Επίδραση των παραμέτρων συγκόλλησης Laser, φύλλων λαμαρίνας ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα, στη μικροδομή και τις ιδιότητές τους.

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑΛΛΟΓΝΩΣΙΑΣ Επίδραση των παραμέτρων συγκόλλησης Laser, φύλλων λαμαρίνας ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα, στη μικροδομή και τις ιδιότητές τους. ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΟΥ : ΑΧΙΛΛΕΩΣ ΙΩΑΝΝΗ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Κ. ΣΤΕΦΑΝΟΣ ΣΚΟΛΙΑΝΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΝΙΟΣ 2016

Πρόλογος Αυτή η εργασία έχει σαν στόχο να χρησιμοποιηθεί σαν εργαλείο σε ανθρώπους της βιομηχανίας που ασχολούνται με τα laser συγκόλλησης, αλλά και να διαπραγματευτεί επιστημονικά θέματα στο τομέα των συγκολλήσεων με laser. Στόχος είναι να προσθέσει ένα καινούργιο λιθαράκι στην μελέτη της συγκόλλησης με laser ανοξείδωτου χάλυβα σε όσα μέχρι τώρα γνωρίζουμε. Για να γίνει αυτή η εργασία έχουν συμβάλει η εταιρεία Milkplan S.A δίδοντας τα υλικά για τις δοκιμές αλλά και το μηχάνημα συγκόλλησης laser για να γίνουν αυτές. Ο Καθηγητής κ. Σκολιανός Στέφανος προσφέροντας απλόχερα τις επιστημονικές του γνώσεις στο τομέα των συγκολλήσεων. Η εταιρεία GETE Gats της οποίας χρησιμοποιήθηκε η μηχανή εφελκυσμού για τις δοκιμές. Η οικογένεια μου που τις στέρησα προσωπικό μου χρόνο δουλεύοντας στην εργασία αυτή. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους ανθρώπους της Milkplan S.A και της GETE Gats τον Καθηγητή και την οικογένεια μου για αυτό. 2

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα 1. ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ. 4 1.1 Λίστα Πινάκων - Διαγραμμάτων 4 1.2 Εισαγωγή στο θέμα της εργασίας 6 2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ. 7 2.1 Εισαγωγικά στοιχεία για τα laser 7 2.1.1 Γεωμετρικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά της δέσμης laser. 7 2.1.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των laser. 9 2.1.3 Εφαρμογές των laser. 9 2.2 Συγκόλληση με laser (Laser beam welding, LBW). 10 2.2.1 Περιγραφή της διάταξης συγκόλλησης. 10 2.2.2 Διαφορές των διαφόρων τύπων laser για συγκόλληση. 12 2.2.3 Αδρανή αέρια που χρησιμοποιούνται στην συγκόλληση. 12 2.2.4 Βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης (penetration depth). 13 2.2.5 Μεταλλουργικά φαινόμενα στην περιοχή της συγκόλλησης 16 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ. 19 3.1 Περιγραφή και σχεδιασμός των πειραμάτων. 19 3.2 Δοκίμια που πάρθηκαν για εξέταση. 21 3.3 Μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για των χαρακτηρισμό των δοκιμίων. 23 3.3.1 Έλεγχος για επιφανειακά σφάλματα με διεισδυτικά υγρά. 23 3.3.2 Δοκιμές πίεσης. 23 3.3.3 Δοκιμές θραύσης. 23 3.3.4 Μεταλλογραφικός έλεγχος. 24 3.3.5 Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. 24 3.3.6 Μικροσκληρομέτρηση. 24 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ. 25 4.1 Αποτελέσματα διεισδυτικών υγρών. 25 4.2 Αποτελέσματα αντοχής σε πίεση. 26 4.3 Αποτελέσματα αντοχής σε θραύση. 28 4.4 Αποτελέσματα μεταλλογραφίας. 30 4.4.1 Αποτελέσματα των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της συγκόλλησης. 30 4.4.2 Μελέτη του μηχανισμού αστοχίας και της γεωμετρίας των συγκολλημένων περιοχών 40 που αστόχησαν κατά την δοκιμή πίεσης. 4.4.3 Μελέτη της δομής και των μηχανισμών που επηρεάζουν την δομή του υλικού στις 45 περιοχές όπου επηρεάζονται θερμικά από την συγκόλληση. 4.5 Αποτελέσματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) 52 4.6 Αποτελέσματα μικροσκληρομετρήσεων στη δομή. 58 5. ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ - ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 63 6. ΠΕΡΕΤΑΙΡΩ ΕΡΕΥΝΑ 67 7. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 68 3

1.1 Λίστα Πινάκων - Διαγραμμάτων Πίνακες Κωδικός Ονομασία πίνακα Σελίδα Π3.1-1 Χημική σύσταση λαμαρινών 20 Π3.1-2 Μεταβλητοί παράμετροι δοκιμών 21 Π4.2-1 Αποτελέσματα δοκιμών πίεσης 27 Π4.3-1 Αποτελέσματα δοκιμών τη αντοχής μέχρι την θραύση 28 Π4.4.1-1 Αποτελέσματα των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της συγκόλλησης 30 Π4.4.2-1 Αποτελέσματα των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της συγκόλλησης που 40 έχουν αστοχήσει κατά την δοκιμή σε πίεση Π4.5-1 54 Π4.5-2 Αποτελέσματα μετρήσεων χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 από το 54 Π4.5-3 ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) σε διαφοροποιήσεις στην δομή. 55 Π4.5-4 55 Π4.5-5 Αποτελέσματα χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 στις 3 βασικές περιοχές 56 Π4.5-6 (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό). 56 Π4.5-7 Αποτελέσματα χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No3 στις 3 βασικές περιοχές 57 (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό). Π4.6-1 Αποτελέσματα μικροσκληρομετρήσεων 58 Π5-1 Βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από τα μηχανικά (αντοχή σε πίεση 65 αλλά και αντοχή σε εφελκυσμό) και γεωμετρικά χαρακτηριστικά (βάθος διείσδυσης, πλάτος συγκόλλησης, μηχανισμός θραύσης ) των συγκολλημένων περιοχών. Π5-2 Βασικά συμπεράσματα που προκύπτουν από την εξέταση της δομής των συγκολλημένων περιοχών (οπτικό μικροσκόπιο, sem, μικροσκληρόμετρο) 66 4

Διαγράμματα Κωδικός Ονομασία Διαγράμματος Σελίδα Δ4.2-1 Παρουσιάζεται η ισχύς του laser σε σχέση με την αντοχή σε πίεση με την 26 ταχύτητα της συγκόλλησης να είναι σταθερή 3600 (mm/min). Δ4.2-2 Παρουσιάζεται η ταχύτητα του laser σε σχέση με την αντοχή σε πίεση για 3 26 διαφορετικές τιμές της ισχύς. Δ4.3-1 Παρουσιάζεται η ισχύς του laser σε σχέση με την αντοχή σε θραύση, με την 28 ταχύτητα της συγκόλλησης να είναι σταθερή 3600 (mm/min). Δ4.3-2 Παρουσιάζεται η ταχύτητα του laser σε σχέση με την αντοχή σε θραύση για 28 3 διαφορετικές τιμές της ισχύς. Δ4.4.1-1 Παρουσιάζεται η Ισχύς του laser σε σχέση με το βάθος διείσδυσης της 38 συγκόλλησης στη κάτω λαμαρίνα για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min. Δ4.4.1-2 Παρουσιάζεται η Ισχύς του laser σε σχέση με το πλάτος της συγκόλλησης 38 στη διεπιφάνεια των 2 λαμαρινών για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min. Δ4.4.1-3 Παρουσιάζεται το βάθος διείσδυσης σε σχέση με το πλάτος της 39 συγκόλλησης στη διεπιφάνεια των 2 λαμαρινών για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min. Δ4.4.1-4 Παρουσιάζεται αριστερά η Ισχύς του laser σε σχέση με το λόγο του βάθους 39 προς το πλάτος του κολλήματος για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min ενώ δεξιά παρουσιάζεται για κάθε δοκίμιο ο λόγος του βάθους προς το πλάτος του κολλήματος. Δ4.4.1-5 Παρουσιάζεται η ταχύτητα συγκόλλησης του laser σε σχέση με το βάθος 40 διείσδυσης της συγκόλλησης για τρεις διαφορετικές ισχύς. Δ4.4.1-6 Παρουσιάζεται η ταχύτητα συγκόλλησης του laser σε σχέση με το πλάτος 40 συγκόλλησης στην διεπιφάνεια για τρείς διαφορετικές ισχύς. Δ4.4.2-1 Διαφορές στο βάθος διείσδυσης και στο πλάτος της συγκόλλησης 40 Δ4.6-1 Τιμές μικροσκληρομετρήσεων για τα 3 δοκίμια για τις 4 διαφορετικές περιοχές. 59 Δ5-1 Παρουσιάζεται η αντοχή σε θραύσης σε σχέση με την αντοχή σε πίεση για τις ίδιες συνθήκες. Δ5-2 Παρουσιάζεται η αντοχή σε θραύση σε σχέση με το βάθος διείσδυσης για τις ίδιες συνθήκες. Δ5-3 Παρουσιάζεται η αντοχή σε θραύση σε σχέση με το πλάτος της συγκόλλησης για τις ίδιες συνθήκες. Δ5-4 Παρουσιάζεται η αντοχή σε πίεση σε σχέση με το βάθος διείσδυσης για τις ίδιες συνθήκες. 63 63 64 64 5

1.2 Εισαγωγή στο θέμα της εργασίας Σε αυτήν την εργασία έχει γίνει μελέτη της μεθόδου συγκόλλησης με δέσμη laser αερίου CO² σε ανοξείδωτη λαμαρίνα τύπου 304L. Οι κατεργασίες με την χρήση laser όλο και αποκτούν μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών και αντικαθιστούν συμβατικές μεθόδους κατεργασιών. Έτσι θεωρείται πολύ ενδιαφέρον πεδίο για την έρευνα σήμερα αλλά και στο μέλλον. Η πρακτική ανάγκη που ώθησε στην μελέτη αυτού του τύπου συγκόλλησης είναι: Η μειωμένη βιβλιογραφία στη συγκεκριμένη διεργασία δηλαδή συγκόλληση μεταξύ δύο φύλλων ανοξείδωτης λαμαρίνας του πάχους που μας ενδιαφέρει (1mm πάνω λαμαρίνα και 2 mm κάτω λαμαρίνα). Η ανάγκη για μελέτη της αντοχής των συγκολλημένων περιοχών όπως και η παρατήρηση της δομής μετά από πλαστική παραμόρφωση. Η ανάγκη να γίνει σύνδεση των αποτελεσμάτων της δομής σε σχέση με την αντοχή των κολλημάτων και η βελτιστοποίηση των παραμέτρων της διεργασίας ούτως ώστε να επιτευχθούν τα καλύτερα αποτελέσματα όσο αφορά την αντοχή μεταξύ των δυο συγκολλημένων φύλλων λαμαρίνας. Η μελέτη της μεταλλουργικής πλευράς της περιοχής του κολλήματος. Η συγκόλληση γίνεται μεταξύ 2 φύλλων ανοξείδωτης λαμαρίνας τύπου 304L, η πάνω λαμαρίνα είναι πάχους 1mm και η κάτω πάχους 2mm στη συνέχεια τα 2 συγκολλημένα φύλλα προχωρούν στα επόμενα στάδια της παραγωγής ούτως ώστε να γίνει τελικά ο εξατμιστής που χρησιμοποιείται για την κατασκευή δοχείων ψύξης γάλακτος. Μέσα στο κενό που δημιουργείται στον εξατμιστή κυκλοφορεί το ψυκτικό υγρό, έτσι οι περιορισμοί της συγκόλλησης είναι αυτές που επηρεάζουν την απόδοση του εξατμιστή. Εάν βρεθούν οι βέλτιστές συνθήκες στην συγκόλληση δηλαδή για συγκεκριμένα πάχη λαμαρίνας να αυξηθεί η αντοχή των κολλημάτων, αυτόματα θα μπορέσουν να γίνουν εξατμιστές με μεγαλύτερη απόδοση. Στην εργασία αυτή έχει χρησιμοποιηθεί το συγκολλητικό ρομποτικό μηχάνημα της εταιρεία Milkpan S.A το οποίο είναι κατασκευή της εταιρείας TRUMF. Το μηχάνημα αυτό παράγει ακτίνα laser CO2 και χρησιμοποίει αέριο He και N2 για προστασία αλλά και καλή διείσδυση της συγκόλλησης μεταξύ των 2 φύλλων λαμαρίνας. 6

2. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ. 2.1 Εισαγωγικά στοιχεία γενικά για τα laser Ο όρος laser προκύπτει από τις αγγλικές λέξης Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation [3] όπου μεταφράζεται στα ελληνικά σαν ενίσχυση φωτός με εξαναγκασμένη εκπομπή ακτινοβολίας. Η δέσμη laser είναι μονοχρωματική δηλαδή το φώς έχει συγκεκριμένο μήκος κύματος ανάλογα με τον τρόπο που δημιουργείται η δέσμη, έχει συγκεκριμένη διεύθυνση και μία φάση. Τα laser διακρίνονται σε αυτά που η πηγή είναι σε στερεά κατάσταση (Nd:YAG, Nb:YAG,Nd : glass) και σε αυτά που είναι σε αέρια κατάσταση (CO2). Τα 8laser παράγονται από τα φωτόνια τα οποία εκπέμπονται όταν διεγερμένα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στις κανονικές τους ενεργειακές καταστάσεις. Τα laser αέριας κατάστασης δημιουργούνται όταν ηλεκτρικό δυναμικό εφαρμοστή στο αέριο με αποτέλεσμα να δημιουργείται εκκένωση έτσι δημιουργείται τελικά διέγερση του αερίου Ε2.1-1. Ε2.1-1 Πηγή [1] Ε2.1-2 Πηγή [3] Τα διάφορα laser ανάλογα με τον τρόπο που παράγονται δημιουργούν δέσμες με διαφορετικά μήκη κύματος Ε2.1-2 π.χ το laser CO2 έχει μήκος κύματος λ = 10600 nm ενώ το Nd:YAG έχει λ = 1064 nm. Ανάλογα με την εφαρμογή που θέλουμε επιλέγουμε και το laser π.χ για συγκόλληση βρίσκουν ευρεία εφαρμογή τα laser Nd:YAG και CO2. 2.1.1 Γεωμετρικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά της δέσμης laser Υπάρχουν στην βιβλιογραφία διάφορα μοντέλα όπου μπορούν να υπολογιστούν τα γεωμετρικά και τα ενεργειακά χαρακτηριστικά της δέσμης laser, πιο κάτω παρατάσσονται μερικά παραδείγματα [4]. Υπολογισμός της διαμέτρου τη δέσμης laser στην περιοχή της εστίασης(d). Ε2.1.1-1 Πηγή [4] 7

Υπολογισμός του βάθους εστίασης τη δέσμης laser (L5%). BQ exit =8 mm-mrad Ε2.1.1-2 Πηγή [4] Υπολογισμός της πυκνότητας ισχύος (Pd) όπου το d υπολογίζεται από τις προηγούμενες σχέσεις και P είναι η ισχύς του laser. Υπολογισμός της ενέργειας ανά επιφάνεια (Ed) όπου V είναι ο όγκος της περιοχής που απορροφάτε η ενέργεια, Pd και d υπολογίζεται από τις προηγούμενες σχέσεις. Πέρα από τα γεωμετρικά και ενεργειακά χαρακτηριστικά μίας δέσμης laser πολύ σημαντικό είναι το που εστιάζει η δέσμη laser σε σχέση με το υλικό προς κατεργασία, στην Ε2.1.1-3 φαίνονται οι διάφορες θέσεις εστίασης ανάλογα με το τη κατεργασία θέλουμε να επιτύχουμε στο υλικό μας. Ε2.1.1-3 Πηγή [1] 8

2.1.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των laser. Τα βασικά πλεονεκτήματα των μεθόδων διαμόρφωσης με laser είναι: Σταθερότητα στον τρόπο διαμόρφωσης. Πολύ παραγωγικές μέθοδοι είτε αφορά κοπές είτε συγκόλληση είτε άλλες μεθόδους[5]. Η θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη είναι πολύ μικρή σε σχέση με άλλες μεθόδους συγκόλλησης και κοπής [1]. Πολύ μεγάλη ακρίβεια διαμόρφωσης [2]. Μικρή παραμόρφωση [1]. Μερικά μειονεκτήματα είναι : Μεγάλο κόστος εγκατάστασης και συντήρησης. Υπάρχει αρκετή ενέργεια που χάνεται λόγο της μεγάλης αντανακλαστικότητας της δέσμης από την μεταλλική επιφάνεια (ειδικά σε ανοξείδωτες λαμαρίνες). 2.1.3 Εφαρμογές των laser. Τα laser όσο αφορά τις κατεργασίες των υλικών βρίσκουν ένα πολύ μεγάλο εύρος εφαρμογών Ε2.1.3-1 όπως συγκόλληση, κοπή, επιφανειακές κατεργασίες και θερμικές κατεργασίες[4]. Πηγή [1] Ε2.1.3-1 Πηγή [4] 9

2.2 Συγκόλληση με laser (Laser beam welding, LBW). Η συγκόλληση με laser είναι η διεργασία η οποία λόγο των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την πρόσκρουση της δέσμης laser στα προς συγκόλληση υλικά τοπικά ξεπερνιέται το σημείο τήξης αυτών, με αποτέλεσμα να δημιουργείται περιοχή με υγρό η οποία μετά την στερεοποίηση της γίνεται πλέον ενιαία περιοχή στερεού μεταξύ των δύο υλικών [2]. Υπάρχουν δυο μέθοδοι συγκόλλησης με laser α) της χαμηλής ενέργειας και β) της υψηλής ενέργειας. Της χαμηλής ενέργειας έχουμε τιμές πυκνότητας ισχύος χαμηλότερες από 106 W / mm2 και προτείνεται για πάχη λαμαρίνας από 0,025 1,5 mm, το βάθος διείσδυση σε σχέση με πλάτος του κολλήματος είναι κοντά στην μονάδα. Η μέθοδος της υψηλής ενέργειας δημιουργεί στο υλικό προς συγκόλληση κοιλότητα ( keyhole) και προτείνεται για μεγαλύτερα πάχη λαμαρίνας [5]. Στην Ε2.2-1 βλέπουμε μια σύνοψη των προτύπων που διέπουν την διεργασία της συγκόλλησης με laser. Ε2.2-1 Πηγή [3] Οι βασικοί παράμετροι που επηρεάζουν την συγκόλληση με λέιζερ είναι η πυκνότητα ισχύος στην επιφάνεια κομματιού εργασίας, η ταχύτητα συγκόλλησης [5] και το σημείο εστίασης σε σχέση με την επιφάνεια του υλικού προς συγκόλληση. 2.2.1 Περιγραφή της διάταξης συγκόλλησης. Η διάταξη της συγκόλλησης με laser φαίνεται στην Ε2.2.1-1 αφού παραχθεί η δέσμη laser (όπως αναφέρθηκε στις προηγούμενες παραγράφους) στη συνέχεια οδηγείται με την βοήθεια φακών Ε2.2.1-1 Πηγή [22] 10

στο ακροφύσιο όπου πλέον με τον τελικό φακό που βρίσκεται πριν το ακροφύσιο επιτυγχάνεται η κατάλληλη εστίαση της δέσμης. Αδρανή αέρια (He, N, Ar) διοχετεύονται στην περιοχή του κολλήματος τα οποία βοηθάνε στο να αυξηθεί το βάθος διείσδυσης του κολλήματος αλλά και να αδρανοποιηθεί η ατμόσφαιρα γύρο από το κόλλημα. Μια τυπική αναλογία αερίων για laser CO2 όπου τα αδρανή αέρια είναι το N2 και το He είναι CO2 = 4.5%, N2 = 13.5%, He = 82% περίπου [2]. Στην εικόνα Ε2.2.1-2 φαίνεται η περιοχή πλέον της συγκόλλησης υψηλής ισχύος στο υλικό ενώ στην Ε2.2.1-3 της χαμηλής ισχύος διακρίνουμε την περιοχή όπου έχουμε τήξη του υλικού (molten pool), επίσης έχουμε την περιοχή όπου διεισδύει η δέσμη laser μέσα στο υλικό και Ε2.2.1-2 Πηγή [5] Ε2.2.1-3 Πηγή [5] Ε2.2.1-4 Πηγή [5] σχηματίζεται στιγμιαία μία κοιλότητα (Keyhole). Όσο αφορά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά που πρέπει να ορίσουμε είναι το πλάτος της ζώνης συγκόλλησης (melt zone width), το βάθος διείσδυσης του κολλήματος (penetration depth) και την κατεύθυνση του κολλήματος (welding direction). Μεταλλουργικά μπορούμε να χωρίσουμε την περιοχή του κολλήματος σε ζώνες Ε2.2.1-4, στην ζώνη όπου έχουμε τήξη του υλικού και στη συνέχεια στερεοποίηση (Fusion zone) και στην ζώνη όπου το υλικό επηρεάζεται θερμικά χωρίς να υπάρχει τήξη του υλικού(heat affected zone). Στην περιοχή όπου υπάρχει τήξη λαμβάνουν χώρα διεργασίες στερεοποίησης άρα θα υπάρχει κατευθυνόμενη στερεοποίηση και έντονος αλλοτροπισμός στην δομή ενώ στη θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή θα έχουμε φαινόμενα λόγο διάχυσης ατόμων. Θα γίνει στη συνέχεια εκτενής αναφορά στην μικροδομή των εν λόγω περιοχών. Στην εικόνα Ε2.2.1-5 παρουσιάζονται μερική βασική τρόποι συγκόλλησης με laser καθώς και η ορολογία τους ενώ στην εικόνα Ε2.2.1-6 φαίνονται διάφορα σφάλματα που μπορούν να δημιουργηθούν κατά την διαδικασία της συγκόλλησης. Ε2.2.1-5 Πηγή [5] Ε2.2.1-6 Πηγή [5] 11

2.2.2 Διαφορές των διαφόρων τύπων laser για συγκόλληση. Η δέσμη laser που προκύπτει από το CO2 το οποίο δίνει συνεχές κύμα χρησιμοποιείται ευρέως για συγκόλληση ανοξείδωτων χαλύβων λόγω του ότι δίνει υψηλή πυκνότητα ισχύος, γρήγορη διαδικασία εισόδου της ενέργειας μέσα στο υλικό με αποτέλεσμα να έχουμε μικρή θερμικά επηρεασμένη ζώνη αλλά και μεγάλο βάθος διείσδυσης (υψηλός λόγος βάθους διείσδυσης προς πλάτος συγκόλλησης) [6] 2.2.3 Αδρανή αέρια που χρησιμοποιούνται στην συγκόλληση. Τα αδρανή αέρια είναι επιβεβλημένο να χρησιμοποιούνται στην συγκόλληση με laser για τους ποιο κάτω λόγους: Προστασία από οξειδωτικά στοιχεία (αδρανοποίηση της περιοχής όπου υπάρχει τήξη του μετάλλου) ούτως ώστε να αποφευχθεί η οξείδωση του μετάλλου που είναι είτε σε τήξη είτε σε υψηλή θερμοκρασία. Κατά την πρόσκρουση της δέσμης laser πάνω στο μέταλλο προς συγκόλληση δημιουργείται οπή με πλάσμα η οποία περιβάλλεται από το υγρό μέταλλο, έτσι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα της δέσμης μπορεί να χαθεί. Αντίθετα, χρησιμοποιώντας αέρια τα οποία έχουν υψηλή ενέργεια ιονισμού (He) παίρνουμε ένα πολύ συμμετρικό (ως προς την αξονική του κολλήματος) και βαθύ κόλλημα με τις ίδιες συνθήκες ισχύς, ταχύτητας κολλήματος και εστίασης. Ε2.2.3-1 Πηγή [5] Τα αδρανή αέρια που χρησιμοποιούνται συνήθως στη συγκόλληση όπως αναφέραμε και σε προηγούμενη παράγραφο είναι το He, Ar, N2, CO2. Το αέριο που βρίσκει μεγαλύτερη εφαρμογή είναι το Ar λόγο χαμηλού κόστους και καλών αποτελεσμάτων, ενώ το He είναι για πιο εξειδικευμένες εφαρμογές όπως συγκόλληση Al, Ti (λόγο πιο υψηλού κόστους) αλλά δίνει καλύτερα αποτελέσματα εικόνα Ε2.2.3-1 σε βάθος διείσδυσης και γεωμετρία του κολλήματος, μερικές φορές μπορεί να χρησιμοποιηθεί μίγμα των δύο αερίων όπως την συγκόλληση ωστενιτικών ανοξείδωτων χαλύβων για να αποφθεχθεί πορώδες στις χαμηλές ταχύτητες συγκόλληση σης [5]. Αναφορές στην βιβλιογραφία γίνονται για χρήση Ar στην περιοχή συγκόλλησης ανοξείδωτου χάλυβα με παροχή 15-30 L/min (με βέλτιστη τα 30 L/min) ενώ για He είναι 15-22 L/min [6]. Στην βιβλιογραφική αναφορά [8] όπου μελετάται η συγκόλληση με laser CO2 σε χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης γίνεται χρήση Ar με παροχή 5 L/min. 12

2.2.4 Βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης (penetration depth). Η πυκνότητα ισχύος καθορίζει κατά κύριο λόγο το βάθος διείσδυσης [5] γιατί το ζητούμενο δεν είναι η ισχύς του laser άλλα η πυκνότητα ισχύος στην διάμετρο εστίασης (d) που είναι και η περιοχή όπου έρχεται σε επαφή η ενέργεια του laser με το υλικό προς συγκόλλησης. Η ενέργεια αυτή μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια λόγο του ότι υπερτερεί κατά πολύ από το ποσό που μπορεί να άγει το υλικό (να απομακρύνει από την περιοχή στην μονάδα του χρόνου) έτσι στη συνέχεια η θερμοκρασία που αναπτύσσεται ξεπερνά το σημείο τήξης του υλικού. Στην εικόνα Ε2.2.4-1 δίνεται η συμπεριφορά του βάθους διείσδυσης σε σχέση με την ισχύ του laser για μέθοδο Nd: YAG όπως στην εικόνα Ε2.2.4-2 δίδεται για την ίδια μέθοδο το βάθος διείσδυσης σε σχέση με την ταχύτητα συγκόλλησης σε χάλυβα χαμηλή κραμάτωσης σύμφωνα με την βιβλιογραφική πηγή [5] Ε2.2.4-1 Πηγή [5] Ε2.2.4-2 Πηγή [5] Στην εικόνα Ε2.2.4-3 δίνεται η συμπεριφορά του βάθους διείσδυσης σε σχέση με την ισχύ του laser με σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3m/min και σημείο εστίασης Dd=0mm για μέθοδο CO2 για συγκόλληση ανοξείδωτου χάλυβα τύπου 304L και 316L σύμφωνα με την βιβλιογραφική πηγή [6]. Αυτό που αξίζει να σημειωθεί εδώ είναι ότι υπάρχει μεγάλη κλίση στην καμπύλη από ισχύ 2 έως 3 KW ενώ στην συνέχεια αυξάνοντας την ισχύ δεν παρατηρείται σημαντική αλλαγή στο βάθος διείσδυσης. Επίσης αναφέρεται στην πηγή αυτή ότι στην συγκόλληση με ισχύ 4KW για ταχύτητα 3m/min δεν εντοπίστηκαν ρωγμές ούτε πόροι συρρίκνωση εικόνα Ε2.2.4-4. Ε2.2.4-3 Πηγή [6] Ε2.2.4-4 Πηγή [6] 13

Στην εικόνα Ε2.2.4-5 βλέπουμε την καμπύλη του λόγου βάθος προς πλάτος συγκόλλησης με μεταβολή τώρα της ταχύτητας συγκόλλησης κρατώντας σταθερή την ισχύ 4KW και το σημείο εστίασης Dd=0mm, πάλι για ανοξείδωτο χάλυβα 304L και 316L σύμφωνα με την πηγή [6]. Εδώ παρατηρούμαι ότι η συμπεριφορά του λόγου βάθος προς πλάτος συγκόλλησης είναι σχεδόν γραμμική από 0,5 έως 2,5 m/min και στη συνέχεια παρατηρείται σημείο καμπής αυξάνοντας περεταίρω την ταχύτητα συγκόλλησης. Ε2.2.4-5 Πηγή [6] Ε2.2.4-6 Πηγή [6] Στην εικόνα Ε2.2.4-6 βλέπουμε την επίδραση που έχει το σημείο εστίασης της δέσμης κρατώντας σταθερή την ισχύ σε 2KW και την ταχύτητα σε 3m/min για μέθοδο CO2 για συγκόλληση ανοξείδωτου χάλυβα τύπου 304L και 316L σύμφωνα με την πηγή [6]. Παρατηρούμε ότι το μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης εμφανίζεται σε εστίαση από 0 έως -0,5mm. Από 3 δοκίμια που έγινε μεταλλογραφία βάση την πηγή [6] τα οποία έγινε εστίαση στο -3mm, 0 mm και +2 mm φαίνεται στην εικόνα Ε2.2.4-7 η μορφή του κολλήματος. Εστίαση -3mm Εστίαση +2 mm Εστίαση 0 mm Ε2.2.4-7 Πηγή [6] 14

Στην βιβλιογραφική αναφορά [8] γίνεται μια μελέτη πειραματική σε χάλυβα χαμηλής κραμάτωσης (πάχους 5mm) σε συγκόλληση με CO2. Τα βασικά αποτελέσματα φαίνονται στις εικόνες Ε2.2.4-8 εως Ε2.2.4-10. Το σημαντικό σε αυτήν την έρευνα είναι ότι τα αποτελέσματα από τους υπολογισμούς με την μέθοδο response surface methodology (RSM) είναι πολύ κοντά στα πειραματικά (~5% απόκλιση). Εστίαση -1.25mm Εστίαση 0mm Ε2.2.4-8 Πηγή [8] Ε2.2.4-9 Πηγή [8] Εστίαση -2.5mm Ε2.2.4-10 Πηγή [8] Τα βασικά σημεία που πρέπει να καταγράψουμε από αυτήν την εργασία [8] είναι : O Box-Behnken σχεδιασμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανάπτυξη μαθηματικών μοντέλων για υπολογισμό των παραμέτρων συγκόλλησης με καλή ακρίβεια. Η ενέργεια που εστιάζεται στην δέσμη (Heat input) παίζει τον καθοριστικότερο ρόλο για τις συνθήκες του κολλήματος (το είδαμε και σε άλλες έρευνες). Όταν η εστίαση (F<0) δηλ μπαίνει στο μέταλλο το βάθος διείσδυσης μειώνεται σημαντικά ενώ το πλάτος του κολλήματος αυξάνεται. 15

2.2.5 Μεταλλουργικά φαινόμενα στην περιοχή της συγκόλλησης. Στους ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες οι οποίοι χρησιμοποιούνται ευρέως σε κατασκευές τα κύρια χαρακτηριστικά είναι : Υψηλοί συντελεστές θερμικής αγωγιμότητας και διαστολής με αποτέλεσμα να υπάρχουν μεγάλες στρεβλώσεις λόγω θερμικών τάσεων (σε σύγκριση με φεριτικούς ανοξείδωτους χάλυβες) [6]. Υψηλή πιθανότητα εμφάνισης θερμορογμών λόγο υψηλών τάσεων [6]. Εμφανίζεται ευαισθητοποίηση η οποία συμβαίνει μεταξύ των θερμοκρασιών 482-760 ºC κατά την διάρκεια της ψύξης [6]. Το μεταλλουργικό αυτό φαινόμενο είναι ότι Cr το οποίο είναι διαλυμένο μέσα στους κόκκους του ωστενίτη ενώνεται με τον C και σχηματίζει καρβίδια του Cr τα οποία καθιζάνουν στα όρια των κόκκων, με αποτέλεσα να μένουν φτωχή σε Cr οι κόκκοι και να εμφανίζεται διάβρωση είτε λόγο μειωμένο προστατευτικού φιλμ είτε γαλβανική διάβρωση μεταξύ του κέντρου του κόκκου και των ορίων του κόκκου. Σε μελέτη που έγινε για συγκόλληση ωστενιτικού ανοξείδωτου χάλυβα τύπου 304L με ισχύ 4KW και δυο διαφορετικές ταχύτητας 1m/min και 3m/min με όλες τις άλλες παραμέτρους σταθερές τα αποτελέσματα της δομής της περιοχής συγκόλλησης φαίνονται στις εικόνες Ε2.2.5-1,2. Στην εικόνα Ε2.2.5-1 η ταχύτητα του κολλήματος ήταν 3m/min ενώ στην εικόνα Ε2.2.5-2 η ταχύτητα ήταν 1m/min. Αυτό που παρατηρείται αρχικά είναι η κατευθυνόμενη στερεοποίηση προς το κέντρο του άξονα συμμετρίας και στις δυο περιπτώσεις, ενώ η διαφοροποίηση είναι ότι το μέγεθος των δενδρίτων είναι μικρότερο στην μεγάλη ταχύτητα σε σχέση με την μικρή βάση της βιβλιογραφικής αναφορά [6]. Ε2.2.5-1 Πηγή [6] Ε2.2.5-2 Πηγή [6] Όσον αφορά τη δομή βάση την βιβλιογραφική αναφορά [6] για όσα δοκίμια εξετάστηκαν η δομή είναι ωστενίτης με μικρά ποσοστά δ-φερίτη 2-3% στα όρια των δενδριτών. Χρήσιμο διάγραμμα για τους ανοξείδωτους χάλυβες όσο αφορά την δομή σε σχέση με τα ισοδύναμα του Ni και του Cr είναι το διάγραμμα του Schaeffle Ε2.2.5-3. 16

Σημαντικό διάγραμμα για τους ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες είναι το διάγραμμα του Suutala Ε2.2.5-4 το οποίο ανάλογα με το ποσοστό του S,P και σε σχέση τον λόγο του ισοδύναμου Cr eq / Ni eq αποτυπώνει εάν υπάρχει κίνδυνος για εμφάνιση ρωγμών. Από αυτό το διάγραμμα το συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι για να αποφευχθεί η πιθανότητα εμφάνισης ρωγμών κατά την συγκόλληση θα πρέπει ο λόγος Cr eq / Ni eq να είναι μεγαλύτερος από 1,5 και το υλικό να έχει χαμηλά ποσοστά P και S P+S < ~ 0,08%. Ε2.2.5-3 [http://courseware.mech.ntua.gr/ml26012/mathimata/biomixanika%20kramata%20xalibes.pdf] Πηγή Ε2.2.5-4 Πηγή [10] Σχετικά με τις μηχανικές ιδιότητες σύμφωνα με την βιβλιογραφική πηγή [6] αλλά και [7] δεν επηρεάζονται σημαντικά μετά την συγκόλληση για ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες. Συγκεκριμένα για την σκληρότητα οι τιμές αποτυπώνονται στην εικόνα Ε2.2.5-5. Ε2.2.5-5 Πηγή [6] Αυτό που παρατηρείται είναι ότι η πιο υψηλή σκληρότητα μετριέται στην θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη (HAZ) ενώ η χαμηλότερη στο μητρικό υλικό αλλά μεταξύ τους είναι πολύ μικρή η διαφορά. 17

Μαθηματικές σχέσεις έχουν αναπτυχθεί για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών της δομής: Απόσταση μεταξύ των κλάδων των δενδριτών (λ σε μm) ανάλογα με τον ρυθμό ψύξης από τους Fleming και Co-workers [9]. όπου ε = ρυθμός ψύξης (Κ/s), α,n1,n2 είναι σταθερές του υλικού. Ρυθμός στερεοποίησης (V σε cm/s) [9] όπου θ = γωνία μεταξύ της επιφάνειας υγρού-στερεού σε σχέση με την δέσμη laser. Αριθμός Peclet (Pt Αδιάστατος) [9] όπου r = ακτίνα της δέσμης, α= 4Χ10-² (cm²/s)(για 304L), V= ρυθμός στερεοποίησης. Θερμοκρασιακό gradient (G σε Κ/cm) [9]. όπου ε = ρυθμός ψύξης (Κ/s), V= ρυθμός στερεοποίησης(cm/s). Στον πίνακα Π2.2.5-1 παρουσιάζονται μερικά αποτελέσματα για συγκόλληση ανοξείδωτης λαμαρίνας (τύπου 304L) πάχους 14mm. Π2.2.5-1 Πηγή [9] Αυτό που συμπεραίνεται από τις πάνω σχέσεις και υπολογισμούς είναι ότι όσο αυξάνει ο ρυθμός ψύξης τόσο αυξάνει και η ταχύτητα στερεοποίησης και έτσι εμφανίζεται πιο λεπτόκοκκη η δομή. Π2.2.5-2 Πηγή [9] Στον πίνακα Π2.2.5-2 παρουσιάζονται οι ταχύτητες (V) και η απόσταση μεταξύ των κλάδων των δενδριτών (λ) για ανοξείδωτες λαμαρίνες τύπου 304L αλλά για δυο διαφορετικά πάχη 7mm και 14 mm που πάρθηκε από την βιβλιογραφική πηγή [9]. 18

3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ. Πιο κάτω θα γίνει μια ανάλυση της μεθοδολογίας που θα χρησιμοποιηθεί σε αυτήν την εργασία. Αρχικά γίνεται μία αναλυτική περιγραφή της διάταξης που θα χρησιμοποιηθεί για τα πειράματα. Αναφέρονται ποιοι παράμετροι θα επιλεγούν να είναι σταθεροί κατά τις δοκιμές, αλλά και ποιοι παράμετροι θα μελετηθούν (μεταβλητές). Στη συνέχεια περιγράφεται ο τρόπος με τον οποίο θα γίνουν τα πειράματα και στη συνέχεια θα κοπούν τα δοκίμια που θα παρθούν για εξέταση. Αφού γίνουν αυτά τότε γίνεται περιγραφή των μεθόδων και των διατάξεων που θα χρησιμοποιηθούν για τον χαρακτηρισμό των δοκιμίων. 3.1 Περιγραφή και σχεδιασμός των πειραμάτων. Τοποθετούνται τα δυο φύλλα ανοξείδωτης λαμαρίνας το ένα πάνω στο άλλο όπως φαίνεται στη εικόνα Ε3.1-1, το κάτω φύλλο είναι πάχους 2mm και το πάνω φύλλο πάχους 1mm. Στη συνέχεια τοποθετούνται τα δυο φύλλα μαζί στο τραπέζι του συγκολλητικού εικόνα Ε3.1-2 και πιάνονται με δυο σφικτήρες από την μία μεριά. Η συγκόλληση που θα γίνει θα είναι γραμμική και κυκλική εικόνα Ε3.1-5 και Ε3.1-6. Ε3.1-1 Ε3.1-2 Το δείγμα που θα γίνει κόλλημα έχει διαστάσεις 1000 Χ 350 mm. Στη συνέχεια προγραμματίζονται οι συνθήκες στην οθόνη του μηχανήματος (ισχύς, ταχύτητα συγκόλλησης, εστίαση δέσμης, παροχή αδρανούς αερίου, πίεση κεφαλής κ.α). Αφού γίνουν οι ρυθμίσεις τότε ξεκινάει η συγκόλληση. Ε3.1-3 Ε3.1-4 19

Το αποτέλεσμα που προκύπτει μετά την συγκόλληση φαίνεται στην εικόνα Ε3.1-5 και Ε3.1-6 όπου πλέον έχουμε την κυκλική συγκόλληση οι οποία είναι διαμέτρου 10mm στο εσωτερικό της λαμαρίνας και έχουμε και την γραμμική συγκόλληση που είναι στην εξωτερική περιφέρεια. Ε3.1-5 Κυκλική συγκόλληση Ε3.1-6 Γραμμική συγκόλληση Σε δυο οπές που έχει η πάνω λαμαρίνα συγκολλούνται τα σωληνάκια που φαίνονται στην εικόνα Ε3.1-6 ούτως ώστε να γίνει στη συνέχεια η δοκιμή πίεσης. Η χημική σύσταση του υλικού των λαμαρινών φαίνεται στον πίνακα Π3.1-1 η τυποποίηση του υλικού είναι 304 με αριθμό υλικού 1.4307 Πίνακας Π3.1-1 Χημική σύσταση λαμαρινών Στοιχείο C% Si% Mn% P% S% Cr% Ni% N% Πάχους 2mm 0,22 0,40 1,47 0,033 0,008 18,1 8,0 0,043 Πάχους 1mm 0,23 0,42 1,38 0,031 0,009 18,2 8,0 0,045 Οι παράμετροι που επηρεάζουν την ποιότητα της συγκολλημένης περιοχής είναι η ισχύς του laser, η ταχύτητα συγκόλλησης, το βάθος εστίασης της δέσμης του laser, το είδος και η παροχή του προστατευτικού (αδρανές) αερίου, η πίεση που ασκεί η κεφαλή του laser πάνω στην λαμαρίνα και η ποιότητα της λαμαρίνας προς συγκόλληση. Για αυτήν την μελέτη επιλέχθησαν οι παρακάτω παράμετροι: Πίεση της κεφαλής του laser 3500 Pa. Βάθος εστίασης της δέσμης του laser -3,5 mm (αφού η λαμαρίνες είναι συνολικού πάχους 3mm (1+2mm) σημαίνει ότι το βάθος εστίασης είναι -0,5mm). Προστατευτικό αέριο He και η παροχή 18lt/min. Η ποιότητα των φύλλων λαμαρίνας όπου όλα τα πειράματα έγιναν από ένα φύλλο λαμαρίνας για να εξασφαλίσουμε τη σταθερότητα του μητρικού υλικού και η χημική του σύσταση δίνεται στον πινάκα Π3.1-1. Οι παράμετροι οι οποίοι θα αλλάζουν και είναι αυτοί οι οποίο θα μελετηθούν αναφέρονται στον Πίνακα Π3.1-2. Αυτό που μας ενδιαφέρει στα πλαίσια αυτής της εργασίας είναι να κατανοήσουμε το πώς επηρεάζει η ισχύς του laser και η ταχύτητα συγκόλλησης την δομή του υλικού αλλά και τις μηχανικές ιδιότητες. 20

Πίνακας Π3.1-2. Α/α Δοκιμής Μεταβλητοί παράμετροι δοκιμών Ισχύς Laser [w] Ταχύτητα συγκόλλησης mm/min 1 2400 3600 2 2600 3600 3 2900 3600 4 2400 2800 5 2600 3200 6 2900 3800 Η εξέταση θα γίνεται μόνο στις κυκλικές συγκολλήσεις γιατί είναι αυτές οι οποίες καθορίζουν τα κενά όπου διαμορφώνεται ο εξατμιστής των εναλλακτών θερμότητας. Μειώνοντας την απόσταση μεταξύ τους μειώνεται το διάκενο όπου κυκλοφορεί το ψυκτικό υγρό ή το θερμαινόμενο μέσο. Έτσι και ο όγκος του εξατμιστή και ανάποδα όσο αυξάνεται η απόσταση μεταξύ τους,τόσο μεγαλύτερο όγκο θα έχει για να κινηθεί το ψυκτικό υγρό μέσα στον εξατμιστή. Καταλαβαίνουμε ότι είναι πολύ σημαντικό να κατανοηθούν οι μηχανισμοί που οδηγούν στα βέλτιστα αποτελέσματα. Οι δοκιμές έγιναν όλες την ίδια μέρα ούτως ώστε να εξασφαλιστεί η σταθερότητα των συνθηκών. 3.2 Δοκίμια που πάρθηκαν για εξέταση. Στη συνέχεια θα γίνει περιγραφή της μεθοδολογίας όπου καθορίζεται από ποιες περιοχές θα αφαιρεθούν τα δοκίμια όπου θα γίνει ο χαρακτηρισμός των συγκολλημένων περιοχών (όσο αφορά την δομή). Για την δοκιμή πίεσης παίρνουμε όλο το δοκίμιο όπως βγαίνει από το συγκολλητικό. Τα δοκίμια που θα δοκιμαστούν σε θραύση βρίσκονται στην άκρη του κάθε δείγματος και υπάρχουν 2 δοκίμια σε κάθε δείγμα εικόνα Ε3.2-1, τα δοκίμια αφαιρούνται πριν γίνει η δοκιμή σε πίεση αφού βρίσκονται στις δυο άκρες του δείγματος. Δοκίμιο για δοκιμή θραύσης Ε3.2-1 Τα δοκίμια θραύσης έχουν μόνο μια κυκλική συγκόλληση στο κέντρο ούτως ώστε να γίνει μέτρηση της αντοχής σε θραύση μίας μεμονωμένης κυκλικής συγκόλλησης (μοναδιαίας). Η δοκιμή σε πίεση είναι συνολική για όλο το δείγμα και η αστοχία επέρχεται σε διαφορετική συγκολλημένη περιοχή κάθε φορά. Έτσι κρίθηκε σκόπιμο να εντάξουμε στην μελέτη αυτή και τις δυο δοκιμές. 21

Οι περιοχές που επιλέγονται να αφαιρούνται δοκίμια για να εξεταστούν σε μεταλλογραφία, μικροσκληρομέτρηση και SEM φαίνονται στην εικόνα Ε3.2-2 Συγκόλληση που θα γίνει η εξέταση της δομής Ε3.2-2 Αρχικά γίνεται η αφαίρεση της μεγάλης περιοχής (ορθογώνιου σχήματος) με την βοήθεια ενός τροχού κοπής, στη συνέχεια με αργή κοπή και με ψύξη (για να μην επηρεαστεί θερμικά το υλικό) αφαιρείται η κυκλική συγκολλημένη περιοχή. Σε όλα τα δείγματα αφαιρείται η κυκλική συγκόλληση από την ίδια περιοχή ούτως ώστε να έχουμε όσο το δυνατό πιο σταθερά αποτελέσματα. Έχει επιλεγεί αυτή η περιοχή η οποία είναι στο κέντρο του δείγματος γιατί στην δοκιμή πίεσης δεν υπάρχει ποτέ αστοχία σε αυτήν. Από κάθε δείγμα αφαιρείται με τον ίδιο τρόπο και ένα δεύτερο δείγμα αλλά από την περιοχή πλέον που αστόχησε στην δοκιμή πίεσης. Άρα έχουμε δυο δοκίμια προς εξέταση για κάθε δείγμα, δηλαδή συνολικά δώδεκα δοκίμια αφού έγιναν έξι διαφορετικές δοκιμές. Τα δοκίμια στη συνέχεια κόβονται στη μέση της συγκόλλησης, κάθετα ούτως ώστε να μπορούμε να δούμε το βάθος και το πλάτος της συγκόλλησης. Τα δοκίμια αυτά στη συνέχεια εγκιβωτίζονται για να μπορέσει να γίνει η περεταίρω επεξεργασία τους,εικόνα Ε3.2-3 Κυκλική συγκόλληση σε τομή Κυκλική συγκόλληση σε τομή που αστόχησε στην δοκιμή πίεσης Ε3.2-3 22

3.3 Μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για των χαρακτηρισμό των δοκιμίων. Σε αυτήν την ενότητα θα αναφερθούμε στις μεθόδους και τα εργαλεία χαρακτηρισμού των πάνω δοκιμίων που πάρθηκαν από τα δείγματα. Θα αναφερθούμε στα βασικά σημεία της κάθε μεθόδου που χρησιμοποιήθηκαν για των χαρακτηρισμό των δοκιμίων της παρούσας εργασίας. 3.3.1 Έλεγχος για επιφανειακά σφάλματα με διεισδυτικά υγρά. Τα βήματα της μεθοδολογίας που ακολουθήθηκαν για τον χαρακτηρισμό με διεισδυτικά υγρά είναι: Καθαρισμός της επιφάνειας ελέγχου με συρμάτινη βούρτσα και εφαρμογή καθαριστικών (removers) με ψεκασμό στην επιφάνεια. Εφαρμογή με ψεκασμό στην επιφάνεια των δειγμάτων του διεισδύτη (penetrants) (κόκκινο υγρό που διεισδύει μέσα σε πόρους ρωγμές ) Ε4.1-1. Παραμονή του διεισδύτη στην επιφάνεια γα 10 λεπτά. Πλύσιμο της επιφάνειας με νερό και φυσικό στέγνωμα. Εφαρμογή με ψεκασμό στην επιφάνεια των δειγμάτων του εμφανιστή (developers). Μετά από 10 λεπτά γίνεται η διαστασιολόγηση και η αξιολόγηση των ενδείξεων Ε4.1-2 3.3.2 Δοκιμές πίεσης. Τα βήματα της μεθοδολογίας που ακολουθήθηκαν για την δοκιμή σε πίεση είναι : Συγκόλληση 2 σωλήνων στη πάνω λαμαρίνα του δείγματός όπου από εκεί στον ένα σωλήνα θα είναι η είσοδος του λαδιού και στον άλλο σωλήνα θα είναι η έξοδος του αέρα Ε4.1-2. Τοποθέτηση του δείγματος στο δοκιμαστήριο πίεσης. Αύξηση της υδραυλικής πίεσης μέχρι να αστοχήσει το δείγμα. Καταγραφή της τιμής της πίεσης που αστόχησε το δείγμα. Καταγραφή της περιοχής όπου έγινε η αστοχία. 3.3.3 Δοκιμές θραύσης. Η δοκιμή σε θραύση μιας μεμονωμένης κυκλικής συγκόλλησης έγινε σε δυο δοκίμια για κάθε δείγμα. Τα δοκίμια είναι στις δυο άκρες του δείγματος προς συγκόλληση Ε3.3.3-1 και Ε3.2-1 Κυκλική συγκόλληση όπου θα δοκιμαστεί έως την θραύση Ε3.3.3-1 Δοκίμια θράυσης 23

Αφού γίνει η συγκόλληση τότε αποκόπτονται τα δοκίμια. Η πάνω λαμαρίνα πάχους 1mm γίνεται η μία πλευρά όπου θα συγκρατηθεί στη μηχανή εφελκυσμού και η κάτω λαμαρίνα πάχους 2mm αντίστοιχα θα είναι η άλλη μεριά που θα συγκρατηθεί στη μηχανή εφελκυσμού Ε4.3-1. Η μηχανή όπου θα γίνει η δοκιμή ανήκει σε ανεξάρτητο πιστοποιημένο εργαστήριο και είναι διακριβωμένη όσο αφορά την ακρίβεια της μέτρησης. Αυτό που μας ενδιαφέρει όσο αφορά την μέτρηση είναι η αντοχή μέχρι την θραύση μιας κυκλική συγκόλλησης με την συγκεκριμένη μορφή. Αυτό είναι πρακτικά πολύ σημαντικό γιατί στην λειτουργία (εφαρμογή) η καταπόνηση που επιδέχεται ο εξατμιστής είναι στην ίδια κατεύθυνση με τον τρόπο που γίνεται και η εν λόγο δοκιμή. 3.3.4 Μεταλλογραφικός έλεγχος. Τα βήματα της μεθοδολογίας που ακολουθήθηκαν για την μεταλλογραφία είναι : Κοπή των δοκιμίων με πριονοκορδέλα με χρήση ψυκτικού μέσου (αργή κοπή). Εγκιβωτισμός των δοκιμίων Ε3.2-3. Λείανση της επιφάνειας των δοκιμίων (χρήση γυαλόχαρτων διαβάθμισης από 200 έως 1200). Στίλβωση της επιφάνειας των δοκιμίων (χρήση κόκκους αλουμίνας 1-3 μm). Χημική προσβολή της επιφάνειας με το αντιδραστήριο -> 10ml HNO3 / 30ml HCl / 30ml clycerol. Χρόνος προσβολής 60-80 δευτερόλεπτα. Παρατήρηση της δομής στο οπτικό μικροσκόπιο OLYMPUS BX60 (του Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας) σε μεγέθυνση Χ50 έως Χ1000. 3.3.5 Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης. Στην ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης χρησιμοποιήθηκαν τα ίδια δοκίμια που ετοιμάστηκαν για την μεταλλογραφία. Η μόνη επιπλέον εργασία που έγινε στα δοκίμια ήταν η ηλεκτρική τους γείωση (λόγο του ότι ήταν εγκιβωτισμένα με πολυμερικό υλικό κακό αγωγό του ηλεκτρισμού τα δοκίμια). Έγινε παρατήρηση της δομής σε μεγέθυνση έως και Χ 5000 αλλά και χημική ανάλυση σε διαφορετικότητες μέσα στην δομή. Χρησιμοποιήθηκε το SEM τύπου 20 KV JEOL, 840A του Τμήματος Φυσικού ΑΠΘ, Τομέα στερεάς κατάστασης. 3.3.6 Μικροσκληρομέτρηση. Στην μικροσκληρομέτρηση χρησιμοποιήθηκαν τα ίδια δοκίμια που ετοιμάστηκαν για την μεταλλογραφία και χρησιμοποιήθηκε το μικροσκληρόμετρο τύπου SHIMADZU του Εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ. Η μικροσκληρομέτρηση έγινε στην κλίμακα Vickers και χρησιμοποιήθηκε βάρος 200gr για να δίνει ένα αποτύπωμα ~d=30-40μm στην δομή. Αφού έγινε η μέτρηση στο μικροσκληρόμετρο στη συνέχεια τοποθετήθηκαν τα δοκίμια στο οπτικό μικροσκόπιο και εκεί έγινε η μέτρηση της διαγωνίου του αποτυπώματος της μικροσκληρομέτρησης (d σε μm). Στη συνέχεια από πίνακα έγινε αντιστοίχιση του μήκους της ένδειξης (για βάρος 200gr) για να προκύψει η σκληρότητα σε Vickers σε τιμή HV. 24

4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ. Πιο κάτω θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα που έχουν προκύψει από τις δοκιμές και των χαρακτηρισμό των δοκιμίων. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σε διαγράμματα, πίνακες, φωτογραφίες. Τα μέσα που χρησιμοποιήθηκαν για την συλλογή των αποτελεσμάτων είναι το δοκιμαστήριο σε πίεση της εταιρείας Milkplan, η μηχανή εφελκυσμού της εταιρείας ΓΕΤΕ όπου είναι πιστοποιημένο ανεξάρτητο εργαστήριων δοκιμών, το οπτικό μικροσκόπιο και το μικροσκληρόμετρο του εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας, το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) του τμήματος Φυσικού ΑΠΘ. 4.1 Αποτελέσματα διεισδυτικών υγρών Από τα δείγματα (crash test) τα οποία συγκολλήθηκαν με τις συνθήκες που αναφέρθηκαν πάνω έγινε έλεγχος 100% για εντοπισμό επιφανειακών σφαλμάτων. Ο έλεγχος αυτός επιβαλλόταν ούτως ώστε να μας είναι ξεκάθαρο ότι οι αστοχίες στη συνέχεια δεν προέρχονται από επιφανειακά σφάλματα. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε ήταν με διεισδυτικά υγρά (Εικόνα E4.1-1 ). Ε4.1-1 Εφαρμογή Διεισδυτικού υγρού Και στα έξι δείγματα τα αποτελέσματα ήταν άριστα δηλαδή δεν παρουσιάστηκε κανένα επιφανειακό σφάλμα (Εικόνα E4.1-2). Ε4.1-2 Αποτελέσματα 25

Ταχύτητα συγκόλλησης [mm/min] Ισχυς laser [W] 4. 2 Αποτελέσματα αντοχής σε πίεση. Στα δείγματα μετά τον έλεγχο με διεισδυτικά έγιναν δοκιμές υδραυλικής πίεσης μέχρι την αστοχία τους. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο πίνακα Π4.2-1 σε σχέση και με τις υπόλοιπες μεταβλητές των δοκιμών. Π4.2-1 Αποτελέσματα δοκιμών πίεσης Δοκίμιο Ισχύς laser (w) Ταχύτητα συγκόλλησης Μέγιστη πίεση μέχρι την αστοχία (bar) (mm/min) 1 2400 3600 75 2 2600 3600 81 3 2900 3600 100 4 2400 2800 86 5 2600 3200 85 6 2900 3800 88 Στο διάγραμμα Δ4.2-1 παρουσιάζεται η ισχύς του laser σε σχέση με την αντοχή σε πίεση με την ταχύτητα της συγκόλλησης να είναι σταθερή 3600 (mm/min). 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 70 75 80 85 90 95 100 105 110 Μέγιστη αντοχή σε πίεση [bar] Στο διάγραμμα Δ4.2-2 παρουσιάζεται η ταχύτητα του laser σε σχέση με την αντοχή σε πίεση για 3 διαφορετικές τιμές της ισχύς. 4000 3500 3000 2500 2400 W 2600 W 2900 W 2000 65 75 85 95 105 Μέγιστη αντοχή σε πίεση [bar] 26

Ε4.2-1 Φωτογραφίες των περιοχών όπου έχει αστοχήσει το κάθε δοκίμιο κατά την δοκιμή σε πίεση Δοκιμή 1 Δοκιμή 2 Δοκιμή 3 Δοκιμή 4 Δοκιμή 5 Δοκιμή 6 27

Ταχύτητα συγκόλλησης [mm/min] Ιαχύς laser [w] 4. 3 Αποτελέσματα αντοχής σε θραύση. Στα δείγματα μετά τον έλεγχο με διεισδυτικά και πίεση έγιναν δοκιμές αντοχής έως την θραύση. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στο πίνακα Π4.3-1 σε σχέση και με τις υπόλοιπες μεταβλητές των δοκιμών. Π4.3-1 Αποτελέσματα δοκιμών τη αντοχής μέχρι την θραύση Δοκίμιο Ισχύς laser (w) Ταχύτητα συγκόλλησης (mm/min) Μέγιστη αντοχή μέχρι την αστοχία δοκίμιο Α (Kg) Μέγιστη αντοχή μέχρι την αστοχία δοκίμιο Β (Kg) Μέγιστη αντοχή μέχρι την αστοχία μέσος όρος (Kg) 1 2400 3600 300 340 320 2 2600 3600 400 410 405 3 2900 3600 420 470 445 4 2400 2800 380 420 400 5 2600 3200 380 450 415 6 2900 3800 430 480 455 Στο διάγραμμα Δ4.3-1 παρουσιάζεται η ισχύς του laser σε σχέση με την αντοχή σε θραύση, με την ταχύτητα της συγκόλλησης να είναι σταθερή 3600 (mm/min). 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 280 330 380 430 480 Αντοχή μέχρι την αστοχία [Kg] Στο διάγραμμα Δ4.3-2 παρουσιάζεται η ταχύτητα του laser σε σχέση με την αντοχή σε θραύση για 3 διαφορετικές τιμές της ισχύς. 4000 3500 3000 2500 2400 W 2600 W 2900 W 2000 280 330 380 430 480 Μέγιστη αντοχή εώς την θραύση [Kg] 28

Ε4.3-1 Πιο κάτω είναι φωτογραφίες όπου φαίνεται μακροσκοπικά η επιφάνεια θραύσης. 1. Δοκίμιο πριν την δοκιμή. 2. Δοκίμιο μετά την αστοχία. 3. Δοκίμιο μετά την αστοχία όπου διακρίνεται η επιφάνεια θραύσης. Όλα τα δοκίμια αστόχησαν με τον ίδιο τρόπο όπως φαίνεται στις πάνω φωτογραφίες, συγκεκριμένα αστοχούσε το υλικό της συγκόλλησης ενώ οι λαμαρίνες έπαιρναν την μορφή που φαίνεται στις φωτογραφίες. 29

4.4 Αποτελέσματα μεταλλογραφίας Έγινε μεταλλογραφία σε δυο κυκλικές συγκολλήσεις από κάθε δείγμα (παράγραφο 3.2). Η μεταλλογραφία επικεντρώνεται σε τρία επίπεδα πάντα σε σχέση με τις μεταβλητές παραμέτρους την ισχύ του laser και την ταχύτητα της συγκόλλησης: Μελέτη των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της συγκόλλησης ( βάθος διείσδυσης και πλάτος στην διεπιφάνεια) και των σφαλμάτων που παρουσιάζονται στις εν λόγω περιοχές. Μελέτη του μηχανισμού και της γεωμετρίας των συγκολλημένων περιοχών που αστόχησαν κατά την δοκιμή πίεσης. Μελέτη της δομής και των μηχανισμών που επηρεάζουν την δομή του υλικού στις περιοχές όπου επηρεάζονται θερμικά από την συγκόλληση. Είναι πολύ σημαντικό να αναφερθεί ότι η εξέταση της δομής έγινε μετά από πλαστική παραμόρφωση (δοκιμή σε πίεση) όπου δεν υπάρχει στην βιβλιογραφία παρόμοια μελέτη. 4.4.1 Αποτελέσματα των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της συγκόλλησης. Μετρήθηκε το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης στη κάτω λαμαρίνα και το πλάτος του στην διεπιφάνεια της πάνω λαμαρίνας (πάχους 1mm) με την κάτω λαμαρίνα (πάχους 2mm) για κάθε κυκλική συγκόλληση σε 2 σημεία αντιδιαμετρικά(βλέπε πειραματική διαδικασία). Οι μετρήσεις έγιναν σε δυο σημεία στο ίδιο κόλλημα για να διαπιστωθεί η σταθερότητα των συνθηκών. Στον πίνακα Π4.4.1-1 καταγράφονται όλες οι μετρήσεις αλλά και ο μέσος όρος τους ο οποίος χρησιμοποιείται στην συνέχεια για την γραφική απεικόνιση των αποτελεσμάτων σε σχέση με τις μεταβλητές παραμέτρους (ισχύς του laser και ταχύτητα συγκόλλησης). Π4.4.1-1 Δοκίμιο Ισχύς laser (w) Ταχύτητα συγκόλλησης (mm/min) Αποτελέσματα των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της συγκόλλησης Βάθος στο σημείο 1 (mm) Βάθος στο σημείο 2 (mm) Μέσος όρος βάθους (mm) Πλάτος στο σημείο 1 (mm) Πλάτος στο σημείο 2 (mm) Μέσος όρος πλάτους (mm) Λόγος βάθους προς πλάτος 1 2400 3600 1,01 0,985 0,9975 0,358 0,337 0,3475 2,87 2 2600 3600 1,26 1,25 1,255 0,458 0,448 0,453 2,77 3 2900 3600 1,3 1,3 1,3 0,632 0,73 0,681 1,90 4 2400 2800 1,03 1,2 1,115 0,429 0,424 0,4265 2,61 5 2600 3200 1,29 1,13 1,21 0,424 0,404 0,414 2,92 6 2900 3800 0,807 0,807 0,807 0,549 0,5 0,5245 1,53 Στις εικόνες που θα ακολουθήσουν πλευρά Α και πλευρά Β είναι σε μία κυκλική συγκόλληση σε τομή τα 2 αντιδιαμετρικά σημεία 30

Ε4.4.1-1 Δοκίμιο 1 (Μεγέθυνση Χ 50) Βάθος διείσδυσης πλευράς Α Βάθος διείσδυσης πλευράς Β Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Α Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Β Παρατηρούμε Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και στις δυο πλευρές της συγκόλλησης είναι πολύ κοντινά και σαν βάθος διείσδυσης αλλά και σαν πλάτος. Υπάρχουν πόροι κυκλικού σχήματος πάνω της συγκόλληση μεγέθους 0,1-0,2 mm και συγκεκριμένα τρείς πόροι στη πλευρά (Α) και ένας πόρος στην πλευρά (Β), σύνολο τέσσερις πόροι. Οι πόροι αυτή είναι από εγκλωβισμένο αέρα γιατί έχουν κυκλικό σχήμα αλλά και λεία εσωτερική επιφάνεια. 31

Ε4.4.1-2 Δοκίμιο 2 (Μεγέθυνση Χ 50) Βάθος διείσδυσης πλευράς Α Βάθος διείσδυσης πλευράς Β Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Α Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Β Σημείο διάβρωση Παρατηρούμε Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και στις δυο πλευρές της συγκόλλησης είναι πολύ κοντινά και σαν βάθος διείσδυσης αλλά και σαν πλάτος. Υπάρχουν πόροι κυκλικού σχήματος πάνω της συγκόλληση αλλά πολύ μικρού μεγέθους ~0,05 mm και συγκεκριμένα δυο πόροι στη πλευρά (Α) και ένας πόρος στην πλευρά (Β), σύνολο τρείς πόροι. Οι πόροι αυτή είναι από εγκλωβισμένο αέρα γιατί έχουν κυκλικό σχήμα αλλά και λεία εσωτερική επιφάνεια. Στην πλευρά (Α) υπάρχουν περιοχές όπου έχουν διαβρωθεί περισσότερο από τις υπόλοιπες και βρίσκονται και στο μητρικό υλικό αλλά και πάνω στο κόλλημα. Πιθανόν να προήλθε από πολύ μικρούς πόρους στο υλικό όπου έγινε συγκράτηση περισσότερου διαβρωτικού μέσου κατά την χημική προσβολή. 32

Ε4.4.1-3 Δοκίμιο 3 (Μεγέθυνση Χ 50) Βάθος διείσδυσης πλευράς Α Βάθος διείσδυσης πλευράς Β Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Α Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Β Παρατηρούμε Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά διαφέρουν από τα δοκίμια 1 και 2 αλλά και μεταξύ των δυο πλευρών, στην περιοχή της συγκόλλησης διακρίνουμε δυο και τρείς ζώνες οι οποίες επικαλύπτονται. Δεν υπάρχουν πόροι καθόλου πόροι άνω στην περιοχή της συγκόλλησης αλλά ούτε στο μητρικό υλικό. Έχουμε το μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης αλλά και πλάτος σε σχέση με τα προηγούμενα δυο δοκίμια. 33

Ε4.4.1-4 Δοκίμιο 4 (Μεγέθυνση Χ 50) Βάθος διείσδυσης πλευράς Α Βάθος διείσδυσης πλευράς Β Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Α Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Β Παρατηρούμε Όσον αφορά το πλάτος της συγκόλλησης είναι πολύ κοντά οι δύο τιμές στην πλευρά (Α) και στην πλευρά (Β) αλλά στο βάθος διείσδυσης υπάρχει διαφορά στις δύο πλευρές. Υπάρχουν πόροι κυκλικού σχήματος πάνω της συγκόλληση συγκεκριμένα ένας πολύ μικρός πόρος στη πλευρά (Α) και πέντε πόροι στην πλευρά (Β), σύνολο έξι πόροι. Οι πόροι εντοπίζονται στη ρίζα του κολλήματος και κυρίως στην πλευρά Β όπου είναι και η μεγάλοι πόροι μεγέθους 0,25mm. 34

Ε4.4.1-5 Δοκίμιο 5 (Μεγέθυνση Χ 50) Βάθος διείσδυσης πλευράς Α Βάθος διείσδυσης πλευράς Β Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Α Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Β Παρατηρούμε Σημείο διάβρωση Όσο αφορά το πλάτος της συγκόλλησης είναι πολύ κοντά οι δύο τιμές στην πλευρά (Α) και στην πλευρά (Β). Στο βάθος διείσδυσης υπάρχει διαφορά στις δυο πλευρές. Υπάρχουν περιοχές όπου έχουν διαβρωθεί περισσότερο από τις υπόλοιπες και βρίσκονται και στο μητρικό υλικό αλλά και πάνω της συγκόλληση και στις δυο πλευρές. Πιθανόν να προήλθε από πολύ μικρούς πόρους στο υλικό όπου έγινε συγκράτηση περισσότερου διαβρωτικού μέσου κατά την χημική προσβολή. Υπάρχουν πόροι κυκλικού σχήματος πάνω στην συγκόλληση, συγκεκριμένα ένας πολύ μικρός πόρος στη πλευρά (Α) και δυο πόροι στην πλευρά (Β), σύνολο τρεις πόροι. Οι πόροι εντοπίζονται ένας στη ρίζα της συγκόλλησης της πλευράς (Α), ένας στο κέντρο του της συγκόλλησης στη κάτω λαμαρίνα στην πλευρά (Β) και ένας πάλι στην πλευρά (Β) αλλά στο πάνω μέρος της συγκόλλησης στην πάνω λαμαρίνα. 35

Ε4.4.1-6 Δοκίμιο 6 (Μεγέθυνση Χ 50) Βάθος διείσδυσης πλευράς Α Βάθος διείσδυσης πλευράς Β Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Α Πλάτος συγκόλλησης πλευράς Β Παρατηρούμε Το πλάτος και το βάθος της συγκόλλησης είναι πολύ κοντά η δυο τιμές στην πλευρά (Α) και στην πλευρά (Β). Το βάθος διείσδυσης είναι πολύ μικρό σε σχέση με το πλάτος της συγκόλλησης. Το βάθος διείσδυσης είναι το μικρότερο από όλα τα δοκίμια (υπάρχει περίπτωση να είναι εσφαλμένη η τομή που έγινε στο δοκίμιο για εξέταση γιατί στο αντίστοιχο δοκίμιο που αστόχησε του δείγματος έξι το βάθος διείσδυσης είναι 1,145 mm). Υπάρχουν πόροι κυκλικού σχήματος πάνω στην συγκόλληση, συγκεκριμένα ένας πολύ μικρός πόρος στη πλευρά (Α) και δυο πόροι στην πλευρά (Β), σύνολο τρείς πόροι. Οι πόροι εντοπίζονται ένας στη ρίζα της συγκόλλησης στην πλευρά (Α), ένας στο κέντρο του της συγκόλλησης στη κάτω λαμαρίνα στην πλευρά (Β) και ένας πάλι στην πλευρά (Β) αλλά στο πάνω μέρος της συγκόλλησης στην πάνω λαμαρίνα. 36

Ισχύς laser [W] Ισχύς laser [W] Με βάση τον πίνακα Π4.4.1-1 όπου έχει γίνει σύνοψη των αποτελεσμάτων σχετικά με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της συγκόλλησης προκύπτουν τα επόμενα διαγράμματα: Στο διάγραμμα Δ4.4.1-1 παρουσιάζεται η Ισχύς του laser σε σχέση με το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης στη κάτω λαμαρίνα για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min. 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Βάθος διείσδυσης συγκόλλησης [mm] Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνεται η ισχύς του laser τόσο μεγαλώνει το βάθος διείσδυσης, αρχικά (σε χαμηλή ισχύ) η σχέση είναι περίπου γραμμική με μεγάλη κλίση αλλά όσο αυξάνεται η ισχύς ο ρυθμός αύξησης του βάθους επιβραδύνεται έτσι μειώνεται και η κλίση της καμπύλης. Στο διάγραμμα Δ4.4.1-2 παρουσιάζεται η Ισχύς του laser σε σχέση με το πλάτος της συγκόλλησης στη διεπιφάνεια των 2 λαμαρινών για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min. 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Πλάτος συγκόλλησης στη διεπιφάνεια [mm] Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνεται η ισχύς του laser τόσο μεγαλώνει το πλάτος της συγκόλλησης στην διεπιφάνεια, η σχέση είναι περίπου γραμμική. 37

Ισχύς laser [W] Λόγος βάθους / πλάτος συγκόλλησης Πλάτος συγκόλλησης στην διεπιφάνεια [mm] Στο διάγραμμα Δ4.4.1-3 παρουσιάζεται το βάθος διείσδυσης σε σχέση με το πλάτος της συγκόλλησης στη διεπιφάνεια των 2 λαμαρινών για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min. 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Βάθος διείσδυσης συγκόλλησης [mm] Στο διάγραμμα Δ4.4.1-4 παρουσιάζεται αριστερά η Ισχύς του laser σε σχέση με το λόγο του βάθους προς το πλάτος της συγκόλλησης για σταθερή ταχύτητα συγκόλλησης 3600 mm/min ενώ δεξιά παρουσιάζεται για κάθε δοκίμιο ο λόγος του βάθους προς το πλάτος του κολλήματος. 3000 2900 2800 2700 2600 2500 2400 2300 2200 1,5 2 2,5 3 Λόγος βάθους προς πλάτος συγκόλλησης 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 2 4 6 8 Α/Α Δοκιμή 38

Ταχύτητα συγκόλλησης [mm/min] Ταχύτητα συγκόλλησης [mm/min] Στο διάγραμμα Δ4.4.1-5 παρουσιάζεται η ταχύτητα συγκόλλησης του laser σε σχέση με το βάθος διείσδυσης της συγκόλλησης για τρεις διαφορετικές ισχύς. 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2400 [W] 2600 [W] 2900 [W] 2600 2400 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 Βάθος διείσδυσης συγκόλλησης [mm] Στο διάγραμμα Δ4.4.1-6 παρουσιάζεται η ταχύτητα συγκόλλησης του laser σε σχέση με το πλάτος συγκόλλησης στην διεπιφάνεια για τρείς διαφορετικές ισχύς. 4000 3800 3600 3400 3200 3000 2800 2400 [W] 2600 [W] 2900 [W] 2600 2400 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 Πλάτος συγκόλλησης στη διεπιφάνεια [mm] 39

4.4.2 Μελέτη του μηχανισμού αστοχίας και της γεωμετρίας των συγκολλημένων περιοχών που αστόχησαν κατά την δοκιμή πίεσης. Πιο κάτω θα γίνει μια προσπάθεια να βρεθούν οι μηχανισμοί που οδηγούν στην αστοχία (κατά την δοκιμή σε πίεση) των συγκολλημένων περιοχών. Θα γίνει σύγκριση αρχικά γεωμετρικά με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των αντίστοιχων δοκιμίων που δεν αστόχησαν σε σχέση με αυτών που αστόχησαν,πίνακας Π4.4.2-1 Π4.4.2-1 Δοκίμ ιο Ισχύς laser (w) Ταχύτητα συγκόλληση ς (mm/min) Αποτελέσματα των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της συγκόλλησης που έχουν αστοχήσει κατά την δοκιμή σε πίεση Μέσος όρος βάθους σε περιοχή που δεν αστόχησε (mm) Μέσος όρος βάθους στην περιοχή που αστόχησε (mm) Μέσος όρος πλάτους σε περιοχή που δεν αστόχησε (mm) Μέσος όρος πλάτους στην περιοχή που αστόχησε (mm) 1 2400 3600 0,9975 0,709 0,3475 0,4695 2 2600 3600 1,255 1,26 0,453 0,535 3 2900 3600 1,3 1,375 0,681 0,4405 4 2400 2800 1,115 1,215 0,4265 0,464 5 2600 3200 1,21 1,055 0,414 0,446 6 2900 3800 0,807 1,145 0,5245 0,425 Πέρα από το δοκίμιο 1 όπου το βάθος διείσδυσης στην περιοχή που αστόχησε είναι μειωμένο κατά 0,28mm και το δοκίμιο 5 όπου είναι μειωμένο κατά 0,15 mm σε όλα τα άλλα είναι περίπου ίδιο και σε κάποια και υψηλότερο π.χ δοκίμιο 6. Η ίδια εικόνα ισχύει και για το πλάτος συγκόλλησης στην διεπιφάνεια όπου εκτός από το δοκίμιο 3 και το δοκίμιο 6 σε όλα τα άλλα είναι υψηλότερο στην περιοχή που αστόχησε από ότι στην περιοχή που δεν αστόχησε, διάγραμμα Δ4.4.2-1 Δ4.4.2-1 Διαφορές στο βάθος διείσδυσης και στο πλάτος της συγκόλλησης 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0-0,05-0,1-0,15-0,2-0,25-0,3-0,35-0,4 1 2 3 4 5 6 Διαφορές στο βάθος διείσδυσης [mm] Διαφορές στο πλάτος συγκόλλησης [mm] Συμπεραίνεται από τα παραπάνω ότι η αστοχία της συγκόλλησης δεν οφείλεται σε μειωμένο βάθος διείσδυσης ή σε μειωμένο πλάτος στην διεπιφάνεια αλλά πιθανόν σε άλλα αίτια που θα μελετηθούν στην συνέχεια. Ένα άλλο συμπέρασμα που προκύπτει από τα πάνω είναι ότι το βάθος διείσδυσης και το πλάτος της συγκόλλησης στην διεπιφάνεια έχουν διακύμανση από συγκόλληση σε συγκόλληση, παρόλο που προέρχονται από το ίδιο δείγμα με τις ίδιες συνθήκες συγκόλλησης και ίδιας ποιότητας μητρικό υλικό. Η διακύμανση αυτή στα δοκίμια 2, 4 είναι σχεδόν αμελητέα, στα δοκίμια 3,5 είναι σημαντική μόνο στο ένα από τα δυο μεγέθη ενώ στα δοκίμια 1,6 είναι σημαντική η διαφορά τους. 40

Πιο κάτω θα γίνει μελέτη των μεταλλογραφικών πλέον περιοχών που αστόχησαν. Φαίνονται οι φωτογραφίες για κάθε δοκίμιο μετά την αστοχία στην εικόνα Ε4.4.2-1. Ε4.4.2-1 Μεγέθυνση φωτογραφιών Χ 50 Δοκίμιο 1 Δοκίμιο 2 1Α 1Β 2Α 2Β Δοκίμιο 3 Δοκίμιο 4 3Α 3Β 4Α 4Β Δοκίμιο 5 Δοκίμιο 6 5Α 5Β 6Α 6Β Στο δοκίμιο 1 υπάρχει έντονη διαφορά στο βάθος διείσδυσης της πλευράς Α σε σχέση με την Β ενώ δεν παρατηρούνται πόροι στο υλικό πέρα από ένα μικρό πόρο στην πλευρά 1A Παρατηρούμαι ότι η αστοχία είναι ακριβώς στο κέντρο της συγκόλλησης στην διεπιφάνεια των 2 λαμαρίνων. Πέρα από το δοκίμιο 1 και 2 στα υπόλοιπα διακρίνεται πολύ καθαρά το υλικό που αστόχησε (Δεν διακρίνεται στα υπόλοιπα γιατί πιθανόν αφαιρέθηκε από την λείανση του δοκιμίου στα πλάισια της μεταλλογραφίας), αυτό που παρατηρήται είναι ότι υπάρχουν 3 διαφορετικές εικόνες θράυσης: 1. Παραμένει υλικό συγκόλλησης από την πάνω λαμαρίνα στη κάτω μετά την αστοχία (δοκίμια 3Α,4Α,4Β,5Α,5Β και 6Α) και μάλιστα υπο κλίση ~45 μοιρών. 2. Αφαιρείται υλικό συγκόλλησης από την κάτω λαμαρίνα μετά την αστοχία (δοκίμιο 6Β). 3. Αφαιρείται υλικό συγκολλησης και από την κάτω λαμαρίνα αλλά και από την πάνω μετά την αστοχία (δοκίμιο 3Β). Το δοκίμιο 6Β είναι το μοναδικό που έχει αφαιρεθεί υλικό κατά την αστοχία από την κάτω λαμαρίνα, από την μορφή της αστοχίας (δεν είναι σε 45 μοίρες) συμπαιρένουμε ότι αστόχησε από σφάλμα (πόρους) που έχει το υλικό. 41

Πιο κάτω θα γίνει μελέτη των μεταλλογραφικών περιοχών σε μεγάλη μεγέθυνση στην διεπιφάνεια των 2 λαμαρινών, εκεί δηλαδή που επέρχεται η αστοχία. Στις εικόνες Ε4.4.2-2 έως Ε4.4.2-7 φαίνονται οι φωτογραφίες για κάθε δοκίμιο στην εν λόγω περιοχή. Ε4.4.2-2 Δοκίμιο 1 Χ100 Χ500 Χ1000 Περιοχή που παραμορφώνεται έντονα πλαστικά Παρατηρούμε την περιοχή του κολλήματος στην διεπιφάνεια, δεξιά στη γωνία είναι η περιοχή που παραμορφώνεται γιατί εκεί ασκείται η πίεση. Ο πόρος που βρίσκετε στο κέντρο του κολλήματος δεν δείχνει να επηρεάζει την παραμόρφωση. Δεν εντοπίζεται κάποια ρωγμή σε αυτήν την περιοχή άρα το υλικό μας μένει μόνο μέχρι την πλαστική παραμόρφωση. Δοκίμιο 2 Χ100 Χ1000 Χ200 Περιοχή έντονης παραμόρφωσης Ρωγμή Κομματάκια αποκομμένα Οι πάνω φωτογραφίες με μεγέθυνση Χ100 και Χ1000 είναι από την πλευρά (Α) του δοκιμίου ενώ η φωτογραφία με μεγέθυνση Χ200 είναι από την πλευρά (Β). Αυτό που παρατηρείται είναι ότι υπάρχει έντονη παραμόρφωση στην ίδια περιοχή αλλά αυτό που έχει μεγάλη σημασία σε αυτό το δοκίμιο είναι ότι φαίνεται ο μηχανισμός της αστοχίας. Διακρίνουμε στη δεξιά φωτογραφία κομματάκια από το υλικό τα οποία είναι αποκομμένα από την περιοχή που είναι πλαστικά παραμορφωμένη. Στη κεντρική φωτογραφία διακρίνουμε ρωγμή που ξεκινάει από την άκρη του δοκιμίου και προεκτείνεται προς το εσωτερικό. Με βάση τα πάνω μπορούμε να πιθανολογήσουμε ότι ο μηχανισμός της αστοχίας μπορεί να εξελίσσεται σε 4 στάδια : 1. Αρχικά λαμβάνει χώρα μεγάλη πλαστική παραμόρφωση, 2. Δημιουργούνται μικρορωγμές όπου ενώνονται με περεταίρω φόρτιση και διαδίδονται προς το κέντρο του κολλήματος στην διεπιφάνεια. 3. Αποκόπτονται μικρά κομματάκια από την περιοχή λόγο των ρωγμών. 4. Αδυνατίζει η περιοχή και μόλις η φόρτιση ξεπεράσει το όριο θραύσης του υλικού αποκόπτεται το υπόλοιπο υλικό συγκόλλησης, έτσι φαίνονται οι επιφάνειες θραύσης της εικόνας Ε4.4.2-1 42

Ε4.4.2-4 Δοκίμιο 3 Χ100 Χ500 Χ500 Περιοχή έντονης παραμόρφωσης Κομματάκια που είναι έτοιμα να αποκοπούν Ρωγμή Στις πάνω φωτογραφίες διακρίνουμε πάλι τους ίδιους μηχανισμούς με το δοκίμιο 2 με διαφορά ότι δεν είναι τόσο έντονα τα κομματάκια υλικού που αποκόπτονται αλλά ούτε και η ρωγμή σαν μέγεθος. Ε4.4.2-5 Δοκίμιο 4 Χ100 Χ200 Χ1000 Ρωγμή Στο δοκίμιο 4 ενώ η πλαστική παραμόρφωση στην διεπιφάνεια του κολλήματος δεν είναι τόσο έντονη όπως τα προηγούμενα δοκίμια που εξετάστηκαν εμφανίζεται ρωγμή μεγάλου μεγέθους. Η ρωγμή έχει κατεύθυνση προς το κέντρο του κολλήματος υπό κλίση ~45 μοιρών ως προς το οριζόντιο επίπεδο. Η κατεύθυνση αυτή συμφωνεί σε σχέση με τις φωτογραφίες της αστοχίας που έχουν προηγηθεί. 43

Ε4.4.2-6 Δοκίμιο 5 Χ100 Χ500 Χ1000 Περιοχή έντονης πλαστικής παραμόρφωσης Ρωγμή Στις πάνω φωτογραφίες διακρίνουμε πάλι τους ίδιους μηχανισμούς με το προηγούμενα δοκίμια. Ε4.4.2-7 Δοκίμιο 6 Χ100 Χ500 Χ1000 Περιοχή έντονης πλαστικής παραμόρφωσης Στις πάνω φωτογραφίες διακρίνουμε πάλι τους ίδιους μηχανισμούς με τα προηγούμενα δοκίμια 44

4.4.3 Μελέτη της δομής και των μηχανισμών που επηρεάζουν την δομή του υλικού στις περιοχές όπου επηρεάζονται θερμικά από την συγκόλληση. Πιο κάτω θα γίνει μια ανάλυση των δομών χωρίς να γίνει σύγκριση μεταξύ των δοκιμίων. Η ανάλυση επικεντρώνεται σε μεταλλουργικά φαινόμενα που εντοπίστηκαν κατά την εξέταση των δοκιμίων όπως δενδριτική στερεοποίηση, θερμικά επηρεαζόμενες περιοχές, διεύθυνση της δομής, παραμόρφωση της δομής λόγω πλαστικής παραμόρφωσης. Τα κάτω φαινόμενα που εμφανίζονται στις φωτογραφίες γίνεται εξέταση και με άλλες μεθόδους χαρακτηρισμού (μικροσκληρότητα, sem ) για να οριστεί ακριβώς ο μηχανισμός που τα δημιουργεί. Ε4.4.3-1 Α. Δομή του μητρικού υλικού (μακριά από την περιοχή συγκόλλησης) Μεγέθυνση Χ500 Λαμαρίνα πάχους 1 mm Λαμαρίνα πάχους 2 mm Για να γίνουν πιο κατανοητά τα φαινόμενα που αλλάζουν την δομή κρίνεται σκόπιμο να δούμε πώς είναι η δομή του μητρικού υλικού μακριά από την περιοχή συγκόλλησης ούτως ώστε να κατανοήσουμε τις διαφορετικές δομές που προκύπτουν από την θερμική καταπόνηση του υλικού αλλά και από την πλαστική παραμόρφωση λόγο φόρτισης. Στη πάνω φωτογραφία διακρίνουμε τις 2 λαμαρίνες η πάνω είναι η πάχους 1mm ενώ η κάτω είναι η πάχους 2 mm. Φαίνονται καθαρά τα όρια των κόκκων του ωστενίτη. Οι κόκκοι είναι ομοιόμορφοι σαν μέγεθος. 45

Ε4.4.3-2 Β. Δομή περιοχής συγκόλλησης Μεγέθυνση Χ200 Μεγέθυνση Χ500 Περιοχή τήξης Περιοχή τήξης Μητρικό υλικό 2 1 Μητρικό υλικό Άξονας συμμετρίας - Διεύθυνση δενδριτών κολλήματος. Στην πάνω φωτογραφία διακρίνουμε την περιοχή όπου γίνεται τήξη του υλικού και στη συνέχεια έχουμε δενδριτική στερεοποίηση. Η κατεύθυνση των δενδρίτων ξεκινάει από την διεπιφάνεια υγρού στερεού και κατευθύνονται προς το κέντρο της συγκόλλησης (άξονας συμμετρίας) Μεγέθυνση Χ500 Περιοχή τήξης Στην πάνω φωτογραφία διακρίνουμε την μεγάλη διαφορά που έχει η δομή στην περιοχή όπου γίνεται τήξη του υλικού και στην συνέχεια ταχεία στερεοποίηση σε σχέση με την περιοχή οπού δεν επηρεάζεται θερμικά από την συγκόλληση. Στην περιοχή τήξης έχουμε δενδρίτες όπου διακρίνονται να αναπτύσσονται σε δύο στάδια στο στάδιο 1 είναι ισαξονική και λεπτόκοκκοι ενώ προς το εσωτερικό της περιοχής τήξης είναι πιο χοντρόκοκκοι. Μεγέθυνση Χ1000 Μητρικό υλικό Μητρικό υλικό Περιοχή τήξης Μητρικό υλικό Στη πάνω φωτογραφία βλέπουμε την ρίζα της συγκόλλησης στη κάτω λαμαρίνα. Μητρικό υλικό Στη πάνω φωτογραφία βλέπουμε σε μεγάλη μεγέθυνση πάλι την διαφορά της δομής μεταξύ του μητρικού υλικού και την περιοχή τήξης. 46

Ε4.4.3-3 Γ. Θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή στο κάτω μέρος της συγκόλλησης Μεγέθυνση Χ100 Περιοχή τήξης Μητρικό υλικό Θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή (στο τέλος της κάτω λαμαρίνας) Μεγέθυνση Χ200 Μεγέθυνση Χ500 Οι πάνω φωτογραφίες ανήκουν στο δοκίμιο 2 στο οποίο εντοπίστηκε περιοχή ακριβώς κάτω από την περιοχή συγκόλλησης όπου φαίνεται να επηρεάστηκε θερμικά η περιοχή (μόνο σε αυτό το δοκίμιο εντοπίστηκε αυτό το φαινόμενο). Αυτή η περιοχή είναι η κάτω λαμαρίνα πάχους 2 mm που ακουμπάει στο τραπέζι του μηχανήματος κατά την συγκόλληση. Το τραπέζι του μηχανήματος έχει την ιδιότητα να απάγει την θερμότητα ούτως ώστε να μην υπάρχουν παραμορφώσεις κατά την συγκόλληση στις λαμαρίνες αλλά και να αποφεύγονται τέτοιου είδους φαινόμενα. Σε αυτήν την περιοχή θα πρέπει να γίνει χημική ανάλυση με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης ούτως ώστε να εξετάσουμε εάν υπάρχει διάχυση στοιχείων προς το εσωτερικό του υλικού με συνέπεια να φτωχαίνει η περιοχή αυτή. Είναι σημαντικό να δούμε κυρίως για το στοιχείο Cr (χρώμιο) το οποίο εάν μειωθεί η περιεκτικότητα του κάτω απ 13% τότε υπάρχει αυξημένος κίνδυνος να χάσει τις αντιδιαβρωτικές του ιδιότητες με αποτέλεσμα να είναι ευαίσθητο για διάβρωση. 47

Ε4.4.3-4 Δ. Διεπιφάνεια συγκόλλησης με μητρικό υλικό Μεγέθυνση Χ500 Μητρικό υλικό Περιοχή τήξης Μεγέθυνση Χ1000 Μεγέθυνση Χ1000 Περιοχή τήξης Μητρικό υλικό Μητρικό υλικό Περιοχή τήξης Στις πάνω φωτογραφίες βλέπουμε ότι στην περιοχή όπου γίνεται η αλλαγή της δομής (ζώνη όπου υπάρχει και στερεό και υγρό) η δομή είναι διαφορετική και από το μητρικό υλικό αλλά και από την ζώνη τήξης. Εκεί υπάρχει μια ακανόνιστη δομή. 48

Ε4.4.3-5 Ε. Μεταλλουργικά φαινόμενα (με συγκεκριμένη κατεύθυνση) Μεγέθυνση Χ1000 Μεγέθυνση Χ1000 Αυτό που βλέπουμε στις πάνω φωτογραφίες είναι σε μεγάλη μεγέθυνση η δομή στην περιοχή όπου υπάρχει έντονη πλαστική παραμόρφωση (εκεί που ενώνονται η πάνω με την κάτω λαμαρίνα στη γωνία) λόγω της φόρτισης που έχει προηγηθεί (δοκιμή σε πίεση). Αυτό που δημιουργεί όμως μεγάλη εντύπωση και θα πρέπει να εξεταστεί και με άλλες μεθόδους (μικροσκληρομέτρηση, SEM) είναι κάτι περιοχές μέσα στην δομή οι οποίες είναι σαν γραμμές και έχουν γεωμετρική συμμετρία μεταξύ τους αλλά και κατεύθυνση. Πιθανόν αυτές οι γραμμές να είναι οι δενδρίτες οι οποίοι υπό την επίδραση των τάσεων (έντονης πλαστικής παραμόρφωσης) να παίρνουν κατεύθυνση παράλληλη προς τις μέγιστες τάσεις ( γωνία 45 μοιρών ως προς την φόρτιση) μέσα στο υλικό. Αυτό το φαινόμενο εντοπίστηκε σε όλα τα δοκίμια και είναι πιο έντονο στις περιοχές που υπάρχει μεγάλη πλαστική παραμόρφωση (βλέπε και φωτογραφίες στη συνέχεια) 49

Ε4.4.3-5 Ε. Μεταλλουργικά φαινόμενα (με συγκεκριμένη κατεύθυνση) Μεγέθυνση Χ1000 Περιοχή τήξης Μητρικό υλικό Μεγέθυνση Χ1000 Στις πάνω φωτογραφίες βλέπουμε πάλι το ίδιο φαινόμενο, αλλάζει μόνο ο γεωμετρικός σχηματισμός του. Αυτό που αξίζει να σημειωθεί είναι ότι αυτό εντοπίζεται μόνο πάνω στην περιοχή τήξης. 50

Ε4.4.3-5 Ε. Μεταλλουργικά φαινόμενα (με συγκεκριμένη κατεύθυνση) Μεγέθυνση Χ1000 Μεγέθυνση Χ1000 Περιοχή τήξης Μητρικό υλικό Στις πάνω φωτογραφίες βλέπουμε πάλι το ίδιο φαινόμενο. Στη κάτω φωτογραφία φαίνεται ξεκάθαρα ότι εμφανίζεται μόνο στην περιοχή τήξης έτσι μας κάνει να πιθανολογούμε ότι είναι οι δενδρίτες υπό πλαστική παραμόρφωση. 51

4.5 Αποτελέσματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) Πιο κάτω θα γίνει μια ανάλυση των δομών και κυρίως στις περιοχές όπου έγιναν παρατηρήσεις σε διαφορετικότητες μέσα στην δομή. Η ανάλυση επικεντρώνεται σε μεταλλουργικά φαινόμενα που εντοπίστηκαν στο οπτικό μικροσκόπιο και αναφέρονται στην ενότητα 4.4.3. Τα φαινόμενα είναι η δενδριτική στερεοποίηση, θερμικά επηρεαζόμενες περιοχές,πλαστική παραμόρφωση της δομής. Η εξέταση στο SEM έγινε στα δοκίμια Νο 2 και Νο 3 γιατί σε αυτά ήταν πιο ξεκάθαρα τα μεταλλουργικά φαινόμενα που αναφέρονται πάνω. Ε4.5-1 Εικόνες από το δοκίμιο No2 Πάνω λαμαρίνα μητρικό υλικό Συγκόλληση Περιοχή τήξης Συγκόλληση Περιοχή τήξης (Δενδριτική δομή) Κάτω λαμαρίνα μητρικό υλικό Στην εικόνα Ε4.5-1 φαίνονται οι περιοχές που θέλουμε να κάνουμε στοιχειακή ανάλυση στο SEM. 52

Ε4.5-2 Εικόνες από το δοκίμιο No3 Στη συνέχεια εμφανίζονται οι μετρήσεις που έχουν γίνει στο SEM σε διάφορες περιοχές του υλικού. Εδώ θα πρέπει να ορίσουμε κάποια θέματα όσο αφορά τις μετρήσεις : Όταν αναγράφουμε περιοχή στους επόμενους πίνακες σημαίνει ότι η χημική ανάλυση που παρουσιάζεται είναι ο μέσος όρος μιας σειράς από μετρήσεις που έγιναν σε μία περιοχή. Όταν αναγράφουμε σημειακή σημαίνει ότι είναι μία τιμή σε συγκεκριμένο σημείο. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται στους επόμενους πίνακες είναι επί της εκατό κατά βάρος (% κ.β). Το ποσοστό του άνθρακα ( C ) δεν είναι σωστό γιατί το SEM δεν μπορεί να έχει ακρίβεια σε αυτό το στοιχείο, έτσι θα το βλέπουμε σαν σύγκριση μεταξύ των μετρήσεων και όχι σαν απόλυτη τιμή. Οι σημειακές μετρήσεις περιέχουν μεγάλο ποσοστό αστάθειας στην αξιοπιστία τους σε σχέση με τις μετρήσεις που γίνονται σε μια επιφάνεια. 53

Ε4.5-3 Μετρήσεις στο δοκίμιο No2 (Μελέτη περιοχής με διαφοροποιήσεις στην δομή) Έγιναν 4 μετρήσεις όπου μετρήσεις 2 σημειακές και 2 μετρήσεις σε περιοχή. Έγινε μία σημειακή μέτρηση και μία σε περιοχή πάνω στις γραμμώσεις που διακρίνονται μέσα στην δομή και αντίστοιχα δίπλα στην επίπεδη περιοχή(οι γραμμώσεις αυτές είναι στην ζώνη τήξης της συγκόλλησης). Αυτό έγινε γα να διαπιστωθεί εάν υπάρχει διαφορά μεταξύ αυτών των 2 περιοχών. Το αποτέλεσμα έδειξε ότι δεν υπάρχει διαφορά με εξαιρέσει το ποσοστό του C όπου δεν μπορούμε σε αυτή τη φάση να στηρίξουμε ότι συνεπάγεται κάτι αυτό. Π4.5-1 Αποτελέσματα μετρήσεων χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) σε διαφοροποιήσεις στην δομή Μέτρ Είδος ηση μέτρησης C O Si P S Cr Mn Fe Ni 1 Επιφάνεια 4.65 1.90 0.27 0.06 0.00 17.41 1.17 66.31 8.30 2 Επιφάνεια 2.52 0.50 0.47 0.07 0.47 18.32 2.09 68.10 7.46 3 Σημειακή 5.90 2.21 0.45 0.00 0.10 17.43 1.88 65.04 7.01 4 Σημειακή 2.60 0.75 0.39 0.00 0.00 18.05 1.91 68.65 7.80 Ε4.5-4 Μετρήσεις στο δοκίμιο No2 (Μελέτη περιοχής με διαφοροποιήσεις στην δομή) Εδώ έγιναν πάλι στο δοκίμιο 2 μετρήσεις πάλι στην περιοχή τήξης (συγκόλλησης), μία πάνω σε γραμμώσεις και μία σε επίπεδη επιφάνεια. Τα αποτελέσματα είναι αντίστοιχα με τον πίνακα Π4.5-1. Μία διακύμανση πέρα από τον C εντοπίζεται στο ποσοστό του Mn και του Ni. Π4.5-2 Αποτελέσματα μετρήσεων χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) σε διαφοροποιήσεις στην δομή Μέτρ Είδος ηση μέτρησης C O Si P S Cr Mn Fe Ni 1 Επιφάνεια 4.69 0.92 0.18 0.10 0.20 17.36 2.42 66.02 8.12 2 Επιφάνεια 3.66 0.67 0.41 0.21 0.25 18.39 0.13 69.46 6.81 54

Μετρήσεις στο δοκίμιο No2 (Μελέτη περιοχής με διαφοροποιήσεις στην δομή) Εδώ έγιναν μετρήσεις σε μία περιοχή η οποία είναι κάτω από τη περιοχή συγκόλλησης και είχε παρατηρηθεί στο οπτικό μικροσκόπιο εικόνα Ε4.4.3-3. Είχε χαρακτηριστεί σαν θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή και είναι στο κάτω μέρος που εφάπτεται η κάτω λαμαρίνα με το τραπέζι ψύξης του μηχανήματος. Από τις μετρήσεις πάλι δεν προκύπτει κάτι διαφορετικό εκτός από το ποσοστό του C όπου δεν είναι βάσιμο για συμπεράσματα. Η μέτρηση 1 είναι στην ζώνη κάτω όπου παρατηρούνται οι διαφοροποιήσεις στην δομή. Π4.5-3 Αποτελέσματα μετρήσεων χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) σε διαφοροποιήσεις στην δομή Μέτρ Είδος ηση μέτρησης C O Si P S Cr Mn Fe Ni 1 Επιφάνεια 2.65 1.37 0.63 0.05 0.00 17.42 1.75 68.31 7.93 2 Επιφάνεια 4.91 2.13 0.39 0.01 0.35 18.24 1.31 65.59 7.06 Ε4.5-6 Μετρήσεις στο δοκίμιο No2 (Μελέτη περιοχής με διαφοροποιήσεις στην δομή) Είναι η ίδια περιοχή με την εικόνα Ε4.5-5 αλλά σε μεγαλύτερη μεγέθυνση. Πάλι έγιναν 2 μετρήσεις, η μέτρηση 1 στην περιοχή με την διαφοροποίηση και η μέτρηση 2 σε κανονική περιοχή. Δεν παρουσιάστηκαν διαφορές στις αναλύσεις. Π4.5-4 Αποτελέσματα μετρήσεων χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) σε διαφοροποιήσεις στην δομή Μέτρ Είδος ηση μέτρησης C O Si P S Cr Mn Fe Ni 1 Επιφάνεια 2.91 0.68 0.29 0.03 0.00 18.55 0.91 69.52 7.21 2 Επιφάνεια 4.33 0.89 0.28 0.00 0.00 18.61 1.62 66.77 7.81 55

Ε4.5-7 Μετρήσεις στο δοκίμιο No2 στις 3 βασικές περιοχές (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό) Εδώ έγιναν μετρήσεις στην περιοχή τήξης μέτρηση Νο 2, στην θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη ( περιοχή συνύπαρξης υγρού στερεού ) όπου είναι η μέτρηση Νο1 και στο μητρικό υλικό μέτρηση Νο 3. Αυτό που παρατηρείται είναι ότι δεν υπάρχει διαφορά μεταξύ των μετρήσεων παρά μόνο στον C. Μία σημαντική αύξηση του C, του O και μείωση του Cr παρατηρείται στην μέτρηση 1 όπου είναι στην θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη. Λόγω αυτής της απόκλισης γίνεται επανάληψη της μέτρησης στην εικόνα Ε4.5-8 και τα αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα Π4.5-6 Π4.5-5 Αποτελέσματα χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 στις 3 βασικές περιοχές (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό). Μέτρ Είδος ηση μέτρησης C O Si Cr Mn Fe Ni 1 Επιφάνεια 5.46 2.38 0.32 17.20 1.00 65.84 7.81 2 Επιφάνεια 3.26 0.72 0.22 18.05 1.51 68.22 8.02 3 Επιφάνεια 2.41 0.89 0.43 18.58 1.14 69.23 7.33 Ε4.5-8 Μετρήσεις στο δοκίμιο No2 στις 3 βασικές περιοχές (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό) Όταν έγινε πάλι η μέτρηση στις 3 διαφορετικές περιοχές δεν παρατηρήθηκε μεγάλη διακύμανση στ ποσοστό του C αλλά ούτε του O. Εκεί τώρα που παρατηρείται μεγάλη απόκλιση είναι στο ποσοστό του Ni στη μέτρηση στην θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη. Αυτές οι διακυμάνσεις που είναι πιο έντονες στην θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή ίσως να οφείλονται σε μη ακριβή μέτρηση του οργάνου λόγο διαφοράς στην τραχύτητα της περιοχής. Π4.5-6 Αποτελέσματα χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No2 στις 3 βασικές περιοχές (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό). Μέτρ Είδος ηση μέτρησης C O Si Cr Mn Fe Ni 1 Επιφάνεια 2.46 1.56 0.56 18.44 1.54 69.01 6.43 2 Επιφάνεια 2.33 1.00 0.61 17.38 2.11 68.47 8.10 3 Επιφάνεια 2.11 0.48 0.55 17.95 2.65 68.67 7.58 56

Μετρήσεις στο δοκίμιο No3 στις 3 βασικές περιοχές (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό) Έγιναν μετρήσεις με την ίδια λογική που έγιναν στις εικόνες Ε4.5-7 και Ε4.5-8 αλλά τώρα στο δοκίμιο Νο3 για να διαπιστωθεί εάν υπάρχει απόκλιση μεταξύ των δοκιμών. Αυτό που παρατηρείται είναι ότι δεν διαπιστώνονται αξιόλογες διαφορές. Π4.5-7 Αποτελέσματα χημικής ανάλυσης στο δοκίμιο No3 στις 3 βασικές περιοχές (τήξης, θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη και μητρικό υλικό). Μέτρ Είδος ηση μέτρησης Si S P Cr Mn Fe Ni 1 Επιφάνεια 0.70 0.00 0.32 18.79 1.26 70.82 8.15 2 Επιφάνεια 0.56 0.25 0.05 18.33 1.22 71.46 8.12 3 Επιφάνεια 0.67 0.18 0.30 19.20 1.21 71.11 7.34 Συνοψίζοντας για τα αποτελέσματα της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) είναι: Εντοπίστηκαν οι περιοχές με τις διαφοροποιήσεις. Δεν εντοπίστηκαν περιοχές στην δομή με διαφορετική χημική σύσταση. Στις 3 διαφορετικές περιοχές μέσα στην δομή δεν εντοπίστηκαν διαφορές στην χημική σύσταση. Δεν εντοπίστηκαν διαφορές στην χημική σύσταση από δοκίμιο σε δοκίμιο (μεταξύ δοκιμίου Νο2 και Νο3). 57

4.6 Αποτελέσματα μικροσκληρομετρήσεων στη δομή. Στην μικροσκληρομέτρηση στην κλίμακα Vickers χρησιμοποιήθηκε βάρος 200gr για να δίνει ένα αποτύπωμα ~d=30-40μm στην δομή. Η μικροσκληρομέτρηση έγινε στα δοκίμια 1, 2 και 3 σε τέσσερις βασικές περιοχές τους. Στη περιοχή 1 όπου είναι η ζώνη τήξης της συγκόλλησης, στην περιοχή 2 όπου είναι στην ζώνη τήξης πάλι αλλά στην περιοχή που παραμορφώνεται πλαστικά η δομή, στην περιοχή 3 όπου είναι η θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή και η ζώνη συνύπαρξης υγρού στερεού και τέλος στην περιοχή 4 όπου είναι η δομή του μητρικού υλικού. Στην εικόνα Ε4.6-1 σημαίνονται σε φωτογραφίες οι περιοχές αυτές. Αφού έγινε η σκληρότητα στο μικροσκληρόμετρο στη συνέχεια τοποθετήθηκαν τα δοκίμια στο οπτικό μικροσκόπιο και εκεί έγινε η μέτρηση του d σε μm. Στη συνέχεια από τον πίνακα έγινε αντιστοίχιση του μήκους της ένδειξης (για βάρος 200gr) για να προκύψει η σκληρότητα σε Vickers σε τιμή HV. Ε4.6-1 Περιοχές όπου έγιναν οι μετρήσεις Μεγέθυνση Χ100 Περ. 3 Μεγέθυνση Χ200 Περ. 1 Περ. 2 Περ. 4 Περ. 1 Στη συνέχεια στον πίνακα Π4.6-1 συνοψίζονται τα αποτελέσματα που έχουν προκύψει από τις μετρήσεις, έχουν γίνει για κάθε δοκίμιο και κάθε περιοχή από 3 μετρήσεις. Στο διάγραμμα Δ4.6-1 αποτυπώνεται και γραφικά η σύγκριση πλέον των 4 διαφορετικών περιοχών όπου έγινε η μέτρηση αλλά και οι διαφορές μεταξύ των 3 δοκιμίων για τις ίδιες περιοχές. Π4.6-1 Αποτελέσματα μικροσκληρομετρήσεων (σε Vickers ) Δοκίμιο Δοκίμιο 1 Δοκίμιο 2 Δοκίμιο 3 Περιοχή 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 A/A 213,3 397,5 222,8 218,5 236,5 406,6 219,6 222,8 218,5 381 256,5 241,4 202,5 396,1 219,6 241,4 213,3 398,7 202,5 219,6 219,6 373,6 236,5 218,5 227,5 381 219,6 206,5 219,6 396,1 222,8 218,5 213,3 340,6 222,8 202,5 Μέσος όρος 214,4 391,5 220,7 222,1 223,1 400,5 215,0 220,3 217,1 365,1 238,6 220,8 58

Δ4.6-1 Τιμές μικροσκληρομετρήσεων για τα 3 δοκίμια για τις 4 διαφορετικές περιοχές. Στον άξονα (Χ) είναι οι περιοχές που έγιναν οι μετρήσεις και στον άξονα (Υ) είναι οι τιμές της σκληρότητας σε (HV) 440,0 420,0 400,0 380,0 360,0 340,0 320,0 300,0 280,0 260,0 240,0 220,0 200,0 180,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 1 2 3 4 ΔΟΚΙΜΙΟ 1 ΔΟΚΙΜΙΟ 2 ΔΟΚΙΜΙΟ 3 Αυτό που παρατηρείται από το διάγραμμα Δ4.6-1 είναι Οι τιμές της σκληρότητας για κάθε κατηγορία στα 3 δοκίμια είναι πολύ κοντινές. Δεν υπάρχουν διαφορές στις τιμές της σκληρότητας στις 3 από τις 4 περιοχές, δηλαδή οι τιμές στην ζώνη τήξης (συγκόλληση), στο μητρικό υλικό και στη θερμικά επηρεαζόμενη περιοχή είναι της τάξης των 210-240 HV, εικόνα Ε4.6-2. Η περιοχή όπου έχει σημαντική διαφορά η σκληρότητα είναι η περιοχή όπου το υλικό παραμορφώνεται πλαστικά (εντός της ζώνης τήξης ) Ε4.6-3 και Ε4.6-4, εκεί έχει αυξημένη σκληρότητα. Στη συνέχεια θα γίνει ειδική ανάλυση για αυτήν την περιοχή. 59

Μικροσκληρομέτρηση στις περιοχές 1,3 και 4 Μεγέθυνση Χ500 (Δοκίμιο Νο3) Μέτρηση στην ζώνη τήξης (συγκόλληση) Μεγέθυνση Χ500 (Δοκίμιο Νο3) Μέτρηση στο μητρικό υλικό Μεγέθυνση Χ500 (Δοκίμιο Νο1) Μέτρηση στην ζώνη τήξης (συγκόλληση) Μεγέθυνση Χ500 (Δοκίμιο Νο2) Μέτρηση στην Θ.Ε.Ζ (συνύπαρξη υγρού και στερεού) Μεγέθυνση Χ1000 (Δοκίμιο Νο2) Μέτρηση στην Θ.Ε.Ζ και στη ζώνη συνύπαρξη υγρού και στερεού) Μεγέθυνση Χ500 (Δοκίμιο Νο2) Μέτρηση στην ζώνη τήξης (συγκόλληση) και στο μητρικό υλικό 60

Ε4.6-3 Μικροσκληρομέτρηση στις περιοχή 2 (περιοχή έντονης πλαστικής παραμόρφωσης) Μεγέθυνση Χ200 (Δοκίμιο Νο3) Μεγέθυνση Χ100 (Δοκίμιο Νο1) Περιοχή έντονης πλαστικής παραμόρφωσης Μεγέθυνση Χ1000 (Δοκίμιο Νο1) Μεγέθυνση Χ200 (Δοκίμιο Νο2) Περιοχή έντονης πλαστικής παραμόρφωσης Μεγέθυνση Χ500 (Δοκίμιο Νο2) Μεγέθυνση Χ1000 (Δοκίμιο Νο2) 61

Ε4.6-4 Μικροσκληρομέτρηση στην περιοχή 2 (περιοχή έντονης πλαστικής παραμόρφωσης ) Στις κάτω φωτογραφίες οι μετρήσεις έγιναν πάνω στη δομή που παρατηρήσαμε στην εικόνα Ε4.4.3-5 Μεγέθυνση Χ1000 62