بحث عن عملية اللحام بالتحريك الاحتكاكي بين مواد مختلفة من النحاس T2 والنحاس H62

بحث عن عملية اللحام بالتحريك الاحتكاكي بين مواد مختلفة من النحاس T2 والنحاس H62

ملخص: تم إجراء بحث حول عملية اللحام بالتحريك الاحتكاكي على مواد مختلفة من النحاس T2 والنحاس H62. تم تحليل تشكيل اللحام والبنية المجهرية المشتركة والخواص الميكانيكية المشتركة للنحاس والنحاس الأصفر بسماكات مختلفة للوحات تحت معلمات عملية مختلفة. تم تحليل توزيع المادتين في المفصل وتكوين الطور عند التقاطع من منظور مجهري. تظهر التجارب أن معلمات عملية اللحام المناسبة يمكن أن تحصل على وصلة نحاسية مع هيكل وأداء ممتازين، وهناك منطقة انتقالية عند تقاطع المفصل. ، مادة انتقالية بعرض حوالي 1 إلى 10 ميكرومتر. ووجدت الدراسة أيضًا أن الصلابة الدقيقة ومتوسط ​​قوة الشد للمفصل تقع بين النحاس والنحاس.

الكلمات المفتاحية: لحام الاحتكاك؛ معادن متباينة نحاس؛ نحاس؛ معلمات اللحام

رقم تصنيف CLC: TG453 رمز تعريف الوثيقة: A

في الصناعة الحديثة، غالبًا ما يكون من الضروري لحام مواد ذات خصائص مختلفة في أجزاء مركبة ليس فقط لتلبية متطلبات الأداء المختلفة، ولكن أيضًا لتوفير المواد القيمة وخفض التكاليف. ومع ذلك، نظرًا للاختلافات الكبيرة في الأداء بين المعادن المتباينة، فإن المجموعات متنوعة ومتطلبات مفاصلها مختلفة، لذلك عادة ما يكون لحام المعادن المتباينة أكثر صعوبة من لحام نفس المعدن.

اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW) هو طريقة لحام تستخدم حرارة الاحتكاك كمصدر للحرارة، والمعروف أيضًا باسم تقنية اللحام بالطور الصلب. منذ بدايتها، جذبت هذه الطريقة اهتمامًا واسع النطاق من الباحثين المحليين والأجانب وتم استخدامها بنجاح. وهي تستخدم أساسا لحام سبائك الألومنيوم. وقد توسعت تدريجياً لتشمل لحام سبائك المغنيسيوم وسبائك النحاس وسبائك التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ وغيرها من المواد [1 ~ 6]. يوجد حاليًا عدد قليل من التقارير حول الأبحاث المتعلقة باللحام الاحتكاكي للمعادن المختلفة [7]. تم إجراء اختبار عملية FSW بشكل أساسي على معادن مختلفة من النحاس T2 والنحاس H62. تمت دراسة عوامل العملية التي تؤثر على جودة وصلة النحاس والنحاس ومكونات الطور المتكونة أثناء عملية اللحام. كما تمت دراسة البنية المجهرية للحام وخصائص المفاصل. تم تحليل الخواص الميكانيكية.

1. الطرق التجريبية

يستخدم الاختبار نحاس T2 بسمك 2 مم ونحاس H62 ونحاس T2 بسمك 4 مم ونحاس H62 كمواد تجريبية على التوالي. في آلة اللحام الاحتكاكي الخاصة SW-3LM-015، تم إجراء تجربة FSW على لوحة النحاس والنحاس. تجربة عند لحام سبائك النحاس، استخدم رأس احتكاك مناسب للحام سبائك النحاس. طول إبرة التحريك هو 0.2 مم إلى 0.3 مم أقصر من سمك اللوحة الملحومة. الزاوية بين الاتجاه والخط العمودي لسطح قطعة الشغل هي 2 درجة. ومن خلال تغيير معلمات العملية، يمكننا الحصول على أفضل النتائج. الشكل الأمثل والجودة المشتركة. بعد الانتهاء من اللحام، قطع العينة المطلوبة في الاتجاه العمودي على اللحام. تتآكل العينة الميتالوغرافية المحضرة بمحلول كحول حمض الهيدروكلوريك من كلوريد الحديديك (10 جم FeCl3، 6 مل من حمض الهيدروكلوريك، 40 مل من H2O، 60 مل من C2H5OH). عند النقش، يتم حفر الجانب النحاسي أولاً، ومن ثم يتم حفر الجانب النحاسي. بعد النقش، تم استخدام المجاهر الضوئية واسعة النطاق MEF3 وADVANCE 8D حيود الأشعة السينية لتحليل كائنات البنية ومنطقة الوصلات. تم تحليل تركيبة الطور واختبار الصلابة الدقيقة والخواص الميكانيكية للمفاصل.

2. النتائج التجريبية والتحليل

2.1 تأثير معلمات العملية على تكوين سطح اللحام

أثناء عملية اللحام بالتحريك الاحتكاكي، نظرًا لأن درجة حرارة الجانب المتقدم أقل من درجة حرارة الجانب العائد، وتكون الموصلية الحرارية ودرجة حرارة نقطة انصهار النحاس الأحمر أعلى من تلك الخاصة بالنحاس الأصفر، يتم وضع النحاس في الغالب على الجانب المتقدم و يتم وضع النحاس الأحمر على جانب العودة أثناء اللحام. التجربة: بعض معلمات عملية اللحام المستخدمة موضحة في الجدول 1. الجدول 1 معلمات عملية اللحام بالتحريك الاحتكاكي للمواد المختلفة من النحاس والنحاس.

يوضح الشكل 1 تكوين سطح اللحام لنحاس T2 بسمك 2 مم ونحاس H62 أثناء اللحام بالتحريك الاحتكاكي في ظل ظروف عملية مختلفة. الجانب العلوي من الصورة هو الجانب الأمامي - النحاس، والجانب السفلي هو الجانب الخلفي - النحاس. من الشكل 1ج، يمكن أن نرى من d أنه عندما تكون قطعة العمل رقيقة، فإن سرعة دوران رأس الاحتكاك يكون لها تأثير أكبر على تشكيل السطح. عندما تكون سرعة الدوران 700 دورة / دقيقة، يكون نطاق اختيار سرعة اللحام كبيرًا نسبيًا، لذلك على الرغم من زيادة سرعة اللحام، فإن سرعة اللحام يبدأ تكوين سطح التماس في التدهور. وذلك لأن الزيادة في سرعة الدوران تزيد بشكل كبير من مدخلات الحرارة لكل وحدة طول من اللحام، مما يجعل خصائص تدفق المواد أسوأ. هناك طريقة أخرى لزيادة الحرارة وهي زيادة ضغط الكتف على رأس الاحتكاك. وبما أن اللوحة رقيقة، فإن الحرارة الناتجة عن احتكاك الكتف تلعب دورًا رئيسيًا. وبنفس سرعة الدوران، تختلف مساهمة ضغط الكتف في الحرارة. الشكل 1 أ والشكل 1 ب هما عندما تظل سرعة الدوران دون تغيير وتتغير سرعة اللحام. في مخطط تشكيل السطح الذي تم الحصول عليه، نظرًا للكمية الكبيرة من الضغط والحرارة الناتجة عن رأس الاحتكاك في الشكل 1ب، تظهر حلقة تشكيل السطح غير متساوية في الحجم.

2.2 تحليل البنية المجهرية ومرحلة الواجهة المشتركة

الشكل 2 عبارة عن مورفولوجيا مقطعية لمفصل FSW من النحاس بسمك 4 مم ونحاس H62. الجانب الأيمن من الصورة هو الجانب الأمامي - النحاس، والجانب الأيسر هو الجانب الخلفي - النحاس. كما يتبين من الصورة، فإن الفرق بين خلط النحاس الأحمر والنحاس يحدث بشكل رئيسي في منطقة كتلة اللحام، ويتدفق الاثنان إلى بعضهما البعض. يوجد هيكل حلقي بصلي في منطقة كتلة اللحام، ويمثله الحرف A في الشكل [8]. المكون الرئيسي في هذا المجال هو النحاس، ويتم تطعيم النحاس الأحمر بكمية صغيرة فقط. في هذه الأثناء، المنطقة المختلطة كبيرة

وفي بعض المناطق، يكون كلاهما عبارة عن نتوءات كبيرة الحجم على شكل كتلة متصلة ببعضها البعض. المادة المنقولة أثناء عملية خلط النحاس على الجانب الأيمن (الجانب الأمامي) تكون بشكل أساسي ضمن نطاق قطر الكتف ووسط إبرة التحريك، مدفوعة بالكتف. يغطي المعدن البلاستيكي على الجانب المتقدم السطح المعدني على جانب العودة، بينما يتحرك النحاس الأيسر (جانب العودة) عبر مركز كتلة اللحام إلى الجانب المتقدم مدفوعًا بتدوير كتف العمود وإبرة التحريك. يمكن أن تصل المادة القريبة من الكتف إلى الجانب الساخن من الجانب المتقدم. المنطقة المتأثرة ميكانيكيا. يتم تقليب المعدن الموجود في منطقة كتلة اللحام وخلطه مع بعضها البعض بسبب تشوه القص البلاستيكي القوي وتدفقه [9،10]. يتحرك تدفق المعدن في هذه المنطقة فعليًا حول إبرة التحريك وفقًا لقواعد معينة. وأخيرًا، يتم تشكيل هيكل الحلقة البصلية عند A في الشكل. من تحليل حالة تدفق النحاس في الشكل، يمكن ملاحظة أن تدفق المادة على الجانب الأمامي ينقسم إلى ثلاث حالات: الأول هو أن المعدن بالقرب من نهاية إبرة التحريك يتدفق للأمام من الأسفل إلى الأعلى؛ والآخر هو تدفق حلقة البصل الذي يظهر في منتصف إبرة التحريك، أما على الجانب الأمامي فيتوافق هذا التدفق مع اتجاه التدفق في النهاية؛ ثالثا، تظهر ظاهرة الدوامة البلاستيكية على نمط تدفق حلقة البصل. أما النحاس B الذي يظهر على الجانب الأمامي فيتجه نحو الأعلى من نهاية إبرة التحريك. فهو يتدفق للأمام بدلاً من التحرك من نفس ارتفاع النحاس حول الجزء الخلفي من إبرة التحريك. ويحدث موقف مماثل أيضًا في المفصل الرقيق T2/H62. ونظراً لصغر سمكها، يتم ربط المادتين معاً في مستوى مائل، وفي كتلة اللحام تكون المنطقة التي يظهر فيها بعض النحاس الأحمر مختلطة تماماً في النحاس.

الشكل 3 عبارة عن رسم تخطيطي للبنية المجهرية لأجزاء مختلفة مقارنة بالشكل 2. ويتبين من الشكل أن حجم وشكل الحبيبات في كل منطقة من المفصل مختلفان، ونظرًا لوجود مناطق مختلطة، فإن الوضع في المفصل أكثر تعقيدًا. يوضح الشكل 3أ مساحة مادة النحاس الأم، تختلف عن تلك الموجودة عند لحام نفس النوع من النحاس، حيث تزيد حبيبات النحاس القريبة من منطقة النحاس بشكل ملحوظ، كما هو موضح في الشكل 3ب، 3د. وذلك لأن معاملات التوصيل الحراري على جانبي رأس الاحتكاك مختلفة. بسبب ارتفاع درجة حرارة النحاس الأحمر، فإن التوصيل الحراري جيد. ، يتم نقل كمية كبيرة من الحرارة من الجانب النحاسي، ويكون النحاس القريب من الجانب النحاسي موجودًا في منطقة كتلة اللحام، ويكون توصيل الحرارة على كلا الجانبين بطيئًا، مما يؤدي إلى فترة إقامة طويلة في درجة حرارة عالية في هذه المنطقة، مما يتسبب في نمو حبيبات النحاس في هذه المنطقة. على الجانب النحاسي، نظرًا لأن الحرارة المدخلة مرتفعة جدًا، تنمو الحبوب إلى حبيبات خشنة متساوية المحاور. في منطقة كتلة اللحام، نظرًا لأن المادتين غير مختلطتين بشكل موحد، فإن شكل الحبوب يزيد بشكل ملحوظ في المنطقة التي يتم خلط النحاس فيها قليلًا، بينما في المنطقة المفردة تكون حبيبات النحاس أكبر بكثير من حبيبات النحاس، و حبيبات النحاس ناعمة وموزعة بالتساوي، كما هو موضح في الشكل 3ج. يوضح الشكل 3f البنية المجهرية للمنطقة النحاسية المتأثرة بالميكانيكا الحرارية على الجانب الأمامي. بالمقارنة مع جانب العودة، فإن هذه المنطقة لها حدود واضحة، مع خطين فاصلين. يتكون الجانبان من حبيبات ذات اختلافات واضحة في الحجم. وبتحليل الصورة العيانية، وجد أن الخطوط الفاصلة على جانبي منطقة كتلة اللحام تكون متناظرة بشكل أساسي فيما يتعلق بمنطقة كتلة اللحام. يحدث هذا بسبب انخفاض درجة حرارة نقطة انصهار النحاس. في حالة النحاس الأحمر والنحاس الأصفر، يحدث التداخل عند تقاطع توصيلات الكتلة، ولكن منطقة الاختراق ضيقة للغاية. في المفصل T2/H62، على الرغم من أن الحبيبات الموجودة على الجانب النحاسي تخضع لإعادة بلورة ديناميكية واسترداد ديناميكي أثناء عملية اللحام، إلا أن الحبيبات تكون أصغر حجمًا مقارنة بالجانب النحاسي. التغيير في حجم الجسيمات ليس واضحا. من ناحية أخرى، في الوصلات الملحومة المعدنية المختلفة، تلعب حالة الاتصال عند السطح البيني للمادتين دورًا مهمًا في الخواص الميكانيكية للمفصل. ومن خلال النظرة العيانية للمفصل يمكن ملاحظة أن معظم أشكال الاتصال للمادتين تتكون من مناطق ذات خطوط فاصلة واضحة، مع وجود مناطق مختلطة قليلة فقط. من المفاصل في الشكل 4، يمكن ملاحظة أن هناك أطوارًا عند التقاطع تختلف عن المادتين، بعرض حوالي 10 ميكرومتر، وتوزيع يشبه الشريط على طول خط الوصل. الشكل يتسلل الطور الأسود إلى الطور الأبيض عند التقاطع في 3أ، مما يشير إلى أن المادتين مرتبطتان بشكل أساسي ببعضهما البعض من خلال روابط معدنية. تم استخدام حيود الأشعة السينية ADVANCE 8D لإجراء تحليل الطور عند الوصلة، كما هو موضح في الشكل 5. ومن خلال التحليل وجد أنه بالإضافة إلى المواد الأساسية النحاس والنحاس الأصفر، ظهر أيضًا مركب معدني Cu5Zn8 في المفصل.

2.3 تحليل الخواص الميكانيكية المشتركة

الشكل 6 هو توزيع قيم الصلابة الدقيقة المقاسة على مسافات معينة على طول الاتجاه من النحاس إلى النحاس على المقطع العرضي للمفصل T2 / H62. الشكل 6 أ هو المفصل الذي تم الحصول عليه عندما يكون سمك اللوحة 4 مم وسرعة الدوران 600 دورة/دقيقة. توزيع قيمة الصلابة. في التجربة، متوسط ​​قيمة صلابة المادة الأساسية النحاسية هو 95HV، ومتوسط ​​قيمة الصلابة للمادة الأساسية النحاسية هو 160HV. توزيع المنحنى بأكمله منخفض (النحاس) - يتقلب في نطاق أقل، ويتزايد (النحاس) يتناقص. هناك اتجاه متزايد. نظرًا لأن صلابة المادة الأساسية النحاسية أعلى من صلابة النحاس الأحمر، فإن الصلابة الدقيقة تزيد بشكل ملحوظ في منطقة الانتقال من النحاس الأحمر إلى النحاس الأصفر. هناك ظاهرة تليين في المفصل بأكمله. بالمقارنة مع النحاس الأحمر، فإن قيمة صلابة النحاس تنخفض أكثر. كبير، انخفض بمقدار 40 ~ 60HV، بينما انخفضت صلابة النحاس الأحمر بمقدار 10 ~ 20HV فقط. يوضح الشكل 6 ب تأثير عملية اللحام على قيمة الصلابة الدقيقة للمفصل. يتبين من الشكل أن سرعة الدوران هي 450 دورة / دقيقة وسرعة اللحام هي قيمة الصلابة الدقيقة للمفصل عند 80 مم / دقيقة أعلى من قيمة المفصل عند سرعة دوران أعلى وسرعة لحام أعلى. هذه الظاهرة واضحة بشكل خاص على الجانب النحاسي، في حين أن فرق الصلابة الدقيقة على الجانب النحاسي ليس كبيرًا. ويرتبط هذا بنقطة الانصهار والتوصيل الحراري للاثنين. نظرًا لأن النحاس لديه نقطة انصهار منخفضة، فمن الأسهل تليينه من النحاس عند درجات حرارة أعلى، وبالتالي فإن صلابة النحاس تنخفض أكثر من صلابة النحاس. نظرًا لأن اللوحة المراد لحامها رقيقة نسبيًا، فإن سرعة دوران رأس الاحتكاك تكون المساهمة في حرارة اللحام كبيرة نسبيًا، وبالتالي فإن سرعة الدوران العالية تولد المزيد من الحرارة، مما له تأثير كبير على المفصل وظاهرة التليين. انه جدي. تزداد قيمة الصلابة في منطقة كتلة اللحام، والتي ترتبط بالعدد الكبير من الحبوب المنتظمة والناعمة في هذه المنطقة. نظرًا لأن خط الحدود T2 / H62 ضيق جدًا، ولا يتم قياس ذروة صلابة المركب المعدني Cu5Zn8 في هذه المنطقة بشكل أساسي في الشكل. على الرغم من وجود المركب المعدني في تحليل الطور، إلا أنه نظرًا لصغر محتواه، إلا أنه له تأثير أكبر على الخواص الميكانيكية للمفصل. صغير. من سطح الكسر للعينة، يمكن ملاحظة أن الكسر لم ينكسر ببساطة من تقاطع المادتين، ولكنه انكسر باتجاه الجانب النحاسي في منطقة كتلة اللحام. ظهرت طبقة بينية مختلطة من النحاس والنحاس على سطح الكسر، وظهر المفصل واضحاً قبل الكسر. العنق هو كسر مطيل. في اختبار الشد لمفصل بسماكة صفيحة 2 مم، حدثت معظم الكسور في الجانب النحاسي، وليس عند تقاطعه.

الشكل 7 عبارة عن مقارنة بين استطالة وقوة الشد اللحامات التي تم الحصول عليها عن طريق لحام النحاس والنحاس بسماكة لوحة تبلغ 2 مم تحت معلمات عملية مختلفة. من الشكل، يمكن ملاحظة أن متوسط ​​قوة الشد للمفاصل هو في الأساس نفس قوة الشد للمفاصل النحاسية. قوة الشد متساوية. عندما تكون سرعة دوران رأس الاحتكاك 600 دورة/دقيقة وسرعة اللحام 55 مم/دقيقة، فإن استطالة المفصل تكون الحد الأقصى، ويمكن أن تصل قوة الشد أيضًا إلى الحد الأقصى في ظل مجموعات مختلفة من سرعة الدوران وسرعة اللحام. القيمة القصوى. ولكن بشكل عام، يمكن الحصول على المفاصل المؤهلة من خلال الحفاظ على سرعة الدوران بين 450 و600 دورة/دقيقة، وتكون قيم استطالة المفاصل وقوة الشد التي تم الحصول عليها مثالية نسبيًا. عندما يتم زيادة سرعة الدوران إلى 700r/min، نظرًا لأن الزيادة في سرعة الدوران تزيد من مدخلات الحرارة للمفصل، فإن نطاق اختيار سرعة اللحام يضيق. عندما يتم اختيار سرعة اللحام بشكل غير صحيح، فإن استطالة المفاصل وقوة الشد تنخفض بشكل كبير، مما يزيد من صعوبة التحكم في جودة اللحام.

image.png

3 - الخلاصة

1) من خلال اختيار معلمات عملية اللحام المناسبة، يمكن تحقيق اتصال اللحام بالتحريك الاحتكاكي للمعادن المتباينة من النحاس والنحاس، كما أن هيكل المفصل والأداء ممتازان.

2) بسبب الخصائص الفيزيائية المختلفة للنحاس والنحاس، هناك اختلاف كبير في حجم حبيبات النحاس والنحاس في وصلة النحاس والنحاس بعد اللحام. يتم تكرير حبيبات النحاس في منطقة كتلة اللحام، بينما تظهر حبيبات النحاس إلى حد ما. توجد مادة انتقالية بين النحاس والنحاس في المفصل. يُظهر تحليل حيود الأشعة السينية أنه Cu5Zn8، ويبلغ عرض المنطقة الانتقالية حوالي 1 إلى 10 ميكرومتر.

3) بعد اللحام، تنعم الصلابة الدقيقة للمفاصل بدرجات متفاوتة، وتكون سعة التليين على الجانب النحاسي أكبر من تلك الموجودة على الجانب النحاسي. يحدث كسر المفصل في الجانب النحاسي، ويكون متوسط ​​قوة الشد للمفصل بين قوة الشد للنحاس والنحاس. .