Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

تخيل أنك تحاول لصق قطعتين من المعدن معاً، ولكن بدلاً من استخدام الغراء، تستخدم أداة دوارة تقوم بفركهما حتى يسخنا ويصبحا طريين بما يكفي للاندماج. تسمى هذه العملية "اللحام بالاحتكاك التقليبي" (Friction Stir Welding - FSW)، وهي حيلة مفضلة لربط الألمنيوم، المعدن خفيف الوزن المستخدم في الطائرات وعلب الصودا. تكمن المشكلة في أن هذه العملية تسخن المعدن لدرجة أنها تعبث بالبلورات الصغيرة غير المرئية بداخله والتي تجعله قوياً. الأمر يشبه أخذ رف كتب منظم تماماً وهزه حتى تسقط جميع الكتب في كومة فوضوية. ولإصلاح ذلك، غالباً ما يعطي العلماء المعدن "حماماً" من الحرارة يسمى "المعالجة الحرارية بعد اللحام" (Post-Weld Heat Treatment - PWHT). فكر في هذا كزر إعادة ضبط يحاول إعادة تنظيم البلورات واستعادة قوة المعدن. ومع ذلك، هناك فخ: أحياناً، عندما تضغط على زر إعادة الضبط، لا تكتفي البلورات بترتيب نفسها فحسب، بل تنمو لتصبح بلورات عملاقة يمكن أن تجعل المعدن في الواقع أضعف أو أكثر هشاشة. تستكشف هذه الورقة سبيكة ألمنيوم محددة (AA7075) لمعرفة ما إذا كان بإمكاننا التحكم في هذه البلورات العملاقة عن طريق تغيير سرعة دوران الأداة وغمس المعدن الساخن في سوائل مختلفة مثل الماء أو الزيت لتبريده بشكل أسرع.

قرر الباحثون في الجامعة العسكرية للتكنولوجيا في بولندا لعب لعبة "ماذا لو" مع هذا الألمنيوم. أخذوا صفائح من AA7075 ولحموا بعضها باستخدام أداة دوارة بسرعات مختلفة، تتراوح من سرعة بطيئة تبلغ 600 دورة في الدقيقة (rpm) وصولاً إلى سرعة عالية تبلغ 1400 دورة في الدقيقة. ولمعرفة ما إذا كانت سرعة التبريد مهمة، لم يكتفوا بترك المعدن في الهواء؛ بل حاولوا لحام المعدن وهو مغمور في الماء، أو في زيت التبريد، أو في سائل تبريد خاص. وبعد الانتهاء من اللحام، أخضعوا كل وصلة لمعالجة حرارية محددة: وهي الخبز عند 470 درجة مئوية لمدة ساعتين ثم التعتيق عند 120 درجة مئوية لمدة 24 ساعة. كانت هذه هي لحظة "زر إعادة الضبط".

كانت النتائج مزيجاً من الأخبار الجيدة والمفاجأة العنيدة. أولاً، حققت المعالجة الحرارية نتائج مذهلة في جعل المعدن أكثر صلابة وقوة. بالنسبة للوصلات التي لم تكن تحتوي على ثقوب أو شقوق في الأصل، عززت المعالجة الحرارية قدرة المعدن على مقاومة الانحناء (إجهاد الخضوع) بأكثر من 70% وقدرته على التمزق قبل الكسر (مقاومة الشد القصوى) بنحو 35%. في الواقع، كانت الوصلات المرممة الأقوى حتى أقوى من شريحة الألمنيوم الأصلية غير الملحومة. وكان المعدن الذي تم لحامه في الهواء ثم معالجته حرارياً هو النجم الحقيقي؛ فلم يصبح أقوى فحسب، بل أصبح أيضاً أكثر مرونة (مطيلية) بمقين تقريباً، حيث انكسر خارج منطقة اللحام بدلاً من الانكسار في المنتصف تماماً.

ومع ذلك، وجد الباحثون أن أفضل خططهم لمنع ظهور "وحوش البلورات العملاقة" (ظاهرة تسمى نمو الحبيبات غير الطبيعي، أو AGG) لم تنجح تماماً. فبغض النظر عن سرعة دوران الأداة أو ما إذا كانوا قد استخدموا الماء أو الزيت أو الهواء لتبريد المعدن، فإن البلورات العملاقة ظهرت في الجزء العلوي من اللحام (منطقة تأثير الكتف). وفي كثير من الحالات، غزت أيضاً الجزء السفلي من اللحام (منطقة تأثير المسمار). واتضح أن مجرد تبريد المعده بشكل أسرع أو تدوير الأداة بشكل أسرع لم يكن كافياً لمنع هذه البلورات من النمو الجامح أثناء المعالجة الحرارية.

كان هناك جانب مظلم للتجربة أيضاً. فعندما استخدم الباحثون زيت التبريد، علق الزيت داخل طبقات المعدن. وعندما قاموا بخبز المعدن لاحقاً، حاول الزيت المحبوس الهروب، مما أدى إلى تكوين فقاعات وشقوق دمرت الوصلة. كانت هذه الوصلات المعيبة ضعيفة وهشة، بغض النظر عن مدى محاولة المعالجة الحرارية جعلها قوية. وبالمثل، عندما أداروا الأداة بسرعة كبيرة جداً (1200 أو 1400 دورة في الدقيقة)، ظهرت ثقوب وفراغات في المعدن، مما جعل المنتج النهائي ضعيفاً مرة أخرى.

وعندما نظروا في كيفية انكسار المعدن، رأوا قصة فوضوية. لم ينكسر المعدن ببساطة بشكل نظيف؛ بل أظهر مزيجاً من الكسر على طول حدود البلورات (الكسر بين الحبيبات) والتمزق عبر البلورات نفسها (الكسر المنقر). وأحياناً، عملت الجسيمات الصغيرة داخل المعدن مثل مراسي صغيرة ساعدت في تشكيل الثقوب، مما أدى إلى حدوث الكسر. تشير الدراسة إلى أنه بينما تجعل المعالجة الحرارية المعدن أقوى، إلا أنها لا تعالج المشكلة الأساسية المتمثلة في نمو هذه البلورات العملاقة، ولا تعالج الثقوب أو الشقوق الناتجة أثناء عملية اللحام بشكل سحري. والخلاصة هي أنه بينما يمكننا جعل الألمنيوم قوياً جداً مرة أخرى، إلا أننا لم نجد بعد طريقة بسيطة لمنع البلورات العملاقة من السيطرة على الجزء العلوي من اللحام، وبالتأكيد لا يمكننا استخدام الزيت لتبريد المعدن إذا أردنا وصلة مثالية.