کانون دانش پژوهان طلیعه خوزستان

Friction Welding جوشکاری اصطکاکی

در جوشکاری اصطکاکی از حرارت تولید شده توسط اصطکاک بین دو قطعه برای جوش دادن آن دو به یکدیگر استفاده می‌شود. بطور سنتی در جوشکاری اصطکاکی یک قطعه را در طی یک سطح مشترک بر روی قطعه دیگری همراه با اعمال نیروی فشاری آنقدر حرکت می‌دهند تا حرارت تولید شده بر اثر اصطکاک در فصل مشترک قطعه،‌ باعث نرم شدن ماده دو قطعه در مجاورت فصل مشترک شود. در این زمان بخشی از ماده موجود در سطح مشترک دو قطعه که خاصیت مومسان (پلاستیکی) پیدا کرده به فضای بیرون فصل مشترک رانده می شود. سپس حرکت نسبی دو قطعه متوقف شده و یک نیروی فشاری بزرگتر اعمال می شود و همزمان دو قطعه شروع به سرد شدن می‌کنند. این عمل باعث جوش خوردن دو قطعه به یکدیگر می‌شود. کلید اصلی عملیات جوشکاری اصطکاکی این است که از آنجایی که ماده مذابی تولید نمی شود، جوشکاری در فاز جامد فلزات صورت گرفته است.

جوشکاری اصطکاکی دورانی 

جوشکاری اصطکاکی دورانی که در طی آن یک قطعه در برابر پیشانی قطعه دیگر دوران می‌کند، یکی از متداول‌ترین انواع این فرایند است و بسیاری از انواع محورهای فولاد کربنی و محورهای فرعی بدین شیوه مونتاژ می‌شوند. از این فرایند برای تولید شفت‌های محرک، سوپاپ موتور، محور فرمان و میل کمک فنر (suspension rod) استفاده می شود. قابلیت این فرایند در اتصال مواد ناهمجنس بدین معنی است که می توان بدنه و سر سوپاپ را از مواد متفاوتی که مناسب سیکل کاری و حرارتی آنهاست ساخت. 

Friction Stir Welding جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

این نوع جوشکاری نیز یک ناحیه از مواد مومسان شده به شیوه ای متفاوت از انواع دیگر فرایند جوشکاری اصطکاکی تولید می کند. یک ابزار چرخشی به سوی مواد تحت جوشکاری فشار داده می شود. دوران ابزار باعث گرم و نرم شدن دو ماده در تماس با یکدیگر شده و با حرکت ابزار در طول خط اتصال دو قطعه، ماده نرم شده از دور ابزار به دو طرف حرکت کرده و خط اتصال را محو می کند. 
 مقدمه

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 و 6xxx را به عنوان آلومینیوم های غیر قابل جوش می شناسند ، به خاطر ساختار میکروسکوپی ضعیف و خلل و فرج هایی که در منطقه HAZ 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)    Friction Stir Welding  اختراع و ثبت شده و در مکانهایی که تولیدات بكار رفته اند رشد و تکامل یافته است . بطور جاري45 سازمان اجازه و لیسانس استفاده از این فرایند را داشته و بیشتر اين شرکتها صنعتی بوده و برخی کشورها ، به عنوان مثال آمريكا ، اسکاندیناوی ، ژاپن و استرالیا این فرايند را بصورت تجارت در تولیدات خود بکار میبرند.
فرآیند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي براي اتصال دهي موادی که با فرايند هاي متداول جوشكاري قابلیت جوش پذیری ندارند ، مورد استفاده قرار گرفته است .

جوشکاری اصطکاکی نسبت به دیگر انواع جوش نظیر قوس الکتریکی، جوشکاری لیزری و جوشکاری با گاز، مزایای بسیاری دارد. عمل جوش توسط حرارت حاصل از چرخش سریع و تحت فشار یک یا هر دو قطعه نسبت به یکدیگر صورت می‌پذیرد. با استفاده از روش جوشکاری FSW، می‌توان ورق‌های فلزی را به یکدیگر پیوند داد.

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 و هم زدن ماده جهت اتصال
 
قابل ذکر است که حرارت دهی توسط اصطکاکی که بین ابزار و قطعه کار حاصل می شود، به وجود می آید و همچنین منجر به تغییر فرم پلاستیک قطعه کار می شود. حرارت دهی موضعی باعث نرم شدن ماده اطراف پین  شده و ترکیب چرخش ابزار و حرکت آن منجر به حرکت ماده از  جلوی پین به سمت عقب پین می شود و درنتیجه این فرایند یک اتصال حالت جامد شکل می گیرد.

به علت شکل هندسی متفاوت ابزار، حرکت ماده حول پین می تواند پیچیده باشد. با توجه به ساختار هندسی پین ، موادی که در اطراف پین حرکت می کنند به خوبی با یکدیگر ترکیب می شوند .در طول فرایند جوشکاری FSW، ماده تحت تغییر فرم پلاستیک شدید در دماهای بالا قرار می گیرد که منجر به ایجاد ساختاری با دانه های تبلور مجدد یافته، هم محور و ریز می شود. میکروساختار ریز حاصل از این فرایند جوشکاری ایجاد خواص مکانیکی مناسبی می کند.

لازم به ذکر است که FSW منجر به پیشرفت قابل ملاحظه ای در فرایند اتصال مواد در دهه های اخیر شده است و به علت بازده انرژی که دارد و دوستار محیط زیست و در دسترس بودن آن به عنوان تکنولوژی سبز نامگذاری شده است. جوشکاری FSW به نسبت فرایندهای دیگر انرژی کمتری را استفاده می کند در این روش از گاز یا فلاکسی استفاده نمی شود درنتیجه آسیبات وارده به محیط کمتر می باشد
جوشکاری FSWبرای انواع طرح های اتصال به کار می رود مثل: اتصالات لب به لب، لب روی لب، اتصال T شکل و اتصالات گوشه

FSWمزایای جوشکاری

1. جوشکاری حالت جامد و دما زیر نقطه ذوب
2. استحکام کششی و خستگی بالا
3. انقباضات حاصل از جوش پایین
4. توانایی جوشکاری قطعات ضخیم با یک پاس
5. قابلیت تکرار
6. از این تکنیک برای جوش دادن فلزات ناهم جنس می‌توان استفاده کرد. 
7. گرمای اصطکاکی فقط در محل جوش خوردن قطعات تولید می‌شود. بنابراین مجموعه تحت جوشکاری بطور گسترده نرم نمی‌شود. 
8. اتصال شامل هیچگونه فلز پر کننده ای نمی باشد و هر نوع آلومینیومی بدون دلواپسی از سازگاری ترکیب شیمیایی فیلر با ساختارش می توان به کار برد و هر نوع آلومینیومی و کامپوزیتی می توانند به یکدیگر با سهولت وصل شوند.
9. جوش در تمامی سطح مقطع اتصال دو قطعه در یک زمان صورت می‌پذیرد. 
10. اعوجاج کم قطعه کار
11. اتلاف کم عناصر آلیاژی
12. خصوصیات متالورژیکی عالی در ناحیه اتصال
13. میکروساختار ریز و مناسب
14. کاهش مصرف سوخت در کاربردهای ساخت کشتی، اتومبیل ها و هواپیماهای سبک
 كيفيت جوشكاري در جوشكاري FSW بسيار خوب بوده و نسبت به روش‌هاي رايج نقايص كم‌تري دارد. از آن‌جا كه دماي کاری در اين روش پايين‌تر از نقطه ذوب فلز است، الزامات حفاظتي كم‌تري نيز مورد نياز است. به عنوان مثال، استفاده از محافظ ضد تشعشع كاملاً منتفي است.
جوشكاري FSW نسبت به كيفيت برش لبه‌ها حساسيت زيادي ندارد، چرا كه موادي كه تحت عمل جوش قرار گرفته‌اند توسط ابزار به‌هم زده مي‌شوند و بنابراين درزهاي كوچك به خودي‌خود بسته مي‌شوند، كه اين در بسياري از كاربردها يك مزيت عمده تلقي مي‌شود.

FSWمعايب جوشكاري

این روش نيز همانند روش‌هاي ديگر، معايبي در كنار مزاياي خود دارد.

1. نیازمند به فیکسچرهای دقیق جهت گرفتن قطعه
 براي نگهداشتن قطعات به نيروي زيادي نياز داريم زيرا در حين فرايند‏ جوشكاري، گشتاور زيادي بر قطعات اعمال مي‌شود.

2. به وجود آمدن حفره در انتهای جوش

3. عدم توانایی اتصال مواردی که نیاز به فلز پر کننده باشد

4. سرعت جوشكاري حداكثر به 108 سانتي‌متر بر دقيقه مي‌رسد. سرعت جوشكاري در فولاد پايين‌تر از آلومينيم است.

FSWپارامترهای موثر در جوشکاری

در جوشکاری FSW چهار پارامتر بسیار مهم وجود دارد:


1- سرعت چرخش پین ω (w, rpm) ساعت گرد و یا غیر ساعت گرد
 
2- سرعتی که پین خط اتصال را طی می کند (v, mm/min) .

3- زاويه انحراف ابزار از خط عمود بر سطح قطعه كار (tilt angle)

4- نيروي عمودي وارد بر ابزار توسط دستگاه (N)

 چرخش ابزار منجر به همزدن و مخلوط شدن مواد حول پین درحال چرخش می شود و حرکت ابزار منجر به حرکت و عبور ماده از جلو به عقب پین می شود و جوشکاری انجام می پذیرد. 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.

همچنین عمق نفوذ پین درون قطعه کار (که اصطلاحاً target depth گفته می شود) ماده جهت ایجاد یک جوش مناسب با سطحی صاف ، پارامتری حائز اهمیت است. علاوه براین میزان عمق نفوذ پین به داخل میزان نفوذ پین به داخل ماده بستگی به ارتفاع پین دارد. در زمانی که عمق نفود بسیار کم باشد شانه با سطح قطعه کار تماس پیدا نمی کند در این صورت شانه درحال چرخش نمی تواند ماده در حال هم زدن را از جلو به عقب پین حرکت دهد که در این حالت جوش حاصله حاوی شیار های سطحی یا کانال های داخلی خواهد بود. در حالتی که عمق نفوذ بسیار زیاد باشد شانه ابزار به داخل قطعه کار فرو می رود و موجب ایجاد flash (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 Shoulder، Shoulder های ساخته شده که همواره زاویه خمش آنها با سطح صفر می باشد [همواره عمود بر سطح هستند] که این Shoulder ها در جوشکاری سطوح منحنی شکل کاربرد دارند.

تأثیر پیشگرمایش و سرمایش

فرایند پیشگرمایش و سرمایش همچنین می تواند در برخی از فرایندهای ویژه FSWمهم باشد. برای موادی با نقطه ذوب بالا مثل فولادها و تیتیانیوم و یا مواد با هدایت حرارتی بالا مثل مس، حرارت ایجاد شده توسط اصطکاک و هم زدن ممکن است برای نرم کردن و پلاستیسیته کردن مواد اطراف پین کافی نباشد . بنابراین در این حالت ایجاد جوشی عاری از عیب مشکل می باشد و در این حالت پیشگرم کردن یا استفاده از مواد گرمایشی داخلی می تواند به سیلان ماده و بهبود فرایند کمک کند. از طرف دیگر برای موادی با نقطه ذوب پایین مثل آلومینیوم و منیزیوم، سرد کردن آنها موجب کاهش رشد دانه ها و انحلال تنش های پس ماند می شود

تغییرات میکروساختاری حاصل از فرایند FSW

در حین فرایند FSW به علت دمای بالا و تغییر فرم پلاستیک شدید، منجر به تبلور مجدد و گسترش یک بافت خاص در منطقه هم زده شده می شود و حل شدن رسوبات و درشت شدن دانه نیز در اطراف منطقه هم زده شده رخ می دهد، بر مبنای خصوصیات میکروساختاری دانه ها و رسوبات 4 منطقه مجزا قابل شناسایی می باشد.

1. ناحيه هم زده (SZ) : در اين ناحيه تبلور مجدد ديناميكي در نتيجه فرايند ترمومكانيكي شديد حاصل از تغییر فرم پلاستیک شدید و گرمای اصطکاکی اتفاق مي افتد و باعث ايجاد يك ساختار تبلور مجدد يافته ریز و هم محور همگن مي شود.
2. ناحيه متاثر ترمومكانيكي (TMAZ ) : از ویژگی های منحصر به فرد فرايند FSPايجاد يك ناحيه انتقالي متاثر ترمومكانيكي بين فلز پايه و ناحيه هم زده است . از آنجايي كه در اين ناحيه تغييرفرم مكانيكي زيادي اتفاق مي افتد، دانه ها در اين ناحيه كشيده مي شوند . اگرچه اين ناحيه تحت تغيير فرم پلاستيك قرار مي گيرد، ولي تبلور مجدد در اين ناحيه در نتيجه كرنش تغيير فرم ناكافي اتفاق نمي افتد . اما انحلال بعضي رسوبات در نتيجه تولید دماي بالا در طول فرایند FSP  مشاهده مي شود.
3. ناحيه متاثر از حرارت (HAZ ) : اين ناحيه دستخوش ترتيب مجدد دانه هاي فرعي و به هم آميختگي دانه ها مي شود.
4. فلز پايه (BM) : ناحيه اي كه تحت تاثير فرايند قرار نمی گیرد.

کلام آخر:

امروزه جوشكاري اصطكاكي تلاطمي به عنوان يك روش برتر براي پيوند دادن سطوح منحني، مقاطع با ضخامت‌هاي متفاوت، و اجسامي كه از مواد فلزي متفاوت تشكيل شده‌اند مطرح است.
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.

فرایند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي در تولید راكت هاي دلتا 2با مدول interstage ، صنایع فضايي و كشتيهای حمل و نقل تانكرهاي بزرگ از آلیاژهای آلومینیوم مستحکم در آگوست 1999 با موفقیت و كاميابي به انجام رسیده است.

در صنایع كشتي سازي و صنایع نورد مواد اوليه در حال حاظر چندین شرکت از این فرايند استفاده ميكنند.
 به عنوان مثال: برای تولید و ساخت تابلوهای آلومینیومی بزرگ.

ماشینهای جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي (FSW)  براي جوشكاري ضخامت هاي بالاي 16 ميلي متر قابل دسترسی و کاربرد هستند.
اين روش جوشكاري تا كنون جاي خود را در صنايع هوايي باز كرده و در صنايع خودروسازي نيز به سرعت رو به گسترش است. با طراحي و توسعه مواد جديد براي ابزار چرخاني كه اساس كار اين روش بر آن استوار است، محدوده كاربرد FSW از قطعات آلومينيمي به قطعات فولادي نيز گسترش يافته است. هم‌اكنون برخي از دانشگاه‌هاي كشور مطالعاتي را در اين زمينه آغاز كرده‌اند، و شايد در آينده شاهد كاربرد اين فرايند‏ در صنعت خودرو كشور باشيم.

نویسنده :امیر وزیریان مسول کارگروه متالورژی کانون دانش پژوهان طلیعه خوزستان