جوشکاری اصطکاکی

این فرایند در اغلب موارد، به هیچگونه فلاکس، فلز پرکننده و گاز محافظی احتیاج ندارد. هر چند ممکن است در برخی موارد، استفاده از گاز محافظ، به بهبود کیفیت ناحیه اتصال کمک کند. نبود حرارت ورودی و عدم تشکیل مذاب در این فرایند موجب می شود که مشکلات ناشی از منطقه متاثر از حرارت و منطقه ذوب وجود نداشته باشد.

مراحل جوشکاری اصطکاکی

به طور کلی، فرایند جوشکاری اصطکاکی به دو مرحله مجزا تقسیم می شود: مرحله اصطکاک و مرحله آهنگری. مراحل مختلف جوش اصطکاکی در تصویر ترسیم شده اند. همانطور که در تصویر مشخص است، معمولا یک قطعه، متحرک و قطعه دیگر ثابت نگه داشته می شود. بعد از رسیدن به یک سرعت چرخشی مناسب، تحت فشار محوری، دو قطعه به سمت هم حرکت می کنند. بعد از برخورد دو سطح، سایش شروع شده و موجب گرمایش محل اتصال می شود. اینجا مرحله اصطکاک به پایان می رسد، چرخش قطع شده و فشار به منظور انجام اتصال اعمال می شود.

نکته بسیار مهم این است که با پیشرفت فرایند پلاستیسیته و خمیری شدن سطح اتصال دو فلز، برای ادامه فرایند، نیاز به افزایش نیرو وجود دارد. گاهی از لحظه اتصال تا مرحله خمیری شدن را اصطکاک اول و لحظه خمیری شدن و افزایش نیروی محوری را اصطکاک دوم می نامند. با ادامه فرایند در مرحله آهنگری، بخشی از ماده خمیری شده به خارج از سطح اتصال، هدایت شده و به همراه مذاب احتمالی، تشکیل پلیسه دور سطح اتصال را می دهد.

انواع جوشکاری اصطکاکی

جوشکاری اصطکاکی از لحاظ نوع اعمال نیرو خود به دو دسته درایو مستقیم و اینرسی تقسیم می شود.

در نوع درایو مستقیم، تامین نیرو توسط اتصال مستقیم موتور به قطعه یا قطعات انجام می شود. در جوش اصطکاکی اینرسی ، انتقال نیرو توسط انرژی جنبشی ذخیره شده در دستگاه جوشکاری انجام می شود.

در جوش اصطکاکی درایو مستقیم، یکی از قطعات مستقیما در یک سه نظام جای می گیرد که به موتور متصل شده است. موتور با سرعت از پیش تعیین شده ای می چرخد. قطعه دیگر، اغلب ثابت می باشد. قطعات به سمت همدیگر حرکت می کنند و نیروی اصطکاک، اعمال می شود. این فرایند تا زمان از پیش تعیین شده ای ادامه پیدا می کند. بعد از دستیابی به گرمای مناسب، حرکت قطعات توسط یک ترمز متوقف شده و نیرو تا لحظه انجماد و پایان اتصال ادامه می یابد.

در جوشکاری اصطکاکی اینرسی یکی از قطعات به سه نظامی دوار متصل است و قطعه دیگر ثابت است. در مسیر محور سه نظام و موتور ، یک چرخ لنگر نصب می شود. با رسیدن به سرعت مد نظر، چرخ لنگر از موتور، جدا می شود و فرایند به وسیله انرژی جنبشی چرخ لنگر ادامه می یابد. جوش اصطکاکی اینرسی نیاز به نیروی آهنگری بیشتری دارد.

کاربرد جوشکاری اصطکاکی

کاربرد اصلی جوشکاری اصطکاکی در مواقعی است که استفاده از روش های دیگر جوشکاری به دلیل جنس قطعات یا اقتضای هندسی آن ها ممکن نباشد یا بسیار دشوار باشد. برای مثال، این فرایند همانند بسیاری از روش های حالت جامد مثل جوشکاری انفجاری ، انتخاب مناسبی برای اتصال فلزات ناهمجنس است. این فرایند و فرایندهای مشابه مانند جوشکاری FSW در بسیاری از صنایع مانند صنایع هوافضا، خودروسازی و دفاعی پر کاربرد هستند.

جوشکاری اصطکاکی مواد مختلف

جوشکاری اصطکاکی به منظور اتصال دهی طیف وسیعی از مواد مشابه و نامشابه قابل استفاده است. این مواد شامل فلزات، برخی کامپوزیت های شبکه فلزی، سرامیک ها و پلاستیک ها می شود. به طور کلی اغلب موادی که قابلیت فورج گرم دارند، قابلیت اتصال با جوش اصطکاکی را نیز دارند. همچنین برخی مواد برای اطمینان از سلامت جوش نیاز به عملیات حرارتی بعد از جوشکاری دارند.

در اتصال فلزات غیرهمجنس، پارامترهای متفاوتی شامل خواص فیزیکی و مکانیکی، انرژی سطحی، ساختار بلوری، حلالیت متقابل و ترکیبات بین فلزی روی کیفیت اتصال تاثیرگذار هستند. به همین دلیل برخی از ترکیبات فلزات غیر همجنس اتصال مناسبی ایجاد نمی کنند. برای مثال، ترکیباتی که اختلاف هدایت حرارتی یا اختلاف دمای آهنگری زیادی دارند یا تمایل به تشکیل ترکیبات بین فلزی دارند. این ترکیبات غیر همجنس ، شامل آلومینیوم به فولاد یا مس و تیتانیوم به فولاد می شود.

چیدمان قطعات در جوشکاری اصطکاکی

در اغلب چیدمان های جوشکاری اصطکاکی ، یکی از دو قطعه کار، حول یک محور تقارن می چرخد و سطوح اتصال عمود به محور تقارن هستند. چنین چیدمانی، هندسه قطعات را محدود به قطعات استوانه ای می کند. این چیدمان می تواند حالت های مختلفی داشته باشد که در تصویر مشخص شده اند.

حالت دیگری که می توان برای جوشکاری اصطکاکی تصور کرد، حرکت شعاعی است. چنین چیدمانی برای شرایطی انتخاب می شود که حرکت دادن هر دو قطعه ممکن نیست. در این حالت یک حلقه چرخان طبق تصویر در سطح اتصال دو قطعه اعمال نیرو می کند. اعمال نیرو در جهت عمود بر محور چرخش انجام می شود.

حالت دیگری که می توان برای چیدمان قطعات غیر استوانه ای در نظر گرفت، جوشکاری اصطکاکی مداری است.

در این روش یکی از قطعات، حول مداری نسبت به قطعه دیگر می چرخد.

پارامترهای جوشکاری اصطکاکی

پارامترهای موثر در جوشکاری اصطکاکی بستگی به سیستم اعمال نیرو دارند. به عبارت دیگر، متغیرهایی که روی کیفیت جوشکاری تاثیر می گذارند وابسته به نوع اعمال نیرو (درایو مستقیم یا اینرسی) هستند.

پارامترهای جوشکاری اصطکاکی درایو مستقیم

پارامترهای جوشکاری اصطکاکی درایو مستقیم ، شامل سرعت چرخشی، فشار محوری و مدت زمان چرخش می شوند.

سرعت در جوشکاری اصطکاکی

افزایش سرعت چرخشی منجر به کاهش زمان اعمال حرارت می شود. سرعت چرخشی پایین، مناسب فولادهای سختی پذیر است، از این رو که افزایش زمان اعمال حرارت ورودی باعث کاهش سرعت سرمایش و جلوگیری از ایجاد ترک کوئنچ می شود. از سوی دیگر در جوشکاری فلزات نامشابهی که احتمال تشکیل ترکیبات بین فلزی دارند، افزایش سرعت منجر به کاهش تشکیل ترکیبات ترد بین فلزی می شود.

فشار جوشکاری اصطکاکی درایو مستقیم

فشار اعمال شده در یک فرایند خاص بستگی به جنس مواد و هندسه اتصال دارد. در ضمن اینکه باید توجه داشت که در مرحله اصطکاک، فشار باید به اندازه کافی بالا باشد که سطوح اتصال در معرض هوا و اکسایش قرار نگیرند.

مدت زمان چرخش

تخصیص زمان بیش از حد به مرحله چرخش در جوش اصطکاکی موجب کاهش توان تولید، هدر رفت مواد و حتی کاهش کیفیت اتصال می شود. چنانچه زمان چرخش ناکافی باشد، گرمایش نامناسب، اتصال ناقص و اکسید باقی مانده در اتصال به وجود می آید.

پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اینرسی

پارامترهای موثر در جوش اصطکاکی اینرسی شامل ممان اینرسی چرخ لنگر، سرعت آغازین چرخ و فشار محوری می شوند.

ممان اینرسی چرخ لنگر

ممان اینرسی چرخ لنگر وابسته به شکل مقطع چرخ لنگر، قطر و جرم آن است. چرخ لنگری با ممان اینرسی بزرگتر، انرژی جنبشی ذخیره شده بیشتری برای فرایند جوشکاری دارد. چرخ لنگرهای بزرگتر، مدت زمان مرحله اصطکاک و مرحله آهنگری جوشکاری اصطکاکی را طولانی تر می کنند.

اگر چرخ لنگر بیش از حد کوچک باشد، انرژی باقیمانده ممکن است برای خارج کردن ناخالصی ها از جوش و انجام اتصال ناکافی باشد.

فشار محوری و سرعت اولیه

همانطور که در تصویر نیز مشخص است، سرعت اولیه بالا و فشار محوری پایین تاثیری مشابه یکدیگر دارند. در ضمن سرعت اولیه پایین یا فشار محوری بالا موجب اتصال ناقص و افزایش میزان پلیسه می شود.

قیمت جوشکاری اصطکاکی

عدم نیاز به فلاکس، گاز محافظ و فلز پر کننده جزو عواملی است که موجب پایین آمدن قیمت جوشکاری اصطکاکی می شود. به طور کلی این فرایند هیچ گونه ماده مصرف شونده ای ندارد. اغلب اوقات مهارت اپراتور در کیفیت نهایی اتصال حاصل شده نقش مهمی ندارد، حتی این فرایند جوشکاری قابلیت اتوماسیون کامل بدون نیاز به اپراتور را هم دارد. بنابراین در بحث نیروی انسانی هم قیمت جوشکاری اصطکاکی زیاد نیست.

شاید مهمترین عاملی که ممکن است باعث افزایش قیمت جوشکاری اصطکاکی بشود، گران بودن تجهیزات دستگاه این فرایند است. تجهیزات جوشکاری اصطکاکی قیمت بیشتری نسبت به فرایند های مشابه مثل جوشکاری فورجینگ و جوشکاری جرقه ای دارند.