نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)
نویسندگان
1 دپارتمان مهندسی مکانیک، آموزشکده فنیوحرفهای پسران بروجن، دانشگاه فنیوحرفهای، چهارمحال و بختیاری، ایران
2 دپارتمان مهندسی مکانیک، آموزشکده فنیوحرفهای پسران بروجن، دانشگاه فنیوحرفهای استان چهارمحال و بختیاری، ایران
چکیده
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Friction stir welding is one of the new methods of solid state welding. This welding method has many advantages over traditional methods of fusion welding due to low input temperature and non-melting and freezing of materials. In this study, the tensile strength variations of the welded specimens were investigated based on two parameters of the geometry of the tool and the angle of the device for the welding of polypropylene sheets. In order to obtain the optimal value of these parameters, other variables such as rotational speed and linear velocity of tools are assumed constant. After welding the samples, a standard tensile test was performed on the samples. The results show that the tool geometry has a great influence on the tensile strength and the appearance of the weld and the pieces welded by the tools with a welder's helmet have a higher strength. Also under the same conditions, the highest tensile strength is when the angle of the machine is 2°.
کلیدواژهها [English]
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی نخستینبار در سال1991 ابداع شد[1]. این روش در سالهای اخیر پیشرفت فراوانی در زمینه اتصالات فلزی داشته است. به این روش جوشکاری فناوری سبز نیز گفته میشود، زیرا حداکثر بازده انرژی را داشته و هیچگونه مواد آلاینده یا اثر سوئی بر محیط زیست نمیگذارد. همچنین قابلیت عملکرد بالایی داشته و انرژی اندکی مصرف میکند و در آن از هیچ نوع پوشش گازی یا جریان گداخته استفاده نشده و در اتصالات آن نیز هیچ پُرکنندهای به کار نمیرود[2]؛ بنابراین هر نوع آلیاژ آلومینیوم یا کامپوزیت را میتوان با این روش اتصال داد. در این نوع جوشکاری از ابزار استوانهای با پروفیل میلهایشکل استفاده میشود که ضمن چرخش، بهآرامی وارد خط اتصال بین دو قطعهای میشود که کنار هم قرار گرفتهاند. قطعات باید روی یک زیرکاری بسته شوند تا از جداشدن صفحات مجاور جلوگیری شود. حرارت اصطکاکی در اثر تماس بین قطعهکارها و ابزار جوشکاری مقاوم به سایش، ایجاد میشود. این حرارت به نرمشدن ماده بدون رسیدن به نقطه ذوب و ادامۀ عبور ابزار در طول خط اتصال میانجامد. مادۀ تغییر شکل یافته نیز از لبۀ جلویی به سمت لبه انتهایی ابزار رفته و در اثر تماس بین پین و شولدر محکم شده و موجب تشکیل پیوندی قوی بین دو قطعه میشود. این روش را میتوان جوشکاری سوراخ کلیدی در حالت جامد نیز نامید؛ بهطوریکه در شروع کار یک سوراخ ایجاد شده و در ادامه پر میشود و در انتها اثر آن باقی میماند. این جوشکاری نسبت به روشهای مرسوم جوشکاری ذوبی به دلیل دمای ورودی کم و نداشتن حالت ذوب و انجماد مجدد مواد، مزیتهای بسیاری دارد[3]. در برخی تحقیقات، کاربرد جوشکاری اصطکاکی در فلزات و غیرفلزات مورد بررسی قرار گرفته است. در سال ٢٠١٥، لوئیس ترایبا و همکارانش اثر ویژگیهای شانه ابزار بر عیوب و خواص کششی جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ 6061-T6 را مطالعه کردند و به این نتیجه رسیدند که سطح شانه ابزار تأثیر چشمگیری بر کیفیت سطح اتصال دارد[4]. در سال ٢٠١٥ داوود و همکارانش اثر پروفیل پین ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی را بر ساختار و خواص مکانیکی آلیاژ 6061-T6 مورد بررسی قرار دادند[5]. در سال ٢٠١٦، غروی و همکارانش به ارزیابی خوردگی جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی لببهلب آلیاژ 6061-T6 پرداختند[6]. در زمینه جوشکاری غیر فلزات، باقری و همکاران[7] با استفاده از ابزار با شانه ثابت به جوشکاری ورقهای پلیمری ABS[1] پرداختند. در تحقیق ایشان، متغیر پاسخ، استحکام کششی جوش و متغیر ورودی، سرعت چرخش و پیشروی ابزار بوده است.
در تحقیقات دیگری، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی روی چهار نوع ماده ترموپلاستیک مختلف شامل استال، نایلون PMMA66 و PVC مورد بررسی قرار گرفتند[8]. براساس نتایج این تحقیقات، مشخص شد سرعت دورانی محور ماشین پارامتر بسیار مهمی در بالابردن استحکام کششی جوش اصطکاکی اغتشاشی در این نوع ترموپلاستیکهاست. در تحقیق دیگری، ناطقی و حسینزاده[9] به کمک طراحی آزمایش تاگوچی تأثیر گاز خنککنندۀ Co2 را بر استحکام جوش و تنش پسماند بررسی کردند. نمونههای آنها از جنس پلیاتیلن چگالی بالا بود که به کمک جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی اتصال یافته بودند. نتایج نشان میداد استفاده از گاز خنککننده منجر به بهبود استحکام قطعات جوش دادهشده خواهد شد. امینی و امیری[10] به بررسی استحکام کششی، توزیع حرارت و نیروهای ماشینکاری در جوشکاری اصطکاکی نمونههای آلومینیومی پرداختند. آنها نشان دادند اعمال ارتعاش موجب افزایش استحکام کششی جوش خواهد شد. نمای کلی روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در شکل شماره 1 نشان داده شده است.
با توجه به تحقیقات پیشین، پژوهشی که به بررسی پارامترهای مؤثر بر استحکام جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مواد پلیپروپیلن پرداخته باشد، مشاهده نشد؛ بنابراین در این تحقیق سعی بر بررسی و بهبود استحکام کششی قطعات پلیپروپیلن شده است. در این پژوهش، سرعت دورانی و سرعت خطی ابزار، ثابت در نظر گرفته شدند و تأثیر پارامترهایی همچون هندسه شولدر ابزار و تنظیمات زاویه کلگی دستگاه برای جوشکاری ورقهای پلیپروپیلن بررسی شدند.
شکل شماره 1. فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
فرایند جوشکاری توسط دستگاه فرز انجام میگیرد. به دلیل نیروی زیادی که در حین جوشکاری به ورقها وارد میشود، ضروری است ورقها کاملاً ثابت شده و در حین عملیات تغییر موقعیت ندهند. بدینمنظور فیکسچری طراحی شد تا هم از جابجایی ورقها حین جوشکاری جلوگیری کند و هم مانع بازوبستهکردن مکرر روبندهها در هر مرحله شود. فیکسچر طراحیشده قابلیت بستن ورقهایی در ابعاد مختلف را داشته و قابل تنظیم است (شکل شماره 2). به دلیل صیقلیبودن سطح ورقها، امکان لغزش آنها از زیر فیکسچر نگهدارنده زیاد است. دراینصورت سبب ایجاد فاصله در خط جوش و درنتیجه تضعیف اتصال خواهد شد. برای جلوگیری از این امر، روی روبندهای فیکسچر که هرکدام توسط دو عدد پیچ بسته میشوند، دو عدد سوهان متصل شده است تا در اثر اصطکاکشان با قطعات از جابهجایی آنها در حین کار جلوگیری شود.
شکل شماره 2. فیکسچر نگهدارندۀ قطعات
شکل شماره 3. مجموعه فیکسچر، ابزار و ورق
برای انجام فرایند جوشکاری، ابتدا دو ورق پلیپروپیلن با ابعاد 5×50×100 میلیمتر آماده شدند و توسط یک فیکسچر و به صورت لببهلب در کنار یکدیگر قرار گرفتند. سپس توسط ابزار طراحیشده مورد جوشکاری قرار گرفتند (شکل شماره 3). در فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، جنس ابزار دارای اهمیت بسزایی است، زیرا ابزار با قطعه کار ارتباط مستقیم داشته و در معرض سایش است. جنس ابزار باید از مادهای باشد که در اثر تماس ساییده نشود و قابلیت سختکاری با عملیات حرارتی را داشته باشد. بدینمنظور، فولاد Spk به دلیل قابلیت عملیات حرارتی و سختی سطحی بالا پس از عملیات حرارتی، انتخاب شد.
شکل شماره 4. نامگذاری اجزای مختلف ابزار FSW
ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی پارامتری کلیدی در این روش جوشکاری است. در طراحی ابزار باید نکات مهم زیر در نظر گرفته شوند:
قطر پین ابزار برابر است با ضخامت ورقهای مورد جوشکاری[11]
(1) d=t
ارتفاع پین از روابط زیر محاسبه میشود:
(2) L=t-0/3 or L=t-0.2
قطر شولدر ابزار با سه برابر قطر پین برابر است یعنی:
(3) D=3×d
شکل شماره 5. الکترود اسپارک و شیوۀ قرارگیری آن
ویژگیهایی که از آن صحبت شد، در نکات بالا در شکل شماره 4 مشاهده میشوند[11]. به دلیل اینکه در پژوهشهای پیشین برای جوش این ترموپلاستیک خاص (پلیپروپیلن) بهترین شکل ابزار مورد بررسی قرار نگرفته بود، از تحقیقاتی که روی هندسه ابزار در جوشکاری قطعات آلومینیومی، کامپوزیتها و ترموپلاستیکها کار شده بود، کمک گرفته شد[12-11]. سپس به صورت آزمون و خطا انواع ابزارها با شکل و هندسههای مختلف، ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت. ابتدا جوشکاری توسط ابزار با هندسه استوانهای ساده انجام شد که جوش حاصل کیفیت ظاهری مناسبی نداشت. حتی در مواردی اصلاً اتصال انجام نشد و مواد به صورت لهشده در درز جوش قرار میگرفتند. سپس ابزارهای با پین مخروطی مورد آزمایش قرار گرفت.
براساس تحقیقات پیشین استنباط شد پینهای مخروطیشکلی که سطح پین آنها رزوهدار است، استحکام کششی پایینتری نسبت به پینهای شیاردار برای قسمت جوشدادهشده، ایجاد میکنند که دلیل آن قرارگرفتن ماده خمیری روی گام پیچ و حرکت ماده خمیری به سمت بالاست. با توجه به بررسیهای پیشین، پین ابزار به صورت شیاردار انتخاب شد. همچنین دو عدد ابزار ساخته شد که یکی از آنها با سطح شولدر صاف و دیگری با سطح شولدر مارپیچی بود. پین ابزار دارای قطر 5 و ارتفاع 8/4 میلیمتر است که به صورت مخروطی است. شولدر این ابزار نیز قطر 15 میلیمتری دارد.. ایجاد این شیار روی شولدر، با دستگاههای تراش و فرز به دلیل کوچکبودن قطعه کار امکانپذیر نبود.
با توجه به امکانات موجود، از دستگاه اسپارک[13] برای ایجاد شیار استفاده شد. به منظور ایجاد این فرم خاص توسط دستگاه اسپارک، باید ابتدا الکترود آن ساخته میشد. برای این کار، از یک سیم مسی به قطر 5/2 میلیمتر استفاده شد. مقدار نفوذ الکترود در عملیات اسپارک یک میلیمتر تنظیم شد. پس از ساخت ابزار با شیار مارپیچی، فرایند عملیات حرارتی ابزار صورت گرفت. در حالت ایدئال، جنس ابزار باید از مادهای با سختی، سفتی و مقاومت به سایش بالا در دمای بالای جوشکاری و دارای مقاومت به اکسیداسیون باشد. همچنین ضریب هدایت حرارتی آن نیز باید پایین باشد. بدینمنظور دمای کوره روی 800 درجه سانتیگراد تنظیم شد. پس از رسیدن دمای کوره به حرارت تنظیمشده، ابزار به مدت بیست دقیقه داخل کوره قرار داده شد و سپس بهسرعت داخل آب کوئینچ شد. در حین قراردادنِ ابزار گداخته در داخل آب باید آن را در آب حرکت دهیم تا سردشدن سریعتر انجام گیرد.
شکل شماره 6 -الف) شولدر ساده شکل شماره 6 -ب) شولدر مارپیچ
شکل شماره 7. شماتیک انحراف ابزار نسبت به قطعه کار
پس از اتمام عملیات حرارتی ابزار، بهمنظور تمیزکاری سطح قطعه از لایه اکسیدشدۀ سیاهرنگ، قطعه با سمباده نرم صیقل داده شد. ابزار ساختهشده آمادۀ جوشکاری است و طبق انتظار، شولدر دارای سطح مارپیچ سطحی یکنواختتری از شولدر صاف به وجود آورد (شکل شماره 6). پس از انتخاب ابزار لازم برای جوشکاری قطعات، پارامتر دیگری با عنوان زاویه کلگی دستگاه مورد بررسی قرار گرفت. ابزار و قطعه کار باید دارای زاریه انحراف θ نسبت به هم باشند و این انحراف در خلاف جهت پیشروی خواهد بود که در شکل شماره 7 نشان داده شده است. این نوع انحراف ابزار سبب افزایش نفوذ شولدر (P) میشود[13].
(4) P=0.5×D sinθ
در رابطۀ بالا D قطر شولدر است. گفتنی است پارامتر P (نفوذ شولدر) که در بالا تعریف شد، برای حالتی است که وسط ابزار در تماس با قطعه باشد و البته خود از پارامترهای مهم جوشکاری است. برای ایجاد جوشی باکیفیت خوب، همواره باید ابزار به درون قطعه نفوذ کند تا این نفوذ موجب افزایش فشار وارده به زیرابزار و در نهایت فشردهشدن مادۀ مورد نظر در عقب ابزار شود. پس از جوشکاری، قطعات براساس استاندارد (ASTM-D638-02a) [14] با ابعاد مورد نظر به صورت دمبلیشکل بریده شده و سپس مورد آزمایش کشش قرار گرفتند.
شکل شماره 8. نمونه جوشکاریشده پیش از آزمون کشش
پس از انجام آزمونهای کشش، نمودارهای تنشـکرنش نمونهها، توسط دستگاه GOTECH-AL-7000LA10 استخراج شدند. سپس برای استفادهکردن در این مقاله، مقادیر به نرمافزار اکسل انتقال یافت و جداول برای مقایسه و ترسیم آماده شد.
برای آزمون تأثیر هندسه شولدر ابزار بر استحکام کششی جوش، دو عدد ابزار مخروطی شیاردار طبق مشخصات گفتهشده ساخته شد. شولدر یکی از این ابزارها صاف و روی شولدر ابزار دوم یک عدد شیار مارپیچ توسط دستگاه اسپارک ایجاد شد. تمامی شرایط جوشکاری برای این دو ابزار در زمان تست، کاملاً یکسان بود (سرعت دورانی Rpm400، سرعت خطی mm/min20 و زاویه کلگی دستگاه˚2). پس از جوشکاری، نمونهها مورد آزمایش کشش قرار گرفتند. نمودار تنش ـ کرنش تلفیقی مربوط به قطعات جوشکاریشده با این دو ابزار، در شکل شماره 9 ارائه شده است.
شکل شماره 9. نمودار تنش ـ کرنش مربوط به قطعات جوشکاریشده با دو ابزار مختلف
با توجه به شکل شماره 9 مشخص است که وجود شولدر مارپیچی در ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، موجب افزایش استحکام کششی قطعات جوشکاریشده خواهد شد. دلیل این امر را میتوان اینگونه بیان کرد که ابزار بدون شولدر، با واردشدن به درز جوش و دوران در این منطقه، نمیتواند مذاب خارجشده از حوضچه را در محل حوضچه نگهداری کند و این مذاب از اطراف شولدر خارج شده و تا انتهای جوش کمبود ماده در خط جوش مشاهده میشود که سبب کمشدن استحکام کششی میشود (شکل شماره 10).
شکل شماره 10. جوش ایجادشده توسط ابزار مخروطی با شولدر صاف
با اضافهکردن شیار مارپیچ به شولدر، مذاب در محل جوش نگهداری میشود و با حرکت مارپیچ موجود روی شولدر در حال دوران، مذاب در محدوده شولدرنگهداری شده و روی حوضچه حرکت میکند تا در محلی که نیاز است، قرار گیرد. برای اینکه بهترین زاویه کلگی دستگاه برای جوشکاری این جنس خاص (پلیپروپیلن) انتخاب شود، در شرایط کاملاً یکسان (سرعت دورانی Rpm 400، سرعت خطی mm/min20)، نمونههایی با زوایای 0، 1، 2 و 3 درجه مورد جوشکاری قرار گرفتند. پس از انجام آزمونهای کشش روی نمونههای دارای زاویه کلگی متفاوت، نمودارهای تنش ـ کرنش شکل شماره 11 به دست آمدند.
شکل شماره 11. نمودار تنش ـ کرنش مربوط به چهار زاویه مختلف کلگی
با مقایسۀ نمودارهای شکل شماره 11 میبینیم که زاویه کلگی در حالت 2 درجه موجب استحکام بیشتری در ناحیه جوشکاری میشود. همچنین برای پردازش بهتر اطلاعات بهدستآمده، در شکل شماره 12 نموداری تلفیقی از چهار حالت آزمایششده نشان داده شده است. با توجه به شکل شماره 12، مشاهده میشود زاویه کلگی دارای مقدار بهینهای بوده و بالاترین استحکام کششی ایجاد شده مربوط به حالتی است که زاویه کلگی دستگاه 2 درجه است، زیرا در زاویه صفر درجه در سطح مقطع جوش و در قسمت عقبنشینی به دلیل ناکافیبودن مواد در جهت عمودی، عیب تونلی و در بعضی مواقع ترک ایجاد میشود (شکل شماره 13).
شکل شماره 12. نمودار مقایسه استحکام کششی چهار زاویه مختلف
هرچه زاویۀ کلگی افزایش مییابد به علت فشار عقب شولدر به مواد و فورجکردن آنها به سمت پایین، مواد به هم فشرده شده و بهتر به هم میچسبند؛ در نتیجه استحکام جوش بالاتر میرود، ولی با رسیدن این زاویه به 3 درجه، چون میزان نفوذ شولدر در قطعه به حدود 45/0میلیمتر میرسد، میزان خروج مذاب از اطراف شولدر زیاد شده و در اطراف خط جوش ایجاد پلیسه افزایش مییابد و جوش لاغر میشود؛ به همین دلیل است که استحکام جوش به طرز معناداری کاهش مییابد (شکل شماره 14).
شکل شماره 13. عیب تونلی در سطح مقطع جوش |
شکل شماره 14. پلیسههای ایجادشده در اثر زاویه کلگی 3 درجه |
در این تحقیق دو ورق پلیپروپیلن با ابعاد 5×50×100 میلیمتر، به صورت لببهلب به روش اصطکاکی اغتشاشی جوشکاری شد و تأثیر هندسه شولدر ابزار و زاویه کلگی دستگاه بر استحکام کششی جوشهای حاصل درحالیکه سایر پارامترها ثابت بودند، مورد آزمایش قرار گرفت و نتایج زیر به دست آمد:
1. هندسه ابزار تأثیر زیادی بر استحکام کششی و شکل ظاهری جوش ایجادشده دارد؛
2. با بهکاربردن شولدر مارپیچ به جای شولدر ساده میتوان استحکام جوش را تا 20 درصد بهبود بخشید و بنابراین طراحی شولدر ابزار بر استحکام کششی جوش تأثیر زیادی دارد؛
3. در بین ابزارهای تستشده، ابزار دارای پین مخروطی شیاردار و شولدر مارپیچی، بهترین شکل ظاهری و استحکام کششی را نشان دادند؛
4. با تغییر زاویه کلگی از صفر تا 2 درجه، استحکام کششی جوش افزایش مییابد ولی در زاویه کلگی 3 درجه استحکام به مقدار قابلتوجهی کاهش نشان میدهد؛ بنابراین در این تحقیق بهترین زاویه کلگی برابر 2 درجه بوده است.