Μελέτη της συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση όμοιων και ανόμοιων κραμάτων αλουμινίου, με έμφαση στην επίδραση των παραμέτρων της κατεργασίας στη μικροδομή και στις μηχανικές ιδιότητες
Authors: Δανιόλος Νικόλαος 
Published: September 2021

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η βελτιστοποίηση της συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση (Friction Stir Welding-FSW) όμοιων και ανόμοιων κραμάτων αλουμινίου, τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως σε ναυπηγικές και αεροναυπηγικές εφαρμογές και εν συνεχεία η μελέτη τους σε επίπεδο μικροδομής και μηχανικών ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα, τα προς συγκόλληση κράματα ήταν τα παρακάτω: Για τη συγκόλληση όμοιων κραμάτων: AA5083-H111, AA6082-T6, AA7075-T651 Για τη συγκόλληση ανόμοιων κραμάτων: AA5083-H111 με ΑΑ6082-Τ6 και ΑΑ6082-Τ6 με AA7075-T651Η παρούσα διδακτορική διατριβή αρχικά εστιάζει στην επίδραση των παρακάτω παραμέτρων: γεωμετρία εργαλείου συγκόλλησης (πείρου), κλίση εργαλείου, ταχύτητα πρόωσης και ταχύτητα περιστροφής. Σε πρώτο στάδιο, πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικές δοκιμές σύμφωνα με τις οποίες παρατηρήθηκε ότι καλύτερες ποιοτικά συγκολλήσεις πραγματοποιούνται όταν εφαρμόζεται κλίση εργαλείου 2ο και χρησιμοποιείται το εργαλείο συγκόλλησης που φέρει κυλινδρικό πείρο με αριστερόστροφο σπείρωμα. Το κυριότερο πλεονέκτημα του συγκεκριμένου πείρου ήταν η πραγματοποίηση καλής ανάμιξης και ομοιόμορφης κατά το πάχος ροής εντός του πυρήνα συγκόλλησης.Στη συνέχεια για τη συγκόλληση όλων των κραμάτων μελετήθηκε η επίδραση της ταχύτητας πρόωσης και της ταχύτητας περιστροφής με χρήση του κυλινδρικού πείρου με σπείρωμα και κλίσης 2ο. Η επίδραση των ταχυτήτων αρχικά διερευνήθηκε για κάθε συγκόλληση ως προς την απουσία ατελειών και στη συνέχεια ως προς το μέγεθος (πλάτος) του πυρήνα συγκόλλησης και το μέγεθος των κόκκων του. Τα κριτήρια του πλάτους του πυρήνα συγκόλλησης και του μεγέθους των κόκκων του επιλέχθηκαν, διότι οι ιδιότητες της ζώνης αυτής καθορίζουν σε σημαντικό βαθμό την αντοχή της συγκόλλησης. Συγκεκριμένα, για κάθε κράμα και συνδυασμό κραμάτων, από τις συγκολλήσεις που πραγματοποιήθηκαν με την ίδια ταχύτητα περιστροφής και επιπλέον χαρακτηρίζονταν από απουσία ατελειών, επιλέχθηκε η καλύτερη με βάση τα κριτήρια του πλάτους και του μεγέθους των κόκκων του πυρήνα συγκόλλησης. Η ίδια διαδικασία πραγματοποιήθηκε και για την ταχύτητα πρόωσης. Η καλύτερη συγκόλληση που προέκυψε από αυτές που παράχθηκαν με τη ίδια ταχύτητα πρόωσης και η καλύτερη από εκείνες που παράχθηκαν με την ίδια ταχύτητα περιστροφής συγκρίθηκαν ως προς τη διαμήκη και την εγκάρσια κατανομή μικροσκληρότητας και για κάποιες συγκολλήσεις (όπου κρίθηκε απαραίτητο) ως προς τις ιδιότητες εφελκυσμού. Με βάση τη συγκεκριμένη διαδικασία προέκυψαν για όλα τα κράματα και για τους συνδυασμούς των ανόμοιων κραμάτων, οι βέλτιστες παράμετροι για τον διατιθέμενο εξοπλισμό, οι οποίες χαρακτηρίζονταν από απουσία ατελειών.Οι συγκολλήσεις που πραγματοποιήθηκαν με τις βέλτιστες παραμέτρους μελετήθηκαν ως προς τη μακροδομή, τη μικροδομή, τη σκληρότητα και τις μηχανικές τους ιδιότητες (εφελκυσμός). Στην περίπτωση της μικροδομής των συγκολλήσεων των ανόμοιων κραμάτων (ΑΑ5083-Η111 με ΑΑ6082-Τ6 και ΑΑ7075-Τ651 με ΑΑ6082-Τ6) πραγματοποιήθηκε ενδελεχής μελέτη της ανάμιξης των μητρικών υλικών εντός του πυρήνα συγκόλλησης. Από την παρατήρηση της ανάμιξης, εξήχθησαν σημαντικά συμπεράσματα ως προς την κατανομή των υλικών, αλλά και ως προς την ανομοιογένεια που κυριαρχεί σε αυτή τη ζώνη. Στη συνέχεια με βάση τα αποτελέσματα μικροδομής παρατηρήθηκε και εξηγήθηκε η διαμήκης και η κάθετη κατανομή μικροσκληρότητας, καθώς και οι ιδιότητες εφελκυσμού των συγκολλήσεων.Τέλος, πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη τρισδιάστατου ροϊκού μοντέλου πρόβλεψης για την FSW του ΑΑ5083-Η111, με χρήση του πακέτου πεπερασμένων στοιχείων ANSYS. Ο στόχος της μοντελοποίησης της διεργασίας FSW είναι ο προσδιορισμός της έκτασης της ροής υλικού κατά τη συγκόλληση δια τριβής με ανάδευση. Συμπερασματικά, ως προς τη μικροδομή, στην περίπτωση της TMAZ της συγκόλλησης του ΑΑ6082-Τ6 και εκείνης του ΑΑ7075-Τ6 παρατηρήθηκε μερική δυναμική ανακρυστάλλωση, η οποία αποτελεί ένα είδος μη συνεχούς δυναμικής ανακρυστάλλωσης. Η παρουσία μη δυναμικής ανακρυστάλλωσης δείχνει την παρουσία ανομοιογένειας στη ζώνη αυτή ως προς το μέγεθος των κόκκων. Ακόμη, από τη μελέτη της ανάμιξης στον πυρήνα συγκόλλησης των συγκολλήσεων μεταξύ των ανόμοιων κραμάτων συμπεραίνεται η ύπαρξη ανομοιογένειας, αφού οWN αποτελείται από περιοχές ή υποπεριοχές, από τις οποίες άλλες έχουν παρόμοια χημική σύσταση με το πρώτο μητρικό υλικό, άλλες με το δεύτερο μητρικό υλικό και στην περίπτωση στων συγκολλήσεων του ΑΑ6082-Τ6 με το ΑΑ7075-Τ651 παρατηρήθηκαν υποπεριοχές που χαρακτηρίζονται από πλήρη ανάμιξη. Ως προς τις μηχανικές ιδιότητες, η συγκόλληση του ΑΑ5083-Η111 παρουσίασε παρόμοιες ιδιότητες με αυτές του μητρικού υλικού. Οι συγκολλήσεις των ΑΑ6082-Τ6 και ΑΑ7075-Τ651 παρουσίασαν χαμηλότερες μηχανικές ιδιότητες λόγω της διαλυτοποίησης των κατακρημνισμάτων. Οι συγκολλήσεις μεταξύ των ανόμοιων κραμάτων ΑΑ5083-Η111 και ΑΑ6082-Τ6, παρουσίασαν αντίστοιχες ιδιότητες (αντοχή σε εφελκυσμό, επιμήκυνση) με αυτές της συγκόλλησης του ΑΑ6082-Τ6, ενώ εκείνες μεταξύ των κραμάτων ΑΑ6082-Τ6 και ΑΑ7075-Τ651 παρουσίασαν χαμηλότερες τιμές σε σχέση με τις συγκολλήσεις των αντίστοιχων όμοιων κραμάτων, εξ’ αιτίας της διαλυτοποίησης των κατακρημνισμάτων και της ανομοιογένειας εντός του WN.Ως προς την αριθμητική προσομοίωση, για τον επιτυχή προσδιορισμό της ροϊκής ακτίνας πραγματοποιήθηκε προσαρμογή του μοντέλου Bingham, έτσι ώστε στις περιοχές της συγκόλλησης που ο ρυθμός παραμόρφωσης είναι μεγάλος να χρησιμοποιείται χαμηλό ιξώδες όταν η διατμητική τάση ξεπερνά το όριο διαρροής, ενώ στις περιοχές που βρίσκονται μακριά από τη συγκόλληση και ο ρυθμός παραμόρφωσης είναι αρκετά μικρός, το μοντέλο να χρησιμοποιεί μεγάλο ιξώδες που καθιστά την πλάκα ως στερεό σώμα. Με βάση τη συγκεκριμένη θεώρηση τα αποτελέσματα του αριθμητικού μοντέλου έδωσαν τιμές που παρουσιάζουν πολύ μικρή απόκλιση από τα πειραματικά δεδομένα.