M@hdi42
17th January 2014, 04:43 PM
جوشكاری اصطكاكی (FRW) Friction Welding
این نوع جوشكاری در زمرة پروسه های جوش حالت جامد می باشد روش های جوشكاری حالت جامد كه بیشتر متداول هستند عبارتند از:
جوشكاری اصطكاكی Friction welding
جوشكاری فشاری Pressure welding
جوشكاری آهنگری یا پتكه ای Forge welding
جوشكاری با امواج صوتی Ultrasonic welding
در جوش های حالت جامد برخلاف فرآیندهای حالت ذوبی كه محل اتصال در نتیجه ذوب موضعی دو قطعه و تداخل آنها و عمل انجماد انجام می شد، اتصال بدون تشكیل مذاب انجام می شود.ولی ممكن است فیلمی از فلز مذاب در یك مرحله میانی از عملیات بین سطوح اتصال ایجاد گردد اگرچه فلز مذاب معمولاً به طور كامل از جوش جدا می شود،ولی در حضور كوتاه خود نقش مفیدی را در انجام جوش ایفا می كند.
به طور كلی جوشكاری اصطكاكی بر اساس تبدیل انرژی مكانیكی به انرژی گرمایی استوار است كه دو قسمت مورد اتصال را به هم نزدیك كرده و با ایجاد حركت دورانی سریع یكی از آنها بر روی دیگری و مالش و اصطكاك دو قطعه، گرمای زیادی تولید شده و موجب حالت پلاستیسیته در لبه های اتصال می شود با فشار اعمال شده نهایی قطعات در هم فرو می روند و اتصال ایجاد می شود.
http://i20.tinypic.com/10wv7np.jpg
مكانیزم اتصال :
می دانیم كه سطوح در مقیاس میكروسكوپی دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هایی هستند و علاوه بر آن لایه اكسیدی نازك و یا ناخالصی های دیگر بر روی سطح پوشیده شده است . هرگاه سطوح به طور كامل در كنار هم قرار نگیرند نیروی چسبندگی بین مولكولی بین آنها برقرار نشده و در نتیجه اتصال انجام نمی گیرد هدف اصلی در جوشكاری اصطكاكی برطرف نمودن این ناهمواری ها و ناخالصی ها و اعمال فشار برای اتصال دو سطح است.
هنگامی كه دو سطح با فشار معین بر روی هم مالیده می شوند نقاط بلند بهم برخورد كرده و از بین می روند، همزمان لایه اكسیدی برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با یكدیگر قرار می‌گیرند و بدین ترتیب یك باند یا چسبندگی موقت (Seizures) به وجود می آید با ادامه حركت ،این چسبندگی بریده شده و یك باند تازه تر به وجود می آید بدین ترتیب انرژی مكانیكی به حرارتی تبدیل شده و به تدریج درجه حرارت سطح افزایش می یابد.بنابراین استحكام فشاری كاهش یافته و تغییر فرم پذیری راحت تر انجام می گیرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی كامل قرار می گیرند با فرض این كه نرخ حرارت تولیدی بیشتر از حرارت فروكشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیكی نیز بیشتر می شود تا جایی كه استحكام فشاری قادر به تحمل نیروی فشاری نیست و سطح زیر فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو می روند و حتی كمی به بیرون بر می گردند.
به خاطر حركت چرخشی دسته كم یكی از دو قطعه در محل اتصال می بایست سطح مقطع دایره ای داشته باشد جوشكاری اصطكاكی به طور كلی به دو دسته تقسیم می شود:
الف) جوشكاری اصطكاكی لحظه ای Inertia friction
ب) جوشكاری اصطكاكی مداوم Continuous drive friction
البته امروز روش های پیشرفته كه تركیبی از دو تكنیك بالاست به كار می رود هر دو نوع جوشكاری می تواند بدون توقف و به طور كامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهای عملیاتی را از قبل برنامه ریزی نمود. FRW برای قطعاتی كه بتوان آنها را از نظر اندازه و شكل با ماشین جوش اصطكاكی تطبیق داد پروسه ای جالب می باشد زیرا هیچ ماده filler یا پر كننده لازم ندارد و مثلاً برای جوشكاری فولاد كربنی ساده و آلیاژی حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جوش بدست آمده از این روش كیفیت بالایی دارد و برای تولیدات انبوه مقرون به صرفه است.
با پیشرفت های انجام شده می توان جوشكاری اصطكاكی را به جای چرخش با حركت انجام داد كه باعث گسترش این پروسه و تطبیق قطعات متنوع با این پروسه شده است.
برای تولید یك جوش قابل قبول پارامترهای عملیاتی از قبیل نیروی اعمالی، سرعت چرخش و زمان می تواند در رنج گسترده ای تغییر كند نیروی اعمالی باید به مقدار كافی بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با یكدیگر نگه دارد زمان عملیات هم باید به گونه ای باشد كه اكسیداسیون سطوح به حداقل برسد. نیروی ناكافی حرارت كمتری ایجاد می كند كه منجر به عدم اتصال مناسب سطوح می گردد از طرف دیگر نیروی بیش از اندازه حرارت زیادی تولید می كند كه منجر به ذوب شدن دو فلز می شود. به عنوان مثال برای جوشكاری فولاد نیرو در محدوده 30-60 MPa و سرعت زاویه ای حداقل 90 m/min می باشد. زمان گرمادهی برای قطعات كوچك از 5 تا 10 ثانیه می باشد. زمان باید به اندازه كافی باشد تا اجازه رسانش گرمایی به بخش های مركزی سطوح كه دارای حركت نسبی كمتری برای تولید حرارت می باشند را بدهد از طرف دیگر افزایش زمان گرمادهی منجر به افزایش سطح مقطع اتصال و گسترش منطقه HAZ در دو طرف جوش به طور غیرعادی می شود.
مزایا و محدودیت های جوشكاری اصطكاكی
مزایا :
عدم نیاز به فلاكس ( روانساز) ، ماده پر كننده و گاز محافظ
مصرف انرژی الكتریكی كمتر و به طور كلی انرژی مورد نیاز
عملیات جوشكاری نسبتا تمیز و بدون قوس الكتریكی ،دود و گاز
منطقه Haz باریك و دارای دانه های ریز تر حتی نسبت به فلز اصلی
محدودیت ها :
یكی از قطعات باید گرد باشد . همچنین باید دارای شكل و طرحی باشد كه بتوان آن را روی دستگاه بسته و به گردش درآورد. البته این محدودیت با طراحی های جدید بر طرف شده است ولی هزینهای مصرفی نسبتا بالاست.اكثر مواد و فلزات را میتوان با این روش جوشكاری نمود و تقریبا هیچ محدودیتی نداریم.
پوشش كاری بوسیله جوشكاری اصطكاكی:
پوشش كاری بوسیله جوشكاری اصطكاكی هم اكنون تحت مطالعات زیادی قرار دارد زیرا به قلمرو فلزات، آلیاژها و همچنین كامپوزیت ها قدم گذاشته است و یك لایه كاملاً مجزا از پوشش را روی ماده زیری اعمال می كند یكی از امتیازات و مزیت های این روش نسبت به سایر روش های پوشش كاری این است كه محلول پس زده شده و فلز مذاب پایه ندارد. پوشش دهی اصطكاكی از مشكل ناشی از ذوب ماده مصرف شدنی در هوا به وسیله مكانیزم پیچیده انجماد رسوب به همراه هیدروژن بدست آمده و ترك های سرد و شرایط نامطلوب سطحی همراه با دانه های حاصل از جوشكاری (beads) جلوگیری می كند در پوشش كاری اصطكاكی از یك ماده مصرف شدنی دوار كه می توان یك شمش جامد فلزی با سطح مقطع گرد و با یك تیوپ فلزی پر شده از یك ماده انتخابی استفاده می شود انتهای آزاد ماده مصرف شدنی با اعمال یك فشار بر روی سطح زیر لایه (سطح قطعه كار) آورده می شود و به دلیل این كه ماده مصرفی دوار دارای مقاطع كوچكتراست دمای آن سریع تر بالا می رود بدین سان قطعه كار با یك حوزه گرمایی و یك منطقه HAZ مینیمم روبرو می شود هنگامی كه انتهای گرم ماده مصرف شدنی در حال چرخش، پلاستیسیته می شود ماده مصرف شدنی زیر یك فشار به سطح فلز پایه جوش می خورد. شكل 6 ضرورت تكنیك پوشش كاری اعمالی و یك ماشین در حال كار را نشان می دهد. راهنمای عملیات و پارامترهای مورد نیاز پروسه استخراج و فهرست شده اند ماده مصرف شدنی در شكل 6 یك شمش با سطح مقطع گرد با قطر mm 25 است كه یك لایه با ضخامت حدودی 2 میلی متر با نرخ تقریبی 4.5 گرم بر ساعت با سرعت دوران rpm 975 در زیر فشار عمودی 28 كیلو نیوتن با سرعت سیر 4.9 میلی متر بر ثانیه نشان می دهد سرعت دوران های بالاتر منجر به لایه رسوب نازكتر می شود و كیفیت جوش در فصل مشترك با قطعه بهبود می یابد نیروی محوری كمتر ضخامت لایه رسوب را افزایش می دهد اما پهنای باند موثر را كاهش می دهد.
این نوع جوشكاری در زمرة پروسه های جوش حالت جامد می باشد روش های جوشكاری حالت جامد كه بیشتر متداول هستند عبارتند از:
جوشكاری اصطكاكی Friction welding
جوشكاری فشاری Pressure welding
جوشكاری آهنگری یا پتكه ای Forge welding
جوشكاری با امواج صوتی Ultrasonic welding
در جوش های حالت جامد برخلاف فرآیندهای حالت ذوبی كه محل اتصال در نتیجه ذوب موضعی دو قطعه و تداخل آنها و عمل انجماد انجام می شد، اتصال بدون تشكیل مذاب انجام می شود.ولی ممكن است فیلمی از فلز مذاب در یك مرحله میانی از عملیات بین سطوح اتصال ایجاد گردد اگرچه فلز مذاب معمولاً به طور كامل از جوش جدا می شود،ولی در حضور كوتاه خود نقش مفیدی را در انجام جوش ایفا می كند.
به طور كلی جوشكاری اصطكاكی بر اساس تبدیل انرژی مكانیكی به انرژی گرمایی استوار است كه دو قسمت مورد اتصال را به هم نزدیك كرده و با ایجاد حركت دورانی سریع یكی از آنها بر روی دیگری و مالش و اصطكاك دو قطعه، گرمای زیادی تولید شده و موجب حالت پلاستیسیته در لبه های اتصال می شود با فشار اعمال شده نهایی قطعات در هم فرو می روند و اتصال ایجاد می شود.
http://i20.tinypic.com/10wv7np.jpg
مكانیزم اتصال :
می دانیم كه سطوح در مقیاس میكروسكوپی دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هایی هستند و علاوه بر آن لایه اكسیدی نازك و یا ناخالصی های دیگر بر روی سطح پوشیده شده است . هرگاه سطوح به طور كامل در كنار هم قرار نگیرند نیروی چسبندگی بین مولكولی بین آنها برقرار نشده و در نتیجه اتصال انجام نمی گیرد هدف اصلی در جوشكاری اصطكاكی برطرف نمودن این ناهمواری ها و ناخالصی ها و اعمال فشار برای اتصال دو سطح است.
هنگامی كه دو سطح با فشار معین بر روی هم مالیده می شوند نقاط بلند بهم برخورد كرده و از بین می روند، همزمان لایه اكسیدی برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با یكدیگر قرار می‌گیرند و بدین ترتیب یك باند یا چسبندگی موقت (Seizures) به وجود می آید با ادامه حركت ،این چسبندگی بریده شده و یك باند تازه تر به وجود می آید بدین ترتیب انرژی مكانیكی به حرارتی تبدیل شده و به تدریج درجه حرارت سطح افزایش می یابد.بنابراین استحكام فشاری كاهش یافته و تغییر فرم پذیری راحت تر انجام می گیرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی كامل قرار می گیرند با فرض این كه نرخ حرارت تولیدی بیشتر از حرارت فروكشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیكی نیز بیشتر می شود تا جایی كه استحكام فشاری قادر به تحمل نیروی فشاری نیست و سطح زیر فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو می روند و حتی كمی به بیرون بر می گردند.
به خاطر حركت چرخشی دسته كم یكی از دو قطعه در محل اتصال می بایست سطح مقطع دایره ای داشته باشد جوشكاری اصطكاكی به طور كلی به دو دسته تقسیم می شود:
الف) جوشكاری اصطكاكی لحظه ای Inertia friction
ب) جوشكاری اصطكاكی مداوم Continuous drive friction
البته امروز روش های پیشرفته كه تركیبی از دو تكنیك بالاست به كار می رود هر دو نوع جوشكاری می تواند بدون توقف و به طور كامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهای عملیاتی را از قبل برنامه ریزی نمود. FRW برای قطعاتی كه بتوان آنها را از نظر اندازه و شكل با ماشین جوش اصطكاكی تطبیق داد پروسه ای جالب می باشد زیرا هیچ ماده filler یا پر كننده لازم ندارد و مثلاً برای جوشكاری فولاد كربنی ساده و آلیاژی حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جوش بدست آمده از این روش كیفیت بالایی دارد و برای تولیدات انبوه مقرون به صرفه است.
با پیشرفت های انجام شده می توان جوشكاری اصطكاكی را به جای چرخش با حركت انجام داد كه باعث گسترش این پروسه و تطبیق قطعات متنوع با این پروسه شده است.
برای تولید یك جوش قابل قبول پارامترهای عملیاتی از قبیل نیروی اعمالی، سرعت چرخش و زمان می تواند در رنج گسترده ای تغییر كند نیروی اعمالی باید به مقدار كافی بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با یكدیگر نگه دارد زمان عملیات هم باید به گونه ای باشد كه اكسیداسیون سطوح به حداقل برسد. نیروی ناكافی حرارت كمتری ایجاد می كند كه منجر به عدم اتصال مناسب سطوح می گردد از طرف دیگر نیروی بیش از اندازه حرارت زیادی تولید می كند كه منجر به ذوب شدن دو فلز می شود. به عنوان مثال برای جوشكاری فولاد نیرو در محدوده 30-60 MPa و سرعت زاویه ای حداقل 90 m/min می باشد. زمان گرمادهی برای قطعات كوچك از 5 تا 10 ثانیه می باشد. زمان باید به اندازه كافی باشد تا اجازه رسانش گرمایی به بخش های مركزی سطوح كه دارای حركت نسبی كمتری برای تولید حرارت می باشند را بدهد از طرف دیگر افزایش زمان گرمادهی منجر به افزایش سطح مقطع اتصال و گسترش منطقه HAZ در دو طرف جوش به طور غیرعادی می شود.
مزایا و محدودیت های جوشكاری اصطكاكی
مزایا :
عدم نیاز به فلاكس ( روانساز) ، ماده پر كننده و گاز محافظ
مصرف انرژی الكتریكی كمتر و به طور كلی انرژی مورد نیاز
عملیات جوشكاری نسبتا تمیز و بدون قوس الكتریكی ،دود و گاز
منطقه Haz باریك و دارای دانه های ریز تر حتی نسبت به فلز اصلی
محدودیت ها :
یكی از قطعات باید گرد باشد . همچنین باید دارای شكل و طرحی باشد كه بتوان آن را روی دستگاه بسته و به گردش درآورد. البته این محدودیت با طراحی های جدید بر طرف شده است ولی هزینهای مصرفی نسبتا بالاست.اكثر مواد و فلزات را میتوان با این روش جوشكاری نمود و تقریبا هیچ محدودیتی نداریم.
پوشش كاری بوسیله جوشكاری اصطكاكی:
پوشش كاری بوسیله جوشكاری اصطكاكی هم اكنون تحت مطالعات زیادی قرار دارد زیرا به قلمرو فلزات، آلیاژها و همچنین كامپوزیت ها قدم گذاشته است و یك لایه كاملاً مجزا از پوشش را روی ماده زیری اعمال می كند یكی از امتیازات و مزیت های این روش نسبت به سایر روش های پوشش كاری این است كه محلول پس زده شده و فلز مذاب پایه ندارد. پوشش دهی اصطكاكی از مشكل ناشی از ذوب ماده مصرف شدنی در هوا به وسیله مكانیزم پیچیده انجماد رسوب به همراه هیدروژن بدست آمده و ترك های سرد و شرایط نامطلوب سطحی همراه با دانه های حاصل از جوشكاری (beads) جلوگیری می كند در پوشش كاری اصطكاكی از یك ماده مصرف شدنی دوار كه می توان یك شمش جامد فلزی با سطح مقطع گرد و با یك تیوپ فلزی پر شده از یك ماده انتخابی استفاده می شود انتهای آزاد ماده مصرف شدنی با اعمال یك فشار بر روی سطح زیر لایه (سطح قطعه كار) آورده می شود و به دلیل این كه ماده مصرفی دوار دارای مقاطع كوچكتراست دمای آن سریع تر بالا می رود بدین سان قطعه كار با یك حوزه گرمایی و یك منطقه HAZ مینیمم روبرو می شود هنگامی كه انتهای گرم ماده مصرف شدنی در حال چرخش، پلاستیسیته می شود ماده مصرف شدنی زیر یك فشار به سطح فلز پایه جوش می خورد. شكل 6 ضرورت تكنیك پوشش كاری اعمالی و یك ماشین در حال كار را نشان می دهد. راهنمای عملیات و پارامترهای مورد نیاز پروسه استخراج و فهرست شده اند ماده مصرف شدنی در شكل 6 یك شمش با سطح مقطع گرد با قطر mm 25 است كه یك لایه با ضخامت حدودی 2 میلی متر با نرخ تقریبی 4.5 گرم بر ساعت با سرعت دوران rpm 975 در زیر فشار عمودی 28 كیلو نیوتن با سرعت سیر 4.9 میلی متر بر ثانیه نشان می دهد سرعت دوران های بالاتر منجر به لایه رسوب نازكتر می شود و كیفیت جوش در فصل مشترك با قطعه بهبود می یابد نیروی محوری كمتر ضخامت لایه رسوب را افزایش می دهد اما پهنای باند موثر را كاهش می دهد.