شما اینجا هستید: صفحه اصلیبازرسی فنیدوره بازرسی جوشجوشکاری اصطکاکی

جوشکاری اصطکاکی

این نوع جوشكاری در زمرة پروسه های جوش حالت جامد می باشد روش های جوشكاری حالت جامد كه بیشتر متداول هستند عبارتند از: جوشكاری اصطكاكی Friction welding جوشكاری فشاری Pressure welding جوشكاری آهنگری یا پتكه ای Forge welding جوشكاری با امواج صوتی Ultrasonic welding در جوش های حالت جامد برخلاف فرآیندهای حالت ذوبی كه محل اتصال در نتیجه ذوب موضعی دو قطعه و تداخل آنها و عمل انجماد انجام می شد، اتصال بدون تشكیل مذاب انجام می شود.ولی ممكن است فیلمی از فلز مذاب در یك مرحله میانی از عملیات بین سطوح اتصال ایجاد گردد اگرچه فلز مذاب معمولاً به طور كامل از جوش جدا می شود،ولی در حضور كوتاه خود نقش مفیدی را در انجام جوش ایفا می كند.

به طور كلی جوشكاری اصطكاكی بر اساس تبدیل انرژی مكانیكی به انرژی گرمایی استوار است كه دو قسمت مورد اتصال را به هم نزدیك كرده و با ایجاد حركت دورانی سریع یكی از آنها بر روی دیگری و مالش و اصطكاك 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.

 

مكانیزم اتصال  :

 می دانیم كه سطوح در مقیاس میكروسكوپی دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هایی هستند و علاوه بر آن لایه اكسیدی نازك و یا ناخالصی های دیگر بر روی سطح پوشیده شده است . هرگاه سطوح به طور كامل در كنار هم قرار نگیرند نیروی چسبندگی بین مولكولی بین آنها برقرار نشده و در نتیجه اتصال انجام نمی گیرد هدف اصلی در جوشكاری اصطكاكی برطرف نمودن این ناهمواری ها و ناخالصی ها و اعمال فشار برای اتصال دو سطح است.

هنگامی كه دو سطح با فشار معین بر روی هم مالیده می شوند نقاط بلند بهم برخورد كرده و از بین می روند، همزمان لایه اكسیدی برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با یكدیگر قرار می‌گیرند و بدین ترتیب یك باند یا چسبندگی موقت (Seizures) به وجود می آید با ادامه حركت ،این چسبندگی بریده شده و یك باند تازه تر به وجود می آید بدین ترتیب انرژی مكانیكی به حرارتی تبدیل شده و به تدریج درجه حرارت سطح افزایش می یابد.بنابراین استحكام فشاری كاهش یافته و تغییر فرم پذیری راحت تر انجام می گیرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی كامل قرار می گیرند با فرض این كه نرخ حرارت تولیدی بیشتر از حرارت فروكشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیكی نیز بیشتر می شود تا جایی كه استحكام فشاری قادر به تحمل نیروی فشاری نیست و سطح زیر فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو می روند و حتی كمی به بیرون بر می گردند.

به خاطر حركت چرخشی دسته كم یكی از دو قطعه در محل اتصال می بایست سطح مقطع دایره ای داشته باشد جوشكاری اصطكاكی به طور كلی به دو دسته تقسیم می شود:

الف) جوشكاری اصطكاكی لحظه ای Inertia friction

ب) جوشكاری اصطكاكی مداوم Continuous drive friction

البته امروز روش های پیشرفته كه تركیبی از دو تكنیك بالاست به كار می رود هر دو نوع جوشكاری می تواند بدون توقف و به طور كامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهای عملیاتی را از قبل برنامه ریزی نمود. FRW برای قطعاتی كه بتوان آنها را از نظر اندازه و شكل با ماشین جوش اصطكاكی تطبیق داد پروسه ای جالب می باشد زیرا هیچ ماده filler یا پر كننده لازم ندارد و مثلاً برای جوشكاری فولاد كربنی ساده و آلیاژی حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جوش بدست آمده از این روش كیفیت بالایی دارد و برای تولیدات انبوه مقرون به صرفه است.

با پیشرفت های انجام شده می توان جوشكاری اصطكاكی را به جای چرخش با حركت انجام داد كه باعث گسترش این پروسه و تطبیق قطعات متنوع با این پروسه شده است.

برای تولید یك جوش قابل قبول پارامترهای عملیاتی از قبیل نیروی اعمالی، سرعت چرخش و زمان می تواند در رنج گسترده ای تغییر كند نیروی اعمالی باید به مقدار كافی بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با یكدیگر نگه دارد زمان عملیات هم باید به گونه ای باشد كه اكسیداسیون سطوح به حداقل برسد. نیروی ناكافی حرارت كمتری ایجاد می كند كه منجر به عدم اتصال مناسب سطوح می گردد از طرف دیگر نیروی بیش از اندازه حرارت زیادی تولید می كند كه منجر به ذوب شدن دو فلز می شود. به عنوان مثال برای جوشكاری فولاد نیرو در محدوده 30-60 MPa و سرعت زاویه ای حداقل  90 m/min می باشد. زمان گرمادهی برای قطعات كوچك از 5 تا 10 ثانیه می باشد. زمان باید به اندازه كافی باشد تا اجازه رسانش گرمایی به بخش های مركزی سطوح كه دارای حركت نسبی كمتری 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 جوشكاری اصطكاكی

 

 

مزایا :

عدم نیاز به فلاكس ( روانساز) ، ماده پر كننده و گاز محافظ

مصرف انرژی الكتریكی كمتر و به طور كلی انرژی مورد نیاز

عملیات جوشكاری نسبتا تمیز و بدون قوس الكتریكی ،دود و گاز

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

محدودیت ها :

یكی از قطعات باید گرد باشد . همچنین باید دارای شكل و طرحی باشد كه 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.اكثر مواد و فلزات را میتوان با این روش جوشكاری نمود و تقریبا هیچ محدودیتی نداریم.

پوشش كاری بوسیله جوشكاری اصطكاكی:

پوشش كاری بوسیله جوشكاری اصطكاكی هم اكنون تحت مطالعات زیادی قرار دارد زیرا به قلمرو فلزات، آلیاژها و همچنین كامپوزیت ها قدم گذاشته است و یك لایه كاملاً مجزا از پوشش را روی ماده زیری اعمال می كند یكی از امتیازات و مزیت های این روش نسبت به سایر روش های پوشش كاری این است كه محلول پس زده شده و فلز مذاب پایه ندارد. پوشش دهی اصطكاكی از مشكل ناشی از ذوب ماده مصرف شدنی در هوا به وسیله مكانیزم پیچیده انجماد رسوب به همراه هیدروژن بدست آمده و ترك های سرد و شرایط نامطلوب سطحی همراه با دانه های حاصل از جوشكاری (beads) جلوگیری می كند در پوشش كاری اصطكاكی  از یك ماده مصرف شدنی دوار كه می توان یك شمش جامد فلزی با سطح مقطع گرد و با یك تیوپ فلزی پر شده از یك ماده انتخابی استفاده می شود انتهای آزاد ماده مصرف شدنی با اعمال یك فشار بر روی سطح زیر لایه (سطح قطعه كار) آورده می شود و به دلیل این كه ماده مصرفی دوار دارای مقاطع كوچكتراست  دمای آن سریع تر بالا می رود بدین سان قطعه كار با یك حوزه گرمایی و یك منطقه HAZ مینیمم روبرو می شود هنگامی كه انتهای گرم ماده مصرف شدنی در حال چرخش، پلاستیسیته می شود ماده مصرف شدنی زیر یك فشار به سطح فلز پایه جوش می خورد. شكل 6 ضرورت تكنیك پوشش كاری اعمالی  و یك ماشین در حال كار را نشان می دهد. راهنمای عملیات و پارامترهای مورد نیاز پروسه استخراج و فهرست شده اند ماده مصرف شدنی در شكل 6 یك شمش با سطح مقطع گرد با قطر mm 25 است كه یك 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 كیلو نیوتن با سرعت سیر 4.9 میلی متر بر ثانیه نشان می دهد سرعت دوران های بالاتر منجر به لایه رسوب نازكتر می شود و كیفیت جوش در فصل مشترك با قطعه بهبود می یابد نیروی محوری كمتر ضخامت لایه رسوب را افزایش می دهد اما پهنای باند موثر را كاهش می دهد.

جوشكاری اصطكاكی به طور كلی به دو دسته تقسیم می شود:

 

الف) جوشكاری اصطكاكی لحظه ای Inertia friction

ب) جوشكاری اصطكاكی مداوم Continuous drive friction

البته امروز روش های پیشرفته كه تركیبی از دو تكنیك بالاست به كار می رود هر دو نوع جوشكاری می تواند بدون توقف و به طور كامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهای عملیاتی را از قبل برنامه ریزی نمود.

جوشكاری اصطكاكی لحظه ای:

فرم لحظه ای جوشكاری اصطكاكی چرخشی شامل یك قطعه كار گیرداده شده به یك 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 كار در حال چرخش تحت نیروی فشاری به قطعه كار ساكن متصل می شود. با تماس دو سطح انرژی جنبشی چرخ دوار از طریق اصطكاك به حرارت تبدیل می شود و به محض اینكه سرعت كاهش یافت گرمای تولیدی در سطوح هم كاهش می یابد و بجای آن گرما از طریق رسانش در قطعات پراكنده می شود با افزایش سطح مقطع تماس گشتاور در جهت مخالف شروع به افزایش می كند و سبب توقف ناگهانی حركت دورانی چرخ دوار می شود و جوش در حالت جامد تشكیل می گردد در این مرحله یك نیروی اضافی باعث افزایش سطح مقطع اتصال شده و كیفیت خواص مكانیكی جوش را بهبود می بخشد، انرژی موردنیاز برای یك عملیات به اندازه، شكل، وزن قطعه و سرعت چرخش چرخ دوار بستگی خواهد داشت اثر انرژی كل چرخ دوار، نیرو، سرعت بر الگوی گرمایی ایجاد شده در سطوح اتصال در شكل 1 نشان داده شده است.

جوشكاری اصطكاكی پیوسته:

 

در این نوع جوشكاری مانند جوشكاری اصطكاكی لحظه ای یك قطعه كار به یك سه نظام متصل به موتور گیر داده شده است كه به طور پیوسته با یك سرعت ثابت و زمان مشخص می چرخد به طور معمول یك نیروی فشاری كنترل شده اولیه برای ایجاد اصطكاك بر سطوح تماس وارد می شود. هنگامی كه حرارت كافی تولید شد قطعه كار 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 جوشكاری اصطكاكی مداوم، برای اتصال مقاطع خیلی بزرگ و یا بی نهایت كوچك كاربرد دارد به عنوان مثال ماشینی كه برای جوشكاری شفت ها و تیوپ های با قطر بزرگ با سطح مقطع در حدود 1480cm2 استفاده می شود دارای ظرفیت نیروی 20MN می باشد و برعكس وقتی جوشكاری اصطكاكی در مقیاس میكرو 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 كم جوشكاری سر به سر می شوند (با قطر 2mm) سرعت چرخشی باید در حدود 47000rpm باشد همچنین وایرها با قطر كوچكتر از 1mm به طور موفقیت آمیز جوشكاری اصطكاكی می شوند ولی سرعت چرخش باید تا حدود 125000rpm باشد.

برای رسیدن به سرعت چرخشی مورد نیاز در جوشكاری اصطكاكی با مقیاس میكرو در ماشین ها از یك توربین هوایی برای چرخاندن سه نظام استفاده می شود نیروی فشاری در اتصالات با اندازه میكرو سیر صعودی دارد كه نیروی نهایی فورج ممكن است فقط 135 lbs. باشد كل زمان گرمادهی و جوشكاری برای انجام یك جوش میكرو معمولاً كمتر از یك ثانیه است.

جوشكاری اصطكاكی شعاعی:

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

شكل های دیگری از جوشكاری اصطكاكی:

مزایا جوشكاری اصطكاكی باعث شده است تا لابلاتوآرهای توسعه دهنده ماشین های جوشكاری اصطكاكی شروع به آزمایش با فرم های مختلف از حركت لغزشی(sliding motion) برای تولید حرارت اصطكاكی برای جوشكاری كنند. این كوشش ها معطوف به مواردی بوده كه شكل فیزیكی یا طول قطعه كار را با اشكال "inertia – drive" و "direct – drive" نمی توان تطبیق داد. آزمایش هایی كه در این زمینه انجام شده در حدود نیم دوجین "half –dozen" حركت مختلف را كه 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 حركت ها به خاطر مشكلات عملی طراحی ماشین و عملیات به كندی صورت می گیرد. یك پروسه جدید كه بطور اقتصادی به كار گرفته شده است "radial Fraction welding" نامیده می شود.  بعضی دیگر نزدیك به تكمیل عملیات هستند و ماشین های آنها در حال ساخت است.

قابلیت FRW برای جوش فلزات غیرمتشابه:

قابلیت جوشكاری اصطكاكی در جوش دادن قطعات غیرهم جنس سبب استفاده وسیع آن در صنعت شده است . در مورد جوش بعضی از فلزات به فولاد ممكن است برخی تركیبات متالورژیكی مضر در حین انجام پروسه به وجود آید. چون پروسه جوشكاری در حالت جامد است و در فصل مشترك 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 كه ذوب و در نتیجه نفوذ وجود ندارد پس تركیبات بین فلزی مضر هم نداریم در مورد بعضی از فلزات نامتشابه این پروسه به وسیله یك لایه بافر یا میانی سازگار با هر دو فلز انجام می شود. لایه بافر از جنس كروم، نیكل 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 تكه جامد به انتهای یكی از قطعات اعمال كرد. در مورد جوشكاری فولادهای سختی پذیر ،پیش گرم كردن می تواند راه حل مناسب جهت افزایش خواص مكانیكی (داكتیلیتی و انعطاف پذیری) در شرایط جوش باشد اما بیشتر ترجیح داده می شود كه قطعات را پس از جوشكاری عملیات حرارتی كنیم به علت آن كه باعث بازیابی ساختار اولیه می شود. این عملیات حرارتی به طور موضعی در منطقه جوش صورت می گیرد.

ترك های سرد احتمالی كه در فرآیند FRW ممكن است بروز كند به دو دلیل است:

1-     به علت افزایش هیدروژن در مناطق جوشكاری شده كه باعث بروز ترك هیدروژنی سرد می شود.

2-     ساختارهای منجمد شده كه پس از جوشكاری مستعد به ترك سرد هستند.

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

منطقه جوش حاصل از فرآیند FRW باریكتر از منطقه جوش حاصل از سایر مكانیزم های جوشكاری است كه دلیل آن زمان جوشكاری كوتاه تر در اثر تبدیل انرژی مكانیكی به حرارتی در منطقه جوشكاری است.

مواد مناسب برای قرار گرفتن تحت جوشكاری اصطكاكی:

به طور كلی جوشكاری اصطكاكی پروسه مناسب برای اتصال فولادها می باشد و مزایای متالوژیكی مناسبی از خواص را ارائه می دهد. هر فولادی كه قابلیت فورج داغ داشته باشد می‌تواند جوشكاری اصطكاكی 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 شكست مناسب در شرایط جوش ایجاد می شود البته تاكنون فرمول مشخصی برای ارزیابی تركیبات مناسب فولادی برای تأمین خواص استحكام، سختی، نرمی و چقرمگی مناسب ارائه نشده است.

خصوصیات مكانیكی جوش های اصطكاكی:

خصوصیات مكانیكی جوش های اصطكاكی در فولادها به گستردگی سایر فرآیندها مورد بررسی و آزمایش قرار نگرفته است. از جمله خصوصیات جوش FRW می توان به استحكام، كیفیت خوب كه البته وابسته به تركیب فولاد و ریزساختار حاصل از سرعت سرد شدن پس از جوشكاری است اشاره كرد. به طور معمول استحكام جوش های ایجاد شده مناسب بوده ولی چقرمگی گاهی اوقات نگران كننده است شكل  3نمایی از پارامترهای اصلی فرآیند برای هر نوع جوش اصطكاكی را نشان می دهد:‌

تجهیزات بیشتری كه امروزه برای بدست آوردن جزئیات اطلاعات در زمان جوشكاری كه شامل مقدار گشتاور، سرعت مصرف انرژی و كاهش سرعت ،موجود است. استفاده از داده های كامپیوتری در همان زمان اجازه آنالیز فوری را می دهد و یك میكروپروسور در مورد قطعات ویژه، تابع بحرانی را كنترل می كند كه با این روش خواص مكانیكی قطعات جوش خورده بهینه می شود (optimaized) اطلاعات بوسیله تجهیزات ماشین "direct – drive" جمع آوری می شوند كه دستورات اولیه برای ساخت یك جوش با انعطاف پذیری و تافنس قابل قبول به آن داده شده است.

مقدار انرژی ضربه ای جذب شده را با جوشكاری با سرعت چرخش پایین و كاهش شتاب از زمان رها كردن كلاچ تا توقف كامل می توان بهبود بخشید.

این بهسازی در تكنیك عملیات به صورت تأثیر یك كار داغ ناچیز ظاهر می شود كه منجر به یك میكروساختار آستنیته شده،‌ كه در هنگام سرد شدن تبدیل به یك میكروساختار ریز می شود بنابراین تافنس بهبود می یابد. نوآوری دیگری در تكنیك FRW كه موجب بهبود تافنس جوش در فولاد می شود "twist post rotational" نامیده می شود بررسی ها نشان می دهد كه "twisting" در یك قطعه تازه جوش داده شده،‌ یك مقدار كم،‌ كار پلاستیك اعمال می كند. این تغییر شكل كوچك منجر به استحاله آستنیت به ساختار فریت ریز سوزنی در هنگام سرد كردن می شود.توسعه بهبود بخشی تافنس با این نوع از ریز ساختار؛ برای این كه مقدار فاق "V-sharpy" به بالای مینیمم تهیه شده ،در این نوع فولاد نورد گرم شده برسد؛ می تواند كافی باشد اما فولاد باید تركیبی را كه برای جوشكاری اصطكاكی مطلوب است، را داشته باشد مقدار "twisting" مورد نیاز برای ایجاد بهبودی تافنس، كم و در حدود 15 درجه است. این پروسه باید فوراً بعد از جلوگیری از چرخش قطعه كار، زمانی كه هنوز ساختار آستنیته داریم انجام شود. تأخیر بیش از چند ثانیه عمل را بی ارزش می كند و منجر به ساختاری دوگانه در برخی از فولادها می شود twisting. در حدود 85 درجه بدون هیچ مشكلی در مطالعات انجام شده است

 

 
logo-samandehi