مهدي حاجي هاشمي- Mahdi Hajihashemi

عنوان : بهينه سازي و استفاده از فرايند ريخته گري نيمه جامد جهت اتصال آلياژ آلومينيوم ۶۰۶۱ به روش هيبريدي نيمه جامد/ اصطكاكي اغتشاشي و با اضافه كردن مواد تقويت كننده نانومتري

TITLE : Optimization and utilization of semisolid casting process for welding Al-6061 alloy using a SSM/FSW hybrid joining process

چكيده

اتصال قطعات آلومينيومي يكي از فرايندهاي اصلي در بسياري از صنايع از قبيل اتومبيل سازي، هوانوردي، دريايي و نظامي است و همواره نقشي اساسي در پيشرفت اين صنايع داشته است. آلياژ آلومينيوم 6061 به دليل قابليت عمليات حرارتي و دارا بودن محدوده وسيعي از خواص مكانيكي و خوردگي، به علاوه خواص معمول آلياژهاي آلومينيوم مانند نقطه ذوب پايين و نسبت استحكام به وزن بالا، يكي از مهمترين آلياژهاي مورد توجه صنايع مي­باشد. در اين بين جوشكاري ذوبي اين آلياژ به علت مشكلات ناشي از ايجاد حوضچه مذاب مانند ترك­هاي انجمادي و افت استحكام ناشي از حل شدن كامل رسوبات ناحيه جوش با چالش­هايي روبرو است. روش جوشكاري اصطكاكي- اغتشاشي (FSW) يكي از روش­هايي است كه به منظور رفع اين مشكلات ابداع شده است. البته در اين روش نيز با توجه به گرماي ايجاد شده ناشي از تماس يك پين چرخان با ناحيه اتصال و شانه دستگاه با سطح، ممكن است مشكلات جديدي ناشي از تبلور مجدد سريع و رشد غيرمعمول دانه­ها، حل شدن رسوبات و كاهش خواص ناشي از سختي رسوبي مانند استحكام و تنش تسليم بروز كند. در اين تحقيق براي اولين بار و با استفاده از ريختن دوغاب نيمه­جامد از جنس فلز پايه در محل اتصال زيرلايه، به بررسي اثرات كاهش حرارت ورودي به زيرلايه در فرايند جوشكاري اصطكاكي- اغتشاشي متعاقب، كاهش سرعت چرخش ابزار و افزايش سرعت پيمايش و لذا كاهش افت سختي و افزايش استحكام در ناحيه جوش پرداخته شد. جهت توليد دوغاب نيمه جامد، يك سطح شيب دار مينياتوري با خواص سرد كنندگي مذاب و با دبي بسيار پايين طراحي و ساخته شد. در ادامه و با مشخص كردن عوامل موثر بر ريزساختار دوغاب نيمه جامد نهايي مانند طول و زاويه سطح شيب دار، نرخ ريخته­گري و دماي فوق ذوب، بررسي­هاي ريزساختاري با استفاده از مطالعات ميكروسكوپ نوري و ميكروسختي سنجي انجام گرديد. سپس به كمك طراحي آزمايش فاكتوريل دو سطحي، پس از تعيين درصد تاثير هر عامل بر خواص نهايي، رابطه رياضي مربوط به هر پاسخ توسعه داده شده و شرايط ايجاد بهترين ريزساختار از لحاظ ميزان كرويت، اندازه دانه و سختي تعيين شد. بر اين اساس، نرخ ريخته­گري 2/1 ميلي­ليتر بر ثانيه، زاويه سطح °40، دماي فوق ذوب °C10 و طول سطح 5 سانتي متر به عنوان شرايط بهينه توليد دوغاب نيمه جامد تعيين گرديد. در ادامه و با جريان يافتن دوغاب توليدي به درون درز جوش به عنوان ماده پر كننده، بلافاصله جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي جهت اتصال آلياژ صورت گرفت. نواحي مختلف ريزساختاري آلياژ اتصال يافته شامل فلز پايه، ناحيه متاثر از حرارت، ناحيه متاثر از گرما- كار و فلز جوش مورد مطالعه توسط ميكروسكوپ نوري و الكتروني روبشي قرار گرفتند. همچنين سختي و استحكام تسليم اتصالات حاصله با نمونه­هاي مرجع مقايسه شد. مطالعات ريزساختاري و مكانيكي بر اتصالات حاصله به روش­هاي FSW و هيبريدي FSW/نيمه جامد حاكي از آن است كه شدت تغييرات سختي در روش هيبريدي كاهش يافته و ميزان سختي در ناحيه جوش با مقادير مربوط به فلز پايه اختلاف كمتري دارد. همچنين ريزساختار ناحيه جوش به ريزساختار فوق ريزدانه نزديك شده و ميزان استحكام تسليم و درصد ازدياد طول نسبت به نمونه جوشكاري شده به روش FSW به ترتيب تا مقادير MPa 53 و 88/8% بهبود يافته است. دليل افزايش درصد ازدياد طول را مي­توان در كاهش اثر رسوبات در ناحيه جوش نسبت به نمونه جوشكاري شده به روش FSW دانست كه توسط ريز شدن دانه­ها در اثر افزايش محل­هاي مناسب براي تبلور مجدد ثانويه جبران شده است.

كلمات كليدي: آلومينيوم 6061، جوشكاري اصطكاكي- اغتشاشي، ريخته­گري نيمه جامد، فرايند هيبريدي، ريزساختار، خواص مكانيكي، طراحي آزمايش

Abstract

Joining of aluminum parts has been a main part of many industries such as in automobile, aerospace, marine and military sectors. Aluminum 6061 alloy is one of the most important alloys in these industries due to its heat-treatability, wide range of mechanical and corrosion properties as well as low melting point and high strength to weight ratio. Liquid welding of this alloy has been challenging due to problems associated by formation of liquid pool such as solidification cracking and loss of mechanical properties due to dissolution of precipitates in the weld metal. Friction stir welding is one of the processes used to reduce these problems. However, it suffers from the excessive heat generated between the rotating pin, the shoulder and the specimen resulting in rapid recrystallization, grain coarsening; precipitate dissolution and deterioration in age hardening properties. In this research, a miniature cooling slope semisolid metal (SSM) slurry production device with low flow rate pouring capability was designed and used to fill the weld line of aluminum 6061 plates with a semisolid slurry of the same composition. Subsequently, the effects of different processing parameters including angle and length of the cooling slope, pouring rate and superheat temperature on the microstructure and hardness of the semisolid cast samples were studied using standard experimental procedures as well as a two-level factorial design of experiment method. In addition, mathematical models for the effects of the processing conditions on microstructural characteristics and hardness were developed. The optimum processing conditions were identified as 1.2 ml/s pouring rate, 40° slope angle, 10 °C superheat and 5 cm slope length. The optimized slurry was then used as filler metal to fill the groove between two aluminum 6061 plates. In some samples ...