتركي و همچنين كاهش خواص مكانيكي مي شود. 4- براس اس مك انيزم شكس ت ج وش ه اي نقط هاي در آزمـون كشش متقاطع، يك مدل تحليلي براي پيش بيني حداقل انـدا ز ه ي دكمه ي جوش مورد نياز براي اطمينـان از حصـول مـود شكسـتمحيطي به صورت زير ارايه شد.
2tf2PKx 0.5 DC =

PK [1+ +(1

ft)]
كــه در آن HFZ ســختي دكمــهي جــوش، HPFL ســختي محــلشكست در مود محيطي، t ضـخامت ورق،P فـاكتور تخلخـل وحفره و f يك ضـريب ثابـت( بـراي تبـديل اسـتحكام برشـي بـهاستحكام كششي ميباشد.
5- براساس مـدل ارايـه شـده، انتقـال مـود شكسـت جـوش هـايمقاومتي نقطه اي در آزمون كشش متقاطع بوسيله ضخامت ورق، نسبت سختي دكمه ي جوش بـه سـختي محـل شكسـت (HAZ)، مقدار حفره هاي انقباضي و تخلخل در دكمـه ي جـوش و پهنـاي
HAZ كنترل مي شود.

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

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

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

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.

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, 2005, 197s–204s, 2005.

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.

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. 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.

Ma C., Chen D.L., Bhole S.D., Boudreau G., Lee A., Biro E., Microstructure and Fracture Characteristics of spotwelded DP600 steel, Mater. Sci. Eng. A, 485: 334-346, 2008.

Pouranvari M., Marashi S.P.H., Key Factors Influencing Mechanical Performance of Dual Phase Steel Resistance Spot Welds, Sci Technol Weld Join, 15: 149-155, 2010.

Baltazar Hernandez V. H., Kuntz M. L., Khan M. I. and Zhou Y., Infulence of Weld Size and Microstruture of Dissimilar AHSS Resistance Spot Welds, Science and Technology of Welding and Joining, 13: 769-776, 2008.

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

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.

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

X. Sun, E. V. Stephens, R. W. Davies, M. A.Khaleel, , D. J. Spinella, ” Effects of Fusion Zone Size on Failure Modes and Static Strength of Aluminum Resistance Spot Welds”, Weld. J., Vol83, pp.88-s-195-s, 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, 1997.

K.E .Easterling, Modelling the weld Thermal Cycle and Transformation Behavior in the Heat-Affected Zone, Mathematical Modelling of Weld Phenomena. The
Institute of Materials, 1993.



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید