تاثیر فشار بر میکروساختار جوش‌های خاص

اثرات فشار نرمال بر خواص مکانیکی و میکروساختار جوش‌های اصطکاکی دوار Ti-6AI-4V و AA2024

هدف از این کار بررسی اثر فشار نرمال بر خواص مکانیکی و میکروساختارهای مربوط به آنها در اتصالات جوشکاری اصطکاکی دوار (RFW) Ti-6AI-4V و AA2024 است. ویژگی اصلی این فرایند استفاده از اصطکاک برای تولید انرژی کافی و افزایش دمای موضعی به منظور ایجاد شرایط بهینه برای جوشکاری در سطح مشترک بین دو قطعه است. جوش هایی که با موفقیت انجام شدند، در مقایسه با دیگر موارد، نشان می دهند که در آلیاژ AA2024 شکستگی در رابط جوش رخ می دهد، از این‌رو استحکام کششی آن کم آن است. با این حال، در آلیاژ Ti-6AI-4V شکست در خارج از رابط جوش رخ می‌دهد که نشان‌دهنده مقاومت بالای اتصال جوش نسبت به فلز پایه است. بررسی میکروسکوپی سطوح شکستگی در نمونه‌های AA2024 ترکیبی از مورفولوژی‌ها با سخت ترین سطوح همپوشانی را نشان می‌دهد که نشان‌دهنده حالت شکست انعطاف‌پذیر غالب است. در اتصالات Ti6AI-4V RFW، جفت هایی با اندازه های مختلف در کل سطح مشاهده می شوند که حالت شکست انعطاف پذیر دارند.

با پیروی از دستورالعمل های استاندارد C6.1-89 انجمن جوشکاری امریکا، جوشکاری اصطکاکی دوار (RFW) یک تکنیک حالت جامد است که تضمین می کند دمای پیک زیر نقطه ذوب مواد جوش داده شده باقی می ماند. از این فرایند اساسا برای اتصال میلگردها و لوله‌های استوانه‌ای که ابعاد نسبتاً کوچک‌تری دارند استفاده می‌شود. آرایش اولیه تجهیزات فرایند RFW به ساختاری سفت و سخت نیاز دارد تا از پایداری قطعاتی که با سرعت‌های بالا کار می‌کنند و با فشار بالا آهنگری می‌شوند، اطمینان حاصل شود. راه‌اندازی‌های تنظیمات RFW به ندرت انجام می‌شود و تجهیزات مورد استفاده در این آزمایشات نیز اصول مشابه با طرح های مختلفی دارند. فرایند RFW تغییر شکل پلاستیک و ورودی گرما را در طول فاز اصطکاک ایجاد می‌کند، در حالی که فاز آهنگری باعث پدیده اینتردفیوژن در رابط جوش می شود. تقاضا برای فرایند جوشکاری با قابلیت جوش موادی مانند تیتانیوم به دلیل استحکام بالا و خواص خورندگی خوب، و آلومینیوم وبه دلیل هزینه کم وزن  سبک روزافزون است و زمینه را برای مطالعات تجربی توسط محققان در سراسر جهان فراهم کرده است. آویناش و همکارانش رفتار مکانیکی و میکروساختار اتصالات همگن Ti-6AI-4V، دستیابی به ریزسختی و استحکام کششی بالا را با استفاده از سرعت چرخش 1500 دور در دقیقه مورد بررسی قرار دادند. نو و همکارانش نیز تأثیر پارامترهای RFW را بر روی اتصالات جوش Ti-6AI-4V مطالعه کرده و دریافتند که پارامترهای بهینه شامل سرعت چرخش 1200 دور در دقیقه، زمان اصطکاک 4 ثانیه، زمان آهنگری 2 ثانیه و فشار معمولی 40 مگاپاسکال است. در برخی دیگر از مطالعات به بررسی خواص مکانیکی و ریزساختار اتصالات RFW در آلیاژهای تیتانیوم همگن پرداخته اند. علاوه براین، هاینس و ولو نیز به طور تجربی تأثیر سرعت چرخش را بر فرایند پیوند در سطح مشترک اتصالات غیرهمگن Ti-6AI-4V/AA2024 RFW بررسی کرده و دریافتند که افزایش سرعت چرخش منجر به تبلور مجدد دینامیک، بازیابی دانه های تبلور مجدد، و در نهایت افزایش استحکام اتصال می شود.

لی و همکارانش تحقیقات گسترده ای در مورد تأثیر ریزساختار ناهمگن، خواص مکانیکی و رفتار خوردگی در اتصالات AA2024 RFW با تأکید بر ارتباط بین آنها انجام دادند. در سال های اخیر، رفتار مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم، به ویژه در رفتار حلقوی آنها بسیار مورد توجه قرار گرفته است. تحقیقات قبلی به بررسی رفتار مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم AA2017 و AA2024 پرداخته اند که منجر به ارزیابی خواص فیزیکی و مکانیکی آنها می شود. به عنوان مثال، در مقالات متعددی رفتار چرخه ای این آلیاژها و ویژگی های مکانیکی آنها مطالعه شد. این مطالعات ویژگی های منحصر به فرد این آلیاژها را بیان کرده و به بهبود درک رفتار آنها در شرایط مختلف کمک کردند. اخیرا در کار تحقیقاتی انجام شده توسط لاکاچه و همکارانش، بهینه سازی پارامترهای AA2024 RFW براساس مطالعه تجربی اتصالات جوش داده شده تشریح شد. بهترین مقایسه ای که مقدار مقاومت کششی 499 مگاپاسکال را نشان می دهد، با اتصال RFW بدست آمده با استفاده از فشار معمولی 12 مگاپاسکال و سرعت چرخش 2000 دور در دقیقه مطابقت دارد. لی و همکارانش از RFW برای جوش دادن اتصالات همگن AA6061-T6 استفاده کرده و تاثیر سرعت دورانی بر رفتار اصطکاک را نیز بررسی کردند. هری پراس و همکارانش هم خواص متالورژی و مکانیکی اتصالات همگن AA7075 RFW را آنالیز کردند که حداکثر استحکام کششی تا 472 مگاپاسکال مشاهده شد. دانگ و همکارانش اثرات پارامترهای فرایند RFW را بر تکامل ترکیبات بین فلزی و استحکام کششی در اتصالات جوش فولاد ضد زنگ AA2219/304 غیرهمگن را بررسی کرده و به این نتیجه رسیدند که در فشار معمولی متوسط ​​(120 مگاپاسکال) و سرعت چرخش متوسط ​​(1100 دور در دقیقه) اتصالات جوشی با کیفیت بالا تولید می شود، اما گرمای ورودی بالا منجر به تخریب شدید خواص مکانیکی می شود. دونگ و همکارانش همچنین خواص ناهمگن اتصالات RFW در فولاد ضد زنگ AA5052/304 غیر همگن را مطالعه کردند. علاوه براین، دیگر نویسندگان نیز از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) برای اتصال آلیاژهای آلومینیوم همگن مانند AA7039، AA2024 و AA2017 با موفقیت استفاده کردند. در این مطالعه از یک دستگاه RFW که به تازگی بر روی یک دستگاه تراش موازی RAMO-T37 برای ایجاد جوش همگن در اتصالات جوشی Ti-6AI-4V و AA2024 نصب شده بود، کمک گرفتیم. هدف از این کار شناسایی فشارهای نرمال بهینه به منظور دستیابی به خواص مکانیکی مطلوب و تحلیل ریزساختاری است.

در اینجا از یک سیستم خودکار RFW برای جوشکاری اصطکاکی آلیاژهای AA2024 و Ti-6AI-4V استفاده شد و همچنین خواص مکانیکی و ریزساختار آنها با هدف تعیین فشار نرمال بهینه مورد مطالعه قرار گرفت. یافته های این بررسی عبارتند از:

1.این مطالعه امکان بکارگیری فرایند RFW را با ساختن یک سیستم ابزار دقیق را نشان می دهد که پارامترهای RFW را برای انجام جوشکاری کنترل می کند.

2. استحکام کششی اتصالات RFW در اتصالات حاصل شده از فشار نرمال 8 مگاپاسکال به طور چشمگیری تا 1031.23 مگاپاسکال افزایش یافت؛ با راندمان اتصال 103.97 درصد. با این حال، استحکام کششی جوش های RFW کمتر از جوش فلز پایه است. بهترین خواص کششی برای آلیاژ AA2024 با فشار نرمال 10 مگاپاسکال به دست آمد.

3. تقریبا تمام نمونه‌های کششی Ti-6AI-4V در HAZ شکسته شدند که نشان می‌دهد اتصال جوش انعطاف‌پذیرتر از سایر نقاط ازجمله فلز پایه است. در آلیاژ AA2024، شکست به طور معمول در رابط جوش رخ می دهد.

4. در اتصالات RFW حاصل شده در فشارهای نرمال 8 و 14 مگاپاسکال، بالاترین مقادیر میکروسختی در رابط جوش به ترتیب در Ti-6AI-4V و AA2024 مشاهده شد.

5. بررسی میکروسکوپی سطوح شکستگی AA2024 مخلوطی از مورفولوژی ها را با یک جفت ناهموار غالب نشان داد که نشان دهنده حالت شکست انعطاف پذیر است. در آلیاژ Ti-6AI-4V، حفره هایی با اندازه های مختلف در کل سطح شکستگی مشاهده شد که منجر به حالت شکست انعطاف پذیر می شود.