جوشکاری

بررسی تأثیر متغیرهای جوشکاری انفجاری بر رفتار خوردگی اتصال سه‌لایه انفجاری لوله‌ های Al 1050/Al 5083/St 321

چکیده

جوشکاری انفجاری به عنوان یکی از روش‌های پیشرفته اتصال فلزات غیرهمجنس. امکان ایجاد پیوند متالورژیکی بین موادی با خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار متفاوت را فراهم می‌آورد. در پژوهش حاضر، تأثیر متغیرهای جوشکاری انفجاری شامل فاصله توقف (Stand-off Distance) و ضخامت بار انفجاری. بر رفتار خوردگی اتصال سه‌لایه انفجاری لوله‌های آلومینیوم ۱۰۵۰ (Al 1050)، آلومینیوم ۵۰۸۳ (Al 5083). و فولاد زنگ‌ نزن آستنیتی ۳۲۱ (St 321) در محیط نمک (محلول ۳.۵ درصد NaCl) مورد بررسی قرار گرفته است.

بدین منظور، دو نمونه تحت شرایط جوشکاری متفاوت شامل فاصله توقف ۶ میلی‌متر و ۶.۷۵ میلی‌متر (با ضخامت شارژ انفجاری متفاوت) آماده‌سازی شدند. نتایج حاصل از بررسی‌های ریزساختاری با میکروسکوپ نوری و الکترونی روبشی نشان داد. که با افزایش فاصله توقف، مورفولوژی فصل مشترک از حالت صاف به حالت موجی و حتی گردابه‌ای تغییر می‌یابد.

آزمون‌های ریزسختی‌سنجی ویکرز حاکی از افزایش محسوس سختی در مجاورت فصل مشترک با افزایش فاصله توقف بود. به‌گونه‌ای که بیش‌ترین سختی در فصل مشترک فولاد/آلومینیوم برای نمونه با فاصله توقف بالاتر به حدود ۲۲۸ ویکرز رسید.

بررسی‌های الکتروشیمیایی شامل آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک (Tafel) و طیف‌نگاری امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) نشان داد. که با افزایش فاصله توقف و در نتیجه افزایش انرژی جنبشی برخوردی، پتانسیل خوردگی از ۹۲۰- به ۹۷۶- میلی‌ولت کاهش یافته. و چگالی جریان خوردگی از ۳۴.۸۰ به ۶۸.۵۹ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع افزایش یافته است.

همچنین، کاهش ضریب غیریکنواختی سطح (n) در نمونه با فاصله توقف بالاتر، حاکی از افزایش ناهمواری‌ها و کاهش یکنواختی سطح در فصل مشترک بود. که خود عاملی برای تسریع خوردگی محسوب می‌شود.

در مجموع، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که افزایش فاصله توقف و انرژی جنبشی برخوردی هرچند به ایجاد اتصال متالورژیکی قوی‌تر کمک می‌کند. اما به دلیل افزایش تغییر شکل پلاستیک، تشکیل ترکیبات بین‌فلزی ترد و افزایش ناهمواری‌های سطحی. مقاومت به خوردگی اتصال را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها: جوشکاری انفجاری، خوردگی، فاصله توقف، آلومینیوم ۵۰۸۳، فولاد زنگ‌نزن ۳۲۱، آزمون پلاریزاسیون، طیف‌نگاری امپدانس الکتروشیمیایی

۱. مقدمه

جوشکاری انفجاری (Explosive Welding) یکی از روش‌های پیشرفته و غیرمتعارف اتصال فلزات است. که در آن از انرژی کنترل‌شده یک ماده منفجره برای ایجاد پیوند متالورژیکی بین دو یا چند سطح فلزی استفاده می‌شود. در این روش، سطوح جوش‌شونده که نسبت به هم در فاصله توقف معینی قرار گرفته‌اند. با سرعت بسیار بالایی به یکدیگر نزدیک شده و برخورد می‌کنند.

در اثر این برخورد پرانرژی، یک میدان خمیری موضعی در فصل مشترک اتصال ایجاد شده. و با اشتراک‌گذاری الکترون‌ها، یک پیوند متالورژیکی بین اجزای جوش‌شونده شکل می‌گیرد. هم‌زمان با این فرآیند، یک جت با سرعت بسیار بالا از دو سطح اتصال تشکیل می‌شود. که با حذف آلودگی‌های سطحی و لایه‌های اکسیدی، سطوحی تمیز و عاری از ناخالصی را برای اتصال فراهم می‌آورد.

یکی از مهم‌ترین مزایای جوشکاری انفجاری، عدم نیاز به حرارت‌دهی خارجی و در نتیجه حداقل تغییرات متالورژیکی در فلزات پایه است. این ویژگی، جوشکاری انفجاری را به روشی ایده‌آل برای اتصال فلزات غیرهمجنس با نقاط ذوب بسیار متفاوت (مانند آلومینیوم و فولاد) تبدیل کرده است. با این حال، ماهیت پرانرژی این فرآیند می‌تواند منجر به تشکیل ترکیبات بین‌فلزی ترد. مناطق ذوب موضعی و افزایش تنش‌های پسماند در فصل مشترک اتصال شود که همگی بر خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی اتصال تأثیر می‌گذارند.

اتصال آلومینیوم به فولاد به دلیل کاربردهای گسترده در صنایع حمل‌ونقل دریایی، هوافضا، خودروسازی و تجهیزات انتقال سیالات برودتی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

با این حال، جوش‌پذیری ضعیف این دو فلز به دلیل تشکیل ترکیبات بین‌فلزی ترد و شکننده (مانند FeAl₃ و Fe₂Al₅). در فصل مشترک، چالشی جدی محسوب می‌شود. در این راستا، استفاده از لایه‌های واسط از جنس فلزات خالص با نقطه ذوب و چگالی مناسب. راهکاری مؤثر برای کاهش تشکیل ترکیبات بین‌فلزی و بهبود کیفیت اتصال است.

در پژوهش حاضر، از لایه‌های آلومینیوم ۱۰۵۰ به عنوان لایه واسط بین آلومینیوم ۵۰۸۳ و فولاد زنگ‌نزن ۳۲۱ استفاده شده است. زیرا آلیاژ ۱۰۵۰ با داشتن دامنه انجمادی نزدیک به صفر و هدایت حرارتی بالاتر. گزینه‌ای مناسب برای کاهش میزان فاز مذاب تشکیل‌شده در فصل مشترک آلومینیوم/فولاد محسوب می‌شود.

با توجه به کاربرد گسترده اتصالات انفجاری چندلایه در محیط‌های خورنده از جمله محیط‌های دریایی و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی. بررسی رفتار خوردگی این اتصالات از اهمیت بسزایی برخوردار است.

تحقیقات متعددی در زمینه خوردگی اتصالات انفجاری انجام شده است. خانزاده و همکاران در بررسی تأثیر فاصله توقف بر خوردگی اتصال انفجاری فولاد زنگ‌نزن ۳۰۴ به فولاد کربنی CK45. در محیط دریایی نشان دادند که مناطق ذوب موضعی منجمدشده و افزایش انرژی جنبشی برخوردی در نمونه‌های با فاصله توقف بیشتر. باعث افزایش سرعت خوردگی شده است.

کتگکالا و تارلپ تأثیر ترکیبات بین‌فلزی بر خوردگی اتصالات سه‌لایه انفجاری آلومینیوم/فولاد را بررسی کرده. و نشان دادند که تشکیل ترکیبات Al₃Fe و Al₅Fe₂ در فصل مشترک. باعث ایجاد حالت کاتدی نسبت به آلومینیوم و حالت آندی نسبت به فولاد شده. و در نتیجه حمله خوردگی ترجیحی در نزدیکی مرز آلومینیوم و ترکیبات بین‌فلزی رخ می‌دهد.

کهرمان و همکاران نیز نشان دادند که در محیط خورنده، با افزایش بار انفجاری، به دلیل تغییر شکل پلاستیکی شدیدتر و تشکیل لایه اکسیدی. جرم نمونه‌ها افزایش می‌یابد و سرعت خوردگی بیشتر می‌شود. همچنین، تحقیقات نشان داده است که در جوشکاری انفجاری، با افزایش بار انفجاری. ضخامت لایه ذوب موضعی به‌تدریج افزایش می‌یابد. و این امر با کاهش یکنواختی سطح (کاهش ضریب n در آزمون EIS) و افزایش سرعت خوردگی همراه است.

هدف از پژوهش حاضر، بررسی تأثیر متغیرهای جوشکاری انفجاری (فاصله توقف و ضخامت بار انفجاری). بر ریزساختار، تغییرات سختی و رفتار خوردگی اتصال سه‌لایه انفجاری لوله‌های Al 1050/Al 5083/St 321 در محیط نمک (۳.۵ درصد NaCl). و تحلیل ارتباط میان ریزساختار، سختی و خواص خوردگی است.

۲. روش تحقیق

۲.۱. مواد اولیه و طراحی اتصال

در این پژوهش، ورق‌های آلومینیوم ۵۰۸۳ و ۱۰۵۰ به‌ترتیب به‌عنوان صفحات پرنده و واسط و ورق‌های فولاد زنگ‌نزن آستنیتی ۳۲۱. به‌عنوان صفحه پایه در نظر گرفته شدند. جهت جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم به فولاد و با توجه به محدوده انجمادی گسترده. و چگالی نسبتاً پایین آلیاژ آلومینیوم، از یک لایه واسط از جنس آلومینیوم خالص (۱۰۵۰) استفاده گردید. آلیاژ ۱۰۵۰ به دلیل نقطه ذوب بالاتر، دامنه انجمادی نزدیک به صفر. هدایت حرارتی بالاتر و کمینه بودن ترکیبات بین‌فلزی در فصل مشترک، به‌عنوان لایه واسط انتخاب شد.

سه لوله آلیاژی به‌صورت کاملاً موازی و هم‌محور و تحت فواصل توقف معین نسبت به یکدیگر، در داخل سندان و به موازات آن قرار گرفتند. جداره خارجی لوله فولادی به‌وسیله ماده حائل مناسبی از سندان جدا گردید.

۲.۲. ماده منفجره و شرایط جوشکاری

ماده منفجره مورد استفاده در این آزمایش، آماتول (مخلوطی از نیترات آمونیوم و تری‌نیتروتولوئن – TNT). با ترکیب ۹۰ درصد نیترات آمونیوم و ۱۰ درصد تری‌نیتروتولوئن و سرعت انفجار ۲۵۰۰ متر بر ثانیه بود. سرعت انفجار توسط سیستم الیاف نوردی اندازه‌گیری شد. از خرج‌گذار C4 برای راه‌اندازی انفجار استفاده گردید. جوشکاری با استفاده از سیستم تنظیمی خرج از داخل (انفجار به خارج) انجام شد.

جوشکاری در دو سری با پارامترهای زیر انجام شد:

۲.۳. بررسی‌های آزمایشگاهی

۲.۳.۱. بررسی متالوگرافی و ریزساختار

جهت انجام آزمون متالوگرافی، نمونه‌هایی به ابعاد ۱×۱ سانتی‌متر مربع از مناطق مورد تأیید نمونه‌های جوشکاری‌شده در آزمون غیرمخرب، به‌وسیله دستگاه وایرکات تهیه شدند. نمونه‌ها با استفاده از کاغذ سنباده با شماره‌های ۶۰ تا ۱۲۰۰ سنباده‌زنی شده و سپس توسط خمیر الماسه پولیش شدند. بررسی ریزساختار با استفاده از میکروسکوپ نوری Nikon Epiphot 300 و میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی Mira 3-XMU. مجهز به سیستم آنالیز الکترون بازگشتی (EBSD) انجام شد. ترکیبات بین‌فلزی موجود در فصل مشترک‌ها با استفاده از قابلیت آنالیز نقطه‌ای (EDS) این میکروسکوپ شناسایی شدند.

۲.۳.۲. آزمون میکروسختی‌سنجی

به منظور بررسی تأثیر فرآیند اتصال انفجاری بر میزان سختی نمونه‌ها، آزمون ریزسختی‌سنجی به روش ویکرز مطابق با استاندارد ASTM E384-11. با بار اعمالی ۱۰۰ گرم (HV0.1) در طرفین هر یک از فصل مشترک‌های نمونه‌ها انجام شد.

۲.۳.۳. آزمون طیف‌نگاری امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)

آزمون EIS با استفاده از دستگاه پتانسیواستات AUTOLAB-320N مطابق با استاندارد ASTM G-102. در محلول ۳.۵ درصد NaCl و پس از رسیدن نمونه‌ها به حالت پایا (تغییرات کمتر از ۵ میلی‌ولت در هر دقیقه). در محدوده فرکانسی ۱۰۰ کیلوهرتز تا ۱۰ میلی‌هرتز انجام شد. از یک سلول سه‌الکترودی شامل الکترود مرجع کالومل اشباع (SCE) و الکترود کمکی پلاتین استفاده گردید.

۲.۳.۴. آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک (Tafel)

رفتار خوردگی نمونه‌ها با استفاده از آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک توسط دستگاه AUTOLAB-320N مطابق با استاندارد ASTM G-102 مورد مطالعه قرار گرفت. نمونه‌ها به مدت ۳۰ دقیقه در محلول ۳.۵ درصد NaCl غوطه‌ور شدند تا مقادیر پایداری حاصل شود. سپس آزمون در محدوده ولتاژ ۱- تا ۱+ ولت نسبت به ولتاژ مدار باز. با سرعت اسکن ۱ میلی‌ولت بر ثانیه در دمای اتاق انجام شد. مقادیر پتانسیل خوردگی (E_corr) و چگالی جریان خوردگی (i_corr) با استفاده از روش برون‌یابی تافل محاسبه شدند.

۳. نتایج و بحث

۳.۱. بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ نوری

بررسی تصاویر میکروسکوپ نوری نمونه‌ها نشان داد که مورفولوژی فصل مشترک به شدت تحت تأثیر فاصله توقف و انرژی جنبشی برخوردی قرار می‌گیرد. در نمونه B با فاصله توقف ۶.۷۵ میلی‌متر و ضخامت شارژ انفجاری ۱۵.۰۵ میلی‌متر، فصل مشترک اتصال Al 1050/Al 5083. به‌صورت موجی و فصل مشترک St 321/Al 1050 به‌صورت نسبتاً صاف مشاهده گردید. در این نمونه، به دلیل اختلاف چگافی دو آلیاژ و سرعت برخورد بالاتر صفحه پرنده، انرژی جنبشی بیشتری به فصل مشترک دوم منتقل شده. و باعث ایجاد فصل مشترکی موجی‌شکل و گردابه‌ای گردیده است. ارتفاع امواج در این نمونه بین ۰.۰۶۱ تا ۰.۰۷۵ میلی‌متر اندازه‌گیری شد.

در مقابل، در نمونه A با فاصله توقف ۶ میلی‌متر و ضخامت شارژ انفجاری ۱۴.۹۰ میلی‌متر، فصل مشترک Al 1050/Al 5083. به‌صورت کاملاً مسطح و فصل مشترک St 321/Al 1050 با امواجی با ارتفاع بسیار کم (بین ۰.۰۱۱ تا ۰.۰۱۹ میلی‌متر) مشاهده گردید. کاهش فاصله توقف و در نتیجه کاهش انرژی جنبشی برخوردی، سبب کاهش دامنه و ارتفاع امواج در فصل مشترک شده است.

همچنین، در نمونه A با فاصله توقف کمتر، منطقه ذوب موضعی در فصل مشترک آلومینیوم‌ها مشاهده نشد. که این امر به دلیل نزدیکی چگالی هر دو آلیاژ و کاهش انرژی جنبشی برخوردی است.

با افزایش سرعت برخورد، فشار برخوردی افزایش می‌یابد و زاویه دینامیکی برخورد و انرژی جنبشی مصرفی در نقطه برخورد نیز زیاد می‌شود. قسمتی از انرژی جنبشی در فصل مشترک به انرژی پتانسیل تبدیل می‌شود و باعث تغییر شکل صفحات در طول سطح برخورد می‌شود.

با افزایش انرژی جنبشی، تغییر شکل پلاستیکی بیشتری در فصل مشترک ایجاد شده و رفتار ماده به سیالیت بیشتری میل می‌کند. همچنین، سرعت حرکت صفحه پرنده با افزایش فاصله توقف و ضخامت شارژ بار انفجاری افزایش می‌یابد.

به دلیل وجود تفاوت در چگالی و سرعت حرکت موج در فلزات، تکانه فشاری در دو سمت فصل مشترک. با افزایش سرعت حرکت صفحه پرنده تغییر کرده. و نقطه برخورد در هنگام اتصال دچار نوسان می‌شود. این نوسانات با افزایش سرعت برخورد افزایش می‌یابد و سبب شکل‌گیری امواج در فصل مشترک می‌گردد.

۳.۲. بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی

مطالعات میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در نمونه B (فاصله توقف بالاتر) نشان داد. که در فصل مشترک St 321/Al 1050، یک لایه ذوب موضعی با ترکیب شیمیایی شامل ۸۹.۷۶ درصد اتمی آلومینیوم. ۲.۲۲ درصد اتمی کروم، ۰.۷۰ درصد اتمی نیکل و ۷.۳۳ درصد اتمی آهن تشکیل شده است.

علت به‌وجود آمدن این منطقه ذوب موضعی، ترکیب شدن صفحات پایه و پرنده در اثر چرخش جت جهنده محبوس‌شده در فصل مشترک است. در این منطقه ذوب موضعی، ترک مشاهده گردید که ناشی از سرعت سرد شدن بسیار بالا (۱۰⁵ تا ۱۰⁷ کلوین بر ثانیه). و تشکیل ترکیبات بین‌فلزی ترد و سخت در این منطقه است.

در نمونه A (فاصله توقف کمتر)، ضخامت لایه ذوب موضعی مشابه نمونه B بود. که این امر به دلیل ثابت بودن ضخامت بار انفجاری در این فصل مشترک است. با این حال، ترکیب شیمیایی لایه ذوب موضعی در نمونه A شامل ۷۹.۶۵ درصد اتمی آلومینیوم، ۳.۲۲ درصد اتمی کروم. ۱.۷۶ درصد اتمی نیکل و ۱۵.۴۰ درصد اتمی آهن بود. مقایسه ترکیب شیمیایی لایه ذوب‌شده در دو سری نشان می‌دهد. که تغییر در فاصله توقف، به دلیل تغییر در انرژی جنبشی و زاویه برخورد، ترکیب شیمیایی لایه ذوبی را نیز تحت تأثیر قرار داده است.

ترک‌های مشاهده‌شده در مناطق ذوب موضعی به دلیل وجود ترکیبات بین‌فلزی ترد، سختی بالا و تنش پسماند زیاد در این مناطق ایجاد شده‌اند. این ترک‌ها می‌توانند به‌عنوان نقاط شروع خوردگی و تسریع‌کننده تخریب اتصال در محیط‌های خورنده عمل کنند.

۳.۳. آزمون ریزسختی‌سنجی

نتایج آزمون میکروسختی‌سنجی نشان داد که با افزایش فاصله توقف، سختی نمونه‌ها در مجاورت فصل مشترک به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. در نمونه B (فاصله توقف بالاتر)، بیش‌ترین سختی در فصل مشترک St 321/Al 1050 به حدود ۲۲۸ ویکرز (HV0.1) رسید. در مقابل، در نمونه A (فاصله توقف کمتر)، بیش‌ترین سختی در همین فصل مشترک حدود ۲۰۶ ویکرز بود. همچنین در فصل مشترک اتصال Al 1050/Al 5083، سختی در نمونه B حدود ۸۸ ویکرز و در نمونه A حدود ۷۵ ویکرز اندازه‌گیری شد.

افزایش سختی در نمونه با فاصله توقف بیشتر، ناشی از افزایش انرژی جنبشی برخوردی و در نتیجه تغییر شکل پلاستیکی شدیدتر در فصل مشترک است. این تغییر شکل پلاستیک شدید باعث افزایش چگالی نابجایی‌ها و در نتیجه افزایش سختی می‌شود.

در فصل مشترک St 321/Al 1050، به دلیل اختلاف چگالی و خواص مکانیکی دو فلز و تشکیل ترکیبات بین‌فلزی. سختی به مراتب بیشتری نسبت به فصل مشترک دو آلیاژ آلومینیوم دارد. همچنین، در نواحی نزدیک به فصل مشترک فولاد/آلومینیوم، سختی بیشتر از نواحی دورتر از این فصل مشترک است. که این امر ناشی از انرژی انتقالی ناشی از برخورد دو ورق در حین فرآیند جوشکاری انفجاری است.

۳.۴. نتایج پلاریزاسیون پتانسیودینامیک (Tafel)

منحنی‌های پلاریزاسیون پتانسیودینامیک نمونه‌های جوشکاری‌شده نشان داد که با افزایش فاصله توقف از ۶ به ۶.۷۵ میلی‌متر، پتانسیل خوردگی (E_corr). از ۹۲۰- به ۹۷۶- میلی‌ولت (نسبت به الکترود مرجع کالومل اشباع) کاهش یافت. و چگالی جریان خوردگی (i_corr) از ۳۴.۸۰ به ۶۸.۵۹ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع افزایش یافته است.

افزایش چگالی جریان خوردگی در نمونه با فاصله توقف بالاتر، نشان‌دهنده سرعت خوردگی بیشتر در این نمونه است. علت این پدیده را می‌توان به عوامل زیر نسبت داد:

۱. افزایش انرژی جنبشی برخوردی: با افزایش فاصله توقف و ضخامت بار انفجاری، سرعت حرکت صفحه پرنده و زاویه دینامیکی برخورد افزایش یافت. و در نتیجه انرژی جنبشی برخوردی بیشتری به فصل مشترک منتقل می‌شود.

۲. افزایش تغییر شکل پلاستیک: افزایش انرژی جنبشی باعث تغییر شکل پلاستیکی شدیدتر در فصل مشترک شده و چگالی نابجایی‌ها را افزایش می‌دهد. این نابجایی‌ها به‌عنوان مکان‌های فعال برای شروع خوردگی عمل می‌کنند.

۳. تشکیل ترکیبات بین‌فلزی بیشتر: افزایش انرژی برخوردی منجر به تشکیل مناطق ذوب موضعی بیشتر. و در نتیجه تشکیل ترکیبات بین‌فلزی ترد در فصل مشترک می‌شود. که این ترکیبات به دلیل اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی با فلزات پایه، باعث ایجاد خوردگی گالوانیک می‌شوند.

۴. افزایش ناهمواری‌های سطحی: تشکیل امواج با دامنه بیشتر در فصل مشترک نمونه با فاصله توقف بالاتر. باعث افزایش سطح تماس مؤثر با الکترولیت شده و در نتیجه نرخ خوردگی را افزایش می‌دهد.

لازم به ذکر است که شاخه‌های تافل کاتدی در هر دو نمونه موازی بودند که نشان می‌دهد. مکانیزم احیای یون هیدروژن تحت کنترل فعال‌سازی بوده و تحت تأثیر عملیات اتصال قرار نمی‌گیرد. در مقابل، شاخه‌های آندی متفاوت بوده و به شدت تحت تأثیر پارامترهای جوشکاری انفجاری قرار می‌گیرند.

۳.۵. بررسی نتایج طیف‌نگاری امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)

نمودارهای نایکوئیست حاصل از آزمون EIS نشان داد که نمونه A (فاصله توقف کمتر). دارای قطر حلقه امپدانس بزرگ‌تری نسبت به نمونه B (فاصله توقف بیشتر) است. قطر حلقه امپدانس در نمودار نایکوئیست متناسب با مقاومت پلاریزاسیون (R_p) و در نتیجه مقاومت به خوردگی است. بنابراین، نمونه A با مقاومت پلاریزاسیون بالاتر، مقاومت به خوردگی بهتری نسبت به نمونه B دارد.

داده‌های طیف‌نگاری امپدانس الکتروشیمیایی با استفاده از مدار معادل شامل یک عنصر فاز ثابت (CPE) به جای خازن ایده‌آل، مدل‌سازی شد. استفاده از CPE به دلیل رفتار غیرایده‌آل لایه دوگانه الکتریکی ناشی از ناهمگونی‌های سطح (خشونت سطح، لایه متخلخل، ناخالصی‌ها و غیره) ضروری است. امپدانس یک عنصر فاز ثابت به صورت زیر بیان می‌شود:

$$ Z_{CPE} = \frac{1}{Y_0 (j\omega)^n} $$

که در آن Y0 عامل ادمیتانس و n ضریب غیریکنواختی سطح (اختلاف فاز) است. هر چه عدد n بزرگ‌تر باشد، به معنای پیوستگی و یکنواختی بیشتر در فصل مشترک جوش است. در این حالت، جریان خوردگی کمتر است زیرا جریان خوردگی متناسب با سطح تماس محلول با فلز است.

نتایج نشان داد که ضریب n در نمونه B (فاصله توقف بیشتر) کمتر از نمونه A است. که نشان‌دهنده ناهمواری و ناپیوستگی بیشتر سطح در نمونه B می‌باشد. این ناهمواری‌ها که ناشی از تشکیل امواج با دامنه بیشتر و تشکیل ترکیبات بین‌فلزی در فصل مشترک هستند. سطح تماس مؤثر محلول خورنده با فلز را افزایش داده و در نتیجه جریان خوردگی را افزایش می‌دهند.

بر اساس نتایج EIS، می‌توان نتیجه گرفت که افزایش فاصله توقف و انرژی جنبشی برخوردی، ضمن ایجاد امواج با دامنه بیشتر. و تشکیل ترکیبات بین‌فلزی بیشتر در فصل مشترک، باعث کاهش یکنواختی سطح (کاهش ضریب n) و در نتیجه کاهش مقاومت به خوردگی اتصال می‌شود.

۴. نتیجه‌گیری

در این پژوهش، تأثیر متغیرهای جوشکاری انفجاری (فاصله توقف و ضخامت بار انفجاری). بر رفتار خوردگی اتصال سه‌لایه انفجاری فولادهای Al 5083/Al 1050/St 321 در محیط نمک (۳.۵ درصد NaCl) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل را می‌توان به شرح زیر خلاصه نمود:

نخست، با افزایش فاصله توقف از ۶ به ۶.۷۵ میلی‌متر، مورفولوژی فصل مشترک. از حالت صاف و مسطح به حالت موجی و حتی گردابه‌ای تغییر یافت. این تغییر مورفولوژی ناشی از افزایش انرژی جنبشی برخوردی و در نتیجه افزایش فشار برخوردی و زاویه دینامیکی برخورد است.

دوم، با افزایش فاصله توقف و انرژی جنبشی برخوردی، سختی در مجاورت فصل مشترک به طور قابل‌توجهی افزایش یافت. بیش‌ترین سختی (۲۲۸ ویکرز) در فصل مشترک فولاد/آلومینیوم در نمونه با فاصله توقف بالاتر اندازه‌گیری شد. این افزایش سختی ناشی از تغییر شکل پلاستیکی شدیدتر و افزایش چگالی نابجایی‌ها در فصل مشترک است.

سوم، نتایج آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک نشان داد که با افزایش فاصله توقف. پتانسیل خوردگی از ۹۲۰- به ۹۷۶- میلی‌ولت کاهش یافته و چگالی جریان خوردگی از ۳۴.۸۰ به ۶۸.۵۹ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع افزایش می‌یابد. این امر نشان‌دهنده افزایش سرعت خوردگی در نمونه با فاصله توقف بالاتر است.

چهارم، نتایج طیف‌نگاری امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) نشان داد که نمونه با فاصله توقف کمتر. دارای قطر حلقه امپدانس بزرگ‌تر و در نتیجه مقاومت به خوردگی بالاتر است. همچنین، ضریب غیریکنواختی سطح (n) در نمونه با فاصله توقف بالاتر کاهش یافت. که نشان‌دهنده ناهمواری و ناپیوستگی بیشتر سطح و در نتیجه کاهش مقاومت به خوردگی است.

پنجم، با افزایش فاصله توقف و انرژی جنبشی برخوردی، ضخامت لایه ذوب موضعی. و میزان ترکیبات بین‌فلزی تشکیل‌شده در فصل مشترک افزایش یافته و ترک‌های بیشتری در این مناطق مشاهده شد. این ترکیبات بین‌فلزی ترد و ترک‌های ایجادشده، به‌عنوان نقاط شروع خوردگی عمل کرده و باعث تسریع تخریب اتصال در محیط خورنده می‌شوند.

ششم، افزایش تغییر شکل پلاستیک در اثر افزایش بار انفجاری و فاصله توقف، هرچند به ایجاد اتصال متالورژیکی قوی‌تر با سختی بیشتر کمک می‌کند. اما به دلیل افزایش ناهمواری‌های سطحی، تشکیل ترکیبات بین‌فلزی ترد و افزایش تنش‌های پسماند. مقاومت به خوردگی اتصال را به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

در مجموع، نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که در جوشکاری انفجاری اتصالات سه‌لایه آلومینیوم/فولاد. انتخاب پارامترهای جوشکاری (به ویژه فاصله توقف و ضخامت بار انفجاری). باید با دقت و توازن میان خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی انجام شود.

هرچند افزایش فاصله توقف منجر به ایجاد اتصال متالورژیکی قوی‌تر با استحکام بالاتر می‌شود. اما به دلیل افزایش ناهمواری‌های سطحی، تشکیل ترکیبات بین‌فلزی بیشتر و کاهش یکنواختی سطح، مقاومت به خوردگی اتصال را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. بنابراین، در کاربردهایی که اتصال در معرض محیط‌های خورنده قرار می‌گیرد. استفاده از فاصله توقف بهینه و عملیات حرارتی پس از جوش برای کاهش تنش‌های پسماند و بهبود یکنواختی ریزساختار، توصیه می‌شود.

منابع و مآخذ

Feleh Shargh, S., Saadat, A., Najafi, A., Khanzadeh Gharehshiran, M.R., & Khalaj, G. (2020). Investigating the effect of post weld heat treatment on corrosion properties of explosive bonded interface of AA5083/AA1050/SS 321 tubes. Materials Research Express, 7(3), 036529. [بررسی تأثیر عملیات حرارتی پس از جوش بر خواص خوردگی فصل مشترک اتصال انفجاری لوله‌های AA5083/AA1050/SS 321]

Khalaj, Gh., Fadaei, A. (2023). Effect of post weld heat treatment on the microstructure and mechanical properties of the three-layer explosion welding joint of austenitic steel 321-aluminum 1050-aluminum 5083. Journal of Welding Science and Technology of Iran, 9(1). [بررسی تأثیر عملیات حرارتی پس از جوش بر ریزساختار و خواص مکانیکی اتصال انفجاری سه‌لایه فولاد آستنیتی ۳۲۱-آلومینیوم ۱۰۵۰-آلومینیوم ۵۰۸۳]

Khalaj, Gh., Khalaj, J., Soleymani, F. (2024). Microstructure of the joint interface in three-layer explosive welding of austenitic stainless steel 321 – aluminum 1050 – aluminum 5083 before and after heat treatment. Journal of Welding Science and Technology of Iran, 10(1). [بررسی ریزساختار فصل مشترک اتصال در جوشکاری انفجاری سه‌لایه فولاد زنگ‌نزن آستنیتی ۳۲۱-آلومینیوم ۱۰۵۰-آلومینیوم ۵۰۸۳ قبل و بعد از عملیات حرارتی]

Nazeri, J., Khanzadeh, M.R., Bakhtiari, H., & Seyedraoufi, Z.S. (2024). Investigating the Effect of Explosive Welding Variables on the Corrosion Behavior of Copper–Aluminum–Copper in the Salt Environment. Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 60, 698-705. [بررسی تأثیر متغیرهای جوشکاری انفجاری بر رفتار خوردگی مس-آلومینیوم-مس در محیط نمک]

Khanzadeh, M.R., et al. Investigating the effect of explosive welding parameters on the corrosion behavior of the three-layer explosive weld of Al 1050/Al 5083/St 321 tubes in salt environment. Journal of Welding Science and Technology of Iran. [بررسی تأثیر متغیرهای جوشکاری انفجاری بر رفتار خوردگی اتصال سه‌لایه انفجاری لوله‌های Al 1050/Al 5083/St 321 در محیط نمک]

Interlayer-assisted explosive welding of 5083Al/SS316 composite plates: Interlayer design and thermal stability. Materials Characterization, 228, 2025. [جوشکاری انفجاری با کمک لایه واسط صفحات کامپوزیتی 5083Al/SS316: طراحی لایه واسط و پایداری حرارتی]

Sui, G.F., & Li, J.S. Investigation on the explosive welding mechanism of corrosion-resisting aluminum and stainless steel tubes through finite element simulation and experiments. Springer. [بررسی مکانیزم جوشکاری انفجاری لوله‌های آلومینیوم مقاوم به خوردگی و فولاد زنگ‌نزن از طریق شبیه‌سازی اجزاء محدود و آزمایشات]

Fatigue performance of explosion-cladded steel-to-aluminum transition joints for marine applications. Welding in the World, 2025. [عملکرد خستگی اتصالات انفجاری فولاد به آلومینیوم برای کاربردهای دریایی]