دریافت پایان نامه جوشکاری اصطکاکی کامپوزیت های زمینه فلزی

قسمتی از متن پایان نامه جوشکاری اصطکاکی کامپوزیت های زمینه فلزی

چکیده:

کامپوزیت مخلوطی در مقیاس ماکروسکوپیک از 2 تا چند ماده مختلف است که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند.

این مخلوط در مجموع و با توجه به برخی معیارها خواص بهتری از هر یک از اجزای تشکیل دهنده خود دارا می باشد. هر کامپوزیت عموماً 2 ناحیه متمایز یعنی فاز پیوسته و فاز ناپیوسته وجود دارند. روش های اتصال کامپوزیت ها به 3 صورت پروسه ذوبی، پروسه حالت جامد و دیگر انواع است. یکی از این روش ها جوشکاری اصطکاکی چرخشی می باشد.

این روش، روشی نسبتاً جدید و مناسب برای اتصال کامپوزیت های زمینه فلزی است . در این روش 2 قطعه نسبت به یکدیگر ثابت بوده و به یک صفحه نگهدارنده متصل اند و توسط ابزار مخصوص این روش، اتصال بین 2 کامپوزیت صورت می گیرد.

در این روش، ناحیه اتصال بسیاری از عیوب میکروساختاری موجود در روش های معمول اتصال مانند قوس الکتریکی ندارند.

فصل اول کامپوزیت های زمینه فلزی

مقدمه

کامپوزیت ها (مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید) رده ای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب موادساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است.اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند.استفاده از این مواد در طول تاریخ نیز مرسوم بوده است .از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل وآجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده می شده است اشاره کرد..هنگامی که این دو باهم مخلوط بشوند در نهایت آجرپخته بدست می آید که بسیار ماندگار تر و مقاوم تر از هر دو ماده اولیه یعنی گل و کاه است.قایق‌هایی که سرخ‌پوست‌ها با قیر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم بز ساخته می‌شدند و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است،نیز از کامپوزیت‌های نخستین هستند. بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی ، راکتورسازی، الکترونیکی و غیره نمی‌تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده ، برآورده شود. اما قسمتی از آن نیازها، می‌تواند با استفاده از چندسازه‌ها یا کامپوزیت‌ها برآورده گردد.
تعریف کامپوزیت
معمولا یک ماده کامپوزیت را به صورت یک مخلوط فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپیک ازدو یا چند ماده مختلف تعریف می کنند که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خودرا حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند.این مخلوط در مجموع و با توجه به برخی معیارها خواص بهتری از هریک از اجزای تشکیل دهنده خودرا دارا می باشد.در کامپوزیت عموما دو ناحیه متمایز وجود دارد.

1.  فاز پیوسته (ماتریس)
2. فاز ناپیوسته(تقویت کننده)

در یک کامپوزیت به طور کلی الیاف،عضو بار پذیر اصلی سازه هستند در حالیکه ماتریس آنها رادر محل وآرایش مطلوب نگاه داشته وبعنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل می کند،به علاوه آنهارااز صدمات محیطی دراثربالارفتن دما ورطوبت حفظ می کند.
تقسیم بندی مواد کامپوزیت

1. کامپوزیت های زمینه سرامیکی ( CMC )
2. کامپوزیت های زمینه فلزی ( MMC)
3. کامپوزیت های زمینه پلیمری ( PMC ) : که رایجترین دسته کامپوزیت هستند و بیش از 90 درصد مصرف جهانی کامپوزیت را به خود اختصاص داده اند.

نقاط قوت کامپوزیتها

• وزن کم این مواد در عین بالا بودن نسبت مقاومت به وزن آنها (حتی تا 15 برابر برخی از فولادها ).
• مقاومت بالا نسبت به خوردگی.
• وجود روش های مختلف ساخت و امکان تولید اشکال پیچیده و متنوع

مهمترین موارد کاربرد کامپوزیت

سابقه استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته به دهه‌ 1940 باز می‌گردد. در آن زمان ارتشهای آمریکا و شوروی سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر ، موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور – رزین اپوکسی برای استفاده در صنعت هوا فضا شدند. 20 تا 30 سال پس از آن ، کامپوزیت‌های پایه پلیمری بطور گسترده‌ای به سوی صنایع شهری از جمله ساختمان و حمل و نقل روی آوردند. بطور مثال امروزه خودروهایی ساخته می‌شود که تماماْْ کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیت‌ها در این کاربرد به علت ویژگیهایی چون وزن کمتر، در نتیجه سوخت کمتر و عمر طولانی‌تر آنهاست.
مواد کامپوزیت تقویت شده با الیاف ،ترکیبی از مقاومت کششی ومدول بهتر نسبت به مواد فلزی را دارند وبعلت پایین بودن وزن مخصوص نسبت به وزن (مقاومت کششی ویژه) نسبت مدول به وزن (مدول ویژه)، مواد کامپوزیت به طور مشخص بهتراز موادفلزی هستند ودر بسیاری از کاربردهایی که کاهش وزن سازه از اهمیت برخوردار است میتواندد جایگزین فلزات شوند.

با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت‌های پایه پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط‌های خورنده، این کامپوزیت‌ها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده‌اند که از آن جمله می‌توان به ساخت بدنه قایقها و کشتیها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیت‌ها در این صنعت، حدود 60% صرفه‌جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری این مواد است. صنعت ساختمان وصنایع مرتبط باآن پرمصرف‌ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است که در فصل 3 با برخی از آنها بیشتر آشنا میشویم. ساخت بدنه هواپیما.ساخت پره های توربین بادی و پره های هلی کوپتر وپوشش رادار هواپیمااز کاربردهای کامپوزیت در صنعت هوافضا است. این مواد در صنعت نفت وگاز نیز به منظور ترمیم وتقویت سازه های فرسوده و ترمیم لوله های فرسوده نفت و گاز . عایق توربین به کار میروند..(کامپوزیت ها با توجه به ساختار شبکه ای و طولی ای که دارند گرما را فقط در جهت طولی منتقل می کنند و نه عرضی بنا بر این به عنوان عایق گرما برای دیواره توربین ها مناسب می باشند. – نقل قول از دکتر مظاهری رئیس گروه آیرودینامیک وپیشرانش دانشکده هوا-فضای شریف.)

فصل دوم جوشکاری اصطکاکی

دسته بندی روش های اتصال:

از انجاییکه کامپوزیت های زمینه الومینیومی گروه غالب کامپوزیت های زمینه فلزی را تشکیل می دهند و همچنین بدلیل کاربرد وسیعی که برای اکثر روش های اتصال دارند، لذا به توضیح روش های اتصال این نوع کامپوزیت می پردازیم.

این روش ها به گروه های زیر دسته بندی می شوند:

• – پروسه های ذوبی
• – پروسه های حالت جامد
• – دیگر انواع پروسه ها

پروسه های ذوبی (اساسا برای کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده به صورت ذره ای):

ها وجود دارد، که به شرح زیر است:MMCدراین جا مشکلاتی مربوط به جوشکاری ذوبی

• – ویسکوزیته بالای ذوب، بالاتر از نقطه ذوب
• – اثرات تجزیه در هنگام ذوب مجدد
• – بر هم کنش بین زمینه و تقویت کننده
• – چرخش گاز

ویسکوزیته بالا اختلاط فیلر و مواد اولیه ذوب شده را مشکل می کند. این مشکل با استفاده از سیم های فیلر الومینیوم با سیلیسیوم غنی و یا حتی الامکان استفاده از الیاژی با میزان سیلیسیوم غنی برای زمینه، برطرف خواهد شد.

تجزیه ممکن است در هنگام جوشکاری ذوبی MMC  زمینه Al تقویت شده با SiC، درهنگام خروج ذرات سرامیکی در جبهه جلوی انجماد و همچنین تشکیل مناطق ازاد ذره ای برای MMC های تقویت نشده، رخ دهد. در مورد تقویت کننده ی ذره ای اکسید الومینیوم استفاده از سیم های حاوی منیزیوم بالا، به جلوگیری از تجزیه کمک خواهد کرد.

تلاش برای کاهش ویسکوزیته از طریق افزایش دما، باعث بروز مشکلاتی در اثر بر هم کنش زمینه-تقویت کننده می شود. درمورد Al-SiC، امکان تشکیل صفحات کوچک Al4C3 و بلوک های سیلیکونی وجود دارد. در نتیجه میکروساختار حاصل بسیار شکننده بوده ودر حضور اب، مستعد خوردگی می باشد. واکنشی که اغلب در هنگام جوشکاری پرتو لیزری/الکترونی گزارش شده، اتفاق می افتد که باعث تشکیل حوضچه گرم جوشکاری می شود. برای برطرف کردن خطر تشکیل صفحات Al4C3،پارامتر های جوشکاری باید بدقت انتخاب شوند. همچنین ترکیب زمینه نیز اهمیت بسیاری دارد.

در صورتیکه مواد MMC مورد نظر از روش متالورژی پودر بدست امده باشند، چرخش گاز درحین جوشکاری ذوبی مشکلاتی را بهمراه خواهد داشت. در صورتیکه میزان گاز جذب شده زیاد باشد، چرخش گاز (مخصوصا هیدروژن) اتفاق خواهد افتد، که منجر به ایجاد ترک شدید در منطقه متاثر از گرما (HAZ) و یا تخلل جوشکاری می شود. این مشکل با استفاده از تکنیک گاززدایی مناسب برای پودر قابل حل است.

در پروسه جوشکاری ذوبی،روش های زیر برای اتصال MMC های زمینه Al مورد توجه است:

• – جوشکاری قوسی گاز -تنگستن (GTA) و جوشکاری قوسی گاز- فلز (GMA)
• – جوشکاری پرتو لیزری (LB)
• – جوشکاری پرتو الکترونی (EB)
• – جوشکاری تخلیه بار دستگاه الکترونی (CD)

جوشکاری قوسی گاز- تنگستن و گاز- فلز:

در هر دو روش از قوسی الکتریکی برای ضربه بین قطعه کار و یک الکترود که بترتیب تنگستن مصرف نشدنی و یا فلز مصرف شدنی است،استفاده می شود. فلز گداخته شده توسط گازی خنثی که در اطراف الکترود در در جریان است، محافظت می شود. در مورد روش  GTA، فلز پرکننده ممکن است در محل اتصال از قبل قرار گیرد و یا از طریق منبعی خارجی به قوس تغذیه شود.

روش GTA به صورت گسترده ای برای جوشکاری MMC های زمینه Al بر اساس الیاژهای 6XXX (Al-Mg-Si) مورد استفاده قرار می گیرد. توان گرمایی بالا و سیم فیلرهایی با سیلیکون غنی پیشنهاد شده است. در مورد MMC های تقویت شده با ذرات Al2O3، به منظور جلوگیری از حضور انبوه ذرات در حوضچه جوشکاری، سیم هایی با میزان منیزیوم بالا پیشنهاد می شود.

هنگامیکه  MMC های پیوسته تقویت شده Al(6061)-B را با استفاده از روش GTA بدون سیم فیلر جوشکاری می کنیم، رشته های بور بیش از حد داغ شده که این امر باعث تکه تکه شدن و انحلال ان ها می شود. این مشکل با استفاده از سیم فیلر غنی از سیلیسیوم (ER4043) قابل حل است.

جوشکاری GMA که اغلب به صورت خودکار و با سرعت بالایی انجام می گیرد، برای جوشکاری MMC ها نسبت به روش GTA مناسب تر است.برای مثال، برای اتصال کامپوزیت زمینه الومینیومی تقویت شده با ذرات B4C و با استفاده از فلز پرکننده اضافه، نتایج حاصل از روش  GMAبهتر است. روشGMA  تکنیکی مناسب برای اتصال MMC ها می باشد.

جوشکاری پرتو لیزری:

در این پروسه، یک پرتو لیزری سبک با استفاده از لنزهای چشمی بر روی ماده جامد متمرکز می شود، و باعث افزایش دما تا بالای نقطعه ذوب ان ماده می شود. جوشکاری پرتو لیزری دارای دانسیته توان بالایی در حدود⁶10 W/Cm² می باشد. دانسیته توان بالا برای وقوع برهم کتش با ماده لازم است (کوپل لیزری). این کوپل لیزری در حدود 4 برابر بزرگتر از MMC هایی با الیاژ الومینیومی یکپارچه است. در نتیجه، روش جوشکاری پرتو لیزری برای ایجاد جوش هایی عمیق و کم عرض با ناحیه متاثر از گرمای (HAZ) کم عرض مورد استفاده قرار می گیرد.

متاسفانه، دمای بالا و برهم کنش میان پرتو لیزری و ذرات SiC موجب تشکیل میکروساختار منطقه جوش نامناسبی که شامل Al₄C₃،سیلیکون اولیه و یوتکتیک Al-Si است، می شود. البته محدود کردن این برهم کنش با کنترل مقدار و نوع گرمای ورودی امکان پذیر است. روش دیگر برای جلوگیری از این مشکل، افزودن یک عنصر کاربیدزای قوی مثل تیتانیوم است، و این امر با استفاده از سیم فیلر تیتانیومی و یا قرار دادن یک فویل تیتانیومی بین دو قطعه MMC که به صورت لب به لب می خواهیم اتصال دهیم، امکان پذیر است.

دیگر انواع تقویت کننده ها مانند Al₂O₃  و B₄C این مشکل را ندارند.

جوشکاری پرتو الکترونی:

در این روش، یک پرتو الکترونی به سمت یک زمینه اکتریکی شتاب داده می شود و سپس با استفاده از لنزهای مغناطیسی به سمت منطقه اتصال متمرکز می شود. بدین دلیل که الکترون ها در اثر برخورد با مولکول های هوا پراکنده می شوند، لذا این روش باید در خلا انجام شود. زمانیکه پرتو به منطقه اتصال ضربه می زند، گرما تولید و گسترش می یابد. در این روش، دانسیته توان بالا در حدود 10⁶   W/Cm² منجر به تولید جوشی کم عرض و عمیق می شود. در این روش در مقایسه با روش پرتو لیزری، واکنش کمتری را میان Al-SiC مشاهده میکنیم. با این حال این روش برای MMC های زمینه Al تقویت شده با SiC موفقیت امیز نیست، هر چند استفاده از سرعت بالا و کنترل گرما در حین جوشکاری خودکار، باعث بهبود کیفیت اتصال می شود.

جوشکاری تخلیه بار دستگاه الکترونی:

جوشکاری تخلیه بار دستگاه الکترونی یکی از انواع جوشکاری های مقاومتی است، که انرژی ان از طریق تخلیه بار سریع دستگاه الکترونی تامین می شود، در حالیکه از اعمال نیرویی در بالای فصل مشترک اتصال نیز استفاده می کنیم. بدلیل ان که پالس های تخلیه بار کوتاه است (در حدود 5-25 میلی ثانیه) و با توجه به ازمایشاتی که برروی چندین نوع از MMC های Al/SiC انجام شده است،در این روش واکنش های ناخواسته کمتری را شاهد هستیم و نیز خواص جوشکاری بهتری را نسبت به جوشکاری موضعی خواهیم داشت.

پروسه های حالت جامد:

• باندهای نفوذی
• جوشکاری اصطکاکی ایستایی
• جوشکاری اصطکاکی جنبشی

باند نفوذی:

در این روش، دو قطعه جامد را به یکدیگر می چسبانیم و در زیر فشار دما را برای مدت زمان معینی بالا برده تا یک اتصال متالورژیکی از طریق نفوذ صورت گیرد. برای مواد پایه الومینیومی، محدوده دما C° 325-520 است. زمان نیز به دما و نوع ماده بستگی دارد. قطعه از قبل باید تحت عملیات پرداخت سطحی قرار گرفته باشد و سطحی کاملا تمییز داشته باشد. در حین این پروسه خلا و یا اتمسفر کنترل کننده لازم است.

هر الیاژی برای این نوع اتصال کاربرد ندارد، زیرا تشکیل لایه اکسیدی چسبنده و پایدار برای این نوع اتصال مضر است. حضور ذرات تقویت کننده نیز باعث ایجاد محدودیت های زیادی در این پروسه می شود. ازمایشات مختلف نشان می دهد که روش باند نفوذی روشی مناسب بدون لایه میانی و یا استفاده از لایه میانی Ag یا Cu است. در این روش با کنترل دقیق پروسه، انتقال جرم مناسبی که مانع از تشکیل مناطق ازاد ذره ایی و یا غنی از ذره می شود، رخ می دهد. تشکیل این مناطق باعث اسیب رسانی به استحکام باند می شود.

روش باند نفوذ، روشی مرجع برای کاربردهای انتقال حرارت مانند لوله های حرارتی، رادیاتورها و … است.

جوشکاری اصطکاکی ایستایی:

در روش جوشکاری اصطکاکی، حرارت از طریق اصطکاک بین دو قطعه تولید می شود.

جوشکاری اصطکاکی چرخشی:

این روش، روشی نسبتا جدید برای اتصال مواد یکپارچه است، و در عین حال روشی مناسب و مفید برای اتصال کامپوزیت های زمینه فلزی (MMC) می باشد. در این روش دو قطعه مورد نظر نسبت به یکدیگر حرکت نمی کنند، بلکه به صورت محکم به یک صفحه بسته می شوند. از ابزار چرخشی استوانه ای شکلی به منظور ایجاد منطقه پلاستیسیته در حول ابزار از طریق گرمای اصکاک استفاده می شود. ماده پلاستیسیته شده مجبور به حرکت از جلو به عقب ابزار شده و این امر باعث تشکیل اتصالی مستحکم می شود. این پروسه حالت جامد، باعث حفظ ترکیب شیمیایی و توزیع یکنواخت ذرات تقویت کننده در زمینه می شود. در این روش با کاهش دما، خطر انجام واکنش بین زمینه و تقویت کننده به حداقل می رسد.

تا کنون، جوشکاری با روش FS برای اتصالات لب به لب صفحات یکنواخت و صاف مفید بوده است. در این روش امکان افزایش 25% حجمی ذرات تقویت کننده برای MMC های تقویت شده با SiC، امکان پذیر است. تنها مشکلی که برای اتصال این نوع کامپوزیت ها وجود دارد، سایش زیاد ابزار توسط ذرات  SiC است.

فصل سه – نتایج

در آنچه گذشت تاثیر فرآیند FSW بر میکروساختار و سختی ضربه ای دو کامپوزیت زمینه آلومینیومی تقویت شده با ذرات (یعنی W6A20A, W7A10A) مورد بررسی قرار گرفت.

• a)توصیف میکروساختاری عیوب معمولی را که عموماً د ر منطقه ی جوش MMC ها در روش های معمول جوش های قوس الکتریکی مشاهده می شوند، نشان نمی دادند. اثرات اصلی FSW تاثیر مشهود آن بر کاهش اندازه ی ذرات تقویت کننده (که در مورد W6A20A به خاطر اندازه ی بزرگتر ذرات در مواد پایه بزرگتر هستند) بوده و باعث ایجاد توزیعی همگن تر از ذرات موجود در منطقه ی جوش می شود، همچنان که از طریق تحلیل موزاییکی و ورونویی نیز تایید شد. پالایش قابل توجه ذرات آلیاژ زمینه، آلومینیوم نیز در قطعاتی از منطقه های جوش در هر دو کامپوزیت با توجه به تبلور مجدد دینامیکی القا شده توسط تغییر شکل شدید و گرمادهی اصطکاکی همزمان حین جوشکاری، مشاهده شده بود.
• b) پروفیل های میکرو سختی درون ذرات، بر روی مقاطع عرضی نمونه های FSW به تغییرات میکرو ساختاری القا شده از طریق فرآیند جوشکاری بر روی آلیاژ زمینه ، آلومینیوم، مربوط بودند. تفاوت های میان دو کامپوزیت، مربوط به اندازه های متفاوت دانه های زمینه القا شده توسط تبلور مجدد دینامیکی در قطعات و نیز آرایش های متفاوت ترکیبات بین فلزی بوده اند.
• c) آزمایش های ضربه ی انجام شده روی پاندول شارپی، نشان داد که انرژی ضربه ی کل به طور قابل ملاحظه ای در هر دو نوع کامپوزیت FSW افزایش یافته بود. این افزایش نسبت به مواد پایه ی همانند سنجیده شده است. این افزایش می تواند به آرایش های میکرو ساختاری القا شده توسط فرآیند FSW مربوط بوده باشد. مانند: پالایش و انحنای ذرات تقویت کننده، توزیع یکنواخت ذرات تقویت کننده و کاهش اندازه دانه های زمینه.
• d) سطوح شکست قطعات ضربه ای همیشه توسط توزیع دو گانه ای از حفره ها که مربوط به جدا شدن ذرات از یکدیگر و گودی های کوچک ناشی از زوال نرم زمینه است، توصیف شده اند. وجود گودی های بیشتر در سطوح شکست کامپوزیت های جوشکاری شده مخصوصاً در W6A20A در تطابق کامل با افزایش مشهود سختی ضربه ای شارپی بوده است.