تأثیر نانو ذرات آلومینای روکش شده با اکسید منگنز بر ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد کم کربن در فرآیند جوشکاری GMAW

محورهای موضوعی : روش ها و فرآیندهای نوین در تولید

فرزاد پهنانه ¹ , مسعود آقاخانی ² , فرید نعیمی ³ , معین منصوبی ⁴

1 - گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده فنی مهندسی، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران
3 - مرکز تحقیقات مواد پیشرفته، دانشکده مهندسی مواد، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران
4 - گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

تاریخ دریافت : 1398/01/17 تاریخ پذیرش : 1398/03/18 تاریخ انتشار : 1400/02/01

کلید واژه: نانو ذرات MnO, Al2O3 فرآیند جوشکاریGMAW ریزساختار استحکام کششی نهایی ریز سختی,

چکیده مقاله :

در این تحقیق از نانو ذرات سنتزشده کامپوزیتی اکسید فلزی بر پایه آلومینا همراه با پوشش منگنز به منظور بهبود ریزساختار و خواص مکانیکی اتصال لب‌به‌لب جوش یک پاسه ورق فولاد کم کربن با استفاده از فرآیند GMAW استفاده شده است. پس از انتخاب پارامترهای مناسب جوشکاری و اضافه نمودن مقادیر 25/0 و 5/0 گرم از نانو پودر به‌دست‌آمده به درز جوش و انجام فرآیند جوشکاری، نمونه های موردنیاز جهت آزمون ریز سختی سنجی و کشش آماده شدند. سپس، نمونه بهینه با توجه به عدم وجود عیوب ظاهری و متالورژیکی در ریزساختار و با توجه به بیشترین استحکام کششی نهایی انتخاب شد. ریزساختارهای حاصل با استفاده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و سطح شکست نمونه ورق بدون مواد نانو نمونه بهینه با حضور مواد نانو مورد مطالعه قرار گرفت. نانو ذرات به منطقه جوش نفوذ کرده و باعث ایجاد ساختار سوزنی شکل (فریت سوزنی) و درهمبافته گردیده است. علت تشکیل این ساختار را می توان حضور نانو ذرات در حین فرآیند جوشکاری و تشکیل مراکز جوانه زا جهت ایجاد جوانه‌های مناسب در مکان‌های مناسب دانست. با توجه به نتایج، استحکام کششی نهایی و درصد ازدیاد طول به ترتیب از 387 مگاپاسکال و 8/6 درصد به 408 مگاپاسکال و 6/13 درصد افزایش یافت. مقدار میانگین سختی در ناحیه فلز جوش در نمونه جوشکاری شده با 5/0 گرم پودر نسبت به نمونه بدون پودر از VHN 158 به VHN 172 افزایش یافت.

چکیده انگلیسی:

This paper reports an investigation carried out to determine the effect of aluminum oxide Nano-particles coated with manganese on the microstructure and mechanical properties of single-pass butt joint of low carbon steel plates of 6.0 mm thicknesses using gas metal arc welding process. After selecting appropriate welding parameters and adding 0.25 gr and 0.5 gr of Nano-particles into the joint line and carrying out the welding, the samples were prepared for micro hardness and tensile tests. Furthermore, the sample with optimum Nano-particles having the highest ultimate tensile strength and without having any visible and metallurgical defects in the microstructure was selected for further investigation.  Subsequently, microstructures of the weld without and with optimum Nano-particles were studied using optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM) and the fractured surface of the weld obtained from tensile testing was investigated for the samples without Nano particles and the optimum sample with Nano materials were studied. The results show that Nano-particles added to the weld pool penetrated into the weld zone and helped in formation of acicular ferrite in the microstructure. Based on the results obtained, ultimate tensile strength and percentage of elongation of samples without Nano-particles and with optimum Nano-particles were increased from 387 MPa and 6.8% to 408 MPa and 13.6%, respectively. In addition, the average hardness of the weld metal without Nano-particles and with optimum Nano-particles were increased from 158 VHN to 172 VHN respectively

منابع و مأخذ:

[1]    AWS Handbook, "Gas Metal Arc Welding", vol. 20, 1997.

 

[2]    W. Klas, "Welding processes handbook", New York: CRC Press, 2003.

[3]    K. Shinagawa & K. Tokyo, "Essential Factors in Gas Metal Arc Welding", 141-8688, Japon. Fourth Edition, 5-912, 2011.

 

[4]    S. Kou, "Welding metallurgy", 3rd ed, New York: John Wiley & Sons Inc, pp. 19–22, 68–82, 103–114, 2003.

 

[5]    ASM. Handbook, "Welding Brazing and Soldering", Publication Information Contributors, vol. 6, 1993.

 

[6]    W. Lucas & D. Howse, "Activating flux-increasing the performance and productivity of the TIG and plasma processes", Welding & Metal Fabrication, vol. 64, no. 1, pp. 11-15, 1996.

 

[7]    M. Kuo, Z. Sun & D. Pan, "Laser welding with activating flux", Science and Technology of Welding & Joining, vol. 6, no. 1, pp. 17-22, 2001.

 

[8]    T. K. Pal & U. K. Maity, "Effect of nano size TiO₂ particles on mechanical properties of AWS E 11018M type electrode", Materials Sciences and Applications, vol. 2, no. 9, pp. 1285-1292, 2011.

 

[9]    M. Aghakhani & A. Nikzad, "Modeling of welding height in gas metal arc welding process in the presence of TiO₂ nano-particles using artificial neural network", Modares Mechanical Engineering, (in Persian), vol. 15, no. 7, pp. 149-159, 2015.

 

[10]  M. Aghakhani, M. Ghaderi, A. Karami & A. Derakhshan, "Combined effect of TiO₂ nanoparticles and input welding parameters on the weld bead penetration in submerged arc welding process using fuzzy logic", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 70, no. 1-4, pp. 63-72, 2014.

 

[11] C. Vimalraj, P. Kah, B. Mvola & M. Jukka, "Effect of nanomaterial addition using gmaw and GTAW processes", Rev. Adv. Mater. Sci, pp. 370-382, 2016.

 

[12] S. Mohan, S. P. Sivapirakasama, M. C. Kumarb & M. Surianarayana, "Welding fumes reduction by coating of nano-TiO2on electrodes", Journal of Materials Processing Technology, vol. 219, pp. 237–247, 2015.

 

[13]  M. Muzamila, C. Jianjun, A. Maaz, V. Patelb, A. Majeeda & J. Yanga, "Multicomponent enabled MWCNTs-TiO₂ nano-activating flux for controlling the geometrical behavior of modified TIG welding joint process" Diamond & Related Materials, vol. 97, pp. 107442, 2019.

 

[14] S. Tanvir, S. K. Tiwari & D. K. Shukla, "Friction-stir welding of AA6061-T6: The effects of Al₂O₃ nano-particles addition", Results in Materials, vol. 1, 2019.

 

[15] ASM. Handbook, "Metallography and Microstructures", The Materials Information Company, vol. 9, 1992.

 

[16] ASTM. Handbook, "Metals Mechanical Testing Elevated and Low Temperature Tests", Metallography, vol. 1, 2013.

 

[17] K. Hung Tseng, "Performance of activated TIG process in austenitic stainless steel welds", Journal of Materials Processing Technology, 2011.

 

[18] A. Kumar Singh, V. Dey & R. Naresh Rai, "Techniques to improve weld penetration in TIG welding (A review) ", Materials Today: Proceedings, vol. 4, pp. 1252–1259, 2017.

 

[19] A. Dabiri,  R. Yousefi & Fattahi, "Effect of ZrO₂ nanoparticles on the impact properties of shielded metal arc welds",  Materials Letters, vol. 158, pp. 325–328, 2015.

 

[20] T. Pan, et al, "Kinetics and mechanisms of intragranular ferrite nucleation on nano- metallic inclusions in low carbon steel", Materials Science and Engineering. A, vol. 438-440, pp. 1128-1132. 2006.

 

[21] J. H. Shim, Y. W. Cho, S. H. Chung & etc, "Nucleation of Intragranular Ferrite at Ti2o3 Particle in Low Carbon Steel", South Korea.Division of Materials Science and Engineering, Seoul National University, Seoul, pp. 151-742.1999.

 

[22] M. Aghakhani, M. R. Ghaderi, M. Mahdipour Jalilian & A. Derakhshan, "Predicting the combined effect of TiO₂ nano-particles and welding input parameters on the hardness of melted zone in submerged arc welding by fuzzy logic", Journal of Mechanical Science and Technology, vol. 27, no. 7, pp. 2107-2113, 2013.