جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
ایده اصلی جوشکاری اصطکاکی بسیار ساده است. یک وسیله دوّار مصرف نشدنی (یک پین ویژه همراه با دندانه) را در نظر بگیرید. دو فلزی را که میخواهند جوش بدهند، در کنار هم محکم قرار میدهند و پین وارد خط اتصال این دو فلز میشود و همراه با چرخش، طول خط اتصال را طی میکند. پین دو عمل اصلی را انجام میدهد.
- 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 میآید. حرارت متمرکز شده باعث نرم شدن مواد اطراف پین و به همراه حرکت دوار پین، باعث حرکت مواد از جلوی پین به عقب پین میشود. بر اثر این پروسه، اتصال در حالت جامد اتفاق میافتد. به علت ساختار هندسی پین، موادی که در اطراف پین حرکت میکنند به مواد در گرمای بالا، تغییر شکل زیادی میدهند و ساختار نهایی FSW خوبی با یکدیگر ترکیب میشوند.
این نوع جوشکاری در زمره پروسههای جوش حالت جامد بوده، روشهای جوشکاری حالت جامد که بیشتر متداول هستند، شامل موارد زیر هستند.
- جوشکاری اصطکاکی Friction welding
- جوشکاری فشاری Pressure welding
- جوشکاری آهنگری یا پتکهای Forge welding
- جوشکاری با امواج صوتی Ultrasonic welding
در جوشهای حالت جامد برخلاف فرآیندهای حالت ذوبی که محل اتصال در نتیجه ذوب موضعی دو قطعه و تداخل آنها و عمل انجماد انجام میشد، اتصال بدون تشکیل مذاب انجام میشود. ولی ممکن است فیلمی از فلز مذاب در یک مرحله میانی از عملیات بین سطوح اتصال ایجاد شود. اگر چه فلز مذاب معمولاً به طور کامل از جوش جدا میشود، ولی در حضور کوتاه خود نقش مفیدی را در انجام جوش ایفا میکند.
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 لبههای اتصال میشود با فشار اعمال شده نهایی قطعات در هم فرو میروند و اتصال ایجاد میشود.
مکانیزم اتصال
سطوح در مقیاس میکروسکوپی دارای برآمدگیها و فرورفتگیهایی هستند و علاوه بر آن لایه اکسیدی نازک یا ناخالصیهای دیگر بر روی سطح پوشیده شده است. هر گاه سطوح به طور کامل در کنار هم قرار نگیرند، نیروی چسبندگی بین مولکولی بین آنها برقرار نشده و در نتیجه اتصال انجام نمیگیرد. هدف اصلی در جوشکاری اصطکاکی برطرف نمودن این ناهمواریها و ناخالصیها و اعمال فشار برای اتصال دو سطح است.
هنگامی که دو سطح با فشار معین بر روی هم مالیده میشوند نقاط بلند بهم برخورد کرده و از بین میروند، 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 میآید. با ادامه حرکت، این چسبندگی بریده شده و یک باند تازهتر به وجود میآید. بدین ترتیب انرژی مکانیکی به حرارتی تبدیل شده و به تدریج درجه حرارت سطح افزایش مییابد. بنابراین استحکام فشاری کاهش یافته و تغییر فرم پذیری راحتتر انجام میگیرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی کامل قرار میگیرند. با فرض این که نرخ حرارت تولیدی بیشتر از حرارت فروکشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیکی نیز بیشتر میشود. تا جایی که استحکام فشاری قادر به تحمل نیروی فشاری نیست و سطح زیر فشار گستردهتر شده و لبهها در هم فرو میروند و حتی کمی به بیرون بر میگردند. به خاطر حرکت چرخشی دسته کم یکی از دو قطعه در محل اتصال، باید سطح مقطع دایرهای داشته باشد. جوشکاری اصطکاکی به طور کلی به دو دسته تقسیم میشود.
- جوشکاری اصطکاکی لحظهای Inertia friction
- جوشکاری اصطکاکی مداوم Continuous drive friction
البته امروز روشهای پیشرفته که ترکیبی از دو تکنیک بالاست به کار میرود. هر دو نوع جوشکاری میتواند بدون توقف و به طور کامل به صورت ماشینی انجام شود و میتوان 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 پروسهای جالب است. زیرا هیچ مادهای filler یا پر کننده لازم ندارد و مثلاً برای جوشکاری فولاد کربنی ساده و آلیاژی حفاظت با گاز لازم نیست . جوش بدست آمده از این روش کیفیت بالایی دارد و برای تولیدات انبوه مقرون به صرفه است.
با پیشرفتهای انجام شده میتوان 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 میتواند در رنج گستردهای تغییر کند. نیروی اعمالی باید به مقدار کافی بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با یکدیگر نگه دارد زمان عملیات هم باید به گونهای باشد که اکسیداسیون سطوح به حداقل برسد. نیروی ناکافی حرارت کمتری ایجاد میکند که منجر به عدم اتصال مناسب سطوح میشود. از طرف دیگر نیروی بیش از اندازه حرارت زیادی تولید میکند که منجر به ذوب شدن دو فلز میشود. به عنوان مثال برای جوشکاری فولاد نیرو در محدوده ۶۰-۳۰ مگاپاسکال و سرعت زاویهای حداقل ۹۰ متر بر دقیقه زمان گرمادهی برای قطعات کوچک از ۵ تا ۱۰ ثانیه است. زمان باید به اندازه کافی باشد تا اجازه رسانش گرمایی به بخشهای مرکزی سطوح که دارای حرکت نسبی کمتری برای تولید حرارت هستند، 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 میشود.
مزایای جوشکاری FSW
FSW به عنوان مهمترین پیشرفت در اتصال فلزات در دههی اخیر مطرح بوده است و تکنولوژی سبز است که بازده انرژی بالا دارد و در مقام مقایسه با سایر روشهای جوشکاری متداول، FSW انرژی بسیار کمتری مصرف میکند. هیچ گاز محافظ یا سربارهای استفاده نمیشود. به همین علت دوست محیط زیست نامیده میشود و اتصال شامل هیچگونه فلز پر کنندهای نیست. همچنین هر نوع آلومینیومی بدون دلواپسی از سازش پذیری ساختارش میتوان به کار برد و هر نوع آلومینیومی و کامپوزیتی میتوانند به یکدیگر با سهولت وصل شوند و در مقایسه با روش جوشکاری اصطکاکی قدیمی، که معمولاً بر روی قطعات قرینه و کوچک که میچرخیدند و فشار داده میشدند تا جوش بخورند، و اتصالات فیلت به T جوشکاری اصطکاکی فعلی در انواع مختلف اتصالات مانند اتصال زیر، اتصال لب به لب، اتصال کار میرود.
به طور خلاصه از مزایا و محدودیت%