جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

مقدمه[ویرایش]

در سال 1991 ميلادي، انستيتو جوشكاري انگلستان< جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي را ابداع كرد كه اولين بار اين روش براي آلياژهاي آلومينيوم مورد استفاده قرار گرفته و يك روش جوشكاري حالت جامد می‌باشد[۱].در سالهای اخیر شرکت های مختلفی از این تکنولوژی نوظهور استفاده می کنند. به طور مثال،شرکت ESAB یکی از پیشتازان عرصه جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی می باشد. اصول و اساس این روش جوشکاری بسیار ساده می‌باشد. بدین صورت که یک ابزار غیر مصرفی دوار استوانه‌ای شکل متشکل از دو قسمت پین و شانه و با دارا بودن سرعت دورانی و پیشروی مناسب، وارد درز اتصال گردیده و در اثر حرارت تولید شده ناشی از اصطکاک بین ابزار و قطعه کار، بدون ذوب ماده سبب اتصال می‌شود. در نتیجه، این فرآیند نسبت به جوشکاری ذوبی، انرژی کمتری مصرف نموده و نیاز به استفاده از ماده پرکننده در آن نمی‌باشد. با انجام جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، دما در منطقه جوش در اثر اصطکاک بین ابزار و قطعه افزایش پیدا می‌کند و با رخ دادن تبلورمجدد دینامیکی، دانه‌های ریز هم محور در ناحیه اغتشاش یافته تشکیل می‌شوند و در ناحیه اغتشاش یافته چگالی نابجایی‌ها به طور قابل‌توجهی کاهش پیدا می‌کنند[۲].

شماتیک فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی


متغیرهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی[ویرایش]

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی شامل حرکت پیچیده مواد و تغییر شکل پلاستیک می‌باشد. پارامترهای جوشکاری، هندسه ابزار و طراحی اتصال تأثیرات مهمی را روی الگوی جریان مواد، توزیع حرارت و در نهایت بر روی تکامل ساختاری مواد می‌گذارد. در حالت کلی متغییرهای فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی عبارتند از: سرعت دورانی ابزار، سرعت پیشروی ابزار ، فشار عمودی از جانب ابزار به قطعه کار ، ضخامت قطعه کار ، ابزار (ابعاد، شکل هندسی، جنس ابزار و جنس پوشش سطح ابزار) زاویه ابزار با خط عمود بر سطح قطعه (زاویه انحراف)، نحوه مهار قطعه و نیروی مهار کننده.در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی حرکت دورانی ابزار و اصطکاک آن با قطعه کار سبب تولید حرارت، افت استحکام و افزایش شکل‌پذیری مواد اطراف پین شده و حرکت انتقالی سبب جابجایی مواد از جلوی ابزار به پشت آن و اتصال دهی می‌شود. بنابراین حرارت در این فرایند نقش مهمی ایفا می‌کند و پارامترهایی نظیر سرعت دورانی، سرعت پیشروی ابزار، هندسه ابزار و متغییرهای دیگری از این دست، همگی به نحوی در کنترل میزان حرارت ورودی و به تبع آن نحوه اغتشاش و الگوی جریان ماده، تکامل ریزساختار و در نهایت کیفیت جوش حاصل، اثر بسزایی دارند.

سرعت دورانی و سرعت پیشروی ابزار[ویرایش]

در انجام عملیات جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، دو پارامتر سرعت دورانی ابزار و سرعت پیشروی ابزار جزو مهم‌ترین و اصلی‌ترین متغییرهای فرایند محسوب می‌شوند. هر دو عملکرد اصلی ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یعنی ایجاد اصطکاک (نرم کردن ماده) و اختلاط مواد، به طور محسوسی به مقادیر سرعت دورانی ابزار و سرعت پیشروی ابزار وابسته هستند. دوران ابزار باعث ايجاد گرما در داخل ناحيه‌ي ميان جوش مي‌شود. بنابراين هر چه مقدار اين پارامتر افزايش يابد گرماي توليد شده بيشتر خواهد شد. با زياد شدن سرعت دورانی ابزار، امکان مخلوط شدن مواد پلاستيک شده در ناحيه جوش افزايش خواهد يافت که اين يک پارامتر مثبت محسوب مي‌شود. از طرفي با افزايش سرعت دوران پين، سرعت دوران شولدر روي ابزار نيز افزايش پيدا مي‌کند. اين افزايش باعث ايجاد گرماي بيشتر در ناحيه‌ي بالاي سطح جوشکاري خواهد شد.جهت انجام جوشكاري، اين ورق‌ها به صورت جفت و هم سطح بر روي ميز دستگاه فرز قرار گرفته و توسط فيكسچرهايي ثابت شدند. در مجموع مي‌توان گفت که ميزان گرماي توليد شده بر اثر دوران ابزار يک حالت بهينه دارد. يعني اگر گرماي توليد شده بر اثر دوران ابزار به اندازه‌ي کافي نباشد امکان توليد اتصال جوشي مناسب به علت کم بودن دماي مواد جريان پيدا کرده کم خواهد شد. بنابراين جوش ايجاد شده از نظر خواص استحکامي افت مي‌کند. با افزايش سرعت پيشروي ميزان انتقال حرارت ناحيه جوش به قطعه کار کاهش يافته، بنابراين اثر فرآيند جوشکاري در ناحيه کوچکتري از کناره‌هاي جوش مشاهده خواهد شد. از طرف ديگرسرعت فرآيند بالا رفته و اعوجاج ايجاد شده کاهش خواهد يافت[۳].

قطر پیشانی ابزار[ویرایش]

در میان ویژگی‌های هندسی مختلف یک ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، قطر شولدر ابزار از مهم‌ترین پارامترهای ابزار می‌باشد. بخش عمده حرارت تولید شده در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی توسط شولدر ابزار تولید می‌شود. پیشانی ابزار باعث القای سیلان مواد پلاستیک شده می‌شود و از فرار مواد پلاستیک شده از قطعه کار در حین جوشکاری جلوگیری می‌کند[۳]. هر چه قطعه کار استحکام بیشتری داشته باشد، شولدر ابزار بزرگتری برای تولید حرارت به منظور نرم شدن کافی قطعه کار و سهولت سیلان ماده در اطراف پین ابزار نیازمند است. همچنین قطر شولدر بزرگتر نیازمند توان دستگاه بالاتر است. به منظور دستیابی به عمر طولانی ابزار، شولدر ابزار باید باعث نرم شوندگی کافی شود و سیلان مواد قطعه کار را درحالی‌که نیازمند توان و گشتاور پایینی است، تسهیل کند. عمر ابزار به وسیله‌ی تنش سیلان و دمای تغییر شکل ماده در نزدیک ابزار تحت تأثیر قرار می‌گیرد. قطر شولدر بهینه با افزایش سرعت دورانی ابزار کاهش می‌یابد. برای سرعت‌های دورانی بالاتر، قطر شولدر کوچکتری برای تامین حرارت کافی به منظور نرم کردن ماده و سیلان کافی مورد نیاز است. اما می‌توان از قطر شولدر بزرگتری (برای همان منظور) در سرعت‌های دورانی پایین تر استفاده کرد. هرچه قطر شولدر ابزار در مقایسه با قطر شولدر بهینه افزایش می‌یابد، سرعت نسبی ابزار و قطعه کار افزایش می‌یابد، که منجر به لغزش بیشتر می‌شود. با افزایش لغزش، چسبندگی بین ابزار و قطعه کار کمتر می‌شود. توان لازم برای انجام دادن جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی با افزایش قطر شولدر ابزار به علت افزایش در مقدار کار اصطکاکی لغزشی، افزایش می‌یابد[۴].

جنس ابزار[ویرایش]

در فرآيند جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، اصطکاک مابين ابزار و فلز پايه موجب توليد گرما مي‌شود. هر چه ضريب اصطکاک بين ابزار و فلز پايه بيشتر شود، ميزان گرماي توليدي افزايش مي‌يابد. ضريب اصطکاک مذکور توسط سختي ابزار کنترل مي‌شود که ميزان اين سختي به ترکيبات و جنس ابزار بستگي دارد. ميزان سختي تا حد زيادي تابعي از درصد کربن مي‌باشد. البته درصد ساير عناصر و عمليات حرارتي‌هاي صورت گرفته روي ماده نيز مي‌توانند تأثير به سزايي روي سختي ماده داشته باشند. نکته ديگر که بايد مورد توجه قرار گيرد، ميزان انتقال حرارت جنس مورد نظر است. اگر عناصر تشکيل دهنده ابزار داراي انتقال حرارت بالايي باشند، گرمای توليد شده از طريق ابزار انتقال پيدا مي‌کند و درصد کمتري از آن وارد قطعه کار مي‌شود[۱].

زاویه‌ی انحراف ابزار[ویرایش]

به طور کلي زاويه انحراف ابزار مي‌تواند از صفر تا 4 درجه براي مواد مختلف تغيير کند ولي براي بيشتر مواد بهترين محدود 2.5 تا 3.5 درجه مي‌باشد. وجود اين زاويه باعث مي‌شود که موادي که در هنگام نفوذ و حرکت ابزار در زير قسمت مقعر شانه به دام افتاده و پلاستيک شده‌اند، با استفاده از نيروي فورج پشت ابزار با فشار زياد به داخل قطعه بازگردند. بنابراين اثرات اين زاويه به صورت بالا رفتن استحکام و ايجاد ريز ساختار همگن و يکنواخت خواهد بود. [۵].

انحراف ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی


نیروی محوری[ویرایش]

يکي از پارامترهاي ديگري که در کيفيت جوش تأثیرگذار مي‌باشد، ميزان نيروي محوري وارد شده به قطعه از طرف دستگاه جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي مي‌باشد. يک ميزان بهينه براي نيروي محوري وجود دارد. اگر نيروي محوري کمتر از اين ميزان باشد، جريان عمودي ماده به خوبي صورت نمي‌گيرد و عيوب ترک و تونل در جوش ايجاد مي‌شود. در صورتي که ميزان اين نيرو از مقدار بهينه بيشتر باشد، موجب نازک شدن مقطع جوش و پاشش بيش از حد در اطراف جوش مي‌شود[۶].

قطر پین[ویرایش]

قطر پين يکي ديگر از پارامترهاي قابل تغيير در دستگاه جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي مي‌باشد. به طور کلي مي‌توان بيان داشت که کاهش قطر پين موجب سايش ابزار و نهايتا عدم اتصال مناسب مي‌شود. از طرف ديگر افزايش قطر پين بيش از ضخامت ورق نيز تأثيري بر کيفيت اتصال نخواهد داشت. بنابراين مي‌ توان گفت که پين با قطري در حدود ضخامت ورق، مي‌تواند بهترين گزينه براي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي باشد[۱].

نيروي مهار قطعه کار[ویرایش]

در هنگام ورود ابزار جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي به قطعه کار، احتمال جدايي دو لبه قطعه¬کاراز يکديگر وجود دارد. به همين دليل بايد با تعبيه يک سيستم قيد و بند مناسب و اعمال نيرو به قطعه کار از اين امر جلوگيري نمود. بايد توجه نمود که با افزايش نيروي محوري به قطعه کار، ميزان نيروي لازم براي مهار قطعه نيز افزايش مي‌يابد. دستگاه جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي علاوه بر تأمين اين نيرو، بايد قابليت تغيير سيستم قيد و بند براي هندسه‌هاي مختلف را داشته باشد. يکي از تأثيرات مهمي که می‌تواند بر کيفيت اتصال ايجاد شده بگذارد، تأثير آن بر نحوه توزيع و ميزان تنش‌هاي پسماند شکل گرفته در اتصال است. بنابراين بايد طراحي اين سيستم به گونه‌اي انجام شود که علاوه بر جلوگيري از قطعات موجب ايجاد تنش‌هاي پسماند بيش از حد قابل قبول نشود[۶].

جستارهای وابسته[ویرایش]


منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ ۱٫۲ R. S. Mishra and M. W. Mahoney, Friction Stir Welding and Processing: ASM International, 2007
  2. W. Woo, L. Balogh, T. Ungár, H. Choo, and Z. Feng, "Grain structure and dislocation density measurements in a friction-stir welded aluminum alloy using X-ray peak profile analysis," Materials Science and Engineering: A, vol. 498, pp. 308-313, 12/20/ 2008
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ Y. G. Kim, H. Fujii, T. Tsumura, T. Komazaki, and K. Nakata, "Three defect types in friction stir welding of aluminum die casting alloy," Materials Science and Engineering: A, vol. 415, pp. 250-254, 1/15/ 2006
  4. M. Mehta, A. Arora, A. De, and T. DebRoy, "Tool Geometry for Friction Stir Welding—Optimum Shoulder Diameter," Metallurgical and Materials Transactions A, vol. 42, pp. 2716-2722, 2011.
  5. C. Meran and O. E. Canyurt, "Friction Stir Welding of austenitic stainless steels," Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 2010
  6. ۶٫۰ ۶٫۱ A. K. Lakshminarayanan and V. Balasubramanian, "Process parameters optimization for friction stir welding of RDE-40 aluminium alloy using Taguchi technique," Transactions of Nonferrous Metals Society of China, vol. 18, pp. 548-554, 2008/06/01 2008