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May 01, 2023

Effetti del rivestimento TiB2 assistito da adesivo sui giunti saldati ad attrito

Scientific Reports volume 12,

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17894 (2022) Citare questo articolo

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La saldatura ad attrito è una nuova tecnica per unire materiali ferrosi e non ferrosi allo stato solido. Le tecniche di riempimento dei solchi sono le più popolari e generalmente utilizzate dai ricercatori per drogare il rinforzo nella zona FSWed per migliorare le proprietà dei giunti. Lo svantaggio principale di questa tecnica è che alcune quantità di materiale di rinforzo fuoriescono dalla scanalatura durante la realizzazione del giunto. Nel presente lavoro, la tecnica di rinforzo assistito da adesivo è stata utilizzata per superare questo problema per la fabbricazione di giunti saldati agitati per attrito rinforzati con particelle. Nel presente lavoro, i bordi delle piastre in lega di alluminio sono stati rivestiti con un sottile strato di TiB2. Le piastre per bordi rivestite e non rivestite sono state unite mediante saldatura ad attrito alla velocità di rotazione di 1400 e 2240 giri al minuto e una velocità di saldatura di 32 mm/min utilizzando uno strumento per perno filettato conico. La resistenza alla trazione dei giunti saldati con piastre per bordi rivestite è stata riscontrata più alta rispetto ai giunti non rivestiti, superiore del 39,74%. L'allungamento percentuale del giunto del bordo rivestito è stato osservato circa 1,5 volte inferiore rispetto al giunto della piastra del bordo non rivestito. La resistenza alla flessione del giunto del bordo rivestito rinforzato con TiB2 è stata riscontrata circa 1,5 volte superiore. Tuttavia, la resistenza agli urti delle piastre con bordi rivestiti è risultata quasi tre volte inferiore a quella dei giunti con bordi non rivestiti. I giunti per bordi rivestiti in TiB2 rivelano una durezza superiore del 22,75% rispetto ai giunti per piastre per bordi non rivestiti saldati alla velocità di rotazione di 2240.

La saldatura per attrito (FSW) è un processo di giunzione a stato solido che utilizza uno strumento non consumabile per unire due pezzi affacciati senza fondere il materiale del pezzo1,2,3. Il calore è generato dall'attrito tra l'utensile rotante e il materiale del pezzo, che porta ad una regione ammorbidita vicino all'utensile FSW. Mentre l'utensile viene spostato lungo la linea di giunzione, mescola meccanicamente i due pezzi di metallo e forgia il metallo caldo e ammorbidito mediante la pressione meccanica applicata dall'utensile. È stato riportato che l'87% del calore è generato dalla spalla dell'utensile FSW a causa dell'attrito tra la superficie della spalla e il pezzo4. Le geometrie della spalla dell'utensile influiscono sul flusso del materiale durante la saldatura. La maggior parte della spalla dell'utensile ha profili concavi, convessi e piatti5,6,7,8,9,10,11,12. L'acciaio per utensili lavorato a caldo H13 è utilizzato principalmente per la saldatura di leghe di alluminio10,13. L'angolo di inclinazione dell'utensile comprime il materiale deformato plasticamente sotto l'utensile. Generalmente, in FSW viene utilizzato un angolo di inclinazione dell'utensile compreso tra 1° e 4°. FSW è in grado di unire metalli simili e dissimili come leghe di alluminio, leghe di rame, leghe di titanio, acciaio dolce, acciaio inossidabile e leghe di magnesio14,15,16,17,18. Anche se FSW è un processo di saldatura allo stato solido, genera un notevole apporto di calore, portando a possibili cambiamenti nella microstruttura. È stato segnalato il verificarsi di un eccessivo invecchiamento o indurimento all'interno dell'area della nugget zone (NZ), dell'area termo-meccanicamente interessata (TMAZ) o della zona interessata dal calore (HAZ) dei giunti FSWed19,20. La perdita di proprietà meccaniche è spesso osservata in queste aree mutevoli della microstruttura, specialmente in TMAZ e HAZ21,22,23,24. Mardalizadeh et al.25 hanno riferito che i giunti formati da AA2024 hanno una durezza inferiore in HAZ e TMAZ. Nonostante l'ottimizzazione dei parametri di saldatura e dei parametri di raffreddamento durante la saldatura, le prestazioni meccaniche dei giunti FSWed rimangono inferiori a quelle dei metalli di base a causa dell'emergere di microstruttura e proprietà meccaniche dovute alle forti pressioni termo-meccaniche riscontrate nel processo FSW26, 27.Le proprietà del giunto FSWed dipendono principalmente dai parametri di processo quali velocità di rotazione dell'utensile, velocità trasversale, angolo di inclinazione dell'utensile e profondità di tuffo. I valori ottimali dei parametri FSW dipendono dalle proprietà del materiale del pezzo, dallo spessore e dalla geometria dell'utensile28. La durezza dell'area articolare aumenta all'aumentare dell'angolo di inclinazione29. Elyasi et al.30 hanno riferito che la massima resistenza alla trazione dei giunti era nell'unione di leghe di alluminio con un angolo di inclinazione di 2° rispetto a 1° e 3°. Un'osservazione simile è stata riportata da Acharya et al. 31. La combinazione della velocità di rotazione e trasversale dell'utensile in FSW è complessa perché aumentando la velocità di rotazione o diminuendo la velocità trasversale si otterrà una saldatura più calda e viceversa32. La microstruttura e la durezza dei giunti dipendono fortemente dalla velocità di rotazione rispetto alla velocità di saldatura. Ghada et al.33 hanno riferito che la durezza delle articolazioni aumentava con la diminuzione della velocità di rotazione. Ganesh e Kumar34 hanno studiato la superplasticità dei fogli di lega di alluminio saldati per attrito a diverse velocità di rotazione dell'utensile. Il risultato mostra che la superplasticità migliora significativamente con l’aumento della velocità di rotazione dell’utensile. È stato osservato che con la presenza di particelle di rinforzo all'interno della zona del nugget, le proprietà meccaniche del giunto saldato miglioravano significativamente. Le tecniche di rinforzo utilizzate per rinforzare i materiali di rinforzo durante la saldatura con agitazione per attrito in una zona di saldatura con agitazione per attrito sono uno dei problemi chiave in FSW. Le tecniche di rinforzo determinano il volume e la distribuzione dei materiali di rinforzo nella zona di saldatura ad attrito durante FSW. Le proprietà della saldatura con agitazione per attrito rinforzata dipendono anche dall'efficace drogaggio e dalla distribuzione del materiale di rinforzo nella zona della saldatura con agitazione per attrito. Saeidi et al.35 hanno utilizzato la tecnica del groove fill per riempire le nanoparticelle di Al2O3 per la fabbricazione di giunti rinforzati con Al2O3. Hanno notato che la resistenza alla corrosione del giunto FSW rinforzato con Al2O3 era superiore. Tuttavia, la resistenza all'urto era inferiore a causa del debole legame tra i materiali di base e di rinforzo. Una tecnica simile è stata utilizzata anche da Kumar et al.36 per introdurre particelle di SiC e Si3N4 nella zona di saldatura con agitazione per attrito. Dragatogiannis et al.37 hanno lavorato una scanalatura rettangolare la cui profondità era la metà della profondità della piastra lungo la linea di giunzione per la fabbricazione di un giunto saldato ad attrito rinforzato con TiC. Hanno riferito che la durezza dei giunti rinforzati con TiC è aumentata del 18%. Inoltre, sono migliorate anche la resistenza alla trazione e la duttilità dei giunti. La tecnica delle scanalature a V è stata utilizzata da Huang38 per introdurre particelle di rinforzo a base di ferro nella zona di saldatura ad attrito. Il risultato rivela che la resistenza alla trazione e la duttilità del giunto rinforzato con ferro erano inferiori. Tuttavia, la trazione e la duttilità aumentavano con l'aumento della velocità di rotazione dell'utensile. Singh et al.39 hanno utilizzato tecniche di riempimento dei fori per incorporare particelle di Al2O3 sui bordi di contatto della saldatura agitata. Hanno scoperto che la durezza delle articolazioni aumentava con l'aumento della frazione volumetrica di Al2O3. Pantelis et al.40 hanno rinforzato le nanoparticelle SiC nella zona FSW nella saldatura della lega di alluminio. Hanno riferito che la durezza del nucleo di saldatura è stata migliorata del 18% rispetto a senza l'aggiunta di SiC. Pasha et al.41 hanno studiato il comportamento meccanico di percentuali variabili di giunti saldati rinforzati con SiC e Al2O3 in lega di alluminio. Si è riscontrato che la resistenza alla trazione e la durezza dei giunti saldati rinforzati con SiC erano superiori rispetto ai giunti rinforzati con Al2O3. Tuttavia, la duttilità e la resistenza agli urti dei giunti rinforzati con particolato sono risultati inferiori rispetto ai giunti saldati non rinforzati.