جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
Friction Stir Welding (FSW)
 

«جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی»، یک روش جدید حالت جامد جوشکاری است. این روش، بازدهی انرژی بالا و سازگاری خوبی با محیط زیست دارد. همچنین، در صنایع هوافضا و سایر صنایع حساس، می‌­‌تواند برای اتصال آلیاژهای پایهٔ آلومینیوم استحکام بالا که با روش‌های معمولی، به‌راحتی جوشکاری نمی‌­‌شوند، به‌کار رود. در دهه­‌ی گذشته، جوشکاریِ اصطکاکی اغتشاشی، بیشترین توسعه را در اتصالات داشته است. فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، برای ایجاد تغییرات میکروساختاری در مواد نیز، به‌کار می‌­‌رود. 

welds.ir 

روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، اولین بار، در مؤسسه­‌ی جوشکاری بریتانیا، به‌عنوان روش اتصال حالت جامد، ابداع شد و برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، به‌کار گرفته‌شد.
اساس کار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، بسیار ساده است. همان‌طور که در «شکل ۱» می‌توان دید، یک ابزار غیرمصرفی چرخان، با یک پین با طراحی مشخص و یک شانه، به لبه­‌های مجاور صفحات متصل‌شونده وارد می‌­‌شود و در امتداد خط اتصال، پیشروی می‌­‌کند. 

 

شکل ۱: تصویر شماتیک جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی 

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، نسبت به سایر روش­‌های جوشکاری، انرژی کمتری مصرف می‌­‌کند؛ به گاز محافظ و فلاکس نیازی ندارد و سازگار با محیط زیست است. همچنین، نیازی به فلز پرکننده ندارد. لذا، هر آلیاژ آلومینیوم را می‌­‌توان بدون نگرانی از به‌هم‌خوردن ترکیب شیمیایی آن، جوشکاری کرد. حتی می‌توان آلیاژهایی با ترکیب متفاوت را نیز، جوشکاری نمود. علاوه بر این، این روش جوشکاری، برای وضعیت­‌های مختلف جوشکاری، نظیر جوش لب‌به‌لب، T‌شکل و فیلت، قابل کاربرد است.

پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، همراه با جابه‌جایی پیچیده و تغییرشکل پلاستیک است. «پارامترهای جوشکاری»، «هندسه­‌ی ابزار» و «طراحی اتصال»، بر الگوی سیلان ماده و توزیع دما مؤثر هستند. همچنین، تغییر شکل ریزساختاری ماده نیز، تابع این عوامل است.

هندسهٔ ابزار: هندسه­‌ی ابزار، مهم‌ترین عامل تأثیرگذار روی این فرآیند است و مهم‌ترین نقش را در سیلان ماده بازی می‌­‌کند. یک ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، دو قسمت دارد: «پین» و «شانه». همچنین، ابزار، دو عملکرد دارد: «ایجاد گرمای موضعی» و «سیلان ماده».
در وهله­‌ی اول و در ابتدای تماس پین با ماده، در اثر اصطکاک، گرما ایجاد می‌­‌شود. مقداری از گرما نیز، در اثر تغییر شکل پلاستیک ماده به‌وجود می‌آید. پین تا جایی که شانه روی سطح قطعه‌کار بنشیند، فرو می‌رود. اصطکاک بین شانه و قطعه‌کار در این مرحله، قسمت اعظم گرمای فرآیند را تولید می‌­‌کند. از جنبه­‌ی تولید گرما، نسبت اندازهٔ پین و شانه نیز مهم است؛ اما، سایر پارامترهای طراحی، تأثیر چندانی روی گرمای تولیدی ندارند. شانه همچنین، محدوده­‌ی گرم‌شدن قطعه را نیز، تعیین می‌کند.
عملکرد دوم ابزار، گرداندن و حرکت ماده است. شکل­‌گیری ریزساختار و خواص حاصل، بستگی به هندسه­‌ی ابزار دارد. معمولاً، از شانه­‌ی مقعر و پین استوانه­‌ای رزوه‌دار استفاده می‌­‌شود.
«شکل ۲»، دو نمونه از ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی را نشان می‌­‌دهد. در ابزار مارپیچی، حجم جابه‌جاشونده­‌ی ماده، تا ۶۰% و در ابزار سه‌شیاری، تا ۷۰% کاهش می‌­‌یابد. مزیت این نوع طراحی‌ها، کاهش نیروی اصطکاکی، امکان سیلان قسمتی از ماده که تغییر شکل پلاستیک داده، تسهیل حرکت فرورونده­‌ی ابزار و افزایش فصل ‌مشترک بین پین و مادهٔ تغییر‌شکل‌پلاستیک‌داده، هم­زمان با تولید گرمای بیشتر می‌­‌باشد.
عامل اصلی برتری این نوع پین‌ها نسبت به پین‌های ساده، نسبت حجم پیچیده‌شده هنگام چرخش به حجم خود پین است؛ یعنی، نسبت حجم دینامیک به استاتیک که برای ایجاد یک مسیر مناسب برای سیلان ماده، حائز اهمیت است.
با درنظرگرفتن تأثیر مهم هندسه­‌ی ابزار روی سیلان فلز، ریزساختار حاصل که رابطه­‌ی مستقیمی با نحوه­‌ی سیلان دارد، برای هر ابزار، متفاوت خواهد‌بود. از «شبیه‌سازی»، برای بررسی نحوه­‌ی سیلان و محاسبهٔ نیروی محوری و در نتیجه طراحی ابزار مناسب، استفاده می‌­‌شود. 

 

شکل ۲: تصویر نمادین پینی در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی که از نظر هندسی، بهینه‌سازی شده‌است. 

متغیرهای فرآیند: برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، دو پارام‌تر، بسیار مهم‌اند: «نرخ چرخش ابزار» (W، rpm) در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد و «سرعت پیشروی ابزار» (V، mm/min) در طول خط اتصال.
چرخش ابزار، باعث هم‌خوردن و اختلاط ماده حول پین چرخان شده و پیشروی ابزار، ماده­‌ی هم‌خورده را از جلو به عقب پین منتقل می‌­‌کند و در ‌‌نهایت، فرآیند جوشکاری خاتمه می‌یابد. نرخ چرخش بالا‌تر، باعث ایجاد گرمای بیشتر، به‌دلیل اصطکاک بیشتر و در نتیجه، هم‌خوردن و اختلاط بیشتر ماده خواهد شد.
علاوه بر W و V، پارام‌تر مهم دیگر، «زاویه­‌ی محور» یا «کجی ابزار نسبت به سطح قطعه‌کار» است. کجی مناسب محور در امتداد جهت پیشروی، این اطمینان را می‌­‌دهد که شانهٔ ابزار، مادهٔ هم‌خورده با پین رزوه‌دار را به‌طور مناسبی از جلو به عقب حرکت می‌دهد. همچنین، «عمق فروروندگی پین در قطعه‌کار»، برای ایجاد جوش مناسب، مهم است. عمق فروروندگی پین، بستگی به «ارتفاع پین» دارد. وقتی که این عمق کم باشد، شانه­‌ی ابزار، با قطعه‌کار تماس پیدا نمی‌کند. بنابراین، شانه­‌ی چرخان، نمی‌تواند ماده­‌ی هم‌خورده را حرکت‌دهد. وقتی که این عمق زیاد باشد، باعث ایجاد تشعشع زیاد جوش می‌­‌شود و «جوش مقعر» ایجاد می‌­شود که باعث نازکی موضعی ورق جوش می‌­‌گردد.

طراحی اتصال: رایج­‌ترین شکل‌های طراحی جوش برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، اتصالات «لب‌به‌لب» (Butt Joint) و «روی هم» (Lap Joint) هستند. انواع این اتصالات در شکل ۳ نشان داده شده­‌اند.
در شکل ۳-، a دو ورق با ضخامت یکسان، روی یک صفحه­‌ی پشتیبان قرار گرفته­‌اند. در فرورفتن اولیه­‌ی ابزار، نیرو‌ها بسیار بزرگ هستند و مراقبت زیادی برای اطمینان از عدم جدایش دو طرف جوش، باید صورت‌گیرد. ابزار چرخان در خط اتصال فرو می‌­‌رود و طول خط را می‌­‌پیماید و هم­‌زمان، شانه­‌ی ابزار، در تماس کامل با سطح صفحات است که باعث ایجاد خط جوش می‌­‌شود. از طرفی دیگر، برای اتصال روی‌هم ساده، یک ابزار چرخان، به‌طور عمودی روی صفحه­‌ی بالایی و پایینی فرو می‌­‌رود و در جهت مورد نظر، در خط طولی پیشروی می‌­‌کند و دو صفحه را جوش می‌­‌دهد. 

 

شکل ۳: اتصالات مختلف برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
a) لب‌به‌لب مربعی b) لب‌به‌لب کناری c) لب‌به‌لب T‌شکل d) روی‌هم
e) روی‌هم چندگانه f) روی‌هم T‌شکل g) اتصال فیلت

تنش‌های پسماند
تنش‌های پسماند، تنش­‌هایی هستند که در اثر کرنش‌های غیر یکنواخت مکانیکی و حرارتی، هم­‌زمان با سیلان پلاستیک یک ماده، به‌وجود می‌­‌آیند و پس از برداشته‌شدن مهار خارجی، در آن باقی می‌­‌مانند.
طی یک فرآیند جوشکاری، تغییرات دما، باعث ایجاد تنش­‌های حرارتی ناپایدار و کرنش­‌های الاستیک غیریکسان و پراکنده در جوش و ناحیه­‌ی نزدیک به آن می‌­‌شود که این امر، باعث ایجاد اعوجاج (Distortion) و تنش­‌های پسماند می‌­‌شود. این تنش­‌ها به‌طور طبیعی، الاستیک هستند و در یک جسم بدون اعمال نیروی خارجی در حالت تعادل، وجود ‌دارند؛ یعنی برآیند نیروهای داخلی در هر نقطه از ماده، صفر خواهد بود.
عوامل مؤثر بر تنش­‌های پسماند نیز، عبارتند از: ۱- ویژگی­‌های ماده ۲- نوع فرآیندهای جوشکاری ۳- تعداد پاس­‌های جوشکاری.

مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

 مزایای متالورژیکی
- فرآیند حالت جامد
- اعوجاج کم قطعه‌کار
- پایداری ابعادی مناسب
- از دست‌نرفتن عناصر آلیاژی
- خواص متالورژیکی بسیار خوب در اطراف اتصال
- ریزساختار مناسب
- عدم وجود ترک
- جایگزینی اتصال­‌های چندگانه با بست­‌ها.

 مزایای زیست‌محیطی
- عدم نیاز به گاز محافظ
- عدم نیاز به تمیزکاری سطحی
- حذف تلفات سایشی
- حذف حلال­‌ها
- حفظ مواد مصرفی مثل سیم، گاز و غیره.

 مزایای انرژی
- امکان استفاده از مواد بهتر که باعث کاهش وزن می‌­‌شود
- فقط ۵/۲ درصد انرژی مورد نیاز یک جوش لیزر را نیاز دارد
- در کاربردهای کشتی‌سازی و هواپیماسازی، سوخت کمتری مصرف می‌­‌شود.

محمد نعیمی
سید محمد مهدی زمانی