ادخمنابه - ایران موادdl.iran-mavad.com/articles94/94092701.pdf · m هب اههناد هزادنا طسوتم ]01 ¹9[دنوشیم لیدبت دهدیم ناشن

هب انم خدا

1

و ریزساختار بر اختالطی اصطکاکی جوشکاری در خطی سرعت تغییر تاثیر

فوالدنرم اتصاالت مکانیکیخواص

3،علیرضا ایوانی 3،حمیدرضا جعفریان 2خیراندیش ،شهرام 1کرمی سامان

چکیده

سیبرر AISI 1018فوالد مکانیکی خواص و ریزساختار بر اختالطی اصطکاکی جوشکاری سرعت تاثیر پژوهش این در

و rpm 054 چرخشی سرعت در کبالت-تنگستن کاربید ابزار از استفاده با mm 2 ضخامت به فوالدی هاینمونه. شد

متالوگرافی و کشش سنجی، سختی هایآزمایش سپس. شدند جوشکاری mm/min 051 و 144 ،54 خطی هایسرعت

ناحیه در هادانه که دادنشان یزساختاریر مشاهدات. گرفت صورت ریزساختار تحلیل و مکانیکی خواص بررسی برای

و فریت ریز هایدانه به هادانه این .اندرسیده mμ 4-2در حدود ایدانهاندازهبه اند و شده ریز بسیار جوش اختالط

334 به 181از منطقه این سختی ، سبب افزایشجوش اختالط ناحیه در دینامیکی مجدد تبلور وقوع. شدند تبدیل پرلیت

.استشده اتصال کششیخواص باالرفتن سبب و استشده رزویک

.مکانیکی خواص تبلورمجدد، جوشکاری، سرعت فوالد، اختالطی، اصطکاکی جوشکاری کلمات کلیدی:

1 . دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده مواد و متالورژی- دانشگاه علم وصنعت ایران،

[email protected] 2 . استاد دانشکده مواد و متالورژی- دانشگاه علم وصنعت ایران

3 . استادیار دانشکده مواد و متالورژی- دانشگاه علم وصنعت ایران

www.iran-mavad.com مرجع دانشجویان و مهندسین مواد

2

مقدمه -0

توجه حاضر حال دریافت و گسترش 0990 سال در 2(TWI) شرکت توسط 1(FSW) فرآیند

آهنگری بر متکی و بوده جامد حالت فرآیند ماهیت [.0] است ردهک جلب خود به را ایمالحظه قابل

به بند پشت یک توسط کار قطعه از متشکل صفحات. است اتصال ایجاد برای جوش منطقه موضعی

ابزار یک از استفاده با اختالطی اصطکاکی جوشکاری. دشونمی ثابت جوشکاری طی در ماشین کف

مهمترین. شودمی انجام ابزار شانه از کوچکتر قطر با ایانهاستو پین یک دارای شکل ایاستوانه

ابزار فروروی نیروی و ابزار ابعاد ابزار، حرکت سرعت چرخش، سرعت شامل فرآیند پارامترهای

[.3و2]است

تحت منطقه ،3(SZ) جوش دکمه یا اختالط منطقه شامل فوالدها روی اختالطی اصطکاکی هایجوش

حرارت تأثیر تحت منطقه یک و اختالط منطقه اطراف 0(TMAZ) یکیمکانترمو عملیات تأثیر

(HAZ)5 حرارت باالی اصطکاکی اغلب از طریق در دکمه جوش، تغییرشکل شدید و [.4]ندسته

( نیز ماده دمای نسبتا TMAZشود. در ناحیه )دینامیکی سبب تولید ریزساختار ریزدانه می تبلورمجدد

جای تبلورمجدد، بازیابی دینامیکی رخ دلیل کرنش ناکافی بهاما به باال وتغییرشکل را تجربه کرده

گونه تغییرشکل مکانیکی نشده و تنها در اثر حرارت ورودی دچار هیچ (HAZ)دهد. ناحیه می

[.6و 5. ]کندمکانیکی ماده تغییر میخواص

را فوالدها در اندپسم هایتنش و اعوجاج اندازه و( HAZ) در دانه رشد( FSW) کمتر ورودی انرژی

از حاصل گازهای و فوالدها در هیدروژنی ترک مشکالت این، بر عالوه. رساندمی حداقل به

این کلی، صورتبه. است جامد جالت فرآیند یک( FSW) زیرا خواهدشد حذف جوشکاری

رایندف[. 6]دهدمی قرار توجه مورد زیادی کاربردهای در فوالد اتصاالت برای را( FSW) ،امتیازات

FSW نزن زنگ فوالدهای و شده، سخت فوالدهای نرم، فوالدهای قبیل از فوالد نوع چندین روی بر

1 . Friction Stir Welding 2 . The Welding Institue 3 . Stir Zone 4 . Thermo-Mechanical Affected Zone

5 . Heat Affected Zone


3

نرم فوالد اتصال برای( FSW) پذیریامکان دادن نشان پژوهش این عمده اهداف[. 7]است شده انجام

اختالطی اصطکاکی جوشکاری به مربوط مکانیکیخواص و( ریزساختارها) فرآیند توصیف وسیلهبه

.است نرمفوالدهای روی

روش پژوهش -2

استفاده با هاورق سطح. شد استفاده mm 2 ضخامت به AISI 1018 فوالد هایورق از پژوهش این در

جنس از ابزاری توسط جوشکاری.گردید استفاده زدایی چربی برای استون از و شد تمیز سیمی برس از

. شد انجام mm 7/0 پین طول و mm 7 پین قطر ،mm 06 شانه قطر با کبالت-تنگستن کاریبد

بر عمود خط به نسبت ابزار. شد انجام KW 8با توان NC سنگین فرز دستگاه توسط جوشکاری

را سیالن باالترین ماده حالت این زیرا داشت انحراف جوشکاری جهت در درجه 3 جوشکاری راستای

و rpm 451 ابزار چرخش سرعت با هانمونه جوشکاری، سرعت تاثیر بررسی جهت .[8]دارد

.شدند جوشکاری mm/min 051 و 011 ، 51 خطی حرکت هایسرعت

نوری میکروسکوپ توسط ریزساختاری بررسی. گردید انجام نایتال %2 حکاکی محلول با متالوگرافی

با( cleme xvision) تصویر تحلیل افزارنرم توسط هادانه اندازه متوسط و گرفت صورت

.آمد بدست دانه گیریاندازه مختلف نداردهایاستا

ASTM) استاندارد طبق شدهساخته عرضی هاینمونه کشش آزمایش وسیلهبه هانمونه مکانیکیخواص

– E8M- 04 )فک حرکت سرعت با کشش دستگاه از استفاده باmm/min 5 با ریزسختی آزمایش و

.شد انجامsec 05 زمان و gr 011 باربا دستگاه میکرو ویکرز

نتایج و بحث-3

ریزساختار -3-0

نمای کلی از مقطع عرضی جوش اصطکاکی اختالطی در 0جهت بررسی ریزساختار شکل

دهد. در این شکل سمتی که جهت سرعت خطی و مماس بر سرعت را نشان می mm/min 51سرعت


4

( و سمتی که این دو AS)1هرا قسمت پیشروند (شکل راست سمت)گیرند چرخشی در یک سو قرار می

است. ( نامگذاری شدهRS)2را قسمت پسرونده( شکل چپ سمت)گیرند در خالف جهت هم قرار می

شود عرض ناحیه همزده در سطح فوقانی تقریبا برابر قطر شانه ابزار است همانطور که در شکل دیده می

مناطق 0در شکلمل نیامده است. دلیل کوچکتر بودن ارتفاع پین از ضخامت ورق نفوذکامل به عو به

3(BM ،فلزپایه )(HAZ) حرارت تاثیر تحت ناحیه( وSZناحیه اختالط قا )ل مشاهده است.ب

AISI 1018نمای کلی از مقطع جوشکاری شده فوالد -0شکل

دهدرا نشان میپایه منطقه فلز الف -2شکلبا توجه به مناطق شکل گرفته در طول فرایند جوشکاری،

ها تشکیل شده است و در تمام نمونه mμ 02-01های فریت و پرلیت با قطر متوسط که از دانه

گیرد.گونه تغییر شکل یا تاثیرات حرارتی قرار نمیصورت یکسان وجود دارد و تحت تاثیر هیچبه

در این منطقه هیچ کهاز آنجایی دهدرا نشان می (HAZ)تحت تاثیر حرارت یمنطقه ب -2شکل

سبب شود که بهنیز دیده می (FSW)افتد همانند جوشکاری ذوبی این ناحیه در تغییرشکلی اتفاق نمی

در نسبت به جوشکاری ذوبی کوچکتر است. (HAZ)منطقه (FSW)تر در حرارت ورودی پایین

اند. کشیده شدهها در راستای مرز شود که دانه( دیده میSZو) (HAZ)مرز دو ناحیه ج -2شکل

( است که عالوه برآنکه تحت SZشود منطقه اختالط )مشاهده می د -2بعدی که در شکلی ناحیه

.شوددچار تغییر شکل نیز می تاثیر حرارت قرار دارد

1 - Advancing Side 2 - Retreating Side 3 . Base Metal


5

mm/min 51وسرعت جوشکاری rpm 451سرعت دورانی در مناطق مختلف جوش -2شکل

SZ( ناحیه د، SZو HAZ( مرز ناحیه ج، HAZ( ناحیه ب ،BM هناحیه فلزپای( الف

شده تشکیل ساختاری مختلف قسمت دو از AISI 1018 فوالد در( HAZ) منطقه 3شکل به توجه با

که پیک دمایی آنها بین دو خط (HAZ)ای از کربن ناحیه -براساس دیاگرام دوتایی آهن .است

است. در این ناحیه جزایر پرلیت اولیه در و آستنیت قرارگرفتهناحیه دوفازی فریت 3Aو 1Aبحرانی

یابند های فریت اولیه گسترش میتبدیل به آستنیت شده و کمی به داخل کلونی (FSW)طول فرایند

های فریت اولیه شوند اما کلونیهای بسیار ریز فریت و پرلیت تبدیل میسپس در طی سردشدن به دانه

شوند و ها بصورت دوجزیی ریز میدانهالف -3مطابق شکلمانند بنابراین قی میتقریبا بدون تغییر با

را نشان (HAZ)ای از ناحیه ب -3شکل. اما [01و9]است mμ 22/6ها در این ناحیه متوسط اندازه دانه

های دهد تا دانهو بنابراین اجازه می قرار داشته 3Aکه پیک دمایی آن باالتر از خط بحرانی دهدمی

های کوچک فریت و پرلیت های آستنیت به دانهآستنیت کامال جوانه بزنند. در حین سرد شدن این دانه

تغییرات اندازه متوسط 0جدول رسد.می mμ 65/5ها به [ و متوسط اندازه دانه01و9شوند]تبدیل می

دهد.ایط مختلف جوشکاری نشان میدو منطقه را در شرهای ایندانه


6

و سرعت جوشکاری rpm 451نمونه جوشکاری شده با سرعت دورانی (HAZ) تشکیل شده در ناحیه دو منطقه مختلف -3شکل

mm/min 51 )ریزدانهب( ناحیه ناحیه ریزدانگی جزیی و الف

سرعت جوشکاری بیشینه دمای تولیدشده در طول جوشکاری و مدت زمانی که قطعه در معرض

کند. با افزایش سرعت جوشکاری زمانی که ماده در معرض دمای دارد را کنترل میجوشکاری قرار

(HAZ)های یابد و سبب کاهش اندازه متوسط دانهحاصل از جوشکاری قرار دارد کاهش می

.[00]شودمی

تبلورمجدد تحت تاثیر باالترین درجه حرارت و نرخ کرنش قرار دارداختالط ناحیه کهاز آنجایی

ترریز (HAZ)نسبت به فلز پایه و ها دانهکه به سبب آن اندازهافتد اتفاق میدر این ناحیه ی دینامیک

. ریزساختار و خواص مکانیکی در فرایند تبلورمجدد دینامیکی عالوه بر مقدار کرنش، به دنشومی

رعت است با افزایش سآمده 0همانطور که در جدول[. 02دمای تغییرشکل و نرخ کرنش بستگی دارد]

1هولمن-زنراز پارامتر توان با استفادهیابد. علت این کاهش را میکاهش می دانهجوشکاری اندازه

را به اندازه و نرخ کرنش ی تغییرشکلدو متغیر دما( 2( و)0پارامتر مزکور مطابق رابطه ) .تشریح کرد

:[03و02]سازددانه مرتبط می

1 . Zener-Holman


7

(1) ( )exp Z =

: انرژی اکتیواسیون است.Q:ثابت گاز و R:دما، T: نرخ کرنش، : پارامتر زنر، Zدر این

گی هولمن بست-های تبلورمجدد یافته مطابق رابطه زیر به پارامتر زنرقطر نهایی دانه

:[03و02دارد]

(2) 1-d = (a + b lnZ)

ت وابسته به جنس ماده هستند.و ثابد bو a: اندازه دانه، dکه در این رابطه

ای تغییرشکل کاهش های جوشکاری باالتر، نرخ کرنش افزایش و دمدر سرعتبرطبق روابط باال

های این پژوهش ابق با یافتهکه مط یابدافزایش و اندازه دانه کاهش می Zکند. در نتیجه پیدا می

(.1)جدول است

SZو منطقه HAZدانه در دو منطقه تغییرات اندازه -0جدول

دانه ناحیه متوسط اندازه سرعت جوشکاری

mμریزشدن جزئی

ناحیه دانهاندازه متوسط

mμن کامل ریزشد

ناحیه دانهاندازه متوسط

mμاختالط mm/min 05 22/6 65/5 34/3 mm/min 155 45/5 83/4 65/2 mm/min 105 30/4 9/3 80/0

کششی استحکام -3-2

عات این منحنی در اطال .دهدمی نشان را عرضی کشش هایمونهن کرنش-تنش نمودار 4شکل

هاینمونه و پایه فلز در mm/min 51 جوشکاری سرعت به مربوط نمونه است.آمده 2جدول

mm/min 011 شکستند جوش ناحیه در 051و.


8

mm/min 051و 011و 51های خطی و سرعت rpm 451کرنش در سرعت دورانی -نمودار تنش 4شکل

های جوش داده شدهمونهخواص مکانیکی ن 2جدول

درصد ازدیاد طول % (MPaتنش کششی نهایی) (MPaتنش تسلیم) سرعت جوشکاریmm/min 05 221 491 22 mm/min 155 231 421 6 mm/min 105 231 411 5

شوندمی ریزتر هادانه نواحی تمام در جوشکاری سرعت افزایش با شد گفته باال در که همانطور

پژوهش این نتایج با که یابد افزایش کششی استحکام باید جوشکاری سرعت افزایش با بنابراین

نشان 6که در شکل است جوش ناحیه در حفره عیب وجود آن دلیل. 5شکل ندارد همخوانی

. دهندمی کاهش شدتبه را تغییرطول درصد و کششی استحکام حفره و شیاری عیوب. استشدهداده

هایسرعت در. است (FSW) حین در ناکافی حرارت تولید و ماده النسی عیوب این تشکیل دلیل

پین پشت در پیشرونده به پسرونده سمت از مواد سیالن برای ورودی حرارت باال، نسبتا جوشکاری

حاصل جوش حالتی چنین در.بپوشانند را پین توسط شده ایجاد شیار توانندنمی مواد و بودهن کافی

نمودارها این در همچنین [.6]کندمی پیدا کاهش جوش استحکام و است (حفره) داخلی عیوب حاوی


9

که یابدمی افزایش مقدارکمی تسلیم استحکام جوشکاری سرعت افزایش با که شودمی مشاهده

.باشد باال هایسرعت در دانهاندازه کاهش دلیلبه تواندمی

و )ج( عیب جوش ناحیه از شده شکستهحالت ( ب) ،فلزپایه از شده شکستهحالت ( الف) کستاز شتصویر نمونه تست کشش پس -5شکل

استپدید آمده در اثر سیالن ناکافی مادهکه SZ و HAZحفره در مرز ناحیه

سختی -3-3

(mm/min 51 – rpm 451)جوشکاری شده در حالت نمونه برای جوش درمقطع سختی ریز توزیع -6شکل


11

جوش مقطع در حرکت با. دهد می نشان را جوشکاری جهت بر عمود مقطع در سختی توزیع 6شکل

این در سختی افزایش. است پایه فلز از بیشتر (HAZ) ناحیه در سختی پسرونده، به پیشرونده سمت از

این ناحیه در (TMAZ) دلیل عرض بسیارکم ناحیهبه [.04]باشد می هادانه اندازه کاهش دلیلبه ناحیه

مقطع در را سختی حداکثر که قراردارد (SZ) ، ناحیه(HAZ) ناحیه ازنمودار سختی رسم نگردید. پس

مرتبط هانابجایی دانسیته در افزایش احتماال و شدن ریزدانه به ناحیه این در سختی افزایش. دارد جوش

.است

نتیجه گیری-4

خواص مکانیکی حاصل از جوشکاری اصطکاکی اختالطی روی در این پژوهش ریزساختار و

مورد بررسی قرارگرفت و نتایج بدست آمده در زیر ارائه گردید: AISI1018های فوالد ورق

دانه اندازه با دوقسمت از (HAZ) یمنطقهنتایج حاصل از میکروسکوپ نوری نشان داد که -0

. است ترنزدیک (SZ) ناحیه به ترریزدانه منطقه و ایهفلزپ به دانه درشت منطقه که شده تشکیل متفاوت

توسط شده تجربه مختلف دمایی هایپیک و ورودی حرارت میزان متفاوت دانه اندازه این دلیل که

. است ناحیه دواین

به منجر جوشکاری سرعت فزایشآمده از نواحی مختلف نشان داد که آنالیز تصاویر بدستا -2

یدر ناحیه mμ 3/3-8/1 و (HAZ) ناحیه در mμ 6-4 در فلزپایه به mμ 11-15 زا دانه اندازه کاهش

(SZ) ناحیه در دانهاندازه کاهش دلیل. شودمی (HAZ)معرض در نمونه داشتن قرار زمانمدت کاهش

فرایند در دما کاهش و کرنش سرعت افزایش نتیجه (SZ) در دانهاندازه کاهش این و است جوشکاری

.است دینامیکی تبلورمجدد

mm/min 51جوشکاری سرعت درباتوجه به نتایج حاصل از آزمایش کشش مشاهده شد، -3

دراما . است جوش ناحیه شدنریزدانه نتیجه در که است فلزپایه از بیشتر جوش ناحیه شکست استحکام

MPa 411به حدود نهایی جوش ها استحکامبا وجود ریزتر شدن دانه ، 051و mm/min 011سرعت

ناکافی و ورودی حرارتیافت که از استحکام فلز پایه کمتر است. دلیل این کاهش استحکام، کاهش

.است جوش در داخلی بوعیتشکیل در نتیجه


11

331ویکرز در فلز پایه به حدود 087از نشان داد که میانگین سختی سختینتایج آزمایش ریز -4

و (SZ) ناحیه دانهاندازه کاهش سختی افزایش این دلیل. ویکرز در منطقه اختالط افزایش پیدا کرد

ویکرز رسید 251به ( HAZو همچنین سختی منطقه ) باشدمی ناحیه این در هانابجایی انسیتهد افزایش

تواند به دلیل ساختار ریزدانه اختالط کمتر و از فلز پایه بیشتر است. این افزایش میکه از سختی ناحیه

اشد.تر نسبت به پایه ب

منابع و مراجع

1. Gould, J. E. , Feng, Z., “Preliminary modeling of the friction stir welding process.

Proceedings of ICAWT”, pp.297–310. EWI, Columbus, Ohio,1991.

2. Kong, H. S., and Ashby, “Friction heating maps and their applications”. MRS Bulletin

16(10): 41–48,1991.

3. Braga, H. C., and Barbosa, “Simulation of the increase in temperature due to adiabatic

heating in hot deformation processes”, Proceedings of 47th Brazilian Association of

Metallurgy and Materials (ABM) Annual Conference pp. 441–457. ABM, 1992.

4. M. Peel, A. Steuwer, M. Preuss and P.J. Withers, “Microstructure, Mechanical properties

and residual stresses as a function of friction of weldin speed I aluminum AA5083 friction

stir welds”. Acta Materialia, 2003, Vol. 51, pp. 4791-4801.

5. Thomas, W. M.,Threadgill, P. L. , and Nicholas, E. D. 1999. ”Feasibility of friction stir

welding of steel”. Science and Technology of Welding and Joining 4(6): 365–372.

6. R.S. Mishra and Z.Y. Ma, "Friction stir welding and processing", Materials Science and

Engineering R,Vol 50, pp. 1–78, 2005.

7. H. Fujii, L. Cui, N. Tsuji, M. Maeda, , K. Nakata and K. Nogi, ”Friction stir welding of

carbon steels”, Materials Science and Engineering A,Vol. 429, pp. 50-57,2006.

اری همزن اصطکاکی بر خواص مکانیکی و ریزساختار فوالد مصطفی جعفرزادگان "تاثیر پارامترهای جوشک. 8

.0386نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس، "پایان314نزن زنگ

9. H. K. D. H. Bhadeshia, L.–E. Svensson, “Modelling the Evolution of Microstructure in

Steel Weld Metal” Mathematical Modelling of Weld Phenomena, London, 1993, pp. 109-

182.

10. Sindo Kou, “Welding Metallurgy” Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New

Jersey,2002.


12

11. T.J Lienert, W.L. Stellwag, B.B. Grimmet, R.W. Warke, “Friction Stir Welding Studies

on Mild Steel”, Welding Journal, January 2003, pp.1s-9s.

12. F.J. Humphreys and M. Hatherly, “Recrystallization and Related Annealing

Phenomena”, 2nd edition, 2004, Oxford, UK, Elsevier.

13. M. Jafarzadegan, A.H. Feng, A. Abdollah-zadeh, T. Saeid, J. Shen, H. Assadi,

“Microstructural characterization in dissimilar friction stir welding between 304 stainless

steel and st37 steel Materials Charecterization” 74(2012)28-41, 2012.

14. A. K. Lakshminarayanan,V. Balasubramanian, M. Salahuddin, “Microstructure, Tensile

and Impact Toughness Properties of Friction Stir Welded Mild Steel”, Journal of Iron and

Steel Research, INTEF3'JATIONAL, Vol. 17(10), 2010, pp 68-74.

Effect of welding speed variation in friction stir welding

process on microstructure and mechanical properties of

mild steel joints Paper Presenter: saman karami1

S. Karami1, SH. Kheirandish2, A. R. Aeivani3, H. R. Jafarian4

*Corresponding Author Address: Department of Material Science and Engineering, Iran University of

Science & Technology, Tehran, Iran.

Corresponding Author E-mail: [email protected]

Abstract

In this study the possibility of Friction Stir Welding (FSW) and effect of Welding speed on

microstructure and mechanical properties of ST37 Steel was investigated. Steel samples with 2 mm

thickness were welded with using 450 rpm rotational speed and also were welded with 50, 100 and 150

mm/min welding speed by tungsten carbide-Cobalt tool. Hardness Tests, Tensile Tests and

metallography carried out in order to analysis of microstructure and mechanical properties. The

Metallography results showed that grain in Stir Zone became very fine and these grains changed into

1 . MSc Student of Metallurgy, Iran University of Science & Technology,Tehran, Iran.

2 . Professor of Metallurgy, Iran University of Science & Technology,Tehran, Iran.

3 . Assistant Professor of Metallurgy, Iran University of Science & Technology,Tehran, Iran.

4 . Assistant Professor of Metallurgy, Iran University of Science & Technology,Tehran, Iran.


13

the fine Ferrite and Perlite grains and in some areas into Widmanstatten ferrite. Occurrence of

Dynamic Recrystallization in stir Zone has increased the hardness of this area and also has increased

tensile properties of the joint.

Keywords : Friction Stir Welding, Steel, Welding Speed, Recrystallization, Mechanical Properties.


Documents

ادخمنابه - ایران موادdl.iran-mavad.com/articles94/94092701.pdf · m هب اههناد هزادنا طسوتم ]01 ¹9[دنوشیم لیدبت دهدیم ناشن