بهینه سازی و استفاده از فرایند ریخته گری نیمه جامد جهت اتصال آلیاژ آلومینیوم 6061 به روش هیبریدی نیمه جامد/ اصطکاکی اغتشاشی و با اضافه کردن مواد تقویت کننده نانومتری

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.

اتصال قطعات آلومینیومی یکی از فرایندهای اصلی در بسیاری از صنایع از قبیل اتومبیل سازی، هوانوردی، دریایی و نظامی است و همواره نقشی اساسی در پیشرفت این صنایع داشته است. آلیاژ آلومینیوم 6061 به دلیل قابلیت عملیات حرارتی و دارا بودن محدوده وسیعی از خواص مکانیکی و خوردگی، به علاوه خواص معمول آلیاژهای آلومینیوم مانند نقطه ذوب پایین و نسبت استحکام به وزن بالا، یکی از مهمترین آلیاژهای مورد توجه صنایع می باشد. در این بین جوشکاری ذوبی این آلیاژ به علت مشکلات ناشی از ایجاد حوضچه مذاب مانند ترک های انجمادی و افت استحکام ناشی از حل شدن کامل رسوبات ناحیه جوش با چالش هایی روبرو است. روش جوشکاری اصطکاکی- اغتشاشی (FSW) یکی از روش هایی است که به منظور رفع این مشکلات ابداع شده است. البته در این روش نیز با توجه به گرمای ایجاد شده ناشی از تماس یک پین چرخان با ناحیه اتصال و شانه دستگاه با سطح، ممکن است مشکلات جدیدی ناشی از تبلور مجدد سریع و رشد غیرمعمول دانه ها، حل شدن رسوبات و کاهش خواص ناشی از سختی رسوبی مانند استحکام و تنش تسلیم بروز کند. در این تحقیق برای اولین بار و با استفاده از ریختن دوغاب نیمه جامد از جنس فلز پایه در محل اتصال زیرلایه، به بررسی اثرات کاهش حرارت ورودی به زیرلایه در فرایند جوشکاری اصطکاکی- اغتشاشی متعاقب، کاهش سرعت چرخش ابزار و افزایش سرعت پیمایش و لذا کاهش افت سختی و افزایش استحکام در ناحیه جوش پرداخته شد. جهت تولید دوغاب نیمه جامد، یک سطح شیب دار مینیاتوری با خواص سرد کنندگی مذاب و با دبی بسیار پایین طراحی و ساخته شد. در ادامه و با مشخص کردن عوامل موثر بر ریزساختار دوغاب نیمه جامد نهایی مانند طول و زاویه سطح شیب دار، نرخ ریخته گری و دمای فوق ذوب، بررسی های ریزساختاری با استفاده از مطالعات میکروسکوپ نوری و میکروسختی سنجی انجام گردید. سپس به کمک طراحی آزمایش فاکتوریل دو سطحی، پس از تعیین درصد تاثیر هر عامل بر خواص نهایی، رابطه ریاضی مربوط به هر پاسخ توسعه داده شده و شرایط ایجاد بهترین ریزساختار از لحاظ میزان کرویت، اندازه دانه و سختی تعیین شد. بر این اساس، نرخ ریخته گری 2/1 میلی لیتر بر ثانیه، زاویه سطح °40، دمای فوق ذوب °C10 و طول سطح 5 سانتی متر به عنوان شرایط بهینه تولید دوغاب نیمه جامد تعیین گردید. در ادامه و با جریان یافتن دوغاب تولیدی به درون درز جوش به عنوان ماده پر کننده، بلافاصله جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی جهت اتصال آلیاژ صورت گرفت. نواحی مختلف ریزساختاری آلیاژ اتصال یافته شامل فلز پایه، ناحیه متاثر از حرارت، ناحیه متاثر از گرما- کار و فلز جوش مورد مطالعه توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی قرار گرفتند. همچنین سختی و استحکام تسلیم اتصالات حاصله با نمونه های مرجع مقایسه شد. مطالعات ریزساختاری و مکانیکی بر اتصالات حاصله به روش های FSW و هیبریدی FSW/نیمه جامد حاکی از آن است که شدت تغییرات سختی در روش هیبریدی کاهش یافته و میزان سختی در ناحیه جوش با مقادیر مربوط به فلز پایه اختلاف کمتری دارد. همچنین ریزساختار ناحیه جوش به ریزساختار فوق ریزدانه نزدیک شده و میزان استحکام تسلیم و درصد ازدیاد طول نسبت به نمونه جوشکاری شده به روش FSW به ترتیب تا مقادیر MPa 53 و 88/8% بهبود یافته است. دلیل افزایش درصد ازدیاد طول را می توان در کاهش اثر رسوبات در ناحیه جوش نسبت به نمونه جوشکاری شده به روش FSW دانست که توسط ریز شدن دانه ها در اثر افزایش محل های مناسب برای تبلور مجدد ثانویه جبران شده است. کلمات کلیدی آلومینیوم 6061، جوشکاری اصطکاکی- اغتشاشی، ریخته گری نیمه جامد، فرایند هیبریدی، ریزساختار، خواص مکانیکی، طراحی آزمایش.