بهينه سازي و استفاده از فرايند ريخته گري نيمه جامد جهت اتصال آلياژ آلومينيوم 6061 به روش هيبريدي نيمه جامد/ اصطکاکي اغتشاشي و با اضافه کردن مواد تقويت کننده نانومتري

STUDENT

DEGREE

YEAR

: 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 filling was immediately followed by friction stir welding of the groove. Microstructures of different parts of the welded plates were studied using SEM and OM methods. Furthermore, hardness and tensile properties of the joints were examined and compared to those of the reference specimen. The results showed less decrease in hardness for the joints welded by the hybrid SSM/FSW process compared to those welded only by SSM or FSW processes. Furthermore, the microstructure of the former approached to ultra-fine grain structures and strength and elongation values of the specimen were higher than those of other welded specimens. The improved tensile properties were attributed to the microstructural changes brought about by the hybrid process. Keywords: Al 6061 alloy, Friction stir welding, semi-solid welding, Hybrid process, Microstructure, mechanical property, design of experiment.

چکيده اتصال قطعات آلومينيومي يکي 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 مکانيکي و خوردگي، به علاوه خواص معمول آلياژهاي آلومينيوم مانند نقطه ذوب پايين و نسبت استحکام به وزن بالا، يکي از مهمترين آلياژهاي مورد توجه صنايع مي باشد. در اين بين جوشکاري ذوبي اين آلياژ به علت مشکلات ناشي از ايجاد حوضچه مذاب مانند ترک هاي انجمادي و افت استحکام ناشي از حل شدن کامل رسوبات ناحيه جوش با چالش هايي روبرو است. روش جوشکاري اصطکاکي- اغتشاشي (FSW) يکي از روش هايي است که به منظور رفع اين مشکلات ابداع شده است. البته در اين روش نيز با توجه به گرماي ايجاد شده ناشي از تماس يک پين چرخان با ناحيه اتصال و شانه دستگاه با سطح، ممکن است مشکلات جديدي ناشي از تبلور مجدد سريع و رشد غيرمعمول دانه ها، حل شدن رسوبات و کاهش خواص ناشي از سختي رسوبي مانند استحکام و تنش تسليم بروز کند. در اين تحقيق براي اولين بار و با استفاده از ريختن دوغاب نيمه جامد از جنس فلز پايه در محل اتصال زيرلايه، به بررسي اثرات کاهش حرارت ورودي به زيرلايه در فرايند جوشکاري اصطکاکي- اغتشاشي متعاقب، کاهش سرعت چرخش ابزار و افزايش سرعت پيمايش و لذا کاهش افت سختي و افزايش استحکام در ناحيه جوش پرداخته شد. جهت توليد دوغاب نيمه جامد، يک سطح شيب دار مينياتوري با خواص سرد کنندگي مذاب و با دبي بسيار پايين طراحي و ساخته شد. در ادامه و با مشخص کردن عوامل موثر بر ريزساختار دوغاب نيمه جامد نهايي مانند طول و زاويه سطح شيب دار، نرخ ريخته گري و دماي فوق ذوب، بررسي هاي ريزساختاري با استفاده از مطالعات ميکروسکوپ نوري و ميکروسختي سنجي انجام گرديد. سپس به کمک طراحي آزمايش فاکتوريل 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 کرويت، اندازه دانه و سختي تعيين شد. بر اين اساس، نرخ ريخته گري 2/1 ميلي ليتر 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 کننده، بلافاصله جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي جهت اتصال آلياژ صورت گرفت. نواحي مختلف ريزساختاري آلياژ اتصال يافته شامل فلز پايه، ناحيه متاثر از حرارت، ناحيه متاثر از گرما- کار و فلز جوش مورد مطالعه توسط ميکروسکوپ نوري و الکتروني روبشي قرار گرفتند. همچنين سختي و استحکام تسليم اتصالات حاصله با نمونه هاي مرجع مقايسه شد. مطالعات ريزساختاري و مکانيکي بر اتصالات حاصله به روش هاي FSW و هيبريدي FSW/نيمه جامد حاکي از آن است که شدت تغييرات سختي در روش هيبريدي کاهش يافته و ميزان سختي در ناحيه جوش با مقادير مربوط به فلز پايه اختلاف کمتري دارد. همچنين ريزساختار ناحيه جوش به ريزساختار فوق ريزدانه نزديک شده و ميزان استحکام تسليم و درصد ازدياد طول نسبت به نمونه جوشکاري شده به روش FSW به ترتيب تا مقادير MPa 53 و 88/8% بهبود يافته است. دليل افزايش درصد ازدياد طول را مي توان در کاهش اثر رسوبات در ناحيه جوش نسبت به نمونه جوشکاري شده به روش FSW دانست که توسط ريز شدن دانه ها در اثر افزايش محل هاي مناسب براي تبلور مجدد ثانويه جبران شده است. کلمات کليدي آلومينيوم 6061، جوشکاري اصطکاکي- اغتشاشي، ريخته گري نيمه جامد، فرايند هيبريدي، ريزساختار، خواص مکانيکي، طراحي آزمايش.