جوشکاری اصطکاکی (FSW) | کاربرد ، مزایا و محدودیت ها

جوشکاری اصطکاکی – اختلاطی (Friction Stir Welding) ، یک فرآیند حالت جامد است، فرایندی معمول جهت اتصال فلزات و ترموپلاستیک ها در صنعت خودروسازی می باشد. 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. روش های متعددی برای جوشکاری اصطکاکی وجود دارد که جهت اتصال طیف گسترده ای از مواد فلزی و غیرفلزی مورد استفاده قرار می گیرد. در ادامه برخی از این روش توضیح داده شده اند.

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

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.

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.

فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی | FSW

از جدیدترین انواع فرایند جوشکاری اصطکاکی که کاربرد گسترده ای در صنعت جوشکاری دارد، فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی | Friction Stir Welding – FSW است که در آن دوران یک ابزار غیرمصرفی، همزمان با حرکت انتقالی آن در طول درز جوش، باعث اتصال دو قطعه به یکدیگر می شود.

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 – اختلاطی

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 – اختلاطی با موفقیت انجام می شود، بطور مثال؛ در فولادهای پر استحکام، فولاد زنگ نزن و تیتانیوم.

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.

پارامترهای اصلی فرآیند جوشکاری اصطکاکی – اختلاطی

تأثیر	پارامتر
ایجاد حرارت اصطکاکی مخلوط کردن مواد شکستن لایه اکسیدی مورد بر روی سطوح	سرعت چرخش پین
ظاهر جوش کنترل حرارت	سرعت جوشکاری
حرارت اصطکاکی ثابت نگه داشتن وضعیت پن نسبت به قطعه	نیروی عمودی

محدوده دمای جوشکاری برای آلیاژ های مختلف :

محدوده دمایی (درجه سانتیگراد)	گروه آلیاژی
440 – 550	آلیاژهای آلومینیوم
250 – 350	آلیاژهای منیزیم
600 – 900	آلیاژهای مس
650 – 800	فولاد های کربنی و کم آلیاژ
700 – 950	آلیاژهای تیتانیوم

کاربرد فرآیند جوشکاری اصطکاکی – اختلاطی

برای اتصالات Butt (اتصالات لب به لب یا سر به سر) از فرآیند FSW استفاده می شود.
صنایع هوا فضا
صنایع کشتی سازی
صنایع خودرو سازی

مزایا و محدودیت های فرآیند جوشکاری اصطکاکی – اختلاطی

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.

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.
- 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.

از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.

وینر ابزاری برای فردا

وبلاگ