فرایند جوشکاری پالس مغناطیسی | MPW

مهندسان کاربردهای گوناگونی را برای فرایند جوشکاری حالت جامدی که به نام جوشکاری پالس مغناطیس | Magnetic Pulse Welding – MPW شناخته می شود، یافته اند. هرچند که این فرایند دهه ها است که شناخته و آزمایش شده، اما به تازگی در برخی از خطوط تولید کاربرد یافته است.

جوشکاری پالس مغناطیس | MPW چگونه کار می کند؟

در این فرایند مقداری بسیار زیادی از انرژی در یک دوره بسیار کوتاه فشرده و تخلیه می شود. به عنوان نمونه برخی از سامانه ها می توانند تا 2 میلیون آمپر در کمتر از 100 میکروثانیه تخلیه کنند. این سرعت زیاد در تخلیه مقدار زیادی از انرژی باعث می شود که هزینه واقعی انرژی بسیار پایین باشد. سیستم الکترونیکی مبتنی بر قدرت خازنی است، با این حال، به دلیل اثر بسیار سریع حرارت گرمای ایجاد شده در فلز ناچیز است.

جريان تخليه از سیم پیچی که موضوع جوشکاری را احاطه نموده، عبور می نماید. سیم پیچ مذکور بدون تماس با قطعات تحت جوشکاری در اطراف آنها پیچیده شده است. عبور جریانی قوی در سیم پیچ، موجب ایجاد جریان القایی (Eddy Current) در لوله بیرونی (Outer Tube) شده که شرایط را جهت اتصال جوشی آن با لوله داخلی (Inner Tube) فراهم می آورد.

هر یک از جریان های فوق، میدان مغناطیسی بسیار قوی ایجاد می کند، اما جهت مخالف آنها موجب می شود که میدان مغناطیسی حاصله یکدیگر را خنثی نمایند. از آنجا که سیم پیچ قوی تر از لوله بیرونی است، لوله بیرونی با سرعت بالا از سیم پیچ دور می شود. اتفاقی مشابه آنچه که در فرایند جوشکاری انفجاری رخ می دهد.

زمان انجام فرایند کمتر از 100 میکرو ثانیه بوده و نرخ تولید را می توان به 2 تا 10 ثانیه افزایش داد. هیچ نوع ماده مصرفی از قبیل گاز، ماده پرکننده (Filler Metal)، پودر جوشکاری (Flux Powder) و سایر مواد به منظور تاثیر گذاری بر جوش نیاز نیست. اجرای مناسب این فرایند نیازمند وجود فاصله ای میان قطعات است، بنابراین تلرانس های ابعادی چندان نگران کننده نمی باشند.

جوشکاری پالس مغناطیس | MPW ، فرایند سرد بوده و دمای فلزات پایه از 30 درجه سانتیگراد فراتر نمی رود. بنابراین اتصال جوشی حاصل از آن فاقد هرگونه منطقه متاثر از حرارت | HAZ بوده و به این دلیل اتصال نه تنها تضعیف نمی شود، بلکه قسمت جوش، قوی ترین قسمت اتصال است.

جوشکاری پالس مغناطیس | MPW برای چه موادی مناسب است؟

این فرایند برای اتصال تمام موادی که هادی جریان الکتریسیته هستند، قابلیت کاربری دارد. هرچه ماده از خاصیت هدایت کنندگی بیشتری برخوردار باشد، انرژی کمتری برای جوشکاری لازم است. ساده ترین مواد برای جوشکاری آلومینیوم و مس هستند. آنها می توانند به هر ماده دیگری جوشکاری شوند.

فرایند جوشکاری پالس مغناطیس | MPW در جوشکاری آلومینیوم به فولاد نیز موفق بوده است. از دیگر فلزات همجنس و غیرهمجنسی که با این فرایند با موفقیت جوشکاری شده اند، عبارتند از:

• آلومینیوم به آلومینیوم
• آلومینیوم به مس
• آلومینیوم به منیزیم
• آلومینیوم به تیتانیوم
• مس به مس
• مس به فولاد
• مس به برنج
• نیکل به تیتانیوم
• نیکل به نیکل
• فولاد به فولاد

فناوری پالس مغناطیسی را همچنین می توان برای اتصال یا چفت نمودن قطعاتی که نیاز به پیوند متالورژیکی ندارند، مانند فلز به غیرفلز استفاده نمود. بطور نمونه می توان یک قفل مکانیکی روی سرامیک، پلیمر، لاستیک و کامپوزیت متصل نمود. بنابراین به انواع چسب و یا گیره های مکانیکی نیازی نخواهد بود. در این فرایند، فلز معمولا منقبض و پیچیده می شود.

کاربردهای صنعتی

یکی از کاربردهای طبیعی جوشکاری پالس مغناطیس | MPW جایگزینی لحیم کاری است. در صنعت لوازم خانگی، تقاضا برای روشی که بتواند با کاهش احتمال ایجاد خوردگی، جایگزین لحیم کاری سنتی شود، رو به رشد است. این فرایند با محدود کردن اثرات متقابل دو فلز (Metallic Interaction)، خطر خوردگی را کاهش می دهد.

با ایجاد کمی تغییر در طراحی، بسیاری از قطعاتی که پیش تر با استفاده از فرایند جوشکاری اصطکاکی | FRW متصل می شدند، می توانند با جوشکاری پالس مغناطیس | MPW اتصال یابند. در بسیاری از موارد این امر اجازه می دهد تا لوله های اکسترود شده به جای میله هایی که نیاز به ماشین کاری دارند، استفاده شود.

این فرایند همچنین کاربردهایی در صنایع خودروسازی یافته است، از جوشکاری لوله های بزرگ شکل گرفته به کمک فرایند هیدروفرمینگ (Hydroforming) تا ساخت چارچوب خودرو (Vehicle Frames) و از اتصال لوله کشی تهویه مطبوع تا پوشش دهی سیستم های اگزوز و جوشکاری لوله های صندلی خودروها می توانند از این فرایند بهره گیرند.

محدودیت های کنونی

جوشکاری پالس مغناطیس | MPW محدود به اتصال روی هم (Lap Joint) قطعات لوله ای شکل است. به دلیل روش انجام کار، امکان ایجاد اتصال سر به سر (Butt Joints) با این فرایند وجود ندارد. هرچند در برخی موارد تغییر طراحی به منظور استفاده از این فرایند در خط تولید امکان پذیر است.

بزرگترین لوله ای که تاکنون با استفاده از فرایند پالس مغناطیس | MPW جوشکاری شده، قطری معادل 5 اینچ داشته است. لازم به ذکر است که این عدد شامل محدودیتی نظری نبوده بلکه به سادگی، تاکنون تقاضا برای استفاده از فرایند در ابعاد بزرگتر وجود نداشته است، لذا تلاشی نیز جهت توسعه قابلیت های فرایند به ابعاد بزرگتر صرف نشده است.

به همین ترتیب، قطعات مسطح یا اشکال دیگر هنوز امتحان نشده اند. قطعات لوله ای شکل (Tubular) ساده ترین هندسه از منظر مصرف انرژی و طراحی سیم پیچ است. تا زمانی که قطعه متحرک توخالی با سطح مقطعی بسته (Tubular) برخوردار باشد (به عنوان مثال، لوله ای با سطح مقطع دایره ای یا مستطیلی شکل (Rectangular Tube)، جریان القایی قوی با سیم پیچ تولید می شود. لوله ای با شکافی در آن، هدایت لازم را نداشته و در نتیجه به درستی واکنش نشان نمی دهد. علاوه بر این، کویل های لوله ای در نوع خود و از منظر انرژی قوی ترین و کارآمدترین هستند. با این وجود، پژوهش و تحقیق جهت استفاده از فرایند جوشکاری پالس مغناطیس | MPV برای سایر مقاطع و اشکال در حال انجام است.

ملاحظات طراحی

توصیه می شود که طراحی اتصالات برای فرایند جوشکاری پالس مغناطیس | MPV با رعایت اصول اساسی ذیل صورت گیرد:

درز اتصال | GAP : این فرایند به طور متوسط به یک میلی متر فاصله بین سطوح لوله ها، به منظور دستیابی به جوش موفقیت آمیز نیاز دارد. اگر قطعات بیش از حد نزدیک باشند، جوش خوبی بدست نمی آید.

همپوشانی | Overlap : به طور کلی همپوشانی به میزان حداقل دو تا سه برابر ضخامت مواد بیرونی جهت رسیدن به جوش مناسب لازم است. افزایش میزان همپوشانی موجب ازدیاد سهولت اجرای این فرایند جوشکاری می شود.

آماده سازی سطح | Surface preparation : پاک سازی مرسوم مورد استفاده در فرایند معمول جوشکاری و لحیم کاری برای فرآیند جوشکاری پالس مغناطیس | MPV نیز کفایت می کند. سرعتی که موج این فرایند تولید می کند لایه های اکسیدی نازک را شکسته و آلودگی را از منطقه جوش دور می کند.

دسترسی | Access : منطقه اتصال نیاز به چند اینچ فاصله با سیم پیچ جهت برای احاطه مفاصل است. سیم پیچ هایی که اغلب در این فرایند مورد استفاده قرار می گیرند، سیم پیچ های بسته بوده که قطعات داخل آنها قرار می گیرند. این برای قطعاتی که قطر حداقل یک انتهای آن بسیار بزرگتر از قطر محل اتصال نیست، مناسب است. هرچند سیم پیچ های قابل انعطاف نیز توسعه داده شده اند که می توانند بر روی قطعاتی که نمی توانند به سیم پیچ وارد شوند، قرار گیرند.

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