مقاله شماره 59 :عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

[hamid96]

خلاصه:
عملکرد آلیاژ ترکیب اسمی Tic%5vol –Cu که به واسطه متالورژی پودری تهیه می شود، زمانی که چنین موادی به عنوان الکترودها برای جوشکاری مقاومت الکتریکی به کار می روند ارزیابی می شود. با شروع از Ti, Cu و گردهای گرافیتی، پولک های آلیاژ با کمک واکنش آسیاکاری در یک آسیاب پرانرژی ترکیب می شوند؛ سپس شمش های آلیاژ با قطر mm6 به واسطه چکش کاری داغ چنین پولک هایی تولید می شوند. عملکرد الکترودها با کمک شاخص های زیر برآورد می شود: کوتاه شدگی سر، پهن سازی سر و افت جرم، الکترودهای مس الکترولیت به عنوان مرجع استفاده می شوند. نتایج به وجود آمده به وضوح نشان می دهند که الکترودهای Cu-Tic تهیه شده از ترکیب پودرها به وسیله واکنش آسیاکاری به طور چشمگیری دارای عملکرد بهتری از الکترودهای ساخته شده از مس الکترولیت می باشند.
1. مقدمه:
فرآیند جوشکاری مقاومت الکتریکی به پیشرفت کامل در تولید مجموعه هواپیمایی، شاسی و بدنه های اتومبیل، ابزار آهنی و کاربردهای دیگر بعد از جنگ جهانی دوم رسیده این فرآیند جوشکاری از مس و آلیاژهای مس به عنوان مواد الکترود استفاده می کند.
جوشکاری مقاومت الکتریکی شامل گذراندن جریان بالا در یک ولتاژ کوچک از میان مدار بسته به وسیله قطعات جوش خورده است. این قطعات در تماس نزدیک با دو الکترود و با کمک فشار به کار رفته حفظ می شوند (شکل 1) گرمای تولید شده به واسطه اثر ژول برای تولید ذوب نقطه ای قطعات تحت فشار کافی می باشد، که به اتصال ساختگی خودکار منجر می شود. از این رو، مواد الکترودی می بایست رسانایی های الکتریکی و گرمایی بالایی را در ترکیب با مقاومت بالا در دماهای بالا نشان دهند. مقاومت دمای بالای آلیاژهای فلز، به طور کلی به وسیله گنجایش حجم کمی از کسر (05/-02/) ذرات سرامیکی پراکنده شده بهبود می یابد. ذرات نامحلول مستلزم آن هستند که رسانایی های حرارتی و الکتریکی در بین حدود عملی قابل قبول باقی بماند. این پراکندگی ها می بایست به طور ترمودینامیکی پایدار باشند و به طور همگن درماتریس فلزی در اندازه نانومتری توزیع شوند. مقاومت دمای بالا به وسیله دو مکانیسم اصلی کنترل می شود: تعادل میان پراکندگی ها و مرزهای ذره و تعاملات میان جابه جایی ها و فازهای میانی ماتریس پراکنده. واکنش آسیاکاری از اصول موثر در به کارگیری پراکندگی های نانومتری در ماتریس Cu است. آلیاژ مکانیکی و شکل مخصوص آن از واکنش آسیا کاری اخیرا توسط لوولای بررسی شده اند. آلیاژ مکانیکی یک فرآیند سنگ شکن گلوله ای است که در حدود سال 1966 اختراع شد، یعنی زمانی که ماتریس پودری در معرض برخوردهای پر انرژی از طرف ساچمه ها قرار می گرفت. دو رویداد بسیار مهم که در آلیاژ مکانیکی وجود دارند عبارتند از جوشکاری تکرار شده و شکستن ترکیب پودری که ترکیب حالت جامد مواد را میسر می سازد که آن نیز معمولا برای به دست آمدن توسط روش های قدیمی ممکن نمی باشد. آلیاژها با ترکیبات مختلف از فلزات، حتی با استفاده از ماتریس شروع کننده ی دمای کم و زیاد عناصر ذوب، توسعه یافته اند.​

​

​

شکل1.جوشکاری مقاومتی – الکتریکی دو ورق که بین دو الکترود زیر فشار انجام شد.​

اگرچه در کل، مواد خام به کار رفته در آلیاژ مکانیکی حداقل می بایست شامل یک فلز شکل پذیر باشند تا به عنوان یک گروه یا ماده چسباننده برای نگه داشتن اجزاء دیگر عمل کنند، بررسی های بیشماری ثابت کرده اند که فلزات شکننده نیز می توانند به طور مکانیکی آلیاژ شوند. تولیدات نهایی که با آسیاکاری توسعه یافته اند پولک هایی هستند که ریز ساختار داخلی آن ها به وسیله اندازه هایی میکرو یا نانویی دانه های بلورین یا به وسیله ترکیبات بی شکل و یا به واسطه ترکیبات متعلق به آن تشکیل شده است؛ محلول های جامد نیز ثابت شده اند به علت ساییدگی ، چنین دانه های ریز بلوری، چگالی بالای جا به جایی را ظاهر می کنند. در نتیجه، ورقه های به دست آمده به وسیله آلیاژ سازی مکانیکی با کمک اصول ترمودینامیکی سخت می شوند. واکنش آسیاکاری که در سال 1975 توسع یافته به وسیله یک واکنش شیمیایی انجام شده است که در فرآیند آلیاژ سازی مکانیکی بین افزودنی های آسیا کاری و ذرات پودری آسیاب شده رخ می دهد. از این رو، وسایل سایش مایع و اتمسفر گازی می بایست به دقت برای ارتقای واکنش O,C یا N با فلزات انتخابی به منظور دستیابی به کاربیدها، اکسیدها و نیتریدهای پراکنده ، انتخاب شوند. پاشیدگی ذرات ​

 

[hamid96]

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

سرامیکی نانومتری مناسب که به وسیله ی واکنش آسیا کاری مانند اکسیدها، کاربیدها یا نیتریدهای ترجیح داده شده در بالا که در ماتریس فلزی تهیه شدند به استحکام و اتصال موثر جابه جایی ها، دانه های ریز و دانه ها نیز به افزایش دماها منجر می شود که در آن پدیده با زیانی، تبلور مجدد و رشد دانه اتفاق می افتد. از این رو، در دمای بالا مقاومت مواد نیز افزایش می یابد. اهداف کار فعلی به شرح زیر است: (a) ترکیب کردن به وسیله واکنش آسیاکاری پولک های فلز شامل تقریبا %5vol ذرات Tic هستند که در ماتریس مسی پراکنده شده اند و سپس تهیه شمش های انبوه از طریق خروج گرم پولک ها و (b) بررسی عملکرد این شمش ها به عنوان الکترودهایی برای جوشکاری مقاومت الکتریکی، بررسی قیاسی عملکرد الکترودهای Cu-Tic با آن دسته از الکترودها که از مس الکترولیتی بزرگ ساخته می شوند نیز صورت گرفته است.
1. آزمایش:
پودرهای دندریتی (دندانه ای) مس الکترولیتی (wt%90 زیر 40 ) ، پودرهای Ti (زیر 45) و پودرهای گرافیتی (اندازه 6) به عنوان مواد اولیه برای تشکیل یک آلیاژ Ti%5vol – Cu (ترکیب اسمی) با استفاده از وسایل آسیاکاری شش گوشه به کار می روند. پودرها (wt%c3-wt%Ti3/2-Cu) به طور مکانیکی در یک سایندۀ فولادضد زنگ که از یک محفظه فولادی AIST316 با ساچمه های فولادی یاطاقان (قطر mm76/4) و از فولاد مشابه ساخته شده است استفاده می شود آسیاب می شوند. شرایط آسیاکاری به شرح زیر هستند: ساچمه در نسبت وزن پودر = 10:1g/g ؛ سرعت منطقی = rpm500 و زمان آسیاکاری به مدت 10 ساعت، پولک های به دست آمده به وسیله آسیاکاری تحت خلاء کم متراکم می شوند و سپس با خروج در k1023 و به وسیله نسبت خروج 10:1 سخت می شوند. بررسی میکرو ساختاری بر روی نمونه آلیاژ های Cu-Tic به وسیله میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) CM200 فیلیس انجام گردید که با سیستم EDS(EDAX) اندازه می شد. بررسی پراش اشعه X (XRD) با طیف سنج زیمنس مدل D500 و به وسیله تابش تحت kv40 و mA4 انجام گرفت. برای برآورد مقاومت مواد در برابر دماهای بالای نرم کردن ، نمونه های سخت شده به مدت 1 ساعت در دماهای مختلف (673و 923و 1173 کلوین) حرارت داده شدند و سپس سختی B راکول در دمای محیط اندازه گیری شد. به علاوه برای ارزیابی رفتار خزش، آزمایشات فشردگی داغ در دماهای 733و 1123 کلوین در یک دستگاه Instron با مدل TT-DM اجرا شد. دو سرعت فشردگی عرضی ، 005/0و 05/0، که با نسبت های درست کشیدگی به ترتیب مطابقت می کنند، به کار گرفته شدند. نمونه های متراکم استوانه ای دارای ارتفاع mm8/9 و قطر mm5/6 بودند و گرافیت به عنوان روان کننده استفاده می شد. رسانایی الکتریکی (IACS) استاندارد ملی مس تابدیده آلیاژ Cu-5vol%Tic به وسیله روش چهار نقطه ای اندازه شد. جوشکاری مقاومت الکتریکی دو قطعه صفحه فلزی (فولاد SAE1020 ، ضخامت mm5/) برای آزمایش عملکرد یک جفت الکترود آلیاژ Cu-Tic به کاربرده شد. شمش ها با قطر mm6 که روی نگهدارنده های منطبق نصب شدند همان طور که در شکل 1 می توان دید، به عنوان الکترود استفاده می شوند در تجهیزات به کار رفته، دو الکترود از یک جفت داده شده در طول محور عمودی عمل می کنند، بازوی الکترود پایینی در یک وضعیت ثابتی قرار داشت، در حالی که بازوی الکترود بالایی تا زمانی که به نقطه جوش با به کارگیری فشار بیرونی در زمان جوش برخورد کردیم حرکت کرد. از شرایط زیر در آزمایش استفاده شد: شدت جریان اسمی برابر A34؛ زمان کاربرد جریان 3 ثانیه و زمان متوسط خنک سازی حدود 15 ثانیه . یک جفت الکترود بزرگ Cu الکترولیتی نیز به شکل شمش با قطر mm6 برای تثبیت عملکرد به عنوان مرجع در آزمایشات جوشکاری استفاده شد. اندازه دمای انجام شده با یک گرماسنج (تفسنج) چشمی در نوک الکترودهامقدار623کلوین به دست آمد. شاخص جهت برآوردعملکرد الکترودها استفاده شد: (1) کوتاه کردن سر الکترود؛ (2) افزایش قطر سر الکترود و (3) اتلاف جرم الکترود. این اقدامات بعد از 80 عملیات جوشکاری انجام گرفت؛ تنها زمانی که هر مجموعه از 80 عملیات کامل شد: الکترودها از نگهدارنده های خود استخراج شدند. طول سرالکترود به عنوان بخشی از الکترود که بیرون از نگهدارنده قابل رویت بود، تعریف شد.
2. نتایج و مباحث.
1. 3 رفتار مواد
مقدار سختی به دست آمده برای مس بزرگ الکترولیتی به عنوان مرجع استفاده شد و برای آلیاژ CU -5vol%Tic خارج شده به ترتیب حدود 32 و 62 RB بود، منحنی های سختی در مقابل دمای آنیل 1 ساعت در شکل 2 گزارش شدند و آشکارا نشان می دهند که آلیاژ Cu-Tic سختی خود را تا بیش از k923 همان گونه که قبلا توسط پالما و همکارانش گزارش شد، حفظ می کند. این حقیقت که هر کدام از سختی ها در شکل 2 یک حداکثر را در k923-673 نشان می دهد حاکی از آن است که سختی آنیل به وسیله رسوب رخ می دهد. چنین نتایجی با نتایج گزارش شده توسط پالما و همکارانش برای آلیاژ مشابه Cu-Tic که مستقلا تهیه و در همان شرایط آزمایش شد، مطابقت می کرد. نتایج آزمایشات تراکم داغ در شکل 3 نشان داده شدند. سختی ها برای نسبت درست کشش نشان می دادند که مقاومت آلیاژ Cu-5vol%Tic در k773 بیشتر از مقاومت مس الکترولیتی در توافق کیفی با نتایج سختی شکل 2 است. به علاوه، شکل 3 نشان می دهد که منحنی بارهای جریان آلیاژ Cu-5vol%Tic زمانی که نسبت کشش افزایش یافته همان طور که برای دماهای بالا انتظار می رفت، زیاد می شد. اندازه رسانایی الکتریکی آلیاژ Cu-5vol%Tic مقدار %76/9 IACS را ارائه می داد. از این رو این مواد نیاز به حداقل مقدارIACS 75% را که در مرجع برای جوشکاری مقاومت الکتریکی نشان داده شد انجام می دادند. ​

 

[hamid96]

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

​

​

شکل2.سختی دمای محیط آلیاژهای Cu-5vol%Ticبعد از یک ساعت آنیل در دماهای مختلف .سختی دمای محیط مس الکترولیتی (فشرده) نیز نشان داده شد.​

​

​

​

شکل3. منحنی های آزمایش تراکم(فشار) برای آلیاژهایCu-5vol%TicوCu که در 723k برای نرخ های کرنش حقیقی اولیه انجام شد ، نشان داده شد.​

1. 3 عملکرد الکترودها:
نتایج به دست آمده بعد از 80 عملیات جوشکاری برای سه شاخص به کار رفته برای برآورد عملکرد الکترود مقایسه شده بارهای مس الکترولیتی و آلیاژ Cu-5vol%Tic در جدول 1 خلاصه شدند. شکل 4 الکترودهای مسی و Cu-5vol%Tic را بعد از 80 عملیات جوشکاری نشان می داد.
جدول1. میزان کارایی الکترودها پس از 80 عملیات جوشکاری را نشان می دهد.
میزان کارآیی الکترود
کاهش وزن(%) افزایش ضخامت سر(%) کوتاه شدگی سر(%) حالت ماده
12.2 26 37 (متحرک) الکترود بالا Cu
11.5 42 64 (ثابت) الکترود پایین
3.1 21 7 (متحرک) الکترود بالا Cu-5vol%Tic
3.3 22 15 (ثابت) الکترود پایین

​

​

​

شکل4. الکترودها در نگهدارنده هایشان بعد از 80 عملیات جوشکاری (a) مس الکترولیتی (فشرده)،(b) آلیاژCu-5vol%Tic​

صرف نظر از مواد الکترود، الکترود پایینی از یک جفت ثابت، تجزیه بیشتر و اتلاف جرم بیشتری نسبت به الکترود بالایی ، الکترود متحرک نشان می داد، اثر تعداد عملیات جوشکاری در درصدی از کوتاه شدن سر برای الکترودهای مسی و Cu-5vol%Tic در شکل 5 نشان داده شد. جدول 1 و اشکال 4 و 5 نشان می دادند که الکترودهای آلیاژ Cu-5vol%Tic عملکرد بهتری از الکترودهای مسی نشان می دادند. در واقع الکترودهای Cu-5vol%Tic کوتاه شدن کمتری از سر الکترودها ، افزایش قطر سر الکترود و افت جرم الکترود را نشان می دادند. ملاحظه کنید که در مورد الکترودهای پایینی، شاخص افت جرم آلیاژ Cu-5vol%Tic در حدود 5/3 برابر کوچکتر از مس الکترولیتی بود. این نتایج شاخص با بار جریان متراکم تر در Cu-5vol%Tic زمانی که با مس الکترولیتی مقایسه می شد و همان طور که به طور واضح در شکل 3 نشان داده شد مرتبط بودند.
2. 3 میکرو ساختار .
میکرو ساختار آلیاژ Cu-Ti-C از قالب خارج شده در شکل 6 نشان داده شد:
بررسی EDS نشان می داد که ذرات تیره مشاهده شده در این میکروگراف با پراکندگی های Tic با اندازه 5 تا 15 نانومتر مطابقت می کردند. ​

 

[hamid96]

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

​

شکل5. تاثیر تعداد عملیات جوشکاری روی درصد کوتاه شدگی سر برای الکترودهای بالا وپایین Cu و Cu-5vol%Tic​

​

شکل6. تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری از آلیاژ Cu-5vol%Tic هنگامی که از قالب خارج شد. ذرات نانومتریک Ticداخل دانه ها وروی نقص های خطی مشاهده شد.​

توجه کنید که Tic تنها در جا به جایی ها متمرکز نشده بود، بلکه به نظر می رسید تا اندازه ای به طور همگن در کل ماتریس مس توزیع شده بود. به علاوه ، Tic نیز به وسیله اندازه های XRD مشخص شد، شکل 7 را ببینید. بنابراین، یک چنین عملکرد خوبی از الکترود Cu-5vol%Tic از لحاظ ریز ساختاری به علت حضور نانو ذرات Tic توضیح داده شد. آن دسته از پراکنده های سرامیکی ، حرکت دانه و مرزهای ریزدانه و جابه جایی آن ها را محدود می کرد. به ویژه ، پراکنده ها با فازهای مرتبط هم چون Tic اساسا حرکت مرزی دانه را محدود می کردند. مشاهده شد که این بلورهای Tic به طور مرتبط در ماتریس مسی در یک آلیاژ Cu-Al-Ti-C مشابه که به وسیله واکنش آسیاب به وجود آمده بودند، جهت یابی شدند. اندازه دانه ماتریس مس از 100 تا nm150 بود. استفاده از الکترودهای آلیاژ مبتنی بر مس که با واکنش آسیاکاری تهیه می شدند تنها زمانی تایید می شد که عملکرد بالای آن ها از لحاظ اقتصادی از هزینه های نسبتا بالای ساخت فرآیند درگیر بیشتر می شد. مزایای یک عملکرد بهتر به ویژه به معنای زمان بیشتر میان جابه جایی های ابزاری خواهد بود؛ در مقابل هزینه ها نیز می بایست در نظر گرفته شوند چرا که پودرهای مس و اضافه های آن باید برای ساعت های زیادی در آسیاهای کم ظرفیت آسیاب شوند و سپس برای به دست آوردن شمش های الکترود متراکم شوند.

​

شکل 7. الگوی XRDبرای آلیاژCu-Tic. بردار عمودی پیک های پراش Tic را در مقدار 2θ از 41.7◦ مطابق با صفحه های (2 0 0) را نشان می داد . دو تا از پیک های اصلی بر مس منطبق بودند.​

1. نتایج

 

[hamid96]

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-Tic که بوسیله واکنش آسیاکاری برای جوشکاری مقاومت الکتریکی توسعه می یابند.

عملکرد الکترودهای آلیاژ Cu-5vol%Tic بعد از 80 عملیات جوشکاری نقطه متوالی به طور چشمگیری بیشتر از الکترودهای مس الکترولیتی است. عملکرد بهتر آلیاژ Cu-5vol%Tic که توسط واکنش آلیاژسازی مکانیکی در یک آسیاب پر انرژی ترکیب شد و به وسیله شکل دهی گرم سخت شد. با در نظر گرفتن توزیع همگن پراکنده های نانومتری Tic در آلیاژ ماتریس مس توضیح داده شد.

 

[hamid96]

نمودارها-جداول وعکس های مقاله