جوشکاری اصطکاکی

همه‌ی روش‌های جوشکاری را می توان در یکی از دو دسته‌ی اصلی طبقه بندی کرد: جوشکاری ذوبی و جوشکاری فشاری(غیر ذوبی). جوشکاری اصطکاکی (به انگلیسی: Friction Welding، FRW) یک فرآیند جوشکاری حالت جامد است که در زمره جوشکاری فشاری قرار می گیرد. در این فرآیند هیچ منبع نیروی الکتریکی یا سایر منابع نیرو مورد استفاده قرار نمی گیرند. این فرآیند از طریق اصطکاک مکانیکی به اتصال قطعه‌کارهای چرخان یا متحرک نسبت به یکدیگر می‌پردازد. اعمال فشار به قطعات باعث ایجاد گرما شده و مواد را از سطوح جوش جدا کرده و به یکدیگر می‌چسباند.[2]

فازهای جوشکاری اصطکاکی[1]

فرآیند
مراحل شماتیک جوشکاری اصطکاکی[3]

در این نوع جوشکاری سطح دو قطعه که قرار است به هم متصل شوند در تماس باهم قرار می‌گیرند. یکی از قطعات ثابت است در حالی که قطعه دیگر می‌چرخد. ​​وقتی سرعت چرخشی به یک مقدار مشخص می‌رسد، فشار محوری اعمال می‌شود و گرمایش موضعی در قسمت‌هایی در فصل مشترک رخ می‌دهد. سپس چرخش متوقف می‌شود و مواد گرم شده روی سطح مشترک انباشته می‌شوند.[4][5]

استفاده از گرما به طور موثر در منطقه‌ی جوشکاری فقط با توزیع موثر گرما بر روی سطوح جوشکاری امکان‌پذیر است. در طی فرآیند جوشکاری، سطوح تحت فشار قرار می‌گیرند و این دوره که فاز گرمایش نامیده می‌شود تا رسیدن به دمای آغاز تغییر شکل پلاستیک ادامه می‌یابد. دما در منطقه‌‌ی جوشکاری برای فولادها بین 900 تا 1300 درجه سانتی‌گراد است. پس از فاز گرمایش است که فلز گرم شده در فصل مشترک با افزایش فشار انباشته می‌شود. بنابراین، نوعی عملیات ترمومکانیکی در منطقه‌ی جوشکاری رخ می‌دهد و این منطقه دارای ساختار ذره ای پایدار است. در طی جوشکاری ،به طور معمول، ذوب شدن در سطوح تماس اتفاق نمی‌افتد. گاهی ممکن است مقدار کمی ذوب رخ دهد ولی تجمع ماده در سطح تماس طی جوشکاری باعث می شود این فرآیند ذوب دیده نشود.[6]

باید دانست که اتصال جوشکاری با کیفیت بالا فقط در قطعات صاف و روان امکان پذیر است. اکسیدهای تشکیل شده در سطح یا غبار روی سطح قطعه همیشه وجود دارند و بر تشکیل پیوند و کیفیت جوشکاری تأثیر منفی می‌گذارند. این مشکلات با سابیدن سطوح با استفاده از اصطکاک برطرف می‌شوند.[7]

کاربردها

جوشکاری اصطکاکی یکی ازپرکاربردترین روش‌های جوشکاری درصنعت پس از جوشکاری پرتو الکترونی است.[8]از این روش به طور معمول در جوشکاری لوله‌ها و میله‌های دایره‌ای استفاده می‌شود. حرکت اساسی در این نوع کاربردها حرکت چرخشی است که باعث اصطکاک می‌شود.[9] فلزات و آلیاژهایی که با روش‌های دیگر قابل جوشکاری نیستند را میتوان با این روش جوشکاری نمود.[6] جوشکاری اصطکاکی در مورد فلزات و ترموپلاستیک‌ها در طیف گسترده‌ای از کاربردهای هواپیمایی و خودرویی استفاده می‌شود. همچنین نشان داده شده‌است که جوشکاری اصطکاکی روی چوب هم کاربرد دارد. از سایر کاربردهای این نوع جوشکاری میتوان به اتصالات دو فلزی در صنعت هسته‌ای اشاره کرد، جایی که اتصالات فولاد-مس در سیستم های خنک کننده راکتور رایج است. همچنین در لوله های انتقال مایعات برودتی از جوشکاری اصطکاکی برای اتصال آلیاژهای آلومینیوم به فولادهای ضدزنگ و آلیاژهای بادرصد بالای نیکل استفاده می‌شود. از جوشکاری اصطکاکی برای ترموپلاستیک‌ها که تحت گرما و فشار به روشی مشابه فلزات عمل می‌کنند ، استفاده می شود. گرما و فشار مورد استفاده بر روی این مواد بسیار کمتر از فلزات است اما می توان از این روش برای اتصال فلزات به پلاستیک ها با رابط فلزی استفاده کرد. به عنوان مثال، می توان از این روش برای اتصال فریم‌های عینک به سنجاق‌های لولایشان استفاده کرد. انرژی کمتری که در این روش وجود دارد، امکان استفاده از تکنیک های گسترده تری را فراهم می‌کند.

تاریخچه

ایده ی استفاده از گرمای حاصل از اصطکاک در جوشکاری و تشکیل مواد، جدید نیست. اولین آزمایش جوشکاری اصطکاکی به قرن پانزدهم برمی‌گردد. اولین حق ثبت اختراع دراین‌ باره به بوینگتون (به انگلیسی: J.H. Bevington) که در آن زمان یک ماشینکار بود، اعطا شد. بوینگتون ابتدا از جوشکاری اصطکاکی در ترمیم لوله‌های فلزی استفاده کرد. ریچتر (به انگلیسی: W. Richter) فرآیند جوشکاری اصطکاکی را در سال 1924 (در انگلیس) و 1929 (در آلمان) و کلاپستاک(به انگلیسی: H.Klopstock) همان فرآیند را در اتحاد جماهیر شوروی در سال 1924 ثبت اختراع کرد. کلاپستاک و نیلندز(به انگلیسی: A.R. Neelands) هم برای جوشکاری اصطکاکی قطعات استوانه‌ای یک حق ثبت اختراع به دست آوردند. مطالعات مربوط به جوشکاری مواد پلاستیک در ایالات متحده آمریکا و آلمان در دهه 1940 انجام شد .[10][11]یک ماشین ساز روسی به نام چدیکف(به انگلیسی: A. J. Chdikov) مطالعاتی علمی در این باره انجام داد و استفاده از این روش جوشکاری را به عنوان یک فرآیند تجاری پیشنهاد داد. او یک فرآیند جوشکاری بین دو میله فلزی را با موفقیت انجام داد و این فرآیند را در سال 1956 ثبت کرد. محققان یک شرکت ماشین‌سازی و ریخته‌گری آمریکایی به نام‌های هالند (به انگلیسی: Holland) و چنگ (به انگلیسی: Cheng) تحقیقاتی در زمینه تجزیه و تحلیل حرارتی و پارامتری جوشکاری اصطکاکی انجام دادند.[12] شرکت Caterpillar Tractor در ایالات متحده آمریکا روش جوشکاری اینرسی را با اصلاح جوشکاری اصطکاکی، در سال 1962 توسعه داد. بعد از این مطالعه، جوشکاری اصطکاکی معمولی به عنوان فرآیند نوع روسی و فرآیند نوع Caterpillar به عنوان جوشکاری اینرسی در نظر گرفته شد.[6]

مزایا
  1. جوشکاری اصطکاکی از خصوصیات فنی و اقتصادی بهتری نسبت به روشهای جوشکاری معمولی برخوردار است. یکی از اصلی‌ترین مزایای جوشکاری اصطکاکی نیاز کمتر آن به انرژی است. انرژی مورد نیاز برای جوشکاری اصطکاکی حدود یک دهم جوشکاری با مقاومت الکتریکی است.[6]
  2. این که این نوع جوشکاری سرعت بالایی دارد و فصل مشترک دو قطعه تحت گرمای مستقیم قرار می‌گیرد باعث میشود نواحی کمتری از قطعات گرما ببینند.
  3. چون این جوشکاری از نوع فشاری است پس به طور کلی فاقد مذاب است و عیوب جوشکاری در این نوع جوشکاری کم‌تر دیده می‌شود.
  4. مزیت دیگر این است که می توان قطعات را با آماده سازی کمتری متصل کرد زیرا در طی فرآیند و در اثر اصطکاک سطح قطعات صاف و صیقلی می‌شود.
  5. مزیت دیگر جوشکاری اصطکاکی این است که اجازه می‌دهد مواد متفاوت به هم متصل شوند. این ،خصوصاً در هوافضا ، جایی که از آن برای اتصال آلومینیوم سبک به فولادهای با مقاومت بالا استفاده می‌شود، بسیار مفید است.
  6. به طور معمول اختلاف زیاد در نقاط ذوب دو ماده باعث می‌شود که جوشکاری با استفاده از تکنیک‌های سنتی غیرممکن باشد. در این صورت به نوعی اتصال مکانیکی نیاز است. جوشکاری اصطکاکی، پیوندی با تمام مقاومت و بدون وزن اضافی ایجاد می‌کند و میتوان از آن برای جوشکاری موادی با اختلاف نقطه ذوب زیاد استفاده کرد.
  7. مواد متخلخل مانند آلیاژهای منیزیم، آلومینیوم، مس، تیتانیوم، آلیاژهای مقاوم در برابر حرارت نیکل و کبالت و مواد نسوز مانند آلیاژهای تانتال و مولیبدن می‌توانند با جوشکاری اصطکاکی با موفقیت به هم متصل شوند.[13]

انواع جوشکاری اصطکاکی

جوشکاری اصطکاکی دوار
جوشکاری اصطکاکی دوار

جوشکاری اصطکاکی دوار (به انگلیسی: RFW, Rotary Friction Welding) که به آن جوشکاری چرخشی نیز می گویند، از ماشین‌هایی استفاده می‌کند که دارای دو سه‌نظام برای نگهداری قطعات هستند که یکی از آنها ثابت و دیگری چرخان است.

جوشکاری اصطکاکی درایو مستقیم

در جوشکاری اصطکاکی درایو مستقیم(به انگلیسی: Direct-Drive Friction Welding) (که به آن جوشکاری اصطکاکی درایو پیوسته نیز گفته می شود)، موتور محرک و سه‌نظام متصل هستند. موتور محرک در مراحل گرمایش بطور مداوم در حال حرکت دادن سه‌نظام است‌. معمولاً برای جدا کردن موتور محرک ازسه‌نظام، از کلاچ و سپس برای توقف سه‌نظام، از ترمز استفاده می‌شود.

جوشکاری اصطکاکی اینرسی
دسته جوشکاری اصطکاکی دوار

در جوشکاری اصطکاکی اینرسی (به انگلیسی: Inertia Friction Welding) موتور محرک جدا شده و قطعات به هم فشار می‌آورند. انرژی جنبشی ذخیره شده در چرخ لنگر با كاهش سرعت آن به حرارت تبدیل شده و بر سطح جوش پخش می شود. قبل از جوشکاری، یکی از قطعه ها به همراه چرخ لنگری با وزن مشخص به سه‌نظام دوار متصل می شود. سپس قطعه با سرعت زیادی چرخانده می شود تا انرژی مورد نیاز را در چرخ لنگر ذخیره کند. پس از رسیدن سرعت چرخش به مقدار مناسب، موتور برداشته شده و قطعات تحت فشار به هم نیرو وارد می‌کنند. پس از توقف چرخش ، نیرو بر روی قطعات نگه داشته می شود تا جوش "تنظیم" شود.[14]

جوشکاری اصطکاکی خطی

جوشکاری اصطکاکی خطی (به انگلیسی: LFW , Linear Friction Welding) مشابه جوشکاری چرخشی است، با این تفاوت که سه‌نظام متحرک به جای چرخش، به صورت جانبی نوسان می‌کند. به طور کلی سرعت ها در این نوع جوشکاری از جوشکاری اصطکاکی دوار بسیار کمتر است، که این امر باعث می‌شود قطعه‌ها همیشه تحت فشار قرار بگیرند. به همین دلیل قطعات باید مقاومت برشی بالایی داشته باشند. جوشکاری اصطکاکی خطی به ماشین آلات پیچیده‌تری نسبت به جوشکاری چرخشی نیاز دارد، اما این مزیت را دارد که می توان قطعات با هر شکل سطح مقطع را بهم پیوند زد و در بسیاری از موارد کیفیت اتصالی بهتر از روش دورانی حاصل می‌شود .

جوشکاری ارتعاشی خطی

در جوشکاری ارتعاشی خطی (به انگلیسی: Linear Vibration Welding) قطعات در تماس باهم و تحت فشار قرار می‌گیرند. سپس یک نیروی ارتعاش خارجی برای لغزش قطعات نسبت به یکدیگر، عمود بر فشار وارد شده، اعمال می‌شود. قطعات با یک جابجایی نسبتاً کوچک معروف به دامنه، به طور معمول بین 1.0 تا 1.8 میلی‌متر(برای فرکانس ارتعاش 200 هرتز)، یا 2 تا 4 میلی‌متر (برای فرکانس ارتعاش100 هرتز) ، در صفحه‌ی جوش نسبت به هم می‌لغزند. این روش در صنعت خودروسازی به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. [15]

جوشکاری اصطکاکی مداری

جوشکاری اصطکاکی مداری(به انگلیسی: Orbital Friction Welding) مشابه جوشکاری چرخشی است، اما در این روش از دستگاه پیچیده‌تری برای تولید حرکت مداری استفاده می‌شود که در آن قسمت متحرک در یک دایره کوچک (به طور کلی بسیار کوچکتر از اندازه مفصل) می‌چرخد.

جستارهای وابسته

منابع
  1. «NCT Friction Welding - Inertia Welding - Roraty Welding - Spin Welding». NCT Inc. (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۱-۱۹.
  2. "Friction welding" in AWS A3.0 Standard Welding Terms and Definitions, American Welding Society, United States of America, 2001, p. 17. ISBN 0-87171-624-0
  3. KALKINÇ, Mehmet; KAYNAK, Mustafa Ali (2020-07-03). "Aydın İli Sulu Koşullarında Bazı Tarla Bitkileri Ürün Desenlerinin Karşılaştırılması". Adnan Menderes Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi. doi:10.25308/aduziraat.681779. ISSN 1304-7787.
  4. Welding Handbook, 1980, Resistance and solid state welding and other joining processes, AWS, Miami, 58- 76, 239-262.
  5. Nicholas, E.D., 1983, Radial friction welding, Welding Journal, 17-29.
  6. UZKUT, Mehmet; ÜNLÜ, Bekir; YILMAZ, Selim; AKDAĞ, Mustafa. "Friction Welding And Its Applications In Today's World"(PDF). Celal Bayar Üniversitesi.
  7. Anık, S., 1983, Kaynak Teknolojisi El Kitabı, Ergör Matbaası, Đstanbul, 259-269.
  8. Wang, K. K., Lin, W., 1974, Flywheel friction welding research, Welding Journal, 233-241.
  9. Anık, S., 1983, Kaynak Teknolojisi El Kitabı, Ergör Matbaası, Đstanbul, 259-269.
  10. Bahrani, A. S., Crossland, B., 1976, Friction welding, CME, 61-66.
  11. Duffin, F. D., Crossland, B., 1971, Friction welding with sudden relase of the fixed component, Advances in welding processes, Solid phase joining processes, proceeding of the conference, The welding Institute, Abington
  12. Smith, R. J.; Bryant, R. G. (1975-10-27). "Metal substitutions incarbonic anhydrase: a halide ion probe study". Biochemical and Biophysical Research Communications. 66 (4): 1281–1286. doi:10.1016/0006-291x(75)90498-2. ISSN 0006-291X. PMID 3.
  13. Metals Handbook, 1983, Welding and brazing, ASM, Metals Park, Ohio, 557-580, 719-728.
  14. «Rotary Friction Welding». MTI Welding (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۱-۲۰.
  15. «Plastics joining - Friction welding techniques». web.archive.org. ۲۰۱۱-۰۸-۰۷. دریافت‌شده در ۲۰۲۰-۱۱-۲۰.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.