استرس پسماند در جوشکاری لیزر آلیاژ تیتانیوم TC4 مبنی برتکنولوژی لیزر اولتراسونیک

Residual Stress in Laser Welding of TC4 Titanium Alloy Based on Ultrasonic laser Technology

چکیده

1. مقدمه

2. مبانی نظری

3. فرآیند آزمایشی

1.3. تهیه نمونه های آزمایشی

2.3. لیزر اولتراسونیک برای اندازه گیری تنش پسماند در جوشکاری لیزر

3.3. سوراخ کاری برای اندازه گیری تنش پسماند

4. نتایج و بحث

1.4. اثرات ورودی حرارت بر تنش پسماند

2.4. اثرات سرعت جوشکاری بر تنش پسماند

3.4. اثرات عملیات حرارتی بر تنش پسماند

5. نتیجه گیری

چکیده

جوشکاری لیزر به دلیل تراکم انرژی بالای آن، منطقه کوچک تحت تأثیر حرارت قرار گرفته و توانایی پردازش سریع، در جوشکاری آلیاژ تیتانیوم بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. با این وجود، مشکلات مربوط به جوشکاری لیزر از قبیل تغییر شکل و ترک خوردگی ناشی از تنش پسماند باید برطرف شود. در این مقاله، تنش پسماند در جوشکاری لیزر آلیاژ تیتانیوم TC4 با استفاده از لیزر اولتراسونیک مورد بررسی قرار گرفت. تنش پسماند در صفحات آلیاژ تیتانیوم به صورت حالت تنش صفحه ای در نظر گرفته می شود. روش بارگذاری پیش از تنش ارائه شده و ضرایب آکوستیک بدست می آید. بر اساس ضرایب شناخته شده آکوستوالاستیک، تنش های پسماند عرضی و طولی در جوشکاری لیزر با استفاده از لیزر اولتراسونیک اندازه گیری می شود. نتایج نشان می دهد که تنش پسماند طولی بزرگتر از تنش عرضی است. توزیع منظم تنش پسماند شبیه جوش معمولی است، اما ناحیه تنش کششی بسیار باریک تر است. سپس، در مورد تأثیر ورودی حرارت و سرعت جوشکاری بر تنش پسماند بحث شده است. با افزایش ورودی حرارت، ناحیه جوشکاری گسترده شده و مقدار پیک تنش پسماند افزایش می یابد. در صورت ثابت بودن قدرت جوشکاری، سرعت جوشکاری بالاتر باید انتخاب شود. این تحقیق برای اندازه گیری و کنترل تنش پسماند در فرآیند جوشکاری لیزر از اهمیت ویژه ای برخوردار است. 

1. مقدمه

خواص مکانیکی دما بالا، نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت خوب در برابر خوردگی تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم باعث کاربرد متنوع و موفقیت آمیز آن در زمینه های مختلف با تقاضای عملکردی و الزامات قابلیت اطمینان از قبیل هوافضا، اتومبیل، پزشکی، هسته ای، پتروشیمی و صنایع تولید برق شده است [1,2]. روش-های متداول جوشکاری آلیاژ تیتانیوم شامل جوشکاری گاز بی اثر تنگستن، جوشکاری پرتو الکترونی و جوشکاری لیزر است. جوشکاری لیزر به دلیل تراکم انرژی متمرکز آن، منطقه کوچک تحت تأثیر حرارت قرار گرفته (HAZ)، حداقل تغییر شکل در حین جوشکاری و سرعت سریع جوشکاری؛ یک روش جوشکاری غالب است. فناوری جوشکاری لیزر برای جوشکاری آلیاژ تیتانیوم TC4 مناسب است [3,4]. 

5. نتیجه گیری

از روش لیزر اولتراسونیک برای اندازه گیری تنش پسماند در جوشکاری لیزر آلیاژ تیتانیوم TC4 استفاده شد. روش بارگذاری پیش تنش ارائه شد و ضرایب آکوستوالاستیک آلیاژهای تیتانیوم TC4 در ابتدا بدست آمدند. براساس شناخت از ضرایب آکوستوالاستیک، تنش های پسماند جوشکاری طولی و عرضی با تکنیک لیزر اولتراسونیک اندازه گیری شدند. نتایج نشان داد که تنش پسماند طولی به طور آشکاری بزرگتر از تنش عرضی بود. تنش پسماند طولی، تنش کششی بالا در نزدیکی درز جوشکاری بوده و مقدار ماکزیم تنش پسماند طولی حدود MPa 420، که نصف استحکام تسلیم بود. سپس اثر پارامترهای فرآیند بر خصوصیات تنش پسماند بحث شد. نتایج نشان داد که حرارت ورودی، پارامتر غالب در تعیین تنش پسماند جوشکاری لیزر است. با افزایش حرارت ورودی، منطقه جوش گسترده تر شده و مقدار پیک تنش پسماند به تدریج افزایش می یابد. سرعت های جوشکاری بالاتر باید تا حد امکان زیاد انتخاب شود هنگامی که قدرت جوشکاری ثابت است. عملیات حرارتی می تواند حداکثر تنش پسماند طولی را حدود 80٪ کاهش داده و منجر به توزیع مجدد تنش شود.

Abstract

Laser welding is widely used in titanium alloy welding due to its high energy density, small heat affected zone, and rapid processing ability. However, problems with laser welding, such as deformation and cracking caused by residual stress, need to be resolved. In this paper, the residual stress in laser welding of TC4 titanium alloy was studied using an ultrasonic laser. The residual stress in titanium alloy plates is considered a plane stress state. A pre-stress loading method is proposed and acoustoelastic coefficients are obtained. Based on the known acoustoelastic coefficients, the transverse and longitudinal residual stresses in laser welding are measured using an ultrasonic laser. The results show that longitudinal residual stress is greater than the transverse stress. The distribution regularity of the residual stress is similar to normal welding, but the tensile stress zone is much narrower. Then, the influence of heat input and welding speed on residual stress is discussed. With increasing heat input, the welding zone widens, and the peak value of the residual stress increases. A higher welding speed should be chosen when the welding power is constant. This research has important significance for the measurement and control of residual stress in the laser welding process.

1. Introduction

The high temperature mechanical properties, high strength-to-weight ratio, and good corrosion resistance of titanium and titanium alloys have led its diversified and successful application in a variety of fields with demanding performance and reliability requirements, such as in the aerospace, automotive, medical, nuclear, petrochemical, and power generation industries [1,2]. Common titanium alloy welding methods include tungsten inert gas welding, electron beam welding, and laser welding. Laser welding is a dominant welding method because of its concentrated energy density, small heat affected zone (HAZ), minimal welding deformation, and fast welding speed. Laser welding technology is suitable for welding of TC4 titanium alloy [3,4].

5. Conclusions

An ultrasonic laser technique was used to measure the residual stress in laser welding of TC4 titanium alloy. A pre-stress loading method was proposed and the acoustoelastic coefficients of TC4 titanium alloys were first obtained. On the basis of known acoustoelastic coefficients, the longitudinal and transverse welding residual stresses were measured with an ultrasonic laser technique. The results showed that the longitudinal residual stress was obviously larger than the transverse stress. The longitudinal residual stress was high tensile stress near the welding seam, and the maximum value of longitudinal residual stress was about 420 MPa, which was half of the yield strength. Then, the effect of the process parameters on the features of the residual stress was discussed. The results showed that heat input is the dominant parameter determining laser welding residual stress. With increasing heat input, the welding zone widened and the peak value of the residual stress increased gradually. Higher welding speeds should be chosen as much as possible when the welding power is constant. Heat treatment can reduce the maximum of the longitudinal residual stress by about 80% and lead to the redistribution of stress.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

استرس پسماند در جوشکاری لیزر آلیاژ تیتانیوم TC4 مبنی برتکنولوژی لیزر اولتراسونیک

Residual Stress in Laser Welding of TC4 Titanium Alloy Based on Ultrasonic laser Technology

ترک خوردگی آلیاژ تیتانیوم در محیط های مایع حاوی کلوراید

Stress corrosion cracking of a titanium alloy in chloride-containing liquid environments

1. مقدمه

2. سیستم های مورد بررسی

2.1. آلیاژ

2.2. محلول ها

3. آزمایشات

4. نتایج

4.1. اثر پتانسیل بر سرعت رشد ترک

4.2. ارتباط ویسکوزیته-سرعت مسطح

4.3. ارتباط سرعت مسطح – هدایت

4.4. محلول های حاوی کلورین غیر یونی

4.5. تست های تکمیلی

4.6. مقدار KISCC

5. بحث

5.1. اثر پتانسیل

5.2. اثر ویسکوزیته و هدایت

5.3. جریان سیالات

5.4. نفوذ همرفتی (انتقال جرم)

5.5. هدایت

6. نتیجه گیری

آلیاژ Ti Al-1 Mo-1 V در حلال های حاوی یون های کلوراید، بوروماید و یداید تست شد. کشف شد که برای تعدادی حلال ها سرعت مسطح منطقه 2 می تواند با عکس ویسکوزیته مرتبط باشد. به احتمال زیاد این نشانه اثر ویسکوزیته بر ضریب نفوذ بعضی از عناصر متداخل در یک فرایند انتقال جرم است که رشد ترک را محدود می کند. تست های مرتبط نیز که در هر کدام پتانسیل، PH و غلظت کلوراید متغیر است، در محلول های مورد استفاده برای تست های ویسکوزیته، انجام گرفت. نتیجه این تست ها آن بود که غیاب حفاظت کاتدی در برابر ترک خوردگی در محلول ها با PH پایین، ناشی از یک اثر اهمی بوده که نوک ترک را از کنترل پتانسیل خارجی جدا می سازد.

مقدمه

ترک تنشی خوردگی آلیاژهای تیتانیوم یا هر ماده دیگری موضوعی پیچیده است به عنوان مثال سایز مورد آزمایش می تواند از شکست قطعات بزرگ تا تفسیر اتمی رخدادها در نوک یک ترک پیشرو متغیر باشد. در بررسی های جامع اخیر، بازه مورد بررسی نشان داده شده و اثبات شده است که متغیرهای بی شمار، امکان ارائه هر گونه توضیحات واقعا کامل و کمی از SCC را حداقل در آینده نزدیک صلب می کند. بنابراین در انتخاب هر جنبه ای از مسئله، باید به محدودیت های آزمایشگاهی و تئوری ظهور کننده از تحقیق پی برد. کاری که در این مقاله شرح داده می شود، تلاش برای توضیح عوامل کنترل کننده ای است که سرعت مسطح ترک تنش خوردگی در بعضی سیستم ها را تعیین می کند. خاستگاه این مسئله را می توان با بررسی شکل 1 که نشان دهنده بازه وسیع سرعت های مسطح یک آلیاژ در محیط های مختلف است، درک کرد. باید توجه شود که این محیط ها شامل مایعات و گازها هستند و در واقع اگر نتایج تردی کادمیوم نیز موجود بود، نتایج شامل محیط های جامد نیز می شد. تعمق در شکل 1 این سوال را در ذهن ایجاد می کند که عوامل کنترل کننده سرعت مسطح چه بوده و آیا شایسته مطالعه بیشتر می باشد. مشخص است که تنها یک مشخصه فیزیکی نمی تواند پایه توضیحی برای سرعت رشد باشد به عنوان مثال درک ارتباط بین جیوه مایع، نمک های هالیدی مذاب و گاز هیدروژن مشکل خواهد بود. بنابراین یک محدودیت اولیه بر بازه این آزمایشات قرار داده شد و این مقاله تنها ترک خوردگی در محیط های مایع را بررسی می کند. 

نتیجه گیری

برای شرایط بررسی شده یعنی Ti-8 Al-1 Mo-1 V (Cº 820 WQ) تست شده در حلال های شامل کلرید، برمید و یدید، به صورت تجربی اثبات شد که:

1. سرعت مسطح منطقه II با عکس ویسکوزیته تغییر می کند. 

2. انرژی اکتیواسیون برای سرعت مسطح منطقه II، وابستگی دمایی یکسانی همانند ویسکوزیته نشان می دهد.

3. سرعت مسطح در حلال های مختلف را می توان با هدایت محلول مرتبط ساخت.

4. مخلوط کردن حلال ها باعث ایجاد نتایج غیر افزایشی بر روی ویسکوزیته و هدایت می شود.

Ti-8 Al-1 Mo-1 V was tested in solvents containing chloride, bromide or iodide ions. It was found that the region II plateau velocity could be correlated with the inverse of the viscosity for several solvents. It seems most likely that this reflects the influence of the viscosity on the diffusion coefficient of some species involved in a mass transfer process which limits the crack growth. Associated tests were performed in which the potential, pH and concentration of Cl− were varied, in some of the same solutions as used for the viscosity tests. It is concluded from these tests that theabsence of cathodic protection against cracking in solutions of low pH arises from an ohmic effect which isolates the crack tip from external potential control.

1. Introduction

Stress corrosion cracking (SCC) of titanium alloys, or any material, is a complex subject – for example, the scale (size) that may be examined ranges from the failure of large structures to atomistic descriptions of events at a propagating crack tip. In recent comprehensive reviews [1, 2] the range of the subject was demonstrated and it was shown that the myriad variables render any really complete and quantitative description of SCC unlikely at least in the near future. Thus, in selecting any aspect of the problem the constraints on experimental and theoretical analyses emerging from the investigation must be realized. The work which is described in this paper is an attempt to explain the controlling factors that determine the plateau velocity of a stress corrosion crack in some systems. The origin of this problem can be understood by examination of Fig. 1 which illustrates the extensive range of plateau velocities which may be observed in one alloy tested in various environments. It is noted that these environments contain liquids and gases, and in fact, if results for cadmium embrittlement [3] were present, could also include solid environments. Contemplation of Fig. 1 raised the obvious question of the factor(s) that control the plateau velocity and the point was selected as being worthy of further study. It was clear that one single physical property could not form the basis of an explanation of growth velocity – for example, it is difficult to see the connection (if any) between liquid mercury, molten halide salts and hydrogen gas. Thus, an initial restriction was placed on the range of these experiments and this paper only considers cracking in liquid environments.

6. Conclusions

For the conditions investigated, i.e. Ti-8 AI-1 Mo-1 V (820~ WQ) tested in solvents containing chloride, bromide or iodide ions, it was established experimentally that:

1. the region II plateau velocity varies inversely with the viscosity;

2. the activation energy for the region II plateau velocity shows the same temperature dependence as that for viscosity;

3. the plateau velocity in the several solvents may be correlated with the solution conductivity;

4. mixing the solvents gives non-additive results both on a viscosity and a conductivity basis.

تصویری از مقاله ترجمه و تایپ شده در نرم افزار ورد

ترک خوردگی آلیاژ تیتانیوم در محیط های مایع حاوی کلوراید

Stress corrosion cracking of a titanium alloy in chloride-containing liquid environments