فرآیند های ساخت کامپوزیت های زمینه فلزی به روش های عملیات حرارتی، نورد تجمعی و جوشکاری

فرآیند های ساخت کامپوزیت های زمینه فلزی به روش های عملیات حرارتی، نورد تجمعی و جوشکاری

 

طراحی و ساخت مواد کامپوزیتی به لحاظ داشتن خواص مناسب می توانند در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار بگیرند، اما به دلیل محدودیت موجود در برخی تکنیک ها مانند ظرفیت بارگذاری، مواد کامپوزیتی را نمی توان در مقیاس بزرگی برای کاربرد صنعتی تولید نمود. بنابراین جوشکاری و اتصال این مواد برای ایجاد ابعاد بزرگتر بسیار حائز اهمیت است. فرایند جوشکاری ذوبی مرسوم در کاربردهای عملی مناسب به نظر نمی رسند، زیرا دانه های ظریف در ساختار ماده جوشکاری شده (به دلیل اثرات حرارتی ناشی از این فرایند) به شدت در منطقه اتصال رشد می کند و خواص مکانیکی قطعه  ساخته شده حاصل را کاهش میدهد. بنابراین بسیاری از توجهات به سمت روش های جوشکاری غیر ذوبی خصوصا جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی جلب شده است.

 

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW)

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یک فرآیند جوشکاری حالت جامد می باشد که دارای یک ابزار چرخشی غیر مصرفی بوده که از دو قسمت شانه و پین تشکیل شده است. ابزار فرآیند با چرخش و وارد شدن به دو ورقی که به طور کاملا محکم به هم جفت شده اند، تولید اصطکاک و حرارت کرده و اتصال را ایجاد می کند. همانطور که در شکل مشاهده می شود در این فرآیند عمل اتصال توسط این ابزار چرخشی و پین موجود در نوک آن صورت می گیرد. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در سال ۱۹۹۱ در موسسه جوشکاری انگلستان (TWI) و توسط وین توماس اختراع شد و گسترش این فرآیند توسط لاکهید مارتین در سال ۱۹۹۵ صورت گرفت. در ادامه توسعه ی این فرآیند، در سال ۲۰۰۱، FSW در مرکز فضایی مارشال (MSFC) برای تامین بسیاری از نیازهای سازمان فضایی آمریکا (NASA) مورد استفاده قرار گرفت. درک نحوه عملکرد این فرآیند ساده است. یک ابزار چرخشی مصرف نشدنی به همراه یک پین و شانه با طراحی خاص داخل لبه های جفت شده و در طول آن حرکت می کند. شانه، تماس محکمی به بالای سطج قطعه کار ایجاد می کند. توزیع حرارت به وسیله اصطکاک در شانه و مقادیر کمتری در سطح پین، مواد را نرم کرده و آن ها را به هم جوش می دهد. مسیری که جهت چرخش ابزار و جهت جوشکاری یکسان باشد را جهت پیش رو و مسیر عکس آن یعنی مسیری که جهت چرخش ابزار و جهت جوشکاری مخالف هم باشند را جهت پس رو نامیده اند.

 fsw

کامپوزیت:

کامپوزیت به­گونه­ای از مواد با چند جزء مختلف و خواصی بهتر از خواص تک­تک اجزا، اطلاق می­شود.کامپوزیت­ها دارای یک جزء زمینه و یک جزء تقویت­کننده می­باشند. کامپوزیت­ها را می­توان از نظر نوع زمینه و نوع تقویت­کننده به چند دسته تقسیم نمود. از نظر نوع زمینه به کامپوزیت­های زمینه فلزی، زمینه پلیمری، زمینه سرامیکی و زمینه ترکیب بین­فلزی تقسیم­بندی می­شود. در بین انواع کامپوزیت­ها، کامپوزیت­های زمینه فلزی بیش­تر مورد توجه قرار گرفته است.

جوشکاری FSW  بر روی کامپوزیت ها:

  • در این راستا ساتو وهمکاران به بررس اثر FSW بر روی ریز ساختار و سختی حاصل پرداختند.با توجه به نمودار مقابل انجام جوشکاری FSW باعث کاهش اندکی در سختی(در فرایندهای ذوبی به مراتب بیشتر است حاصل در منطقه جوش می گردد، که به علت رشد دانه ها در این منطقه ( به علت حساسیت کامپوزیت های نانو ساختار به حرارت) می باشد. نتایج تست ریز ساختار نیز با نتایج حاصل از پروفیل سختی مطابقت دارد چون در منطقه­ی جوش افزایش اندازه دانه را داریم واین باعث کاهش سختی می­شود ولی با فاصله گرفتن از خط جوش اندازه دانه کم می­شود بنابراین باعث افزایش سختی می­شود.
  • در تحقیقی مشابه سان و همکاران به بررسی هم زمان اندازه دانه اولیه و سرعت جوشکاری در خواص ماده حاصل پرداختند بنابراین با افزایش درجه دوران( کاهش سرعت چرخش) که منجر به کاهش حرارت ورودی می گردد همانطور که در جدول روبرو مشخص است اندازه دانه کاهش یافته و بنابراین خواص مکانیکی بهبود می یابد .

fsw2

fsw3

در ضمن مشاهدات ریز ساختری نشان میدهد انجام فرایند FSW بروی کامپوزیت نورد تجمعی شده که آنیل H24  شده باشد (به دلیل اینکه این ریز ساختار نسبتا پایدار بوده وتقسیم شدن (subdivision) دانه در حین فرایند  FSWنسبت به رشد دانه ناشی از پیک دمایی غالب خواهد بود) باعث ریز شدن ساختار تا ۲۵% اندازه اولیه میشود.

fsw4fsw5

در ساخت قطعات به کامپوزیت ها توجه بسیاری میشود. در طراحی قطعات مهندسی نیز استفاده از کامپوزیت ها جدیدا متدوال شده است. کامپوزیت به­گونه­ای از مواد با چند جزء مختلف و خواصی بهتر از خواص تک­تک اجزا، اطلاق می­شود.کامپوزیت­ها دارای یک جزء زمینه و یک جزء تقویت­کننده می­باشند. کامپوزیت­ها را می­توان از نظر نوع زمینه و نوع تقویت­کننده به چند دسته تقسیم نمود. از نظر نوع زمینه به کامپوزیت­های زمینه فلزی، زمینه پلیمری، زمینه سرامیکی و زمینه ترکیب بین­فلزی تقسیم­بندی می­شود. در بین انواع کامپوزیت­ها، کامپوزیت­های زمینه فلزی بیش­تر مورد توجه قرار گرفته است.

کامپوزیت­های زمینه فلزی موادی هستند که دارای یک زمینه­ی فلزی با یک تقویت کننده­ی سخت­تر نسبت به فلز پایه می­باشند. از خواص کامپوزیت­های زمینه فلزی می­توان به استحکام بالا در برش و فشار، خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب مانند پایداری حرارتی و استحکام بالا را اشاره نمود. از روش­های ساخت کامپوزیت­های زمینه فلزی می­توان از متالورژی پودر، رسوب­دهی پاششی، آلیاژسازی مکانیکی و تکنیک­های مختلف ریخته­گری مانند ریخته­گری کوبشی، ریخته گری دوغابی، کامپوکستینگ وغیره نام برد. تمامی این تکنیک­ها بر اساس اضافه­کردن ذرات تقویت­کننده به زمینه که به شکل پودر یا مذاب هستند استوار است. درکامپوزیت­های زمینه فلزی متداول، فلزهای تقویت­کننده به صورت جداگانه و قبل از ساخت کامپوزیت آماده می­شوند و بنابراین مشکلاتی نظیر واکنش­های بین­ذرا­ت تقویت­کننده و زمینه، قابلیت تر­شوندگی ضعیف میان تقویت­کننده و زمینه به علت آلودگی سطح تقویت­کننده و آگلومره­شدن ذرات به علت توزیع ناهمگن معمولا در این روش­ها به­وجود می­آید.

با­توجه به مشکلات ذکر­شده، امروزه روش­های نوینی که بر اساس تغییر­شکل پلاستیک شدید استوار است جهت ساخت کامپوزیت­ها توسعه پیدا­کرده است که از آن جمله می­توان به فشار، نورد تکرار پذیر و نورد تجمعی اشاره نمود. در میان فرآیند­های ذکر شده می­توان از نورد تجمعی به عنوان یک راه حل جدیدتر و مناسب جهت تولید کامپوزیت­های چند لایه استفاده نمود.

کامپوزیت­های زمینه فلزی با توجه به خواص منحصر­به­فردشان توسعه­ی چشم­گیری پیدا کرده­اند، اما یکی از عوامل بازدارنده­ی استفاده از این نوع کامپوزیت­­ها، مشکل بودن اتصال آنها می­باشد. به طوری­که روش­های معمول جوشکاری آنها باعث افت خواص حتی تا پایین­تر از فلز پایه می­شود.روش­های جوشکاری حالت جامد نظیر جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی می­تواند روشی مناسب جهت اتصال کامپوزیت­های زمینه فلزی بدون افت خواص باشد.

روش های جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی[۱] توسط وین توماس[۲] و همکارانش در موسسه [۳]TWIدر دسامبر ۱۹۹۱ ابداع شد. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای اولین بار برای آلیاژهای آلومینیوم ابداع گشت که یک روش جوشکاری حالت جامد می باشد. در فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی حالت مذاب شکل نمی گیرد و اتصال زیر دمای ذوب ماده اتفاق می افتد. جوش با فرآیند تغییر شکل پلاستیک تکنیکی است که در آن مشخصات اصلی ماده حفظ می گردد. بیشینه دمای قطعه کار در این فرآیند حدود %۸۰ نقطه ذوب فلز پایه است. از این روش یک جوش با کیفیت بالا به همراه حرارت ورودی حداقل، حداقل اعوجاج، بدون نیاز به ماده پر کننده و گاز محافظ ایجاد می گردد. از دیگر مزایای FSW می توان به راندمان بالا و محیط ایمن تر نسبت به سایر روش های معمول جوشکاری اشاره کرد. کاهش در هزینه ها به دلیل کاهش در طراحی، ساخت، مونتاژ و زمان های نگهداری که کاهش بالقوه در تعداد قسمت ها را فراهم می کند، ایجاد می شود. استفاده از اتصالات FSW شده به جای بست، تاثیرات تمرکز تنش در حفره های بست را کاهش می دهد و سبب بهبود خواص خوردگی که در اثر اتصال فلزات غیر مشابه در اتصالات با بست به وجود آمده است، می گردد و در مورد اتصالات لب به لب به علت کاهش فصل مشترک، خوردگی شیاری، سایشی و سایر انواع خوردگی محدود می شود. در نهایت با استفاده از اتصالات FSW ، نیاز به آب بندی، تجهیزات قفل کردن و مشابه با آن وجود ندارد و یا حداقل می باشد. تا جایی که این باور به وجود آمده است که FSW مواد با نقطه ذوب پایین مانند آلیاژهای آلومینیم، به جایی رسیده است که در کاربردهای اقتصادی و هوایپماهای نظامی مورد استفاده قرار می گیرد. شرکت هایی همچون بویینگ، ایرباس، ایکلیپس، بی ای آ، میتسوبیشی، کاوازاکی، فوکر، ناسا و هم چنین سایر صنایع مرتبط در آمریکا، اروپا و ژاپن از این فرآیند استفاده می کنند.

به طور کلی در مقایسه با سایر روش های ذوبی، کیفیت جوش FSW به دلیل کاهش عیوب حاصله بالاتر است. همچنین تولید جوش های با استحکام زیاد و جوشکاری مواد مشابه و ضخامت های غیر یکنواخت این فرآیند را کاملا منحصر به فرد کرده است. امروزه این جوش در صنایع دریایی (بخش کشتی و ساختمان)، صنایع هوا فضا (بدنه هواپیما، باله ها، تانک های سوخت)، صنایع راه آهن (قطارهای سریع السیر، واگن ها)، صنایع اتومبیل (شاسی و بدنه) بدنه موتور سیکلت، ساخت دستگاه و راه اندازی خطوط تولید به کار می رود.

اصولا فرآیند FSW شامل سه مرحله اصلی است: نفوذ[۴]، نشست[۵] و مرحله جوشکاری.

در مرحله نفوذ یک ابزار مصرف نشدنی جهت جوشکاری در موقعیت مناسب قرار می گیرد. در مرحله نشست ابزار وارد قطعه شده و همزمان با حرکت انتقالی، دوران می کند. در مرحله آخر ابزار با حرکت رو به جلو عمل اتصال را تکمیل می نماید.

ريز ساختار جوش شامل ناحيه اغتشاشي (SZ)[6]،ناحيه تحت تاثير عمليات ترمو مكانيكي (TAMZ)[7] و ناحيه متاثر از حرارت(HAZ) مي باشد. در ناحیه اغتشاشی، تغییر شکل شدید همراه با حرارت ناشی از اصطکاك از طریق پدیده تبلورمجدد دینامیکی سبب ایجاد ریزساختاري با اندازه دانه ریز و به صورت هم محور میشوند. در ناحیه  TMAZ نیز حرارت و تغییر شکل اتفاق می افتد اما به دلیل کرنش ناکافی اغلب در این ناحیه بازیابی دینامیکی غالب می شود.

به علت حرارت ورودی پایین در جوشکاری FSW تغییرات متالورژیکی حاصل از جوشکاری بسیار کم بوده و بنابر این از زمان ابداع فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و پیشرفتهاي اخیر در زمینه ابزار، تمایل محققین به این نوع جوشکاری  افزایش پیدا کرده است. علاوه براین مشکلات ناشی از جوشکاری به روش سنتی نیز کاهش می یابد.

در این تحقیق جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برروی کامپوزیت های تولید شده به روش های مختلف و نانو کامپوزیت های تولید شده به روش نورد تجمعی بررسی شده است.

کامپوزیت ها:

 کامپوزیت عموما به مادهای اطلاق می شود که ترکیبی از یک فاز پیوسته و یک جز مجزا است به نحوی که جز مجزا در فاز پیوسته توزیع شده  باشد.خواص کامپوزیت بر گرفته از مشخصات فیزیکی اجزا، ساختار آنها و خواص مرز یا فصل مشترکی است که بین اجزا وجود دارد. کامپوزیت ها معمولا بر مبنای طبیعت فیزیکی یا شیمیایی فاز زمینه طبقه بندی می شوند، به نحوی که زمینه می تواند پلیمری، فلزی و یا سرامیکی باشد. البته گزارش هایی وجود دارد که بیانگر وجود کامپوزیت هایی با زمینه بین فلزی و یا زمینه کربنی است ]۱[.

کامپوزیت­های زمینه فلزی موادی هستند که دارای یک زمینه­ی فلزی با یک تقویت کننده­ی سخت­تر نسبت به فلز پایه می­باشند. از خواص کامپوزیت­های زمینه فلزی می­توان به استحکام بالا در برش و فشار، خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب مانند پایداری حرارتی و استحکام بالا را اشاره نمود. این مشخصه ها برای این دسته از کامپوزیت ها ناشی از خواص فلزی زمینه مانند چقرمگی و انعطاف پذیری و نیز خواص سرامیکی تقویت کننده شامل استحکام و مدول بالاست]۲[.

کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات به علت آسان بودن فرایند تولید، هزینه کمتر و داشتن خواص همسانگردی بیش تر مورد توجه قرار گرفته اند]۳[.

بهترین خواص در یک کامپوزیت زمانی بدست خواهند آمد که زمینه و تقویت کننده از جهات فیزیکی و شیمیایی با همدیگر سازگار باشند، اما در برخی فرایندهای تولید، زمینه و تقویت کننده تمایل به انجام واکنش هایی دارند که آثار مخربی را به همراه خواهد داشت. چنانچه دما در حین فرایند تولید بالا باشد این واکنش ها  بیش تر بوده و در نتیجه آثار مخرب شدید تر خواهد بود.

۱- ۱- روش های ساخت کامپوزیت:

تنوع زیادی در تکنیک های تولید کامپوزیت زمینه فلزی تقویت شده با ذرات وجود داردکه به دو گروه کلی تولید در حالت مذاب و تولید در حالت جامد طبقه بندی می شود.برخی از فرایند های تولید در حالت مذاب شامل ریخته گری کوبشی[۱]، فرایند نفوذ دهی[۲]، ریخته گری هم زنی[۳]، ریخته گری دوغابی[۴] و فرایند واکنشی درجا می باشند. از جمله فرایندهای تولید در حالت جامد نیز می توان به متالورژی پودر[۵]، اتصال دهی نفوذی[۶] و تکنیک های رسوبی[۷] اشاره نمود

]۱-۳[.

تمامی این تکنیک­ها بر اساس اضافه­کردن ذرات تقویت­کننده به زمینه که به شکل پودر یا مذاب هستند استوار است. درکامپوزیت­های زمینه فلزی متداول، فلزهای تقویت­کننده به صورت جداگانه و قبل از ساخت کامپوزیت آماده می­شوند و بنابراین در تولید کامپوزیت های فوق ریز دانه مشکلاتی نظیر واکنش­های بین­ذرا­ت تقویت­کننده و زمینه، قابلیت تر­شوندگی ضعیف میان تقویت­کننده و زمینه به علت آلودگی سطح تقویت­کننده و آگلومره­شدن ذرات به علت توزیع ناهمگن معمولا در این روش­ها به­وجود می­آید.

۱- ۱- ۱-  روش های نوین ساخت کامپوزیت:

با­توجه به مشکلات ذکر­شده، امروزه روش­های نوینی که بر اساس تغییر­شکل پلاستیک شدید استوار است جهت ساخت کامپوزیت­ها توسعه پیدا­کرده است که از آن جمله می­توان به فشار، نورد تکرار پذیر و نورد تجمعی اشاره نمود. در میان فرآیند­های ذکر شده می­توان از نورد تجمعی به عنوان یک راه حل جدیدتر و مناسب جهت تولید کامپوزیت­های چند لایه استفاده نمود.

۱-۱-۲- روش نورد تجمعی

در روش نورد تجمعی، دو ورق از آلیاژهای مشابه و یا غیر­مشابه بر روی هم قرار می­گیرند و با هم نورد می­شوند. در حین نورد، به دلیل تغییر فرم پلاستیکی شدید، دانه­های بسیار ریزی تولید می­شود. در صورتی که سیستم مورد نظر شامل آلیاژهای غیر­مشابه باشد به نحوی که دو فاز نرم و سخت در کنار یکدیگر قرار بگیرند، در این صورت تشکیل ساختار ماده­ی نهایی بسیار پیچیده­تر از سیستم های تک­فلزی خواهد بود.

 

فرایند نورد تجمعی یکی از روش‌های تغییرشکل پلاستیک شدید است که منجر به فوق ریز دانه شدن و استحکام بسیار زیاد مواد می‌شود. استفاده از فرایند نورد تجمعی به منظور تولید کامپوزیت‌های زمینه فلزی با ذرات تقویت شده، منجر به توزیع یکنواخت ذرات در زمینه و استحکام بسیار زیاد مواد می‌گردد]۶-۴[.

فرایند نورد تجمعی توانایی بالایی برای تولید پیوسته‌ی مواد دارد. این روش تنها فرایند تغییر شکل پلاستیکی شدید است که در آن از تغییر شکل توسط نورد به تنهایی استفاده می‌شود. نورد مفیدترین فرایند فلزکاری برای تولید پیوسته‌ی صفحات، ورق‌ها و شمش‌ها می‌باشد.

شکل ۱-۱ اصول فرایند نورد تجمعی را نشان می‌دهد. قبل از روی هم قرار دادن ورق‌‌ها عملیات سطحی مانند چربی‌زدایی برس‌کاری حتما باید انجام شود تا پیوند مناسبی بین دو ورق به وجود آید. چربی‌زدایی معمولا با قرار دادن ورق‌ها در محلولی مناسب مانند استن انجام می‌شود. برای جلوگیری از لغزش ورق‌ها زیر غلتک نورد، باید آنها را با سیم‌های فولادی یا مسی به هم متصل کرد [۴].

پس از اعمال ۵۰% كاهش سطح مقطع، نوارهای نورد شده توسط برش عرضي به دو قسمت مساوی بریده می شوند(مرحله اول). به منظور دستيابي به توزیع یکنواخت ذرات تقویت كننده در زمينه و نيز حذف تخلخل در فصل مشترک بين لایه ها و بين ذرات تقویت كننده و زمينه، روند مذكور ادامه می یابد( مرحله دوم) بدون آنکه ذرات تقویت كننده اضافه شوند.

fsw6

شکل ۱- ۱ اصول فرایند نورد تجمعی

نورد در فرایند نورد تجمعی نه تنها یک فرایند تغییر شکل است بلکه فرایند اتصالی هم هست، به همین دلیل به این فرایند نورد اتصالی گفته می‌شود. در برخی موارد ورق‌ها روی هم قرار گرفته، در دمای بالا و زیر دمای تبلور مجدد گرم شده و سپس به سرعت نورد می‌شود تا پیوند مناسب حاصل شده و نیروی نورد کاهش یابد. این روند بدون محدودیتمی­تواند تکرار شود و بدین ترتیب کرنش پلاستیکی بسیار بزرگی به ماده اعمال می­گردد.

 

 

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

 جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یک فرآیند جوشکاری حالت جامد می باشد که دارای یک ابزار چرخشی غیر مصرفی بوده که از دو قسمت شانه و پین تشکیل شده است. ابزار فرآیند با چرخش و وارد شدن به دو ورقی که به طور کاملا محکم به هم جفت شده اند، تولید اصطکاک و حرارت کرده و اتصال را ایجاد می کند. همانطور که در شکل ۲-۱- مشاهده می شود در این فرآیند عمل اتصال توسط این ابزار چرخشی و پین موجود در نوک آن صورت می گیرد]۱۰-۷[. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در سال ۱۹۹۱ در موسسه جوشکاری انگلستان (TWI) و توسط وین توماس اختراع شد و گسترش این فرآیند توسط لاکهید مارتین[۱] در سال ۱۹۹۵ صورت گرفت. در ادامه توسعه ی این فرآیند، در سال ۲۰۰۱، FSW در مرکز فضایی مارشال[۲] (MSFC) برای تامین بسیاری از نیازهای سازمان فضایی آمریکا (NASA) مورد استفاده قرار گرفت]۱۱[ . این فرآیند در ابتدا فقط برای فلزات کم استحکام با نقطه ذوب پایین به ویژه آلومینیوم و آلیاژهای آن مورد استفاده قرار می گرفت ولی به سرعت برای اکثر فلزات و آلیاژهای پر کاربرد گسترش یافت. درک نحوه عملکرد این فرآیند ساده است. یک ابزار چرخشی مصرف نشدنی به همراه یک پین و شانه با طراحی خاص داخل لبه های جفت شده و در طول آن حرکت می کند. شانه، تماس محکمی به بالای سطج قطعه کار ایجاد می کند. توزیع حرارت به وسیله اصطکاک در شانه و مقادیر کمتری در سطح پین، مواد را نرم کرده و آن ها را به هم جوش می دهد. تغییر فرم پلاستیکی شدید و جریان فلز نرم شده هنگام حرکت ابزار در طول جهت جوشکاری رخ می دهد. مواد از مقابل ابزار به لبه ها، جایی که به اتصال فورج شده است، منتقل می شوند. مسیری که جهت چرخش ابزار و جهت جوشکاری یکسان باشد را جهت پیش رو[۳] و مسیر عکس آن یعنی مسیری که جهت چرخش ابزار و جهت جوشکاری مخالف هم باشند را جهت پس رو[۴] نامیده اند

fsw

شکل۲-۱(a)تصویر شماتیک از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، (b) فراید FSWانجام شده بین دو ورق و (c)تصویر شانه وپین ابزار]۱۱[

ابزارچرخشی سه عمل مختلف را انجام می دهد :

الف) حرارت دادن به قطعه کار

ب) حرارت دادن مواد به منظور ایجاد اتصال

ج) نگه داشتن فلز داغ زیر ابزار شانه.

به عبارت دیگر حرارت متمرکز شده، مواد اطراف پین را نرم کرده و باعث امتزاج آن ها با ابزار چرخشی و در پی آن انتقال مواد می شود. در توضیح عملکرد ابزار و تاثیر آن روی قطعه کار وقتی فرآیند درستی صورت پذیرد یک اتصال حالت جامد تولید می شود که در آن هیچ ذوب شدنی رخ نخواهد داد. به علت خواص هندسی گوناگون ابزار، حرکت مواد اطراف پین دشوار خواهد بود]۷[ .

۲- ۱- مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی:

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، مزایای بسیاری در زمینه های مختلف داراست. از جمله مهمترین این ویژگی ها که این فرآیند را از دیگر روش های جوشکاری مجزا کرده، می توان به بهره ور بودن از نظر انرژی و دوستداری با محیط زیست اشاره کرد. به طوریکه این فرآیند جزو فرآیندهای سبز[۱] محسوب شده و خواص مطلوب متالورژیکی و مکانیکی را دارا می باشد. به همین دلیل این فرآیند بسیار مورد توجه محققین و صنعتگران قرار گرفته است ]۱۱[ . جدول  ۲-۱ مزایای فرآیند فوق را در سه بخش متالورژیکی، محیط زیست و انرژی را نشان می دهد.

جدول  ۲-۱ مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی]۱۱[.

مزایای انرژی مزایای زیست محیطی مزایای متالورژیکی
استفاده بهینه از مواد عدم نیاز به گاز محافظ فرآیند حالت جامد
فقط ۵/۲% انرژی جوش لیزر نیاز است کمترین نیاز به تمیزکاری سطحی اعوجاج و پیچیدگی کم
استفاده در صنایع هوافضا، اتومبیل و کشتی سازی حذف زائده های سنگ زنی پایداری ابعادی و تکرار پذیری خوب
  ذخیره ی مواد مصرفی، مثل سیم جوش و انواع گازها خواص مکانیکی عالی در محل اتصال
  عدم انتشار مواد مضر ریز ساختار تبلور مجدد یافته مناسب
    جوشکاری تمام آلیاژهای آلومینیوم
    شکل پذیری پس از FSW

 

علاوه بر مزایای مذکور، FSW دارای مزایای دیگری در مقایسه با فرآیندهای جوشکاری ذوبی است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد ]۱۱[ .

بر خلاف فرآیندهای ذوبی، در این روش هیچ ذوب شدن و انجمادی وجود ندارد. بنابراین، عیوب ناشی از روش های ذوبی مثل تخلخل، مک و حفرات گازی، ترک خوردن ذوبی و انجمادی و غیره وجود ندارد. هرچند این جوش ها نیز عیوب خاص خود مانند عیب سوراخ پین[۲]، عیوب تونلی[۳] و لوله ای [۴]و غیره را دارا هستند ولی با تمهیداتی از جمله انتخاب درست متغیرهای فرآیند از شکل گیری این عیوب می توان جلوگیری کرد. در این روش بر خلاف روش های ذوبی نیاز به مواد مصرفی مثل سیم جوش، الکترود، فلاکس و گاز محافظ نبوده و کل فرآیند با یک پین مصرف نشدنی قابل انجام است.

حرارت ورودی به قطعه خیلی کم تر از روش های ذوبی است و همین امر باعث می شود ریزساختار حاصل از جوش بدون عیب باشد.

از دیگر مزایای این فرآیند امکان استفاده از آن در طرح اتصال های مختلف است که این موضوع حاکی از توانمند بودن این روش در شرایط و موقعیت های مختلف است.

همانگونه که در شکل ۲-۲  نشان داده شده، این روش قابلیت جوشکاری طرح های اتصال لب به لب[۵]، لب رویهم[۶]، سپری[۷]، و گوشه ای را داراست]۷[ .

علاوه بر این، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی از جمله فرآیندهای جوشکاری سوراخ کلیدی[۸] محسوب می شود در واقع این روش تنها فرآیند سوراخ کلیدی در روش های جوشکاری حالت حالت جامد به حساب می آید که بسیار مفید و قابل توجه می باشد]۸[ .

 

fsw7

شکل۲-۲ انواع نوع اتصال در FSW

۲- ۲   نواحی مختلف در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

همانند تمام فرآیندهای نوین، فرهنگ لغاتی کامل و جدید به منظور تشریح و توضیح مشاهدات و یافته ها در این زمینه احساس می شده است. اولین تلاش ها در این زمینه توسط ترد گیل[۱] در راستای طبقه بندی ریز ساختارهای حاصل از جوش اصطکاکی اغتشاشی ارائه شده است]۵[ . شکل ۲-۳- مناطق مختلف به وجود آمده در حین فرآیند FSWرا نشان داده است.

fsw8

شکل۲-۳- مناطق مختلف ایجاد شده در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی منطقه تحت تاثیر حرارت(A فلز پایه(B  منطقه تحت تاثیر حرارت(C   منطقه تحت تاثیر عملیات ترمو مکانیکی(D منطقه اغتشاش(ناگت)

این مناطق به ترتیب عبارتند از ]۷[ :

  • فلز زمینه[۱] (مواد تحت تاثیر قرار نگرفته): این بخش قسمتی از ماده است که از جوش فاصله داشته و دچار تغییر شکل نشده است البته ممکن است سیکل های حرارتی را حس کرده ولی ریز ساختار و خواص مکانیکی آن تحت تاثیر قرار نخواهد گرفت.
  • ناحیه تحت تاثیر حرارت (HAZ): در این ناحیه که به ناحیه جوش نزدیکتر است ماده سیکل های حرارتی را تجربه می کند که ریز ساختار و خواص مکانیکی آن را تغییر می دهد، ولی با این وجود در این ناحیه هیچ گونه تغییر پلاستیکی شدیدی رخ نخواهد داد.
  • ناحیه تحت تاثیر عملیات ترمومکانیکی (TMAZ): در این ناحیه ابزار جوشکاری ماده را دچار تغییر فرم پلاستیکی کرده و حرارت حاصل از آن تاثیراتی روی ماده خواهد گذاشت. در مورد آلومینیوم امکان دستیابی به نرخ کرنش قابل ملاحظه ای بدون تبلور مجدد در این ناحیه وجود دارد و عموما یک مرز مجزا بین ناحیه تبلور مجدد یافته و ناحیه تغییر فرم TMAZ وجود دارد.
  • ناحیه جوش (SZ): ناحیه تماما تبلور مجدد یافته که بعضی اوقات آن را ناحیه اغتشاش نیز می نامند، که البته این لغت را بیشتر در فرآیند اصطکاکی اغتشاشی [۲](FSP) به کار می برند. جاییکه که حجم بالایی از مواد نرم شده تحت فرآیند قرار می گیرد.

 

۲-۳- اصطلاحات وقراردادها:

قراردادهای آورده شده در ادامه توسط Colligan مورد استفاده قرار گرفته که سمت پیشرو و پسرو در یک جوش FSW را به صورت زیر تعریف می کند. سمتی از ابزار جوشکاری که جهت حرکت سطح ( در اثر چرخش) آن با جهت حرکت جوشکاری یکسان است “سمت پیشرو”  نامیده می شود. سمت مخالف آن جایی که سطح متحرک خلاف جهت حرکت مسیر جوشکاری در حال چرخش می باشد را  ” سمت پیرو” می نامند. برخی از مولفان جهات پیشرو و پیرو را به ترتیب به جهات برشی و جریانی نام گذاری می کنند ولی این نام گذاری در اینجا استفاده نمی گردد.

همانطور که نشان داده شد ، ابزار وقطعه کار با یک زاویه θ نسبت به یکدیگر چرخانده می شوند. کولیگان، هیرانو و همکارانشان[۳] نشان دادند که چرخش قطعه همانطور که در شکل ۷ نشان داده شده است، بر خلاف جهت حرکت جوشکاری می باشد. این انحراف منجر به فرورفتن شانه به میزانP درون قطعه می شود،که توسط Cederqvist تعیین گردیده است. همانطور که در شکل ۷ نشان داده شده است P = 0.5 Dsinθ در جایی که  D قطر شانه است. این باید تذکر داده شود که میزان نفوذ شانه به شکل بالا در حالتی تعریف شده است که قسمت میانی ابزار با قطعه کار در تماس باشد، درصورتی که دیگر محققان ممکن است از فرضیات دیگری استفاده نمایند. تعاریف و فاکتورهای مورد بحث بالا و نشان داده شده در تصاویر زیر در همه ی اتصالات جوشکاری شده توسط فرآیندFS کاربرد دارند. به هر حال ترم های جهات پیشرو و پیرو، لبه های پیشرو و هادی، و جهت حرکت برای جوش های نقطه ای به دلیل عدم حرکت،کاربرد ندارند. واژه پروفیل اتصال در سراسر این متن برای تمامی اتصالات مورد استفاده قرار گرفته است. پروفیل اتصال، شکل دورترین مرز جوش از مرکز می باشدکه شامل پیشانی و ریشه جوش می باشد. پروفیل اتصال را می توان با استفاده از ایجاد یک برش عرضی از جوش (  عمود بر طول جوش ) تشخیص داد که این کار برای جوش سربه سر و روی هم در شکل زیر نشان داده شده است.

fsw9fsw10

شکل۲-۴- نفوذ شانه ابزار                                                         شکل۲-۵- اصطلاحات کاربردی

 

واژه های پیشانی، ریشه و پای جوش مورد استفاده برای جوش های سربه سر و برخی مواقع برای سایر جوش ها استفاده می گردد. واژه های پیش افتادگی و عقب افتادگی به ترتیب نشان دهنده جوشی است که از فلز پایه قوی تر و فلز پایه قوی تر از جوش می باشد. واژه “پیوند نفوذی” گاهی اوقات برای جوش های سربه سر FS استفاده می گردد. پیوند نفوذی توسط دینگ و ائلگوتز[۱] برای اولین بار تعریف شد به معنای فاصله ی انتهای پین تا  قسمت پشتی قطعه کار . واژه ی دیگری که در جوشکاری FS سربه سر ، وجود دارد” پیوند تماسی” است. برطبق گفته ی اوسترکمپ وهمکارانش[۲] یک پیوند تماسی ،

برای دو سطح بسیار نزدیک ولی نه به اندازه کافی نزدیک برای تحت تاثیر قرار دادن تشکیل پیوندهای اتمی ، به کار برده می شود. تشخیص پیوندهای تماسی با استفاده از روش های معمول NDI مورد استفاده در بازرسی جوش بسیار دشوار دشوار می باشد. با توجه به موقعیت و وسعت آنها، پیوندهای تماسی می توانند تاثیر مخربی بر روی عمر خستگی، خواص فشاری وظرفیت تحمل نیروی اعمالی با توجه به ضخامت قطعه داشته باشند. واژه سومی که به طور متناوب برای اتصالات سربه سر استفاده می شود ،”کارایی اتصال” می باشد. کارایی اتصال نسبت (Ftu)joint/(Ftu)base metalبا درصد نشان داده می شود.

 

۲ -۳- متغیرهای جوشکاری:

در مورد اثر متغیر های جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بر کیفیت جوش، ریز ساختار و خواص مکانیکی محل اتصال تحقیقات زیادی صورت گرفته است که از آن جمله می توان به تحقیقات بالاسوبر امانیان [۳]]۱۲[ اشاره کرد. وی در این تحقیق، به تاثیر متغیرهای مهمی همچون فشار محوری ابزار، سرعت چرخش و سرعت پیشروی ابزار روی خواص جوش آلیاژهای مختلف آلومینیوم پرداخته است. وی با ثابت در نظر گرفتن نیروی محوری، اتصالات مختلفی را در سرعت های چرخش و پیشروی گوناگون ایجاد کرد و در نهایت چنین گزارش کرد که استحکام تسلیم، انعطاف پذیری و سختی آلیاژهای آلومینیوم نقش مهمی در کیفیت اتصالاتFSW  ایجاد کرده است و به شکل گیری ناحیه اغتشاشی بدون عیب کمک می کنند. علاوه بر این مشخص شد که با انتخاب دقیق و صحیح متغیرهای فرآیند بین سرعت چرخش و سرعت جوشکاری (سرعت پیشروی) می توان به جوش مناسب با خواص مکانیکی مطلوب دست یافت]۱۲[.

کیفیت جوش در این فرآیند توسط متغیرهایی تعیین می شود که عبارتند از:

الف) سرعت جوشکاری[۴]

ب) سرعت چرخش[۵]

ج) نسبت سرعت جوشکاری به سرعت چرخش

د) فشار محوری روی شانه

ه) زاویه پین نسبت به قطعه کار.

بنابراین کنترل و فرآیند و اصلاح خواص حاصل از آن در گرو کنترل کردن موارد ذکر شده می باشد]۱۰-۶[.

 

۲- ۴- ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی:

ابزارهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی علی رغم گونگونی همگی از دو قسمت شانه وابزار تشکیل شده است. که بر حسب آلیاژی که  می خواهد جوشکاری شود از نوع ابزار مناسب استفاده می کنیم.

ابزار جوشکاری در دستیابی به اتصالی کامل و بدون عیب نقشی اساسی را ایفا می کند انتخاب ابزاری با جنس مناسب مستلزم دانستن ویژگی های مهم ماده برای یک کاربرد مشخص می باشد.

ویژگی های مختلف بسیاری باید در این میان در نظر گرفته شوند، اما طبقه بندی آن ها به ترتیب اهمیت بستگی به ماده ای که قرار است جوشکاری شود و نیز  عمر مورد انتظار ابزار دارد. علاوه بر خواص فیزیکی ماده برخی ملاحظات فنی وجود دارد که در انتخاب صحیح ماده ابزار، تعیین کننده می باشد.

از جمله این موارد می توان به استحکام در دمای معمولی و دمای بالا، پایداری در دمای بالا، مقاومت سایشی، عدم واکنش پذیری ابزار با نمونه،چقرمگی شکست، ضریب انبساط حرارتی، قابلیت ماشین کاری، یکنواختی در ریز ساختار، دانسیته و نیز امکان دسترسی به ماده ابزار اشاره نمود. جدول ۲-۲ به طور خلاصه برخی از مواد متداول مورد استفاده برای ابزار جوشکاری را که مربوط به مواد آلیاژی مختلف با ضخامت های گوناگون است ارائه می دهد.

 

fsw11

جدول ۲-۲ مواد متداول مورد استفاده برای ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

۲- ۴- ۱- شانه ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی:

شانه های ابزار به گونه ای طراحی می شوند تا بتوانند حرارت ناشی از اصطکاک و تغییر شکل ماده در سطح و مناطق زیر سطح نمونه تولید کرده و حفظ نماید. در ورق های نازک، بازوی ابزار نقش اصلی را در این حرارت دهی ناشی از اصطکاک و تغییر شکل ایفا می کند در حالیکه در مورد نمونه های با ضخامت بالا این نقش حرارت دهی به وسیله پین ابزار کنترل می شود. همچنین شانه ابزار، عملیات فورج رو به پایین را برای تشکیل یکپارچگی در جوش ایجاد می کند. در این میان دو طراحی اصلی برای بازو وجود دارد که شامل شانه مقعر[۱] و شانه محدب[۲] است. شانه مقعر، طراحی استاندارد برای ابزار جوشکاری است به گونه ای که با موفقیت، جوش های با کیفیت را به دست می دهد. این تقعر از طریق ایجاد زاویه کوچکی بین ۶ تا ۱۰ درجه میان لبه ابزار و پین به وجود می آید. هنگامیکه ابزار به درون نمونه فرو می رود، ماده جابه جا شده به وسیله پین، به داخل تقعری که در وسط شانه وجود دارد هدایت می شود. این ماده به عنوان آغازی برای عملیات فورج به وسیله شانه به کار می رود. حرکت رو به جلوی ابزار نیرویی را به ماده جدید جلوی پین به داخل تقعر بازو وارد می کند و ماده موجود در تقعر را به سمتی هل می دهد که پین در آن در حال چرخش است. انجام صحیح این عملیات به وسیله طراحی شانه مستلزم وجود یک زاویه ۲ تا ۴ درجه ای است که از خط نرمال نمونه به جهتی که ابزار پیشروی می کند باشد. این زاویه برای نگه داشتن مواد در تقعر بازو لازم است و به لبه ی پس روی ابزار این امکان را می دهد که یک نیروی فورج فشاری بر جوش وارد کند. همچنین شانه های ابزار برای افزایش اختلاط ماده و ایجاد جوش های با کیفیت بالا می تواند دارای شکل هایی باشند که تغییر شکل ماده بوسیله بازو را افزایش می دهند. در شکل۲-۶ برخی از انواع طرح های مختلف شانه نشان داده شده است.

۲- ۴ ۲- پین ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی:

طراحی پین ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بر موارد مختلفی اثر گذار است که عبارتند از:

الف) چگونگی و میزان حرارت تولیدی

ب)گردش پلاستیکی

ج)توان مورد نیاز

د) یکنواختی اتصال جوشکاری شده

در سال های اخیر، شکل های مختلفی در طراحی پین ارائه شده است. در جدول۲- ۳ برخی از پیشرفته ترین انواع طراحی پین نشان داده شده است که ساده ترین طراحی پین برای ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی استوانه ای شکل می باشد. در برخی طراحی ها از رزوه هایی بر روی پین استفاده می شود. این رزوه ها برای انتقال ماده از شانه به طرف پایین و به سمت کف پین به کار می روند. برای مثال چرخش ابزار در جهت عقربه های ساعت نیاز به رزوه هایی در جهت عکس دارد، همچنین انتهای پین می تواند تخت یا دارای انحنا باشد. انتهای گرد پین ابزار، سایش ایجاد شده به هنگام فرور رفتن در نمونه را کاهش داده و نیز کیفیت ریشه جوش را درست در زیر پین بهبود می بخشد. بهترین شعاع انحنا در انتهای پین ۷۵% قطر پین معرفی شده است. ادعا شده است که با کاهش شعاع انحنا، احتمال دستیابی به جوش با کیفیت پایین بیشتر می شود

جدول ۲-۳- انواع پینهای طراحی شده توسط TWI برای مصارف پیشرفته

fsw12 fsw13

 

شکل و هندسه پین[۱] بر روی نحوه حرکت مواد نرم شده و اغتشاش حاصل در دکمه جوش[۲] تاثیر گذار است. ابزار جوشکاری در این فرآیند دو عمل مهم را انجام می دهد؛ یکی ایجاد حرارت موضعی و دیگری ایجاد جریان در مواد می باشد.در مرحله اول فرو رفتن ابزار، حرارت از اطظکاک بین پین و قطعه کار حاصل می کردد. مقداری از حرارت اضافی نیز از تغییر شکل مواد نتیجه می شود. ابزار تا جایی در قطعه کار فرو می رود تا سطح شانه قطعه کار را لمس کند. اصطکاک بین شانه و قطعه کار بیشترین حرارت را تولید می کند به همین دلیل هندسه ابزار بسیار مهم است. همانطور که پیش از این بیان شد یکنواختی ریز ساختار و خواص مواد بخشی توسط شکل ابزار و به طور کلی نحوه طراحی ابزار کنترل می شود]۸-۷[.

در زمینه طراحی ابزار و نحوه اثر گذاری هندسه آن روی خواص اتصال، بالاسوبرامانیان و همکارانش]۱۲[، اثر سرعت جوشکاری و هندسه پین را روی کیفیت جوش آلیاژ آلومینیوم سریxxx2 بررسی کرده اند. آن ها با کمک ابزار های گوناگون و شکل های مختلف پین (استوانه ای صاف[۳]، استوانه ای نوک مخروطی[۴]، استوانه ای رزوه شده[۵]، مثلثی[۶] و مربعی[۷]) جوش هایی را ایجاد کرده و در نهایت به این نتیجه رسیده اند که تمام اتصالات ایجاد شده توسط پین مربعی صرف نظر از سرعت جوشکاری استفاده شده بدون عیب بوده اند. از بین اتصالات ایجاد شده جوشی که با سرعت حدود mm/sec 76/0بیشترین استحکام کششی، اندازه دانه ریزتر و بالاترین سختی را در ناحیه FSP نشان داده شده است. این در حالی است که اتصالات حاصل از پین های استوانه ای صاف و استوانه ای نوک مخروطی صرف نظر از سرعت جوشکاری دارای عیب بوده اند. همچنین جوش های ایجاد شده با پین های مثلثی و استوانه ای رزوه شده نیز در سرعت های mm/sec 25/1و mm/sec 37/0 دارای عیب بوده اند.

0 پاسخ

ارسال یک پاسخ

می خواهید در گفتگو ها شرکت کنید؟
Feel free to contribute!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *