جوشکاری اصطکاکی (FRW) چیست؟ معرفی کاربرد، مزایا و معایب

جوشکاری اصطکاکی (FRW) یک فرایند جوشکاری حالت جامد است که مزایای بی‌شماری نسبت به تکنیک‌های سنتی دارد. برخلاف روش‌های جوشکاری معمولی که شامل ذوب مواد است، در این روش به کمک حرارت اصطکاکی و فشار مکانیکی، پیوندهای قوی و باکیفیت ایجاد می‌شود. این رویکرد نوآورانه منجر به بهبود خواص جوش، از جمله افزایش استحکام مکانیکی و مقاومت بالا خواهد شد. اگر با این روش جدید آشنا نیستید، همراه ابزار جوش و برش وینر باشید تا به بررسی دقیق فرایند جوشکاری اصطکاکی بپردازیم.

جوشکاری اصطکاکی چیست؟

جوشکاری اصطکاکی (Friction welding)، در سال 1991 و در کمبریج اختراع شد. این روش شامل همجوشی مواد، بدون ذوب آنها و اغلب با استفاده از گرمای حاصل از اصطکاک و فشار است. گرما در اثر تماس یک قطعه متحرک با یک قطعه ثابت تولید شده و برای ایجاد حالت خمیری در فصل مشترک مواد مورد استفاده قرار می گیرد، در همان حال اعمال فشار جانبی موجب امتزاج و ایجاد اتصال می شود. به صورت کلی در FRW یک ابزار چرخان و غیر قابل مصرف قرار دارد که در ناحیه اتصال بین دو قطعه کار فرو می رود. همانطور که ابزار در امتداد خط جوش حرکت می کند، گرمای اصطکاکی ایجاد می کند و مواد را بدون رسیدن به نقطه ذوب نرم می کند. فشار مکانیکی اعمال شده توسط ابزار سپس یک پیوند حالت جامد بین قطعات کار ایجاد می کند و یک جوش بدون درز با حداقل اعوجاج و نقص ایجاد می کند.

جوشکاری اصطکاکی قادر به اتصال آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مس، آلیاژهای تیتانیوم، فولاد ضدزنگ و آلیاژهای منیزیم است. علاوه بر این، اتصالات فلزات غیرمشابه، مانند آلومینیوم به آلیاژهای منیزیم هم را هم انجام می‌دهد. این روش بیشتر مناسب قطعات مسطح و بلند است، اما می‌تواند برای لوله‌ها، مقاطع توخالی و قعطات کوچک هم مورد استفاده قرار گیرد. روش های متعددی برای جوشکاری اصطکاکی وجود دارد که جهت اتصال طیف گسترده ای از مواد فلزی و غیرفلزی مورد استفاده قرار می گیرد.

مراحل انجام جوشکاری اصطکاکی

1. ابتدا دو قطعه کار فلزی که قرار است جوش داده شوند به هم گیره می‌شوند. این دو قطعه می‌توانند به صورت لب به لب یا روی هم قرار بگیرند.
2. در این روش از یک ابزار استوانه‌ای استفاده می‌شود. این ابزار از یک شانه و پین تشکیل شده، شانه از طریق اصطکاک گرما تولید می‌کند، در حالیکه وظیفه پین چرخش و حرکت است. این ابزار استوانه‌ای در سرعت‌های بین 400 تا 6000 دور در دقیقه می‌چرخد و به صورت عمودی در دو قطعه‌ای که قرار است جوش بخورند، قرار می‌گیرد.
3. پس از یک دوره تثبیت حرارتی به مدت 1 تا 5 ثانیه ابزار استوانه‌ای با سرعت ثابت شروع به حرکت می‌کند. سرعت حرکت بستگی به نوع و ضخامت مواد دارد. گرمای ناشی از اصطکاک سبب شده تا فلز نرم و چکش‌خوار شود. این حالت به پین اجازه می‌دهد تا قطعات را به خوبی با هم مخلوط کرده و متصل کند.
4. هنگامی که جوش به خوبی شکل می‌گیرد، ابزار استوانه‌ای به صورت عمودی به بالا می‌رود و یک سوراخ خروجی را در پشت ایجاد می‌کند. در حالیکه ممکن است به نظر برسد. این سوراخ نقص است اما با تکنیک‌های مختلف می‌توان این سوراخ را برطرف کرد.

به صورت کلی جوشکاری اصطکاکی به صورت زیر انجام می‌شود:

انواع روش های جوشکاری اصطکاکی برای جوشکاری فلزات

جوشکاری اصطکاکی فلزات اغلب به یکی از سه روش ذیل صورت می گیرد:

•    جوشکاری اصطکاکی دورانی
•    جوشکاری اصطکاکی خطی
•    سطح سازی اصطکاکی

در ادامه به بررسی هر کدام از این روش‌ها می‌پردازیم.

جوشکاری اصطکاکی دورانی

در این روش قطعات یکی از قطعات ثابت و دیگری متحرک است. قطعه دوران کننده توسط دستگاهی به چرخش درآمده و همزمان انرژی دورانی در چرخی (Flywheel) ذخیره می گردد. با رسیدن نرخ دوران به مقداری مشخص، موتور الکتریکی خاموش شده و همزمان دو قطعه به یکدیگر فشرده می شوند. اصطحاک ایجاد شده مابین قطعه دوار که به واسطه اتصال به چرخ ذخیره کننده انرژی به دوران خود ادامه می دهد و قطعه ثابت، باعث ایجاد حرارت و خمیری شدن فصل مشترک دو قطعه شده و فشار اعمالی موجب امتزاج و اتصال آنها می گردد. این روش با نام روش جوشکاری اصطکاکی اینرشیال (Inertial) نیز شناخته می شود.

جوشکاری اصطکاکی خطی

این روش مشابه روش جوشکاری اصطکاکی دورانی بوده، به غیر از اینکه نوسان خطی جای حرکت دورانی را گرفته است. در این روش قطعه متحرک مجاز است تا نسبت به قطعه ثابت به شکل موج سینوسی حرکت نماید و نیروی جانبی در طول محور نوسان تا زمان ایجاد جوش و برقراری اتصال اعمال می شود.

سطح سازی اصطکاکی

در این روش به یک میله با پوشش مخصوص اجازه داده می شود تا روی بستری چرخانده شده و به این وسیله لایه ای از جوش را بر روی آن ایجاد نماید. در این فرآیند، لایه رسوب داده شده یکنواخت بوده و به دلیل برخورداری از امتزاج پایین، ترکیبی مشابه با میله مصرفی دارد. از مزایای مهم این روش صرفه اقتصادی آن است.

انواع روش های جوشکاری اصطکاکی برای جوشکاری ترموپلاستیک ها

جوشکاری اصطکاکی ترموپلاستیک ها اغلب به یکی از دو روش ذیل صورت می گیرد:

•    جوشکاری اصطکاکی ارتعاشی
•    جوشکاری اصطکاکی مداری | Orbital

جوشکاری اصطکاکی ارتعاشی

در این فرآیند، اجزای در تماس، تحت فشار قرار گرفته و سپس به آنها اجازه ارتعاش داده می شود تا بر یکدیگر بلغزند. گرمای حاصل از اصطکاک موجب خمیری شدن موضع اتصال شده و فشار اعمالی موجب امتزاج و اتصال قطعات به یکدیگر می شود.

جوشکاری اصطکاکی مداری | Orbital

در این فرایند به اجزای در تماس اجازه داده می شود تا در یک مدار کوچک در برابر یکدیگر بچرخند. پس از رسیدن به گرمای مورد نیاز، سطوح در تماس اجزاء با فشار به یکدیگر متصل می شوند.

فلزات قابل جوش با فرایند جوشکاری اصطکاکی

فرایند جوشکاری اصطکاکی برای مواد و متریال مختلف مناسب است و مورد استفاده قرار می‌گیرد:

آلومینیوم: قبل از اختراع جوشکاری اصطکاکی، برخی از آلیاژهای آلومینیوم قابل جوش نبودند؛ بعنوان مثال، سری 2000 و سری 7000. بعد از اختراع این روش، مشخص شد به راحتی میتوان این سری از آلیاژهای آلومینیوم را به خوبی جوش داد.

مس و آلیاژهای آن: مس رسانایی الکتریکی و حرارتی بالایی دارد. به همین دلیل جوشکاری قطعات مسی بسیار مشکل بود. با اختراع این روش میتوان جوشکاری مسی و آلیاژهای آن به سهولت انجام می‌شود.

منیزیم: انجام فرایندهای جوشکاری منیزیم با استفاده از تکنیک‌های جوشکاری به نسبت دشوار است. به کمک جوشکاری اصطکاکی می‌توان به راحتی منیزیم و آلیاژهای آن را جوش داد.

فولاد و آلیاژهای آهنی: به کمک جوشکاری اصطکاکی میتوان انواع قطعات فولادی ضدزنگ را جوش داد، از طرفی دیگر این روش کمک به کاهش اعوجاج نیز می‌کند. قطعات فولادی FCW دارای عیوب کمتری بوده و مقرون به صرفه تر هستند.

تیتانیوم: به کمک انواع فرایندهای جوشکاری، میتوان قطعات تیتانیوم را به هم متصل کرد، اما مشکل زمانی رخ می‌دهد که کیفیت جوش ضعیف است. جوشکاری اصطکاکی به شما کمک می‌کند تا قطعات تیتانیوم را با بالاترین کیفیت جوش دهید.

هافینم و زیرکونیوم: در صنعت برق، پالایش نفت و پتروشیمی از این دو فلز استفاده می‌شود. FCW میتواند به اتصال آسان و موثر قطعات هافینم و زیرکونیوم کمک کند.

تفاوت جوشکاری اصطکاکی و جوشکاری ذوبی

در جدول زیر تفاوت جوشکاری اصطکاکی با جوشکاری ذوبی (SMAW- GTAW – MIG) آورده شده است:

محاسبه گرمای تولید شده در جوشکاری اصطکاکی

گرمای مورد نیاز در این فرآیند جوشکاری اصطکاکی از رابطه زیر محاسبه می شود:

Q: گرمای تولید شده

μ: ضریب اصطکاک بین پین و قطعه

ω: سرعت چرخش ابزار

K: عدد ثابت مربوط به هندسه پین مورد استفاده

وقتی پین وارد قطعه می شود، مقداری از ماده را برداشته و هنگامی که می چرخد، در قسمت پشت پین فورج می کند. لذا به این طریق شیار ایجاد شده پر می شود و پس از سرد شدن قطعات، اتصال شکل می گیرد. از عیوب احتمالی این روش، در چگونگی پر شدن این شیار است.

هر چه لبه های استوانه کندتر باشد، بهتر است؛ زیرا که نباید در حین فرآیند، برش در قطعه ایجاد شود. در این روش پین با سرعت زاویه ای ɷ و با سرعت انتقالی v حرکت می کند.

نکاتی در مورد فرآیند  اصطکاکی 

به صورت کلی 4 ناحیه اصلی در جوشکاری اصطکاکی وجود دارد:

• ناحیه A: منطقه ای که فقط گرم می شود و ریزساختار و خواص مکانیکی آن دستخوش تغییر نمی شود.
• ناحیه B: ناحیه متأثر از حرارت یا HAZ نامیده می شود که هیچگونه تغییر فرم پلاستیکی در ناحیه اتفاق نمی افتد.
• ناحیه C: این ناحیه هم تحت تأثیر حرارت قرار دارد و هم تغییر فرم پلاستیکی در آن اتفاق می افتد و با عنوان (TMAZ : Thermomechanically Affected Zone) شناخته می شود. در دیگر فرآیندهای جوشکاری این ناحیه وجود ندارد. ندرتاً در برخی از جوشکاری های فشاری سرد، ممکن است TMAZ وجود داشته باشد. مثلاً؛ در مورد فلز آلومینیوم در ناحیه C، مرزدانه ها از بین رفته و تغییرفرم در داخل ماده ایجاد می شود.
• ناحیه D: در این قسمت تبلورمجدد بطور کامل اتفاق می افتد. این ناحیه بیشترین تغییر شکل و دما را نسبت به سایر قسمت ها داشته و همین باعث می شود که دمای تبلورمجدد پایین تر آمده و آسان تر رخ دهد.

ویژگی‌های فرایند جوشکاری اصطکاکی

• هر چه v کمتر باشد، انتقال حرارت در قطعه بالاتر خواهد بود.
• به ازای v و ɷ ثابت، هر چه نیروی عمودی که به ابزار وارد می شود بیشتر باشد، حرارت بیشتری در ناحیه جوش بوجود می آید.
• فلز پایه معمولاً هیچ تأثیری از فرآیند نمی گیرد.
• این روش بیشتر برای آلومینیوم و آلیاژهای سری 2xxx و 7xxx آن کاربرد دارد.
• در این فرآیند ضخامت صفحاتی که قرار است بهم جوش داده شوند در محدوده 0.5 – 65 mm قراردارد، در این شرایط جوش بدون هیچگونه تخلخل و جاهای خالی درونی انجام می پذیرد.
• در گذشته این فرآیند بیشتر در مورد فلزات غیر آهنی بکار گرفته می شد، اما امروزه برای برخی از مواد پیشرفته نیز کاربرد دارد.
• در مورد موادی که دمای ذوب بالایی دارند، فرآیند جوشکاری اصطکاکی با موفقیت انجام می شود، بطور مثال؛ در فولادهای پر استحکام، فولاد زنگ نزن و تیتانیوم.

پارامترهای اصلی فرآیند جوشکاری اصطکاکی 

محدوده دمای جوشکاری برای آلیاژ های مختلف :

مزایا و محدودیت های فرآیند جوشکاری اصطکاکی

مزایا:

• اعوجاج در این روش  مخصوصا در طول های بسیار زیاد، ناچیز است. زیرا فلزات وارد منطقه مذاب نمی شوند. در صورتی که مذاب ایجاد شود بدلیل انبساط و انقباض حین ذوب و انجماد، اعوجاج در ساختار بوجود می آید.
• چون ذوب شدن مطرح نیست، لذا جذب گاز نیز صورت نمی گیرد. بنابراین تخلخل در ساختار جوش بوجود نمی آید.
• به لحاظ عدم ایجاد ذوب، دود و آلودگی هایی که در دیگر فرآیندهای ذوبی وجود دارد، در این روش ایجاد نمی شود. این مسئله هم از نقطه نظر بهبود دید جوشکار و هم از نقطه نظر مباحث زیست محیطی بسیار حائز اهمیت است.
• پاشش مذاب در این روش وجود ندارد. در صورت وجود پاشش در فرآیندهای جوشکاری، ظاهر جوش کثیف شده و نیازمند تمیزی کازی است. خود این نکته هزینه  اضافی بر فرآیند تحمیل می کند.
• تنش های پسماند بسیار کمی در این روش ایجاد می شود.
• این فرآیند در همه موقعیت ها قابل اجراست، چه خطی، چه صفحه ای، چه حجمی.
• ابزار و تجهیزات پیچیده ای نیاز ندارد.
• می تواند در هر موقعیتی کار کند
• با استفاده از فناوری ماش
• بدون نیاز به مواد پرکننده، شار یا گاز محافظ برای آلیاژهای آلومینیوم
• ین ابزار، فرآیند را به صورت خودکار آسان می کند، بسیار قابل تکرار است و نیاز به جوشکاران ماهر را کاهش می دهد.

محدودیت ها:

• • سرعت جوشکاری در این روش نسبت به سایر روش های جوشکاری ذوبی پایین تر است. این امر به ضخامت قطعه هم بستگی دارد. در ضخامت های بالا می بایست از پاس جوش های بیشتری برای اتصال استفاده کرد.
  • سوراخ خروجی باقی مانده پس از بیرون کشیدن ابزار از موادی که باید به هم وصل شوند.
  • دو قطعه ای که قرار است به هم جوش داده شوند باید به نیروی زیادی در کنار هم نگه داشته شوند.
  • وقتی از روی قطعه جوشکاری انجام می شود می بایست پشت بند وجود داشته باشد.
  • در انتهای فرآیند یک سوراخ ایجاد می شود، البته امروزه با استفاده از برخی تکنیک های ذوبی این سوراخ پر می شود.
  • از جمله معایب این روش ایجاد زائده ای روی ناحیه جوش است.
  • شکاف بین قطعاتی که باید به هم متصل شوند باید کنترل شوند زیرا هیچ ماده پرکننده در این فرآیند استفاده نمی شود
  • نیاز به نیروی رو به پایین و نیروهای عبوری به این معنی است که گیره بر روی قطعاتی که باید به یکدیگر متصل شوند بسیار مهمتر از جوش های قوس الکتریکی است.
  • انعطاف کمتری نسبت به فرآیندهای دستی و قوس الکتریکی (مشکلات با تغییرات ضخامت و جوش های غیر خطی).

کاربردهای جوشکاری اصطکاکی

جوشکاری اصطکاکی به طور گسترده در بسیاری از صنایع برای اتصال اجزای مختلف فلزی استفاده می‌شود. جوشکاری اصطکاکی کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف از جمله مهندسی هوافضا، خودروسازی و دریایی پیدا کرده است. توانایی آن در ایجاد ساختارهای سبک و با استحکام بالا، آن را برای ساخت قطعاتی مانند پانل‌های بدنه، قاب‌های خودرو و بدنه کشتی ایده‌آل می‌کند. با پیشرفت تکنولوژی، FRW همچنان انقلابی در شیوه ساخت ساختارهای پیچیده ایجاد می کند. در ادامه به بررسی برخی از این صنایع می‌پردازیم:

• صنعت خودروسازی: بسیاری از قطعات در صنعت خودروسازی، مانند موتورها، جعبه محفظه باتری، فریم موتور خودرو مبدل کیسه هوا و.. از جوشکاری اصطکاکی استفاده می‌شود.
• صنعت شبکه و ارتباطات: قطعات مختلف دستگاه‌های مخابرات، اجزای ارتباطی اینترنت و… برای اتصال دو قسمت نیاز به جوشکاری اصطکاکی دارند.
• صنعت هوافضا: در صنعت هوافضا برای اتصال لوله ها به هم از جوشکاری اصطکاکی استفاده می‌شود.
• صنایع کشتی سازی: بسیاری از پروژه‌های بزرگ و کوچک در صنعت کشتی سازی از جوشکاری اصطکاکی برای سرعت بخشیدن به ساخت و ساز استفاده می‌شود. این امر موجب صرفه جویی در زمان و کاهش هزینه‌ها خواهد شد. به کمک جوشکاری FRW میتوان کف، عرشه، پل‌ها، دیواره‌ها، پنل‌ها، راهروها و… را جوش داد.
• صنعت کشاورزی: بسیاری از قطعات در صنعت کشاورزی مانند پمپ آب، چرخ دنده پمپ آب، موتورهای دیزلی و… نیاز به جوشکاری اصطکاکی دارند.

سخن پایانی

با تحقیق و توسعه مداوم، پتانسیل جوشکاری اصطکاکی نامحدود است. مهندسان و محققان به طور مستمر در حال بررسی مواد جدید و بهبود فرآیندها برای بهبود بیشتر کیفیت و کارایی جوش هستند. همانطور که FRW به طور گسترده پذیرفته می شود، آماده است تا چشم انداز تولید مدرن را تغییر دهد و راه حل های پایدار و مقرون به صرفه را برای طیف گسترده ای از کاربردها ارائه دهد. در نتیجه، جوشکاری اصطکاکی  یک تکنیک جوشکاری پیشرفته است که مزایای زیادی نسبت به روش های سنتی دارد. FRW با استفاده از قدرت حرارت اصطکاکی و فشار مکانیکی، جوش های قوی و باکیفیت با خواص مکانیکی برتر ایجاد می کند. همانطور که صنایع همچنان از این فناوری نوآورانه استقبال می کنند، آینده جوشکاری اصطکاکی روشن تر از همیشه به نظر می رسد. از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.

سوالات متداول

در انتها به بررسی سوالات متداول شما عزیزان پیرامون جوشکاری اصطکاکی می‌پردازیم:

[sp_easyaccordion id=”15830″]

منابع:

sunrise-metal – twi-global – hindawi