مقدمه

لازم به ذكر است كه جهت دستيابي به جوشي با كيفيت مطلوب مي بايستي در انتخاب فرآيند جوشكاري دقت بيشتري انجام گيرد. در زير به اختصار به برخي از اين ويژگي ها و مشكلات اشاره شده است .

الف- نقطه ذوب آلومينيم و آلياژهاي آن در حدود 450 تا 660 درجه سانتيگراد است. چون در هنگام افزايش درجه حرارت و يا ذوب، تغيير رنگي ندارد از نظر چشمي براي جوشكار مشكل خواهد بود كه وضعيت ماده را تشخيص دهد. بنابراين ممكن است در اثر زياد نگه داشتن منبع حرارت روي قطعه، حرارت فوق ذوب، افزايش سيالت و جذب گاز اتفاق بيافتد.

ب- انبساط و انقباض آلومينيم و آلياژهاي آن، در اثر جوشكاري و سرد شدن پس از آن، تقريبا دو برابر فولاد بوده و انقباض حجمي ناشي از انجماد آن در حدود 4 تا 6 درصد است كه سبب تمركز تنش هاي داخلي مي شود و در نهايت منجر به پيچيدگي، تاب برداشتن، تغيير ابعاد و ترك خوردگي خواهد شد.

پ- از آنجايي كه هدايت حرارتي آلومينيم و آلياژهاي آن 3 تا 6 برابر فولاد و آلياژهاي آن است، بنابراين انتقال و توزيع حرارت در زمان جوشكاري آلومينيم، به اطراف مسير جوش بسيار سريعتر و بيشتر از فولاد است. به همين دليل اگر منبع حرارتي به اندازه كافي قوي نباشد، حرارت ايجاد شده قادر به ذوب نمودن فلز پايه و جوشكاري نخواهد بود. بنابراين استفاده از حرارت زياد و روش هاي جوشكاري كه سرعت بالا و تمركز زيادي دارند توصيه مي شود.

ت- آلياژهايي كه عمليات حرارتي شده اند و داراي سختي بالاي هستند، در اثر حرارت ناشي از جوشكاري در مناطق مجاور خط جوش نرم مي شوند.

ث- حرارت ناشي از جوشكاري باعث كاهش مقاومت به خوردگي، اين آلياژها در منطقه مجاور خط جوش مي گردد. تغييرات دما، سبب بروز تغيير در اندازه دانه ها و يا رسوب بعضي از تركيبات و فازهاي بين فلزي و يا ناخالصي ها در مرز دانه ها مي شود كه همگي در كاهش مقاومت به خوردگي آلياژ نقش به سزايي دارند.

ج- هيدروژن در آلومينيم مذاب، كاملا قابل حل است. با كاهش دما و شرع انجماد از حلاليت هيدروژن كاسته مي شود و در صورتي كه هيدروژن اضافي نتواند از حوضچه مذاب خارج گردد باعث ايجاد حفره گشته و در نهايت باعث ترك و يا كاهش استحكام جوش مي گردد.

چ- برخي از آلياژها حساسيت زيادي به درصد تركيب عناصر آلياژي دارند. جهت كاهش ميزان حساسيت به ترك جوش اين آلياژ مي بايستي از فيلر مناسب استفاده نمود.

ح- در منطقه مجاور جوش برخي از اين آلياژها، ترك مشاهده شده است. يكي از راههاي جلوگيري از اين ترك ها افزايش سرعت جوشكاري و استفاده از فرآيندهاي با تمركز حرارت بيشتر است.

خ- آلومينيم و آلياژهاي آن با اكسيژن تركيب شده و لايه اكسيد آلومينيم نازكي بر سطح ماده تشكيل مي دهند. نقطه ذوب اين لايه در حدود 1950 تا 2050 درجه سانتيگراد  بوده و در آلومينيم جامد و يا مذاب حل نمي شود. به همين دليل از ذوب شدن لبه هاي اتصال جلوگيري مي كند. در نتيجه قطر مذاب به صورت گلوله اي روي اين لايه قرار گرفته و اتصال برقرار نمي شود. بنابراين مي بايد اين لايه را به روش هاي مختلف مكانيكي و يا شيميايي قبل از جوشكاري و يا هم زمان در طي جوشكاري برطرف نمود.

با توجه به اين شرايط، لازم است كه فرآيندي مناسب انتخاب گردد تا بتوان بر اين مشكلات فائق آمده و جوشي با كيفيت بالا حاصل گردد.

در این تحقیق خواص منطقه جوش آلومینیوم در سه روش جوشکاری بررسی میشود :       

الف)جوشکاری به روش GTAW

ب) جوشکاری اصطکاکی ((FSW

ج) جوشکاری با اشعه لیزر((LBW

الف) ساختار دانه ای و تركهاي انجمادي در جوشكاري قوسي نوساني آلياژ آلومينيم 5052

در اين تحقيق تاثير نوسان قوس بر ساختار دانه و ترك خوردن حين انجماد آلياژ 5052 در جوشكاري GTAW توسط نوسان دهنده چهار قطبي قوس و آزمايش اصلاح شده ترك استخوان ماهي بررسي شد. دو مكانيزم مختلف كاهش ترك مشخص شدند : اولي در فركانسهاي پايين نوسان قوس و ديگر در فركانس هاي بالاي نوسان. در مكانيزم اول تغيير جهت دانه هاي ستوني ايجاد مي شود و در مكانيزم دوم ريزشدن (Grain Refining) دانه ها را داريم. هيچ يك از مكانيزم ها در فركانسهاي متوسط عمل نمي كنند و تركهاي انجمادي شديدي ايجاد مي شوند به خصوص وقتي كه دامنه نوسان قوس كم باشد. تغيير جهت دانه ها در جوشكاري يا نوسان عرضي و حلقوي قوس ايجاد مي شود ولي نوسان طولي قوس در آن تاثيري ندارد ولي ريز شدن دانه ها(Grain Refining) در هر سه روش نوسان قوسي ايجاد مي شود.

I . معرفي

در تحقيق اخير مكانيزم جديد موثري براي كاهش تركهاي انجمادي در جوشكاري GTA بدون الكترود آلياژ آلومينيوم 2014 بدست آمده است. موثر بودن اين مكانيزم يعني تغيير جهت دانه در جوشكاري با فركانس كم و دامنه زياد قابل توجه مي باشد و باعث كاهش مشخص تركهاي انجمادي مي شود. اين مكانيزم به اين علت موثر مي باشد كه تركهاي انجمادي بين دانه اي مي باشند و دانه هاي ستوني كه جهت خود را در فواصل مشخص به صورت منظم تغيير مي دهند باعث مي شوند جهت ترك به صورت منظم عوض شود و اشاعه ترك مشكل شود، اين موضوع در شكل 1 نشان داده شده است.

در تحقيق حاضر، تاثير نوسان مغناطيسي قوس بر ساختار دانه اي و ترك هاي انجمادي در جوش  GTA بدون الكترود آلياژ 5052 آلومينيم بررسي شده است. اين آلياژ به ايجاد تركهاي انجمادي حساس مي باشد ولي حساسيت آن به مقدار قابل توجهي كمتر از آلياژ 2014 است بنابراين بيشتر براي جوشكاري به كار مي رود.

در تحقيقات قبلي مربوط به اين موضوع نتايج زير بدست آمده است :

1. اندازه دانه هاي فرعي و تركهاي انجمادي جوش  GTA بدون الكترود فولاد HY-80 با نوسان مغناطيسي قوس حين جوشكاري كاهش مي يابد.
2. ريزشدن دانه ها و كاهش تركهاي انجمادي در جوشكاري بدون الكترود  GTA آلياژ Al با 1.7 يا 2.8 درصد منيزيم با لرزش  انبر (torch) ايجاد مي شود.
3. در جوشكاري تيتانيم با استفاده از نوسان مغناطيسي قوس دانه هاي هم محور ريز بدست مي آيد.
4. اندازه دانه هاي ستوني در جوشكاري بدون الكترود GTA آلياژهاي ايريديم توسط نوسان مغناطيسي قوس كاهش مي يابد.

II .روش اجرا

ماده مورد استفاده براي جوشكاري ورقهاي آلومينيم 5052 با ضخامت 1.6mm بود. آناليز شيميايي اين آلياژ در جدول I آمده است.

طراحي نمونه آزمايش استخوان ماهي در شكل 2 نشان داده شده است. در اين نمونه براي كنترل بهتر شروع ترك يك شيار طويل با طول 25.4mm در نظر گرفته شد. همانطوري كه نشان داده شده است، جوشكاري از ريشه شيار شروع شده و ترك طولي در خط مركزي جوش ايجاد شده و اشاعه يافته كه علت آن كرنش گرمايي فعال در اطراف و زير حوضچه جوش مي باشد. هدف از مجموعه شيارهاي بريده شده با عمقهاي مختلف در اطراف نمونه كاهش كرنشهاي گرمايي به صورت تدريجي با پيشرفت جوش در طول نمونه مي باشد به صورتي كه ترك به صورت خود به خود متوقف شود. فاصله اي كه ترك پيشرفت كرده به عنوان شاخصي براي ارزيابي حساسيت به ترك به كار مي رود.

در اين تحقيق نوسان دهنده مغناطيسي چهار قطبي با فركانس 0.9 تا 35 هرتز براي ايجاد سه الگوي مختلف نوسان يعني : عرضي، حلقوي و طولي مانند شكل 3 به كار رفته است. فركانس نوسان و دامنه آن توسط يك اسيلوسكوپ ديجيتال اندازه گيري مي شود.

بعد از جوشكاري طول ترك اندازه گيري مي شود وساختار جوش منجمد شده آزمايش مي شوند. محلول اچ حاوي 5ml HF , 25ml HNO , 70ml HCl است.

III . نتايج و بحث

A .مناسب بودن آزمايش ترك انجمادي

براي بررسي مناسب بودن آزمايش استخوان ماهي در تحقيق حاضر، دو سري آزمايش انجام شده. سري اول آزمايشها شامل تست سه ماده با حساسيت هاي مختلف به تركهاي جوش در شرايط جوشكاري يكسان بود. شامل آلياژهاي2014 ، 5052 و 1100 درجريان 60A ، ولتاژ 11V و سرعت 4.23 mm/s

  در همه حالتها نفوذ كامل ايجاد شد و عرض جوش حدود 6.5mm در 2014 و 6mm در 5052  و 5mm  در 1100  بود.

نتایج در شکل 4a نشان داده شده است ونشان می دهد که آلیاژ 2014 حساس ترین آلیاژ به ترک و 5052 حساسیت بینابین و 1100 عدم حساسیت به ترک دارد .

 چون آلياژ 1100 تقريبا آلومينيم خالص مي باشد، حساسيت كمي به تركهاي انجمادي دارد. سري دوم آزمايشها شامل آزمايش آلياژ 5052 در سه جريان مختلف جوشكاري يعني 60A ، 68A و 75A و همه در 11V و سرعت  4.23mm/s  بود. همانگونه انتظار مي رفت، حرارت ورودي بيشتر باعث كرنشهاي حرارتي بيشتر و تركهاي بيشتر مي شود شكل 4b.

B . تاثير نوع نوسان قوس

شكل 5 طول ترك در جوشهاي ايجاد شده با الگوهاي مختلف نوسان را نشان مي دهد. فركانس نوسان 1Hz و دامنه آن 1.9mm بود. همانگونه كه نشان داده شد، در اين فركانس كم نوسان قوسي كاهش مشخص تركهاي انجمادي در نوسانهاي حلقوي و عرضي ايجاد مي شود. نوسان طولي موثر نيست و در واقع مضر نيز مي باشد. اين سه الگوي نوسان در قسمت بعدي به صورت جداگانه بررسي مي شوند.

C . نوسان عرضي قوس

در مورد آلياژ 2014 نوسان عرضي قوس با فركانس كم و دامنه زياد باعث تشكيل دانه هاي ستوني تغيير كرده مي شود. شكل 6 مقايسه بين جوشكاري معمولي و جوش با استفاده از نوسان عرضي با فركانس 1HZ و دامنه 1.9mm را نشان مي دهد. جريان، ولتاژ و سرعت جوشكاري به ترتيب 65A، 11V و 4.2mm/s  مي باشد. بايد توجه كرد ساختار پرشكل در مرز دانه جوش معمولي (به علت رشد دوقلو ايجاد شده) در نوسان جوش حذف شده است.

شكل 7 تاثير دامنه نوسان قوس بر تركهاي انجمادي جوش در نوسان عرضي با فركانس كم را نشان مي دهد. پارامترهاي جوش 54A ، 11V و 2.54mm/s  مي باشند. همانگونه كه مشخص است با افزايش دامنه نوسان حساسيت به ترك كاهش مي يابد. شكل 8 تغيير تدريجي ساختار دانه ها با افزايش دامنه نوسان قوس در فركانس 1HZ را نشان مي دهد. همانگونه كه قابل مشاهده مي باشد مقدار intervening بين خوشه هاي دانه هاي ستوني از طرف مخالف جوش با افزايش دامنه نوسان افزايش مي يابد، بنابراين اشاعه ترك مشكل تر مي شود. بايد اشاره شود كه ساختار دانه مشابه شكل 8b براي كاهش تركهاي انجماد و آلياژ 2014 موثر نيست چون حساسيت به ترك آن زياد است و مقدار وزش به اطراف مسير ترك در اين ساختار كم مي باشد. اين ساختار دانه ها براي آلياژ 5052 موثر مي باشد زيرا حساسيت به ترك آن كمتر از آلياژ 2014 است.

شكل 9 ساختار دانه اي و جوش يا نوسان عرضي قوس در 2.5HZ در دامنه 1.1mm و ديگري با دامنه 1.9mm نشان مي دهد. همانگونه كه مشخص است تغيير دانه هاي ستوني در اين فركانس نوسان ايجاد نمي شود. جوش ايجاد شده با دامنه نوسان 1.1mm (شكل 9a) باعث ايجاد دانه هاي ستوني موجي مي شود و تركهاي انجمادي شديدي وجود خواهند داشت (شكل 7). جوش ايجاد شده با دامنه نوسان 1.9mm (شكل 9b) دانه هاي ستوني نسبتا نامنظمي دارد كه اشاعه ترك را مشكل مي كند. در نتيجه، حساسيت به ترك كم خواهد بود (شكل 7). هر چند مشخص نيست چرا جوش ايجاد شده با نوسان عرضي قوس در 2.5HZ و 1.1mm حساسيت بع ترك بيشتري از جوش معمولي دارد.

بايد ذكر شود كه نوسان عرضي باعث  كاهش مشخص اندازه دانه فرعي مي شود كه به كاهش ترك هاي انجمادي كمك مي كند. همچنين باعث كاهش قابل توجه اندازه ناحيه تحت تاثير حرارت (HAZ) مي شود. تاثير فركانس نوسان قوس بر تركهاي انجمادي جوش ايجاد شده توسط نوسان عرضي قوس در شكل 10 نشان داده شده است. همانگونه كه نشان داده شده كاهش تركهاي انجمادي در فركانسهاي كم نوسان مشخص تر مي باشد (حدود 1 هرتز) كه باعث تغيير جهت دانه مي شود. كاهش ترك انجمادي دوباره در فركانسهاي بالا حدود 20HZ قابل توجه مي باشد. ساختار دانه اي در جوش با نوسان عرضي در فرکانس 20HZ و دامنه 1.1mm در شكل 11 نشان داده شده است.

همانگونه كه نشان داده شده ، جوش داراي دانه هاي محوري و ستوني همراه هم مي باشد. كاهش تركهاي انجمادي ظاهرا به علت جدايش ايجاد شده با نقطه ذوب پايين است كه در مرز دانه ها بزرگتري توزيع مي شوند و بنابراين ضرر كمتري دارند. در فركانسهاي متوسط كه هيچ يك از مكانيزمها عمل نمي كنند، كاهش تركهاي انجمادي مشاهده نمي شود به خصوص وقتي دامنه نوسان كوچك باشد. بايد اشاره كرد كه تاثير فركانس نوسان قوس بر تركهاي انجمادي در آلياژ 5052 متفاوت از چيزي است كه در آلياژ 2014 ديده مي شود. در فركانس بالا، نوسان قوس باعث ریز شدن دانه ها و كاهش تركهاي انجمادي در آلياژ 2014 نمي شود. همانگونه كه در جدول 1 نشان داده شده، آلياژ 5052 به كار رفته داراي 0.043 تيتانيم مي باشد. اين مقدار كم Ti در ايجاد ساختار ريزدانه در جوش آلياژ 5052 در نوسان فركانس بالا مي شود.

گزارش شده آلياژهاي آلومينيم داراي بيشتر از 0.02 تيتانيم تمايل به تشكيل دانه هاي ريز دارند كه علت آن جوانه زايي غيرهمگن ايجاد شده توسط تيتانيم خصوصا وقتي كه گراديان دما در فلز مذاب جلوي مرز حوضچه جوش در حال پيشرفت با استفاده از حرارت ورودي زياد و سرعت جوش زياد كاهش يابد يا وقتي كه حوضچه جوش توسط همزدن مغناطيسي، همزده شود. اين شرايط مشابه نوسان مغناطيسي قوس در فركانس بالا مي باشد كه باعث هم زده شدن قابل توجه حوضچه جوش و كاهش گراديان دما در فلز مذاب جلوي مرز پيشرونده حوضچه مي شود. در نتيجه نطفه هاي Ti شانس بهتري براي بقا دارند و در نتيجه اصلاح دانه ايجاد مي شود. هر چند بايد توجه كرد هدف اين تحقيق مشخص كردن مكانيزم ريزشدن دانه ها در جوش نمي باشد.

D . نوسان حلقوي قوس

اثر دامنه نوسانات حلقوي قوس بر روي تركهاي انجمادي در فركانسهاي پايين در شكل 12 نشان داده شده است، پارامترهاي جوشكاري عبارتند از :

• شدت جريان : 54 A
• ولتاژ : 11 V
• سرعت جوشكاري : 2.54mm/sec

در شكل 13 ريز ساختار جوش با نوسانات حلقوي قوس در فركانس 1HZ با دامنه 1.1m و 1.9m به همراه جوش معمولي نمايش داده شده است.

ظاهرا مقاومت اين نوع ساختار در برابر پيشروي ترك، مابين ساختار دانه اي ستوني معمولي و ساختار ستوني تغيير شكل يافته مي باشد كه براي موادي كه زياد به ترك حساس نيستند مانند آلياژ 5052 مي تواند موثر باشد. اثر فركانس نوسان حلقوي قوس برروي ترك انجمادي جوش در شكل 14 نشان داده شده است. همان طور كه نشان داده شده، كاهش تركهاي انجمادي مانند نوسانات عرضي قوس در فركانسهاي پائين و بالا مشاهده مي شود در فركانسهاي پائين به خاطر تشكيل دانه هاي ستوني بادبزني (Fan-shape) و در فركانسهاي بالا به خاطر ريز شدن دانه ها (Grain Refining) مي باشد.

E . نوسانات طولي قوس :

اثر دامنه اي نوسان قوس بر روي تركهاي انجمادي در شكل 16 در دو فركانس 1HZ و 2.5 ، نشان داده شده است. پارامترهاي جوشكاري عبارتند از :

• شدت جريان : 54 A
• ولتاژ : 11 V
• سرعت جوشكاري :   2.54mm/sec

همان طور كه مشاهده مي شود، حساسيت به ترك در جوش با نوسانات طولي قوس حتي از جوش معمولي هم بيشتر مي باشد.

شكل 17a ريزساختار جوش  توسط فركانس طولي قوس را در فركانس 1HZ و دامنه 1.1m نشان مي دهد. همان طور كه ديده مي شود ترك انجمادي در جوش قابل مشاهده است.

حساسيت بالاي اين جوش به ترك خوردن، احتمالا به خاطر اين است كه  اين نوع ساختار دانه اي قادر به مجبور كردن ترك براي پيچش نمي باشد و هم چنين به اندازه كافي ريز نمي باشد كه بتواند تمايل به ترك خوردن  را كاهش دهد (در مقايسه با شكلهاي 11و15).

اثر فركانس نوسان قوس برروي ترك انجمادي جوشهاي حاصل از نوسان طولي قوس در شكل 18 نشان داده شده است، همان طور كه مشاهده مي شود در فركانسهاي بالا حساسيت به ترك كاهش مي يابد. شكل 17b ريز ساختار جوش حاصل از نوسان طولي قوس در فركانس 35HZ را نشان مي دهد در اينجا هم ظاهرا كاهش حساسيت به ترك به خاطر ريزشدن دانه ها (Grain Refining)  مي باشد.

ب) رابطه بين ريزساختار و سختي در Friction Stir Welding براي آلياژهاي آلومينيوم

آلياژ آلومينيوم A2021-T351 توسط FSW جوش داده مي شود. و ريزساختار آن بررسي مي گردد. كم بودن سختي در داخلي ترين منطقه HAZ به خاطر كم بودن ميزان فاز.و............ است در حالي كه كم بودن سختي در خارجي ترين منطقه HAZ به علت ته نشيني (رسوب) ذرات محلول (ذرات آلياژي) مي باشد و بيشترين ميزان سختي در قسمت مياني HAZ واقع شده است كه آن نيز به خاطر وجود فاز S به ميزان بسيار مطلوب مي باشد.

FSW از جمله روشهاي جوشكاري است كه اخيرا به عنوان روشي اقتصادي و مناسب جهت حل مشكل جوش دادن آلياژهاي آلومينيوم به يكديگر مورد توجه قرار گرفته است و به طور ويژه اين روش مورد توجه فعالان در صنعت هوا فضا قرار گرفته است. اين روش با وجود مزاياي اقتصادي بالا، خواص مناسبي نيز براي جوش به وجود مي آورد.

اين روش جوش توسط يك Pin دوار كه متصل به يك Shoulder است انجام مي گردد كه با نيروي فشاري اعمالي به داخل نفوذ كرده و سپس در طول خط جوش حركت مي كند و اين عمل سبب تغيير فرم پلاستيك در اطراف Pin و نيز ايجاد گرماي اصطكاكي قابل توجهي مي شود كه سبب اتصال دو ماده فلزي مي گردد.

جهت آن كه بتوان به يك جوش بهينه دست يافت لازم است كه مكانيزم هاي اتفاق افتاده و ريزساختارهاي به وجود آمده در حين و پس از جوشكاري را به خوبي متوجه شويم. هدف ما در اين جا مطالعه رابطه بين ريزساختارهاي مختلف به وجود آمده طي جوشكاري و سختي با استفاده از Transmission Electron Microscopy(TEM) و Scanning Electron Microscopy(SEM) و Electron Back-Scatterd Diffraction(EBSD) مي باشند.

جهت انجام اين آزمايش و بررسي وضعيت آلياژ موردنظر يك ورقه از آلومينيوم موردنظر به اندازه 15mm كه اندازه دانه هاي آن تقريبا 56 ميكرومتر است. سختي سنجي انجام شده روي Base Metal مورد نظر توسط روش ويكرز تقريبا عدد B5 Hv را به ما داده است. پس از جوش محل اتصال توسط FSW را برش هايي اريب و صفحه اي مي دهيم كه ما را قادر مي سازد تا ناحيه هاي مشخصي را كه جوشكاري شده است مورد آزمايش قرار دهيم.

نمونه هايي كه جهت مطالعه TEM مورد استفاده قرار گرفته اند، ديسك هايي با قطر 3mm از  Base Metal و منطقه HAZ و منطقه جوش داده شده مي باشند. سپس اين ورقه هاي نازك توسط ماده اي شامل 30% اسيدنيتريك و 70% متانول در دماي 30 درجه سانتيگراد پوليش مي شوند و سپس نمونه ها توسط يك دستگاه Philips CM 200 با 200KV مورد آزمايش قرار مي گيرند. نمونه هاي SEM و EBSD نيز توسط روش هاي استاندارد به صورت مكانيكي پوليش مي شوند و قبل از پوليش نمونه ها در شرايط يكساني قرار دارند. سپس براي بررسي تغيير خواص مكانيكي، سختي سنجي ويكرز بر روي صفحه اي افقي از ورقه اي با ضخامت متوسط انجام مي شود.

طبق نمودار سختي كه توسط اين روش آزمايش براي نمونه مورد آزمايش به دست مي آيد با حركت از لبه فلز اصلي به سمت قسمت جوش، سختي ويكرز اندازه شده كه منطقه HAZ در منطقه داخلي و خارجي مقدار مينيمم سختي را دارد و در قسمت مياني مقدار ماكزيمم سختي را دارد. همچنين سختي اندازه گيري شده در BM مشاهده مي شود كه بين 120-130HV نوسان دارد كه مربوط به خطاهاي آزمايشگاهي مي باشد. (شكل 1)

پس نتيجه اي كه طي اين آزمايشات به دست آمد به اين شرح مي باشد كه منطقه HAZ مربوط به جوش FSW براي آلياژ 2024-T351 آلومينيوم داراي دو بخش است كه در كناره آن واقع شده و داراي مينيمم سختي است و در قسمت مياني HAZ ما ماكزيمم سختي را داريم. قسمت داخل HAZ كه نزديك منطقه TMAZ واقع شده است به خاطر كم بودن ميزان فاز S مي باشد و كم بودن سختي در قسمت خارجي HAZ به خاطر ته نشيني ذرات آلياژي است. همچنين بالا بودن سختي در بخش مياني HAZ به علت ته نشيني مطلوب فاز S مي باشد.

ج) ترك گرم در جوشكاري ليزري آلياژ Al-Mg-Si

ترك گرم پديده اي است كه گاه بگاه در برخي آلياژهاي ويژه از قبيل نوع سيليكون منزيوم آلومينيوم روي مي دهد. مزيت استفاده از اشعه ليزري در فرايند جوشكاري در سرعتي كه بتوان به آن دست يافت نهفته است. به هر حال مشكل اين فرايند اين است كه بدليل خصوصيات سردشدن با سرعت بالا INTERACTION بين اشعه ليزري و مواد اينست كه خود سرعت جوشكاري ترك گرم مي شود. مهمترين عامل تاثيرگذار در ترك گرم پارامترهاي سيم و سرعت جوشكاري همچنين امر مهم ديگر ثبات جوشكاري مي باشد زيرا عدم ثبات خود باعث ايجاد شكافت مي شود. آن گاه مي توانيم يك دريچه تكنولژيكي را تعيين كنيم كه بر كارگيري در صنايع عامل مهمي بشمار مي آيد.

با توجه به خصوصيات مكانيكي مطلوب و غلظت پايين آلياژهاي آلومينيومي در بسياري از نواحي توليدي مهم از قبيل صنايع نظامي و (فضائي) امر مهمي بشمار مي آيد. استفاده از آلياژهاي آلومينيومي بكارگيري توسعه فرايند مونتاژ را بخصوص در امر جوشكاري در جائي كه تكنيك هاي متداول محدوديات خود را نشان داده است در بر مي گيرد. بنابراين جوشكاري ليزري در طول دهه گذشته پيش از پيش توجه دانشمندان را به خود جلب كرده است. در جوشكاري ليزري برخي آلياژهاي آلومينيومي انواع بيشماري از عيوب از قبيل خلل و فرج، شيارها و ترك گرم آشكار شده اند.

ترك گرم عيبي است كه خود را به صورت شيار در طول انجماد آلياژ فلزي نشان داده است. آلياژهاي فلزي در طول مرحله انجماد ظرفيت دفورمه شدن مطلوبي ندارد و عمل ترك گرم در طول مرحله نهايي انجماد يعني در زماني رخ مي دهد كه آلياژ نيمه جامد است. اين پديده ترك داغ با ميزان درصد بالا رخ مي دهد.

در مورد آلياژ آلومينيومي، شيارهايي كه در طول جوشكاري ايجاد مي شوند بوسيله دخالت بسياري عوامل از قبيل كشش هاي حرارتي و انقباض هاي انجمادي ايجاد مي شوند كه باعث ايجاد كشش ها و دفورمه شدن مي شوند و شامل موارد زير مي باشند :

ميزان گسترده انجماد، سيكل زماني  سرعت انجماد، تركيب شيميايي آلياژ، سيستم Fastening تركيب هاي جوشكاري كه مي تواند از عمل انقباض جلوگيري كند.

تكنيك هاي فعلي كاهش ميزان ترك گرم در جوشكاري ليزري آلياژهاي آلومينيومي معمولا مربوط به فاكتورهاي فوق مي باشند.

جهت اجتناب از پديده ترك گرم در تغييرات شيميايي حوضچه مذاب شامل مي باشد. بعضي از آلياژها تركيب هاي شيميايي به ميزاني دارند كه خطرات بالا ترك را ارائه مي دارد.

جهت كاهش ميزان اين خطر، سيم ها عناصر آلياژي مطلوبي در طول فرايند جوشكاري به آن افزوده مي شود با اين وجود كار جوشكاري ممكن است مشكل تر شده و يا حتي در صورتيكه يك رابطه مطلوبي بين پارامترهاي جوشكاري ايجاد شود ناممكن گردد. يافتن رابطه optimum امري بسيار مشكل است زيرا نواحي optimum يعني نواحي كه در آن شياري وجود نداشته باشد بسيار كم است.

در ابتدا جوشكاري buTT صفحه ها انجام گرفت تا اينكه پارامترهاي عملياتي كه بر روي ترك گرم موثرند را بتوان بترتيب اهميت قرار داد.

خصوصيات جوش را مي توان از نقطه نظرهاي مختلف مانند نقطه نظرهاي اقتصادي، زيبايي شناسي و  تكنولژيكي و غيره مورد توجه قرار داد. در ارتباط با جوشكاري ليزري بايد گفت عواملي كه در عملكردهاي واكنشي كه مشخصه جوش مي باشد تاثير مي گذارند را مي توان به دو دسته يعني عوامل عملياتي و عمليات Rheuomouological تقسيم كرد.

عوامل Rheuomouological مربوط به حوضچه مذاب بدين شرح مي باشند : اندازه، سرعت انجماد، تركيب شيميايي، كشش هاي بيروني يا خارجي، سيستم هاي حفاظت گاز و ديناميك مي باشند.

فاكتورهاي عملياتي پارامترهاي تعيين شده جوشكاري مي باشند.

جهت كنترل هر گونه پديده مربوط به جوشكاري ليزري و بخصوص ترك گرم آلياژهاي آلومينيومي، بايستي اثرات عوامل Rheuomouological درك شوند.

در بين عوامل عملياتي كه در خصوصيات و شكل حوضچه مذاب تاثير گذاشته و در نتيجه خصوصيات جوش را بوجود مي آورند ما مي توانيم عوامل مطلق و عوامل مربوطه را تشخيص دهيم.

عوامل مطلق مربوط به موارد زير مي باشند :

• اشعه ليزر، طول موج، توزيع قدرت مد عملياتي، اندازه مطلق مواد جوشكاري، تركيب آن، ميزان جريان، خصوصيات هندسه و ريزساختار.
• گاز حفاظتي، تركيب آن، ميزان جريان.
• مواد افزودني، تركيبات شيميايي، خصوصيات شكل و هندسه.
• حالت اشعه ليزري مربوط به مواد جوشكاري نسبت به جريان گاز محافظتي و مواد افزودني
• زاويه و فاصله مربوط به مواد جوشكاري شده
• حركت بين مواد افزودني و اشعه ليزري (ميزان تغذيه مواد افزودني)

هدف بررسي ارائه شده در اين مقاله اينست كه با استفاده از روش تجربي تاثير پارامترهاي عملياتي بر فاكتورهاي واكنشي كه در طول جوشكاري ليزري Al-Mg-Si معرف بشمار مي آيند را بدست آورد.

شرايط تجربي براي بررسي اين مسئله بشرح زير مي باشند :

ورق هاي آلياژ آلومينيومي AA 6056 T4  ، تركيب buTT JoiNT به ضخامت 16 ميليمتر ، سيستم fasteuing CompRESSioN ، جوشكاري با نفوذ كامل، اشعه ليزري نوع 3KW CW ND : YAG ، لنزهاي فوكوس 150 ميليمتري ، اشعه تمركز يافته به قطر 45 سانتيمتر .

در اين مورد عملكردهاي واكنشي كه تصوير Qvautitive ابعاد و شمار شيارها را در نواحي جوشكاري شده ارائه مي دارد اولين كشش خواهد بود كه توسط محبان صنايع به عنوان نشانه اي از كيفيت جوش داخلي و خارجي بوده و دوما تعداد شيارهاي بازي كه مي توان آنها نسبت به نواحي جوشكاري شده بشمار مي آورد، متناسب مي باشند.

تجربه هاي قبلي در آزمايشگاههاي ما به ما اجازه داده است تا براي انجام آزمايش هاي مقدماتي بتوانيم فاكتورهاي عملياتي را تعيين كنيم و اثر آنها را نسبت به عملكردهاي واكنشي مورد بررسي قرار دهيم.اين عملكردهاي عملياتي بشرح زير مي باشند :

نوع و ميزان تغذيه مواد افزودني ، ميزان قدرت اشعه ، نوع و ميزان جريان گاز محافظتي ، فاصله بين موادي كه بايستي جوش داده شوند ، سرعت جوشكاري ، وضعيت گاز حفاظتي و به سيستم مربوط به اشعه ليزري و موادي كه بايستي جوشكاري شود وضعيت نقطه مطلوب اشعه ليزري.

براي اين كه بتوانيم عوامل آناليزشده را بترتيب اهميت قرار دهيم، عملگر اصلي واكنش بكارگرفته شده ميزان قدرت كشش حاصله با استفاده از نمونه هاي با عرض 30 ميليمتر مي باشد.

همزمان امتداد شيارهاي باز بوسيله بازرسي نفوذي و بوسيله اندازه گيري دما و با كمك يك Pyrometer اندازه گيري شده است.

براي بدست آوردن ارزش دقيق قدرت كششي، سه نمونه اي كه در شرايط يكساني مورد استفاده قرار گرفت براي هر يك از ارقام هاي قدرت كششي مورد استفاده قرار گرفت.

اطلاعات مربوط به فرايند اين آزمايش هاي مقدماتي باعث گرديد كه ما به نتايج زير دست يابيم. پارامترهاي عملياتي تحت بررسي بر روي خصوصيات و شكل نقطه جوش اثر مي گذارند. اهميت اين تاثير متكي به پارامترهاي بخصوص عملياتي و ميزان و اختلاف آنها مي باشد. متدوالترين جوش ما بوسيله انرژي بالا و جوشكاري Wireless بدست آمد.

عدم ثبات هاي موجود در اين فرايند اغلب به عيب هايي از قبيل وجود شيارها و خلل و فرج ارتباط داده مي شوند. در ارتباط با جوش هايي كه بدون سيم و يا در حجم كم سيم فيلر بدست مي آيند انجماد مختلف بوده و به نتايج بيشتري منتج مي شوند و وضعيت و ميزان تغذيه آن بيشترين تاثير را بر قدرت كششي دارد. همچنين سرعت جوشكاري نيز در ارتباط با قدرت كششي يك اثر مهم بشمار مي آيد. پارامترهاي گاز محافظتي، نوع آن، وضعيت، نوع حفاظت، ميزان جريان، زاويه اهميت كمتري دارند كه اين نتيجه از پارامترهاي بررسي شده قدرت كششي بدست آمده است.

از يك زاويه مكانيكي و جهت توليد جوش هاي منظم تر بدون شيارهاي باز، بهترين نتيجه با استفاده از يك سرعت جوشكاري پائين (3 ميليمتر در دقيق)، قدرت ليزري بالاتر (3 كيلووات) و يك نقطه focal كه درست در زير سطح فاصله صفر قرار گرفته است بدست آمده است.

اين آزمايش ها جهت بررسي اثر عوامل واكنشي طراحي شده بود : سرعت جوشكاري، ميزان تغذيه سيم، قدرت ليزري، وضعيت نقطه focal ، وضعيت سيم، و سيستم fasteuing.

آزمايش ها در وضعيت هاي زير انجام گرفت :

سيم filler 4047 ، قطر يك ميلي متر ، كه در درجه 22 درجه سانتيگراد به صورت افقي در مقابل حوضچه مذاب قرار داده شد. گاز محافظتي N2  مستقيم- min / 301 و بصورت غيرمستقيم (زير نقطه جوش)- 151/ min كه در پشت حوضچه مذاب با درجه 39 درجه سانتيگراد و به صورت افقي قرار داده شد و فاصله آن صفر بوده است.

پس از فرايند اطلاعات نتايج زير را مي توان بدست آورد :

1. داشتن يك نقطه focal بر روي سطح داده شده بهترين نتيجه را بدست مي دهد.
2. براي سيم مربوط به اشعه ليزري و صفحه هاي جوشكاري، يك وضعيت OPTIMAL وجود دارد. در تركيب اين آزمايش اين وضعيت در 105 ميلي متري در مقابل نقطه ليزري و  3/0 ميلي متر بالاي صفحه جوشكاري مي باشد. اين وضعيت حداكثر ثبات را همراه با بهترين خصوصيات مكانيكي را در ارتباط با جوش تضمين مي كند(شكل شماره 1)
3. در زماني كه ميزان تغذيه سيم حدودا بيشتر از 3 ميليمتر در دقيقه بوده قدرت كششي حاصل گرديد كه منجر به disfersion قابل توجه ارقام ها مي باشد. دليل اين عدم ثبات در حركت سيم ها نهفته است (شكل شماره 2)
4. سرعت جوشكاري در قدرت كششي سيم اثرات بسيار مي گذارد. سرعت هاي بالا بيش از 5 ميليمتر در دقيقه باعث ايجاد شيارهاي كمتر شده و براي عمليات مكانيكي تعيين كننده نمي باشند.

تعداد شيارها شديدا وابسته به سرعت جوشكاري مي باشد كه اين تفاوت expoueutial است با استفاده از يك سرعت جوشكاري 3 ميليمتر در دقيقه، هيچ گونه شيار باز ديده نشده است. زماني كه سرعت 6 ميلي متر در دقيقه است، طيف 20 تا 100 شيار را مي توان يافت كه اين تعداد در زماني كه ميزان تغذيه سيم افزايش داده مي شود كمي كاهش مي يابد.

اناليز ميزان درجه اي كه قدرت كششي هم بر سرعت جوشكاري و حجم سيم به ازا هر ميليمتر جوش (شكل شماره 3) متكي است نشان مي دهد كه قدرت مكانيكي جوش كه بوسيله تعداد افزايشي شيارهاي باز موجود است ، همراه با سرعت جوشكاري كاهش مي يابد و نسبت به ميزان حجم رسوب شده به ازا هر ميلي متر جوش ارزش حداكثر را دارد. اين ارزش حداكثر كمي بوسيله سرعت جوشكاري تغيير مي يابد.

بوسيله روش تجربي كه در بالا ارائه شده است ، فاكتورهاي عملياتي كه بر ترك گرم اثر مي گذارند را مي توان از نظر اهميت درجه بندي نمود. با توجه به فاكتورهاي عملياتي همراه با فاكتورهاي Pheuoveuoligical آنگاه مي توان نفوذ فاكتورهاي Pheuoveuoligical را بر روي ترك گرم تعيين نمود. وجود سيم filler همراه با يك تركيب مناسب شيميايي همراه با ميزان تغذيه فاكتور اصلي به شمار مي آيند زيرا اين امر بر روي تركيب شيميايي حوضچه مذاب عمل مي كند و آن خارج از طيفي قرار مي دهد كه در آن ترك گرم ممكن است رخ دهد. اين پديده كه قبلا شناخته شده بود در حوضچه مذاب مورد تائيد قرار گرفت. تزريق مواد Suppleuneutary در حوضچه مذاب بهر حال يك عمليات ظريفي است كه مي تواند خودش عيوبي را ايجاد نمايد. ميزان موادي كه باعث افزوده شود بستگي به فاكتورهاي عملياتي مربوط به سيم filler دارد. براي مثال اين عوامل فاصله lougitvdinal موجود در بخش هاي جوشكاري شده و طول آزاد در دهانه نازل است.

زماني كه حالت تجربي OPTIMAL است، طول سيم بايستي به حوضچه مذاب در حالت مايع برسد. اين امر بدين معناست كه ما همواره انتقال حرارت مداومي را به حوضچه مذاب داريم و در مقابل وضعيتي كه سيم در حالت جامد به حوضچه مذاب مي رسد، حداقل انعكاس وجود دارد. علاوه بر آن پارامترهاي OPTIMUM سيم تماس بهتري را بين اشعه ليزري و موادي كه بايستي جوشكاري شود اجازه مي دهد و نتيجه حاصله يك حوضچه مذاب ثابت با ارقام پائين براي گراديان دما مي باشد.

سرعت جوشكاري عامل مهمتر ديگري است كه بر سرعت انجماد و گراديان دما اثر مي گذارد. بنابراين سرعت جوشكاري بر روي كشش حوضچه مذاب در طول انجماد تاثير مي گذارد. بدين دليل كه سرعت هاي بالاي جوشكاري مورد نياز است، عوامل ديگر جهت ايجاد كشش هايي كه از آلياژ جوشكاري نيمه جامد ناشي از حوضچه مذاب حاصل مي باشد بايستي مورد استفاده قرار گيرد. در بين اين عوامل ديگر سيستم Fasteuing يك نقش مهمي را بازي مي كند. بدين دليل جهت اجتناب از شيارها يك سيستم Coupression Fasteuing يكساني بايستي طراحي شود. سرعت انجماد و گراديان دمايي را مي توان بوسيله وجود يك منبع حرارتي ثانويه اي كاهش داد.

وجود Sheilaling گاز كه بر حالت سطحي و اكسيداسيون حوضچه مذاب عمل مي كند براي ترك گرم مربوط به عوامل واكنشي انتخابي قدرت كششي و شيارهاي باز اهميت ثانوي دارد. علاوه بر آن برخي از تست هاي خستگي كه بر روي جوش هاي هايي انجام گرفت كه به عنوان گاز محافظتي كه از هليوم و نيتروژن بدست آمد، در حاليكه پارامترهاي ديگر ثابت بوده اند، اختلاف هاي آشكار نگرديد.

نتيجه گيري

پديده Cracking گرم در جوشكاري ليزري آلياژهاي آلومينيومي پيچيده مي باشد جهت بررسي ميزان نفوذ فاكتورهاي عملياتي نتيجه گيريهاي زير را مي توان بدست آورد :

وجود سيم Filler و عوامل مورد اتكا مصرف يك نفوذ اصولي بر روي خصوصيات مكانيكي جوشكاري به طور كلي و بخصوص بر روي ترك گرم مي باشند.

در ارتباط با ارقام OPTIMUM براي حالت و وضعيت تغذيه سيم وجود دارند. ميزان تغذيه بالا عدم ثبات ايجاد مي كند در حاليكه ميزان پائين تغذيه به حد كافي تركيب شيميايي حوضچه مذاب را تغيير نمي دهد.

پارامترهاي گاز Sheilaling فقط نفوذ كمي بر روي ترك گرم دارد.