جوشکاری اصطکاکی Friction welding

 

به طور کلی جوشکاری اصطکاکی بر اساس تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی گرمایی استوار است که دو قسمت مورد اتصال را به هم نزدیک کرده و با ایجاد حرکت دورانی سریع یکی از آنها بر روی دیگری و مالش و اصطکاک دو قطعه، گرمای زیادی تولید شده و موجب حالت پلاستیسیته در لبه های اتصال می شود با فشار اعمال شده نهایی قطعات در هم فرو می روند و اتصال ایجاد می شود.

 

 

 

مکانیزم اتصال  :

 

 می دانیم که سطوح در مقیاس میکروسکوپی دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هایی هستند و علاوه بر آن لایه اکسیدی نازک و یا ناخالصی های دیگر بر روی سطح پوشیده شده است . هرگاه سطوح به طور کامل در کنار هم قرار نگیرند نیروی چسبندگی بین مولکولی بین آنها برقرار نشده و در نتیجه اتصال انجام نمی گیرد هدف اصلی در جوشکاری اصطکاکی برطرف نمودن این ناهمواری ها و ناخالصی ها و اعمال فشار برای اتصال دو سطح است.

 

هنگامی که دو سطح با فشار معین بر روی هم مالیده می شوند نقاط بلند بهم برخورد کرده و از بین می روند، همزمان لایه اکسیدی برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند و بدین ترتیب یک باند یا چسبندگی موقت (Seizures) به وجود می آید با ادامه حرکت ،این چسبندگی بریده شده و یک باند تازه تر به وجود می آید بدین ترتیب انرژی مکانیکی به حرارتی تبدیل شده و به تدریج درجه حرارت سطح افزایش می یابد.بنابراین استحکام فشاری کاهش یافته و تغییر فرم پذیری راحت تر انجام می گیرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی کامل قرار می گیرند با فرض این که نرخ حرارت تولیدی بیشتر از حرارت فروکشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیکی نیز بیشتر می شود تا جایی که استحکام فشاری قادر به تحمل نیروی فشاری نیست و سطح زیر فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو می روند و حتی کمی به بیرون بر می گردند.

 

به خاطر حرکت چرخشی دسته کم یکی از دو قطعه در محل اتصال می بایست سطح مقطع دایره ای داشته باشد جوشکاری اصطکاکی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شود:

 

الف) جوشکاری اصطکاکی لحظه ای Inertia friction

 

ب) جوشکاری اصطکاکی مداوم Continuous drive friction

 

البته امروز روش های پیشرفته که ترکیبی از دو تکنیک بالاست به کار می رود هر دو نوع جوشکاری می تواند بدون توقف و به طور کامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهای عملیاتی را از قبل برنامه ریزی نمود. FRW برای قطعاتی که بتوان آنها را از نظر اندازه و شکل با ماشین جوش اصطکاکی تطبیق داد پروسه ای جالب می باشد زیرا هیچ ماده filler یا پر کننده لازم ندارد و مثلاً برای جوشکاری فولاد کربنی ساده و آلیاژی حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جوش بدست آمده از این روش کیفیت بالایی دارد و برای تولیدات انبوه مقرون به صرفه است.

 

با پیشرفت های انجام شده می توان جوشکاری اصطکاکی را به جای چرخش با حرکت انجام داد که باعث گسترش این پروسه و تطبیق قطعات متنوع با این پروسه شده است.

 

برای تولید یک جوش قابل قبول پارامترهای عملیاتی از قبیل نیروی اعمالی، سرعت چرخش و زمان می تواند در رنج گسترده ای تغییر کند نیروی اعمالی باید به مقدار کافی بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با یکدیگر نگه دارد زمان عملیات هم باید به گونه ای باشد که اکسیداسیون سطوح به حداقل برسد. نیروی ناکافی حرارت کمتری ایجاد می کند که منجر به عدم اتصال مناسب سطوح می گردد از طرف دیگر نیروی بیش از اندازه حرارت زیادی تولید می کند که منجر به ذوب شدن دو فلز می شود. به عنوان مثال برای جوشکاری فولاد نیرو در محدوده 30-60 MPa و سرعت زاویه ای حداقل  90 m/min می باشد. زمان گرمادهی برای قطعات کوچک از 5 تا 10 ثانیه می باشد. زمان باید به اندازه کافی باشد تا اجازه رسانش گرمایی به بخش های مرکزی سطوح که دارای حرکت نسبی کمتری برای تولید حرارت می باشند را بدهد از طرف دیگر افزایش زمان گرمادهی منجر به افزایش سطح مقطع اتصال و گسترش منطقه HAZ در دو طرف جوش به طور غیرعادی می شود.

 

مزایا و محدودیت های جوشکاری اصطکاکی

 

 

مزایا :

 

عدم نیاز به فلاکس ( روانساز) ، ماده پر کننده و گاز محافظ

 

مصرف انرژی الکتریکی کمتر و به طور کلی انرژی مورد نیاز

 

عملیات جوشکاری نسبتا تمیز و بدون قوس الکتریکی ،دود و گاز

 

منطقه Haz باریک و دارای دانه های ریز تر حتی نسبت به فلز اصلی

 

محدودیت ها :

 

یکی از قطعات باید گرد باشد . همچنین باید دارای شکل و طرحی باشد که بتوان آن را روی دستگاه بسته و به گردش درآورد. البته این محدودیت با طراحی های جدید بر طرف شده است ولی هزینهای مصرفی نسبتا بالاست.اکثر مواد و فلزات را میتوان با این روش جوشکاری نمود و تقریبا هیچ محدودیتی نداریم.

 

 

پوشش کاری بوسیله جوشکاری اصطکاکی:

 

پوشش کاری بوسیله جوشکاری اصطکاکی هم اکنون تحت مطالعات زیادی قرار دارد زیرا به قلمرو فلزات، آلیاژها و همچنین کامپوزیت ها قدم گذاشته است و یک لایه کاملاً مجزا از پوشش را روی ماده زیری اعمال می کند یکی از امتیازات و مزیت های این روش نسبت به سایر روش های پوشش کاری این است که محلول پس زده شده و فلز مذاب پایه ندارد. پوشش دهی اصطکاکی از مشکل ناشی از ذوب ماده مصرف شدنی در هوا به وسیله مکانیزم پیچیده انجماد رسوب به همراه هیدروژن بدست آمده و ترک های سرد و شرایط نامطلوب سطحی همراه با دانه های حاصل از جوشکاری (beads) جلوگیری می کند در پوشش کاری اصطکاکی  از یک ماده مصرف شدنی دوار که می توان یک شمش جامد فلزی با سطح مقطع گرد و با یک تیوپ فلزی پر شده از یک ماده انتخابی استفاده می شود انتهای آزاد ماده مصرف شدنی با اعمال یک فشار بر روی سطح زیر لایه (سطح قطعه کار) آورده می شود و به دلیل این که ماده مصرفی دوار دارای مقاطع کوچکتراست  دمای آن سریع تر بالا می رود بدین سان قطعه کار با یک حوزه گرمایی و یک منطقه HAZ مینیمم روبرو می شود هنگامی که انتهای گرم ماده مصرف شدنی در حال چرخش، پلاستیسیته می شود ماده مصرف شدنی زیر یک فشار به سطح فلز پایه جوش می خورد. شکل 6 ضرورت تکنیک پوشش کاری اعمالی  و یک ماشین در حال کار را نشان می دهد. راهنمای عملیات و پارامترهای مورد نیاز پروسه استخراج و فهرست شده اند ماده مصرف شدنی در شکل 6 یک شمش با سطح مقطع گرد با قطر mm 25 است که یک لایه با ضخامت حدودی 2 میلی متر با نرخ تقریبی 4.5 گرم بر ساعت با سرعت دوران rpm 975 در زیر فشار عمودی 28 کیلو نیوتن با سرعت سیر 4.9 میلی متر بر ثانیه نشان می دهد سرعت دوران های بالاتر منجر به لایه رسوب نازکتر می شود و کیفیت جوش در فصل مشترک با قطعه بهبود می یابد نیروی محوری کمتر ضخامت لایه رسوب را افزایش می دهد اما پهنای باند موثر را کاهش می دهد.

بخش دوم

جوشکاری اصطکاکی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شود:

 

 

الف) جوشکاری اصطکاکی لحظه ای Inertia friction

 

ب) جوشکاری اصطکاکی مداوم Continuous drive friction

 

البته امروز روش های پیشرفته که ترکیبی از دو تکنیک بالاست به کار می رود هر دو نوع جوشکاری می تواند بدون توقف و به طور کامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهای عملیاتی را از قبل برنامه ریزی نمود.

 

جوشکاری اصطکاکی لحظه ای:

 

فرم لحظه ای جوشکاری اصطکاکی چرخشی شامل یک قطعه کار گیرداده شده به یک سه نظام متصل به چرخ دوار سنگین می باشد سرعت چرخش چرخ دوار به وسیله جوش های آزمایشی و استاندارد و یا از طریق فرمول های در دسترس بدست می آید. بعد از رسیدن به سرعت موردنیاز چرخ دوار از موتورها جدا می شود و قطعه کار در حال چرخش تحت نیروی فشاری به قطعه کار ساکن متصل می شود. با تماس دو سطح انرژی جنبشی چرخ دوار از طریق اصطکاک به حرارت تبدیل می شود و به محض اینکه سرعت کاهش یافت گرمای تولیدی در سطوح هم کاهش می یابد و بجای آن گرما از طریق رسانش در قطعات پراکنده می شود با افزایش سطح مقطع تماس گشتاور در جهت مخالف شروع به افزایش می کند و سبب توقف ناگهانی حرکت دورانی چرخ دوار می شود و جوش در حالت جامد تشکیل می گردد در این مرحله یک نیروی اضافی باعث افزایش سطح مقطع اتصال شده و کیفیت خواص مکانیکی جوش را بهبود می بخشد، انرژی موردنیاز برای یک عملیات به اندازه، شکل، وزن قطعه و سرعت چرخش چرخ دوار بستگی خواهد داشت اثر انرژی کل چرخ دوار، نیرو، سرعت بر الگوی گرمایی ایجاد شده در سطوح اتصال در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل 1

 

جوشکاری اصطکاکی پیوسته:

 

 

در این نوع جوشکاری مانند جوشکاری اصطکاکی لحظه ای یک قطعه کار به یک سه نظام متصل به موتور گیر داده شده است که به طور پیوسته با یک سرعت ثابت و زمان مشخص می چرخد به طور معمول یک نیروی فشاری کنترل شده اولیه برای ایجاد اصطکاک بر سطوح تماس وارد می شود. هنگامی که حرارت کافی تولید شد قطعه کار در حال چرخش به وسیله ترمز متوقف می شود و نیروی بیشتر نهایی برای افزایش سطح مقطع تماس اعمال می گردد به دلیل گستره وسیع تغییرات پارامترهای عملیاتی جوشکاری اصطکاکی مداوم، برای اتصال مقاطع خیلی بزرگ و یا بی نهایت کوچک کاربرد دارد به عنوان مثال ماشینی که برای جوشکاری شفت ها و تیوپ های با قطر بزرگ با سطح مقطع در حدود 1480cm2 استفاده می شود دارای ظرفیت نیروی 20MN می باشد و برعکس وقتی جوشکاری اصطکاکی در مقیاس میکرو باشد پارامترها به سمت مقادیر متفاوت سوق می یابد به عنوان مثال سرعت زاویه ای باید چندین برابر سرعت مورد نیاز برای قطعات با اندازه متوسط باشد (اغلب در حدود 300 m/min) وقتی وایرها با سطح مقطع بسیار کم جوشکاری سر به سر می شوند (با قطر 2mm) سرعت چرخشی باید در حدود 47000rpm باشد همچنین وایرها با قطر کوچکتر از 1mm به طور موفقیت آمیز جوشکاری اصطکاکی می شوند ولی سرعت چرخش باید تا حدود 125000rpm باشد.

 

برای رسیدن به سرعت چرخشی مورد نیاز در جوشکاری اصطکاکی با مقیاس میکرو در ماشین ها از یک توربین هوایی برای چرخاندن سه نظام استفاده می شود نیروی فشاری در اتصالات با اندازه میکرو سیر صعودی دارد که نیروی نهایی فورج ممکن است فقط 135 lbs. باشد کل زمان گرمادهی و جوشکاری برای انجام یک جوش میکرو معمولاً کمتر از یک ثانیه است.

 

جوشکاری اصطکاکی شعاعی:

 

برای اتصال درزها و لوله و میله های فولادی این روش با استفاده از حلقه های فولادی مصرف شدنی انجام می شود که در شکل 2 نشان داده شده است. در این روش لازم نیست که دو قطعه که به هم اتصال می یابند دوران کنند و تنها حلقه می چرخد بعد از آن که حلقه شروع به چرخش کرد خودش و سطوح آماده قطعه کار که در تماس هستند به دمای ذوب می رسند پس یک نیروی فشاری بالا به طور شعاعی بر حلقه اعمال می شود. که موجب جوش اصطکاکی این فلز با دو قطعه کار می شود حلقه می تواند در شیارهای درز از بیرون فورج شود( شکل 2) و یا می تواند درون درز اتصال در لوله ها و تیوپ نصب شود و دوران کند که این امر مستلزم انبساط شعاعی است. این تکنیک FRW در واقع اتصال طول های بلند به خصوص زمانی که دو راستا نیاز دارند که با سرعت های بالا دوران کند با صرفه است. اگر راستای قطعات کار مستقیم و راست نباشد یا قطعات دچار تغییر فرم هایی به اشکال خاص و ویژه در راستای طولشان شوند باز هم امکان وارد کردن و قرار دادن یک توپی قابل انبساط داخلی برای بالا بردن نیروی فشار شعاعی در مدت عملیات وجود دارد.

 

 

 

شکل 2

 

 

شکل های دیگری از جوشکاری اصطکاکی:

 

مزایا جوشکاری اصطکاکی باعث شده است تا لابلاتوآرهای توسعه دهنده ماشین های جوشکاری اصطکاکی شروع به آزمایش با فرم های مختلف از حرکت لغزشی(sliding motion) برای تولید حرارت اصطکاکی برای جوشکاری کنند. این کوشش ها معطوف به مواردی بوده که شکل فیزیکی یا طول قطعه کار را با اشکال "inertia – drive" و "direct – drive" نمی توان تطبیق داد. آزمایش هایی که در این زمینه انجام شده در حدود نیم دوجین "half –dozen" حرکت مختلف را که در زیر تعدادی نام برده می شود، را نشان می دهد. " شعاعی radial"، مداری orbital"، سطحی surfacing"، رفت و برگشت خطی reciprocating linear ، "Co – extrusion" و "hydropillar". توسعه این حرکت ها به خاطر مشکلات عملی طراحی ماشین و عملیات به کندی صورت می گیرد. یک پروسه جدید که بطور اقتصادی به کار گرفته شده است "radial Fraction welding" نامیده می شود.  بعضی دیگر نزدیک به تکمیل عملیات هستند و ماشین های آنها در حال ساخت است.

 

قابلیت FRW برای جوش فلزات غیرمتشابه:

 

قابلیت جوشکاری اصطکاکی در جوش دادن قطعات غیرهم جنس سبب استفاده وسیع آن در صنعت شده است . در مورد جوش بعضی از فلزات به فولاد ممکن است برخی ترکیبات متالورژیکی مضر در حین انجام پروسه به وجود آید. چون پروسه جوشکاری در حالت جامد است و در فصل مشترک مذاب نداریم لذا این پروسه برای جوش دادن فلزات و آلیاژها به فولاد مناسب است.  به عنوان مثال می توان از توانایی جوش FRW آلومینیم به فولاد نام برد. از آنجا که ذوب و در نتیجه نفوذ وجود ندارد پس ترکیبات بین فلزی مضر هم نداریم در مورد بعضی از فلزات نامتشابه این پروسه به وسیله یک لایه بافر یا میانی سازگار با هر دو فلز انجام می شود. لایه بافر از جنس کروم، نیکل و نقره در مورد جوش فلزات به فولاد به خوبی مورد استفاده قرار گرفته است. لایه بافر را می توان توسط electroplating و یا اعمال تکه جامد به انتهای یکی از قطعات اعمال کرد. در مورد جوشکاری فولادهای سختی پذیر ،پیش گرم کردن می تواند راه حل مناسب جهت افزایش خواص مکانیکی (داکتیلیتی و انعطاف پذیری) در شرایط جوش باشد اما بیشتر ترجیح داده می شود که قطعات را پس از جوشکاری عملیات حرارتی کنیم به علت آن که باعث بازیابی ساختار اولیه می شود. این عملیات حرارتی به طور موضعی در منطقه جوش صورت می گیرد.

 

ترک های سرد احتمالی که در فرآیند FRW ممکن است بروز کند به دو دلیل است:

 

1-     به علت افزایش هیدروژن در مناطق جوشکاری شده که باعث بروز ترک هیدروژنی سرد می شود.

 

2-     ساختارهای منجمد شده که پس از جوشکاری مستعد به ترک سرد هستند.

 

این ترک های هیدروژنی از مرکز جوش شروع شده و به طور متعامد به سمت خارج منطقه جوش گسترش می یابند.

 

منطقه جوش حاصل از فرآیند FRW باریکتر از منطقه جوش حاصل از سایر مکانیزم های جوشکاری است که دلیل آن زمان جوشکاری کوتاه تر در اثر تبدیل انرژی مکانیکی به حرارتی در منطقه جوشکاری است.

 

مواد مناسب برای قرار گرفتن تحت جوشکاری اصطکاکی:

 

به طور کلی جوشکاری اصطکاکی پروسه مناسب برای اتصال فولادها می باشد و مزایای متالوژیکی مناسبی از خواص را ارائه می دهد. هر فولادی که قابلیت فورج داغ داشته باشد می‌تواند جوشکاری اصطکاکی شود همچنین بسیاری از فلزات غیرمتشابه می تواند به فولاد جوش داده شود اگر فولاد مقادیر بیشتری از میزان معینی عناصر آلیاژی و عناصر باقی مانده داشته باشد سختی، نرمی خمشی و تافنس شکست مناسب در شرایط جوش ایجاد می شود البته تاکنون فرمول مشخصی برای ارزیابی ترکیبات مناسب فولادی برای تأمین خواص استحکام، سختی، نرمی و چقرمگی مناسب ارائه نشده است.

 

خصوصیات مکانیکی جوش های اصطکاکی:

 

خصوصیات مکانیکی جوش های اصطکاکی در فولادها به گستردگی سایر فرآیندها مورد بررسی و آزمایش قرار نگرفته است. از جمله خصوصیات جوش FRW می توان به استحکام، کیفیت خوب که البته وابسته به ترکیب فولاد و ریزساختار حاصل از سرعت سرد شدن پس از جوشکاری است اشاره کرد. به طور معمول استحکام جوش های ایجاد شده مناسب بوده ولی چقرمگی گاهی اوقات نگران کننده است شکل  3نمایی از پارامترهای اصلی فرآیند برای هر نوع جوش اصطکاکی را نشان می دهد:‌

 

 

شکل 3

 

تجهیزات بیشتری که امروزه برای بدست آوردن جزئیات اطلاعات در زمان جوشکاری که شامل مقدار گشتاور، سرعت مصرف انرژی و کاهش سرعت ،موجود است. استفاده از داده های کامپیوتری در همان زمان اجازه آنالیز فوری را می دهد و یک میکروپروسور در مورد قطعات ویژه، تابع بحرانی را کنترل می کند که با این روش خواص مکانیکی قطعات جوش خورده بهینه می شود (optimaized) اطلاعات بوسیله تجهیزات ماشین "direct – drive" جمع آوری می شوند که دستورات اولیه برای ساخت یک جوش با انعطاف پذیری و تافنس قابل قبول به آن داده شده است.

 

مقدار انرژی ضربه ای جذب شده را با جوشکاری با سرعت چرخش پایین و کاهش شتاب از زمان رها کردن کلاچ تا توقف کامل می توان بهبود بخشید.

 

این بهسازی در تکنیک عملیات به صورت تأثیر یک کار داغ ناچیز ظاهر می شود که منجر به یک میکروساختار آستنیته شده،‌ که در هنگام سرد شدن تبدیل به یک میکروساختار ریز می شود بنابراین تافنس بهبود می یابد. نوآوری دیگری در تکنیک FRW که موجب بهبود تافنس جوش در فولاد می شود "twist post rotational" نامیده می شود بررسی ها نشان می دهد که "twisting" در یک قطعه تازه جوش داده شده،‌ یک مقدار کم،‌ کار پلاستیک اعمال می کند. این تغییر شکل کوچک منجر به استحاله آستنیت به ساختار فریت ریز سوزنی در هنگام سرد کردن می شود.توسعه بهبود بخشی تافنس با این نوع از ریز ساختار؛ برای این که مقدار فاق "V-sharpy" به بالای مینیمم تهیه شده ،در این نوع فولاد نورد گرم شده برسد؛ می تواند کافی باشد اما فولاد باید ترکیبی را که برای جوشکاری اصطکاکی مطلوب است، را داشته باشد مقدار "twisting" مورد نیاز برای ایجاد بهبودی تافنس، کم و در حدود 15 درجه است. این پروسه باید فوراً بعد از جلوگیری از چرخش قطعه کار، زمانی که هنوز ساختار آستنیته داریم انجام شود. تأخیر بیش از چند ثانیه عمل را بی ارزش می کند و منجر به ساختاری دوگانه در برخی از فولادها می شود twisting. در حدود 85 درجه بدون هیچ مشکلی در مطالعات انجام شده است.

/ 1 نظر / 89 بازدید
احسان

سلام [لبخند][چشمک] من شما رو لینکیدم[تایید][تایید][تایید] اگه دوست دارید میتونید منو با نام ...روانشناسی(احسان)....بلینکید.[قلب][گل][قلب]