جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

 

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای اولین بار برای آلیاژهای AL ابداع گشت و یک روش جوش کاری حالت جامد است . چون روش های جوشکاری فعلی برای جوش دادن آلیاژهای آلومینیوم که در هوا فضا کاربرد دارند، کفایت نمی کند . آلومینیوم های سری 2xxx و 7xxx را به عنوان آلومینیوم های غیر قابل جوش می شناسند ، به خاطر ساختار میکروسکوپی ضعیف و خلل و فرج های که در منطقه FZ باقی می ماند و خواص منطقه جوش با فلز پایه قابل مقایسه نیست . بعضی آلومینیوم ها قابلیت جوشکاری دارند ولی در عوض با اکسیدهای سطحی مشکل بزرگی دارند که بر طرف کردن آن نیز گران می باشد . مجموع این عوامل دست به دست هم داد که در سال  1991 The welding institute) TWI) روش FSW را اختراع کرد.(Friction Stir Welding) 

  ایده اصلی جوشکاری اصطکاکی بسیار ساده می باشد. یک وسیله دوّار مصرف نشدنی (یک پین ویژه همراه با دندانه) را در نظر بگیرید. دو فلزی را که می خواهند جوش بدهند در کنار هم محکم قرار می دهند و پین وارد خط اتصال این دو فلز می شود و همراه با چرخش ، طول خط اتصال را طی می کند. پین دو عمل اصلی را انجام می دهد:

•·         گرم کردن قطعه توسط اصطکاک

•          حرکت دادن مواد به منظور اتصال

گرما به کمک اصطکاک بین پین و قطعه کار و تغییر فرم پلاستیک قطعه به دست می آید. حرارت متمرکز شده باعث نرم شدن مواد اطراف پین و به همراه حرکت دوار پین، باعث حرکت مواد از جلوی پین به عقب پین می گردد و بر اثر این پروسه اتصال در حالت جامد اتفاق می افتد به علت ساختار هندسی پین ، موادی که در اطراف پین حرکت می کنند به خوبی با یکدیگر ترکیب می شوند .  در جوشکاری FSW مواد در گرمای بالا تغییر شکل زیادی می دهند و ساختار نهایی ، دانه های کریستالی هم محور و خوبی دارد و همچنین دارای خواص مکانیکی مطلوبی است.

 مزایای جوشکاری FSW

FSW به عنوان مهم ترین پیشرفت در اتصال فلزات در دهه ی اخیر مطرح بوده است و تکنولوژی "سبز" است که بازده انرژی بالا دارد و در مقام مقایسه با سایر روش های جوشکاری متداول ، FSW انرژی بسیار کمتری مصرف می کند و هیچ گاز محافظ یا سرباره ای استفاده نمی شود به همین علت دوست محیط زیست نامیده می شود و اتصال شامل هیچگونه فلز پر کننده ای نمی باشد و همچنین هر نوع آلومینیومی بدون دلواپسی از سازش پذیری ساختارش می توان به کار برد و هر نوع آلومینیومی و کامپوزیتی می توانند به یکدیگر با سهولت وصل شوند و در مقایسه با روش جوش کاری اصطکاکی قدیمی ، که معمولا بر روی قطعات قرینه و کوچک که می چرخیدند و فشار داده می شدند تا جوش بخورند ، جوش کاری اصطکاکی فعلی در انواع مختلف اتصالات مانند اتصال زبر،اتصال لب به لب ،اتصال تی و اتصالات فیلت به کار می رود.                                                                                                         

اخیرا به وسیله Mishra روش FSP) Friction Stir Process) ابداع شده است به عنوان وسیله ای که ساختار میکروسکوپی را اصلاح می کند و بر پایه قوانین FSW بنا شده است برای مثال میزان ابر پلاستیکی در نرخ تنش های بالا در AL7075 مشاهده شده است ، علاوه بر این از FSP برای تولید سطح کامپوزیتی روی آلومینیوم و هموژن کردن پودرهای آلومینیوم و اصلاح ساختار کامپوزیتهای فلزی و بهبود خواص در آلیاژهای ریخته گری کاربرد دارد.

پارامتر های جوشکاری

در جوشکاری FSW دو پارامتر بسیار مهم وجود دارد:

1-سرعت چرخش پین (w, rpm) ساعت گرد و یا غیر ساعت گرد بدون آن .

2-سرعتی که پین خط اتصال را طی می کند (v, mm/min) .

حرکت گردش پین موجب به جنبش درآمدن و مخلوط شدن مواد به دور پین می شود و این کار باعث حرکت مواد از جلوی پین به عقب پین می شود. سرعت چرخش بالاتر پین موجب تولید  دمای بالاتر می شود زیرا همان گونه که قبلاً گفته شد موجب گرمای اصطکاکی بیشتر و مخلوط شدن و جنبش شدیدتر مواد می شود و در نتیجه گرمای بیشتری تولید می کند هر چند گرمای تولیدی توسط میزان جفت شدن سطح ابزار (سطح Shoulder) با قطعه کار کنترل می شود.

بنابراین، با افزایش سرعت چرخش پین نبایستی انتظار داشت که گرمای تولیدی نیز به طور یکنواخت افزایش یابد با وجود این که ضریب اصطکاک در سطح با افزایش سرعت چرخش پین تغییر می کند علاوه بر سرعت چرخش پین و سرعت انتقال آن بر روی قطعه، زاویه بین پین و قطعه نیز دارای اهمیت می باشد. یک خمش (زاویه) مناسب بین پین و قطعه کار در حین پیمودن مرز جوشکاری موجب می شود که مطمئن شویم Shoulder مواد حرکت داده شده را می پوشاند (مانع از ائتلاف حرارت می شود) به کمک دندانه های پین و حرکت موثر مواد از جلوی پین به پشت پین.

و همچنین عمق نفوذ پین درون قطعه کار (که اصطلاحاً عمق نفوذگفته می شود) برای بدست آوردن جوشی بی نقص با سطح صیقلی، پارامتری حائز اهمیت است. عمق نفوذ توسط طول پین تعیین می گردد. هنگامی که عمق نفوذ بسیار کم باشد و شولدر با سطح در تماس نباشد. بنابراین، بر اثر چرخش، مواد به صورت موثر نمی توانند از جلوی پین به عقب پین حرکت کنند در نتیجه جوش با کانالهای داخلی و یا سطحی شیار دار حاصل می شود و هنگامی که عمق نفوذ بسیار زیاد باشد. موجب فرورفتن درون قطعه کار و ایجاد فلش(گرمایی یا جرقه زدن) بیش از حد می شود و در این مورد، یک جوش کاملاً مقعر بدست می آید که موجب نازکی موضعی ورق های جوش داده می شود و بایستی اشاره کرد که به لطف پیشرفت در طراحی ،شولدرهایی ساخته شده که همواره زاویه خمش آنها با سطح صفر می باشد [همواره عمود بر سطح هستند] که این شولدر ها در جوشکاری سطوح منحنی شکل کاربرد دارند.

پیش گرم کردن و یا سرد کردن می تواند برای بعضی از جوش کاری های اصطکاکی اغتشاشی مهم باشد.

برای موادی با دمای ذوب بالا مانند فولاد و تیتانیم یا مواد با ضریب رسانایی حرارتی بالا مانند مس، گرمای تولید شده به کمک اصطکاک و جنبش برای بدست آوردن موادی نرم و پلاستیکی شده در اطراف پین کافی نمی باشد. و در این صورت بدست آوردن جوش بی نقص بسیار مشکل است. دراین مواد پیش گرم کردن و یا استفاده از منبع گرمایی خارجی به جریان مواد و افزایش قابلیت جوش کاری فلزات کمک می کند و در طرف دیگر، موادی با دمای ذوب پایین مانند آلومینیوم و منگنز هستند که سرد کردن آنها موجب کاهش رشد دانه ها و انحلال تنش های پس ماند می شود.

 

 

 پیشرفتهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

امروزه باتوجه استفاده گسترده از این روش جوشکاری در دنیا پیشرفتهای گسترده ای در آن به وقوع پیوسته است از جمله استفاده از سیستمهای رباتیک برای انجام این نوع جوشکاری که سرعت انجام این نوع جوشکاری را بالا برده است. کاربرد جدید دیگر از این نوع جوشکاری در صنایع خودرو سازی است که امروزه از این نوع جوشکاری در این صنایع  استفاده گسترده می شود .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

از روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی ابتدا برای جوش دادن موادی مانند آلومینیم که دمای ذوب کم‌تری دارند، استفاده شد. مواد دارای دمای ذوب پایین را می‌توان با استفاده از ابزارهایی از جنس فولاد جوش داد. با پیشرفت تحقیقات کم‌کم جوش دادن فولاد، فولاد ضد زنگ و تیتانیم نیز میسر شد. این مواد که دمای ذوب بالاتری دارند، به هنگام جوشکاری، حرارت و فشار بیشتری ایجاد کرده و ابزارهای جوشکاری آنها باید از مواد متفاوتی ساخته شود.

کیفیت جوشکاری در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بسیار خوب بوده و نسبت به روش‌های رایج نقایص کم‌تری دارد. از آن‌جا که دمای محیط در این روش پایین‌تر از نقطه ذوب فلز است، الزامات حفاظتی کم‌تری نیز مورد نیاز است. به عنوان مثال، استفاده از محافظ ضد تشعشع کاملاً منتفی است.
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی  نسبت به کیفیت برش لبه‌ها حساسیت زیادی ندارد، چرا که موادی که تحت عمل جوش قرار گرفته‌اند توسط ابزار به‌هم زده می‌شوند و بنابراین درزهای کوچک به خودی‌خود بسته می‌شوند، که این در بسیاری از کاربردها یک مزیت عمده تلقی می‌شود.