بررسی تاثیر سرعت پیشروي بر میکرو ساختار و خواص مکانیکی آلومینیوم
5083 در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی
صادقعلی فرجی 1 ، عبدالرضا سلطانی پور 2 ، خسرو فرمنش 2

توجه : اصل این مقاله متعلق به عزیزان ذگر شده در این مقاله میباشد و مطعلق به بنده نیست

چکیده
آلومینیوم 5083 داراي ویژگی هایی از جمله قیمت پایین، استحکام بالا، مقاومت به خوردگی مناسب و قابلیتشکل پذیري
خوبی می باشد. جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی، یک جوشکاري نوین حالت جامد بوده که پارامترهاي مختلفی در آن
تاثیر دارند. در این تحقیق پارامتر سرعت پیشرویجوشکاري تغییر داده شد و سپس میکروساختار و خواص مکانیکی جوش
ها مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت با توجه به نتایج آزمون ها مشاهده شد که با افزایش سرعت پیشروي، گرماي
ورودي کاهش یافته و جوش ها داراي ساختار ریزتر و خواص مکانیکی بهتري می باشند.
واژه هاي کلیدي: جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی، آلومینیوم 5083 ،سرعت پیشروي، میکروساختار، خواص مکانیکی
1دانشجوي کارشناسی ارشد - اصفهان-شاهین شهر- دانشگاه صنعتی مالک اشتر - دانشکده مهندسی مواد
2استادیار - اصفهان- شاهین شهر- دانشگاه صنعتی مالک اشتر- دانشکده مهندسی م

مقدمه
عنصر آلیاژي اصلی در آلیاژ آلومینیوم سري 5000 منیزیم می باشد که مقدار آن بین 1 تا 5 درصد بوده که با مقدار بسیار
کم منگنز و یا کرم ترکیب شده است[ 1].آلیاژهاي آلومینیوم-منیزیم داراي گستره وسیعی از استحکام، شکل پذیري خوب
و مقاومت بالا در برابر خوردگی می باشند. یکی از خواص بارز آلیاژهاي آلومینیوم-منیزیم جوش پذیري مطلوبی می باشد
که از خود نشان می دهند[ 1].آلومینیوم 5083 داراي ویژگی هایی از جمله عملیات حرارت ناپذیر، قیمت پایین، استحکام
نسبتا بالا، مقاومت به خستگی بالا، مقاومت به خوردگی عالی در برابر آب شور، شکل پذیري خوب و جوش پذیري
.[ مناسب می باشد[ 2
جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی یک فرآیند اتصال حالت جامد می باشد که در سال 1991 میلادي توسط انستیتو
در کشور انگلستانابداع گشت. در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی با توجه به این که فلز هرگز به دماي TWI جوشکاري 1
ذوبش نمی رسد، به همین دلیل یک جوش با کیفیت بالا که از عیوب جوشکاري پایینیبرخوردار می باشد، تولید می
کند.ایده اصلی جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی بسیار ساده می باشد به طوري که یک وسیله دوار مصرف نشدنی(یک پین
ویژه همراه با دندانه) را در نظر گرفته و دو فلزي که می خواهند جوش دهند را در کنار هم محکم قرار داده و پین وارد
خط اتصال این دو ورق می شود.پین همراه با چرخش طول خط اتصال را طی می کند به طوري که به این پین که داراي
زاویه انحراف معینی از خط عمود است، نیرویی نیز وارد می شود. در نهایت پین با سرعت پیشروي مشخصی حرکت کرده
که بر اثر این پروسه اتصال در حالت جامد رخ می دهد[ 3]. در شکل شماره 1 شمایی از روش جوشکاري اصطکاکی
اغتشاشی نشان داده شده است.
در جوشکاریاصطکاکی اغتشاشیمواد در دمایی پایین تر از دماي ذوب تغییر شکل زیادي کرده و دانه هاي کریستالی در
مرکز جوش ساختار نهایی هم محور و خوبی دارند[ 3].این جوشکاري با توجه به میکروساختار دانه ها و رسوبات سبب
4 می شود. همچنین (HAZ) 3 و تحت تاثیر حرارت (TMAZ) ایجاد نواحی مختلفی از جمله دکمه جوش 2، ترمومکانیکال
این نکته قابل ذکر می باشد که سمتی از جوش که در آن جهت چرخش ابزار با جهت جوشکاري یکسان است، سمت
نامیده می (R.S) و سمتی که در آن جهت چرخش ابزار عکس جهت جوشکاري می باشد، سمت پسرو 6 (A.S) پیشرو 5
شود[ 4]. در شکل شماره 2 این نواحی مشخص شده است.
[ شکل 1 : شمایی از جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی[ 3] شکل 2 : نواحی مختلف در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی[ 4
1The Welding Institu2Nugget 3Thermo-Mechanically Affected Zone4Heat Affected Zone
5Advancing side 6Retreating side
همایش صنایع معدنی، خرداد 1389 ، دانشگاه شهید باهنر کرمان
در تحقیقات اخیر یک مدل جریان حرارتی عددي 3 بعدي براي جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی آلیاژهاي آلومینیوم ارائه
: [ شده است[ 5
q =4/3π μPNR (1)
شعاع نگه دارنده می باشد. R سرعت چرخشی و N ، فشار اعمالی P ، ضریب اصطکاك μ ، گرماي ورودي q در رابطه بالا
طبق رابطه (Q) گرماي ورودي بر واحد طول باشد، سپس گرماي ورودیدر حرکت جوشکاري q با توجه به معادله ( 1) اگر
2بدست می آید:
Q = α = π αμ (2)
سرعت پیشروي جوشکاري می باشد. V بازده حرارت ورودي و α به طوري کهدر این رابطه
مواد و روش تحقیق
ماده مصرفی و شرایط جوشکاري :در این تحقیق ورق آلومینیوم 5083 با ضخامت 5 میلیمتر مورد استفاده قرار
گرفت، به طوري که ترکیب شیمیایی این ورق با آنالیز کوانتومتري اندازه گیري و در جدول شماره 1ذکر شده است.
500 میلیمتر به طور عمود بر جهت نورد از ورق اولیه برش داده شد. این ورق ها به صورت جفت × ورق هایی در ابعاد 110
در کنار هم درون فیکسچري که بر روي میز دستگاه فرز نصب گردیده بود،قرار گرفتند که به صورت شماتیکی در شکل
شماره 3 نشان داده شده است.در این جوشکاري یک ابزار غیر مصرفی(پین و نگهدارنده) مورد استفاده قرار گرفت که در
جدول شماره 2 مشخصات کامل این ابزار ذکر شده است.
جدول 1 : ترکیب شیمیایی ورق 5083 مورد استفاده
عنصر Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Pb Zn Ti Al
0/116 0/452 0/0268 0/722 4/38 0/0935 0/005 0/417 0/25 0/ باقیمانده 0194
درصد
وزنی(%)
جدول 2 : مشخصات ابزار دستگاه
شکل 3 : شمایی از ورق هاي جفت شده جهت جوشکاري
ورق ها قبل از جوشکاري در محلول هیدروکسید سدیم به مدت 10 الی 15 ثانیه شستشو داده شد تا کلیه اکسیدها و
ناخالصی ها و چربی ها از سطح ورق زدوده شوند. متغییرهاي جوشکاري و علائم مورد استفاده طبق جدول شماره 3 می
باشد.
جنس پین
ارتفاع پین
(میلیمتر)
قطر پین
(میلیمتر)
قطر شولدر
(میلیمتر)
29/95 5/72 4/85 H فولاد 13
بررسی تاثیر سرعت پیشروي...
جدول 3: پارامترهاي جوش
سرعت پیشروي
(mm/min)
نیروي اعمال
(KN)
زاویه انحرافپین
(°)
سرعت چرخشی
(rpm)
کد جوش
F1 400 2 11/435 20
F2 400 2 11/435 32
F3 400 2 11/435 50
F4 400 2 11/435 63
بررسی ریز ساختاري :سطح مقطع جوش ها به صورت عمود بر جهت جوشکاري براي آنالیز و بررسی ریزساختاري
برش و سپس به کمک سمباده هاي شماره 240،400،600،800،1000 سمباده زنی شد. بعد از پولیش، به نمونه ها به عنوان
قطب مثبت و فولاد زنگ نزن به عنوان قطب منفی در یک سلول حاوي محلول 30 % اسید نیتریک + متانول به مدت 3
7 ولت اعمال شد. سپس به مدت 5 ثانیه در محلول 10 % اسیدنیتریک + آب مقطر غوطه ور شده تا / دقیقه، ولتاژ 5
محصولات خوردگی از سطح زدوده شوند. در نهایت با میکروسکوپ نوري ساختار سطح مقطع نواحی مختلف جوش و
فلز پایه مورد بررسی قرار گرفت.
2/ آزمون میکروسختی : در این آزمون بار 200 گرم براي مدت 15 ثانیه در خط وسط سطح مقطع و در فاصله 5
میلیمتري از سطح جوشاعمال شد تا پروفیل سختی بدست آید. سختی از مرکز جوش در نقاطی با فاصله 1 میلیمتر از هم در
دو سمت پیشرو و پسرو اندازه گیري شد.
آزمون کشش :در شکل شماره 4 یک نمونه کشش و نحوه برش نمونه هاي کشش از جوش نشان داده شده است. کلیه
آماده شدند[ 6]. آزمون کشش با سرعت ثابت DIN 50120 Part نمونه هاي آزمون کشش بر حسب استاندارد 2
1 در دماي محیط براي فلز پایه و کلیه جوش ها انجام شد. mm/min
شکل 4 : نمونه آزمون کشش، ابعاد و نحوه برش از جوش
نتایج و بحث
و ضریب (α) میکروساختار و گرماي ورودي :با توجه به روابط 1 و 2 و با فرض ثابت بودن بازده حرارت ورودي
گرماي ورودي کلیه جوش ها طبق جدول 4 می باشد. ،(μ) اصطکاك
همایش صنایع معدنی، خرداد 1389 ، دانشگاه شهید باهنر کرمان
جدول 4 : مقایسه گرماي ورودي در جوش هاي نهایی
گرماي ورودي جوش F گرماي ورودي در مقایسه با 1
F1 = 20
F2 = 32
F3 = 50
F4 = 63
بوده که کمترین سرعت پیشروي را داراست و کمترین گرما در F بر طبق جدول 4 بیشترین گرماي ورودي در جوش 1
به ناحیه جوش وارد می شود که داراي بیشترین سرعت پیشروي است. بنابراین در این جوشکاري هرگاه سایر F جوش 4
پارامترهاي جوشکاري از جمله سرعت چرخشی، زاویه انحراف پین و نیروي اعمالی به پین ثابت باشد، با کاهش سرعت
پیشروي گرماي ورودي به قطعه افزایش می یابد به خاطر این که با کاهش سرعت پیشروي پین در حین جوشکاري، مدت
زمان اصطکاك بین پین و نمونه افزایش یافته که این امر سبب تولید گرماي بیشتري در حین جوشکاري می شود.
شکل شماره 5شامل تصاویر میکروسکوپی از فلز پایه و ناحیه دکمه جوش ها می باشد و در جدول 5 نیزمیانگین عدد اندازه
دانه فلز پایه و ناحیه دکمه جوش ذکر شده است.
a) فلز پایه : e)F4b)F1c)F2 d)F شکل 5 : میکروساختار فلز پایه و دکمه جوش 3
جدول 5 : عدد اندازه دانه
فلز پایه F1 F2 F3 F4
6/8 8/75 8/895 9/05 9/25 میانگین عدد اندازه دانه
بررسی تاثیر سرعت پیشروي...
در شکل شماره 6 ساختار نواحی دکمه جوش و ترمومکانیکال کلیه جوش ها و در شکل شماره 7 نواحی تحت تاثیر
حرارت و ترمومکانیکال نشان داده شده است.
a)F1 b)F2 c)F3 d)F شکل 6 : ساختار نواحی دکمه جوش و ترمومکانیکال 4
a)F1 b)F شکل 7 : نواحی ترمومکانیکال و تحت تاثیر حرارت 3
همایش صنایع معدنی، خرداد 1389 ، دانشگاه شهید باهنر کرمان
در جوش هاي اصطکاکی اغتشاشی در منطقه دکمه جوش دانهها کاملاً هم محور وریز هستند که اندازه دانهها کوچکتر از
دانههاي فلز پایه و نشانهاي از وقوع تبلورمجدد دینامیکی در این ناحیه بوده که با کاهش گرماي ورودي دانه ها ریزتز می
شوند. اما در مورد ناحیه ترمومکانیکال دانههاي کشیده شده در سمت سیلان ماده، مشخصه بارز این منطقه است که با
وجود تغییر فرم پلاستیکی شدید، تبلورمجدد دینامیکی در این منطقه رخ نداده و لذا دانه ها همچنان شکل کشیده خود را
.[ حفظ نمودهاند[ 7,3
آزمون میکروسختی : در شکل 8 منحنی هاي میکروسختی در نواحی مختلف جوش ها با یکدیگر مقایسه شده است.در
کلیه جوش ها، سختی در نواحی تحت تاثیر حرارت و ترمومکانیکال نسبت به فلز پایه شروع به کاهش کرده تا اینکه در
ناحیه دکمه جوشمقدار سختی شروع به افزایش می کند[ 8]. در مرکز جوش این افزایش سختی در بالاترین مقدار قرار
داراي F و 1 F برابر با فلز پایه و جوش هاي 2 F بالاتر از سختی فلز پایه، 3 F داشته، به طوري که سختی در مرکز جوش 4
سختی پایین تري نسبت به فلز پایه می باشد.
علت افزایش سختی در ناحیهدکمه جوش ناشی از این بوده که هم اندازه دانه و هم کارسختی باقیمانده در فرآیند اغتشاش
کاهش یافته که بر اثر تغییر فرم پلاستیکی شدید و گرماي اصطکاکی در حین جوشکاري ایجاد می شود. این ناحیه داراي
دانسیته پایینی از ذرات درشت و دانسیته بالایی از ذرات ریز می باشد. پروفیل سختیاساسا به دانسیته نابجایی ارتباط دارد،
چون که مکانیزم سختی حاکم بر آلومینیوم هاي عملیات حرارت ناپذیر، کرنش سختیمی باشد[ 9]. بیشترین میزان سختی
در مرکز دکمه جوشو کمترین میزان سختی در ناحیه ترمومکانیکال در قسمت پسرورخ می دهد. کاهش سختی در ناحیه
ترمومکانیکال مربوط به انحلال ذرات فاز دوم و خشن شدندانه ها بوسیله شرایط ترمودینامیکی می باشد، هر چند دانسیته
.[ نابجایی در این ناحیه پایین بوده که احتمالا ناشی از بازیابی دینامیکی و تبلور مجدد است[ 9
شکل 8 : مقایسه منحنی هاي میکروسختی
بررسی تاثیر سرعت پیشروي...
آزمون کشش : در جدول شماره 6 نتایج حاصل از آزمون کشش ذکر شده است. در کلیه جوش ها شکست در ناحیه
جوش و در قسمتپسرورخ داده به طوري که شکست از انتهاي مرکز جوش آغاز و در 3 تا 4 میلیمتري از سطح مرکز جوش
ختم می شود.
جدول 6 : نتایج تست کشش در سرعت ثابت
استحکام
(Mpa) نهایی
استحکام
(Mpa) تسلیم
درصد ازدیاد
طول
مسیر شکست
انتها ابتدا
B.M 330 288 14/7 - -
F1 228 196 7/ 3میلیمتر از مرکز مرکز جوش 5
F2 248 219 7/ 3میلیمتر از مرکز مرکز جوش 9
F3 278 248 11/ 3میلیمتر از مرکز مرکز جوش 2
F4 290 258 13/ 3میلیمتر از مرکز مرکز جوش 7
در آزمون کشش شکست در قسمت پسرو رخ داده که نشان دهنده ضعیف بودن این ناحیه نسبت به قسمت پیشرو می باشد.
با توجه به نتایج حاصل از آزمون میکرو سختی(که قسمتپسروداراي سختی پایین تري نسبت به پیشرومی باشد) مشاهده شد
که شکست در ناحیه اي رخ داده که داراي پایین ترین مقدار سختی می باشد. شکست در کلیه جوش ها به صورت مورب
رخ بوده، به طوري که از انتهاي مرکز جوش شروع و در فاصله 3تا 4 میلیمتري سطح ختم می شود.
بسیاري از مطالعات نشان دادند که دانه هاي تبلورمجدد یافته دینامیکی در طی اغتشاش در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی
شکل گرفته اند. بعد از عبور ابزار جوشکاري، این دانه هاي تبلورمجدد شده دینامیکی در طی سرد شدن سیکل حرارتی
رشد می کنند. این بدان معناست که گرماي ورودي بیشتر باعث بزرگ شدن دانه ها با یک دانسیته پایین نابجایی ها و ریز
.[ مرزها در ناحیه اغتشاش می شود[ 10
آلیاژهاي آلومینیوم به طور کلی با یک افزایش در اندازه دانه شکننده می شوند، به خاطر اینکه شکست بین دانه اي به
آسانی رخ می دهد و همینطور اندازه دانه هاي فرعی با افزایش گرماي ورودي در طی جوشکاري افزایش می یابد[ 10 ].با
می باشد. بنابراین با افزایش گرماي ورودي، دانه ها F1>F2>F3>F توجه به جدول 4میزان گرماي ورودي به صورت 4
بزرگتر می شوند که در تصاویر میکروسکوپی شکل 5 این رشد دانه ها در ناحیه اغتشاشات نشان داده شده است.
نتیجه گیري
1. در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی در منطقه دکمه جوش کلیه دانه ها داراي ساختار ریز و هم محوري می باشند که با
افزایش سرعت پیشروي، گرماي ورودي کاهش یافته و دانه ها ریزتز می شوند.
2. ناحیه ترمومکانیکال داراي دانه هاي کشیده اي بوده و تبلور مجدد دینامیکی در این ناحیه رخ نمی دهد.
3. بیشترین میزان سختی در مرکز جوش و کمترین سختی مربوط به ناحیه ترمومکانیکال می باشد، که با ریز شدن دانه ها
میزان سختی افزایش می یابد.
همایش صنایع معدنی، خرداد 1389 ، دانشگاه شهید باهنر کرمان
4. خواص کششی جوش ها به سرعت پیشروي در جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی وابسته بوده به طوري که با افزایش
سرعت پیشروي، خواص مکانیکی جوش ها بهبود می یابد.
5. سختی و خواص کششی ناحیه پسرو نسبت به پیشرو پایین تر می باشد.
مراجع
1. J.Randoloh Kissell.Robert L.Ferry,Aluminum Structures, 1995, John Wiley&Sons
Inc, united states of america, PP.10.13.
2. Brian M.Salerno , Aluminum Structure Design And Fabrication Guide, U. S . Coast
Guard.
3. R.S. Mishra and Z.Y. Ma, “Friction stir welding and processing”, Materials Science
and Engineering, 50, 2005, 1–78.
4.C. A. Widener,"Evaluation of post-weld heat treatments for corrosion protection in
friction stir welded 2024 and 7075 Aluminum Alloys",Thesis on Doctor of Philosophy,
Wichita State University, USA, 2005.
5.Y.G.Kim,H.Fujii,T.Tsumura,T.Komazaki and K.Nakata,“Three defect types in
friction stir welding of aluminium die casting alloy”, Materials Science and Engineering
, 415, 2006, 250-254.
6. Din Handbook welding 1, 50121 Part 1, published by DIN Deutsches Institut fur
Nurmung e.v., January 1978.
7. Tomotake Hirata, Taizo Oguri, Hideki Hagino, Tsutomu Tanaka,Sung Wook Chung,
Yorinobu Takigawa and Kenji Higashi, “Influence of friction stir welding parameters on
grain size and formability in 5083 aluminum alloy”, Materials Science and Engineering,
456, 2007, 344–349.
8. M. Ericsson and R. Sandstrom, “Influence of welding speed on the fatigue of friction
stir welds,and comparison with MIG and TIG”, International Journal of Fatigue, 25
,2003, 1379–1387.
9. M.P. Miles, B.J. Decker and T.W. Nelson, “Formability and Strength of Friction-Stir
Welded Aluminum Sheets”, Metallurgicall and Materials Transaction, 35, 2004,
3461,3468.
10.Yutaka S. Sato, Yusuke Sugiura, Yohei Shoji, Seung Hwan C. Park,Hiroyuki
Kokawa and Keisuke Ikeda, “Post-weld formability of friction stir welded Al alloy
5052”, Materials Science and Engineering, 369 ,2004, 138–143.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: