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

 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.

مقدمه ای بر هيدرومتالورژي

تعريف: علم و هنر توليد فلزات از كانه‌هاي آن با استفاده از محيط‌هاي آبي

تاريخچه هیدرومتالورژی: شروع استفاده از محلول‌هاي آبي، از دورة كيمياگران

هيدرومتالورژي مدرن از قرن نوزدهم با سيانوراسيون طلا و نقره و فرآيند باير براي آلومينيم

تحول مهم در دهة 1940 در پروژة‌ مانهاتان

   حلال (عامل ليچينگ)

    جامد

• مراحل:

1. انحلال انتخابي
2. تصفيه و تغليظ محلول حاصل
3. به‌دست آوردن فلز يا تركيب آن

تعريف ليچينگ:شستشو و خيساندن يك مخلوط در يك حلال براي جدا كردن انتخابي مواد محلول آن (انحلال انتخابي).

براي بررسي سينتيك لیچینگ معمولا از مدل‌ها استفاده مي‌شود.

مدل هستة كاهنده (Shrinking Core Model):

مراحل انجام فرآيند طبق اين مدل

1. انتقال جزء حل‌كننده از خلال لاية ساكن حول ذره
2.  نفوذ جزء حل‌كننده از خلال لاية محصول
3.  واكنش شيميايي
4.  نفوذ جزء حل شده از خلال لاية محصول
5. انتقال جزء حل شده از خلال لاية ساكن حول ذره

فرضيات

1. حالت پايا (Steady State)
2. شرايط همدما
3. عدم تغيير اندازة ذرة جامد
4.  تعريف: كسر تبديل جزء i

نتايج

تشخيص مرحلة كنترل كننده

• تمام مراحل از يك الگو پيروي مي‌كنند:

 هر مرحله‌اي كه نمودار خطي داشته باشد مي‌تواند كنترل كننده باشد.

انتخاب عوامل ليچينگ به موارد زیر بستگي دارد:

تركيب شيميايي و ساختار سنگ معدن (يا كنسانتره) و كاني،هزينه، خورندگي، سميت، بازيابي و ...

روش‌هاي صنعتي ليچينگ

1. ليچينگ در محل (در جا): Place (Insitu) L.

• براي معادن بسيار كم عيار
• براي توده‌هاي محدود

2. ليچينگ انباشته‌اي: Heap L.

1. پاك كردن سطح زمين
2. كوبش و تسطيح با شيب ملايم
3. پوشش با پلاستيك
4. پوشش با آسفالت
5. انباشتن سنگ خرد شده
6. افشاندن عامل ليچينگ

3. ليچينگ توده‌اي: Dump L.

• روش عمل مانند: انباشته‌اي
• مادة اوليه: ضايعات و دور ريزها
• سيكل انحلال (مانند انباشته‌اي): 500-100 روز

4. ليچينگ در مخزن: Vat L.

• = نفوذي= ستوني
• بار داراي ابعاد ماسه‌اي (20- 5 م.م.)
• ظرفيت هر مخزن، 15- 10 هزار تن
• معمولاً چند مخزن بطور سري قرار مي‌گيرند.
• سيكل انحلال: 10- 5 روز

5. ليچينگ دوغابي متلاطم: Pulp L. Agitation

• دانه بندي: در حد پودر
• سيكل انحلال: چند ساعت

6.ليچينگ گرم و تحت فشار: Hot Digestion L.

• دانه بندي: بسيار ريز
• دما بالا (؟)
• اعمال فشار به منظور ؟