مقدمه ای بر فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

مدت­هاست که گرمادهي اصطکاکي به عنوان يک روش اتصال، فرآوري و عملیات بر روي مواد استفاده مي‌گردد. اولين بار در سال 1945 براي جوشکاري مواد ترموپلاستيک^[1] از پدیده اصطکاک استفاده شد. در اين روش قطعات دوار به هم يا به سطح صاف ديگر اتصال داده مي­شدند. اين روش در سال 1956در شوروي توسط چتوديکف^[2] و بعد از آن در سال 1957 توسط ويل^[3] گسترش يافت ]1[. نهايتا در سال 1991 ميلادي، فرآيند جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي^[4] توسط موسسه TWI انگلستان ابداع گرديد.اين روش اولين بار براي آلياژ‌هاي آلومينيوم ابداع شد که يک روش جوشکاري حالت جامد^[5]محسوب می‌گردد زیرا زیرا روش­هاي جوشکاري ذوبي براي جوش دادن آلياژ‌هاي آلومينيوم که درهوافضا کاربرد وسیعی دارند، کفايت نمي­کند. آلومينيوم­هاي سري xxx2،xxx7،xxx6 و xxx5 را به عنوان آلومينيوم­هاي غير قابل جوش مي­شناسند، به دلیل ساختار ميکروسکوپي ضعيف و خلل و فرج‌­هايي که در منطقه­ياغتشاش باقي می​ماند و خواص منطقه­ي جوش که با فلز پايه قابل مقايسه نيست. بعضي آلومينيوم­ها قابليت جوشکاري خوبی دارند ولي در عوض با اکسيد‌هاي سطحي محدودیت‌های نا‌خواسته‌ایایجاد می‌کنند که بر طرف کردن آن نيز هزینه بر می​باشد]2[.

مجموع عوامل ذکرشده دست به دست هم داده تا فرایند جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي پا به دنياي صنعت بگذارد.  ايده­ي اصلي اين روش بسيار ساده بوده به گونه‌ای که فقط از يک ابزار دوّار مصرف نشدني (يک پين ويژه) برای این منظور استفاده می‌شود. دو فلزي که لازم است جوش داده شوند در وضعيت مناسب محکم نگه داشته و پين وارد خط اتصال بین اين دو فلز مي­شود و همراه با چرخش، طول خط اتصال را طي مي­کند.در نتیجه گرما به کمک اصطکاک بين ابزار و قطعه­کار ايجاد شده و حرارت متمرکز شده باعث نرم شدن مواد در نزديکي پين  می‌گردد، در نهایت حرکت دوار پين، باعث حرکت مواد از جلوي پين به عقب پين گردیده  و بر اثر اين فرایند اتصال در حالت جامد اتفاق مي­افتد]3[. شکل 1-1 نمايي از روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی  و قسمت­هاي مختلف آن را نشان مي­دهد.

شکل Error! No text of specified style in document.شماتیک فرآيند جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي براي اتصال روي هم ورق­ها

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مهم‌ترين پيشرفت در اتصال فلزات در دهه­ي اخير مي­باشد. از جمله مزاياي آن راندمان انرژي بالا با مصرف انرژي کمتر نسبت به روش­هاي ديگر جوشکاري مي­باشد. ميزان آلايندگي کم و همچنين استفاده نکردن از گاز محافظ^[6]، باعث شده به اين روش لقب دوست محيط زيست بدهند. در اين روش هر نوع آلومينيومي را بدون نگراني از سازش­­پذيري ساختاری آن مي­توان به کار برد و به سهولت به هم اتصال داد. اين مزايا باعث شده تا کارشناسان پیشنهاد دهند که تا چند سال آينده اين روش جايگزين بسياري از فرآيند­هاي جوشکاري ذوبي^[7] و حتي مقاومتي در صنعت شود ]3[.

از طرفي اين روش اگرچه توانايي خود را در ايجاد جوش­هايي با کيفيت بهتر به اثبات رسانده است، اما انعطاف­پذيري کم و برخي ويژگي­هاي نامشخص، هنوز صاحبان صنایع در به کارگيري گسترده آن در صنايع تردید دارند، بنابراین بسياري از شرکت­هاي بزرگ توليدي در حال انجام تحقيقات وسيعي در اين زمينه مي‌باشند.

اخيراً تحقيقات زيادي براي مدل سازي حرارتي فرآيند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی انجام​شده​است. تحليل​هاي دمايي براي مدل​سازي اين فرآيند انجام​ مي­شود که تاثير سايش ابزار و قطعه و همچنين تغيير شکل و جريان مواد را در حرارت توليدشده بررسي مي​کند. مدل­هاي مختلف ارائه شده براي نحوه­ي جريان مواد و توزيع حرارت ايجاد شده در حين جوشکاري راه را براي فهم بهتر تحولات ايجاد شده هموارتر مي­کند.

متغیرهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

در فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی متغیرهای زیادی وجود دارند که انتخاب صحیح هر یک از آنها می‌تواند تاثیر عمده ای بر نتایج حاصل از فرآیند داشته باشد. از جمله مهم‌ترین عوامل می توان به سرعت دورانی ابزار، سرعت پیشروی ابزار، زاویه تمایل ابزار نسبت به ورق، نیروی عمودی یا عمق نفوذ ابزار، هندسه ابزار و دمای پیش گرم قطعه کار اشاره نمود.

همان‌گونه که اشاره شد در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی حرکت چرخشی ابزار و اصطکاکی که ایجاد می شود سبب تولید حرارت، افت استحکام و افزایش شکل پذیری مواد اطراف ابزار پین شده و حرکت انتقالی سبب جابجایی مواد از جلوی ابزار به پشت آن و ایجاد اتصال بین ورقها می‌گردد. بنابراین حرارت نقش بسیار مهمی در این فرآیند ایفا می‌کند و پارامترهایی نظیر سرعت دورانی، سرعت پیشروی هندسه ابزار و متغیرهای دیگر فرآیند همگی به نحوی در کنترل میزان حرارت ورودی و به تبع آن نحوه اغتشاش و الگوی جریان ماده، تکامل ریزساختار و در نهایت کیفیت جوشکاری اثر بسزایی دارند.

هندسه ابزار

هندسه ابزار نقش کلیدی در نحوه جریان ماده و دست‌یابی به سرعت جوشکاری مناسب جهت ایجاد جوش سالم و عاری از هرگونه عیب ایفا می‌کند. طراحی هندسه ابزار می‌تواند بر عواملی مانند گشتاور، اندازه نیروهای ایجاد شده و میزان حرارت تولید شده موثر باشد.

از آن‌جایی که حرارت را اصطکاک بین شانه ابزار و قطعه کار تولید می­کند بنابراین هندسه و ابعاد شانه ابزار روی مقدار حرارت تولید شده و دمای بیشینه فرآیند موثر است اما عامل بحرانی تعیین نسبت اندازه شانه به پین می‌باشد. وظیفه دیگر شانه ابزار محبوس نمودن حجم ماده حرارت دیده است. ابزار وظایف دیگری نیز برعهده دارد و آن هم‌زنی و انتقال ماده می‌باشد که توسط پین ابزار صورت می‌گیرد. میزان همگن بودن ریزساختار و خواص جوش به طراحی ابزار بستگی دارد. معمولا از یک ابزار با شانه مقعر و پین استوانه ای رزوه دار به عنوان ابزار استفاده می شود [5]. اما با افزایش تجربه و درک بهتر جریان مواد، ابزارهایی با اشکال هندسی مختلف ساخته شد. شکل 1-3 ابزارهایی با اشکال پیچیده‌تر را نشان می‌دهد که عموما به دلیل دارا بودن شکل هندسی خاص جریان مواد را ساده‌تر می‌نمایند.

شکل 1 -3  :اشکال مختلف و پیچیده تر پین وشانه ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی ]5 و 4[

مزایای جوشکاری و فرآیند اصطکاکی اغتشاشی

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در دهه اخیر به عنوان یک روش بسیار مهم در اتصال فلزات مورد استفاده قرار گرفته است. هم‌چنین به خاطر بازدهی انرژی و مناسب بودن روش از نظر محیط زیستی به عنوان یک تکنولوژی سبز⁵ شناخته می شود. در مقایسه با روشهای سنتی جوشکاری، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مقدار انرژی کمتری مصرف می‌نماید. مواد مصرفی از قبیل گاز محافظ و فلاکس نیاز ندارد و هیچ تابش مضری در طی جوشکاری ایجاد نمی­گردد.

در مقایسه با جوشکاری اصطکاکی سنتی که فرآیند جوشکاری محدود به قطعات کوچک تقارن محوری است و اتصال توسط چرخش و فشار ایجاد می‌گردید، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای قطعات با شکل‌های ساختاری پیچیده و انواع مختلف اتصال نظیر جوش لب به لب، لبه روی هم، T شکل و گوشه‌دار به کار می‌رود. مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در مقایسه با روشهای سنتی در جدول 1-1 بیان گردیده است [12].

جدول1-1مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در مقایسه با دیگر روشها

مزایا و محدودیت های فرآیند جوشکاری اصطکاکی– اغتشاشی

مزیت اصلی FSW نسبت به فرآیندهای جوش سنتی این است که در واقع هیچ ماده‌ای از قطعه کار درگیر ذوب نمی‌شود، بنابراین ضایعات ماده قطعه کار و ابزار حذف می‌گردد.

 برخی از مهم‌ترین مزایای FSW عبارتند از :

• عیوبی مانند تخلخل و جای‌خالی به سبب عدم تشکیل مذاب کمتر می‌باشد.
• پیچیدگی و تنش‌های پسماند در ناحیه جوش حاصل کم می‌باشد.
• از خواص مکانیکی بالاتری برخوردار است.
• صرفه‌جویی در انرژی را افزایش می‌دهد.
• این فرآیند بطور موضعی انجام گردیده و در مقاطعی از قطعه کار که نیاز به تقویت موضعی می‌باشد سودمند است.
• شرایط محیطی (وزش باد، دمای محیط) بر روی آن تاثیرگذار نیست.
• عدم وجود بخارات سمی و اشعه های مضر، باعث تشکیل یک فرآیند ایمن گردیده است [15].

برخی از محدودیتهای مرتبط با فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی عبارتند از:

ü     به گیره بستنقطعه کار دراین فرآیند معیار خیلی مهمی می‌باشد.

ü     سرعت جوشکاری آهسته می‌باشد که می‌تواند منجر به طولانی تر شدن زمان فرآیند شود.

ü     ضخامت سطح جوشکاری در طول این فرآیند بخاطر اینکه ماده پرکننده را دربرنمی‌گیرد کاهش پیدا می‌کند.

ü     یک سوراخ در انتهای مسیر جوش در محل خارج شدن پین از خود بجا می‌گذارد.

ü  انعطاف‌پذیری کمتری نسبت به جوشکاری های دستی و قوسی دارد. (برای جوشکاری باضخامت متغیر وغیرهمراستا مشکلمی باشد) [15].

کاربردهای جوشکاری اصطکاکی– اغتشاشی

کاربرد جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی شامل صنایع مختلفی می‌شود که برخی از آنها عبارتند از :

• صنایع کشتی‌سازی و دریایی:جوشکاری اصطکاکی اغتشاشیبرای کاربردهای از قبیل کشتی سازی مانند ساخت بدنه کشتی­ها، شاسی اسکله‌ها، ادوات ساحلی و غیره مناسب می‌باشد.
• صنایع هوا‌فضایی : جوشکاری نمونه‌های اصلی و تولید قطعات در بیشتر صنایع هوافضا، امروزه توسط جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی صورت می‌گیرد. جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم مخازن سوخت وسایل نقلیه فضایی با موفقیت با روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی انجام گرفته شده و کاربردهای دیگر آن شامل ساخت بال ها و بدنه هواپیما می‌باشد.
• صنایع راه آهن: بیشتر کاربری جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در این صنعت شامل ساخت بدنه کانتینرها، واگن های قطار و غیره می‌باشد.
• صنایع حمل‌ و‌ نقل زمینی: در حال حاضر جوشکاری اصطکاکی اغتشاشیکاربردهای متعددی در شرکت‌های اتومبیل سازی دارد که شامل ساخت شاسی اتومبیل، رینگ چرخ، بدنه کامیون، جرثقیل‌های سیار، بدنه و غیره می‌باشد [15].

• اهداف مورد تحقیق در این فرایند جوشکاری :
• *بهبود نتایج تست کشش و ضربه قطعات اتصال یافته نسبت به نتایج بدست آمده از تست های فوق، برای آلیاژهای مورد استفاده بصورت تکی.
• * کاهش عیوب متالورژیکی در اتصال آلیاژ آلمونیوم به مس.
• * با اعمال ابزار جدید شش گوش و ستاره ای شش پر می توان به همگن شدن منطقه جوش کمک کرد.

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: