یکی از از مهم ترین روش ها در اتصال قطعات ،جوشکاری است که به دو شکل ذوبی و غیر ذوبی مورد استفاده قرار می گیرد. جوشکاری غیر ذوبی یا حالت جامد به گونه ای است که در آن ذوب فلز رخ نمی دهد، بلکه بر اثر ایجاد حرارت در سطوح مورد نظر ،فرآیند جوش انجام می شود. جوشکاری اصطکاکی یا FW یکی از انواع جوشکاری غیر ذوبی است که بر اثر اصطکاک و فشار اتصال قطعات به یکدیگر انجام می شود. در این روش ،فرآیند اتصال از طریق گرما و حرارتِ به وجود آمده در سطوح و نقطه مورد نظر و با ایجاد فشار ، شکل می گیرد. در جوشکاری اصطکاکی ، نوع فلز و ضخامت آن موثر است و با توجه به این نکات باید دما و نوع اصطکاک را مشخص کنیم و پس از گرمایش به وجود آمده عملیات اتصال را انجام دهیم. در جوش اصطکاکی گاهی ممکن است بخاطر دما و اصطکاک شدید ، ذوب به وجود بیاید اما به خاطر تمرکز بالای مواد در یک نقطه و سطح تماس نمی توان ذوب را مشاهده کرد.
جوشکاری اصطکاکی انواع متفاوتی دارد که از جمله آن ها می‌توان به جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و دورانی اشاره کرد. این نوع جوشکاری به دلیل اینکه کاردبردهای زیاد و متفاوتی دارند، نیازمند تسلط و ابزارهای مناسبی هستند. در حقیقت نیاز به تخصص و ابزار مناسب را می‌توان در زمینه‌های مختلف جوشکاری مشاهده کرد.
در ادامه این مطلب انواع جوشکاری اصطکاکی ، کاربرد ها، ویژگی ها و معایب آن را مورد بررسی و تحلیل قرار می دهیم.
تاریخچه جوشکاری اصطکاکی
جوشکاری اصطکاکی اولین بار در قرن پانزدهم توسط بوینگتون J.H.Bevington ابداع شد. وی یک ماشینکار بود که از این روش اولین بار برای ترمیم لوله های فلزی استفاده کرد. این روش از جوشکاری در قرن بیستم توسط افراد مختلفی توسعه و گسترش یافت و مدل های مختلفی به آن افزوده شد. در اواسط قرن بیستم محققان امریکایی این نوع از جوشکاری را با ابداع روش اینرسی توسعه دادند. در حال حاضر جوشکاری اصطحکاکی مدل های مختلفی دارد و هر کدام از آنها در صنایع مختلف کاربرد های متنوعی دارند.
انواع جوشکاری اصطکاکی
جوشکاری اصطکاکی انواع مختلفی دارد که در هر کدام از آنها عملیات و فرایند اتصال و جوش متفاوت است. با توجه به اینکه در جوش اصطکاکی اتصال از طریق گرما و فشار ایجاد می شود در هر کدام از انواع جوشکاری های اصطحکاکی ،نوع اتصال متفاوت است و میزان فشار نیز فرق دارد. در ادامه انواع جوشکاری با اصطکاک را بطور جامع بیان می کنیم و به کاربرد هر کدام از آنها نیز اشاره می کنیم.
- اغتشاشی
- چرخشی یا دوروانی
- خطی
- اختلاطی
- اغتشاشی نقطه ای
- ارتعاشی
کاربرد جوشکاری اصطکاکی
کشتی سازی :
برای ساخت بدنه های کشتی از پنل های آلومینیومی ، جوشکاری با اصطکاک اغتشاشی کاربرد گسترده ای دارد که پیش از این روش نیز برای ساخت قایق ها استفاده می شده است.
بیشتر بخوانید : جوشکاری آلومینیوم چیست ؟
هوافضا :
در این روش برای ساخت مخازن ، جهت ذخیره کردن اکسیژن استفاده می شود. علاوه بر این در اتصال دادن بدنه هواپیما نیز مورد استفاده قرار می گیرد ، به این دلیل که این روش جوشکاری از پرچ کردن سبک تر است.
خودرو سازی :
آلومنیوم از مواد اصلی در ساخت قطعات خودرو است. از روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای ساخت شاسی خودرو استفاده می شود.
صنایع الکترونیک:
برای انتقال جریان های برق در مدار های الکتریکی از این روش جوشکاری استفاده می شود و فلزاتی که در این روش به یکدیگر جوش داده می شوند آلومنیوم و مس هستند.
از دیگر مواردی که جوشکاری اصطحکاکی در آنها کاربرد دارد می توان به صنایع شیمیایی، اتصال های خط لوله، تهویه هوا، مبدل های حرارتی و … اشاره کرد.
آشنایی با جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی ( FSW )
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی ( Friction Stir Welding ) یکی از روش های جوشکاری جامد است که در سال ۱۹۹۱ توسط موسسه جوشکاری انگلیس و با همکاری دانشگاه کمبریج ابداع شد. در این روش از جوشکاری می توان بین فلزات غیر مشابه فرایند اتصال را انجام داد.
مدل‌های جوشکاری را به دو دسته ذوبی و غیر ذوبی (حالت جامد) تقسیم بندی می‌کنند که «جوشکاری اصطحکاکی اغتشاشی» زیر مجموعه انواع جوشکاری حالت جامد یا غیر ذوبی است.
بیشتر بدانید : جوشکاری ذوبی چیست ؟
در جوشکاری های حالت جامد یا غیر ذوبی ، بدون ایجاد مذاب، اتصال بین قطعات صورت می پذیرد. به طور کلی در جوشکاری های اصطحکاکی اغتشاشی، حرارت مورد نیاز برای ایجاد جوش ، از طریق انرژی مکانیکی تامین شده و دو قطعه به یکدیگر متصل می‌شوند.
نکته مهم اینکه از جوش اصطکاکی اغتشاشی یا FSW برای اتصال آلیاژهای آلومینیم، مس، تیتانیم، فولادهای زنگ نزن، و آلیاژهای منیزیم استفاده میشود. پلیمرها نیز توسط این روش ، جوشکاری می‌شوند. همچنین نکته دیگر اینکه در هنگام استفاده از ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، احتمال جدایی دو لبه قطعه کار از یکدیگر وجود دارد، به همین دلیل باید با تعبیه و اعمال نیرو به قطعات، از این امر جلوگیری شود.
جوش اصطکاکی اغتشاشی یک فناوری سبز و دوستدار محیط زیست است. این روش ،آلودگی حاصل از ذوب و لایه محافظ با گاز را ایجاد نمی کند.
انواع اتصال فلزات غیر مشابه در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW)
یکی از اتصالات مهم در جوشکاری اغتشاشی اتصال فلز آلومنیوم و یا ترکیب اتصالی آلومنیوم با دیگر فلزات است. که اصطلاحا اتصال فلزات غیر مشابه گفته می شود.
- آلومینیوم به مس: از این اتصال بیشتر در صنایع الکترونیکی استفاده می شود. عمده کاربرد آن در ساخت سیستم خنک کننده راکتور است.
- آلومینیوم به تیتانیوم: از این شیوه اتصال در صنایع هوایی برای کاهش وزن استفاده می شود. استحکام بالای این دو فلز در کاهش وزن سازه بسیار تاثیر گذار است.
- آلومینیوم به فولاد: ترکیب آلومنیوم با فولاد در تولید سازه های مکانیکی و ساخت سیستم های حمل و نقل استفاده می شود.
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیر یکسان
یکی از روشهای جوشکاری جامد است که در دهه نود میلادی اختراع شد. این مدل جوشکاری برای اتصال فلزات پایه همچون آلومنیوم، مس، فولاد و … استفاده می شود. در این شاخه از جوشکاری هیچ گونه ذوبی رخ نمی دهد بلکه بر اثر گرمایی که توسط یک ابزار چرخشی غیر قابل مصرف تولید می شود ،مواد نرم شده و با روش های چرخشی و خطی اتصال به وجود می آید.
اصول جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیر یکسان
در این روش برای اتصال از مکانیزم ساده ای استفاده میشود اینگونه که، با چرخش فلز اتصال دهنده ، بر اثر اصطکاک ،گرما تولید می شود و باعث نرم شدن مواد می شود و در نتیجه پیوند بین فلزات برقرار می شود. از جمله این اصول به موارد زیر باید اشاره کرد:
- هندسه ابزار: ابزار از عوامل مهم برای رسیدن به یک اتصال است. در این روش ابزار به دو بخش شانه و پین تقسیم می شوند. از شانه برای تولید گرما و اصطکاک و از پین برای سفت کردن مود نرم شده استفاده می شود. شانه و پین در شکل های مختلفی وجود دارند که از مرسوم ترین آنها می توان به : استوانه ای، مثلثی، مستطیل، و رشته ای اشاره کرد.
- پارامتر های جوشکاری: برای تکمیل فرایند در جوشکاری اغتشاشی غیر یکسان نیاز داریم تا مواردی را برای اتصال مکانیکی در نظر بگیریم. از جمله این پارامتر ها و موارد مهم می توان به : سرعت چرخش ابزار، سرعت حرکت خطی ابزار، زاویه شیب ابزار، فاصله ابزار تا سطح و هندسه ابزار اشاره کرد که همگی از پارامتر های جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیر یکسان هستند.
- میزان تولید گرما: در این بخش ، از شانه برای ایجاد گرما و اصطکاک استفاده می شود. به طور عمده میان سطح شانه و فلزات پایه این گرما به وجود می آید. پس از ایجاد گرما برای اتصال با چرخش توسط پین فرایند جوشکاری به وجود می آید و اتصال بر قرار می شود.
- حرکت جریان مواد: حرکت جریان مواد در این مدل به عوامل مختلفی همچون، نحوه فرایند جوش، هندسه ابزار و موارد پایه بستگی دارد.
مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
از آنجایی که در این روش جوشکاری برای ایجاد اتصال ،ذوب اتفاق نمی‌افتد، عیوب جوشکاری مربوط به ذوب نیز در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یا جامد وجود نخواهند داشت. نکته بسیار مهم اینکه در این روش جوشکاری، سرعت انجام کار بسیار بالا است. جوشکاری اصطحکاکی اغتشاشی، در مقایسه با سایر روشهای جوشکاری، مانند جوش اصطکاکی چرخشی یا دورانی، مصرف انرژی پایین‌تری دارد.
در فرآیند جوشکاری اصطحکاکی اغتشاشی نیازی به استفاده از فلزهای پرکننده و مواد مصرفی دیگر مانند الکترود و سیم جوش نیست. همین هزینه می‌تواند هزینه های فرد تعمیرکار را کاهش دهد. هزینه‌ای که با توجه به افزایش قیمت ابزار زیاد خواهد بود.
همچنین اتصالات ایجاد شده توسط جوش اصطکاکی اغتشاشی، کیفیت، استحکام و مقاوت بسیار بالایی دارند.
پس از انجام عملیات جوشکاری ، نیازی به تمیزکاری قطعات استفاده شده نخواهد بود. در ادامه این مطلب به معرفی جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا جوشکاری اصطحکاکی دورانی خواهیم پرداخت.
در ادامه به برخی از ویژگی های جوش اصطکاکی اغتشاشی اشاره می کنیم:
- جوش بدون درز
- قابلیت جوش فلزات غیر مشابه
- پروسه جوشکاری اتوماتیک
- مناسب با محیط زیست و عدم آلودگی محیط
معایب و محدودیت در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوشکاری در این روش نیز مانند روش های دیگر دارای معایبی می باشد و به طور کلی معایب جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مربوط به کارکرد آن است. برای مثال در روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلومنیوم نمی توان دمای بالایی را به وجود آورد و یا اینکه سایش بیش از حد بین قطعات ایجاد کرد. از جوشکاری در این روش نمی توان برای اتصال دادن فولاد های ضخیم استفاده کرد و تنها کاربرد آن برای فلزات در ضخامت پایین است.
دیگر معایبی که می توان برای این نوع جوشکاری در نظر گرفت موارد زیر است:
- ایجاد حفره در سطح
- هزینه نصب نسبتا بالا
- انعطاف کمتر در مقایسه با جوشکاری قوسی
- سرعت کمتر در مقایسه با دیگر روش ها
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی نقطه ای
از دیگر روش های جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی می توان به اغتشاشی نقطه ای اشاره کرد. در این حالت مانند تمام روش ها و مدل های جوشکاری اصطکاکی نیاز به مواد مصرفی و ماده ذوب نیست، بلکه بر اثر گرما و فشار ،اتصال دو ورق انجام می شود. در این حالت، جوشکاری به شرایطی مانند سرعت دورانی ابزار و هندسه ابزار بستگی دارد.
کاربرد جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی نقطه ای
با توجه به اینکه جوشکاری نقطه ای یکی از حالت های جوشکاری اغتشاشی نقطه است، از این جوشکاری در صنایع هوافضا و خوردو سازی استفاده می شود.
معرفی جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا دورانی (RFW)
جوشکاری اصطکاکی چرخشی ( Rotary Friction Welding ) از دیگر روش های جوشکاری است که در آن سرعت چرخش بالا و اصطکاک باعث به وجود آمدن گرما جهت نرم شدن می شود و طی فرایندی قطعات به هم اتصال داده می شوند و پس از ایجاد گرمای بالا و اتصال ،نیروی مولد را حذف کرده و اجازه میدهیم تا عملیات جوشکاری سرد شود.
در روش جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا دورانی که به آن جوشکاری اینرشیال نیز گفته میشود ، یکی از قطعه ها ثابت می ماند و دیگری به صورت دورانی حرکت می‌کند. ابتدا موتور قطعه دورانی، شروع به چرخ دادن قطعه از سرعت صفر می‌کند، هنگامی که سرعت چرخش به میزان مشخصی می‌رسد، قطعه‌ای که انرژی حاصل از دوران را در خود ذخیره کرده، با فشار همزمان دو طرفه به قطعه دیگر متصل میشود. اکنون سرعت چرخش قطعه به تدریج کاهش پیدا کرده و توقف به طور کامل انجام میشود.
کاربرد جوش اصطکاکی چرخشی یا دورانی
با توجه به اینکه جوشکاری اصطکاکی در انواع صنایع کاربرد دارد و از انواع روش های آن در ساخت و تولید استفاده می شود از کاربرد های جوشکاری دورانی در ساخت سوپاپ موتور و محور فرمان استفاده می شود.
از این روش برای جوشکاری مواد ترموپلاستیک نیز استفاده می شود. جوشکاری اینرسی و درایو مستقیم از روش های جوشکاری اصطکاکی چرخشی هستند.
جوشکاری اصطکاکی اینرسی (Inertia Friction Welding) :
جوشکاری اصطکاکی اینرسی یکی از حالت های جوشکاری اصطکاکی چرخشی است که در این حالت انرژی جنبشی که در چرخ لنگر ذخیره شده است با کم شدن سرعت به حرارت تبدیل می شود و در سطح جوش پراکنده می شود. پس از آنکه سرعت چرخش به مقدار مناسب رسید موتور برداشته می شود و نیرو به قطعات ثابت وارد می شود تا جوش ایجاد شود.
جوشکاری اصطکاکی خطی(LFW , Linear Friction Welding)
این روش از جوشکاری مانند جوشکاری دورانی است با این تفاوت که به جای دوران ،نوسان خطی فرایند اتصال را ایجاد می کند.در روش جوشکاری اصطکاکی خطی قطعه متحرک می تواند نسبت به قطعه ای که ثابت است به صورت امواج سیونسی و خطی حرکت کرده ، تا زمانی که جوش به وجود بیاید و اتصال برقرار شود. در این روش چرخش خیلی کم است و همین مسئله باعث این می شود تا قطعات همیشه تحت فشار بالا قرار گیرند. در این روش به ماشین آلات پیچیده ای نیاز داریم.
کاربرد جوشکاری اصطکاکی خطی
از مهم ترین کاربرد های جوشکاری اصطکاکی خطی می توان به صنایع هوافضا اشاره کرد. در صنعت هوافضا برای ساخت توربین موتور از جوشکاری خطی استفاده می شود. علاوه بر این گاهی مواقع در تولید برخی از قطعات خودرو نیز از جوشکاری خطی می توان استفاده کرد.
آشنایی با انواع دیگری از جوشکاری اصطکاکی
در روش جوشکاری اصطکاکی ارتعاشی، پس از اینکه به قطعات فشار وارد میشود، قطعه ها در مجاورت هم ارتعاش داده می‌شوند. حرارتی که از طریق اصطکاک بین دو قطعه ایجاد شده، باعث میشود محل اتصال قطعه‌ها حالت خمیری پیدا کند. سپس با اعمال فشار در زمان مناسب قطعات به یکدیگر متصل می‌شوند.
همچنین در روش دیگری چون، جوش اصطکاکی مداری، برای قطعه‌ها این امکان را ایجاد می‌کند که حول یک مدار کوچک می‌چرخند و به حرارت مورد نیاز برای اتصال برسند و سپس با استفاده از فشار، آنها را به یکدیگر متصل می‌کند.
محدودیت های جوشکاری اصطکاکی
در اغلب حالات جوشکاری از قبیل، جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا دورانی و جوش اصطکاکی اغتشاشی قطعات باید محور تقارن داشته باشند. همچنین تنظیم قطعات و در یک خط کردن آنها (چنانچه قطر قطعه بیشتر از ۵ سانتیمتر باشد) مشکل است.
موادی که در حالت خشک به راحتی روی هم می‌لغزند و اصطلاحا فورج پذیر نیستند، برای این روش از جوشکاری مناسب نیستند. در واقع مقاومت به سایش در مواد مورد استفاده، نباید بالا باشد. همچنین اگر طول قطعه بیش از یک متر باشد، نیاز به تمهیداتی برای جلوگیری از تاب برداشتن قطعه است.
جمع بندی :
در نظر داشته باشید که انواع جوشکاری نیازمند ابزار و وسایل ایمنی و تخصصی مورد نیاز هستند. برای تهیه و خرید به صرفه ابزاری چون لوازم جوشکاری، می‌توانید با مشاوران ما در شرکت ارزان فروشی در تماس باشید .همچنین می توانید سوالات خود را در زمینه جوش اصطکاکی ،در قسمت نظرات در “زیر” مطرح کنید.
