مروری بر جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) آلیاژ تیتانیوم

FSW یا friction stir welding یک روش جوشکاری حالت جامد است که به طور گسترده ای در آلومینیوم و آلیاژهای آن به منظور دستیابی به استحکام بالای جوش به کار می رود و اهمیت قابل توجهی نسبت به دیگر روشهای جوشکاری دارد. از ویژگی های آن می توان به تراکم پایین عیوب و خواص مکانیکی بهبود یافته اشاره کرد همچنین صرف نظر از محل اتصال (عمودی یا افقی )نیاز به ماشین کاری کمتری دارد .  FSW عمدتاً برای مواد با نقطه ذوب پایین مثل آلومینیوم استفاده می ­شود ولی در سال های اخیر،  FSW به صورت گسترده ای در فلزات با نقطه ذوب بالا مثل فولاد، نیکل و آلیاژهای تیتانیوم استفاده شده است. برای این مواد باید به انتخاب هندسه ابزار،سرعت دورانی، سرعت پیشروی ابزار، ضخامت قطعه کار و غیره توجه بسیار کرد.

انتخاب مواد
تیتانیوم یک فلز آلوتروپیک است که مقاومت ویژه بالا ،خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی عالی و همزمان چگالی پایینی دارد همچنین به دلیل داشتن خواص بسیار عالی به طور وسیعی در زمینه های  هوافضا،  صنعت اتومبیل، کشتی سازی ، راه آهن و  پیوند اعضای بیولوژیکی کاربرد دارد.
تیتانیوم دارای ساختار کریستالی فشرده شش وجهی (hcp)  با صفحات لغزش مستقل و محدودی است لذا این صفحات نمی‌توانند به طور آزادانه تغییر شکل دهند. در آلیاژ سازی، تیتانیوم با عنصر هایی چون آلومینیوم، قلع، وانادیوم ، مولیبدن، کروم، زیرکونیوم، مس و سیلیکون ترکیب می شود و در این حالت هر کدام از ساختارهای آلفا، بتا و مخلوط آلفا و بتا می­توانند پایدار باشند. این سه ساختار تیتانیوم مزایا و محدودیت های خود را دارند اما مخلوط آلفا و بتا به عنوان یه مخلوط پایدار متالورژیکی شناخته می شود. این آلفا و بتا های مخلوط شده یک محدوده ی کاربردی دارند علی الخصوص آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V که به طور وسیعی در کاربردهای گوناگون مورد استفاده قرار می گیرد.
تیتانیوم خالص و آلیاژ تیتانیوم با عناصر پایدارکننده آلفا، سبب حفظ ساختار کریستالی شش وجهی می شوند که به این نوع از تیتانیوم ، تیتانیوم آلفا گفته می شود. این تیتانیوم دارای استحاله چکش خواری - تردی نیست از این رو  در دما های بسیار پایین کاربرد دارد.  آلیاژ بتا تیتانیوم شامل عنصر پایدارکننده بتا و مقدار اندکی از پایدار کننده آلفا است که فاز ثانویه را تقویت می کند. عنصر آلیاژی اصلی باید زیست سازگار باشد تا بتا تیتانیوم در زمینه‌های پزشکی و پیوند اعضا کاربرد داشته باشد. این مواد قابلیت شکل پذیری خوبی دارند اما آلیاژهای تیتانیوم بتا، درصد وزنی اندکی از محصولات تیتانیومی تولید شده در جهان را شامل می­شوند. جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم توسط روش های مختلف جوشکاری سنتی مثل  جوشکاری قوس تنگستنGTAW ، جوشکاری قوسی با گاز محافظGMAW ، جوشکاری با پلاسما، جوشکاری پرتو لیزر و غیره صورت می‌گیرد. این تکنیک ها به دلیل واکنش بالای مواد با اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و در نتیجه شکنندگی ناحیه اتصال ، مشکلات متعددی دارند.

در زیر خلاصه ای از فعالیت های اخیر در زمینه آلیاژهای پایه تیتانیومی با استفاده از جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آمده است.

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی  مواد غیر همجنس
جوشکاری مواد غیر همجنس توسطFSW  به این علت که باید مواد با خصوصیت ویژه ای مثل نقطه ذوب ،تغییر فرم پلاستیک و غیره انتخاب شوند, از جوشکاری معمولی دشوارتر است.FSW  بر روی تیتانیوم خالص تجاری با آلیاژ آلومینیومADC12  توسط ابزار WC-CO تنگستن کاربید کبالت صورت گرفت. سه سرعتی که برای این جوشکاری در نظر گرفته شدند  60,90 و120 mm/min   هستند. بیشترین استحکام جوش در نیروی 39/9  کیلونیوتن، در سرعت90 mm/min به دست آمد. به علت سیلان ناکافی تیتانیوم و توزیع غیریکنواخت، عیوب در سرعت60 mm/min  شروع به رشد می‌کنند. در سرعت120mm/min   به علت پایین بودن دمای ورودی و کم بودن زمان واکنش بین تیتانیوم و آلومینیوم استحکام کششی کاهش می یابد.
با استفاده از فرایند FSW  و با یک ستاپ مخصوص برای فرو کردن پین، اتصال سربه­سر بین آلیاژTi-6Al-4v  و آلیاژAl-6Mg  برقرار شده است. نتایج نشان می دهند که استحکام کششی ناحیه اتصال می‌تواند  به بیش از ۹۲ درصد از استحکام آلومینیوم برسد. اتصال لب به لب غیر همجنس آلیاژTC1  تیتانیوم و آلیاژLF6  آلومینیوم با استفاده از فرایند FSW برقرار شده است. با افزایش سرعت جوشکاری یا کاهش چرخش ابزار، حجم ذرات تیتانیوم مخلوط شده به وسیله پین ابزار در ناحیه اختلاط، به طور پیوسته کاهش می یابد. پراکندگی غیر یکسانی از میکروسختی در لبه جوش مشاهده می شود و سختی ناحیه اختلاط ۴ برابر سختی فلز پایه LF6 آلومینیوم  می باشد و علت آن تشکیل ترکیبات بین فلزیTiAl  در ناحیه اختلاط است. تاثیر عناصر آلیاژی بر روی میکروساختار ناحیه اتصال نا هم جنس آلیاژءMg-Zn-Zr  و تیتانیوم با فرایندFSW ، بررسی شده است. Zn وZr  عنصرهای آلیاژ Mg-Zn-Zr  هستند که استحکام کششی ناحیه اتصال تیتانیوم و منیزیم را از طریق تشکیل لایه ی واکنشی نازکی در سطح جوشکاری FSWبهبود می بخشند. FSW انجام شده بر روی منیزیم خالص و تیتانیوم ، استحکام  کششی کمتری از آلیاژ منیزیم را از خود نشان می ­دهد.
جوشکاری اصطکاکی اختلاطی غیر همجنس بین صفحه‌های تیتانیوم خالص تجاری و فولاد ساختمانی به صورت لب به لب، با پراب­هایی با طول متفاوت(mm 1.2تا0.8)، نشان داد که یک خط جوش سالم تنها در ابزار با طول 0.9 تا 1 mmایجاد می­شود. علت این امر تشکیل ترکیب FeTi و ترکیب بین فلزی  بتاتیتانیوم که به ترتیب  در سطح  قطعه مخلوط می شوند است. ترکیبات بین فلزی FeTi  و Ti  Fe₂در میکروسکوپ TEM مشاهده می شوند. علت تهلیل رفتن ناحیه اتصال، گرمادهی بالا  در حین حرکت پین به قطر1.1 و1.2  mmبر روی قطعه کار است.
Al1600 و Ti-6Al-4V لب به لب هم قرار گرفته و توسط FSW به هم متصل شده­اند و برای جداسازی تیتانیوم در حین جوشکاری از مته چرخشی از جنس کاربید تنگستن استفاده شده­است. در این مورد ناحیه اتصال  به استحکام بالایی  دست یافت که ناشی از براده های پخش شده تیتانیوم در آلومینیوم نزدیک سطح تماس است. همچنین مشاهده شد که شکست نهایی فلز در منطقه متاثر از حرارت (HAZ) ایجاد شده توسط شولدر در سمت آلومینیوم رخ داده است. جوش سربه­سر آلیاژ  تیتانیوم Ti-6Al-4V  و آلیاژ آلومینیوم AA2024-T3  توسط ابزار پین مرکزی که به سمت آلومینیوم تغییر جهت داده، انجام شده است. در این حالت استحکام ناحیه جوش،در حدود ۷۳ درصد استحکام ماده پایه AA2024-T3  بود. همچنین مشاهده شد که یک ماده به ماده دیگر به صورت موضعی اتصال یافته است. و همچنین انتظار می رود که تحقیقات آینده سبب افزایش این ناحیه جوش از طریق بهینه سازی پارامترهای جوشکاری شود.
قابلیت جوشکاری دورآلومین(آلومینیوم های رسوب سخت شونده، در اینجا 2024-T3 و 7075-T651) به تیتانیوم خالص و آلیاژ تیتانیومTi-6Al-4V توسط FSW  بررسی شده است.  مشاهده شد که جوش Ti-Al2024 استحکام کششی بالاتری نسبت به دیگر ترکیب ها دارد. ترکیب بین فلزیTiAl3 که در جوش آلیاژ Ti-6Al-4V تشکیل می‌شود بر روی استحکام کششی تاثیر می‌گذارد. جوشکاری TIG و یا جوشکاری قوس تنگستنی GTAW و جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی هیبریدی برای اتصال آلیاژ Al6061-T6 آلومینیوم و آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V استفاده می­شد. GTAW به عنوان یک منبع پیش گرمایش بر روی خواص مکانیکی و ریزساختاری ، برای جوش HFSW موثر است.  به علت این روشهای پیش گرم کردن ،سیلان نرمی از مواد ایجاد می شود که سبب اتصال مناسب می گردد. هم چنین مشاهده می شود که استحکام کششی نهایی ۹۱% استحکام کششی مواد پایه آلومینیومی است.و افزایش طول در HFSW دو برابر افزایش طول درFSW  می باشد.

FSW   بر روی فلزات هم جنس تیتانیوم
با استفاده از میکروسکوپ نوری  و آشکارساز EBSD در میکروسکوپ الکترونی تغییرات تکامل ساختار دانه­ای در طول فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی تیتانیوم خالص تجاری (آلفا) با ابزار آلیاژ پایه مولیبدن مطالعه شده است. تغییر شکل ساختار دانه‌ها فرآیندی مشکل است که اساساً به وسیله ساخت دانه های تحریک شده و منحرف شده ایجاد می شود. اما همچنین هندسه تنش وارد شده و محدودیت ناپیوسته تبلور مجدد بر روی آن تاثیر گذار است. پیشروی تغییرات پیوند دانه های تحریک شده ، در محیط اغتشاش نشان داده است که متاثر از منشا تغییرات است. جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ تیتانیوم TC4  با ابزار پین W-Re  صورت می گیرد. مشاهدات ریز ساختار ایجاد شده در محیط اغتشاش نشان دهنده تبلور مجدد آزاد فاز آلفا ،تغییر شکل فاز بتا و لایه­های ظریف α+β است. انتظار می‌رود که ناحیه اغتشاش ضعیف‌ترین قسمت جوش باشد. و سطح شکست دارای مشخصه های شکست پلاستیک باشد.
پیشرفت ساختار شکل گرفته فاز زمینه بتا دما بالا، در طول جوشکاریFSW آلیاژ Ti-6Al-4V مورد مطالعه قرار گرفته است.EBSD نشان داد که تغییر فازی بتا به آلفا در حین سرد کردن در FSW از قانون بردار برگرز تبعیت می­کند. آن ، هم چنین بیان می کند که جریان مواد در فاز زمینه بتا به خاطر یک تنش برشی در صفحات لغزش{110}<111> ایجاد می شود. در جوشکاریFSW آلیاژTi-6Al-4V  مقدار 0.3  تا 0.5 درصد وزنی گاز هیدروژن اضافه شد. این عمل سبب گستردگی پارامترهای جوشکاری نظیر سرعت دورانی و سرعت پیشروی گردید. اضافه کردن هیدروژن حین جوشکاری سبب بهبود ظاهر جوش و طول عمر ابزار می شود. و همچنین درخشش سطح را به طور قابل توجهی کم می کند. ریز ساختار ماده Ti-6Al-4V  شامل آلفا اولیه و بتا تغییر شکل یافته است.
آلیاژ تیتانیوم تمایل زیادی به جذب هیدروژن دارد. از هیدروژن به عنوان یک عنصر آلیاژی موقت در طول جوشکاریFSW استفاده می شود که پس از یک فرآیند هیدروژن زدایی بعد از جوش , از سیستم خارج  می‌گردد. جوشکاریFSW آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V ساختار سوزنی شکل مارتنزیتی به وجود می آورد که مربوط به کاهش سرد شدن بحرانی  در تبدیل استحاله فازی مارتنزیتی است.پس از فرآیند هیدروژن زدایی بعد از جوش، مارتنزیت به α+β  تبدیل می شود که به خوبی با ناحیه ریز ساختار ناحیه جوش هم محور است.
افزودن هیدروژن در کاهش دمای نرم شوندگی بسیار موثر است در نتیجه سبب بهبود کار پذیری گرم آلیاژ تیتانیوم و جریان تنش می شود.
یک روش محدود عنصری (FEM) برای جوشکاری FSW آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V رشد یافته است تا بتوان ظرفیت شکست فاز یک نمونه در ناحیه جوش را پیش‌بینی کند و آن را با فرآیندهای آزمایشگاهی مقایسه کند. مدل نهایی نشان می دهد که با افزایش سرعت دورانی ابزار از300 تا 700 rpm, ریزساختار از فاز آلفا (α) به α+β در ناحیه اغتشاش تغییر می یابد.  و هم چنین معین می کند که ‏پراکندگی فاز نهایی هم خوانی قابل‌ قبولی با مشاهدات تجربی دارد.
مشخصات ابزار سایش از طریق روش کاهش وزن، تکنیک های عکسبرداری ابزار برش عمودی پین  و مشاهدات میکروسکوپی در حین جوشکاری FSW آلیاژ تیتانیوم Ti-6Al-4V مورد مطالعه قرار گرفته است. جنس ابزاری که مطالعه شدند عبارتند از : WLa₂O₃ و CY16 WC-CO و WC411.
طبق گزارشات ثبت شده در WLa₂O₃ تغییراتی در ابزار مشاهده می شود که این تغییرات کوچک شدن ابزار پین مخروطی می باشد و می توان با افزایش اندازه ی این پین مخروطی به این مشکل غلبه کرد.
ترک هایی در  ,CY16 WC-CO با wt 8%   Co مشاهده شد اما در Wc411  با 115% درصد وزنیCo  هیچ شکستگی و یا تغییر شکلی مشاهده نشد.

چشم اندازی برای فعالیت های آینده
با توجه به مقاله بالا واضح هست که جوشکاری FSW  برای فلزات همجنس و غیرهمجنس مورد استفاده قرار می گیرد. و همان طور که می دانیم به طور گسترده ای از این نوع جوشکاری در آلومینیوم و آلیاژهای تیتانیوم، فولاد و منیزیم استفاده می شود. در جوشکاریFSW تیتانیوم توجه بیشتری به تیتانیوم خالص و تیتانیوم آلفا بتا شده است. از این رو یک چشم اندازی برای گسترش تحقیقات در این زمینه وجود دارد.

1. هیدروژنه کردن در حین جوشکاری FSW دو فلز غیر همجنس با تیتانیوم ،  به عنوان یک فلز، می‌تواند صورت گیرد و ریزساختار آن مورد بررسی قرار بگیرد.( توسط مشاهدات میکروسکوپی،SEM و مطالعاتEBSD) و همچنین می توان خواص مکانیکی ناحیه اتصال و مکانیزم ابزار سایش را بررسی کرد.

2. مطالعه ی تاثیرات هیدروژنه کردن در خواص مکانیکی ناحیه اغتشاش پس از عملیات جوشکاریFSW در آلیاژ هم جنس تیتانیوم مخلوط شده با تیتانیوم آلفا بتا.

3. بتا تیتانیوم  کاربرد وسیعی به عنوان یک ماده ی زیست‌سازگار دارد. از این رو در پیوند اعضا بیولوژیکی مورد استفاده قرار می گیرد.هر چند گفته شد که بتا تیتانیوم از روش‌های مختلفی، غیر از روش FSW جوشکاری می شود. به همین علت اگر از جوشکاری FSW استفاده شود خواص ابزار طراحی جدید می‌تواند بر روی ریز ساختار تغییراتی ایجاد کند که این تغییرات می‌توانند مورد مطالعه قرار گیرند.

4. جوشکاری FSW  می‌تواند در مواد غیر همجنس با تیتانیوم (به عنوان یکی از مواد) ،مورد استفاده قرار گیرد. به این صورت که ابزار پین بیشتر سمت فلز ثانویه تغییر جهت می دهد. بنابراین می‌توان تعداد و اندازه این ماده ثانویه متصل شده به تیتانیوم را افزایش داد. پارامترهای جوشکاری را می‌توان بر اساس حجم ناحیه متصل شده با استفاده از روشهای مختلف شناخته شده بهبود بخشید.

REFERENCES:

Mishra R.S. and Ma Z.Y., 2005. Friction stir welding
and processing, Mater Sci Eng R., 50:1-78.

Nandan R., DebRoy T. and Bhadeshia H., 2008.
Recent advances infriction-stir welding -
process, weldment structure and properties,
Prog Mater Sci., 59:980-1023.

Threadgill P.L., Leonard A.J., Shercliff H.R. and
Withers P.J., 2009. Friction stir welding of
aluminium alloys, Int Mater Rev., 54:49-93.

Boyer R.R., 1996. An Overview on the Use of Titanium
in the Aerospace Industry,Mater, Sci. Eng., A
213:103 -114.

Polmear I.J., 1996. Recent developments in light alloys
[J], Materials Transactions, 37:12−31.

Majumdar B., Galun R., Weisheit A. and Mordike B.L.,
1997. Formation of a crack-free joint between
Ti alloy and Al alloy by using a high-power
CO2 laser, J Mater Sci., 32:6191–200.

Fuji A., Ameyama K. and North T.H., 1995. Influence
of silicon in aluminium on the mechanical
properties of titanium/aluminium friction
joints, J Mater Sci., 30:5185–91.

Lienert T.J., 2007. In: Mishra R.S., Mahoney M.W.,
editors. Friction stir welding and processing.
ASM International, 123.

Lee W.B., Lee C.Y., Chang W.S., Yeon Y.M. and Jung
S.B., 2005. Microstructural investigation of
friction stir welded pure titanium., Mater Lett,
59:3315–8.

Titanium alloy guide- An RTI International Metals, Inc.
Company.

Palanuwech, Mali, The fatigue resistance of
commercially pure titanium (grade II),
titanium alloy (TI6Al7Nb) and conventional
cobalt chromium cast clasps, 2003

Lathabai S., Jarvis B.L. and Barton K.J., 2001.
Mater.Sci.Eng.a—Struct., 299:81–93.

Chen Y.C. and Nakata K., 2009. Microstructural
characterization and mechanical properties in
friction stir welding of aluminum and titanium
dissimilar alloys, Materials and design,
30:469-474.

Li B., Zhang Z., Shen Y., Hub W. and Luo L., 2014.
Dissimilar friction stir welding of Ti–6Al–4V
alloy and aluminum alloy