ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΘΑΛΑΣΣΙΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΝΑΥΠΗΓΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «ΜΕΛΕΤΗ ΤΡΙΩΝ ΝΕΩΝ ΜΕΘΟ ΩΝ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗΣ ΙΑ ΤΡΙΒΗΣ» ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΛΕΙΒΑ ΑΡΟΣ Επιβλέπων καθηγητής:.ι. ΠΑΝΤΕΛΗΣ ΑΘΗΝΑ 2011

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η γνώση της τεχνολογίας των συγκολλήσεων για ένα ναυπηγό μηχανολόγο μηχανικό είναι ιδιαιτέρως σημαντική αφού οι συγκολλήσεις αποτελούν την πιο συνηθισμένη μέθοδο σύνδεσης μεταλλικών μερών στη ναυπηγική βιομηχανία. Η παρούσα διπλωματική συνιστά μια μικρή προσπάθεια γνωριμίας με μερικές σχετικώς νέες μεθόδους συγκόλλησης που χρησιμοποιούν ως μέσο συγκόλλησης την εκ τριβής παραγόμενη θερμότητα. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ, κ..ι. Παντελή για την ανάθεση της διπλωματικής εργασίας και τις πολύτιμες συμβουλές και διορθώσεις του κατά την εκπόνησή της. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο ιδάκτορα της Σχολής Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών ΕΜΠ, κ.ν.μ. ανιόλο για την καθοδήγηση, τις συμβουλές και την προσωπική ενασχόληση με την διπλωματική μου εργασία. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την στήριξή που μου παρείχε καθ όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. 1

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η δια της τριβής συγκόλληση μεταλλικών υλικών αποτελεί μία εκ των κυριοτέρων μεθόδων συγκόλλησης στερεάς κατάστασης. Είναι μια κατεργασία κατά την οποία η θερμότητα παρέχεται στο σύστημα από την απ ευθείας μετατροπή μηχανικής ενέργειας σε θερμική επί των προς συγκόλληση επιφανειών. Η μετατροπή αυτή λαμβάνει χώρα κατά τη συνεχή σχετική κίνηση (περιστροφική ή παλινδρομική) των προς συγκόλληση τεμαχίων, εκτός από την περίπτωση της συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση όπου και τα τεμάχια είναι σταθερά. Τα προς συγκόλληση μέρη βρίσκονται σε επαφή με ταυτόχρονη επιβολή αξονικής πίεσης. Η μέθοδος είναι ενεργειακά οικονομική, ευέλικτη, φιλική προς το περιβάλλον, εύκολα αυτοματοποιήσιμη ενώ σημαντικό πλεονέκτημά της είναι η δυνατότητα συγκόλλησης κραμάτων τα οποία δύσκολα συγκολλούνται με τις παραδοσιακές μεθόδους συγκόλλησης. Στα βασικότερα μειονεκτήματά της μεθόδου συγκαταλέγονται το υψηλό κόστος κτήσης της μηχανής συγκόλλησης και οι περιορισμοί σε σχέση με τη γεωμετρία της διατομής των προς συγκόλληση τεμαχίων. Στην παρούσα διπλωματική γίνεται μια προσπάθεια εμβάθυνσης και κατανόησης των μηχανισμών που διέπουν τη διαδικασία συγκόλλησης για τις τρεις από τις τέσσερις βασικότερες μεθόδους συγκόλλησης που χρησιμοποιούν ως μέσο την τριβή. Σε αυτές συμπεριλαμβάνονται η συγκόλληση με γραμμική παλινδρόμηση, η συγκόλληση με τοξοειδή περιστροφή και η συγκόλληση με κίνηση σε τροχιά. Στις επόμενες σελίδες γίνεται μια ανάλυση των μεθόδων που αναφέρθηκαν, η οποία περιλαμβάνει την αρχή λειτουργίας, τις φάσεις της συγκόλλησης καθώς και τις παραμέτρους που υπεισέρχονται σε αυτές. Η ανάλυση αυτή βασίζεται σε στοιχεία πειραματικών δοκιμών με διαφορετικούς συνδυασμούς παραμέτρων κάθε φορά. Υπάρχουν επίσης στοιχεία για τη μικροδομή του υλικού, τις σχηματιζόμενες ζώνες και την εξάρτηση των χαρακτηριστικών αυτών από τις παραμέτρους της συγκόλλησης. Επιπλέον, έλαβαν χώρα δοκιμές για τον προσδιορισμό της σκληρότητας και των υπόλοιπων μηχανικών ιδιοτήτων των συγκολληθέντων τεμαχίων. Για μία από αυτές τις μεθόδους (συγκόλληση με κίνηση σε τροχιά) παρουσιάζεται και μια διαδικασία μοντελοποίησης της μεθόδου, η οποία είναι σημαντική δεδομένου ότι για κάθε υλικό και για κάθε γεωμετρία ο βέλτιστος συνδυασμός παραμέτρων συγκόλλησης είναι μοναδικός και εκ των πραγμάτων ο πειραματικός προσδιορισμός τους για όλους αυτούς τους πιθανούς συνδυασμούς υλικού γεωμετρίας είναι πρακτικά αδύνατος. 2

ABSTRACT Friction welding is one of the main solid-state processes for welding metallic materials. In this process thermal energy is provided to the system by the direct conversion of mechanical energy to thermal energy on the welding surfaces. This conversion takes place during the continuous sliding motion (rotational or linear) between the rubbing surfaces, except for the case of friction stir welding process where the two surfaces remain stable. The work parts are held together under pressure. The friction welding is a low cost, flexible, clean and easily automated process, while its major advantage is the capability of welding metallic alloys, which is difficult to coalesce by the traditional welding processes. The dominant disadvantages of the process are the high capital cost of the welding machine and the limitations as regards the geometry of the contacting surfaces. This work constitutes an effort of deeper understanding of the process mechanics for the three out of four main friction welding methods. These are, linear friction welding, orbital friction welding and radial friction welding. In the next pages, an analysis of the methods mentioned above is available, which consists of the function principles, the welding phases and finally the welding parameters. The analysis is based on experimental data with different set of parameters each time. Information about the microstructure characteristics, the zones formatted and the relationship between the mechanical properties and welding parameters are also available. Moreover, experiments were performed in order to meet the hardness profile and the mechanical properties of the joints. For one of the methods (orbital friction welding) a thermo mechanical finite element model is presented. The process modeling is critical considering that the optimum parameter set which leads to a sound joint is unique for every possible combination of geometry and material and the experimental assessment of it is practically impossible. 3

ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ.....1 ΠΕΡΙΛΗΨΗ.. 2 ABSTRACT.. 3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Μέθοδοι συγκόλλησης 1.1 Ιστορικά στοιχεία συγκολλήσεων..7 1.2 Βασικές μέθοδοι σύνδεσης 8 1.3 Μέθοδοι συγκόλλησης σε στερεά κατάσταση.8 1.3.1 Συγκόλληση πιέσεως (Cold Welding).. 8 1.3.2 Συγκόλληση μέσω διάχυσης (Diffusion Welding)... 9 1.3.3 Συγκόλληση με χρήση υπερήχων (Ultrasonic Welding) 9 1.3.4 Συγκόλληση μέσω έκρηξης (Explosive Welding).....10 1.3.5 Συγκόλληση με τριβή (Friction Welding)...10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Συγκόλληση δια τριβής με γραμμική παλινδρόμηση (Linear Friction Welding LFW) 2.1. Ιστορική αναδρομή της συγκόλλησης δια τριβής με γραμμική παλινδρόμηση..14 2.2. Αρχή λειτουργίας.. 15 2.3. Οι φάσεις συγκόλλησης στην LFW...16 2.3.1 Αρχική φάση..18 2.3.2 Φάση μετάβασης... 20 2.3.3 Φάση εξισορρόπησης.. 20 2.3.4 Φάση επιβράδυνσης.21 2.4. Οι παράμετροι της μεθόδου συγκόλλησης LFW 22 2.5. Ζώνες Μικροδομή συγκόλλησης 28 2.5.1 Χαρακτηριστικά του βασικού μετάλλου.....29 2.5.2 Χαρακτηριστικά υλικού στον πυρήνα συγκόλλησης 31 2.5.3 Χαρακτηριστικά του υλικού στην ΘΜΕΖ 37 2.5.4 Χαρακτηριστικά του υλικού στην ΘΕΖ... 38 2.6. Αποβολή μάζας Μορφή και χαρακτηριστικά 38 4

2.7. Μέτρηση σκληρότητας 43 2.8. Μηχανικές ιδιότητες 46 2.8.1 οκιμή εφελκυσμού. 46 2.8.2 Αντοχή σε θραύση...50 2.8.2.1 Επίδραση των παραμέτρων συγκόλλησης επί της δυσθραυστότητας... 50 2.8.2.2 Χαρακτηριστικά του μηχανισμού θραύσης 53 2.8.3 Βέλτιστες κρίσιμες τιμές παραμέτρων συγκόλλησης..... 57. 2.9 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα της μεθόδου LFW... 58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Συγκόλληση δια τριβής με κίνηση σε τροχιά (Orbital Friction Welding OFW) 3.1 Εισαγωγή....... 60 3.2 Οι παράμετροι της OFW...... 63 3.3 Πειραματική διαδικασία και διάταξη... 64 3.4 Η αλλαγή φάσεων των ευτηκτοειδών χαλύβων στην OFW... 66 3.4.1 Θερμικές και θερμομηχανικές κατεργασίες....66 3.4.2 Επίδραση της μέγιστης θερμοκρασίας στο διάγραμμα συνεχούς απόψυξης συγκολλήσεων (WCCT)......68 3.4.3 Επίδραση της πλαστικής παραμόρφωσης στο διάγραμμα συνεχούς απόψύξης συγκολλήσεων (WCCT)...... 70 3.5 Μικροδομή της συγκόλλησης.. 72 3.6 Υπολογισμός της θερμικής ενέργειας 74 3.7 Μοντελοποίηση της OFW με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων...80 3.7.1 Θερμομηχανικό μοντέλο. 80 3.7.1.1 Μείωση μήκους και αποβολή υλικού...81 3.7.1.2 Επαλήθευση των υποθέσεων της μεθόδου IHC...84 3.7.2 Μοντέλο πρόβλεψης μετασχηματισμών φάσεων και μικροδομής 86 5

3.8 Μέτρηση σκληρότητας. 87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Συγκόλληση δια τριβής με τοξοειδή περιστροφή (Radial Friction Welding RFW) 4.1 Αρχή λειτουργίας......... 89 4.2 Οι παράμετροι της RFW...... 91 4.3 Πειραματική διαδικασία.... 92 4.4 Ζώνες Μικροδομή του υλικού...... 93 4.5 Μέτρηση σκληρότητας..... 94 4.6 Μηχανισμός θραύσης Επίδραση της πλαστικής παραμόρφωσης στη δυσθραυστότητα......... 96 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Συμπεράσματα Συμπεράσματα.. 100 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: 1 Τιτάνιο - Χαρακτηριστικά και ιδιότητες... 103 2 Τα κράματα του τιτανίου και οι φάσεις του. 105 2.1 Βασικές πτυχές της μεταλλουργίας του τιτανίου... 105 2.2 Μηχανικές ιδιότητες... 109 2.3 Συμπεριφορά έναντι της διάβρωσης.. 111 2.4 Το τιτάνιο στη ναυπηγική....112 3 Ti-6Al-4V - Σύσταση και χαρακτηριστικά 113 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ.... 116 6

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Μέθοδοι συγκόλλησης 1.1 Ιστορικά στοιχεία συγκολλήσεων[1] Η συγκόλληση των μετάλλων είναι μια εργασία που οι ρίζες της βρίσκονται κάπου στην εποχήή του ορειχάλκου, με τη μορφή της δια σφυρηλατήσεως συγκόλλησης. Οι πρώτες κατασκευές που έγινανν με συγκολλήσεις ήταν μικρά χαλύβδινα χρυσά κουτιά, καθώς και διάφορα χρυσά κοσμήματα. Κατά τη διάρκειαα της εποχής τουυ σιδήρουυ οι Αιγύπτιοι συγκόλλησαν μεταξύ τους σιδηράά αντικείμενα επίσης με σφυρηλάτηση. Στην Αρχαία Ελλάδα, η πρώτη γραπτή αναφορά για τη συγκόλλησσ ση γίνεται με το όνομα του Γλαύκου του Χίου το 700 π.χ., ο οποίοςς σφυρηλάτησε σε καμίνι μπρούντζο και σίδηρο. Έως και τα μέσα του 17 ου περίπου αιώνα και καθώς η μόνη πηγή θερμότητας που ήτανν διαθέσιμη προερχόταν από την καύση του ξύλου, οι τεχνικές που αναπτύχθη ηκαν περιορίζονταν σε σ χαμηλήςς (Soldering) και μέσης (Brazing) θερμοκρασίας. συγκολλήσεων ήταν ραγδαία. Ως και τη δεκαετία του 18800 πραγματοποιούνταν υποτυπώδεις διαδικασίες συγκόλλησης υλικών μόνο από τους σιδεράδες της τότε εποχής. Από τότε και ενώ ακολούθησε η εποχή της βιομηχανικής επανάστασης καθώς και δύο παγκόσμιοι πόλεμοι, η εξέλιξη της μοντέρνας τεχνολογίας των Οι βασικές αρχές συγκόλλησης συγκόλληση αντίστασης ( Resistance Welding), συγκόλληση με καύση αερίου (Gas Welding) και συγκόλληση τόξου τ (Arc Welding) εφευρέθηκαν όλες πριν από τον 1 ο παγκόσμιοο πόλεμο. Στις αρχές του 20 ου αιώνα η συγκόλληση και η κοπή με χρήση χ φλόγας από καύση αερίου κυριαρχούσε ενώ την ίδια περίοδο άρχισαν να εμφανίζονται και τεχνικές συγκόλλησης που χρησιμοποιούσαν σαν πηγή ενέργειας τον ηλεκτρισμό. 7

1.2 Βασικές Μέθοδοι Σύνδεσης [2] ιακρίνονται πέντε μεγάλες κατηγορίες μεθόδων σύνδεσης μετάλλων: Συγκόλληση με τήξη (fusion welding), όπου προσδίδεται θερμότητα στα υπό ένωση μέταλλα μέχρι να συμβεί σύντηξη. Συγκόλληση με ηλεκτρική αντίσταση (electric-resistance welding), όπου προσδίδεται θερμότητα με την βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος και έπειτα ασκείται εξωτερική πίεση. Συγκόλληση σε στερεά φάση (solid-state welding), όπου εφαρμόζεται εξωτερική πίεση χωρίς όμως την τήξη των υπό συγκόλληση μετάλλων εκτός από ένα λεπτό στρώμα στις επιφάνειες συγκόλλησης. Ετερογενής συγκόλληση ή ένωση σε υγρή-στερεή φάση (liquidsolid phase joining), όπου τα υπό ένωση μέταλλα θερμαίνονται μέχρι να αποκτήσουν θερμοκρασία μικρότερη του σημείου τήξης τους και συγχρόνως προστίθεται διαφορετικό μέταλλο σε υγρή κατάσταση, έτσι ώστε μετά την απόψυξη να δημιουργηθεί η ένωση σε στερεή κατάσταση. Σύνδεση με κόλλα (adhesive bonding), όπου οι συνδέσεις δημιουργούνται σαν αποτέλεσμα της μοριακής έλξης μεταξύ των προς ένωση επιφανειών και της κόλλας. 1.3 Μέθοδοι συγκόλλησης σε στερεά κατάσταση[3] Οι κυριότερες από τις μεθόδους συγκόλλησης σε στερεά κατάσταση που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι: Συγκόλληση πίεσης (Cold Welding) Συγκόλληση μέσω διάχυσης (Diffusion Welding) Συγκόλληση με χρήση υπερήχων (Ultrasonic Welding) Συγκόλληση μέσω έκρηξης (Explosion Welding) Συγκόλληση με τριβή (Friction Welding) 1.3.1 Συγκόλληση πίεσης (Cold Welding) Η εν ψυχρώ συγκόλληση είναι μια διαδικασία στερεάς κατάστασης κατά την οποία επιτυγχάνεται συνένωση των μετάλλων αποκλειστικά και μόνο με την εφαρμογή εξωτερικής πίεσης σε θερμοκρασία δωματίου. Η πίεση προκαλεί σημαντικές παραμορφώσεις στα υπό ένωση μέταλλα. Το κυριότερο 8

χαρακτηριστικό της συγκεκριμένης μεθόδου συγκόλλησης είναι η συνολική απουσία θερμότητας (η οποία συνήθως είτε προσδίδεται εξωτερικά, είτε παράγεται από την ίδια την μέθοδο της συγκόλλησης) και συνεπώς τήξης. Για να επιτευχθεί συγκόλληση υπό αυτές τις συνθήκες πρέπει τα υπό συγκόλληση μέταλλα να μην παρουσιάζουν υψηλή σκληρότητα ενώ τουλάχιστον ένα από αυτά να είναι ιδιαίτερα όλκιμο. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως στην συγκόλληση πίεσης είναι υψηλής καθαρότητας αλουμίνιο, χαλκός, νικέλιο, ψευδάργυρος, κράματα αλουμινίου και κράματα χαλκού - σιδήρου. 1.3.2 Συγκόλληση μέσω διάχυσης (Diffusion Welding) Η συγκόλληση μέσω διάχυσης είναι η μέθοδος κατά την οποία η συνένωση των δύο επιφανειών πραγματοποιείται μέσω της εφαρμογής πίεσης σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες. Η διαδικασία δεν περιλαμβάνει μακροσκοπική παραμόρφωση ή σχετική κίνηση των υπό ένωση τμημάτων ενώ είναι δυνατή η συγκόλληση είτε ομοειδών είτε ετερογενών μετάλλων χωρίς να είναι αναγκαία η ύπαρξη κάποιου άλλου υλικού μεταξύ τους. Η πίεση που εφαρμόζεται (350 700 Kg/cm 2 ) συντελεί στο να καταστραφούν και απομακρυνθούν οι τυχόν ανωμαλίες ή ατέλειες των επιφανειών όπως οξειδωμένα στρώματα, αυξημένη τραχύτητα ή έγκλειστα αέρια ή υγρασία. Χαρακτηριστικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι η διατήρηση των μηχανικών, φυσικών και χημικών ιδιοτήτων του βασικού μετάλλου και στην περιοχή της συγκόλλησης, η δυνατότητα συγκόλλησης διαφορετικών μετάλλων καθώς και κεραμικών και τέλος η επιτυχής συγκόλληση υλικών μικρού πάχους. 1.3.3 Συγκόλληση με χρήση υπερήχων (Ultrasonic Welding) Είναι η μέθοδος της συγκόλλησης η οποία πραγματοποιείται μέσω της πρόσδοσης ενέργειας υπό μορφή τοπικών δονήσεων σε υψηλή συχνότητα με ταυτόχρονη εφαρμογή πίεσης. Συγκεκριμένα τα υπό συγκόλληση αντικείμενα εφαρμόζεται μία στατική, κάθετη στις επιφάνειες επαφής δύναμη, η οποία τα συγκρατεί ενώ διατμητικές τάσεις εφαρμόζονται παράλληλα στην επιφάνεια της συγκόλλησης λόγω των δονήσεων οι οποίοι είναι αποτέλεσμα της εφαρμογής των υπερήχων. Η χρονική διάρκεια της διαδικασίας κυμαίνεται μεταξύ 0,5 και 1,5 δευτερόλεπτα. Κύρια πλεονεκτήματα της μεθόδου αποτελούν ο σχετικά απλός και χαμηλού κόστους απαιτούμενος εξοπλισμός, η διατήρηση των χαρακτηριστικών του υλικού κατά μήκος του πυρήνα συγκόλλησης και της πολύ μικρής σε έκταση Θερμικά Επηρεασμένης Ζώνης (ΘΕΖ) καθώς και η απουσία ελαττωμάτων στην περιοχή της συγκόλλησης. Στον αντίποδα, είναι δυνατόν να σημειωθούν σημαντικά μειονεκτήματα όπως η αδυναμία 9

συγκόλλησης τεμαχίων με μεγάλο πάχος, η διαρροή αρκετά όλκιμων υλικών και οι χαμηλές επιδόσεις της συγκόλλησης με υπερήχους σε σχέση με άλλες μεθόδους στο πεδίο του οικονομικού ανταγωνισμού. 1.3.4 Συγκόλληση μέσω έκρηξης (Explosive Welding) Κατά τη διάρκεια του Α Παγκοσμίου πολέμου σε περιοχές όπου είχαν λάβει χώρα εκρήξεις βομβών, είχε παρατηρηθεί το φαινόμενο θραύσματα να έχουν κολλήσει σε μεταλλικές επιφάνειες σε μικρή απόσταση από το σημείο της έκρηξης. Αυτή η παρατήρηση οδήγησε στην περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη της συγκεκριμένης μεθόδου. Η συγκόλληση με έκρηξη είναι μια μέθοδος συγκόλλησης στερεάς κατάστασης κατά την οποία ένα αντικείμενο κινούμενο με μεγάλη ταχύτητα προσκρούει σε ένα δεύτερο σταθερό αντικείμενο με αποτέλεσμα την μεταξύ τους ένωση. Το κινούμενο αντικείμενο περιβάλλεται από ένα στρώμα αποτελούμενο από πλαστικό ή καουτσούκ το οποίο έχει ως σκοπό να το προστατεύσει από την έκρηξη. Πάνω από αυτό το προστατευτικό στρώμα βρίσκεται ένα δεύτερο στρώμα το οποίο περιέχει τις εκρηκτικές ύλες. Η ώθηση της έκρηξης παρέχει μια εξαιρετικά υψηλή κάθετη πίεση καθώς και μια δεύτερη πλάγια διατμητική δύναμη η οποία έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία κυματοειδούς επιφάνειας συγκόλλησης. Στα θετικά σημεία της συγκόλλησης μέσω έκρηξης συγκαταλέγονται η απλότητα της διαδικασίας, η δυνατότητα συγκόλλησης αντικειμένων μεγάλης επιφάνειας και πάχους, η απουσία πόρων και αλλαγής φάσεων και τέλος η δυνατότητα συγκόλλησης μετάλλων τα οποία έχουν προηγουμένως υποστεί εν θερμώ κατεργασία δίχως να μεταβληθεί η μικροδομή τους. Από την άλλη μεριά υπάρχουν και σοβαροί περιορισμοί οι οποίοι αφορούν στην απαγόρευση χρήσης εκρηκτικών σε βιομηχανικές περιοχές εξ αιτίας των επαγόμενων θορύβων και δονήσεων υψηλής έντασης ενώ το σημαντικότερο μειονέκτημα είναι η αδυναμία εφαρμογής της εκρηκτικής συγκόλλησης σε εύθραυστα κράματα. Τα μέταλλα που συγκολλούνται με τη μέθοδο αυτή πρέπει να έχουν αρκετά υψηλή ολκιμότητα και μεγάλη αντοχή σε κρούση. 1.3.5 Συγκόλληση με τριβή (Friction Welding)[4] Η συγκόλληση δια τριβής είναι μια κατεργασία κατά την οποία η θερμότητα που απαιτείται για την ένωση δύο τεμαχίων παρέχεται στο σύστημα από την απ ευθείας μετατροπή μηχανικής ενέργειας σε θερμική επί των προς συγκόλληση επιφανειών. Η μετατροπή αυτή λαμβάνει χώρα κατά τη συνεχή κίνηση (περιστροφική ή παλινδρομική) του ενός εκ των δύο τεμαχίων ενώ 10

έρχεται σταδιακά σε επαφή με το ακίνητο στέλεχος του δεύτερου τεμαχίου υπό σταθερή είτε υπό αυξανόμενη πίεση. Οι δυνάμεις τριβής που αναπτύσσονται επί των δύο επιφανειών αυξάνουν σημαντικά τη θερμοκρασία των δύο τεμαχίων στην περιοχή της κατεργασίας. Η συγκόλληση επιτυγχάνεται λόγω της εφαρμογής της πίεσης επί των τεμαχίων όταν η παραπάνω θερμικά επηρεασμένη ζώνη βρίσκεται στην πλαστική περιοχή. Η θερμοκρασία κατά την οποία επιτυγχάνεται η συγκόλληση είναι χαμηλότερη του σημείου τήξης του υλικού του εκάστοτε τεμαχίου. Χαρακτηριστικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι ότι: εν απαιτείται ιδιαίτερη προστασία των περιοχών συγκόλλησης κατά την κατεργασία όπως π.χ. παρουσία αδρανούς ατμόσφαιρας. Παρουσιάζεται χαμηλή κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος σε σχέση με τις άλλες συμβατικές μεθόδους συγκόλλησης π.χ. ηλεκτρικού τόξου. εν υπάρχουν απόβλητα και καπνοί που εμφανίζονται σε αντίστοιχες συμβατικές κατεργασίες. Είναι δυνατόν να συγκολληθούν πληθώρα σιδηρούχων και μη κραμάτων όπως επίσης μέταλλα με πολύ διαφορετικές θερμικές και μηχανικές ιδιότητες. Επιπλέον είναι δυνατή η συγκόλληση μετάλλων τα οποία δύσκολα συγκολλούνται με τις παραδοσιακές μεθόδους συγκόλλησης λόγω της δημιουργίας εύθραυστων ή ψαθυρών ενώσεων. Η θερμικά επηρεασμένη ζώνη παραμένει σχετικά μικρή. Η μέθοδος είναι ευκόλως αυτοματοποιήσιμη. Επίσης και ο έλεγχος των παραμέτρων της κατεργασίας κατά τη διάρκεια αυτής είναι σχετικά απλός. Περιορισμοί που τίθενται κατά την κατεργασία έγκεινται στο ότι: Τα προς συγκόλληση τεμάχια θα πρέπει να είναι σε θέση να αντέξουν τα μηχανικά φορτία της κατεργασίας, όπως οι ροπές και οι αξονικές δυνάμεις. Υπάρχουν περιορισμοί σε σχέση με τη γεωμετρία της διατομής των προς συγκόλληση τεμαχίων. Η κατάταξη των διαφόρων μεθόδων συγκόλλησης δια τριβής γίνεται ανάλογα με τη σχετική κίνηση των τεμαχίων (εκτός από την περίπτωση της συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση όπου τα τεμάχια είναι σταθερά) που τίθενται για συγκόλληση και με βάση την παροχή της ισχύος στο σύστημα. Η σχετική κίνηση των δύο τεμαχίων μπορεί να γίνεται ως εξής: 11

Συγκόλληση με περιστροφή (Rotary Friction welding). w Ένα εκ των δύο τεμαχίων καθώς περιστρέφεται έρχεται σε επαφή με το δεύτερο ακίνητο σώμα.. Συγκόλληση με γραμμική παλινδρόμηση (Linear Frictionn Welding). Ένα εκ των δύο τεμαχίων παλινδρομεί γραμμικά ενώ βρίσκεται σε επαφή με το προς συγκόλληση σώμα. Συγκόλληση με τοξοειδή περιστροφή (Radial Friction F Welding ). Ένα εκ των δύο σωμάτων περιστρέφεται κατά μήκος τόξου και σε κοινό άξονα με το δεύτερο τεμάχιο πουυ εφάπτεται σε αυτό. Συγκόλληση με κίνηση σε τροχιά (Orbital Friction Welding). Τα δύο τεμάχια περιστρέφονται ομόρροπα και υπό σχετική σ επαφή, σε άξονες που είναι παράλληλοι αλλά έχουν μετατοπιστεί κατά μία μικρή απόσταση μεταξύ τους. Υπάρχουν και περιπτώσεις που μόνο το ένα τεμάχιο κινείται κατά μήκος ενός κύκλου και σε επαφήή με το δεύτερο σώμα.. Συγκόλληση δια τριβής με ανάδευση (Friction Stir Welding). Ειδικό εργαλείο συγκόλλησης περιστρέφεται, βυθίζεται και στη συνέχεια κινείται κατά μήκος της ένωσης των προς συγκόλληση υλικών. Εικόνα 1.3.5.1: Συγκόλλησηη με ανάδευση (Friction Stir Welding) Εικόνα 1.3.5.2: Συγκόλληση με τοξοειδή περιστροφή (Radial friction welding) 12

Εικόνα 1.3.5.3: Συγκόλλησηη με κίνηση σε τροχιά (Orbital friction welding). Εικόνα 1.3.5.4: Συγκόλληση με περιστροφήή (Rotary friction welding). Εικόνα 1.3.5.5: Συγκόλληση με γραμμική παλινδρόμηση (Linear( friction welding). 13

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Συγκόλληση δια τριβής με γραμμική παλινδρόμηση Linear Friction Welding (LFW) 2.1 Ιστορική αναδρομή της συγκόλλησης δια τριβής με γραμμική παλινδρόμηση [3] Η πρώτη εμφάνιση της χρησιμοποίησης της τριβής ως μέσο συγκόλλησης τοποθετείται το 1891 και είχε ως αντικείμενο τη συγκόλληση δια τριβής μεταξύ ενός σωλήνα και ενός καλουπιού σχήματος V. Η εμπορική χρήση της μεθόδου ξεκίνησε αρχικά στη Ρωσία το 1956 χάρις στις προσπάθειες του A. I. Chudikov, ενώ στον υτικό κόσμο οι πρώτες βιομηχανικές εφαρμογές της έλαβαν χώρα το 1965. Σε Βρετανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας που εκδόθηκε το 1969 γίνεται αναφορά σε ένα μηχανισμό γραμμικής παλινδρόμησης για τη συγκόλληση μαλακού χάλυβα. Περισσότερες λεπτομέρειες για τη συγκεκριμένη προσπάθεια δεν υπάρχουν, παρ όλα αυτά αυτή είναι η πρώτη καταγεγραμμένη χρήση της γραμμικής παλινδρόμησης η οποία αποτέλεσε την απαρχή για τη δημιουργία και περαιτέρω ανάπτυξη της μεθόδου που σήμερα είναι ευρέως γνωστή ως Συγκόλληση δια Τριβής με Γραμμική Παλινδρόμηση (Linear Friction Welding LFW). Στις αρχές της δεκαετίας του 1980 ο οργανισμός έρευνας και τεχνολογίας με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο TWI (The Welding Institute) παρουσίασε μία μηχανολογική διάταξη με την οποία ήταν δυνατή η συγκόλληση με γραμμική παλινδρόμηση. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας πρωτότυπης ηλεκτρομηχανολογικής συσκευής η οποία χρησιμοποιούσε τη γραμμική παλινδρόμηση ακολούθησε στα μέσα της ίδιας δεκαετίας. ύο παρόμοιες μηχανολογικές διατάξεις βρίσκονται στις εγκαταστάσεις μεγάλης αεροπορικής βιομηχανίας στην Ευρώπη ενώ αρκετά ακόμη μηχανήματα παρεμφερούς σχεδιασμού λειτουργούν στις ΗΠΑ, την Ευρώπη και προσφάτως και στην Ασία. Η LFW μολονότι είναι διαθέσιμη εδώ και περίπου 20 χρόνια έχει χρησιμοποιηθεί σε ένα εξαιρετικά περιορισμένο πεδίο βιομηχανικών εφαρμογών. Έως σήμερα ο πιο ένθερμος υποστηρικτής της μεθόδου είναι η αεροπορική βιομηχανία και κυρίως οι κατασκευαστές κινητήρων των αεροπλάνων. Ο λόγος έγκειται στο εξαιρετικά υψηλό κόστος της μηχανολογικής διάταξης. Η μέθοδος έχει αποδειχθεί ιδανική για τη συγκόλληση των πτερυγίων των βαθμίδων συμπίεσης των κινητήρων σε δίσκους (bladed disk ή BLISK) και αυτό συμβαίνει διότι στην προκειμένη περίπτωση το υψηλό κόστος των 14

συγκεκριμένων εξαρτημάτων δικαιολογεί την δαπάνη αγοράςς μιας μηχανής LFW. Η LFW έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για τη συγκόλληση μιας αρκετά μεγάλης γκάμας υλικών όπως χάλυβας, αλουμίνιο, χαλκός,, νικέλιο όπως επίσης και μεγάλου αριθμού μεταλλικών κραμάτων από α τα οποία τα κράματα τιτανίου είναι αυτά που χρησιμοποιούνται περισσότερο στην αεροπορική βιομηχανία. Επιπλέον η μέθοδοςς έχει αποδειχθεί ένας πολύ αποτελεσματικός τρόπος για την ένωση χαλκούύ και αλουμινίου με σκοπό τη δημιουργία ηλεκτρικών αγωγών. 2.22 Αρχή λειτουργίας Η πιο γνωστή μέθοδος συγκόλλησης δια τριβής είναι η συγκόλληση μέσω περιστροφής. Ο πιο σημαντικός περιορισμός της μεθόδουυ αυτής είναι ότι τα προς συγκόλληση τεμάχια τ πρέπει να είναι κυλινδρικά, πρέπει δηλαδή να υπάρχει συμμετρία ως προς τον άξονα περιστροφής. Η συγκόλληση δια τριβής τ μέσω γραμμικής παλινδρόμησης ς αποτελεί ουσιαστικά μια μετεξέλιξη της πιο πάνω μεθόδου παρέχοντας τη δυνατότητα συγκόλλησης ελασμάτων με μη κυλινδρική διατομή. Η συγκόλλησ ση επιτυγχάνεται μέσωω της σχετικής γραμμικής κίνησης μεταξύ δύο τεμαχίων, εκ των οποίων το ένα είναι σταθερό ενώ το έτερο εκτελεί την παλινδρομική κίνηση,, με παράλληλη εφαρμογή δύναμης κάθετης στην επιφάνεια επαφής. Εικόνα 2.2.1: Συγκόλλησηη δια τριβήςς με γραμμική παλινδρόμηση[6]. Η εκ τριβής παραγόμενη θερμότητα καθώς και οι τάσεις που αναπτύσσονται στην επιφάνεια συγκόλλησης λόγω της παλινδρομικής κίνησης έχουν ως αποτέλεσμα, σε πρώτο στάδιο, να εξαλειφθούν οι τοπικές ανωμαλίες και ατέλειες των επιφανειών των δύο τεμαχίων, και ενν συνεχεία με την πάροδο του χρόνου να υπάρξει πλαστικοποίηση του υλικού των τεμαχίων στην περιοχή 15

της συγκόλλησης. Για να επιτευχθεί όμως η απαραίτητη για την συγκόλληση πλαστικοποίηση του υλικού είναι αναγκαίο το κινούμενο τεμάχιο, μέσω της παλινδρομικής κίνησης που εκτελεί, να προσδώσει στις δύο επιφάνειες ποσό θερμότητας ικανό να υπερκαλύψει τις απώλειες θερμότητας προς την ατμόσφαιρα και τη βάση στήριξης των τεμαχίων. Η πλαστικοποίηση του υλικού και η ταυτόχρονη εφαρμογή της δύναμης συμπίεσης έχει ως αποτέλεσμα μια ποσότητα υλικού των δύο τεμαχίων να εξωθηθεί εκτός της επιφάνειας επαφής (γρέζι, flash) και να εμφανισθεί μόνιμη παραμόρφωση της πλαστικοποιημένης ζώνης. Όπως είναι λογικό το μήκος των δύο τεμαχίων μειώνεται με την πάροδο του χρόνου και καθώς ποσότητα υλικού συνεχίζει να αποβάλλεται από την επιφάνεια επαφής. Εφ όσον έχει δημιουργηθεί με επιτυχία η συγκόλληση ακολουθεί η ακαριαία παύση της παλινδρομικής κίνησης και η εφαρμογή υψηλής αξονικής δύναμης ώστε να εδραιωθεί και ισχυροποιηθεί η ένωση των δοκιμίων[5]. Οι παράμετροι της μεθόδου είναι οι ακόλουθες: Συχνότητα (frequency, f) της παλινδρομικής κίνησης. Πλάτος (amplitude, a) της παλινδρομικής κίνησης Αξονική δύναμη τριβής (frictional pressure, P). Μείωση μήκους (axial shortening, S). Η επιλογή των κατάλληλων τιμών των παραμέτρων αποτελεί αντικείμενο πειραματικής έρευνας αφού διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην επιτυχή έκβαση ή μη της διαδικασίας. Η μέθοδος της συγκόλλησης δια τριβής με γραμμική παλινδρόμηση χωρίζεται σε τέσσερις φάσεις: Αρχική φάση (Initial Phase). Φάση μετάβασης (Transition Phase). Φάση εξισορρόπησης (Equilibrium phase). Φάση επιβράδυνσης (Deceleration phase). 2.3 Οι φάσεις συγκόλλησης στην LFW [5],[7] Η παρουσίαση των παραμέτρων, των μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων και της μικροδομής της συγκόλλησης δια τριβής με γραμμική παλινδρόμηση θα γίνει μέσω της μελέτης μιας σειράς πειραματικών δοκιμών στα οποία χρησιμοποιήθηκαν κράματα τιτανίου (βλέπε Παράρτημα). Το τιτάνιο είναι ένα 16

υλικό που χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην συγκεκριμένη μέθοδο συγκόλλησης. Τα κράματα αυτά είναι τα εξής: Κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V ή Ti-64 Κράμα τιτανίου Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.15Si ή Ti-6242 Το κράμα Ti-6Al-4V είναι το πιο γνωστό κράμα τιτανίου και χρησιμοποιείται κατά κόρον στην αεροπορική βιομηχανία. Για την κατανόηση των μηχανισμών και αρχών που διέπουν τη διαδικασία συγκόλλησης δια τριβής μέσω γραμμικής παλινδρόμησης, αλλά και την ανάλυση των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων των συγκολλήσεων πραγματοποιήθηκε πλήθος πειραματικών δοκιμών με δοκίμια Ti-6Al-4V με διάφορους συνδυασμούς παραμέτρων. Οι πειραματικές δοκιμές που διενεργήθηκαν με τεμάχια από κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V χωρίζονται σε δύο ομάδες. Στην πρώτη ομάδα (ομάδα Α) δοκιμών, η οποία πραγματοποιήθηκε από τους Vairis and Frost (Παναπιστήμιο του Μπρίστολ), χρησιμοποιήθηκαν δοκίμια ορθογωνικής διατομής με μήκος L = 10 mm (η διάσταση του μήκους αντιστοιχεί στην πλευρά του δοκιμίου που ήταν παράλληλη με την διεύθυνση της παλινδρομικής κίνησης). Οι τιμές ταλάντωσης ήταν a 1 = 0.92 mm και a 2 = 3 mm, απώλεια μήκους 0,92 mm έως 6.04 mm ενώ το εύρος της συχνότητας κυμάνθηκε μεταξύ 10 και 119 Hz [5]. H δεύτερη ομάδα (ομάδα Β) πειραματικών δοκιμών εκτελέστηκε από τους Wanjara και Jahazi (Εθνικό Ερευνητικό Συμβουλίο του Καναδά) και περιελάμβανε δοκιμές συγκολλήσεων στις οποίες η συχνότητα κυμαινόταν μεταξύ 15 και 70 Hz ενώ το πλάτος ταλάντωσης και η μείωση μήκους ελάμβανε τιμές μεταξύ 1 3 mm και 1 2 mm αντίστοιχα [8]. Η μέθοδος της συγκόλλησης με γραμμική παλινδρόμηση πραγματοποιείται σε τέσσερις φάσεις, την αρχική φάση, τη φάση μετάβασης, τη φάση εξισορρόπησης και τέλος τη φάση επιβράδυνσης. Απαραίτητη προϋπόθεση για τη δημιουργία μιας ισχυρής συγκόλλησης είναι η δημιουργία των κατάλληλων συνθηκών στην πρώτη φάση έτσι ώστε να συνεχιστεί η διαδικασία στα υπόλοιπα στάδια. Ο προσδιορισμός των συνθηκών αυτών έγινε από τους Vairis και Frost με την βοήθεια της μοντελοποίησης των θερμομηχανικών διαδικασιών, αναλυτικά, μέσω εξισώσεων θερμικής αγωγιμότητας των στερεών, αριθμητικά, μέσω της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων, καθώς και μέσω πειραματικών μετρήσεων της θερμοκρασίας στην επιφάνεια επαφής των δοκιμίων. 17

Σχήμα 2.3.1 Σχηματική αναπαράσταση της συγκόλλησης LFW. Η διεύθυνση κίνησης είναι παράλληλη με την πλευρά του δοκιμίου στην οποία αντιστοιχεί η διάσταση του μήκους L. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν πως οι επιθυμητές συνθήκες ώστε να πραγματοποιηθεί η συγκόλληση δημιουργούνται όταν η επιφάνεια επαφής έχει θερμανθεί ομοιόμορφα. Αυτή η παράμετρος είναι σημαντική διότι εξασφαλίζει την ομαλή ροή του υλικού κατά μήκος όλης της επιφάνειας επαφής. Η αύξηση της θερμοκρασίας έχει ως αποτέλεσμα την πτώση του ορίου διαρροής του υλικού, γεγονός που συντελεί στην πλαστικοποίηση του υλικού και την αποβολή του (φάση εξισορρόπησης) από την διεπιφάνεια υπό το κράτος της επιβαλλόμενης αξονικής πίεσης. Το φαινόμενο αυτό επιτείνει και η υπερπλαστικότητα του κράματος τιτανίου Ti-6Al-4V επιταχύνοντας την εξέλιξη του φαινομένου. Η δημιουργία μιας συγκόλλησης υψηλής ποιότητας καταδεικνύεται από τον ομοιόμορφο σχηματισμό του flash (γρέζι) περιμετρικά της διεπιφάνειας συγκόλλησης. Αναλυτικά οι φάσεις από τις οποίες διέρχεται η διαδικασία συγκόλλησης της μεθόδου LFW περιγράφονται ακολούθως. 2.3.1 Αρχική φάση Η εκκίνηση της διαδικασίας γίνεται αφού πρώτα οι δύο επιφάνειες έρθουν σε επαφή. Λόγω της τραχύτητας οι επιφάνειες των τεμαχίων δεν βρίσκονται σε απόλυτη επαφή. Καθώς εκτελείται η παλινδρομική κίνηση, η τριβή προκαλεί την αύξηση της δημιουργούμενης θερμότητας και η επιφάνεια επαφής συνεχώς αυξάνεται, κάτι το οποίο θα έπρεπε να οδηγήσει σε αύξηση της διατμητικής δύναμης. Η άνοδος της θερμοκρασίας όμως προκαλεί τη μείωση του ορίου διαρροής λόγω διάτμησης και έτσι η διατμητική δύναμη στο 18

στάδιο αυτό παραμένει σταθερή γεγονός το οποίο είναι εμφανές στο σχήμα 2.3.1.1 για το χρονικό διάστημα που αφορά την πρώτη φάση της συγκόλλησης, από 0 έως 4.5 sec. Οι μέγιστη θερμοκρασία που αναπτύσσεται στην επιφάνεια επαφής των δύο τεμαχίων κυμαίνεται στην περιοχή των 630 0 C (σχήμα 2.3.1.2). Πρωτεύοντα ρόλο κατά την πρώτη φάση της συγκόλλησης διαδραματίζει η ταχύτητα κίνησης του παλινδρομούντος τεμαχίου για συγκεκριμένη τιμή αξονικής δύναμης. Στην περίπτωση που η ταχύτητα κίνησης είναι χαμηλή η θερμότητα που θα δημιουργηθεί δεν θα είναι ικανή να υπερκεράσει τις απώλειες προς το περιβάλλον και τη βάση στήριξης του τεμαχίου. Αν συμβεί αυτό τότε αναπόφευκτα οι ανωμαλίες στις επιφάνειες επαφής δεν θα εξαλειφθούν ενώ θα είναι αδύνατο να πλαστικοποιηθεί η περιοχή κοντά στη διεπιφάνεια ώστε η διαδικασία να περάσει στην επόμενη φάση. Σχήμα 2.3.1.1: Η διατμητική δύναμη και η αξονική μετατόπιση (μείωση μήκους) κατά την διάρκεια της συγκόλλησης τεμαχίων Ti-6Al-4V, με τιμές παραμέτρων: συχνότητα f = 12 Hz, πλάτος ταλάντωσης a = 3 mm και αξονική δύναμη τριβής P = 42.9 MPa. 19

Σχήμα 2.3.1.2: Καμπύλη θερμοκρασίας στην επιφάνεια επαφής των τεμαχίων Ti-6Al-4V, με τιμές παραμέτρων: συχνότητα f = 10 Hz, πλάτος ταλάντωσης a = 3 mm και αξονική δύναμη τριβής P = 32.9 MPa. 2.3.2 Φάση μετάβασης Εφ όσον η ταχύτητα κίνησης του κινούμενου τεμαχίου είναι αρκετή ώστε να επιτευχθεί πλαστικοποίηση του υλικού, η συγκόλληση εισέρχεται στην δεύτερη φάση. Η τραχύτητα και οι ανωμαλίες των επιφανειών επαφής εξαφανίζονται ενώ η θερμικά επηρεασμένη ζώνη επεκτείνεται συνεχώς έως ότου η διαδικασία εισέλθει στην τρίτη φάση. Στη φάση της μετάβασης η πλαστικοποιημένη ζώνη δεν δύναται να φέρει τα αξονικά φορτία και η διατμητική δύναμη αυξάνεται (σχήμα 2.3.1.1 διάστημα από 4.5 και 5.5 sec.), παρ όλα αυτά όμως δεν υπάρχει καμία ένδειξη μείωσης μήκους των τεμαχίων, όπως φαίνεται ξεκάθαρα επίσης στο ίδιο σχήμα. Σε μακροσκοπικό επίπεδο η απόλυτη επαφή των τεμαχίων οδηγεί στην κοινή διάχυση των ατόμων και τη δημιουργία μεταλλικών δεσμών καθ όλη την έκταση της επιφάνειας επαφής. Η ένωση των τεμαχίων είναι πλέον γεγονός. 2.3.3 Φάση εξισορρόπησης Κατά την τρίτη φάση της συγκόλλησης λαμβάνει χώρα η εξώθηση υλικού εκτός της επιφάνειας επαφής. Οι υψηλές θερμοκρασίες (830 0 C, σχήμα 2.3.1.2) μειώνουν την ελαστικότητα των τεμαχίων και τα αναγκάζουν να παρουσιάζουν όλκιμη συμπεριφορά. Υπό την επίδραση του αξονικού φορτίου ποσότητα μάζας του υλικού εξωθείται εκτός της επιφάνειας επαφής (γρέζι,flash) περιμετρικά του τεμαχίου και έχει κυματοειδή μορφή (έναρξη μείωσης μήκους, εικόνα 2.3.3.1). Άμεση συνέπεια της απώλειας μάζας είναι η μείωση του μήκους των τεμαχίων, η οποία μεταβάλλεται γραμμικά με το χρόνο. Επίσης η 20

Θερμομηχανικά Επηρεασμένη Ζώνη (ΘΜΕΖ Thermomechanically Affected Zone TMAZ) η οποία ξεκινά από την επιφάνεια επαφής, συνεχίζει να επεκτείνεται προς το υπόλοιπο σώμα των δοκιμίων κατά τη συγκεκριμένη φάση συγκόλλησης. Εικόνα 2.3.3.1: Εμπρόσθια και πλάγια όψη συγκολλημένων δοκιμίων. Η αποβληθείσα μάζα σχηματίζεται περιμετρικά της επιφάνειας επαφής και έχει κυματοειδή μορφή. Στην περίπτωση που η θερμοκρασία δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένη στις επιφάνειες των δύο τεμαχίων αλλά παρουσιάζει αυξημένες τιμές σε ένα τμήμα, η πλαστικοποιημένη ζώνη γίνεται λεπτότερη στο τμήμα αυτό και μεγαλύτερη ποσότητα υλικού αποβάλλεται. Αυτό οφείλεται στη μη παράλληλη ευθυγράμμιση των τεμαχίων και συντελεί στο να μετατοπιστεί η περιοχή μέγιστης θερμοκρασίας από το κέντρο της επιφάνειας (εκεί όπου βρίσκεται όταν τα τεμάχια είναι τοποθετημένα παράλληλα) επαφής σε πλευρική του κέντρου περιοχή. Το φαινόμενο αυτό είναι πιθανό να προκαλέσει μείωση της ισχύος του δεσμού και γι αυτόν τον λόγο χρήζει ιδιαίτερης προσοχής η σωστή τοποθέτηση και ευθυγράμμιση των τεμαχίων πριν την έναρξη της συγκόλλησης. 2.3.4 Φάση επιβράδυνσης Όταν επιτευχθεί η επιθυμητή μείωση μήκους η διαδικασία της συγκόλλησης τερματίζεται με την ακαριαία παύση της παλινδρομικής κίνησης. Τα δύο τεμάχια έχουν πάρει την τελική τους θέση και συνήθως ακολουθεί η επιβολή ισχυρής αξονικής πίεσης, χωρίς αυτή βέβαια να είναι πάντα απαραίτητη. Αυτό συμβαίνει σε περιπτώσεις κατά τις οποίες το ποσό ενέργειας που έχει δαπανηθεί για την πραγματοποίηση της συγκόλλησης είναι ίσο ή ελαχίστως περισσότερο από το απαιτούμενο με αποτέλεσμα η επιβολή μιας επιπλέον δύναμης πίεσης να είναι απαραίτητη ώστε η συγκόλληση να είναι αποτελεσματική. 21

2.4 Οι παράμετροι της μεθόδου συγκόλλησης LFW [5],[8] Στην μέθοδο συγκόλλησης δια τριβής μέσω γραμμικής παλινδρόμησης υπεισέρχονται 4 παράμετροι. Η συχνότητα κίνησης f (frequency, Hz) το πλάτος ταλάντωσης a (amplitude, mm) του κινούμενου τεμαχίου, η αξονική δύναμη πίεσης P (frictional pressure, MPa) και η απώλεια μήκους s (axial shortening, mm). Οι τιμές των παραμέτρων επηρεάζουν αποφασιστικά τη διαδικασία συγκόλλησης και καθορίζουν το χρόνο συγκόλλησης, τα χαρακτηριστικά της μικροδομής στην περιοχή συγκόλλησης και στην ΘΜΕΖ, τις μηχανικές ιδιότητες της συγκόλλησης και εν τέλει είναι αυτές που καθορίζουν αν η ένωση των τεμαχίων είναι επιτυχής ή όχι. Η βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διαδικασίας συγκόλλησης LFW μέχρι σήμερα δεν έχει εξερευνηθεί πλήρως. Για το λόγο αυτό πραγματοποιούνται σειρές πειραματικών δοκιμών με μηχανές συγκόλλησης μέσω των οποίων είναι δυνατός ο έλεγχος και καθορισμός των παραμέτρων αυτών, έτσι ώστε εξετάζοντας τα αποτελέσματα να γίνει εκτίμηση για το εύρος των τιμών που οδηγούν σε μια ισχυρή συγκόλληση για κάθε παράμετρο ξεχωριστά αλλά και για συνδυασμούς παραμέτρων συνολικά. Αυτό που είναι σαφές με βεβαιότητα είναι ότι απαιτείται ένα ελάχιστο κρίσιμο ποσό θερμικής ενέργειας για την πραγματοποίηση μιας επιτυχούς συγκόλλησης. Στην περίπτωση που ο συνδυασμός των παραμέτρων αποδίδει στα προς συγκόλληση τεμάχια ποσό θερμότητας μικρότερο από αυτό, τότε η επίτευξη μιας ισχυρής ένωσης μεταξύ των τεμαχίων είναι αδύνατη. Στα σχήματα 2.4.1 a έως d απεικονίζεται ο απαιτούμενος χρόνος συγκόλλησης συναρτήσει διαφόρων τιμών των τεσσάρων παραμέτρων της συγκόλλησης. Οι περιπτώσεις συγκολλήσεων στις οποίες παρατηρήθηκαν ελαττώματα (σημεία οξείδωσης ή πόροι που περιείχαν έγκλειστα αέρια) έχουν επισημανθεί στα σχεδιαγράμματα με κενά τετράγωνα ή ρόμβους. Αντιθέτως τα τετράγωνα και οι συγκολλήσεις που αντιστοιχούν σε επιτυχείς συγκολλήσεις είναι πλήρη. 22

Σχήμα 2.4.1: Ο χρόνος συγκόλλησης συναρτήσει (a) της συχνότητας παλινδρόμησης (f), (b) του πλάτους ταλάντωσης (a), (c) της αξονικής δύναμης (P) και (d) της μείωσης μήκους (s). Τα κενά και πλήρη στίγματα υποδηλώνουν ανεπιτυχή και επιτυχή συγκόλληση αντιστοίχως. Παρατηρείται ότι η επίδραση της συχνότητας και του πλάτους ταλάντωσης στη χρονική διάρκεια της ταλάντωσης ήταν μεγαλύτερη σε σχέση με την αξονική δύναμη συμπίεσης και της μείωσης μήκους. Πιο συγκεκριμένα φαίνεται από τα σχεδιαγράμματα πως η αύξηση της συχνότητας από 15 σε 70 Hz όπως επίσης και η αύξηση του πλάτους ταλάντωσης από 1 σε 3 mm, έχουν ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα το οποίο είναι η δραστική μείωση του απαιτούμενου χρόνου συγκόλλησης από 6 σε 1 δευτερόλεπτα. Όσον αφορά την επίδραση της αξονικής δύναμης, παρατηρώντας το σχήμα 2.4.1 (c) εξάγεται το συμπέρασμα ότι διπλασιασμός της τιμής της πίεσης, κρατώντας τις τιμές των υπολοίπων παραμέτρων σταθερές, οδηγεί σε υποδιπλασιασμό της χρονικής διάρκειας της συγκόλλησης. Αντιστρόφως, (2.4.1 (d)) διπλασιασμός της μείωσης του μήκους έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του απαιτούμενου χρόνου συγκόλλησης κατά περίπου 20%. 23

Η συχνότητα, το πλάτος ταλάντωσης και η αξονική πίεση συνδέονται με την απαιτούμενη χρονική διάρκεια συγκόλλησης με μια αντιστρόφως ανάλογη σχέση. Αυτή η εξάρτηση μπορεί να δικαιολογηθεί στη βάση της θεώρησης ενός ποσού θερμότητας το οποίο πρέπει να προσφερθεί στις δύο επιφάνειες προκειμένου να διαμορφωθεί ένα κατάλληλο περιβάλλον τάσεων και θερμοκρασιών. Οι Vairis και Frost μέσω των πειραμάτων που εκτέλεσαν πρότειναν την χρήση ενός μεγέθους ενδεικτικού της προσδιδόμενης ενέργειας που χαρακτηρίζει συνολικά τη διαδικασία και συμπεριλαμβάνει όλες τις παραμέτρους συγκόλλησης. Αυτό το μέγεθος είναι η Παράμετρος Προσδιδόμενης Ενέργειας (Π.Π.Ε Power Input Parameter) και η σχέση που τη συνδέει με τη συχνότητα και το πλάτος ταλάντωσης καθώς και με την αξονική δύναμη είναι η ακόλουθη: afp.. 1 2 όπου: a: το πλάτος ταλάντωσης σε mm f: η συχνότητα κίνησης του κινούμενου τεμαχίου σε Hz και P: η αξονική δύναμη σε MPa Α: η επιφάνεια επαφής των τεμαχίων σε mm 2 Η τιμή που προκύπτει για την παράμετρο της ενέργειας αποτιμάται σε kw/mm 2. Οι τιμές της Π.Π.Ε υπολογίσθηκαν για τις πειραματικές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν μέσω της εξίσωσης (1). Τα γραφήματα που παρουσιάζουν την εξάρτηση της χρονικής διάρκειας της συγκόλλησης με την απαιτούμενη θερμική ενέργεια δείχνουν ότι τα δύο αυτά μεγέθη συνδέονται μεταξύ τους με μια αντιστρόφως ανάλογη σχέση. Αυτό είναι απολύτως λογικό και επόμενο αφού υψηλότερες συχνότητες, πλάτη ταλάντωσης και αξονικές δυνάμεις αυξάνουν το ποσό ενέργειας που προσφέρεται στις επιφάνειες της συγκόλλησης με αποτέλεσμα να απαιτείται λιγότερος χρόνος για τη δημιουργία μιας ισχυρής ένωσης (σχήμα 2.4.2) Παρατηρώντας το σχήμα 2.4.2 είναι δυνατόν να προσδιοριστεί ένα ελάχιστο κρίσιμο όριο προσδιδόμενης ενέργειας, η τιμή του οποίου είναι στα 2.4 kw, πέραν του οποίου οι συγκολλήσεις των κραμάτων Ti-6Al-4V που δημιουργήθηκαν είναι ισχυρές χωρίς να εμπεριέχουν ελαττώματα. Υπήρχαν περιπτώσεις όμως που παρατηρήθηκαν ανωμαλίες για τιμές Π.Π.Ε στην περιοχή των 3.3 kw (μεγαλύτερες των 2.4 kw) οι οποίες αντιστοιχούσαν σε 24

μείωση μήκους 1 και 1.5 mm. ιαπιστώθηκε από τα αποτελέσματα των πειραμάτων ότι η μείωση μήκους πρέπει να είναι τουλάχιστον 2 mm ώστε να συγκολληθούν επιτυχώς τα ορθογωνικά τεμάχια Ti-6Al-4V. Αξίζει να σημειωθεί πως παρ ότι η επίδραση της μείωσης μήκους λαμβάνεται υπ όψιν εμμέσως στην εξίσωση (1) μέσω της επιφάνειας Α, η χρήση της παραμέτρου της προσδιδόμενης ενέργειας ως αποκλειστικό κριτήριο για τον προσδιορισμό των απαραίτητων συνθηκών που οδηγούν στα επιθυμητά αποτελέσματα είναι διακινδυνευμένη. Παραδείγματος χάριν, η υπόθεση ότι η επιφάνεια Α ισούται με το εμβαδόν της επιφάνειας επαφής των τεμαχίων ισχύει μόνο κατά την περίπτωση στην οποία το υλικό που εξωθείται από τις τέσσερις πλευρές των τεμαχίων (flash) είναι συνεχές και ομοιόμορφα κατανεμημένο, υποδηλώνοντας με βεβαιότητα ότι το 100% των δύο επιφανειών έχουν έρθει σε επαφή. ιαφορετικά, στην περίπτωση που το υλικό δεν έχει πλαστικοποιηθεί πλήρως, η επιφάνεια επαφής Α είναι μικρότερη από το εμβαδόν της εγκάρσιας τομής των τεμαχίων. Παρ όλα αυτά ούτε και η παρατήρηση του αποβληθέντος υλικού μπορεί να μας διαβεβαιώσει, από μόνη της, με απόλυτη ασφάλεια για το αν η πλαστικοποίηση που επετεύχθη ήταν επαρκής ώστε να υπάρξει απόλυτη επαφή μεταξύ των δύο τεμαχίων, καθώς δεν μας δίνει σαφή εικόνα για το ποια είναι η κατάσταση που επικρατεί στον πυρήνα της συγκόλλησης (weld center). Στα πειράματα που αντιστοιχούν στην κυκλωμένη περιοχή του σχήματος 2.4.2, και τα οποία έχουν επισημανθεί με κενό περιεχόμενο, παρατηρήθηκε το φαινόμενο της ύπαρξης ατελειών στον πυρήνα συγκόλλησης, παρά το γεγονός ότι το υλικό περιφερειακά των συγκολλημένων τεμαχίων έδινε την εικόνα πλήρους πλαστικοποίησης. Σχήμα 2.4.2: Η Παράμετρος Προσδιδόμενης Ενέργειας συναρτήσει της χρονικής διάρκειας της συγκόλλησης για τιμές μείωσης μήκους s 1, 1.5 και 2 mm. Τα κενά στίγματα υποδηλώνουν ανεπιτυχή συγκόλληση ενώ τα πλήρη επιτυχή. 25

Επομένως η συγκόλληση δια τριβής μέσω γραμμικής παλινδρόμησης είναι αναγκαίο να παραμετροποιηθεί μέσω της θεώρησης ότι η διαδικασία συγκόλλησης πραγματοποιείται σε δύο ευρύτερα στάδια, αυτό κατά το οποίο προσδίδεται η απαιτούμενη ενέργεια μέσω τριβής (αρχική φάση, φάση μετάβασης και φάση εξισορρόπησης), και το δεύτερο, κατά το οποίο εφαρμόζεται μια πολύ ισχυρή αξονική δύναμη μετά την διακοπή κίνησης του παλινδρομούντος τεμαχίου. Αυτή η διάκριση στην ανάλυση της διαδικασίας είναι απαραίτητη περισσότερο από πρακτικής πλευράς αν συνυπολογιστεί το γεγονός ότι η παράμετρος της μείωσης μήκους είναι ανάλογη του χρόνου συγκόλλησης (ακριβώς το αντίθετο σε σχέση με τις υπόλοιπες τρεις παραμέτρους), αφού για να επιτευχθεί μεγαλύτερη μείωση μήκους απαιτείται περισσότερος χρόνος. Η ισχυρή αξονική δύναμη είναι αυτή που ισχυροποιεί και εδραιώνει την ένωση των τεμαχίων στην περίπτωση που η περιοχή συγκόλλησης δεν έχει προσλάβει το απαραίτητο ποσό ενέργειας ή κατά την περίπτωση στην οποία η μικρή μείωση μήκους δεν έχει επιτρέψει την πλήρη πλαστικοποίηση του υλικού, με αποτέλεσμα την δημιουργία ατελειών και ελαττωμάτων. Ιδιαίτερη μνεία αξίζει να γίνει για τον ιδιαίτερο ρόλο που διαδραματίζει η συχνότητα κίνησης του παλινδρομούντος τεμαχίου. Για τις 88 πειραματικές δοκιμές που συμπεριλαμβάνονται στην ομάδα δοκιμών Α παρατηρήθηκε ότι αύξηση της συχνότητας κίνησης οδηγεί σε αύξηση του ελάχιστης κρίσιμης ποσότητας ενέργειας που είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία σωστής συγκόλλησης. Στα σχήματα 2.4.3 και 2.4.4 παρουσιάζεται η Π.Π.Ε συναρτήσει της συχνότητας που αντιστοιχούσε σε κάθε δοκιμή για τιμή πλάτους ταλάντωσης 3 mm και 0.92 mm αντιστοίχως. Οι δοκιμές που κατέληξαν στη δημιουργία ισχυρού δεσμού επισημαίνονται με στρογγυλά στίγματα ενώ αυτές που είχαν ανεπιτυχές αποτέλεσμα απεικονίζονται με στίγμα τύπου «x». Από τα αποτελέσματα της ομάδας δοκιμών που εκτέλεσαν οι Wanjara και Jahazi παρατηρήθηκε ότι όταν η ενέργεια που προσδίδεται μέσω της τριβής στα τεμάχια ξεπερνά τα 2.4 kw/mm 2 η συγκόλληση είναι αποτελεσματική. Αυτό το στοιχείο επαληθεύεται και από τις δοκιμές των Vairis και Frost, όπως εύκολα φαίνεται στα σχήματα 2.4.3 και 2.4.4. Επίσης από την κλίση των ευθειών που χωρίζουν τις ομάδες των συγκολλήσεων σε επιτυχείς και αποτυχημένες παρατηρείται αύξηση της ελάχιστης απαιτούμενης ποσότητας θερμικής ενέργειας με αύξηση της συχνότητας, λιγότερο για τιμή πλάτους ταλάντωσης a = 3 mm και αρκετά περισσότερο για πλάτος ταλάντωσης a = 0.92 mm. 26

Σχήμα 2.4.3: Η επίδραση της συχνότητας στην Παράμετρο Προσδιδόμενης Ενέργειας (πλάτος ταλάντωσης a = 3 mm). Σχήμα 2.4.4: Η επίδραση της συχνότητας στην Παράμετρο Προσδιδόμενης Ενέργειας (πλάτος ταλάντωσης a = 0,92 mm). Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στην ευαισθησία που παρουσιάζει το κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V ως προς τον ρυθμό με τον οποίο παραμορφώνεται. Έρευνες επί του συγκεκριμένου υλικού έχουν δείξει ότι το όριο διαρροής για θλιπτικά φορτία κυμαίνεται από 10 MPa για την περίπτωση καταπόνησης από στατικά φορτία μέχρι 225 MPa στους 850 0 C για ρυθμό παραμόρφωσης 5 s -1. Στην περίπτωση της γραμμικής παλινδρόμησης η μέγιστη παραμόρφωση ισούται με την απόσταση μεταξύ των δύο ακραίων σημείων μεταξύ των οποίων 27

κινείται το τεμάχιο που εκτελεί την παλινδρομική κίνηση. Η απόσταση από το μέσο μέχρι το ένα άκρο ισούται με το πλάτος ταλάντωσης a, οπότε στην περίπτωση που a = 0.92 mm, f = 50 Hz και l το μήκος του τεμαχίου, ο ρυθμός παραμόρφωσης ισούται με: 2a l a f t 2 l f 1 4.6 s 2 Το φαινόμενο αυτό μπορεί να εξηγηθεί πρακτικά ως εξής. Καθώς τα δύο τεμάχια βρίσκονται σε σχετική κίνηση, η θερμοκρασία στην επιφάνεια επαφής εξ αιτίας της τριβής συνεχώς αυξάνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του ορίου διαρροής, με αποτέλεσμα, την στιγμή κατά την οποία η τιμή του πέσει κάτω από την τιμή της αξονικής δύναμης που συμπιέζει τα τεμάχια να προκύψει η πλαστικοποίηση του υλικού. Από την σχέση (2) όμως προκύπτει ότι αύξηση της συχνότητας f οδηγεί σε αύξηση του ρυθμού παραμόρφωσης, η οποία όπως σημειώθηκε προηγουμένως οδηγεί με την σειρά της σε αύξηση του ορίου διαρροής του υλικού. Επομένως για να προκύψει διαρροή του υλικού σε θερμοκρασιακές συνθήκες παρόμοιες με αυτές που υπήρχαν πριν την αύξηση της συχνότητας, είτε θα πρέπει να αυξηθεί η αξονική δύναμη πίεσης, είτε θα πρέπει να αναπτυχθεί στη διεπιφάνεια μεγαλύτερη θερμοκρασία. Η τελευταία υπόθεση προϋποθέτει την αύξηση της ενέργειας που απορροφάται από τη συγκόλληση μέσω της αύξησης της αξονικής πίεσης. Το συμπέρασμα λοιπόν είναι ότι με αύξηση της συχνότητας απαιτείται αύξηση του ποσού της προσδιδόμενης ενέργειας μέσω της επιβολής υψηλότερων αξονικών φορτίων, λόγω της ευαισθησίας επί του ρυθμού παραμόρφωσης που παρουσιάζει το υλικό. 2.5 Ζώνες Μικροδομή συγκόλλησης [8] Κατά τη διαδικασία συγκόλλησης δια τριβής μέσω γραμμικής παλινδρόμησης τεμαχίων από Ti-6Al-4V σχηματίζονται οι εξής ζώνες: Ο πυρήνας συγκόλλησης (Weld center) H θερμομηχανικά επηρεασμένη ζώνη (Thermomichanically affected zone, TMAZ, ΘΜΕΖ) Η θερμικά επηρεασμένη ζώνη (Heat Affected Zone, HAZ, ΘΕΖ) 28

Εικόνα 2.5.1: (a) Λήψη με οπτικό μικροσκόπιο και (b) Λήψη με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο των ζωνών συγκόλλησης τεμαχίων από Ti-6Al-4V. 2.5.2: Λήψη με οπτικό μικροσκόπιο των ζωνών συγκόλλησης τεμαχίων από κράμα αλουμινίου ενισχυμένο με σωματίδια από καρβίδιο του πυριτίου. W: Weld Center Πυρήνας Συγκόλλησης, ΤΜΑΖ: Thermomichanically Affected Zone Θερμομηχανικά Επηρεασμένη Ζώνη, HΑΖ: Heat Affected Zone Θερμικά Επηρεασμένη Ζώνη. 2.5.1 Χαρακτηριστικά του βασικού μετάλλου Στις εικόνες 2.5.1.1(a) έως 2.5.1.1(c) φαίνεται η μικροδομή του υλικού των δοκιμίων Ti-6Al-4V, αποτελούμενη από τις δύο φάσεις α και β, υπό τη μορφή εναλλασσόμενων, ισοαξονικών, σφαιρικών κόκκων (grains) φάσης α και μετασχηματισμένης β φάσης (εικόνα 2.5.1.1(b)) και επιμηκυμένων κόκκων α φάσης με την φάση β να βρίσκεται περιμετρικά αυτών (εικόνα 2.5.1.1 (c)). Το κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V όπως αναφέρεται αναλυτικά στο παράρτημα υποβάλλεται σε έναν αλλοτροπικό μετασχηματισμό στους 980 29

1010 0 C. Κάτω από αυτήν τη θερμοκρασία, παρουσιάζει μεγίστης πυκνότητας εξαγωνική κρυσταλλική δομή (hcp) γνωστή ως φάση α, ενώ σε υψηλότερες θερμοκρασίες παρουσιάζει κυβική χωροκεντρωμένη δομή (bcc), γνωστή ως φάση β. Η τελευταία παραμένει σταθερή μέχρι το σημείο τήξης στους 1670 0 C. Η αναλογία όγκου της φάσης α προς την φάση β είναι 85.2 προς 14.8 ενώ το πάχος της φάσης β είτε βρίσκεται περιμετρικά των σφαιρικών κόκκων της φάσης α, είτε βρισκόμενη μεταξύ των επίπεδων στρώσεων της φάσης α, κυμαίνεται μεταξύ 0.08 και 2.3 μm. Εικόνα 2.5.1.1(a): Η διττή μικροδομή του κράματος Ti-6Al-4V αποτελούμενη από τις φάσεις α και β. Εικόνα 2.5.1.1 (b): Ισοαξονικοί κόκκοι α φάσης και μετασχηματισμένοι κόκκοι φάσης β. Επίσης παρατηρούνται περιοχές όπου οι κόκκοι της φάσης α έχουν την μορφή επίπεδων πλακών με την φάση β να έχει σχηματιστεί μεταξύ των στρώσεων της φάσης α. 30

Εικόνα 2.5.1.1 (c): Επιμηκυμένοι κόκκοι α φάσης με την φάση β περιμετρικά αυτών. 2.5.2 Χαρακτηριστικά υλικού στον πυρήνα συγκόλλησης Για να γίνει μια επαρκής εκτίμηση της συγκόλλησης που πραγματοποιήθηκε μέσω της μεθόδου LFW είναι απαραίτητη η εξέταση του πυρήνα συγκόλλησης στην περιοχή της διεπιφάνειας των δύο τεμαχίων για τυχόν ύπαρξη ατελειών και ελαττωμάτων όπως ρωγμές, κενά ή δημιουργία οξειδίων. ιαπιστώθηκε ότι όταν η παράμετρος προσδιδόμενης ενέργειας (Π.Π.Ε) είχε τιμή χαμηλότερη των 2.4 kw, αποτέλεσμα είτε της χαμηλής συχνότητας ταλάντωσης ( 30 Hz), είτε του χαμηλού πλάτους ταλάντωσης (<2 mm), παρατηρήθηκε παρουσία οξειδίων κατά μήκος της γραμμής συγκόλλησης όπως φαίνεται στην εικόνα 2.5.2.1(a). Επιπλέον παρατηρήθηκε δημιουργία πόρων στην περίπτωση των συγκολλήσεων όπου η παράμετρος της μείωσης μήκους έπαιρνε τιμές μικρότερες των 2 mm. Το μέγεθος των πόρων αυτών ήταν περίπου 0.5 μm (εικόνα 2.5.2.1 (b)). Η μικροδομή του υλικού στον πυρήνα της συγκόλλησης ήταν τελείως διαφορετική σε σχέση με αυτήν του αρχικού υλικού. Η αρχική διττή μικροδομή αποτελούμενη από τις φάσεις α και β όπως αυτές φαίνονται στην εικόνα 2.5.1.1 (a) είχε μετασχηματιστεί σε μικροδομή βελονοειδούς μορφής τύπου Widmanstatten της οποίας τα όρια αποτελούσαν κόκκοι της αρχικής φάσης β (εικόνες 2.5.2.2 (a) και 2.5.2.2 (b)). Η μικροδομή που παρουσιάζει το κράμα Ti- 6Al-4V στην περιοχή της συγκόλλησης συνδέεται άμεσα με τη θερμοκρασία μετασχηματισμού του κράματος από την φάση α στην φάση β η οποία είναι 995 0 C. Μελέτες πάνω στη συγκόλληση του συγκεκριμένου κράματος μέσω της μεθόδου LFW έχουν δείξει ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας η θερμοκρασία στη γραμμή επαφής των δύο τεμαχίων ξεπερνά τους 1100 0 C. Ως εκ τούτου 31

είναι απολύτως βέβαιο ότι η προκύπτουσα μικροδομή είναι αποτέλεσμα του μετασχηματισμού που πραγματοποιήθηκε στη μικροδομή του υλικού αφού η θερμοκρασία στον πυρήνα συγκόλλησης ξεπερνά κατά πολύ τη θερμοκρασία αλλοτροπικού μετασχηματισμού του κράματος Ti-6Al-4V. Εικόνα 2.5.2.1 (a) και (b): Χαρακτηριστικά ελαττώματα που παρατηρήθηκαν κατά μήκος της γραμμής συγκόλλησης για τιμή προσδιδόμενης ενέργειας μικρότερη από 2.4 kw (a) και (b) μείωση μήκους μικρότερη των 2 mm. Εικόνα 2.5.2.2 (a) και (b): Εικόνα του πυρήνα συγκόλλησης του κράματος Ti-6Al-4V μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Απεικονίζονται: (a) οι μετασχηματισμένοι κόκκοι της β φάσης οι οποίοι παρουσιάζουν (b) βελονοειδή μικροδομή τύπου Widmanstatten. Η μορφολογία της μικροδομής εντός των ορίων που σχηματίζουν οι κόκκοι της αρχικής φάσης β (εικόνα 2.5.2.2 (b)) εξαρτάται από το ρυθμό απόψυξης του υλικού ύστερα από το πέρας της συγκολλήσεως. Εάν ο ρυθμός απόψυξης του κράματος από την περιοχή των 1100 0 C, όπου υπάρχει 32