جوشكاري اصطكاكي چرخشي آلياژ

-جوشكاري اصطكاكي چرخشي آلياژ A16092/17.5Sicp/T-6mmc’s
3-1-دور نما
جوشكاري اصطكاكي چرخشي (FSW) يك روش نسبتاً نوين جوشكاري و اتصال قطعات است كه در ابتدا توسط موسسه ي جوشكاري كمبريج انگلستان ابداع شد و توسعه يافت. از سال ۱۹۹۳ اين روش توسط بسياري از محققين تدريس شده است. هر چند، اين روش را مي توان به عبارتي به عنوان تركيبي از

اكستروژن و آهنگري فلزات در دماي بالا تعريف كرد. اين فرآيند به عنوان فرآيندي با حالت جامد فرض ميشود و نيازي به محافظت گازي و فلز جوش ندارد.
شكل ۲ به صورت شماتيك بيانگر پروسه ي جوش اصطكاكي چرخشي است. در اين روش جوشكاري از يك ابزار ميله اي شكل چرخنده و مصرف نشدني

استفاده ميشود كه به آرامي در خط پيوند و قطعه فرو ميرود. اين نفوذ تا جايي ادامه دارد كه شانه ي ابزار ميله اي در تماس نزديك با قطعه كار قرار مي گيرد. با چرخش و حركت ابزار ميله اي به جلو در طول خط اتصال، مواد موجود در خط اتصال شروع به گرم شدن ميكنند كه باعث سيلان يافتن ماده حول ابزار چرخنده ميشود و با حركت ابزار به جلو، ماده ي سيلان يافته شروع به محكم مثل ميكند.

اين منبع حرارتي عمدتاً به دليل اصطكاك و تغيير شكل محلي ايجاد شده حين نگاه داشتن شانه ي ابزار ميله اي در تماس نزديك با قطعه كار ايجاد شده است. قطعه كارها بايد به شكلي ايمن به يك سطح اتكاي پشتيبان مقيد شده باشند تا از حركت آنها تا جابجايي شان در سطح اتصال دو قطعه جلوگيري شود. نكته ي قابل توجه درباره ي اين روش جوشكاري اين است كه دمايي كه فرآيند در آن رخ ميدهد پايين تر از دماي ذوب فلزات قطعه كار است كه همين موضوع باعث

كاهش ناهنجاري هاي ناشي از انجماد شده و از واكنش هاي شيميايي نا مطلوب جلوگيري ميكند. هر چند، اين روش مانند ديگر روش هاي جوشكاري مزيت ها و محدوديت هايي دارد كه در اين جا به صورت خلاصه و كوتاه به برخي از آنها اشاره خواهد شد.

شكل ۲- نمايش شماتيك فرآيند جوش اصطكاكي چرخشي
۳-۲-شيوه هاي آزمايشگاهي
موردي را در نظر بگيريد كه در آن ابزار ميله اي مورد استفاده براي اين تحقيق عملي طراحي شده بود به طوري كه براي ورق هاي با ضخامت ۰٫۱۲۵ اينچ مناسب باشد و طول اين ابزار مي تواند براي ضخامت هاي متفاوت ورق ها به طور دستي تنظيم شود. همانگونه كه در شكل ۳ نشان داده شده است، ابزار داراي شانه ي با قطر ۰٫۴۷۵ اينچ بوده است و روي بخش ميله اي رزوه هاي چپ گرد شيب دار يكپارچه ي ۱۰-۲۴ وجود دارد. براي رسيدن به طول بهينه اي براي ابزار ميله اي از شبيه سازي كامپيوتري استفاده شد. اين طول بهينه، معادل ۰٫۱۲۰ اينچ اندازه گيري شد كه براي بدست آوردن يك جوش بهينه با نفوذ كامل در نظر گرفته شد. اين ابزار ميله اي به صورت مستقل توسط رابرت كارتر، معاون مامور تحقيق، طراحي شده و هيچ اطلاعات خصوصي (داراي مالك شخصي) را شامل نميشود.
شكل ۳- جوش اصطكاكي چرخشي در عمل و طراحي هندسي ابزار ميله اي

با توجه به طبيعت سايشي بسيار بالاي اين نوع خاص ام ام سي، پوشش بسيار زياد ابزار ميله اي براي محافظت از آن در نظر گرفته شده بود. به همين دليل، دو رديف ابزار ميله اي با هندسه ي يكسان ولي با پوشش با مقاومت هاي متفاوت مورد استفاده قرار گرفت. هر دوي اين سري ها از فولاد ابزار H-13 ساخته شده بودند كه با عمليات حرارتي به درجه ي سختي ۵۳-۵۵ در مقياس اندازه گيري سختي راكول (HRC) رسيده بودند.

يك سري از اين ابزار با پوششي از B4C پوشانيده شده بود تا به سختي سطحي اي به ميزان ۹۳-۹۵HRC برسد. سري ديگر ابزار بدون پوشش باقي ماند. دليل انتخاب B4C به عنوان پوشش، پتانسيل بالاي مقاومت پوششي، نرمي فوق العاده و مقاومت خوب به خوردگي و واكنش هاي شيميايي مربوط به اين نوع

پوشش است. اين پوشش به كمك يك فرآيند ارزان قيمت و در دماي پايين روي يك سري از ابزار قرار داده شد. شكل ۴ نشان دهنده ي مقايسه اي است بين مواد متفاوت مورد نظر براي استفاده به عنوان پوشش در اين تحقيق از نظر سختي. يكي از عوامل انتخاب B4C به عنوان پوشش در آزمايش هاي ابتدايي،

فاكتور هزينه ي پايين آن بود. همانطور كه در شكل ۳ نشان داده شده است، جوش اصطكاكي چرخشي به كمك ماشين فرز كاري افقي پنج محوري كنترل عددي به وسيله ي كامپيوتر كرني اندتركر (Kearney & Trecker) كه براي همين فرآيند بهبود يافته بود انجام ميشد. بعد از جوشكاري قطعات تحت آزمايش اشعه ي ايكس و آزمايش نفوذ قرار گرفتند. پس از اين آزمايشات،‌اين قطعات ماشين كاري شده و به قطعاتي براي آزمايش كشش و نمونه هايي براي تحليل زير ساختار تقسيم شدند.

اين نمونه ها در شرايط جوشكاري و شرايط تحت عمليات حرارتي T6، تحت ‌آزمايش كشش قرار مي گرفتند. مشخصات شرايط T6 توسط توليد كننده توصيه ميشد و شامل عمليات حرارتي در ۱٫۰۳۰F براي مدت ۳ ساعت و سرد كردن توسط آب بود. سپس در ۳۲۵F، به مدت ۸ ساعت تحت سخت گرداني طولاني مدت قرار مي گرفت و با كمك هوا سرد ميشد.

شكل ۴-مقايسه ي سختي مواد مورد نظر به عنوان پوشش ابزار
MMC مورد استفاده در اين تحقيق آلياژ ۶۰۹۲ آلومينيوم بود كه ۱۷٫۵ درصد Sic به صورت ذرات به شكل همگن در شبكه ي آن پخش شده بود. اين ماده توسط شركت كامپوزيت هاي آلومينيومي DWA واقع در شهر چتس ورس در ايالت كاليفورنيا، به شكل صفحاتي با ابعاد ۰٫۱۲۵×۱۲×۶ اينچ با شرايط عمليات حرارتي T6 قبل از جوشكاري، تامين شده بودند. جدول ۱ تركيبات شيميايي آلياژ ۶۰۹۲ آلومينيوم را نشان ميدهد و جدول ۲ بيانگر برخي از ويژگي هاي فيزيكي و مكانيكي تامين شده توسط تهيه كننده ي ماده يعني شركت كامپوزيت هاي آلومينيوم DWA است.

جدول۱- تركيبات شيميايي آلياژ ۶۰۹۲ آلومينيوم به عنوان يك ماده ي شبكه اي
جدول۲- ويژگي هاي محصول آلياژ ۶۰۹۲ آلومينيوم، تقويت شده با ۱۷٫۵ درصد ذرات SiC
جدول ۳ پارامترهاي جوش اصطكاكي چرخشي (FSW) را نشان ميدهد. در اين جدول توضيحاتي براي اين پارامترها ارائه شده كه از طريق آزمايش و تجربه براي مقابله با تسليم در برابر جوش صوتي در اين تحقيق به دست آمده اند. اين پارامترها به عنوان راهنماهايي براي جوش اصطكاكي چرخشي mmc ها مورد استفاده قرار مي گيرند. ذكر اين نكته ضروري است كه اين پارامترها براي تحقيق دوباره ي انجام پذيري و عملي بودن اين فرآيند انتخاب شده بودند و به حالت بهينه در نيامده بودند.

فرسايش ابزار با اندازه گيري ابعاد قبل و بعد از هر جوش كنترل ميشد. ابزار بدون پوشش در ابتداي تحقيق براي دستيابي به پارامترهاي جوشكاري قابل قبول مورد استفاده قرار مي گرفتند و به منظور دستيابي به اطلاعات به دست آمده از يك سري منتخب پارامترها، استفاده مي شدند. ابزار پوشش داده شده به كمك B4C در بخش پاياني اين تحقيق براي دستيابي به اطلاعات درباره ي پارامترهاي منتخب در اين حالت استفاده شدند.
جدول۳- پارامترهاي تجربي به دست آمده براي فرآيند FSW مربوط به MMC ها.
۳-۳-نتايج

۳-۳-۱-تحليل ريز ساختار
هيچ اثري از ترك در نماي مقطعي عرضي جوش كه با كمك ريز بيني ۴۰۰ برابر توري به دست آمده، مشاهده نشد. با اين حال بازرسي ديداري نشان داد كه قسمت بالايي جوشها به كلي زبر بودند. در مقايسه با آلياژهاي يكپارچه، قسمت تاج (قسمت بالايي) يك جوش اصطكاكي چرخشي معمول آلياژ آلومينيومي ظاهري كاملاً صيقلي دارد. تقريباً تمام جوش هايي كه با مواد mmc انجام شدند، در قسمت تاج جوش ظاهري يكپارچه ايجاد كردند كه يادآور حالتي است كه يك شغل انتظار دارد براي يك سطح سيماني معمول مشاهده كند. اين ظاهر زبر به دليل نچسبيدن ذرات Al, SiC در سطح جوش در مجاورت شانه ي ابزار رخ

ميدهد. اين امر كه ناهنجاري به طور نسبي با استفاده از ابزار پوشش يافته با B4C كه سختي بيشتر و نرمي (چربي پذيري) كمتري داشته و به ماده امكان اتصال راحت تري ميدهند، كاهش مي يابد، روشن شده بود. با اين حال پس از انتها چند اينچ جوشكاري، ذرات SiC شروع به پاك كردن B4C از لبه ي خارجي شانه ي ابزار ميكنند. در نتيج به محض ساييده شدن پوشش، زبري دوباره ظاهر ميشود. البته آن طور كه به نظر مي آيد اين زبري ايجاد شده تنها يك ناهنجاري سطحي بوده و تاثيري روي ويژگي هاي كششي نمونه ندارد. شكل ۵ يك نماي مقطع عرضي را براي يك اتصال FSW نشان ميدهد كه به كمك ابزار ميله اي بدون پوشش ايجاد شده است.

شكل۵-نماي مقطع عرضي يك اتصال FSW براي mmc ها (بزرگنمايي ۱۰ برابر)
نكته ي قابل توجه در بررسي قسمت ريشه ي بعضي از جوش هاي mmc ها اين است كه برخي از نمونه ها پس از جوشكاري به سطح اتكاي پشتيبان متصل شده بودند. اين پديده زماني رخ مي داد كه ماده اي كه مستقيماً زير ابزار ميله اي و در نزديكي سطح اتكاي پشتيبان قرار داشت به دليل حرارت و فشار بسيار زياد ناشي از فرآيند جوشكاري در اين منطقه، به سطح اتكاي پشتيبان جوش شده، اتصال مي يافت. مشاهدات انجام شده روي حفره هاي دروني در قسمت ريشه اي جوش، نشان دهنده ي مكان هايي بودند كه ماده به سطح اتكاي پشتيبان اتصال مي يافت. اين اتصال پس از برداشتن قطعه كار ايجاد ميشد. چنين حفره هاي كوچكي به كمك تكنيكي معمول شناسايي شدند. اين حفره ها به عنوان نقص هايي كه تاثير بسزايي بر ويژگي هاي مكانيكي جوش ندارند شناخته شدند. شكل ۶ يك ريز ساختار بسيار جالب را در مرز ناحيه ي پيوند با بزرگنمايي ۴۰۰ برابر نشان ميدهد. اين طور كه به نظر ميرسد، ذرات SiC حين حركت به سمت مركز ناحيه ي پيوند (HAZ) توسط ابزار ميله اي شكسته ميشدند و به قطعات كوچكتر تبديل ميشدند.
نيز كمبود تمركز ذرات با حجم زياد در لبه هاي ناحيه ي پيوند مشاهده شده است.
شكل۶-تغييرات در اندازه ذرات SiC و توزيع آنها در مرز لبه ي منطقه اي پيوند
۳-۳-۲-اندازه گيري مقاومت كششي
به منظور رسيدن به بازدهي اتصال اين جوش هاي mmc، مقاومت كششي محاسبه شده و بازدهي اتصال به شكل زير اندازه گيري شد. با استفاده از ابزار بدون پوشش، مقدار اندازه گيري شده براي مقاومت كششي ميانگين نهايي (UTS) در دماي اتاق، ۴۴٫۴ksi بوده است. اين مقدار در شرايط جوشكاري اندازه گيري شده بود. مقدار مقاومت كششي ۵۴٫۷bi پس از عمليات حرارتي و سختي گرداني طولاني مدت در شرايط T6 اندازه گيري شد.
مقدار UTS ميانگين براي جوش هاي انجام شده با ابزار پوشيده شده با B4C در شرايط جوشكاري ۴۳۳ ksi و در شرايط مورد عمليات حرارتي قرار گرفته ي ۶۱٫۹ksi, T6 اندازه گيري شده بود. جدول ۴ و جدول ۵ اطلاعات و داده هاي كششي براي فرآيند جوشكاري اصطكاكي چرخشي پانل هاي mmc را نشان ميدهند كه به ترتيب به كمك ابزار ميله اي بدون پوشش و داراي پوشش به دست آمده اند. براي تعيين بازدهي اتصال، مقاومت كششي نهايي ماده ي اصلي به صورت تجربي برابر با ۶۰ ksi در نظر گرفته شد. اين نكته در نظر گرفته شده بود كه اين مقدار ۱۰ درصد كمتر از مقدار مقاومت كششي نهايي موجود در مقالات بوده است. با مقدار تجربي ۶۰ksi، بازدهي اتصال برابر با ۶۱ تا ۷۲ درصد در شرايط جوشكاري و ۹۲ تا ۱۰۰ درصد بعد از انجام عمليات حرارتي بود. در حالت كلي پوشاندن ابزار ميله اي به نظر اثري در بازدهي اتصال ندارد. تحقيق در اين مورد با بررسي ابزار ميله اي با پوشش و فاقد پوشش و بررسي تاثير آن ها بر بازدهي اتصال صورت گرفته بود.
جدول۴- نتايج مربوط به مقاومت اتصال mmc با استفاده از ابزار ميله اي بدون پوشش
جدول۵- نتايج مربوط به مقاومت اتصال mmc با استفاده از ابزار ميله اي پوشيده شده با B4C

۳-۳-۳-اندازه گيري سختي
همانطور كه در شكل ۷ نشان داده شده است، اندازه گيري سختي در قسمت تاج منطقه ي جوش صورت مي گيرفته است. اين جوش ها به كمك ابزار ميله اي پوشش يافته به كمك B4C صورت گرفتند. از اندازه گيري سختي اين طور نتيجه گرفته شده بود كه مقاومت تسليم و كششي در منطقه ي پيوند با زياد گرم كردن ناشي از جوشكاري اصطكاكي چرخشي، كاهش مي يابند. در حالت كلي و در مقايسه با ابزار ميله اي بدون پوشش، اين طور به نظر مي آيد كه پوشش ايجاد كردن براي ابزار ميله اي تاثيري در سختي منطقه ي پيوند ندارد. گر چه براي بسياري از فرآيندهاي اتصالي نياز به انرژي گرمايي مشهود است، اين نكته به سادگي آشكار ميشود كه هر گونه انرژي گرمايي بيش از اندازه ي ورودي نا مطلوب است. اين امر براي جوشكاري اصطكاكي چرخشي كه در اين تحقيق مورد بررسي است نيز صادق است.

۳-۳-۴-ساييدگي ابزار ميله اي

اين طور به نظر ميرسد كه بيشترين ساييدگي در ابزار ميله اي در لبه ي بيروني شانه ي ابزار و روي قطر اصلي رزوه ي آن صورت مي گيرد. به طور ميانگين به ازاي هر گام خطي جوش، ۰٫۰۰۰۵ اينچ از ماده ساييده ميشده و قطر ميله به اندازه ي ۰٫۰۱۰ اينچ به ازاي هر فوت از جوش كاهش مي يافته است. اين ساييدگي براي جوشكاري طول ۵ فوت يا كمتر بدون تنظيم دستي طول ابزار قابل كنترل بود. به عبارت ديگر، براي هر ۵ فوت از جوش ها، بايد مقداري برابر با طول ابزار ميله اي از ارتفاع جوشكاري كاسته شده و به صورت دستي براي مرحله ي بعدي جوشكاري تنظيم شود.