روش‌هاي جوشكاري هاي پايه‌ آلومينيومي

دستورالعمل جوشكاري كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي

چكيده:

يكي از مشكلات استفاده از كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي كمبود دانش لازم براي اتصال آنها مي‌باشد. امروزه تصور تجهيزات و ماشينهايي كه در بدنه آنها از جوش استفاده نشده است دشوار مي‌باشد. در راستاي حل اين مشكل دستورالعمل‌ فشرده‌اي كه در اينجا آورده شده است در چارچوب پروژهmmc Assess EURAM  brite تهيه شده است.

دستورالعمل‌ها كه براساس مقاله‌هاي تحقيقاتي گردآوري شده‌اند باتوجه به نوع سيستم آلياژي زمينه تنظيم گشته‌اند. (زمينه آلومينيومي يا آلياژهاي ديگري چون منيزيم و تينانيم) به دليل كاربرد وسيع كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي آلومينيومي تمامي تكنيك‌هايي كه در اينجا آورده شده يا به آنها اشاره شده از زير مجموعه‌هاي آلومينيومي مي‌باشد. تنها يك و دو تكنيك جوشكاري براي MMC هاي زمينه منيزيمي و تيتانيمي آورده شده است.

مجموعه تكنيك‌هاي جوشكاري در سه دسته Fusion, solid state  و ساير روش‌‌ها بررسي مي‌شوند.

مقدمه :

كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي ( s’MMC)  از مواد مهندسي بسيار پر كاربرد هستند كه به طراح امكان استفاده توام از خصوصيات چندين فلز و غير فلز را در يك قطعه مي‌دهد. هرچند كه ثابت شده است كه استفاده از روش‌هاي جوشكاري براي اتصال اين مواد به يكديگر يا به قطعات تمام فلزي منجر به افت كيفيت منطقه وش تا حد فاز پيوسته و يا حتي مراتب ضعيف‌تري مي‌شود.

در اين مقاله با ارائه يكسري متدهايجوشكاري كه بيشتر مورد آزمايش قرارگرفته‌اند اقدامات پيشگيرانه و محدوديت‌هاي هر روش جمع آوري شده است.

تقسيم‌بندي كامپوزيت زمينه فلزي :

كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي را مي‌توان با توجه به نوع زمينه فلزي و ماده تقويت كننده دسته‌بندي كرد.انتخاب فاز زمينه با درنظر گرفتن چگالي و شرايط كاركرد در دماي پيرامون آن صورت مي‌گيرد. آلياژهاي آلومينيوم سري 2000 و 6000 و 7000 و 8000 رايج‌ترين مواد بكار رفته در فاز زمينه مي‌باشند. آلياژهاي Mg  و Ti كه در اينجا كمتر به آنها اشاره مي‌شود نيز مي‌توانند بعنوان فاز زمينه استفاده شوند. فاز تقويت كننده مي‌تواند پيوسته يا گسسته باشد. استفاده از فيبر يا فيلامنت‌هاي فاز تقويت كننده (reinforcement) اگرچه با افزايش استحكام ديناميكي و استاتيكي در طول فيلامنت‌ها همراه است ولي نيازمند بكارگيري تكنيك‌هاي پيچيده با هزينه بالا مي‌باشد اين دسته از NNC ها در اين گزارش به اختصار توصيف شده‌اند.

Particulate reinforcement ها معمولترين نوع تقويت كننده در ميان MMC هاي گسسته مي‌باشند كه عمدتاً شامل ذرات سراميكي Al2O3, SiC, B3C, TIC مي‌باشند. Particulate reinforced MMC ها همسانگرد، با قابليت توليد نسبتاً آسان بوده و در مقايسه با انواع پيوسته براي پروسه هاي بعدي مناسب‌تر مي‌باشند.

انواع تقويت كننده با الياف كوتاه به لحاظ كلاس بندي بين دو دسته‌اي كه در بالا بدان اشاره شد قرار مي‌گيرند. اين تيپ از reinforcemdnt ها تكنولوژي پيچيده و گرانقيمتي دارند.

بدنبال تركيب فاز تقويت كننده و پايه براي پيشگيري از واكنش‌هاي سطحي مخرب عمليات پوشش دادن سطحي در پروسه‌هاي بعدي تعريف مي‌شود. همانطور كه پيش از اين توضيح داده شد پوشش MMC مي‌تواند با توجه به نوع پروسه جوشكاري مفيد باشد.

تقسيم‌بندي متدها:

از آنجايي MMC هاي زمينه AL دامنه اصلي اين كلاس از كامپوزيت‌ها را تشكيل مي‌دهند. در اكثر متدهاي جديد جوشكاري ارايه شده نيز بيشترين كاربرد را دارند. اين متدها را مي‌توان بطور صحيحي در گروههاي زير تقسيم‌بندي نمود:

(a پروسه‌هاي ذوبي (Fusion Processes)

(b پروسه‌هاي حالت جامد (Solid state processes)

(c ساير روشها

روشهاي ذوبي (عمدتاً براي كامپوزيت‌هاي تقويت شده با ذرات ريز):

جوشكاري دوبي MMC ها با چندين مشكل اساسي مواجه مي‌باشد:

1. ويسكوزيته بالاي ذوب در دماي بالاتر از T_m
2. ايجاد جدايش (Segregation)  درحين انجماد مجدد
3. واكنش بين تقويت كننده‌ها (Reinforcement) و زمينه
4. تشكيل گاز

ويسكوزيته بالا موجب ايجاد تخلخل در مخلوط شدن فيلر و فلز مذاب اصلي مي‌شود. اين شكل را مي‌توان با بكارگيري سيم جوشهاي AI غني از Si يا در صورت امكان سيمت جوشهاي فلز (آلياژ)‌ زمينه Si تعديل كرد.

پديده جدايش هنگام جوشكاري ذوبي MMC SiC-AI بوجود مي‌آيد. از آنجايي كه ذرات سراميك توسط جبهه انجماد پس زده مي‌شود، مناطق عاري از ذرات تقويت كننده بوجود مي‌آيند. در مورد MMC با ذرات Al₂O₃ اين مشكل با بكارگيري سيم جوشهاي Mg تعديل مي‌گردد.

بالا بردن دماي مذاب براي كاهش ويسكوزيته موجب واكنش زمينه و تقويت كننده‌ها شده و وضعيت را بدتر مي‌كند. در مورد Al-SiC صفحات تيغه‌اي Al₄C₃  و بلوك‌هاي سيليكوني تشكيل مي‌شوند كه باعث ترد شدن ريز ساختار حاصله شده و در مجاورت رطوبت مقاومت به خوردگي را شديداً كاهش مي‌إهند. اين واكنش اغلب در جوشكاري با HI هاي با  نظير Electron/Laser beamWelding كه حوضچه مذاب بسيار داغي توليد مي‌كنند، گزارش شده است. براي جلوگيري از تشكيل صفحات تيغه‌اي Al₄C₃ پارامترهاي جوشكاري بايستي با نهايت احتياط انتخاب شوند. نوع تركيب شيميايي زمينه نيز مي‌تواند عامل مهمي تلقي شود.

تشكيل گاز هنگام جوشكاري ذوبي اغلب در MMC هايي كه به روش‌هاي P/M توليد شده‌اند مي‌تواند مشكل زا باشد. چنانچه درصد محبوس شده بالا باشد، تشكيل گاز (بخصوص H₂) رخ مي‌دهد كه منجر به تشكيل ترك‌هاي متعدد در HAZ و ايجاد تخلخل مي‌شود. اين مشكل را مي‌توان با بكارگيري تكنيك‌هاي صحيح گاززدايي پودر حل كرد.

از ميان روش‌هاي جوشكاري ذوبي انواع زير براي جوش دادن MMC هاي زمينه AI مناسب‌تر مي‌باشند:

1- CTAW , GMAW

2- LBW

3- EBW

1. Capacitor discharge welding (CDW)

:GTAW & GMAW

در هر دو روش فوق يك قوس الكتريكي بين قطعه كار و الكترود بوجود مي‌ايد و بسته به موقعيت مي‌توان از الكترود تنگستن مصرف نشدني يا الكترود مصرف شدني استفاده كرد. مذاب داغ فلز توسط گاز خنثي كه از اطراف الكترود دميده مي‌شود. محافظت مي‌شود. در روش GMAW مي‌توان با استفاده از فيلرهاي جوشكاري در محل اتصال قبل از اجراي فرآيند و يا درحين فرآيند توسط يك منبع خارجي براي پر كردن Joint اقدام كرد.

روش GTAW عمدتاً براي جوشكاري MMC هاي زمينه AI سري xxx 6
(AI+ Mg+ Si) بكار مي‌رود. استفاده از HI پايين و سيم جوشهاي غني از سيليكون دراين روش توصيه مي‌گردند.

در مورد AI-MMC با ذرات تقويت كننده AL₂O₃ ، استفاده از سيم جوش‌هاي غني از Mg براي پيشگيري از عدم تر شوندگي و جدايش بين دندريتي توصيه مي‌شود.

در جوشكاري قطعات B MMC – (6061) AI، با تقويت كننده‌هاي پيوسته (CFRM) به روش GTAW، فيلامنت بيروني بيش از حد گرم مي‌شوند كه درنهايت منجر به خرد شدن و حل شدن آنها در داخل زمينه مي‌شود. اين مشكل با بكارگيري سيم جوش‌هاي سيليكوني (با درصد بالايي از Si) برطرف گرديد.

نشان داده شده است كه روش GMAW اگر بصورت اتومايزه با سرعت جوشكاري بالايي مورد استفاده قرار بگيرد، منطقه جوش بهتري در مقايسه با GTAW توليد مي‌شود. در يك آزمايش كه از هر دو روش براي اتصال قطعات MMC 6061 AI با ذرات B₄C (در كنار سيم جوش) استفاده گرديد، نتايج بهتري در متد GMAW بدست آمد.

: LASER BEAM WELDING (LBW)

دراين روش يك شعاع از نور ليزر به كمك لنزهاي نوري بر روي ماده در حالت جامد متمركز مي‌شود بطوريكه دما به بالاي نقطه ذوب مي‌رسد. روش LBW دانسيته حرارتي بسيار بالايي درحدود W/CM²  10⁶  دارد. اين دانسيته حرارتي بالا براي ايجاد تقابل لازم اشعه ليزر با سطح ماده كه به كوپل شعاعي موسوم است، لازم مي‌باشد. كوپل شعاعي لازم براي MMC چهار برابر بيشتر از آلياژهاي AI تمام فلزي مي‌باشد. نتيجه اينكه روش LBW براي جوشكاري‌هايي با عمق نفوذ بالا و پهناي جوشكاري نازك با HAZ باريك بكار مي‌رود.

متأسفانه به دليل درجه حرارت بسيار بالاي منطقه برخورد پرتو ليزر با ذرت sIc منطقه جوش مخربي با تمايل بالا براي تشكيل AI₄C₃ (يوتكتيك AI-Si و سيليكون‌اي آزاد) بوجود مي‌آيد.

با كنترل مقدار وحالت انرژي ورودي به احتمال زياد مي‌توان اين واكنش مخرب را محدود كرد. يك راه حل ديگر براي حل اين مشكل اضافه كردن عناصر ديگري مانند Ti با ميل به كاربيدزدايي بالا به دو صورت سيم جوش‌هاي Ti و يا قرار دادن فويل‌هاي Ti در محل اتصال بلوك‌هاي MMC مي‌باشد. تقويت كننده‌هاي ديگري نظير  AI₂O₃ يا B₄C با اين مشكل مواجه نيستند.

: Electron Beam Welding (EBW)

در جوشكاري به روش تابشي از الكترونهاي برانگيخته شده از ميان ميدان الكترونيكي گذشته و به كمك لنزهاي مغناطيسي بر روي منطقه جوش متمركز مي‌شوند. از آنجايي كه الكترونها با برخورد به مولكولهاي گاز پراكنده مي‌شوند، اين روش بايد در خلا انجام شود. با برخورد شعاع الكتروني به منطقه اتصال حرارت ايجاد مي‌شود. دانسيته حرارتي بسيار بالاي توليد شده، در حدود W/Cm^{2 6} 10، جوش باريك و عمقيقي ايجاد مي‌كند. درم قايسه با روش LBW ، در EBW واكنش ناخواسته  كمتري بين AI و SiC بوجود مي‌آيد. با اين حال هنوز هم استفاده از روش EBW براي كامپوزيت‌هاي زمينه AI و SiC با محدوديت‌هايي مواجه است. اگرچه بكارگيري يك جوش اتوماتيك با سرعت و درجه حرارت كنترل شده منطقه جوش با خواص بهتري توليد مي‌كند.

: Capacitor Discharge Welding (CDW)

روش CDW حالت خاصي از Resistance Welding مي‌باشدكه در آن انرژي ورودي از تخليه سريع بار الكتريكي خازن‌هاي الكتريكي در زماني كه نيرو بر سطح تماس اعمال مي‌شود، تأمين خواهد شد. از آنجايي كه پالس خروجي خازن‌ها كوتاه‌ است، پريودهاي 25-5 ميلي ثانيه، روش CDW احتمالاً با واكنش‌هاي نامطلوب كمتري روبرو شده و جوش با كيفيت‌تري نسبت به Conventional Spot Welding توليد مي‌كند. اين مطلب را از آزمايش بر روي گونه‌هاي مختلفي از AI/SiC نتيجه‌گيري شده است.

روش‌هاي حالت جامد :

اين بخش شامل روش‌ةاي زير مي‌باشد:

1- Diffusion Bonding (DB)

2- Inertia Friction Welding (IFW)

3- Friction Stir Welding

: Diffusion Bonding

براي اتصال دو قطعه از طريق روش Diffusion bonding بايستي دو قطعه را در تماس با يكديگر تحت يك نيرو و در يك دماي بالا در بازه زماني مشخصي نگه داشته تا به اتم‌ها فرصت دهيم از طريق ديفوزيون يك پيوند متالورژيكي ايجاد كنند. درمواد با زمينه آلومينيوم رنج دمايي بين ^oc 352 تا ^oc520 مي‌باشد. زمان لازم نيز به دما و نوع ماده‌اي كه بايد جوشكاري شود بستگي دارد. سطح نمايش بايستي به خوبي پرداخت شده باشد (بهتر از mRa, 0,4  و بخوبي تميز شود. به محيط خلا يا اتمسفر محافظ نيز در حين جوشكاري نياز خواهيم داشت. آلياژهاي آلومينيومي بدليل پوسته اكسيدي پايدار و چسبناك حاصله براي ديفوزيون مستعد نمي‌باشند. حضور ذرات تقويت كننده نيز محدوديت‌هاي بزرگي را موجب مي‌شوند. هرچند كه گزارش شده است Diffusion Bonding روش مفيدي براي اتصال اين قطعات در حضور و يا عدم حضور لايه‌هاي واسطه Cu (InterLayer) يا Ag مي‌باشد. بدنبال اجراي كنترل شده و احتياط آميز اين پروسه. انتقال مقادير جرمي بالايي صورت گرفته و براي جلوگيي از شكل‌گيري مناطق فقير يا غني جزيي بين دو جزء ديفوزيوني بايد استحكام پيوند ضعيفي برقرار باشد.

: Inertia Friction Welding

دراين روش حرارت لازم براي جوشكاري از اصطكاك بين دو قطعه‌اي كه بايد بهم متصل شوند تأمين مي‌شود. Inertia Friction يك زير مجموعه Friction Welding مي‌باشد كه در مواردي كه حداقل يكي از دو قطعه بصورت متقارن مي‌چرخد، استفاده مي‌شود. اين قطعه كه به يك محور چرخان متحرك متصل شدهاست تحت فشار با قطعه دوم كه ثابت مي‌باشد، تماس داده مي‌شود. در اثر حرارت توليد شده لايه نرمي در سطح تماس تشكيل مي‌شود. بطور معمول اين لايه اتصالي تحت فشار سرد مي‌شود. تشكيل اين لايه اتصالي همراه با فرج و اكستروژن ماده در محل تماس مي‌باشد. براي MMC ها نيروي محوري بزرگتري نسبت به جوشكاري مواد تكفازي نياز مي‌باشد. تنش سيلان در حضور ذرات تقويت كننده افزايش پيدا مي‌كند.

: Friction Stir Welding (FSW)

با وجود تازگي روش FSW به نظر مي‌رسد كه اين روش مطمئن‌ترين متد براي اتصال قطعات MMC مي‌باشد. در مقايسه با روش Conventional Friction دراين تكنيك دو قطعه هيچ‌گونه حركت نسبي، نسبت به هم ندارند. حتي براي جلوگيري از هرگونه تنش احتمالي بين سطوح قطعات آنها از پشت به صفحات پشت بند مناسبي وصل مي‌شوند. يك قطعه استوانه‌اي شكل چرخان در طول خط اتصال حركت مي‌كند تا از طريق حرارت اصطكاكي توليدي يك منطقه خميري شكل در اطرافان ايجاد مي‌شود. سپس اين ناحيه پلاستيكي در امتداد قطعه سليندري فشرده مي‌شود تا يك جوش بعداز انجماد ايجاد شود. اين روش حالت جامد، پايداري تركيبي و يكنواختي توزيع ذرات تقويت كننده را در داخل زمينه حفظ مي‌كندو خطر احتمالي واكنش بين ذرات تقويت كننده و زمينه بخاطر دماي پايين متد بسيار كاهش مي‌يابد.

امروزه كارآيي روشFSW براي جوشكاري ورق‌هاي MMC با تكنيك Butt Welding اثبات شده است. همچنين براي قطعات SiC-MMC  تا مرز Vol 25% اين روش بكار مي‌رود. تنها مشكل اين روش سايندگي بيش از حد سطح ابزار توسط ذرات سخت SiC مي‌باشد.

ساير روش‌ها:

1- Transient Liquid Phase Bonding (TLPB)

2- Brazing (BZ)

3- Soldering (SD)

4- Adhesive Bonding (AB)

:Transient LiquidPhase Bonding (TLPB)

روش TLPB مشابه روش Diffusion Bonding با لايه داخلي (Interlayer) مي‌باشد با اين تفاوت كه درجه حرارت براي ذوب يوتكنيك حاصله از زمينه و لايه داخلي كافي باشد. براي زمينه آلومينيومي از Cu و g و Zn بعنوان interlayer استفاده مي‌شود. نقطه يوتكتيك Al-Cu و Al-Ag به ترتيب 548 و. 566 درجه سانتي‌گراد مي‌باشد.

:Brazing

Brazing هم مانند TLPB با ذوب يك لايه فلزي بين دو سطح تماس اجرا مي‌شود. هرچند كه در Brazing آلياژي كه بعنوان لايه داخلي استفاده مي‌شود خود داراي يك دماي ذوب پايين مناسب براي ذوب شدن بدون نياز به تشكيل يوتكتيك را دارا مي‌باشد.رايج‌ترين متدهاي Brazing دو روش Vaccum Furnace Brazing  و  Dip Brazingمي‌باشد.

Vaccum Brazing زماني بكار مي‌رود كه نيروي اعمالي بزرگي در حين سيكل brazinhg در جوشكاري سطح به سطح وجود دارد. Dip brazinh نيز به همراه فلاكس‌هاي شيميايي و معمولاً در روي خطوط توليد به همره فيكسچرهاي نگهدارنده خودكاراستفاده مي‌شود. پيش از brazing سطح اكسيدي محل تماس بايستي برداشته شود. براي جلوگيري از تشكيل حفرات گازي ميزان واكنش‌پذيري بين زمينه و آلياژ پركننده brazing بايد چك شود.

: Soldering

Soldering در مقايسه Brazing كه در چندين مورد با يكديگر اختلاف دارند در درجه حرارت‌هاي پايين‌تري اجرا مي‌شود. خط جدا كننده اين روش دماي 450 درجه سانتيگراد مي‌باشد.

استفاده از لحيم سرد چندين اثر مثبت و منفي بدنبال خواهد داشت. كيفيت آلياژهاي Al عمليات حرارتي شده حفظ مي‌شود و تنش‌هاي حرارتي سازه به حداقل مي‌رسند. از طرف ديگر استحكام محل اتصال بسيار كمتر از آن چيزي است كه در Brazing بدست مي‌آيد.

بدليل پوسته اكسيدي محكمي كه بر روي Al  تشكيل مي‌شود، محل تماس بايستي براي تر شوندگي بهتر لحيم‌ها پرداخت شود و يا اينكه از فلاكس با خاصيت سايندگي بالا استفاده كرد. بعداز Soldering مقادير اضافي فلاكس‌ها حتماً بايد برداشته شوددر غير اين صورت خوردگي گالوانيكي و حفره‌دار شدن بوجود مي‌‌آيد. هرچند كه يك آلياژ لحيم فعال با تركيب لانتانيدها + Sn+ Ag+Ti توليد شده است كه مي‌تواند كار سايندگي و محافظت فلاكس‌ها را انجام دهد.

:Adhesive Bonding

با درنظر گرفتن تأثير اين روش بر روي يكپارچگي قطعات Adhesive bonding , MMC آخرين انتخاب ريسك آميز مي‌باشد.

در اين روش:

• نيازي به اعمال نيروي خروجي نگهدارنده كه باعث تخريب فيزيكي تقويت كننده مي‌شود. نداريم.
• تمايل به خوردگي به دليل عدم وجود فلاكس باقيمانده كاهش مي‌يابد.
• پديده حفره دار شدن مذاب فلز از بين مي‌رود.
• دماي پايين پروسه (زير 180 درجه سانتيگراد) امكنا اجراي آن را در شرايط آلياژي Al عمليات حرارت شده فراهم مي‌كند.

در Adhesive Bonding محدوديت‌هايي هم وجود دارد. توليد گاز از چسب‌ها مي‌تواند تجهيزات نوري حساس و آينه‌هاي بكار رفته در سازه‌هاي MMC را كثيف كند. جوش ايجاد شده نمي‌تواند شرايط دمايي داغ و نيز زماني كه به هدايت الكتريكي بالايي نياز داريم، جوابگو باشد.

زماني كه متدهاي adhesive bonding براي اتصال آلياژ Al تمام فلزي بكار گرفته مي شود از اسيد فسفريك يا اسيد كرميك براي آندايزينگ بعنوان يك عمليات اوليه براي افزايش دوام منطقه جوش استفاده مي‌شود. درحالي كه براي اتصال قطعات MMC از آندايزينگ استفاده مي‌شود. علت اين امر بخاطر حضور ذرات نارسا محلول بر روي سطح مي‌باشد كه پروسه آندايزينگ را مختل كرده و موجب تشكيل تركيب‌اي اكسيدي نامناسب مي‌شوند. عمليات اوليه مناسب‌تري چون اچ كردن (و در مقياس‌هاي پايين‌تر) و ماسه پاشي استفاده مي‌شوند.

روش‌هاي جوشكاري ساير آلياژهاي MMC :

براي آلياژهاي  Mg 71ZC (تقويت شده از SiC 10%) از جوشكاري اصطكاكيچرخشي (Rotary Friction Welding) استفاده مي‌شود. درمنطقه جوش مي‌توان خرد شدن ذرات SiC را مشاهده كرد. افت استحكام ناشي از اين موضوع را مي‌توان با عمليات حرارتي بعد از جوشكاري تعديل كرد.

آلياژهاي Ti:

براي آلياژ V4- Al 6- Ti – SiC %40 از روش Diffusion bonding بهمراه آلياژهاي لايه‌اي تقويت نشده مي‌شود. يك رابطه خطي بين افزايش استحكام و زمان پروسه مشاهده شده است. بيشترين استحكام جوش در دماي 900 و فشار Mpa 10 در مدت زمان hrs 3 بدست آمده است.

روش Capacitor Discharge Spot Welding نيز بخوبي براي آلياژ – V 4- Al6- Ti SiC_(p)  35% بكار گرفته شده است. با استفاده از پارامترهاي جوشكاري بهينه مي‌توان از جابجايي و خرد شدن فيبرها جلوگيري كرد. براي برخي از فيبرهاي تقويت كننده MMC مانند Ti / SiC استفاده طولاني مدت در دماهاي بالا باعث از بين رفتن فيبرها در حين پروسه‌هايي چون diffusion bonding مي‌شود. يك راه حل براي اين معضل پوششي از چندين لايه محافظ از جنس Y,O₃ / Y/ Y₂ /O₃ به دور فيبرها مي‌باشد.

بحـث :

روش‌هاي متفاوت جوشكاري به طرق مختلف خواص منطقه جوش را تحت تأثير قرار مي‌دهند. در صورتيكه حرارت توليد شده باعث شركت فيبرهاي تقويت كننده كوچك يا پيوسته در واكنش‌هاي شيميايي نامطلوب نظير آنچه در مبحث جوشكاري ليزري گفته شد، گردد خسارت اجتناب‌ناپذير خواهد بود.

فرآيندهاي جوشكاري اصطكاكي در مكانيزم را بهمراه خود ايجاد مي‌كند. يكي اينكه توزيع ذرات تقويت كننده و الياف كوتاه در محل جوش مختل گشته و يا منظم‌تر مي‌گردد. اين اثر نيز اجتناب ناپذير مي‌باشد اما نتيجه آن بر روي خواص مكانيكي بصورت كلي هنوز شناخته نشده است. اثر ديگر براي MMC هاي پايه آلومينيومي اين است كه حرارت توليدي ناشي از اصطكاك باعث پيري Overaging فاز زمينه شده و منجر به ايجاد مناطق ضعيف بر روي طرفين محل جوش مي‌شود. اين پديده در منحني زير بصورت پروفيل سختي نشان داده شده است كه از طريق اندازه‌گيري مقاطع مختلف منطقه جوش اصطكاكي آلياژ Al / SiC بدست آمده است.

اگر آلياژ زمينه از دسته آلياژهاي عمليات حرارتي شده سري xxx 2، xxx6، xxx8 باشد، استحكام اوليه MMC را مي‌توان از طريق عمليات حرارتي محلول اشباع و پيرسازي در صورت لزوم باز گرداند. اثر پديده فوق كه به Post bonding treatment (BHT) معروف است نيز در شكل 1 آورده شده است.

انطباق متدهاي مختلف جوشكاري با درنظر گرفتن خصوصيات محل جوش:

در جدول زير (شكل 2) چندين روش جوشكاري باتوجه به كاربرد و كاركرد مناسبشان براي قطعات MMC رتبه بندي شده است.

جوشكاري كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي به روش

Friction Stir Welding (FSW)

مقدمه:

جوشكاري Al-MMC ها به دليل واكنش‌هاي مخرب بين Al  ذوب شده و ذرات سخت تقويت كننده دشوار مي‌باشد. بنابراين از آنجايي كه در روش FSW ذوبي وجود ندارد، مشكلات ناشي از واكنش‌هاي مذاب – جامد حذف مي‌شوند. اين مطالب به روش FSW براي جوشكاري قطعات Al-MMC پتانسيل اجرايي خوبي مي‌دهد. هدف از اين تحقيق مقايسه ريز ساختارهاي حاصله از محل جوش قطعات Al-MMC در هر دو روش ذوبي و FSW مي‌باشد.

مراحل انجام كار:

در اين تحقيق از سه روش جوشكاري ذوبي، Nd: YAG (Laser) Electron Beam (EB) و Gas Tungsten Arc Welding (GTA) براي اتصال دو قطعه Al-MMC استفاده شده است و نتايج با روش FSW مقايسه مي شود. همچنين از آلياژهاي آلومينيوم A 6061 تقويت شده با ذرات Al₂O₃ و 2124 تقويت شده با SiC براي جوشكاري استفاده شده است. (به جدول 1 مراجعه كنيد)  پارامترهاي جوشكاري نيز در جدول 2 آورده شده است. آناليز جوش نيز با ميكروسكوپ نوري و دستگاههاي سختي سنج صورت گرفته است. پايداري فازي نيز در آلياژهاي  ياد شده به كمك نرم افزارهاي ترموديناميكي محاسبه شده و با ريز ساختارهاي مشاهده شده آزمايشگاهي مقايسه گرديده است.

بحث و نتايج:

ريز ساختار فلز زمينه آلياژهاي 2124 /SiC , 6061 / Al₂O₃ در شكل 1 نشان داده شده‌اند. اگرچه اندازه و شكل ذرات تقويت كننده تفاوت قابل توجهي با يكديگر ولي در هر دو كامپوزيت بخوبي پراكنده شده‌اند. عليرغم اينكه از سه متد متفاوت ذوبي در اين آزمايش استفاده گرديد ولي ريز ساختارهاي مشابهي با توجه به نوع ماده مورد استفاده مشاهده شده است. در هر دو روش ذوبي و FSW ريز ساختار منطقه جوش متمايز از فلز زمينه مي‌باشد.

بدليل انجماد مذاب آلياژ 2124 / SiC سوزن‌هاي كاربيد (Al₄C₃) همراه با ذرات سيليكون اوليه و پوتكتيك Si-Al در منطقه جوش بوجود مي‌آيند. (شكل sa) ريز ساختار حاصله از جوش ليزري آلياژ 2124 / SiC مطابق با تحقيقات قبلي مي باشد. بدنبال تشكيل كاربيد آلومينيوم Al₄C₃ و فازهاي ديگر سختي منطقه جوش افزايش يافته، منجر به توليد ريز ترك‌هايي مي‌گردد. در مورد آلياژ  O₃/ 6061 Al₂  جوشكاري ذوبي باعث حذف شدن ذرات تقويت كننده گرديد. (شكل 2b) انعطاف‌پذيري بيشتر منطقه جوش را موجب مي گردد. اين مطلب با سختي سنجي نمونه بدست آمده است. البته ذكر اين نكته نيز ضروري است كه در تست سختي سنجي آلياژ O₃/ 6061 Al₂  باتوجه به محل نمونه برداري (فاصله بين ذرات
O₃/ Al₂  در آلياژ 6061 و تشكيلC₃/  Al_{2 ­}و زمينه) سختي‌هاي متعددي بدست آمدند. از بين ذرات O₃/  Al₂  در آلياژ 6061 و تشكيل O₃/  Al₂  در آلياژهاي 2024 / SiC كاملاً با پيش‌بيني‌هاي ترموديناميكي نرم‌افزار Thermocall مطابقت داشتند.

برخلاف جوشكاري ذوبي در روش FSW ريز ساختارهاي بدست آمده از آلياژهاي 2124 / SiC و 6061 / Al₂O₃ كاملاً متفاوت مي‌باشند. مناطق تبلور مجدد ديناميكي (DXZ) وجود ندارد كه اين امر بزرگنمايي ديده مي‌شوند و هيچ مدركي دال بر انجام واكنش مخرب در DXZ وجود ندارد كه اين امر مطابق با ساير تحقيقات صورت گرفته در اين ناحيه مي‌باشد. پيش از اين گزارش شده بود كه واكنش‌هاي ثانويه اي در محل جوش FSW صورت مي‌گيرد كه نتايج مشابهي نيز در اين تحقيق مشاهده گرديد. سختي‌هاي بدست آمده در مناطق DXZ  در هر دو آلياژ تفاوت اندكي با يكديكر داشتند. بطور كلي در آلياژ 2124 / SiC ذرات جهت‌گيري‌هاي نسبتاً منظمي
به‌نظر مي‌رسند.

نتيجه‌گيري:

جوشكاري ذوبي قطعات Al-MMC منجر به انجام واكنش‌هاي مخرب در حين انجماد در منطقه جوش مي‌شود. تشكيل سوزنهاي كاربيد آلومينيوم O₃/  Al₂  در جوشكاري ذوبي كامپوزيت 2124 / SiC باعث افزايش ناگهاني سختي منطقه جوش مي‌شود و در كامپوزيت‌هاي O₃/ 6061 Al₂  جوشكاري شده به روش ذوبي ذرات تقويت كننده بطور كامل از بين رفته و منجر به نرم شدن منطقه جوش مي‌گردند. جوشكاري قطعات Al-MMC به روش FSW باعث ايجاد يك ريز ساختار همگن و پروفيل يكنواخت سختي در مقايسه با انواع جوش ذوبي مي‌شود.

تأثير نحوه طراحي اتصال و درصد حجمي بر روي خواص جوشكاري اصطكاكي كامپوزيت‌هاي Al / SiC_(p)

در سيستم جوشكاري اصطكاكي استحكام جوش Al 360-Al 360 بيشترين و
V% Si_(p) 10/ Al 360 كمترين مي‌باشد.

چكيده:

در اين تحقيق از يك سيستم چرخشي جوشكاري اصطكاكي و آلياژهاي Al  360 و كامپوزيت (درصد حجمي = V%) V% 10 – V% 5 / Al 360 در دو حالت قطعه‌هاي متشابه و غيرمتشابه و دونوع محل اتصال استفاده شده است. در محل اتصال نوع I، يك طرف داراي يك زاويه كوچك بوده و طرف ديگر صفحه مي‌باشد. از طريق آزمايش ثابت گرديد كه طراحي محل اتصال نوع I استحكام جوش بالاتري ايجاد مي‌‌كند. در سيستم جوشكاري اصطكاكي استحكام جوش Al 360- Al 360 ماكزيمم و V% 10/Al 360- V% 360 مي‌نيمم مي‌باشد. آلياژ Al 360- Al 360 داراي شكستي نرم به همراه فرو رفتگي و برآمدگي‌هايي در محل شكست بوده در حاليكه V% SiC 360- V% 10/ Al 360 شكست تردتري نسبت به Al 360- Al 360 دارا مي‌باشد و شكست درناحيه Z pl بوجود مي‌آيد در صورتيكه در موارد ديگر شكست از فصل مشترك ناحيه Zpd, Zpl آغاز مي‌شود. در اين سيستم جوشكاري براي اغلب مواد شكست در فصل مشترك Zpd , Zpl  بوجود مي‌آيد، جايي كه مقادير ذرات پراكنده SiC ماكزيمم مي‌باشد. در منطقه HAZ براي مواد مشابه ميزان سختي Zpl بيشتر از Zud بوده و براي مواد غيرمتشابه سختي Zpl نصف ميزان سختي دوناحيه Zud مي‌باشد.

مقدمه:

آلياژهاي Al تقويت شده با ذرات پراكنده (Al /SiC) SiC در مقايسه با آلياژهاي تمام آلومينيوم مزيت‌هايي چون مدول الاستيسيته بالا، سختي زياد، مقاوم در برابر سايش، ضريب انبساط حرارتي پايين و رسانش حرارتي بهتر دارا مي‌باشند. از جمله كاربردهاي مفيد اين آلياژها در صنعت هوافضا و انتقال كالا و مسافر شامل سازه‌هاي بدنه واپيما، روتورهاي ديسك ترمز اتومبيل‌ها، پروانه‌هاي توربو چارجرها، پوسته بال هواپيما و بدنه موشك مي‌باشد.

تكنيك جوشكاري نقش مهمي را در ساخت و توليد محصولات و سازه‌هاي SiC – Al مخصوص و پيچيده ايفا مي‌كند. از روش‌هاي زير براي جوشكاري كامپوزيت‌هاي SiC / Al  استفاده مي‌شود:

جوشكاري ذوبي

شامل :

1- GTAW

2- Resistance Welding (RW)

3- LBW

در روش‌هاي فوق به مقادير بالاي انرژي نياز است كه منجر به انجام واكنش‌هاي شيميايي ناخواسته‌اي شده كه باعث بروز مجموعه‌اي از عيوب مانند تشكيل پوسته‌هاي نازك اكسيدي، تخلخل، تشكيل ترك و پيدايش تركيبات بين فلزي نظير روش‌هاي ديفوزيوني Deffusion bonding

در اين روش به محيط خلا و تجهيزات گرم كننده نياز مي‌باشد. لذا بسيار پرهزينه بوده و كاربردهاي محدودي دارد.

اتصال و بست مكانيكي

اين روش‌ها با كمبود قابليت تغيير فرم پلاستيكي روبرو مي‌باشند. لذا تمركز تنش براحتي درمناطق جوشكاري شده بوجود آمده و مي‌تواند منجر به شكست‌هاي ناگوار گردد.

روش‌هاي جوشكاري اصطكاكي (Friction Stir Welding)

اين روش كه از جمله روش‌هاي جوشكاري حالت جامد مي‌باشد بدين صورت مي‌باشد كه حرارت توليد شده بوسيله اصطكاك ناشي از حركت نسبي دو قطعه (كه قرار است به هم جوش داده شوند) ايجاد مي‌شوند. اعمال يك نيروي محوري دوقطعه را درتماس با يكديگر نگه داشته و باعث تغيير فرم پلاستيك در نواحي محل اتصال ماده مي‌شود. ميزان تغيير فرم بواسطه فرآيند برشي آدياباتيك به شدت وابسته به درصد حجمي مواد پيرامون فصل مشترك مي‌باشد. از روش جوشكاري اصطكاكي FSW براي جوشكاري كامپوزيت‌هاي Al / SiC بدليل حرارت وروديHeat Input)) پايين و وجود HAZ باريك و سخت و تردي كه استحكام جوش بالايي را ايجاد مي‌كند استفاده مي‌شود.

مزيت‌هاي روش جوشكاري اصطكاكي:

1. سطوحي تماس بدليل اصطكاك درحين جوشكاري تميز مي‌شوند لذا نيازي به عمليات سطحي قبل از جوشكاري نمي‌باشد.
2. نيازي به استفاده از مواد پركننده يا اتمسفر محافظ نمي‌باشد.
3. ميزان توليد افزايش چشم‌گيري مي‌يابد. لذا روشي اقتصادي و مقرون به صرفه است.

در حقيقت امروزه روش جوشكاري اصطكاكي كاربرد وسيعي در جوشكاري قطعات متشابه و غيرمتشابه مانند صنعت اتومبيل پيدا كرده است.

گزارش شده است كه جوشكاري فولاد و مس به روش FSW با استفاده از يك لايه واسطه فلزي استحكام جوش را تقريباً تا 40% افزايش مي‌دهد و نيز اينكه به وجود پوسته هاي نازك اكسيده و روغن بر روي سطح قطعه كار باعث استحكام جوش خواهند شد. اگر سطح تماس تميز و پرداخته شود استحكام جوش بهبود مي‌يابد.

كاهش سرعت دوران سيستم باعث افت استحكام جوش و كاهش طول اثر پديده burning مي‌شود. كاهش زمان اجرايي سيستم نيز به دليل كم شدن جابجايي فرج قطعه باعث افت استحكام جوش خواهد شد. همچنين نشان داده شده است كه استحكام جوش آلياژ SiC_(p)  14% / Al 2648 به روش FSW در حدود Mpa 380 مي‌باشد. اگر بر روي قطعه آلياژي ذكر شده عمليات‌هاي تشكيل محلول جامد، كونچ و پيرسازي صورت گيرد استحكام تا Mpa 431 نيز افزايش مي‌يابد كه تقريباً نزديك استحكام جوش آلياژ Al 2648 (445 Mpa) مي‌باشد.

در اين مقاله بر روي جوشكاري كامپوزيت‌هاي V% SiC 360- 50% Al 360 و آلياژ Al 360 به روش FSW دوار تحقيق شده است. همچنين اثرات نحوه طراحي محل جوش قطعه كار وميزان ذرات SiC بر روي استحكام و سختي منطقه جوش بررسي شده است. ريز ساختار محل جوش با ميكروسكوپ نوري مطالعه شده و نتايج بدست آمده بحث شده‌اند.

نحوه انجام آزمايشات:

آماده سازي و تهيه ماده:

كامپوزيت مورد استفاده دراين تحقيق از طريق فيكس كردن ذرات SiC با مقادير 10% و 5% با آلياژ زمينه 360 A  (Mg % 5/0 – Si% 5/9 / Al) تهيه گرديده است. ذرات SiC (فاز a) با اشكال ناموزون و با ابعاد m  5/1 مي‌باشد.

نحوه توليد كامپوزيت SiC % V 10و V% / Al 360 به صورت زير مي‌باشد:

شمش‌هاي ريختگي اوليه wt% SiC_(p) 40 / Al  360 به روش‌هاي متالورژيكي تهيه شمش توليد گرديده و سپس با استفاده از روش‌هاي تصفيه فلزي دو كامپوزيت فوق توليد مي‌شوند. روش‌هاي تصفيه فلزي به اين ترتيب‌اند كه : شمش Al 360 ابتدا در شرايط دمايي 5  690 درجه سانتيگراد در داخل كوره مقاومت الكتريكي قرارداده شده وذوب مي‌شود. سپس يك مقدار معين از آلياژ wt% SiC_(p)  40 / Al 360 به آن اضافه شده ذوب شده هم زده و گاز زدايي مي‌شود. سپس سرباره اولي و لايه اكسيده تشكيل شده بر روي مذاب را برمي‌داريم و مجدداً قبل از ريختن آن را مي‌چرخانيم تا از ته نشين شدن ذرات SiC تحت تأثير جاذبه جلوگيري كنيم. قالب فلزي را نيز از قبل و در دماي ثابت 3  300 درجه سانتيگراد پيش گرم كرده‌ايم. سرانجام قطعه ريختگي را بعداز انجماد از داخل قالب خارج كرده و در داخل كوره‌اي بادماي  3  300 بمدت 4 ساعت همگن سازي مي‌كنيمن.

جوش دادن قطعه

پس از تهيه آلياژ Al 360 و كامپوزيت‌هاي V% SiC_(p) 10 – V% 5 / Al 360 قطعه كار مناسب جهت جوشكاري مطابق شكل  1Fig توليد مي‌شوند. مطابق شكل
A-1Fig و B – 1Fig  يك جفت با اندكي شيب در يكي از سطوح تماس و ديگري با دو سطح تخت آماده مي‌شوند. قطعات جوشكاري را در دماي  3  200 در داخل كوره آنيل براي مدت 2 ساعت براي تنش گيري ناشي از ماشين‌كاري نگه مي‌داريم. سپس سطح تماس را داخل ظرفي محتوي استون كرده و چربي روي آن را با ارتعاش التراسونيك (Ultrasonic) تميز مي‌كنيم. قطعه نهايي را بر روي دستگاه جوشكاري اصطكاكي دوراني فيكس كرده (شكل Fig) و سپس عمليات جوشكاري را براي مقادير مختلفي از آلياژ Al 360 و ذرات SiC_(p) براي قطعات متشابه و غيرمتشابه تكرار مي‌كنيم. سرعت دوران rpm 800 و نيروي اعمالي Mpa 6 ، 5 بمدت 8 ثانيه اعمال مي‌شود. سپس نيروي فورج را براي اتصال قطعات بمدت s 10 مانند ساير روش‌هاي اصطكاكي اعمال مي‌كنيم.

آماده سازي متالوگرافي

برش‌هايي از سهماده مهندسي مورد مطالعه را از قطعات جوشكاري شده تهيه كرده و با استفاده از كاغذ سنباده‌هاي شماره 400 و 1200 پوليش مي‌كنيم و با پودر آلوميناي  m1 پوليش نهايي مي‌كنيم. درنهايت نمونه‌ها را با محلول سود 10%، اچ كرده و سپس با بزرگنمايي X 100 زير ميكروسكوپ نوري مطالعه مي‌كنيم.

تست كشش

زدگي‌ها و يخ‌هاي ناشي از جوشكاري را ماشين‌كاري مي‌كنيم تا نمونه صافي با طول سنجه mm 29 تهيه كنيم. سپس تمامي نمونه‌هاي جوشكاري شده را در دماي اتاق با استفاده از دستگاه‌ كشش باسرعت فك mm/min 5 تست مي‌كنيم. تنش شكست را از تقسيم شكست بر سطح مقطع نهايي قطعه محاسبه مي‌كنيم. سه مقدار را براي هر نمونه بدست آورده و ميانگين آنها را درنظرمي‌گيريم. سپس سطح شكست نمونه‌ها را با ميكروسكوپ SEM فراكتوگرافي مي‌كنيم.

تست سختي

ميزان سختي نمونه‌ها را توسط دستگاه سختي سنج 1Mitutoy MVK_G به روش ويكرز تحت بارگذاري gf 10 در زمان بارگذاري s 30 و با سرعت بارگذاري
m/s100 اندازه‌گيري مي‌كنيم و ازسه مقدار بدست آمده براي هر نمونه ميانگين آن را درنظر مي‌گيريم.

بحث و نتيجه

توزيع ذرات SiC در فاز زمينه ريز ساختارهاي كامپوزيت‌هاي Al 360 و SiC_(p) V%10 V%  5/ Al 360  در شكل 3Fig آورده شده‌اند. آلياژ Al 360 شامل فاز پيوسته a اوليه به همراه دندريت‌هاي ثانويه يوتكتيكي Al-Si مي‌باشند. ذرات SiC در داخل كامپوزيت‌ها (در شكل هاي C 3 ، B 3) بصورت شاخواره هايي بين بازوهاي دندريتي قرار دارند. ميزان شاخه شاخه شدن در كامپوزيت SiC V%5 بسيار بيشتر از SiC V% 10 مي‌باشد. باراس تئوري اليس ناهمگني v%5 و v% 10 به ترتيب 99، 0 و 92، مي‌باشند. علت شاخه‌دار شدن بدليل پس زده شدن ذرات sIc در فضاهاي بين دندريتي در حين انجماد مي‌باشد. زماني كه مقدار SiC افزايش مي‌‌يابد، ذرات SiC رشد دندريت‌ها را محدودتر كرده و ميزان شاخه‌دار شدن آنها را كاهش مي‌دهند.

مورفولوژي ذرات SiC در منطقه جوش

براساس پيشنهاد شخص ميدلينگ (Midling) منطقه HAZ را پس از جوشكاري اصطكاكي به سه قسمت تقسيم‌بندي مي‌كنند:

1. ناحيه تمام پلاستيكي شده (Zpl)
2. ناحيه پلاستيكي جزئي(Zpd)
3. ناحيه تغيير فرم نيافته (Zud) (به شكل 4 Fig مراجعه كنيد)

در روش جوشكاري اصطكاكي تحت نيروي فرج ثابت و زمان كافي براي نمونه‌هاي طراحي شده نوع I ريز ساختارهاي منطقه جوش مواد مهندسي فوق درشكل‌هاي 5 تا 9 نشان داده شده‌اند. در شكل A 5 منطقه HAZ آلياژ Al 360 بعداز جوشكاري اصطكاكي نشان داده شده است. ريز ساختار منطقه Zpl و Zpd نسبت به ريز ساختار زمينه قبل از جوشكاري تغيير كرده‌اند. در ريز ساختار شكل B 5 مي‌توان مشاهده كرد كه دندريت‌هاي يوتكتيكي Al-Si كوچكتر شده‌اند. علت اين امر بخاطر حرارت و نيروي برشي ناشي از جوشكاري اصطكاكي است كه باعث خرد شدن دندريت‌هاي يوتكتيكي سيليكوني Al-Si مي شود. ذرات ريز يوتكتيكي سيليكوني در امتداد شارش جريان پلاستيكي از منطقه Zpl به داخل Zpd هم كشيده مي‌شود.

شكل A 6 ريز ساختاري HAZ كامپوزيت جوش داده شده SiC_(p)  50 / Al 360 – Al 360 را نشان مي‌دهد. ناحيه تغيير فرم يافته پلاستيك بوضوح در داخل Zpl قابل تشخيص است. درحاليكه در Zpd  بخوبي قابل تشخيص نيست. زيرا ذرات SiC از شارش جريان پلاستيك به داخل Zpd جلوگيري كرده‌اند. در شكل B6 مي‌توان ديد كه سيليكون‌هاي يوتكتيكي ريز و ذ رت SiC حتي در داخل فاز زمينه نيز پخش شده‌اند كه با ساختار شاخواره‌اي ذرت SiC در ناحيه Zud V% SiC 5/ 360 A فرق دارد.

شكل 7 ريز ساختار منطقه HAZ سيستم جوشكاري SiC_(p) V% 10 / Al 360- Al 360 نشان مي‌دهد. سيليكون‌هاي يوتكتيكي و ذرات SiC حتي در ناحيه Zpl هم توزيع گشته‌اند. همچنين مي‌توان به وضوح مشاهده كرد كه ريز ساختار آلياژ Al 360 در ناحيه Zpl شامل سيليكون‌هاي يوتكتيكي هستند كه با جريان پلاستيك وارد Zpl شده‌اند. شايان ذكر است كه سيليكون‌هاي يوتكتيكي مجاور ناحيه Zpd آلياژ Al 360 تمايل كمتري براي ورود به ن احيه Zpl بعداز تشكيل اين ناحيه‌ دارند. زيرا حضور ذرات SiC ورود آنها را محدود مي‌كند. همچنين مي‌توان مشاهده كرد كه محدوده پلاستيك در نزديكي Zpl آلياژ Al 30 پيچيده‌تر مي‌باشد چرا كه حضور ذرات SiC در كامپوزيت V% SiC_(p)10 / Al 360 به نحو مؤثري شارش پلاستيكي را محدود مي‌كند لذا محدوده پلاستيكي ناحيه Zpd آلياژ Al 360 بزرگتر از مواد كامپوزيتي است. بدنبال تشكيل مومساني در منطقه HAZ ذرات سخت‌تر كامپوزيت V% SiC_(p)10 / Al 360 در زمينه نرم‌تر Al 360 در حين فرجينگ فرو مي‌روند.

شكل‌هاي 8 و 9 ريز ساختار ناحيه HAZ قطعات جوشكاري شده متشابه كامپوزيت‌هاي V% SiC_(p) 10/ Al 360 و SiC_(p)   V% 5 / Al 360 را نشان مي‌دهد. محدوده جريان پلاستيك درمجاورت ناحيه HAZ در اين سيستم جوشكاري بدليل متشابه بودن قطعات جوشكاري شده كاملاً آشكار نمي‌باشد.

در حين فرجينگ و شارش مومسان دو قطعه مشابه به يكديگر فشرده مي شوند در حاليكه ذرات SiC در برابر جريان پلاستيك مقاومت مي‌كنند.

در تمامي شكل‌هاي 5 تا 9 پهناي ناحيه Zpd ثابت بوده ولي پهناي Zpl در جدول 1 آورده شده است. در حالتي كه از قطعه كارهاي متشابه استفاده شده است پهناي منطقه جوش آلياژ Al 360 بزرگترين و در سيستم كامپوزيتي SiC_(p)   V% 10 / Al 360 كمترين مي‌باشد. در سيستم مواد غيرمشابه پهناي منطقه جوش با افزايش مقادير SiC كاهش مي‌يابد. بطوري كه پهناي منطقه جوش سيستم Al  360- كامپوزيت SiC_(p)   V% 10 / Al 360 از  V% 5 / Al 360 (در سيستم قطعات مشابه) بزرگتر مي‌باشد. زيرا با افزايش ذرات SiC در زمينه جريان مومسان محدود مي‌شود. بطور كلي در سيستم جوشكاري مورد بحث يك طرف بعنوان ماده پايه محسوب شده و با توجه به نحوه تسهيم جريان مومساني كه ازماده زمينه آغاز مي‌شود پهناي منطقه جوش از حالتي كه هر دو قطعه ماده كامپوزيتي مي‌باشد بزرگتر مي‌شود.

سختي منطقه HAZ

براي سيستم جوشكاري اصطكاكي با نيرو و زمان اعمال بار ثابت (حالت فرجينگ) و طراحي محل اتصال نوع l، توزيع سختي منطقه جوش در شكل 10 نشان داده شده است. سختي منطقه HAZ به سه بخش تقسيم مي‌شود: ناحيه اول كه به منطقه Zud نسبت داده مي‌شود و سختي آن معادل سختي زمينه كار مي‌باشد. ناحيه دوم با همان منطقه Zpl كه سختي آن معادل مجموع سختي‌هاي دو قطعه جوشكاري بعداز تشكيل مومساني مي‌باشد و ناحيه سوم، منطقه Zpd، كه سختي آن وابسته به نوع استحاله اين ناحيه مي‌باشد. بدنبال بازيابي ديناميكي در نزديكي Zpl كه باعث كاهش ميزان سختي مي‌شود. سيستم جوشكاري غيرمتشابه به ترتيب زير بر روي سختي سه ناحيه فوق تأثير مي‌گذارد:

1. درسيستم جوشكاري متشابه سختي Zpl كمتر Zud مي‌باشد.(شكل A-C10)

علت اين امر آنيلينگ Zpl بدليل حرارت بالاتر ناشي از اصطكاك مي‌باشد كه اين ناحيه را نرم‌تر مي‌كند. سختي مناطق مركزي Zpl در سيستم جوشكاري Al 360 مينيمم مي‌باشد زيرا دماي آنيلينگ در مركز ماكزيمم مي‌باشد. در سيستم جوشكاري كامپوريت‌هاي V% 5 و V% 10 ميزان سختي Zpl ثابت است. عليرغم اينكه اثر آنيلينگ موجب نرم‌تر شدن زمينه Zpl مي‌شود اثر حضور ذرات SiC كه ميزان تحرك نابجايي‌ها را محدود مي‌كند. غالب بوده و سختي ثابت مي‌ماند. در سيستم جوشكاري كامپوزيتي V% 5- V% 5 بدليل افزايش اثر ذرات SiC (با محدود كردن ميزان تحرك نابحايي‌ها) ميزان سختي Zpl بيشتر از سسيتم Al 360- Al 360 مي‌باشد. درحاليكه اين مقدار در سيستم V% 10-V% 10 كمتر از V% 5-V% 5 است. گزارش شده است كه علت اين پديده مي‌تواند بدليل افزايش حرارت اصطكاكي در اثر تماس ذرات متراكم‌تر SiC باشد.

2. درسيستم جوشكاري V% SiC_(p) 5/ Al 360 و V% 10 / Al 360-Al 360 SiC_(p) (شكل E 10 و D 10) سختي Zpl معادل نصف مجموع سختي‌هاي Zdl مي‌باشد. لذا سختي Zpl سيستم (80 HmV)V% 5/ Al 360- (70 HmV) Al 360 به 75 HmV مي‌رسد و براي (90 HmV) V% 10- (70 HmV) Al 360 اين مقدار به 80 HmV افزايش مي‌يابد. علت اين  امر بخاطر اين است كه زمينه و كامپوزيت‌ها نيز درهم مخلوط شده‌اند. با افزايش مقدار SiC در ناحيه Zdl سختي افزايش مي‌يابد. اين مقدار در V% 10/ Al 360- Al 360- Al 360 بيشتر از V% 5/ Al 360- Al 360 SiC_(p) مي‌باشد. در تمامي دياگرام هاي شكل 10 ميزان سختي A; 360 كمتر از سختي ناحيه Zpl در تماي جوش‌ها بجز سيستم Al 360- Al 360 مي‌باشد. علت اين امر بخاطر تجمع نابجايي‌هاي در بين ذرات تقويت كننده و زمينه مي‌باشد.

تحليل شكست نمونه‌هاي كشش

مقطع شكست تمامي سيستم‌هاي جوش داده شده در شكل 11 آورده شده‌اند كه نتايج زير از آنها قابل استنباط است.

1. در سيستم‌هاي جوشكاري متشابه آلياژ Al 360 و كامپوزيت V% 5 / Al 360  SiC_(p) شكست درفصل مشترك بين ناحيه Zpl و Zpd رخ مي دهد. (شكل، A 11 ، B 11) زيرا تنش در اطراف ذرات منظم SiC متمركز شده و قطعه در اين ناحيه به راحتي مي‌شكند. براي كامپوزيت  V% SiC_(p) 10 / Al 360 شكست در ناحيه Zpl رخ مي‌دهد. با افزايش چگالي ذرات SiC دراين ناحيه سرعت جوانه زني جاهاي خالي در اطراف فازهاي تقويت كننده بيشتر شده و درنتيجه شكست‌هاي نسبتاً نرمي به آساني بوجود مي‌آيند.
2. در سيستم جوشكاري مواد غيرمتشابه V% SiC 5/ Al 360-Al 360 و V%SiC 10/ Al 360 شكست و فصل مشترك Zpl و Zpd كه مقدار ذرات SiC بيشتر است بوجود مي‌آيد. (شكل D 10، E10)

استحكام جوش

استحكام جوش قطعات V% 5/ Al 360 – Al 360 و SiC_(p)   V%10 / Al 360-Al 360 با  توجه به نحوه طراحي محل اتصال نوع I و II به ترتيب در جدول هاي 2 و 3 آورده شده اند.

 از مقايسه دو جدول ذكر شده مي‌توان نتيجه گرفت كه براي سيستم‌هاي جوشكاري متشابه با طراحي محل اتصال نوع I استحكام جوش بيشتري حاصل مي‌شودو لذا به فشار اصطكاكي و فرج كمتري نياز مي‌باشد. طراحي نوع II متدي است كه بيتشر استفاده مي شود. با استفاده از متد I استحكام جوش افزايش مي‌يابد، زيرا سرعت زاويه‌اي كه در حين فرآيند استفاده مي‌شود از مركز دورتر بوده و اندازه بزرگتري خواهد داشت. لذا در مواردي كه ازمركز دورتر مي‌باشند جريان مومسان بزرگتري توليد شده و در ادامه با اعمال فشاراصطكاكي فضاي خالي بالاي شيب نوك قطعه را پر مي‌كند.

 اين پديده منجر به مختل شدن شارش جريان‌هاي پلاستيك بعدي شده و شانس جوش پذيري بهتر را افزايش مي‌دهد.  همچنين به دليل اينكه در متد نوع II شيبي در طراحي محل اتصال درنظر گرفته نشده است مواد تغيير فرم يافته دورتر از مركز خارج شده و منطقه جوش را كوچكتر مي‌كنند. جوش هاي بعدي كه منجر به تشكيل HAZ از مركز تأمين مي‌شوند. بدليل اينكه سرعت زاويه‌اي در اين ناحيه (بخصوص در مركز كه تقريباً صفر است) بسيار كم مي‌باشد حرارت اصطكاكي و ميزان تغيير فرم پايين بوده و قابليت ديفوزيون جوش و درنتيجه استحكامن جوش كاهش مي‌يابد. در جوشكاري اصطكاكي با فشار و زمان تماس ثابت (فرج) در صورت استفاده از طراحي نوع I استحكام‌هاي حاصله بصورت زير طبقه‌بندي مي‌شوند:

• V 5 / Al 360-Al 360 V% > 10/Al 360-Al360Al > 360-Al 360

V% 10 / Al 360- V%  10/Al 360 V% 360- V% 5 / Al 360

علت نتايج فوق بخاطر اين است كه در سيستم‌هاي جوشكاري متشابه و بخصوص در Al 360-Al 360 بدليل فزوني چقرمگي شكست زمينه و شكست به تأخير مي‌افتد. حتي در Zpl نيز سيليكون‌هاي بوتكتيكي وجود دارند و تمركز تنش كم مي‌باشد. لذا استحكام نهايش شكست افزايش مي‌يابد. اما در سيتم V% 10- V% 10 بدليل چگالي بالاي ذرات SiC در Zpl و كيفيت ماده، شكست‌ تردتري نسبت به حالت قبل بوجود مي‌ايد. اگر يكي از دو قطعه كار از جنس زمينه ( Al360- SiC V% 5 / Al 360 يا V% 10 /Al 360- Al 360 SiC_(p) باشد بدليل اينكه Al 360 به جذب انرژي كرنشي بالاتري نياز دارد شكست به تأخير افتاده و استحكام كامپوزيت (V% 5 V% > 10) افزايش مي‌يابد. SEM سطح شكست Al 360-Al 360 و V% SiC 10 / Al 360- SiC V% 10/ Al 360 در شكل 12 آورده شده است. در شكل A12 مشخص است كه سطح شكست Al360- Al 360 (نرم) داكتيل با فرورفتگي‌ها و برآمدگي‌هاي واضحي همراه مي‌باشد. در حاليكه در شكل B12 سطح شكست V% 10- V% 10 تردتر به نظر مي‌رسد.

نتايج :

1. ساختار منطقه Zpl متفاوت از Zpl است. در كامپوزيت‌هاي SiC / Al 360 شاخه‌دار شدن ذرات SiC منجر به توزيع يكنواخت آنها مي‌شود.
2. در مورد متشابه براي سيستم جوشكاري Al 360 پهناي Zpl ماكزيمم و سيستم V% 10- Al 360 مينيمم است. ولي در سيستم‌هاي غيرمتشابه با افزايش مجموع مقادير ذرات پراكنده پهناي Zpl  كاهش مي‌يابد. بطوركلي پهناي منطقه جوش سيستم V% SiC 10/ Al 360 بزرگتر از V% SiC 5 /Al 360- Al 360 مي‌باشد.
3. سختي منطقه Zpl در سه ناحيه تقسيم‌بندي مي‌شود: Zud و Zpl و Zpd . در سيستم‌هاي متشابه سختي Zpl كمتر از Zud مي‌باشد و براي سيستم‌هاي غيرمتشابه سختي Zpl برابر نصف مجموع سختي هاي دوناحيه Zud مي‌باشد.
4. براي سيستم‌هاي متشابه Al 360 و V% SiC 5/ Al 360 شكست در فصل مشترك بين Zpl و Zpd رخ مي‌دهد و براي V% 10 / Asl 360 در خود ناحيه Zpl بوقوع مي‌پيوندد. براي مواد غيرمتشابه شكست در فصل مشترك بين Zpl و Zpd كه ميزان ذرات SiC ماكزيمم است بوجود مي‌آيد.
5. استفاده از طراحي نوع I استحكام جوش بالاتري از طراحي نوع II  ايجاد مي‌كند.
6. ترتيب نزولي استحكام جوش بصورت

V% 10 > - V% 5-V% 5 V% >5- Al 360 V% >10-Al360 Al > 360- Al 360 V% 10 مي‌باشد

1. سطح شكست سيستم جوشكاري شده Al 360- Al 360 داكتيل با ديمپل ولي سطح شكست V% 10-V% 10 تردتر بنظر مي‌رسد.

جوشكاري كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي با اشعه ايكس

مقدمه :

با پيدايش  منابع جديد انرژي براي تأمين انرژي حرارتي لازم بهذوب موضعي، پيشرفت‌هاي تكنولوژيي وسيعي در علم جوشكاري حاصل گرديد. تكنيك‌هاي امروزي جوشكاري شامل روش‌هاي GTAW و GMAW و Arc Welding Submerged و Laser/Electron beam Welding مي‌باشد. اين روش‌ها پايدار، دقيق و قابل تكرار مي‌باشند. از طرفي همگي داراي محدوديتي مشترك مي‌باشند كه حوضچه مذاب بر روي سطح ماده بوجود مي‌آيد. براي افزايش عمق نفوذ قطعه بايستي يا سطح تماس را ماشين‌كاري كرد و يا اينكه ارتعاش خارجي به ماده اعمال كرد تا يك سوراخ كليدي (Key Hole) تشكيل شود. براي بسياري از مواد اين مطلب يك معضل نمي‌باشد و دستيابي به خواص مكانيكي مطلوب محل اتصال تنها اندكي مشكل مي‌شود. هرچند كه براي يك سري از مواد مهندسي نظير سراميك‌ها و MMC ها اين روش مي‌تواند هزينه بر بوده و منجر به پيدايش نقص‌هاي جزئي يا كلي بر روي فصل مشترك شود. MMC ها فلزاتي هستند (معمولاً Al و Ti) كه درون آنها سراميك‌هاي تقويت كننده‌اي (مانند SiC و   Al₂O₃  ) به شكل ذرات پراكنده، الياف مويين پيوسته و يا فيبر اضافه شده‌اند. اين مواد در مقايسه با فلز پايه سبك‌تر و از خواص مكانيكي و حرارتي بسيار بهتري برخوردارند و كاربرد گسترده‌اي در حوزه‌هاي مختلفي پيدا كرده‌اند. اگر بتوان به يك روش جوشكاري استحكام ماده رادر كل سازه حفظ كرد از پتانسيل بالاي اين مواد مي‌توان براي استفاده در صنعت هوا و فضا استفاده كرد.

انرژي اشعه ايكس در محدوده 3200 Kev بوده و داراي طول موج نفوذي بين 0.001-50 mm در مواد مختلف مي‌باشد. پتانسيل بالاي آن بعنوان يك منبع حرارتي قابل كنترل، استفاده از اشعه ايكس را ممكن مي‌سازد. هرچند كه تاكنون اين امرميسر نشده است، ولي با ظهور منابع پرتوزاي سنكروني نسل سوم مي‌توان امواج كنترل شونده اشعهع ايكس را با دانسيته تواني بالاتر از 10⁴ W/Cm² بر روي نقاطي به ابعاد 1-2 mm به كمك تجهيزات مخصوص توليد كرد. با داشتن يك چنين توانهايي مي‌توان بسياري از مواد را ذوب موضعي كرد و حتي تبخير نمود. اگر بتوان اين پرتوهاي اشعه ايكس را كنترل كرد مي‌توان از آن بعنوان يك منبع انرژي براي جوشكاري انواع موادي كه تاكنون امكان پذير نبوده‌اند استفاده كرد. در اين گزارش نتايج تحقيقاتي كه دراين حوزه انجام شده است شامل شدت اشعه پرتو ايكس، توليد شده بوسيله دستگاه‌هاي مخصوص براي جوشكاري S ’ MMC ارائه مي‌شود.

مواد و روش‌هاي جوشكاري

آزمايشات انجام شده بر روي پرتو شماره 1-ID صورت گرفته است. دستگاه توليد كننده. پرتوي با دوره تناوب 72 و طول موج 3.3 Cm كه قادر به توليد ميدان مغناطيسي به بزرگي 0.849 T مي‌باشد، ايجاد مي‌كند. زماني كه عمق چاه موج سينوسي به 10.5 Cm (مينيمم اندازه آن) برسد منجر به توليد يك پيك اشعه ايكس با توان حرارتي 180 W/mm² و شدت جريان 100 mA مي‌شود. محاسبه شده است كه با تشكيل اولين موج با انرژي 3.2 KeV لكه جوشي به ابعاد  1.1 mm× 2.0 (عمق × قظر) توليد مي‌شود. با افزايش عمق چاه موج سينوسي تا 25 Cm انرژي موج از 3.2 KeV به 12 KeV افزايش مي‌يابد، در حاليكه توان خروجي به 35 W/mm²  كاهش مي‌يابد.

نتايج مي‌دهد كه با عمق چاه سينوسي 11 Cm، توان خروجي پيك به 170 W/mm² و انرژي همگن موج به 3.5 KeV مي‌رسد. نمونه‌هاي MMC مورد آزمايش از جنس Al/ Al₂O₃  شامل زمينه 6061 Al با 20% ذرات تقويت كننده ترد Al₂O₃  بصورت پراكنده در داخل زمينه مي‌باشد. اندازه ذرات توزيع شده در حدود m   6  2.8 مي‌باشد.

بحث و نتيجه‌گيري

تصوير SEM مقطع برشي منطقه جوش نمونه‌ها در شكل (Figl) آورده شده است. نماي كاملي از پهناي نمونه در قسمت (a) تصوير آورده شده است. اشعه ايكس بصورت دفعي از سمت چپ و پايين نمونه وارد شده و از سمت بالا و راست آن خارج شده است. مقطع عبوري اشعه ايكس از ماده با بزرگنمايي بيشتر در قسمت (b) شكل (1) آورده شده است. نكته قابل توجه اين است كه تراكم دراين قسمت اندكي پيدا كرده است. علت اين امر مي‌توان بخاطر تبخير انتخابي زمينه آلومينيومي (= ^oc  2467 T_v) و باقي ماندن ذرات (2980 c= T_v) Al₂O₃) باشد. در قسمت (c)  مقطع عبوري اشعه ايكس با بزرگنمايي بيشتري آورده شده است كه با مقايسه اين قسمت با قسمت‌هايي كه تحت تابش پرتو (شكل d) نبوده‌اند به منظم‌تر شدن توزيع ذرات پي مي‌برم.

نتايج فوق نشان‌دهنده اين موضوع است كه عليرغم ذوب مواد داخل منطقه HAZ، ذرات تقويت كننده منظم‌تر شده‌اند. اين مطلب كاملاً برعكس نتايج آزمايشات صورت گرفته با منبع ليزري و پرتوهاي الكتروني مي‌باشد. در اين روشها عليرغم سرعت بالاي فرآيند و افزايش سريع توان پرتوهاي خروجي، تبخير شديد منجر به تشكيل جوش با سرعت رسوب‌گذاري بسيار بالا مي‌شود و درنتيجه ذرات تقويت كننده تخريب شده و قطعه بيشتر از اينكه جوشكاري شود بريده مي‌شود. علت اين امر مي‌تواند بخاطر تبخير ذرات يا حل شدن مجدد ذرات Al₂O₃  در Al مذاب باشد. نتايج مشابهي در جوشكاري ليزري نمونه‌هاي S’Al /SiC MMC مشاهده شده است.

نكته مهم ديگري كه از بررسي تصوير Figl بدست مي‌آيد. مربوط به عدم حضور ترك هاي منطقه جوش است. نكته جالب توجه اين است كه زمينه آلومينيومي 6061، آلياژي معروف و مستعد به ترك در حين انجماد، پس از روش‌هاي جوشكاري اتوماتيك معمول مي‌باشد. در حاليكه با آزمايشات صورت گرفته بر روي نمونه‌هاي MIMC جوشكاري شده و 6061 Al هيچ‌گونه مدركي دال بر وجود ترك مشاهده نگرديد. علت اين پديده هنوز كشف نشده است. تنها حدسي كه زده مي‌شود اين است كه بدليل نرخ بسيار آهسته سرد شدن و گرم شدن اين فرآيند كرنش‌هاي حرارتي بسيار كمتري به منطقه جوش وارد مي‌شود.

جوشكاري Al-MMC با ذرات ريز تقويت كننده به روش Plasma Spray

چكيده :

كامپوزيت‌هاي زمينه آلومينيومي به دو صورت آلياژهاي آلومينيوم و كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي شامل ذرات ريز SiC و Al₂O₃  توليد مي‌شوند. بيشتر پودر كامپوزيت را با آسياب كردن كامپوزيت تهيه كرده و سپس با اسپري اين پودر بر روي محل اتصال جوش تميزي را ايجاد مي‌كنند. آزمايشات اوليه نشان مي‌دهد كه سطح تماس را بايستي قبل از فرآيند تا دماي 200 درجه سانتيگراد پيش گرم كرده و براي دستيابي به حداكثر استحكام جوش يك يك نسبتاً زياد بر روي آن ايجاد كرد. اضافه كردن مقاديري از آلياژ سيليكوني به منطقه جوش باعث بهبود خواص منطقه جوش مي‌شود در حاليكه اضافه كردن Ti بي‌تأثير است.

عمليات حرارتي منطقه جوش پس از فرآيند جوشكاري باعث بهبود خواص استحكامي و بازيابي اثر سختي رسوبي مي‌شود. مقادير قابل توجهي از بستر Mg به دليل واكنش با سيليكون‌هاي آزاد شده درنتيجه تجزيه حرارتي پودر SiC از بين مي‌روند. بنابراين مقادير اضافي از پودر كامپوزيت بايستي درنظر گرفته شود تا بهينه‌ترين منطقه جوش توليد شود. پرس داغ ايزواستاتيك (HIP) نمونه‌ها اثر بسيار كمي بر روي افزايش استحكام منطقه جوش دارد. تركيبات بين فلزي Al₄C₃  زيادي در منطقه جوش نيز مشاهده نمي‌شود.

Facebook.com\Ahmads53