جوشکاری اصطکاکی - اغتشاشی
نوشته شده در تاریخ 1400/7/29 ساعت 8:11 بامداد
Image Not Loaded

 

جوشکاري اصطکاکي - اغتشاشي:

ايده اصلي جوشکاري اصطکاکي بسيار ساده مي باشد. يک وسيله دوار مصرف نشدني (يک پين ويژه همراه با دندانه) را در نظر بگيريد. دو فلزي را که مي خواهند جوش بدهند در کنار هم محکم قرار مي دهند و پين وارد خط اتصال اين دو فلز مي شود و همراه با چرخش، طول خط اتصال را طي مي کند. پين دو عمل اصلي را انجام مي دهد:


• گرم کردن قطعه توسط اصطکاک
• حرکت دادن مواد به منظور اتصال

 

گرمايي که از اصطکاک بين پين و قطعه کار حاصل مي شود، باعث تغييرشکل پلاستيک قطعات شده و سبب اتصال قطعات به يکديگر مي شود. به عبارت ديگر، حرارت متمرکز شده باعث نرم شدن مواد اطراف پين مي شود و از طرفي حرکت دوار پين باعث حرکت مواد از جلوي پين به عقب پين مي شود. بر اثر اين پروسه اتصال در حالت جامد رخ مي دهد. به علت ساختار هندسي پين، موادي که در اطراف پين حرکت مي کنند به خوبي با يکديگر ترکيب مي شوند. در جوشکاري FSW مواد در گرماي بالا تغيير شکل زيادي مي دهند و ساختار دانه هاي کريستالي قطعه نهايي به صورت هم محور و منظم مي باشد که اين خود باعث مطلوب شدن خواص مکانيکي آن قسمت مي شود. اين نوع جوشكاري در زمره پروسه هاي جوش حالت جامد مي باشد.

 

روش هاي جوشكاري حالت جامد که بيشتر متداول هستند عبارتند از:

جوشكاري اصطكاکي welding Friction
جوشكاري فشاري welding Pressure
جوشكاري آهنگري يا پتكه اي welding Forge
جوشكاري با امواج صوتي welding Ultrasonic


برخلاف فرآيندهاي حالت ذوبي که محل اتصال در نتيجه ذوب موضعي دو قطعه و تداخل آنها و عمل انجماد انجام مي شد، در جوشکاري حالت جامد اتصال بدون تشكيل مذاب انجام مي شود ولي ممكن است فيلمي از فلز مذاب در يك مرحله مياني از عمليات بين سطوح اتصال ايجاد گردد .اگرچه فلز مذاب معمولاً به طور کامل از جوش جدا مي شود،ولي در حضور کوتاه خود نقش مفيدي را در انجام جوش ايفا مي آند.
به طورکلي جوشكاري اصطكاکي بر اساس تبديل انرژي مكانيكي به انرژي گرمايي استوار است که دو قسمت مورد اتصال را به هم نزديك کرده و با ايجاد حرارت دوراني سريع يكي از آنها بر روي ديگري و اصطكاك دو قطعه، گرماي زيادي توليد شده و موجب حالت پلاستيسيته در لبه هاي اتصال مي شود و در نهايت با فشار اعمال شده نهايي، قطعات در هم فرو مي روند و اتصال ايجاد مي شود. 

 

 

 

مكانيزم اتصال :

همانطور که مي دانيم، سطوح در مقياس ميكروسكوپي داراي برآمدگي ها و فرورفتگي هايي هستند و علاوه بر آن، يک لايه اکسيدي نازك و يا ناخالصي هاي ديگر بر روي سطح پوشيده شده است. هرگاه سطوح به طورکامل در کنار هم قرار نگيرند نيروي چسبندگي بين مولكولي بين آنها برقرار نشده و در نتيجه اتصال انجام نمي گيرد. هدف اصلي در جوشكاري اصطكاکي برطرف نمودن اين ناهمواري ها و ناخالصي ها و اعمال فشار براي اتصال دو سطح است. هنگامي که دو سطح با فشار معين بر روي هم کشيده مي شوند، نقاط بلند به يکديگر برخورد کرده و از بين مي روند، همزمان لايه اکسيدي برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با يكديگر قرار مي گيرند و بدين ترتيب يك باند يا چسبندگي موقت (Seizures) به وجود مي آيد. با ادامه حرارت، اين چسبندگي از بين مي رود (بريده شده) و يك باند تازه تر به وجود مي آيد. بدين ترتيب انرژي مكانيكي به حرارتي تبديل شده و به تدريج درجه حرارت سطح افزايش مي يابد. بنابراين استحكام فشاري کاهش يافته و تغيير شکل پذيري راحت تر انجام مي گيرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگي کامل قرار مي گيرند. با فرض اين که نرخ حرارت توليدي بيشتر از حرارت فروکشي باشد، درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستيكي نيز بيشتر مي شود تا جايي که استحكام فشاري قادر به تحمل نيروي فشاري نيست و سطح زير فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو مي روند و حتيکمي به بيرون بر مي گردند. به علت وجود حرکت چرخشي، نياز است تا حداقل يكي ازاين دو قطعه در محل اتصال داراي سطح مقطع دايره اي  باشند.

 

جوشكاري اصطكاکي به طور کلي به دو دسته تقسيم مي شود: 

الف) جوشكاري اصطكاکي لحظه اي friction Inertia

ب) جوشكاري اصطكاکي مداوم friction drive Continuous

 

امروزه روش هاي پيشرفته که ترکيبي از دو تكنيك بالاست به کار مي رود هر دو روش جوشكاري مي تواند بدون توقف و به طور کامل به صورت ماشيني انجام شود و مي توان پارامترهاي عملياتي را از قبل برنامه ريزي نمود. FRW براي قطعاتي که بتوان آنها را از نظر اندازه و شكل با ماشين جوش اصطكاکي تطبيق داد بکار مي رود. در اين روش هيچ ماده filler يا پر کننده لازم نيست، به عنوان مثال براي جوشكاري فولاد کربني ساده و آلياژي حفاظت با گاز لازم نمي باشد. جوش بدست آمده از اين روش کيفيت بالايي دارد و براي توليدات انبوه مقرون به صرفه است. با پيشرفت هاي صورت گرفته در اين زمينه، مي توان به جاي عمل چرخش در جوشكاري اصطكاکي، از حرکت يکنواخت طولي بهره گرفت که باعث گسترش اين فرآيند و تطبيق قطعات متنوع با اين روش شده است. براي توليد يك جوش قابل قبول پارامترهاي عملياتي از قبيل نيروي اعمالي، سرعت چرخش و زمان مي تواند در بازه گسترده اي تغيير کند. نيروي اعمالي بايد به مقدار کافي بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با يكديگر نگه دارد. زمان عمليات هم بايد به گونه اي باشد که اکسيداسيون سطوح به حداقل برسد. نيروي ناکافي حرارت کمتري ايجاد مي کند که منجر به عدم اتصال مناسب سطوح مي گردد، از طرف ديگر نيروي بيش از اندازه، حرارت زيادي توليد مي کند که منجر به ذوب شدن دو فلز مي شود. به عنوان مثال براي جوشكاري فولاد نيروي فشاري در محدوده  60-30  مگاپاسکال (MPa) و سرعت زاويه اي حداقل min/m 90 مي باشد. زمان گرمادهي براي قطعات آوچك از 5 تا 10 ثانيه مي باشد. زمان بايد به اندازه کافي باشد تا اجازه رسانش گرمايي به بخش هاي مرکزي سطوح که داراي حرکت نسبي کمتري براي توليد حرارت مي باشند را بدهد از طرف ديگر افزايش زمان گرمادهي منجر به افزايش سطح مقطع اتصال و گسترش منطقه HAZ در دو طرف جوش به طور غيرعادي مي شود.

 

مزاياي جوشکاري FSW:

FSW به عنوان مهم ترين پيشرفت در اتصال فلزات در دهه ي اخير مطرح بوده است و تکنولوژي "سبز" است که بازده انرژي بالا دارد و در مقام مقايسه با ساير روش هاي جوشکاري متداول، FSW انرژي بسيار کمتري مصرف مي کند و هيچ گاز محافظ يا سرباره اي استفاده نمي شود به همين علت دوست محيط زيست ناميده مي شود و اتصال شامل هيچگونه فلز پر کننده اي نمي باشد و همچنين هر نوع آلومينيومي بدون دلواپسي از سازش پذيري ساختارش مي توان به کار برد و هر نوع آلومينيومي و کامپوزيتي مي توانند به يکديگر با سهولت وصل شوند و در مقايسه با روش جوش کاري اصطکاکي قديمي، که معمولا بر روي قطعات قرينه و کوچک که مي چرخيدند و فشار داده مي شدند تا جوش بخورند، جوش کاري اصطکاکي فعلي در انواع مختلف اتصالات مانند اتصال زير، اتصال لب به لب، اتصال T و اتصالات فيلت به کار مي رود. اخيرا به وسيله Mishra روش Process Stir Friction) FSP) ابداع شده است به عنوان وسيله اي که ساختار ميکروسکوپي را اصلاح مي کند و بر پايه قوانين FSW بنا شده است براي مثال ميزان ابر پلاستيکي در نرخ تنش هاي بالا در AL7075 مشاهده شده است، علاوه بر اين از FSP براي توليد سطح کامپوزيتي روي آلومينيوم و هموژن کردن  (يکنواخت کردن در کليه جهات) پودرهاي آلومينيوم و اصلاح ساختار کامپوزيتهاي فلزي و بهبود خواص در آلياژهاي ريخته گري کاربرد دارد. به طور خلاصه ازمزايا و محدوديت هاي جوشكاري اصطكاکي ميتوان به موارد زير اشاره کرد.

 

مزايا :

  1. عدم نياز به فلاکس ( روانساز) ، ماده پر کننده و گاز محافظ
  2. مصرف انرژي الكتريكي کمتر
  3.  عمليات جوشكاري نسبتا تميز و بدون قوس الكتريكي، دود و گاز
  4. منطقه Haz باريك و داراي دانه هاي ريز تر حتي نسبت به فلز اصلي
  5. اکثر مواد و فلزات را ميتوان با اين روش جوشكاري نمود و تقريبا هيچ محدوديتي نداريم

 

محدوديت ها :

  1. يكي از قطعات بايد گرد باشد.
  2.  بايد داراي شكل و طرحي باشد که بتوان آن را بروي دستگاه بست و به چرخش درآورد. (البته اين محدوديت با طراحي هاي جديد بر طرف شده است )
  3.  هزينه هاي مصرفي نسبتا بالاست.

 

پارامتر هاي جوشکاري:

 

در جوشکاري FSW چهار پارامتر بسيار مهم وجود دارد:

  1. سرعت چرخش پين 
  2. سرعتي که پين خط اتصال را طي مي کند
  3. زاويه انحراف ابزار از خط عمود بر سطح قطعه کار
  4. نيروي عمودي وارد بر ابزار توسط کلگي دستگاه 

 

 

حرکت چرخشي پين موجب به جنبش درآمدن و مخلوط شدن مواد به دور پين مي شود و اين کار باعث حرکت مواد از جلوي پين به عقب پين مي شود. سرعت چرخش بالاتر پين موجب توليد دماي بالاتر مي شود زيرا همان گونه که قبلاً گفته شد موجب گرماي اصطکاکي بيشتر و مخلوط شدن و جنبش شديدتر مواد مي شود و در نتيجه گرماي بيشتري توليد مي کند هر چند گرماي توليدي توسط ميزان جفت شدن سطح ابزار (سطح Shoulder ) با قطعه کار کنترل مي شود. بنابراين، با افزايش سرعت چرخش پين نبايستي انتظار داشت که گرماي توليدي نيز به طور يکنواخت افزايش يابد با وجود اين که ضريب اصطکاک در سطح با افزايش سرعت چرخش پين تغيير مي کند علاوه بر سرعت چرخش پين و سرعت انتقال آن بر روي قطعه، زاويه بين پين و قطعه نيز داراي اهميت مي باشد. يک خمش (زاويه) مناسب بين پين و قطعه کار در حين پيمودن مرز جوشکاري موجب مي شود که مطمئن شويم Shoulder مواد حرکت داده شده را مي پوشاند (مانع از ائتلاف حرارت مي شود) به کمک دندانه هاي پين و حرکت موثر مواد از جلوي پين به پشت پين. و همچنين عمق نفوذ پين درون قطعه کار (که اصطلاحاً target depth گفته مي شود) براي بدست آوردن جوشي بي نقص با سطح Shoulder صيقلي، پارامتري حائز اهميت است.

عمق نفوذ توسط طول پين تعيين مي گردد. هنگامي که عمق نفوذ بسيار کم باشد و Shoulder با سطح در تماس نباشد. بنابراين، بر اثر چرخش، مواد به صورت موثر نمي توانند از جلوي پين به عقب پين حرکت کنند در نتيجه جوش با کانالهاي داخلي و يا سطحي شيار دار حاصل مي شود و هنگامي که عمق نفوذ بسيار زياد باشد. موجب فرورفتن Shoulder درون قطعه کار و ايجاد flash) گرمايي يا جرقه زدن) بيش از حد مي شود و در اين مورد، يک جوش کاملاً مقعر بدست مي آيد که موجب نازکي موضعي ورق هاي جوش داده مي شود و بايستي اشاره کرد که به لطف پيشرفت در طراحي Shoulder ،Shoulder هاي ساخته شده که همواره زاويه خمش آنها با سطح صفر مي باشد [همواره عمود بر سطح هستند] که اين Shoulder ها در جوشکاري سطوح منحني شکل کاربرد دارند. پيش گرم کردن و يا سرد کردن مي تواند براي بعضي از جوش کاري هاي FSW مهم باشد. براي موادي با دماي ذوب بالا مانند فولاد و تيتانيم يا مواد با ضريب رسانايي حرارتي بالا مانند مس، گرماي توليد شده به کمک اصطکاک و جنبش براي بدست آوردن موادي نرم و پلاستيکي شده در اطراف پين کافي نمي باشد. و در اين صورت بدست آوردن جوش بي نقص بسيار مشکل است. دراين مواد پيش گرم کردن و يا استفاده از منبع گرمايي خارجي به flow material و افزايش window process] قابليت جوش کاري فلزات] کمک مي کند و در طرف ديگر، موادي با دماي ذوب پايين مانند آلومينيوم و منگنز هستند که سرد کردن آنها موجب کاهش رشد دانه ها و انحلال تنش هاي پس ماند مي شود. پيشرفتهاي جوشکاري FWS امروزه باتوجه استفاده گسترده از اين روش جوشکاري در دنيا پيشرفتهاي گسترده اي در آن به وقوع پيوسته است از جمله استفاده از سيستمهاي رباتيک براي انجام اين نوع جوشکاري که سرعت انجام اين نوع جوشکاري را بالا برده است. کاربرد جديد ديگر از اين نوع جوشکاري در صنايع خودرو سازي است که امروزه از اين نوع جوشکاري در اين صنايع استفاده گسترده مي شود .

پوشش کاري بوسيله جوشكاري اصطكاکي: پوشش کاري بوسيله جوشكاري اصطكاکي هم اکنون تحت مطالعات زيادي قرار دارد زيرا به قلمرو فلزات، آلياژها و همچنين کامپوزيت ها قدم گذاشته است و يك لايه کاملاً مجزا از پوشش را روي ماده زيري اعمال مي کند يكي از امتيازات و مزيت هاي اين روش نسبت به ساير روش هاي پوشش کاري اين است که محلول پس زده شده و فلز مذاب پايه ندارد. پوشش دهي اصطكاکي از مشكل ناشي از ذوب ماده مصرف شدني در هوا به وسيله مكانيزم پيچيده انجماد رسوب به همراه هيدروژن بدست آمده و ترك هاي سرد و شرايط نامطلوب سطحي همراه با دانه هاي حاصل از جوشكاري (beads) جلوگيري مي کند در پوشش کاري اصطكاکي از يك ماده مصرف شدني دوار که مي توان يك شمش جامد فلزي با سطح مقطع گرد و با يك تيوپ فلزي پر شده از يك ماده انتخابي استفاده مي شود انتهاي آزاد ماده مصرف شدني با اعمال يك فشار بر روي سطح زير لايه (سطح قطعه کار) آورده مي شود و به دليل اين که ماده مصرفي دوار داراي مقاطع کوچكتراست دماي آن سريع تر بالا مي رود بدين سان قطعه کار با يك حوزه گرمايي و يك منطقه HAZ حداقل روبرو مي شود هنگامي که انتهاي گرم ماده مصرف شدني در حال چرخش، پلاستيسيته مي شود ماده مصرف شدني زير يك فشار به سطح فلز پايه جوش مي خورد. شكل زير ضرورت تكنيك پوشش کاري اعمالي و يك ماشين در حال آار را نشان مي دهد. راهنماي عمليات و پارامترهاي مورد نياز پروسه استخراج و فهرست شده اند ماده مصرف شدني در شكل زير  يك شمش با سطح مقطع گرد با قطر mm 25 است که يك لايه با ضخامت حدودي 2 ميلي متر با نرخ تقريبي 5.4 گرم بر ساعت با سرعت دوران rpm 975 در زير فشار عمودي 28 کيلو نيوتن با سرعت سير 9.4 ميلي متر بر ثانيه نشان مي دهد سرعت دوران هاي بالاتر منجر به لايه رسوب نازکتر مي شود وکيفيت جوش در فصل مشترك با قطعه بهبود مي يابد نيروي محوري کمتر ضخامت لايه رسوب را افزايش مي دهد اما پهناي باند موثر را کاهش مي دهد.

 

اشتراک گذاری مطلب
تست