انتخاب مواد: مطالعه موردی برای انتخاب بین دو آلیاژ آلومینیوم براساس واکنش به حرارت

#سوال

با سلام و احترام خدمت مخاطبین گرامی این وبلاگ مهندسی

موضوع این پست، پاسخ به سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین این وبلاگ در خصوص انتخاب گرید آلیاژ آلومینیوم مناسب برای یک فرآیند پخت کاغذ است.

شرح سوال: برای تولید لوله ایی بدون درز که در شرایطی باید کار کنه که انتقال حرارت بالایی داشته باشه، تا 200°C تغییر شکل نداشته باشه، مقاومت به سایش نسبتا خوبی داشته باشه، خیلی سنگین نباشه و البته خیلی هم گرون نباشه به نظر شما دو گرید 1100 و 6063 از آلیاژهای آلومینیوم میتونه انتخاب خوبی باشه؟ 

گرید 1100،یک درصد آهن و سیلیسم داره و 0.12 درصد مس در حالت H14.

گرید 6063 هم 0.7 درصد منیزیم و 0.4 درصد سیلیسم داره.

ضخامت لوله نیم میلیمتره و درون لوله فقط قراره چراغی روشن باشه تا دمای لازم را تامین کنه.

کاغذ قراره از بین دو رول حرکت بکنه، جز شرایط دمایی که عرض کردم,و بحث سایش مورد دیگه ایی مد نظر نیست.

پاسخ: از آنجایی که گرید گرماکاری مربوط به 6063 را نفرموده بودید، لذا، مجبور شدم از جدول 1، صفحه 329، کتاب

ASM Specialty Handbook of Aluminum & Aluminum Alloys

به مقایسه میزان سختی حاصل از لوله های 6063 بپردازم که نتیجه مقایسه به شرح زیر است:

گرید O (25 برینل)، گرید T1 (42 برینل)، و گرید های T5 و T6 (60 برینل) که در مقایسه با سختی 32 برینلی لوله 1100 و در عین حال، دسترس پذیری (Accessibility)، گرید زیر برای مقایسه با 1100 انتخاب شد:

AA6063-T6

حال، در این مرحله، به مقایسه واکنش این دو لوله به حرارت می پردازیم. با مراجعه به نمودار شماره 1 که تغییرات استحکام کششی را در درجه حرارت های مختلف از صفر درجه تا 260 درجه سلسیوس برای این دو لوله آلومینیومی نشان می دهد، می توان مشاهده کرد که علی رغم بالاتر بودن درجه استحکامی گرید 6063 نسبت به 1100، واکنش آن به گرما شدیدتر است.

تحلیل عددی نمودار 1 نشان دهنده آن است که 6063 با شتابی کاهشی به اندازه 0.016 استحکام خود را به گرما می بازد. حال آنکه مقدار این شتاب در مورد 1100 به 0.001 می رسد و این یعنی آلیاژ 6063 باندازه 16 برابر بیشتر از 1100 در برابر حرارت استحکام خود را از دست می دهد! اما، از سوی دیگر، باید در نظر داشت که هر دو آلیاژ در نهایت و در 260 درجه سلسیوس به یک order از استحکام دست می یابند.

نمودار 1: واکنش دو گرید 1100-H14 و 6063-T6 به حرارت (معیار: Sut)

در مرحله دوم، نمودار شماره 2 را داریم که تغییرات ازدیاد طول دو آلیاژ 1100 و 6063 را نسبت به افزایش حرارت نشان می دهد.

نمودار 2: واکنش دو گرید 1100-H14 و 6063-T6 به حرارت (معیار: Elongation)

تحلیل عددی این نمودار نشان دهنده آن است که 6063 با شتاب کمتری به سمت ازدیاد طول 75 درصدی در 260°C می رود تا آلیاژ 1100 و این بدان معنی است که آلیاژ 6063 از واکنش خزشی آرامتری در برابر حرارت برخوردار است.

بعنوان مرحله سوم، مقایسه خواص حرارتی را داریم که هر دو آلیاژ از نظر ظرفیت گرمایی و دانسیته در یک order قرار دارند. تنها ضریب هدایت حرارتی می ماند که در مورد 6063 باندازه 20 درصد نسبت به 1100 کمتر است و این بدان معنی است که انتقال حرارتی که با توسل به مکانیزم تابشی در فضای درونی لوله 6063 تولید می شود باندازه 20 درصد دیرتر نسبت به 1100 منتشر شده و به سطح خارجی آن می رسد که این موضوع از نظر مهندسی فرایند قابل اغماض است.

نتیجه گیری: با توجه به آنچه که در مورد سختی، کاهش دو خاصیت استحکام کششی و ازدیاد طول در اثر گرما، و خواص حرارتی بیان شد، انتخاب آلیاژ AA6063-T6 منطقی تر به نظر می رسد.

امیدوارم پاسخ خود را گرفته باشید.

ترک گرم در جوشکاری لیزر دو چرخدنده: مطالعه موردی

با درود فراوان به تمامی مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی

پیرو سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین این وبلاگ، پاسخ ارائه شده جهت استفاده سایرین به شرح زیر ایفاد می گردد:

شرح سوال: دو چرخدنده داریم که قبلا بوسیله پرس به یکدیگر متصل می شدند. جنس یکیEN18C و دیگری 20MC5 است. قبلا این دو چرخدنده در یکدیگر جازده می شدند. اما، در حال حاضر، با تغییر فرآیند تولید، جوشکاری لیزری با طرح اتصال V شکل (LBW-V joint) انجام می شود. منتها، مشکل ترک وجود دارد! بطوریکه ترک طولی در کل جوش (بلافاصله پس از جوش) دیده شده و حتی پیشگرم نیز نتوانسته است کمکی بکند. لیزر از نوع Co2 و در ترکیب با گاز هایN2 & He (نیتروژن و هلیوم) می باشد. مشکل از کجاست و چطور می توان رفع کرد؟

پاسخ: تحلیل خرابی این مشکل از چهار بخش تشکیل شده است: شناخت نوع ترک، شناخت فولاد ها، تحلیل داده ها، و نتیجه گیری

الف) شناخت نوع ترک

از نظر علت وقوع، ترک های جوش به چهار دسته اصلی تقسیم می شوند: گرم، لایه ای، بازگرمی، و سرد. برای اطلاعات بیشتر راجع به انواع ترک های جوشکاری، مراجعه به صفحات 7 تا 9 کتاب زیر توصیه می شود:

The Everyday Pocket Handbook for Visual Inspection & Weld Discontinuities-Causes & Remedies (AWS),1996

از میان موارد فوق، ترک های گرم و بازگرمی (Hot & Reheat Cracking) شرایط تقریبا یکسانی داشته و ترک های سرد و لایه ای نیز تقریبا شبیه به هم هستند. از سوی دیگر، ترک های گرم و لایه ای پس از جوشکاری قابل ردیابی بوده، ولی ترک های سرد و بازگرمی قابلیت ردیابی ندارند. از آنجا که ترک درست پس از جوشکاری و بصورت طولی اتفاق می افتد، پس باید بدنبال ترک گرم باشیم

مشخصات ترک گرم یا Hot Crack عبارتند از

- تشکیل بالاتر از 550 درجه سلسیوس (یعنی بالاتر از 0.8Tm)؛

- فقط در مرز دانه ها اتفاق می افتد؛

- بدلیل وجود ناخالصی در ترکیب شیمیایی (مثل گوگرد و فسفر) و بروز پدیده جدایش ایجاد می گردد

ترک گرم بر سه نوع است: ترک انجمادی که در فلز جوش رخ می دهد، ترک گداختی که در منطقه هز رخ می دهد، و ترک چاله جوش که در فلز جوش پیش می آید. از میان سه مورد فوق، و با توجه به نوع فرآیند و نوع ترک مشاهده شده، باید بدنبال ترک انجمادی باشیم.

ب) شناخت فولاد ها

- فولاد EN18C: این گرید زیر مجموعه فولاد های سازه ای و ماشین سازی است و در گروه فولاد های کروم دار کم آلیاژی جای داده می شود. این فولاد در استاندارد BS 970 تعریف شده است.

- فولاد 20MC5: این فولاد نیز زیرمجموعه فولاد های سازه ای و ماشین سازی است، اما در گروه دیگری جای می گیرد که با عنوان Case Hardening Steels شناخته می شود.

ج) تحلیل داده ها

براساس خط اول، پاراگراف اول، ص 226، جلد سوم، کتاب Hot Cracking Phenomena in Welds, 2011، ترک انجمادی زمانی اتفاق می افتد که فلز جوش در حال انجماد قادر به تحمل کرنش های حرارتی طی مراحل نهایی سرد شدن جوش نباشد. این عیب از آنجا ناشی می شود که دمای فلز جوش در همه جا یکسان نخواهد بود. برخی از کارشناسان بر این عقیده اند که ترک انجمادی از یکی از سه عامل زیر ناشی می شود:

- قطع ناگهانی جریان مذاب به حوضچه جوش؛

- افزایش بیش از حد کرنش؛

- پیشی گرفتن حجم هندسی منطقه حاوی فیلم مذاب از حجم مذاب موجود برای پر کردن فضای خالی ایجاد شده

اما، در این میان، عامل دیگری با عنوان ناخالصی در ترکیب شیمیایی نیز هست که در ادامه مورد مطالعه قرار می گیرد. از جمله مهمترین ناخالصی ها گوگرد است که نقطه ذوب ترکیبی پایینی دارد. در همین راستا، و از آنجا که سوال شما در مورد لیزر گاز کربنیک (Co2 Laser) است، توجه شما را به نتیجه گیری انجام شده در صفحات 260 و 261 کتاب فوق جلب می نمایم:

این کتاب، ترک انجمادی را به دو حالت A & B تقسیم کرده است که ما در اینجا با نوع A سروکار داریم. بر این اساس، ترکیب شیمیایی فلز جوش بر ریسک وقوع ترک طولی (Type A) تاثیر گذار است. این نتیجه گیری را بند 3 از بخش نتیجه گیری مقاله زیر، ص 10 از 11، تایید می کند:

J. C. Lippold, Solidification Behavior & Cracking Susceptibility of Pulsed-Laser Welds in Austenitic Stainless Steels, Welding Research Supplement, pp129-139, June 1994

دوم اینکه، کاهش سرعت جوشکاری یا Travel Speed می تواند بشدت روی کاهش ریسک ترک اثر گذار باشد.

در ص 251 کتاب فوق، آخرین پاراگراف، یک فرمول برای بررسی ریسک ترک گرم انجمادی با اجماع آماری بین سه روش جوشکاری زیرپودری، پرتو الکترونی، و پرتو لیزر تعریف شده است (این فرمول با مراجعه به وبسایت موسسه جوش انگلستان یا TWI نیز تایید می شود)

UCS=230C+190S+75P+45Nb-12.3Si-5.4Mn-1

که در فرمول فوق، مقدار کربن نباید از 0.08 درصد وزنی کمتر شود. براساس داده های وبسایت موسسه جوشکاری انگلستان و کتاب فوق، اگر UCS<10 باشد، نشاندهنده حساسیت کمتر فولاد به ترک انجمادی است. اما اگر مقدار آن بزرگتر-مساوی 30 (برخی منابع: 28) باشد، خبر خوبی نیست. از سوی دیگر، معیار دیگری برای تعیین حساسیت یک فلز به ترک گرم (عمومی) داریم:

HCS=[C+(S+P+si/25+Ni/100) *10,000]/[3Mn+Cr+Mo+V]

اگر مقدار این شاخص کوچکتر-مساوی 4 شود، بیانگر مقاومت خوب به ترک گرم است؛ و برعکس!

براین اساس، فرمول های فوق در نرم افزار اکسل (Excel) نوشته شد، و با توسل به Conditional Formatting شرط شد که اگر مقدار شاخص حساسیت به ترک انجمادی گرم از 30 بیشتر شد، رنگ قرمز نشان داده شود و به همین ترتیب، اگر شاخص حساسیت به ترک گرم (عمومی) از 4 بیشتر شد، رنگ زرد به نمایش درآید. نتایج بدست آمده برای دو آلیاژ جالب است:

EN18C: UCS=91.03, HCS=32.22

20MC5: UCS=36.82, HCS=15.68

مقادیر فوق حالت ماکزیمم را نشان می دهد که بیانگر حساسیت شدید هر دو گرید فولادی به ترک گرم، بویژه ترک انجمادی گرم، است. بنابراین، پیشگرم نمی توانسته است هیچ کمکی به شما بکند. سایر مقادیر در شکل های 1 و 2 نشان داده شده اند:

شکل 1: محاسبات انجام شده برای حساسیت به ترک گرم در فولاد 20MC5

شکل 2: محاسبات انجام شده برای حساسیت به ترک گرم در فولاد EN18C

د) نتیجه گیری

براساس تحقیقات انجام شده در موسسه جوش انگلستان (TWI)، عوامل زیر می تواند به ترتیب اهمیت در بروز ترک انجمادی گرم در فولاد ها حین اتصال به روش لیزر گاز کربنیک اثر گذار باشد:

1- شکل مقطع جوش (بعنوان عامل توزیع تنش های حرارتی، بویژه در حالتی که در محل اتصال بین دو قطعه برآمدگی یا تحدب وجود داشته باشد)؛

2- ترکیب شیمیایی فلز (های) پایه؛

3- سرعت جوشکاری؛ و

4- عمق نفوذ جوش (نسبت عمق به عرض بالا می تواند بعنوان عامل منفی در کنترل تنش های حرارتی عمل کند)

بنابراین، می توان علل خرابی و راهکار های زیر را پیشنهاد کرد:

- نوع فولاد های تشکیل دهنده چرخدنده هیچکدام برای جوش لیزر مناسب نیستند!

- مقطع طرح اتصال بازنگری شود (طرح لاله ای مناسبتر است که باید در SYSWeld یا Abaqus بررسی شود. البته می توان از آنالیز الگوی توزیع تنش حرارتی در Comsol نیز بهره گرفت)؛

- سرعت جوشکاری کنترل شود؛

- از حالت نفوذ کامل (CJP) در جوش لیزر استفاده شود.

امیدوارم پاسخ خود را گرفته باشید