مجله علمی-پژوهشی علوم و فناوری جوشکاری ایران

نیاز گسترده و روزافزون جامعه به ساختمان و سازه، ضرورت استفاده از روش‌های ساخت جدید به منظور افزایش سرعت ساخت، سبک‌سازی، افزایش عمر مفید و نیز مقاوم نمودن ساختمان‌ها در برابر زلزله را بیش از پیش مطرح ساخته است. روش‌های جدید، در دراز مدت موجب بهینه‌سازی سازه، افزایش ساخت و رسیدن به شرایط اجرایی مطلوب خواهد شد. نیاز روز افزون جوامع بشری به سازه‌های خاص توسط فناوری جدید بیشتر از پیش احساس می‌شود. ساخت افزایشی برپایه جوشکاری قوس الکتریکی با گاز محافظ به عنوان یکی از روش‌های ساخت سریع و کم‌هزینه برای سازه‌های اولیه فلزی است. بدین منظور سه پارامتر ولتاژ، سرعت تغذیه سیم و سرعت جوشکاری به ‌عنوان پارامترهای تأثیرگذار بر عرض و ارتفاع گرده جوش به عنوان پارامترهای خروجی در نظر گرفته شده‌اند. برای بررسی اثرات فرایند، 16 آزمایش با پارامتر ورودی مورد ارزیابی قرار گرفت. با انجام آزمایش‌های تجربی نتایج عرض و ارتفاع گرده جوش تعیین شد. سپس هندسه جوش حاصله به سه روش مدل‌سازی عددی که شامل ماشین یادگیری شدید، ماشین بردار ارتباط و منطق فازی مدل‌سازی شده است. مقایسه بین داده‌های تجربی و خروجی سه مدل ایجادی نشان می‌دهد که نزدیک‌ترین نتایج به داده‌های تجربی هندسه جوش از روش‌های مدل‌سازی، منطق فازی دارا بوده است. به گونه‌ای که داده‌های آزمون مدل فازی ایجادی، خطای میانگین برای ارتفاع و عرض به ترتیب 667/0 و 5477/0 و جذر میانگین مربعات برای ارتفاع و عرض 0046/0 و 3/0 بدست آورده که بیان‌کننده قابلیت تعمیم و اطمینان بالا نسبت به دیگر روش مدل‌سازی در این فرایند است. در نهایت نمونه فلزی سازه خاص مبتنی برساخت افزایشی قوس و سیم برپایه جوشکاری قوس الکتریکی با گاز محافظ تولید شد.

ساخت افزایشی قوسی با سیم (WAAM) به دلیل نرخ بالای رسوب‌دهی، جایگاهی ویژه در تولید قطعات بزرگ فلزی دارد. استفاده از فولادهای زنگ‌نزن آستنیتی در این فرایند می‌تواند علاوه بر کاهش هزینه‌های تولید، آزادی بیشتری در طراحی قطعات فراهم کند. فولاد زنگ‌نزن 310، که به‌عنوان فولاد نسوز در صنعت شناخته می‌شود، به دلیل مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون و دمای بالا، کاربرد گسترده‌ای دارد. با این حال، این فولاد به‌طور ویژه به ترک‌های گرم در حین فرایندهای جوشکاری و ساخت افزایشی حساس است. در این پژوهش، ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد زنگ‌نزن 310 تولیدشده به روش WAAM با استفاده از فرایندهای انتقال سرد فلز (CMT) و جوشکاری قوسی فلزگازی (GMAW) مقایسه شد. نتایج نشان داد که فرایند CMT به دلیل حرارت ورودی پایین‌تر، می‌تواند حساسیت فولاد زنگ‌نزن 310 به ترک‌های گرم را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد. این یافته‌ها اهمیت انتخاب مناسب فرایند برای تولید قطعات باکیفیت و کاهش عیوب ساختاری را نشان می‌دهد.

در این پژوهش، به‌منظور دستیابی به ساختار تدریجی بین فولاد زنگ‌نزن p17-4PHو آلیاژ Stellite6، از فرایند رسوب‌نشانی مستقیم لیزری استفاده شد. نمونه‌ها به‌گونه‌ای طراحی و ساخته شدند که ترکیب شیمیایی در هر مرحله به‌صورت تدریجی و گام‌به‌گام از %100 p17-4PHبه %100 Stellite6 تغییر یابد. این تغییر به‌صورت کاهش 25 درصدی سهم p17-4PHو افزایش 25 درصدی سهم Stellite6 در هر مرحله صورت گرفت. بررسی ریزساختار و توضیع عناصر با میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز عنصری انجام شد. به منظور محاسبه خواص مکانیکی با آزمون میکروسختی HV و آزمون کشش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد ساختار مارتنزیتی سوزنی در بستر، با انتقال به ترکیب %۲۵ به دندریت‌های سلولی تبدیل و با افزایش درصدStellite 6  و افزایش Cr و W موجب گسترش مرز دانه‌ها و تجمع کاربید میان دندریت‌ها شد. در ترکیب %۵۰ ظهور دندریت‌های ستونی جهت‌دار مشاهده شد. در مقادیر بالاتر Stellite 6، ساختار دندریتی ریزتر شده و به ساختارهای هم‌محور تبدیل شد. روند تغییر ریزسختی از فلزپایه، از 300 ویکرز برای p17-4PHدر امتداد ساخت به سمت لایه¬های بالاتر نمونه‌ها افزایش و تا 490 ویکرز برای Stellit6 خالص مشاهده شد. آزمون کشش نشان داد که σᵧ و σᵤ در تمامی ترکیبات در بازه‌ ۱۱۰۲–۱۱۵۹ مگاپاسکال با کاهش اندک و پیوسته حفظ شده و نبود فازهای ترد یا عیوب ساختاری موفقیت فرایند رسوب‌نشانی مستقیم لیزری را تأیید می‌کند. درصد ازدیاد طول نیز از %۷ در استلایت ۶ تا %۱۹ در p17-4PHبا افزایش میزان p17-4PHافزایشی بوده و ترکیب ۵۰–۵۰ با 14.5 درصد ازدیاد طول بهترین تعادل بین استحکام و انعطاف‌پذیری را ارائه داده است.

آلیاژ Ti-6242 به‌دلیل مقاومت حرارتی بالا از اهمیت ویژه‌ای در حوزه‌ی ساخت افزایشی برخوردار است. بااین‌حال، قطعات تولیدشده از این آلیاژ به‌روش ذوب بستر پودر با پرتو الکترونی معمولاً کیفیت سطحی نامطلوبی دارند که از ماهیت تولید لایه‌به‌لایه و ذوب ناقص ذرات پودری ناشی می‌شود. در این پژوهش، به‌منظور بهبود ویژگی‌های سطحی، فرایند پولیش لیزری با سه توان لیزر (195، 260 و 325 وات) و دو سرعت حرکت (3 و 4/5 میلی‌متر بر ثانیه) بر روی نمونه‌ها اعمال شد. اثر این پارامترها بر زبری سطح، ریزساختار و خواص مکانیکی از طریق آزمایش‌های زبری‌سنجی، متالوگرافی، سختی‌سنجی و سایش مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که زبری میانگین سطح تا 93 درصد کاهش یافته و از 9/36 به 0/61 میکرومتر رسید. همچنین، فازهای آلفا و بتا در ریزساختار اولیه به فاز مارتنزیتی و سوزنی‌شکل آلفا پرایم تبدیل شدند که موجب افزایش 33 درصدی سختی از 380 به 506 ویکرز و بهبود چشمگیر مقاومت به سایش گردید. در نتیجه، تنظیم بهینه پارامترهای پولیش لیزری می‌تواند به‌طور هم‌زمان زبری را کاهش داده و خواص مکانیکی سطح را بهبود بخشد.