جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
Friction Stir Welding (FSW)

«جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي»، يک روش جديد حالت جامد جوشکاري است. اين روش، بازدهي انرژي بالا و سازگاري خوبی با محيط زيست دارد. همچنین، در صنايع هوافضا و ساير صنايع حساس، مي­‌تواند براي اتصال آلياژهاي پايه‌ی آلومينيوم استحکام بالا که با روش‌هاي معمولي، به‌راحتي جوشکاري نمي­‌شوند، به‌کار رود. در دهه­‌ی گذشته، جوشکاریِ اصطکاکي اغتشاشي، بيشترين توسعه را در اتصالات داشته است. فرآيند اصطکاکي اغتشاشي، براي ايجاد تغييرات ميکروساختاري در مواد نیز، به‌کار مي­‌رود.

روش جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، اولين بار، در مؤسسه­‌ي جوشکاري بريتانيا، به‌عنوان روش اتصال حالت جامد، ابداع شد و براي جوشکاري آلياژهاي آلومينيوم، به‌کار گرفته‌شد.
اساس کار جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، بسيار ساده است. همان‌طور که در «شکل ۱» میتوان دید، يک ابزار غيرمصرفي چرخان، با يک پين با طراحي مشخص و يک شانه، به لبه­‌هاي مجاور صفحات متصل‌شونده وارد مي­‌شود و در امتداد خط اتصال، پيشروي مي­‌کند.

 

        

شکل ۱: تصوير شماتيک جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي

جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، نسبت به ساير روش­‌هاي جوشکاري، انرژي کمتري مصرف مي­‌کند؛ به گاز محافظ و فلاکس نيازي ندارد و سازگار با محيط زيست است. همچنين، نیازی به فلز پرکننده ندارد. لذا، هر آلياژ آلومينيوم را مي­‌توان بدون نگراني از به‌‌هم‌خوردن ترکيب شيميايي آن، جوشکاري کرد. حتي مي‌توان آلياژهايی با ترکيب متفاوت را نيز، جوشکاري نمود. علاوه بر این، اين روش جوشکاری، براي وضعيت­‌هاي مختلف جوشکاري، نظير جوش لب‌به‌لب، T‌شکل و فيلت، قابل کاربرد است.

پارامترهاي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي
فرآيند جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، همراه با جابه‌جايي پيچيده و تغييرشکل پلاستيک است. «پارامترهاي جوشکاري»، «هندسه­‌ي ابزار» و «طراحي اتصال»، بر الگوي سيلان ماده و توزيع دما مؤثر هستند. همچنين، تغيير شکل ريزساختاري ماده نيز، تابع اين عوامل است.

  • هندسه‌ي ابزار: هندسه­‌ي ابزار، مهم‌ترين عامل تأثيرگذار روي این فرآيند است و مهم‌ترين نقش را در سيلان ماده بازي مي­‌کند. يک ابزار جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، دو قسمت دارد: «پين» و «شانه». همچنين، ابزار، دو عملکرد دارد: «ايجاد گرماي موضعي» و «سيلان ماده».
    در وهله­‌ي اول و در ابتداي تماس پين با ماده، در اثر اصطکاک، گرما ايجاد مي­‌شود. مقداري از گرما نيز، در اثر تغيير شکل پلاستيک ماده به‌وجود می‌آید. پين تا جايي که شانه روي سطح قطعه‌کار بنشيند، فرو مي‌رود. اصطکاک بين شانه و قطعه‌کار در اين مرحله، قسمت اعظم گرماي فرآيند را توليد مي­‌کند. از جنبه­‌ي توليد گرما، نسبت اندازه‌ي پين و شانه نیز مهم است؛ اما، ساير پارامترهاي طراحي، تأثير چنداني روي گرماي توليدي ندارند. شانه همچنين، محدوده­‌ي گرم‌شدن قطعه را نيز، تعيين می‌کند.
    عملکرد دوم ابزار، گرداندن و حرکت ماده است. شکل­‌گيري ريزساختار و خواص حاصل، بستگي به هندسه­‌ي ابزار دارد. معمولاً، از شانه­‌ي مقعر و پين استوانه­‌اي رزوه‌دار استفاده مي­‌شود.

    «شکل ۲»، دو نمونه از ابزار جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي را نشان مي­‌دهد. در ابزار مارپيچي، حجم جابه‌جاشونده­‌ي ماده، تا ۶۰% و در ابزار سه‌شياري، تا ۷۰% کاهش مي­‌يابد. مزيت اين نوع طراحي‌ها، کاهش
    نيروي اصطکاکي، امکان سيلان قسمتي از ماده که تغيير شکل پلاستيک داده، تسهيل حرکت فرورونده­‌ي ابزار و افزايش فصل ‌مشترک بين پين و ماده‌ي تغيير‌شکل‌پلاستيک‌داده، هم­زمان با توليد گرماي بيشتر مي­‌باشد.
    عامل اصلي برتري اين نوع پين‌ها نسبت به پين‌هاي ساده، نسبت حجم پيچيده‌شده هنگام چرخش به حجم خود پين است؛ يعني، نسبت حجم ديناميک به استاتيک که براي ايجاد يک مسير مناسب براي سيلان ماده، حائز اهميت است
    .
    با درنظرگرفتن تأثير مهم هندسه­‌ي ابزار روي سيلان فلز، ريزساختار حاصل که رابطه­‌ي مستقيمي با نحوه­‌ي سيلان دارد، براي هر ابزار، متفاوت خواهد‌بود. از «شبيه‌سازي»، براي بررسي نحوه­‌ي سيلان و محاسبه‌ي نيروي محوري و در نتيجه طراحي ابزار مناسب، استفاده مي­‌شود.

شکل ۲: تصوير نمادین پينی در جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي که از نظر هندسی، بهينه‌سازي شده‌است.

  • متغیرهای فرآیند: براي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، دو پارامتر، بسيار مهم‌اند: «نرخ چرخش ابزار» (W, rpm) در جهت ساعتگرد يا پادساعتگرد و «سرعت پيشروي ابزار» (V, mm/min) در طول خط اتصال.
    چرخش ابزار، باعث هم‌خوردن و اختلاط ماده حول پين چرخان شده و پيشروي ابزار، ماده­‌ي هم‌خورده را از جلو به عقب پين منتقل مي­‌کند و در نهايت، فرآيند جوشکاري خاتمه مي‌يابد. نرخ چرخش بالاتر، باعث ايجاد گرماي بيشتر، به‌دليل اصطکاک بيشتر و در نتيجه، هم‌خوردن و اختلاط بيشتر ماده خواهد شد.

    علاوه بر
    W و V، پارامتر مهم ديگر، «زاويه­‌ي محور» يا «کجي ابزار نسبت به سطح قطعه‌کار» است. کجي مناسب محور در امتداد جهت پيشروي، اين اطمينان را مي­‌دهد که شانه‌ي ابزار، ماده‌ي هم‌خورده با پين رزوه‌دار را به‌طور مناسبي از جلو به عقب حرکت مي‌دهد. همچنين، «عمق فروروندگی پين در قطعه‌کار»، براي ايجاد جوش مناسب، مهم است. عمق فروروندگی پين، بستگي به «ارتفاع پين» دارد. وقتي که اين عمق کم باشد، شانه­‌ي ابزار، با قطعه‌کار تماس پيدا نمي‌کند. بنابراين، شانه­‌ي چرخان، نمي‌تواند ماده­‌ي هم‌خورده را حرکت‌دهد. وقتي که اين عمق زياد باشد، باعث ايجاد تشعشع زياد جوش مي­‌شود و «جوش مقعر» ايجاد مي‌­شود که باعث نازکي موضعي ورق جوش مي­‌گردد.
  • طراحي اتصال: رايج­‌ترين شکل‌های طراحي جوش براي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، اتصالات «لب‌به‌لب» (Butt Joint) و «روي هم» (Lap Joint) هستند. انواع اين اتصالات در شکل ۳ نشان داده شده­ اند.
    در شکل ۳-
    ،a دو ورق با ضخامت يکسان، روي يک صفحه­‌ي پشتيبان قرار گرفته­‌اند. در فرورفتن اوليه­‌ي ابزار، نيروها بسيار بزرگ هستند و مراقبت زيادي براي اطمينان از عدم جدايش دو طرف جوش، بايد صورت‌گيرد. ابزار چرخان در خط اتصال فرو مي­‌رود و طول خط را مي­‌پيمايد و هم­‌زمان، شانه­‌ي ابزار، در تماس کامل با سطح صفحات است که باعث ايجاد خط جوش مي­‌شود. از طرفي ديگر، براي اتصال روي‌هم ساده، يک ابزار چرخان، به‌طور عمودي روي صفحه­‌ي بالايي و پاييني فرو مي­‌رود و در جهت مورد نظر، در خط طولي پيشروي مي­‌کند و دو صفحه را جوش مي­‌دهد.

شکل ۳: اتصالات مختلف براي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي
a) لب‌به‌لب مربعي b) لب‌به‌لب کناري c) لب‌به‌لب T‌شکل d) روي‌هم
e) روي‌هم چندگانه f) روي‌هم T‌شکل g) اتصال فيلت

تنش‌هاي پسماند
تنش‌هاي پسماند، تنش­‌هايي هستند که در اثر کرنش‌‌هاي غير يکنواخت مکانيکي و حرارتي، هم­‌زمان با سيلان پلاستيک يک ماده، به‌وجود مي­‌آيند و پس از برداشته‌شدن مهار خارجي، در آن باقي مي­‌مانند.

طي يک فرآيند جوشکاري، تغييرات دما، باعث ايجاد تنش­‌هاي حرارتي ناپايدار و کرنش­‌هاي الاستيک غيريکسان و پراکنده در جوش و ناحيه­‌ي نزديک به آن مي­‌شود که اين امر، باعث ايجاد اعوجاج (Distortion) و تنش­‌هاي پسماند مي­‌شود. اين تنش­‌ها به‌طور طبيعي، الاستيک هستند و در يک جسم بدون اعمال نيروي خارجي در حالت تعادل، وجود ‌دارند؛ يعني برآيند نيروهاي داخلي در هر نقطه از ماده، صفر خواهد بود.
عوامل مؤثر بر تنش­‌هاي پسماند نیز، عبارتند از:    ۱- ويژگي­‌هاي ماده   ۲- نوع
فرآيندهاي جوشکاري   ۳- تعداد پاس­‌هاي جوشکاري.

مزاياي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي

  • مزاياي متالورژيکي
    – فرآيند حالت جامد
    – اعوجاج کم قطعه‌کار
    – پايداري ابعادي مناسب
    – از دست‌نرفتن عناصر آلياژي
    – خواص متالورژيکي بسيار خوب در اطراف اتصال
    – ريزساختار مناسب
    – عدم وجود ترک
    – جايگزيني اتصال­‌هاي چندگانه با بست­‌ها.

  • مزاياي زيست‌محيطي
    – عدم نياز به گاز محافظ
    – عدم نياز به تميزکاري سطحي
    – حذف تلفات سايشي
    – حذف حلال­‌ها
    – حفظ مواد مصرفي مثل سيم، گاز و غيره.
  • مزاياي انرژي
    – امکان استفاده از مواد بهتر که باعث کاهش وزن مي­‌شود
    – فقط ۵/۲ درصد انرژي مورد نياز يک جوش ليزر را نياز دارد
    – در کاربردهاي کشتي‌سازي و هواپيماسازي، سوخت کمتري مصرف مي­‌شود.

 

محمد نعیمی
سید محمد مهدی زمانی

 

منبع:  www.hitna.ir

دیدگاهی بنویسید

ایمیل شما نمایش داده نخواهد شد


*