سرعت چرخشی بهینه در جوش‌کاری اصطکاکی تلاطمی فلز مس مورد استفاده در مخازن پس‌مانداری هسته‌ای

نوع مقاله: یادداشت علمی و فنی

نویسندگان

پژوهشکده‌ی مواد، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 1589-81465، اصفهان ـ ایران

چکیده

برای دفن پس‌ماندهای هسته‌ای تولید شده در رآکتورهای هسته‌ای از مخزن‌های مسی جدار ضخیم و با مقاومت بالا در برابر خوردگی استفاده می‌کنند. در سال‌های اخیر برای بهبود خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی مخزن‌های مسی از روش جوش‌کاری اصطکاکی تلاطمی استفاده شده است. پیش از این برای جوش‌کاری این مخازن از روش جوش‌کاری با باریکه‌ی الکترونی استفاده می‌شد. جوش‌کاری اصطکاکی تلاطمی به دلیل این‌که در حالت جامد انجام می‌شود تنش پس‌ماند کم‌تری در فلز ایجاد می‌کند و در نتیجه مقاومت در برابر خوردگی فلز نسبت به دیگر روش‌های جوش‌کاری که در حالت مذاب صورت می‌گیرند، بهبود می‌یابد. در این مقاله برای دست‌یابی به سرعت چرخشی بهینه در جوش‌کاری اصطکاکی تلاطمی، ورق‌های مسی به ضخامت mm 4 با سرعت خطی ثابت 25 میلی‌متر بر دقیقه به روش جوش‌کاری اصطکاکی تلاطمی جوش‌کاری شدند. توزیع دمایی اندازه‌گیری شده در منطقه‌ی جوش حاکی از افزایش شدید دما با افزایش سرعت چرخشی از 900 به
1200 دور بر دقیقه بود. تجزیه و تحلیل تصویرهای فلزنگاری نشان داد که افزایش سرعت چرخشی باعث افزایش اندازه‌ی دانه‌ی فلز مس در منطقه‌ی مرکزی جوش می‌شود. در بررسی‌های مربوط به خواص مکانیکی نمونه‌ها مشاهده شد که سختی بیشینه در سرعت چرخشی 900 دور بر دقیقه به دست می‌آید. هم‌چنین استحکام بیشینه و درصد ازدیاد کمینه‌ی طول نیز در این سرعت چرخشی حاصل می‌شود.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimum rotational speed in FSW of copper canisters for nuclear waste

نویسندگان [English]

  • Mehrdad Ajabshiri
  • Hasan Rezaei
  • Ezat Nazari
  • Ahmad Nozad Golikand
چکیده [English]

The high-level radioactive waste will be encapsulated in copper canisters and stored in a deep repository. High power electron beam welding was the only viable method available at that time for welding thick section copper. In recent years, friction stir welding has been replaced with electron beam welding because of the promotion in mechanical properties and corrosion resistance of copper canisters. FSW is used in solid state, therefore residual stresses produced in the weld is less than that of other welding processes which are performed in the molten state. To obtain optimum rotational speed, FSW was carried out in copper plates with a thickness of 4 mm at a constant speed of 25 mm/minute. The temperature distribution indicated a severe increasing of temperature upon increasing the rotational speed from 900 to 1200 rpm. Also, analysis of the metallographic images showed that the grain size in the nugget zone increases by increasing the rotational speed. Vickers hardness test was conducted on the welded samples and the maximum hardness was obtained at a rotational speed of 900 rpm. Results of tensile tests and their comparison with those of the base metal showed that the maximum strength and minimum elongation are achieved at the same rotational speed.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nuclear waste
  • FSW
  • Mechanical properties
  • Copper

[1] L. Cederqvist, T. Oberg, Reliability study of friction stir welded copper canisters containing Sweden’s nuclear waste, Reliability Engineering and System Safety, 93 (2008) 1491–1499.

[2] T. Källgren, Friction Stir Welding of Copper Canisters for Nuclear Waste, Department of Materials Science and Engineering. Licentiate Thesis, Stockholm, Sweden (2005).

[3] R.S. Mishra, Z.Y. Ma, Friction stir welding and processing, Materials Science and Engineering, R: Reports., 50 (2005) 1-78.

[4] W.M. Thomas, E.D. Nicholas, Friction stir welding for the transportation industries, Materials and Design., 18 (1997) 269-273.

[5] H.J. Liu, H. Fujii, M. Maeda, K. Nogi, Tensile properties and fracture locations of friction-stir-welded joints of 2017-T351 aluminum alloy, Journal of Materials Processing Technology., 142 (2003) 692-696.

[6] T.R. McNelley, S. Swaminathan, J.Q. Su, Recrystallization mechanisms during friction stir welding/processing of aluminum alloys, Scripta Materialia., 58 (2008) 349-354.

[7] R.E.A.C.G. Andersson, Fabrication of containment canisters for nuclear waste by friction stir welding, Proceedings of the First International Symposiumon Friction Stir Welding, (June 1999).

[8] T.T.T. Hautala, Friction stir welding method, Proceedings of the Sixth International Conference on Trendsin Welding Research, (2003) 324-328.

[9] K.T. PARK Hwa Soon, NAGANO Yoshitaka, NAKATA Kazuhiro, USHIO Masao. Friction stir welding of copper and copper alloys, Osaka University, Joining and Welding Research Institute., 32, 1 (2003) 43-46.

[10] T.M. Sakthivel, J. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded copper, Journal of Materials Science., 42 (2007) 8126-8129.

[11] G.M. Xie, Z.Y. Ma, L. Geng, Development of a fine-grained microstructure and the properties of a nugget zone in friction stir welded pure copper, Scripta Materialia., 57 (2007) 73-76.

[12] R. Nandan, T. DebRoy, H.K.D.H. Bhadeshia, Recent advances in friction-stir welding-Process, weldment structure and properties, Progress in Materials Science., 53 (2008) 980-1023.

[13] J.J. Shen, H.J. Liu, F. Cui, Effect of welding speed on microstructure and mechanical properties of friction stir welded copper, Materials & Design. 31 (2010) 3937-3942.

[14] P. Xue, G.M. Xie, B.L. Xiao, Z.Y. Ma, L. Geng, Effect of Heat Input Conditions on Microstructure and Mechanical Properties of Friction-Stir-Welded Pure Copper, Metallurgical and Materials Transactions A., 41 (2010) 2010-2021.

[15] J.E.I. A Polar, Microstructural Assessment of Copper Friction Stir Welds, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 131 (2009) 031012.

[16] W.B. Lee, S.B. Jung, The joint properties of copper by friction stir welding, Materials Letters., 58 (2004) 1041-1046.

[17] M. Mahoney, C. Rhodes, J. Flintoff, W. Bingel, R. Spurling, Properties of friction-stir-welded 7075 T651 aluminum, Metallurgical and Materials Transactions A., 29 (1998) 1955-1964.

[18] G. Liu, L.E. Murr, C.S. Niou, J.C. McClure, F.R. Vega, Microstructural aspects of the friction-stir welding of 6061-T6 aluminum, Scripta Materialia, 37 (1997) 355-361.

[19] Y. Sato, H. Kokawa, M. Enomoto, S. Jogan, Microstructural evolution of 6063 aluminum during friction-stir welding, Metallurgical and Materials Transactions A., 30 (1999) 2429-2437.

[20] B. Heinz, B. Skrotzki, Characterization of a friction-stir-welded aluminum alloy 6013, Metallurgical and Materials Transactions B., 33 (2002) 489-498.

[21] K. Jata, K. Sankaran, J. Ruschau, Friction-stir welding effects on microstructure and fatigue of aluminum alloy 7050-T7451, Metallurgical and Materials Transactions A., 31 (2000) 2181-2192.

[22] C.G. Rhodes, M.W. Mahoney, W.H. Bingel, R.A. Spurling, C.C. Bampton, Effects of friction stir welding on microstructure of 7075 aluminum, Scripta Materialia., 36 (1997) 69-75.

[23] Y.K. Sato, Hiroyuki, Distribution of tensile property and microstructure in friction stir weld of 6063 aluminum, Metallurgical and Materials Transactions A., 32 (2001) 3023-2031.