ترجه مقاله

جوشکاری HFSW (جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی ترکیبی) با کمک جوشکاری GTAW در مواد غیر مشابه مانند آلومینیوم6061-T6 Al و فولاد ضد زنگSTS 304

چکیده:

هدف از این تحقیق، ارزیابی پتانسیل استفاده از (GTAW) برای کمک کردن به  جوشکاری اصطکاک اغتشاشی (HFSW) برای بهبود اتصال آلیاژ فولاد ضد زنگ (STS304) به یک آلیاژ آلومینیوم (Al 6061) است. خصوصیات مکانیکی و ریزساختاری مفصل با جوشکاری اصطکاک اغتشاشی (FSW) و HFSW بررسی و مقایسه شده­است. استحکام­کششی عرضی تقریباً 93٪ استحکام­کششی فلز پایه آلیاژ آلومینیوم (Al 6061) با HFSW بدست می­آید که بالاتر از استحکام­کششی جوشهای FSW است. این ممکن است به دلیل افزایش جریان پلاستیک مواد و اثر آنیل شدن جزئی در اتصال مواد غیرمشابه به دلیل پیش­گرم شدن سطح فولاد ضد زنگ توسط GTAW باشد، و در نتیجه باعث افزایش قابل توجه شکل­پذیری جوش­ها می­شود. نتایج نشان می­دهد که HFSW با یکپارچه سازی گرمایش GTAW در اتصال مواد غیرمشابه در مقایسه با FSW معمولی سودمند است.

  1. مقدمه

تقاضا برای استفاده از ساختارهای سبک‌وزن در صنایع حمل و نقل، توجه را به استفاده از مواد سبک آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم به دلیل کاهش وزن ساختارها، افزایش داده‌است. بنابراین، به منظور ترکیب ساختارهای ترکیبی آلیاژ آلومینیوم – فولادی، فرآیند اتصال مناسب برای ترکیبات مواد غیر مشابه مورد نیاز است. با این حال به دلیل تشکیل ترکیبات welding به دلیل تشکیل ترکیبات بین فلزی که باعث کاهش خواص مکانیکی جوش می‌شود، بدست آوردن جوش مواد غیر مشابه مواد مختلف از این روش­های معمولی جوشکاری fusion دشوار است.

FSW یک فرایند جوشکاری با حالت جامد است که باعث افزایش جوشکاری در پیوستن به ماده سبک آلیاژهای Al و Mg می­شود و تشکیل فازهای بین فلزی در مواد متفاوت را کاهش می­دهد. با این حال، هنگامی که FSW برای پیوستن به مواد متفاوت مانند آلیاژ Al / Fe ، Al / Ti و Al / Cu استفاده می­شود، تولید اتصالات سالم به دلیل تفاوت در خواص مواد دشوار است.

به ویژه با اختلاف زیاد در نقاط ذوب، ریز ساختار، رفتار جریان مواد و سایش ابزار مشکلات اساسی است که منجر به جوش پذیری ضعیف در اتصال غیرمشابه می­شود. اوزون و همکاران خواص خستگی، پروفیل های سختی و ریزساختار آلیاژ آلومینیوم AA6013-T4 و فولاد ضد زنگ X5CrNi18-10 در اتصال غیر مشابه را با استفاده از FSW مورد مطالعه قرار داد. واتانابه و همکاران اثر سرعت چرخش پین و offset(جابجایی،انحراف) پین بر عملکرد مکانیکی و ریزساختار آلیاژ آلومینیوم AA5083 و فولاد کم کربنSS400 در اتصال غیر مشابه مورد بررسی قرار دادن. واکنش سطحی در آلیاژ آلومینیوم 6013 به فولاد ضد زنگ STS304 ساخته شده توسط FSW توسط لی و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. تجزیه و تحلیل (آنالیز) جامع از استحکام اتصالات برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیر مشابه فولاد نرم به آلیاژهای آلومینیوم 7075T-6 توسط تاناکا و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. با این حال ، نتایج نشان می­دهد که استحکام اتصال برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیرمشابه  آلیاژ آلومینیوم و فولاد مطابق با کاربرد ، حداقل خواص مکانیکی را برآورده نمی کند. در مورد HFSW از آلیاژ آلومینیوم به فولاد ، مرکلین و جیرا مورد بررسی قرار دادن. و مشاهده کردند لیزر کمک میکند به FSW ترکیب درخوری از آلیاژ آلومنیوم AA6016 به فولاد DC04 برای مشخصات مکانیکی آن ها از اتصال حاصل شود. و همچنین مشاهده کردند لیزر کمک می کند FSW،  اتصالی از آلیاژ آلومینیوم  AL6061-T6به فولاد کم کربن SS400 با جوش پذیری و خصوصیات مکانیکی تأیید می­شود. علاوه بر این ، آشکار شده است که عمر ابزار ناشی از کاهش بار بین ابزار و مواد در حین جوشکاری بهبود می­یابد. بنابراین ، مشکلات فوق با تکنیک جوشکاری اغتشاشی اصطکاکی ترکیبی (HFSW) حل می­شود ، که جریان مواد افزایش یافته و با استفاده از منبع حرارتی اضافی ، بار نزولی بین ابزار و ماده کاهش می­یابد.

مطالعه حاضر  FSW ترکیبی (HFSW) به کمک GTAW به منظور افزایش استحکام  آلیاژ آلومینیوم (AL6061-T4) به فولاد ضد زنگ (STS304) با بالا بردن جریان مواد ، که با پیش گرم کردن سطح ضد زنگ با استفاده از GTAW ایجاد می­شود.

  • روش آزمایش

آلیاژ آلومینیوم به ضخامت 3 میلی متر (Al6061-T6) و فولاد ضدزنگ (STS304) در این کار مورد استفاده قرار گرفتند (شکل 3). ترکیبات شیمیایی و خصوصیات مکانیکی در جدول 1 نشان داده شده است. ابزار GTAW پیشرو مشعل  FSW(WC-12٪ CO) با قطر شانه 18 میلی متر ، قطر پروب 6 میلی متر و طول پین 2.7 میلی متر برای فرآیند جوشکاری انجام شد. ابزار جوشکاری 3 درجه به جلو از عمودی کج شد و با  پروب offset تقریباً 0.8 میلی متر به سمت فولاد به آلیاژ AL منتقل شد. برای جلوگیری از اکسیداسیون سطح جوش­ها در حین جوشکاری ، از 7 لیتر در دقیقه از گاز محافظ (آرگون) استفاده شد.

شکل1.تصویر شماتیک فرآیند HFSW

جدول1. ترکیبات شیمیایی و خواص مکانیکی مواد مختلف (غیر مشابه)

a. جوش FSW
  1. جوش FSW
b. جوش HFSW

شکل2. سطح و سطح مقطع جوشهای FSW و HFSW با سرعت چرخش ابزار

همانطور که در شکل 3 نشان داده شده­است ، قبل از منبع حرارتی پیش گرمایش GTAW از سطح صفحه استیل ضد زنگ در نقطه 2 میلیمتر از استیل ضد زنگ به دور از مرکز جوش با زاویه 60 مجاور اتصال انجام شده است که از کاهش ساییدگی آن و افزایش جریان مواد در هنگام جوشکاری اطمینان حاصل می­کند. صفحه آلیاژ آلومینیوم در سمت عقب نشینی و صفحه استیل ضدزنگ در سمت پیشروی قرار داشت.

HFSW تحت شرایط زیر انجام شد. سرعت چرخش ابزار 300-600 دور در دقیقه ، بار محوری 300 کیلوگرم بر دقیقه و سرعت حرکت 48 میلی متر در دقیقه و جریان GTAW 80 A. پارامترهای این تجربی از شرایط جوشکاری FSW معمولی بدون منبع گرمای پیش گرمایش GTAW از مطالعه اولیه انتخاب شدند. استحکام کششی فلز پایه آلیاژ آلومینیوم بیش از 45٪ بهره­وری جوش را در نظر گرفته است. علاوه بر این ، جریان GTAW از80 A مشخص شد ، که بالاترین خاصیت مکانیکی در جوش های HFSW را ایجاد می­کند. به منظور ارزیابی خصوصیات مکانیکی جوش ، تست سختی ویکرز و تست کششی انجام شد. سختی ویکرز در طول مقطع عرضی نمونه جوش داده شده با استفاده از بار 0.5 کیلوگرم و زمان سکونت 10 ثانیه اندازه گیری شد. تست کششی نمونه­های جوش داده شده بر اساس استاندارد ASTM E8M-04 انجام شد. خصوصیات متالورژی با میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با طیف سنجی پراکندگی انرژی اشعه ایکس (EDS) مورد بررسی قرار گرفت.

3. نتایج و بحث ها

1.3 خصوصیات سطح و سطح مقطع در جوشهای FSW وHFSW

سطح و سطح مقطع جوشهای FSW و HFSW به ترتیب در شکل 4 نشان داده­شده­است. با سرعت چرخش ابزار در 300 دور در دقیقه تا 600 دور در دقیقه ، جوش­های FS و HFS مورفولوژی سطح سالم را بدون ایجاد هیچگونه نقص سطحی به نمایش می­گذارند. با این حال ، در ناحیه اغتشاشی(SZ) که توسط فلش در سطح مقطع نمونه FSW نشان داده­شده­است ، برخی از حفره­ها و مخلوطی از آلیاژ آلومینیوم و ذرات فولاد ضد زنگ درشت از سطح فولاد ضد زنگ پراکنده شده توسط عملکرد تحریک پین ابزار را آشکار می­کند. بعضی از ذرات بزرگ فلزی پراکنده در سمت کناره باعث خراب شدن قدرت اتصال جوش­ها می­شوند. مسیر شکستگی در امتداد رابط بین آلیاژ آلومینیوم و ذرات فولاد ضد زنگ پراکنده درگرده جوش بود. به دلیل کمبود جریان مواد ناشی از هم زدن ناکافی و تولید گرما، نمونه در حدود سه چهارم از خط جوش، جوش داده شد.

از طرف دیگر، در مورد جوش­های HFSW، اتصالات جوش خوبی با سرعت چرخش ابزار 300 دور در دقیقه تولید می­شود و هیچگونه ذره­ای از جنس استنلس استیل پراکنده در ساختار مقطعی جوش نشان نمی­دهد. با این حال، در سرعت چرخش ابزار بیش از 400 دور در دقیقه، ذرات از جنس استنلس استیل پراکنده، همانطور که توسط فلش در سطح مقطع نمونه ها نشان داده شده است ، به دلیل تولید گرمای بیش از حد ناشی از سرعت زیاد چرخش ابزار و پیش گرم شدن GTAW، در گره جوش رخ می­دهد. نمونه کاملاً جوش داده شد بدون آنکه هیچ منطقه ناخوشایند را نشان دهد. از نتایج فوق، سرعت چرخش ابزار 300 دور در دقیقه به عنوان یک سرعت چرخش بهینه برای ایجاد اتصالات انتخاب شد.

شکل 5 استحکام کششی جوش­های FSW و HFSW ساخته شده با پارامترهای جوشکاری قبلی را نشان می­دهد. (a) استحکام کششی جوش­ها و (b) منحنی تنش-کرنش برای تست کششی جوش­ها است. همانطور که در شکل a5 نشان داده شده است، استحکام کششی جوش­های HFSW از سرعت جوش­های FSW با سرعت چرخش همان ابزار بالاتر است. شکستگی در نمونه­های کششی جوش­های FSW و HFSW در فصل مشترک بین Al6061-T6 و STS304 یا در ناحیه اصطکاکی اغتشاشی در سمت آلیاژ آلومینیوم حاوی ذرات ضد زنگ جدا شده از سطح ضد زنگ است. حداکثر استحکام کششی جوشهای HFSW به دست آمده در سرعت چرخش 300 دور در دقیقه 290 مگاپاسکال بود که حدود 93٪ استحکام کششی فلز پایه آلیاژ آلومینیوم بود.  این نتایج آزمون کششی برای جوشکاری HFSW ، حداقل ویژگیهای مکانیکی (استحکام کششی 270 مگاپاسکال) را برای اهداف پذیرش محصولات آلیاژ آلومینیوم ، مطابق با کاربرد، برآورده می کند. در حالی که حداکثر استحکام کششی 244 مگاپاسکال برای جوشکاری­های FSW با سرعت چرخش 300 دور در دقیقه بدست آمد که این مقدار در حدود 78٪ مقاومت کششی فلز پایه آلیاژ آلومینیوم بود. نتایج نشان می­دهد حداکثر استحکام کششی جوش­های HFSW پانزده درصد  بیشتر از استحکام کششی جوش­های FSW است. مرکلین و جیرا  و بنگ و همکاران. نشان داده­اند که افزایش استحکام کششی در جوش­های HFSW ناشی از منبع گرمایش اضافی در طول FSW است.

a. استحکام کششی
b. منحنی تنش-کرنش
c. نمونه های شکسته

شکل3. مقایسه استحکام کششی جوشهای FSW و HFSW با سرعت چرخش ابزار

همانطور که در شکل 5b نشان داده شده است، مشخص شد که جوش­های HSFW رفتار شکستگی انعطاف­پذیر را نشان می­دهند. این نتیجه حاکی از آن است که جریان پلاستیکی مواد کافی و اثر آنیل سازی جزئی در مواد غیرمشابه توسط گرم کننده GTAW سمت استنلس استیل به طور قابل توجهی باعث افزایش کشیدگی و بهبود استحکام اتصال بین آلیاژ آلومینیوم و فولاد ضدزنگ می­شود. از طرف دیگر، جوش FSW رفتار شکست ترد را نشان داد. می­توان استنباط کرد که به دلیل نمونه جوشکاری شده در حدود سه چهارم از خط جوش بوده و به دلیل کمبود جریان مواد ناشی از هم زدن ناکافی و تولید گرما، ساختار unmixed در جوش های FSW نشان داده است. مشاهده SEM برای نمونه­های شکسته شده پس از تست کششی در جوش های HFSW در شکل 6 نشان داده شده است، الگوهای شکستگی انتشار ترک، حالت شکستگی کاملاً انعطاف پذیر را با گودال (حالت موجدار) در سطح شکستگی و حالت شکستگی ترد به صورت محلی(موضعی) با شکل شکاف سطح شکستگی نشان می­دهد که به سختی با تغییر شکل پلاستیک همراه است.

شکل 7 پروفیل­های (مقطع های) سختی اندازه گیری شده در طول مقطع عرضی نمونه جوش داده شده در مرکز، پایین و بالای ناحیه جوش را نشان می­دهد. روند کیفی مشابه در مقطع­های سختی در مرکز، پایین و بالای منطقه جوش مشاهده می­شود. در جوش­های FSW ، سختی در ناحیه تحت تأثیر حرارتی مکانیکی (TMAZ) از آلیاژ آلومینیوم در سمت کناره کمی کاهش یافته است که به انحلال ذرات و درشت ذرات احتمالاً فاز دوم ناشی از اثر حرارت مکانیکی به دلیل بازیابی و تبلور مجدد نسبت داده شده است. حداقل سختی در حدود 9-11 میلی متر از مرکز جوش قرار داشت. این کاهش سختی در منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) به انحلال رسوبات در حین جوشکاری نشان داد. در مورد جوش های HFSW، حداقل سختی در ناحیه اغتشاشی (stir zone) در حدود 0-6 میلی متر از مرکز جوش قرار داشت. سختی در ناحیه اغتشاشی پایین تر از فلز پایه آلیاژ آلومینیوم است که به نرم شدن (سختی زدایی)  منطقه اغتشاشی در آلیاژ آلومینیوم رسوب سختی شده به دلیل رفتار رسوبات در هنگام جوشکاری نسبت داده می­شود. گرده جوش به طور متوسط مقدار سختی در حدود 50 Hv است که پایین تر از فلز پایه آلیاژ آلومینیوم است (100 Hv). از طرف دیگر، افزایش سختی در TMAZ و HAZ در فولاد ضدزنگ به دلیل کارسختی فولاد ضد زنگ مشاهده شده است.

شکل4. نمونه شکستگی پس از تست کششی برای جوش­های HFSW

a. جوش FSW
b. جوش HFSW

5. پروفایل های سختی مقطع جوشکاری FSW و HFSW

3.3 ریزساختار در FSW و جوش­های HFSW

شکل 8 ریزساختار نوری مناطق مجزا را در جوش­های FSW و HFSW تحت سرعت چرخش ابزار 300 دور در دقیقه و سرعت حرکت 48 میلی متر در دقیقه نشان می­دهد. (a) ساختار جوش­های FSW و (b) به ترتیب ساختار جوش­های HFWE است.

همانطور که در شکل a8 نشان داده شده است، ریزساختار HAZ در آلیاژ آلومینیوم در سمت کناره ساختار کمی درشت اما بسیار شبیه به فلز پایه آلیاژ آلومینیوم است. دانه­های آلیاژ آلومینیوم در TMAZ، در سمت کناره کمی ریز و در جهت نورد فلز پایه آلیاژ آلومینیوم به دلیل نیروی مکانیکی و گرمای ناشی از اصطکاک شانه ابزار چرخشی، کمی متفاوت و دراز شده بودند. گرده جوش ساختار کامپوزیتی از دانه­های ریز تبلور یافته شده آلیاژ آلومینیوم و ذرات استنلس استیل را که از سطح فولاد ضدزنگ پراکنده شده بود و ساختار کاملاً unmixed در فصل مشترک بین آلیاژ آلومینیوم و فولاد ضد زنگ نشان داد.

همانطور که در شکل 8b نشان داده شده است ، در جوش های HFSW، دانه­های آلیاژ آلومینیوم در طرف کناره نسبت به جوش­های FSW در HAZ و TMAZ ریزتر است. گرده جوش از ساختار کامپوزیتی از دانه­های  کمی ریز تبلور یافته از آلیاژ آلومینیوم و ذرات فولاد زد زنگ که از سطح فولاد ضدزنگ پراکنده شده­اند و ساختار کاملاً مختلط در فصل مشترک بین آلیاژ آلومینیوم و فولاد ضدزنگ برخلاف FSW نشان داد. دانه­های تبلور یافته کمی ریزتر در SZ جوش­های HFSW در مقایسه با جوش­های FSW به تولید تغییر شکل پلاستیک شدید و افزایش دما نسبت داده می­شود که این امر ناشی از افزایش جریان مواد با استفاده از GTAW به عنوان منبع پیش گرم کننده از فولاد ضد زنگ است. قابل توجه است، در این مقاله، دمای منطقه اغتشاشی در طی فرآیند HFSW ممکن است تا جایی که ممکن است تبلور مجدد رخ دهد، تا 500 افزایش یابد. هنگامی که تبلور مجدد توسط ورودی حرارتی اضافی فرآیند HFSW صورت می­گیرد، اندازه دانه می­تواند کمی کاهش یابد و تراکم نابجایی کاهش یابد. در نتیجه­، سختی و مقاومت می تواند کاهش یابد و شکل پذیری افزایش یابد.

شکل 9. تجزیه و تحلیل EDS را در جوش­های HFSW نشان می­دهد. (a) گرده جوش در آلیاژ آلومینیوم در سمت عقب جوش­ها است و (b)دگمه جوش را در فولاد ضد زنگ در قسمت جلو جوش.

همانطور که در شکل 9a نشان داده شده است، ترکیبات شیمیایی از نقاط 1 ، 2 و 3  را نشان می­دهد. نقاط 1 و 3 به ترتیب ترکیب شیمیایی مشابه آلیاژ آلومینیوم اصلی و فولاد ضد زنگ دارند. مطابق بانمودار فاز، نقطه 2 مربوط به منطقه فوقانی تخمین زده می­شود که یک ترکیب بین فلزی از FeAl یا FeAl3 باشد ،که منجر به کاهش استحکام اتصال می شود. واتانابه و همکاران.

لی و همکاران، تاناکا و همکاران و تابان و همکاران نشان داده­اند که مقدار کمی ترکیبات بین فلزی در ناحیه فوقانی رابط Fe / Al که بالاترین دما در آن رخ داده است ، پیدا شد. همانطور که در شکل 9b نشان داده شده است، ترکیبات شیمیایی در نقاط 1 و 2 را نشن می­دهد. نقاط 1 و 2 ترکیب شیمیایی مشابه فولاد ضد زنگ اصلی دارند.

نتیجه گیری

جوشکاری HFSW از آلیاژ آلومینیوم با فولاد ضد زنگ با موفقیت و بدون نقص جوش در سرعت چرخش 300 دور در دقیقه با استفاده از منبع گرمایش GTAW پیش­گرم انجام شد. نتایج می­تواند به شکل ذیل خلاصه شود:

  1. حداکثر استحکام کششی بدست آمده در جوش 93٪ استحکام کششی فلز پایه آلیاژ آلومینیوم برای HFSW و 78٪ برای FSW بود. الگوهای شکستگی انتشار ترک های جوش HFSW ، حالت شکستگی کاملاً انعطاف پذیر را نشان می دهد و نشانگر کاهش رنگ موجداری در سطح شکستگی و حالت شکستگی ترد موضعی (محلی)  با شکل شکاف است که به سختی با تغییر شکل پلاستیک همراه است. این نتیجه نشان می­دهد که جریان پلاستیکی مواد کافی و اثر آنیل سازی جزئی در مواد غیرمشابه توسط پیش گرم کننده GTAW سمت استنلس استیل ممکن است منجر به افزایش  قابل توجه کشیدگی شود و استحکام اتصال بین آلیاژ آلومینیوم و فولاد ضدزنگ را بهبود بخشد.
  • در جوش HFSW، حداقل سختی در منطقه اغتشاشی(stir zone) در حدود 0-6 میلی متر از مرکز جوش اندازه گیری شد. با توجه به رفتار رسوب در هنگام جوشکاری، نرم شدن ناحیه اغتشاشی در آلیاژ آلومینیوم رسوب سختی صورت گرفت و منجر به کاهش 50 درصدی سختی در منطقه اغتشاشی نسبت به فلز پایه آلیاژ آلومینیوم شد.
  • در جوش­های HFSW، دانه آلیاژ آلومینیوم در سمت کناره ریزتر از جوش­های FSW در HAZ و TMAZ بود. گرده جوش از ساختار کامپوزیتی از دانه­های تبلورمجدد شده کمی ریز از آلیاژ آلومینیوم و ذرات استنلس استیل که از سطح فولاد ضدزنگ پراکنده شده اند و ساختار کاملاً درهم آمیخته در فصل مشترک بین آلیاژ آلومینیوم و فولاد ضد زنگ نشان می­دهد برخلاف ساختار unmixed در جوش های FSW نشان داد.
  • دانه­های تبلور یافته کمی ریزتر در SZ از جوش­های HFSW در مقایسه با جوش­های FSW به تولید تغییر شکل پلاستیک شدید و افزایش دما نسبت داده می­شود که نتیجه آن افزایش جریان مواد با استفاده از GTAW به عنوان منبع پیش گرم شدن در فولاد ضد زنگ است. نکته قابل توجه ، تأیید شده هنگامی که تبلور مجدد با ورود حرارت اضافی فرآیند HFSW صورت می­گیرد ، اندازه دانه می­تواند کمی کاهش یابد و تراکم نابجایی کاهش یابد.

در نتیجه ، سختی و استحکام می تواند کاهش یابد و شکل پذیری افزایش یابد.

a. جوش FSW
b. جوش HFSW

شکل6. ریزساختا­رهای نوری جوش­های FSW و HFSW و: (A) فلز پایه آلیاژ آلومینیوم ، (B): HAZ و TMAZ در آلیاژ آلومینیوم ، (C): SZ در آلیاژ آلومینیوم :(D) جوش ، (E): HAZ  و TMAZ در فولاد ضد زنگ  و :(F) فلز پایه از جنس فولاد ضد زنگ

a. سمت آلیاژ آلومینیوم
b. سمت فولاد ضدزنگ

شکل7. تصویر تجزیه و تحلیل EDS از جوش­های HFSW

درنا اسدی

درنا اسدی

مشاور ارشد صنایع متالورژی

مقالات مرتبط

0 پاسخ

پاسخ دهید

میخواهید به بحث بپیوندید؟
مشارکت رایگان.

پاسخی بگذارید

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