جوشکاری حرارتی چه فرایندی است؟

جوشکاری حرارتی شامل استفاده از یک منبع حرارتی برای ذوب کردن دو قطعه فلز جداگانه به منظور اتصال آنها به یکدیگر است. بسته به منبع گرما، می توان یکپارچگی ریزساختارها را حفظ کرد و کیفیت جوشکاری می تواند از ضعیف تا خوب باشد. اما حفظ سطوح بالای همه جنبه ها دشوار است. جوشکاری اصطکاکی همزن (FSW) با حفظ یکپارچگی ریزساختاری تا حدودی بالاتر با یک ابزار استوانه ای چرخان انجام می شود که مواد را از طریق اصطکاک گرم و پلاستیک جوش می دهد. این ابزار گاهی اوقات می تواند برای انواع خاصی از فلزات و ترکیبات مشکل ساز شود.

مبانی جوشکاری اصطکاک

جوشکاری فیوژن شامل اعمال گرمای مستقیم به درز دو صفحه یا ورق فلز است. به عنوان مثال می توان به جوشکاری قوس الکتریکی و جوشکاری لیزر اشاره کرد. انواع مختلفی از جوشکاری تلفیقی وجود دارد زیرا منبع گرما می تواند متفاوت باشد و هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. به عنوان مثال، جوشکاری قوس فلزی دستی یک جوش نسبتاً ناپاک تولید می کند و باید توسط یک انسان انجام شود، زیرا نمی تواند خودکار باشد. ارزان تر از سایر اشکال است. جوشکاری لیزر می تواند فلز ضخیم و محکم را برش داده و در فرآیندی کاملاً خودکار جوشهای بسیار تمیز ایجاد کند، اما خرید و نگهداری لیزر بسیار گران است.

جوشکاری اصطکاکی با اصطکاک گرما ایجاد می کند. ابزاری استوانه ای روی شانه به مفصل گسترش می یابد، جایی که برای تولید گرمای اصطکاکی می چرخد. پس از گرما  دادن به اندازه کافی، فلز به پلاستیک متصل می شود و نوک چرخان کار می کند تا هر دو طرف اتصال را با هم مخلوط کرده و به دو طرف متصل شود. سپس این ابزار از خط مشترک پیروی می کند و روند را تا زمانی که کل خط به هم متصل شود ادامه می دهد. جوشکاری اصطکاکی باعث ایجاد جوشکاری تمیز می شود و می تواند بر روی فلزاتی که ترکیب آنها از نظر ساختاری پیچیده است مانند فولاد یا فولاد ضد زنگ عمل کند. با این حال، به دلیل ترکیب پین و شانه، محدودیت های سرعت در جوشکاری اصطکاک با هم وجود دارد.

فرآیند جوشکاری حرارتی

جوشکاری حرارتی ترکیبی از خصوصیات تولید حرارت جوشکاری همجوشی و خصوصیات همزن جوشکاری اصطکاکی است. ابتدا، یک منبع حرارتی، که می تواند یک مشعل پلاسما، لیزر یا هر منبع دیگری باشد که در جوشکاری همجوشی استفاده می شود، فلز را تا حد پلاستیک شدن گرم می کند. از فرایندهای گرمایش القایی نیز می توان استفاده کرد. سپس، یک ابزار همزن با یک انگشت به سطح مفصل فشار می آورد و در امتداد خط اتصال می چرخد​​، دو طرف را با هم مخلوط می کند و یک اتصال جامد ایجاد می کند.

مزایا و معایب جوشکاری حرارتی

از آنجا که هم گرمایش و هم اتصال به طور جداگانه کنترل می شود، تولیدکنندگان از قابلیت انعطاف پذیری بالایی در روند کار برخوردارند. می تواند کاملاً خودکار یا ترکیبی از اتوماسیون و کار دستی باشد. همچنین می تواند با سهولت بیشتری به فلزات یا آلیاژهای فلزی غیر مشابه بپیوندد. جوشکاری فوق العاده تمیز خواهد بود، زیرا تبلور مجدد ایجاد شده توسط ابزار چرخان کنترل خواهد شد، اما متصل شده پلاستیک به فلز به دلیل منبع حرارت جایگزین بسیار سریعتر خواهد بود.

برنامه های کاربردی برای جوشکاری حرارتی

جوشکاری حرارتی با استفاده در نظر گرفته شده در کاربردهای جوشکاری در هوافضا توسط ناسا اختراع شد. تاکنون، این صنعت با استفاده از جوشکاری حرارتی وسایل مورد نیاز خود را تهیه می کند. با این حال، می توان آن را به راحتی تقریباً در هر صنعتی که از اشکال دیگر جوشکاری استفاده می کند سازگار کرد. کشتی سازی، مخازن سوخت، قطعات و سازه های خودرو، ساخت و ساز و راه آهن همه از جوشکاری همجوشی یا جوشکاری اصطکاکی استفاده می کنند و برای برخی از برنامه های خاص که به افزایش سرعت در عین حفظ دقت تحمل نیاز دارند، جوشکاری از نوع حرارتی می تواند گزینه مناسبی باشد.

نکته

با توجه به آخرین سطح هنر، فرآیند جوشکاری حرارتی بی شماری برای اتصال قطعات ترموپلاستیک وجود دارد. هر فرآیند جوشکاری، اعم از ابزار گرم شده، مادون قرمز یا لیزر، مزایا و معایب خاص فرآیند را به همراه دارد. انتخاب یک فرآیند نیاز به دانش تخصصی در مورد فرآیندهای مختلف جوشکاری و مواد مورد استفاده دارد. این شرکت برای جوشکاری همزمان دستگاه جوشکاری لیزر چند فیبر را تولید کرده است. در جوشکاری می توان درز جوش را به طور همزمان گرم و بهم متصل کرد، بنابراین می توان ضخامت های ثابت درز را به دست آورد.

نکته دیگر

علاوه بر تقویت مداوم دستگاه جوشکاری ارتعاشی با 240 هرتز و 100 هرتز، ترکیبی از پیش گرمایش مادون قرمز و جوشکاری ارتعاشی را در کارنامه خود دارد. به طور کلی، تشکیل ذرات در منطقه جوش به دلیل حرکت اصطکاک در جوشکاری ارتعاشی اجتناب ناپذیر است. به ویژه در مورد اجزای حامل مایعات، این می تواند چالش های قابل توجهی ایجاد کند. اتصال جوشکاری ارتعاشی متداول با یک واحد پیش گرم مادون قرمز باعث کاهش تشکیل ذرات در جوش شده و منجر به درزهای جوشکاری نوری می شود.

فناوری های جدید و استفاده از جوشکاری حرارتی

نویسندگان یک فناوری جوشکاری حرارتی را با درمان اولتراسوند برای خطوط لوله گردش خون NPP پیشنهاد کرده اند. این فناوری می تواند با کاهش تنش های باقیمانده، اندازه دانه و گاززدایی اتصالات جوش خورده مقاومت اتصالات جوشی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. قرار گرفتن در معرض سونوگرافی سرعت جوشکاری را افزایش می دهد و باعث کاهش مصرف جریان می شود، بنابراین باعث صرفه جویی در انرژی می شود.

فرآیند جوشکاری با این فناوری

همانطور که مشخص است، ظرفیت تحمل اتصالات جوشکاری شده به طور قابل توجهی کمتر از فلز پایه است. این امر به دلیل ظهور تنشهای داخلی و باقیمانده در فرآیند جوشکاری است که به تنشهای عملیاتی افزوده می شود، در نتیجه منجر به تخریب فلز اتصال جوش می شود. در حال حاضر، معمولاً کاهش تنشهای باقیمانده در اتصالات جوشی خطوط لوله و تجهیزات NPP در گردش با استفاده از روشهای تعدیل حرارتی و تغییر شکل است.

سخن پایانی

روش های حرارتی و تغییر شکل ممکن است تنش های باقیمانده در HAZ را کاهش دهند اما بی ثباتی ساختاری و ناهمگنی فیزیکی و شیمیایی را از بین نمی برند، و در نتیجه باعث ایجاد تنش های داخلی و ریز ترک ها در فلز جوش می شوند. متخصصان مهندسی انرژی هسته ای فناوری جوشکاری حرارتی را با فرآیند اولتراسونیک در طی فرآیند جوشکاری ایجاد کرده اند، در نتیجه ساختار فلزی ریزدانه و یکدست می شود. تنشهای داخلی حذف شده و تنشهای باقیمانده در منطقه تحت تأثیر گرما تخلیه می شوند.

منابع: kunststoffe – thomasnet – sciencedirect