جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي»، يک روش جديد حالت جامد جوشکاري است. اين روش، بازدهي انرژي بالا و سازگاري خوبی با محيط زيست دارد. همچنین، در صنايع هوافضا و ساير صنايع حساس، ميتواند براي اتصال آلياژهاي پايهی آلومينيوم استحکام بالا که با روشهاي معمولي، بهراحتي جوشکاري نميشوند، بهکار رود. در دههی گذشته، جوشکاریِ اصطکاکي اغتشاشي، بيشترين توسعه را در اتصالات داشته است. فرآيند اصطکاکي اغتشاشي، براي ايجاد تغييرات ميکروساختاري در مواد نیز، بهکار ميرود.
روش جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، اولين بار، در مؤسسهي جوشکاري بريتانيا، بهعنوان روش اتصال حالت جامد، ابداع شد و براي جوشکاري آلياژهاي آلومينيوم، بهکار گرفتهشد. اساس کار جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، بسيار ساده است. همانطور که در «شکل 1» میتوان دید، يک ابزار غيرمصرفي چرخان، با يک پين با طراحي مشخص و يک شانه، به لبههاي مجاور صفحات متصلشونده وارد ميشود و در امتداد خط اتصال، پيشروي ميکند.
شکل 1: تصوير شماتيک جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، نسبت به ساير روشهاي جوشکاري، انرژي کمتري مصرف ميکند؛ به گاز محافظ و فلاکس نيازي ندارد و سازگار با محيط زيست است. همچنين، نیازی به فلز پرکننده ندارد. لذا، هر آلياژ آلومينيوم را ميتوان بدون نگراني از بههمخوردن ترکيب شيميايي آن، جوشکاري کرد. حتي ميتوان آلياژهايی با ترکيب متفاوت را نيز، جوشکاري نمود. علاوه بر این، اين روش جوشکاری، براي وضعيتهاي مختلف جوشکاري، نظير جوش لببهلب، Tشکل و فيلت، قابل کاربرد است.
پارامترهاي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي
فرآيند جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، همراه با جابهجايي پيچيده و تغييرشکل پلاستيک است. «پارامترهاي جوشکاري»، «هندسهي ابزار» و «طراحي اتصال»، بر الگوي سيلان ماده و توزيع دما مؤثر هستند. همچنين، تغيير شکل ريزساختاري ماده نيز، تابع اين عوامل است.
- هندسهي ابزار: هندسهي ابزار، مهمترين عامل تأثيرگذار روي این فرآيند است و مهمترين نقش را در سيلان ماده بازي ميکند. يک ابزار جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، دو قسمت دارد: «پين» و «شانه». همچنين، ابزار، دو عملکرد دارد: «ايجاد گرماي موضعي» و «سيلان ماده».
در وهلهي اول و در ابتداي تماس پين با ماده، در اثر اصطکاک، گرما ايجاد ميشود. مقداري از گرما نيز، در اثر تغيير شکل پلاستيک ماده بهوجود میآید. پين تا جايي که شانه روي سطح قطعهکار بنشيند، فرو ميرود. اصطکاک بين شانه و قطعهکار در اين مرحله، قسمت اعظم گرماي فرآيند را توليد ميکند. از جنبهي توليد گرما، نسبت اندازهي پين و شانه نیز مهم است؛ اما، ساير پارامترهاي طراحي، تأثير چنداني روي گرماي توليدي ندارند. شانه همچنين، محدودهي گرمشدن قطعه را نيز، تعيين میکند.
عملکرد دوم ابزار، گرداندن و حرکت ماده است. شکلگيري ريزساختار و خواص حاصل، بستگي به هندسهي ابزار دارد. معمولاً، از شانهي مقعر و پين استوانهاي رزوهدار استفاده ميشود.
«شکل 2»، دو نمونه از ابزار جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي را نشان ميدهد. در ابزار مارپيچي، حجم جابهجاشوندهي ماده، تا 60% و در ابزار سهشياري، تا 70% کاهش مييابد. مزيت اين نوع طراحيها، کاهشنيروي اصطکاکي، امکان سيلان قسمتي از ماده که تغيير شکل پلاستيک داده، تسهيل حرکت فروروندهي ابزار و افزايش فصل مشترک بين پين و مادهي تغييرشکلپلاستيکداده، همزمان با توليد گرماي بيشتر ميباشد.
عامل اصلي برتري اين نوع پينها نسبت به پينهاي ساده، نسبت حجم پيچيدهشده هنگام چرخش به حجم خود پين است؛ يعني، نسبت حجم ديناميک به استاتيک که براي ايجاد يک مسير مناسب براي سيلان ماده، حائز اهميت است.
با درنظرگرفتن تأثير مهم هندسهي ابزار روي سيلان فلز، ريزساختار حاصل که رابطهي مستقيمي با نحوهي سيلان دارد، براي هر ابزار، متفاوت خواهدبود. از «شبيهسازي»، براي بررسي نحوهي سيلان و محاسبهي نيروي محوري و در نتيجه طراحي ابزار مناسب، استفاده ميشود.
شکل 2: تصوير نمادین پينی در جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي که از نظر هندسی، بهينهسازي شدهاست.
- متغیرهای فرآیند: براي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، دو پارامتر، بسيار مهماند: «نرخ چرخش ابزار» (W, rpm) در جهت ساعتگرد يا پادساعتگرد و «سرعت پيشروي ابزار» (V, mm/min) در طول خط اتصال.
چرخش ابزار، باعث همخوردن و اختلاط ماده حول پين چرخان شده و پيشروي ابزار، مادهي همخورده را از جلو به عقب پين منتقل ميکند و در نهايت، فرآيند جوشکاري خاتمه مييابد. نرخ چرخش بالاتر، باعث ايجاد گرماي بيشتر، بهدليل اصطکاک بيشتر و در نتيجه، همخوردن و اختلاط بيشتر ماده خواهد شد.
علاوه بر W و V، پارامتر مهم ديگر، «زاويهي محور» يا «کجي ابزار نسبت به سطح قطعهکار» است. کجي مناسب محور در امتداد جهت پيشروي، اين اطمينان را ميدهد که شانهي ابزار، مادهي همخورده با پين رزوهدار را بهطور مناسبي از جلو به عقب حرکت ميدهد. همچنين، «عمق فروروندگی پين در قطعهکار»، براي ايجاد جوش مناسب، مهم است. عمق فروروندگی پين، بستگي به «ارتفاع پين» دارد. وقتي که اين عمق کم باشد، شانهي ابزار، با قطعهکار تماس پيدا نميکند. بنابراين، شانهي چرخان، نميتواند مادهي همخورده را حرکتدهد. وقتي که اين عمق زياد باشد، باعث ايجاد تشعشع زياد جوش ميشود و «جوش مقعر» ايجاد ميشود که باعث نازکي موضعي ورق جوش ميگردد.
- طراحي اتصال: رايجترين شکلهای طراحي جوش براي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي، اتصالات «لببهلب» (Butt Joint) و «روي هم» (Lap Joint) هستند. انواع اين اتصالات در شکل 3 نشان داده شده اند.
در شکل 3- ،a دو ورق با ضخامت يکسان، روي يک صفحهي پشتيبان قرار گرفتهاند. در فرورفتن اوليهي ابزار، نيروها بسيار بزرگ هستند و مراقبت زيادي براي اطمينان از عدم جدايش دو طرف جوش، بايد صورتگيرد. ابزار چرخان در خط اتصال فرو ميرود و طول خط را ميپيمايد و همزمان، شانهي ابزار، در تماس کامل با سطح صفحات است که باعث ايجاد خط جوش ميشود. از طرفي ديگر، براي اتصال رويهم ساده، يک ابزار چرخان، بهطور عمودي روي صفحهي بالايي و پاييني فرو ميرود و در جهت مورد نظر، در خط طولي پيشروي ميکند و دو صفحه را جوش ميدهد.
شکل 3: اتصالات مختلف براي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي
a) لببهلب مربعي b) لببهلب کناري c) لببهلب Tشکل d) رويهم
e) رويهم چندگانه f) رويهم Tشکل g) اتصال فيلت
تنشهاي پسماند
تنشهاي پسماند، تنشهايي هستند که در اثر کرنشهاي غير يکنواخت مکانيکي و حرارتي، همزمان با سيلان پلاستيک يک ماده، بهوجود ميآيند و پس از برداشتهشدن مهار خارجي، در آن باقي ميمانند.
طي يک فرآيند جوشکاري، تغييرات دما، باعث ايجاد تنشهاي حرارتي ناپايدار و کرنشهاي الاستيک غيريکسان و پراکنده در جوش و ناحيهي نزديک به آن ميشود که اين امر، باعث ايجاد اعوجاج (Distortion) و تنشهاي پسماند ميشود. اين تنشها بهطور طبيعي، الاستيک هستند و در يک جسم بدون اعمال نيروي خارجي در حالت تعادل، وجود دارند؛ يعني برآيند نيروهاي داخلي در هر نقطه از ماده، صفر خواهد بود.
عوامل مؤثر بر تنشهاي پسماند نیز، عبارتند از: 1- ويژگيهاي ماده 2- نوع فرآيندهاي جوشکاري 3-تعداد پاسهاي جوشکاري.
مزاياي جوشکاري اصطکاکي اغتشاشي
- مزاياي متالورژيکي
- فرآيند حالت جامد
- اعوجاج کم قطعهکار
- پايداري ابعادي مناسب
- از دستنرفتن عناصر آلياژي
- خواص متالورژيکي بسيار خوب در اطراف اتصال
- ريزساختار مناسب
- عدم وجود ترک
- جايگزيني اتصالهاي چندگانه با بستها. - مزاياي زيستمحيطي
- عدم نياز به گاز محافظ
- عدم نياز به تميزکاري سطحي
- حذف تلفات سايشي
- حذف حلالها
- حفظ مواد مصرفي مثل سيم، گاز و غيره. - مزاياي انرژي
- امکان استفاده از مواد بهتر که باعث کاهش وزن ميشود
- فقط 5/2 درصد انرژي مورد نياز يک جوش ليزر را نياز دارد
- در کاربردهاي کشتيسازي و هواپيماسازي، سوخت کمتري مصرف ميشود.
برچسبها: جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی Friction Stir Welding, FSW
+ نوشته شده در بیست و سوم مهر ۱۳۹۶ساعت توسط مجید غفوری
متالورژی دیتا metallurgydata...
ما را در سایت متالورژی دیتا metallurgydata دنبال می کنید
برچسب : جوشکاری,اصطکاکی,اغتشاشی, نویسنده : metallurgydataa بازدید : 212 تاريخ : يکشنبه 30 مهر 1396 ساعت: 6:49