مهندسی جوش

جوشکاری رامی توان اتصال دائم متالورژیکی دانست که می تواند در حالت مذاب یا جامد ، با استفاده از واسطه (مواد پرکننده) یا بدون واسطه و با ایجاد فشار یا بدون استفاده از فشار صورت گیرد.  در واقع جوشکاری به اتصالی گفته می شود که نتوان محل اتصال را از قسمت های دیگر قطعات مجزا نمود و به عبارتی دیگر خواص جوش ایجاد شده با قطعات مورد اتصال یکسان یا نزدیک به هم باشد. جوشکاری یکی از روش‌های تولید می‌باشد زیرا هدف از آن اتصال دایمی مواد مهندسی از جمله فلز، پلیمر، کامپوزیت و سرامیک به‌یک‌دیگر است؛ به‌گونه‌ای که خواص اتصال، برابر خواص مادهٔ پایه باشد. شاید بتوان زمان استفاده از اولین فرآیند جوشکاری را زمانی دانست که بشر برای ساخت یک سلاح ابتدای از یک نوع اولیه این فرآیند (جوشکاری آهنگری) استفاده می کرد. جوشکاری آهنگری قدیمی ترین فرآیند جوشکاری می باشد، که انسان قطعات فلز را به صورت سرد یا گداخته بر روی یکدیگر قرار می داد و در اثر کوبیدن موجب اتصال آنها می شد.

در سال  1856دانشمندی به نام ژول  به فکر جوشکاری مقاومتی افتاد، و بعد از او الیهو تامسون آمریکائی در بین سا ل های 1876 تا 1877 به طرحهای او جامه عمل پوشاند و از جوشکاری مقاومتی استفاده کرد. امروزه یکی از روش های جوشکاری مقاومتی به نام REW  به طور گسترده ای برای تولید لوله های درز دار استفاده می شود.

اما زمان پیدایش قوس الکتریکی  به سال 1802 بر می گردد که دانشمندی به نام ولتا پتروف پی برد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل کنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود. و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولتا قوس ولتا نامیده شود.

سر انجام در سال 1881 یعنی حدود 79 سال پس از کشف پتروف ، موسیان قوس کربنی را برای ذوب فلزات مورد استفاده قرار داد. و در حدود 5 سال بعد در سال 1886 یک دانشمندان روسی بنام برناندوز اختراع متدی را به ثبت رساند که به وسیله آن قادر بود تا یک قطعه فلزی را با الکترود ذغالی به صورت موضعی با ایجاد قوس الکتریکی بین قطعه و الکترود ذوب نماید.

برناندوز در این روش دو قطعه فلزی را در فاصله مشخص از یکدیگر قرار داده و با استفاده از پدیده قوس و حرکت الکترود ذغالی در طول شکاف بین دو قطعه و وارد نمودن همزمان میله ای فلزی از جنس قطعه در داخل قوس الکتریکی، حمام مذابی به وجود آورد که بعد از منجمد شدن شکاف موجود را پر نموده و باعث به هم پیوستن این قطعات گردید.

و در سال 1891 دانشمند دیگر روسی بنام اسلاویانوف ، روش الکترود ذوب شونده را اختراع نمود. او در این روش الکترود فلزی را جایگزین الکترود ذغالی کرد  که همزمان علاوه بر ایجاد قوس وظیفه فلز پرکننده را نیز به عهده داشت. در روش الکترود ذوب شونده مذاب حاصل از الکترود فلزی در فاصله بین نوک الکترود و شکاف دو قطعه در معرض هوا قرار می گرفت که این امر باعث اکسیده شدن مذاب و در نتیجه ایجاد اشکال در جوش می گردید. از طرف دیگر قوس الکتریکی به دلیل تمس با اتمسفر هوا نیز ناپایدار بود که خود به خود غیر یکنواختی جوش را به دنبال داشت.

برای برطرف نمودن عیوبی مانند کیفیت پایین فلز جوش از لحاظ مکانیکی و اکسید شدن آن همچنین ناپایداری قوس در سال 1905 یک صنعتگر سوئدی بنامOscar  Kjellberg   الکترود فلزی پوشش دار را اختراع نمود. پوشش این الکترود را مخلوطی از مواد معدنی مختلف از جمله آهک تشکیل می داد که قادر بود با تولید گاز و ایجاد سرباره، مذاب حاصل از ذوب الکترود را در مقابل آثار نامطلوب تماس با هوا محافظت نماید. علاوه بر این، پوشش الکترود باعث پایداری قوس الکتریکی و یکنواخت شدن جوش می گردید. پس از سال 1905 با اختراع الکترود پوشش دار، صنعت این امکان را یافت تا جوش هایی با استحکام معادل فلز پایه بوجود آورد.

در جریان جنگ‌های جهانی اول و دوم، جوشکاری پیشرفت زیادی کرد. احتیاجات بشر به‌اتصالات مدرن، سبک، محکم و مقاوم در سال‌های اخیر و مخصوصاً بیست سال اخیر، سبب توسعهٔ سریع این فن شده‌است.

·         در سال 1930 به طور همزمان در آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی سابق تحقیقاتی برای مخفی ساختن قوس الکتریکی و دست یابی به قوسی پایدار صورت گرفت که نتیجه آن اختراع جوشکاری زیر پودری بود اما نه به شکل امروزی بلکه با استفاده از الکترود کربن؛ در حدود سال 1935 این روش تقریبا به شکل امروزی خود در آمد و تبدیل به روشی مناسب از لحاظ اقتصادی برای جوشکاری شد.

·         در جنگ جهانی اول پس از جوش خوردن ترکش های ناشی از متلاشی شدن گلوله توپ به بدنه جنگ افزار ها فرآیند جوشکاری انفجاری کشف شد. در سال 1994 L.R.Calr این فرایند را بر روی آلیاژ برنج به کمک مواد منفجره قوی آزمایش کرد. در سال 1960 Dupont اطلاعات بدست آمده تجربی این فرآیند را به صورت بین المللی ثبت کرد و در سال 1962صنعت روکش دهی انفجاری را به صورت تجاری در تولید سکه های سه لایه برای دولت آمریکا در آورد.

·         در سال 1950 بطور همزمان در کشورهای آمریکا و آلمان غربی جوشکاری پرتو الکترونی(EBW) توسعه یافت.

·         اولین لیزر جهان توسط تئودور مایمن اختراع گردید و از یاقوت در آن استفاده شده  بود در سال 1962 پروفسور علی جوان اولین لیزر گازی را به جهانیان معرفی نمود و بعدها نوع سوم وچهارم لیزرها که لیزرهای مایع و نیمه رسانا بودند اختراع شدند. در سال 1965 سیستمهای متنوع لیزری به منظور جوشهای مدارهای الکتریکی وداخل محفظه های خلاء ، و همچنین در سایر کاربردهای تخصصی که در آنها تکنولوژی های مرسوم قادر به ایجاد اتصالات مطمئن نمی باشند ، توسعه داده شده است .

·         شاید بتوان گفت جدید ترین روش جوشکاری فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی باشد.جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای اولین بار برای آلیاژهای AL ابداع گشت و یک روش جوش کاری حالت جامد است . این روش در سال 1991 توسط انستیتو جهانی جوش و اتصالات  (TWI)در کمبریج  تحت عنوان روش FSW Friction Stir Welding)) به صنعت دنیا معرفی شد. مزیت عمده این روش جوشکاری موادی بود که اتصال آنها به وسیله فرآیند های دیگر ممکن نبو د. امروز برخی از کشورها از جمله آمریکا، ژاپن و استرالیا این فرآیند را برای تولیدات تجاری خود به کار می برند.

  http://www.weld.epage.ir

روکش کاری با استفاده از جوشکاری  Cladding

روکش­کاری با استفاده از جوشکاری معمولاً به رسوب دادن یک لایة نسبتاً ضخیم از فلز جوش (بیشتر از 3 میلیمتر) بر روی فلز پایه گفته می شود که یک سطح مقاوم به خوردگی ایجاد می­کند. رویه سختی پوشش­های سطحی نازک­تری نسبت به روکش­کاری تولید می­کند و معمولاً برای جبران از دست رفتن ابعاد و یا ایجاد مقاومت به سایش به کار می­رود.

مواد روکش­کاری معمولاً از جنس فولادهای زنگ­نزن آستنیتی و یا آلیاژهای پایة نیکل هستند و گاهی از آلیاژهای پایة مس نیز استفاده می­شود. در بعضی موارد خاص از فلز پرکننده از جنس نقره هم استفاده می­شود. روکش­کاری معمولاً به روش جوشکاری زیرپودری انجام می­شود‏ ولی روش­های پلاسمایی با استفاده از الکترود مغزدار الکترود سیمی و الکترود تسمه­ای نیز مرسوم می باشند.

روکش­کاری روشی مناسب برای ایجاد خواصی در سطح یک زیرلایه است که در فلز پایه دیده نمی­شود. همچنین می­توان به جای موادی که به کارگیری آنها دشوار یا گران است، از یک لایة نسبتاً نازک روی یک فلز پایة ارزان و متداول استفاده کرد در نتیجه می توان با کاهش هزینه ها به خواص مطلوب دست یافت .

این روش با یک سری محدودیت­های ذاتی و مشکلات روبرو است که باید درنظر گرفته شوند.

·        ضخامتی که روی سطح مورد نیاز است باید از بیشترین ضخامتی که با استفاده از یک روش مشخص و یک فلز پرکنندة معین قابل دست‌یابی است، کمتر باشد.

·        در انتخاب مادة پوشش و فرایند باید به موقعیت جوشکاری نیز توجه شود. برخی روش­های جوشکاری دارای چنین محدودیت­هایی هستند. برای نمونه، جوشکاری زیرپودری فقط در وضعیت مسطح قابل استفاده است. به علاوه وقتی که از یک روش با نرخ رسوب گذاری بالا استفاده می شود که حوضچة جوش بزرگی به وجود می آورد,‏ جوشکاری به طور عمودی یا بالاسر ممکن است مشکل یا غیرممکن باشد. بعضی از آلیاژها انجماد یوتکتیکی دارند که منجر به تشکیل حوضچة مذاب بزرگی می شود که برخلاف آلیاژهای دارای انجماد خمیری، به یکباره منجمد می­شود. جوشکاری چنین آلیاژهایی به جز در حالت مسطح دشوار است.

رایج­ترین فرایند مورد استفاده در روکش­کاری جوشکاری زیر پودری می باشد . این فرایند با الکترودهایی به­صورت سیم تکی, سیم چندتایی یا تسمه بکار گرفته می شود. در این فرایند معمولاً از جریان متناوب استفاده می­شود ولی تحقیقات­ نشان می­دهد که جریان مستقیم با قطبیت مستقیم یا معکوس در بیشتر موارد ترجیح داده می شود. نوسان الکترود اغلب مطلوب است.

یکی از فاکتورهای مهم در جوشکاری ترمیمی و روکش­کاری فولادها، رفتار هیدروژن در فصل مشترک فریت – آستنیت است. حلالیت هیدروژن در هر آلیاژ خاصی تابع فاکتورهایی نظیر تعییرات دمای گذشته و درجة تغییر فرم پلاستیکی آنها است.

از ترک خوردگی سرد ناشی از هیدروژن در منطقه مرزی یا منطقه HAZ می توان با کنترل رطوبت فلاکس و یا استفاده از فلاکس حاوی کربنات جلوگیری کرد.

روکش­کاری فولادها با پوششی از فولاد مقاوم به خوردگی هم از نظر اقتصادی و هم به­دلیل کاهش احتمال تخریب­های شدید نظیر ترک­دار­شدن, خوردگی تنشی و یا تردی هیدروژنی فولاد آستنیتی مورد توجه می­باشد.

روکش دهی انفجاری (Explosion  Cladding)

یکی دیگر از روش های روکش کاری به وسیله جوشکاری روکش کاری انفجاری است روکش کاری انفجاری یکی از فرآیندهای انفجاری است که مانند سایر این فرآیندها بر تغییر شکل سریع فلز ناشی از نیروی عظیم انفجاری استوار است. در این روش، اتصال و جوش دهی یک صفحه فلزی به فلز پایه انجام می شود. به عبارت بهتر روکش کاری صفحه کاربرد اصلی تجاری جوشکاری انفجاری را تشکیل می دهد.

فرآیندهای جوشکاری مقاومتی به طور معمول زیر مجموعه جوشکاری تحت فشار هستند ، هرچند در فصل مشترک اتصال مواد ذوب به وجود می آید  . در این فرآیند اتصال دو سطح با اعمال حرارت و فشار همزمان انجام می گیرد  ترتیب کار بدین صورت است که ابتدا باید حرارت لازم برای به حالت مذاب در آوردن حجم محدودی ازفلز به وجود آید ،‌ سپس این فلز باید آنقدر تحت فشار بماند تا سرد شده و استحکام کافی جهت نگه داشتن قطعات به یکدیگر را به وجود آورد  .

جوشکاری مقاومتی روشی است که در آن بر اثر مقاومت قطعه کار در برابر عبور جریان با ولتاژ پایین و دانسیته بالا ، حرارت لازم برای جوشکاری تامین می گردد   این جریان الکتریکی از طریق الکترودها و تماس آنها به سطح کار منتقل و یا از طریق ایجاد حوزه مغناطیسی احاطه شده در اطراف کار ،‌ به قطعه القاء می شود . هرچند هر دو روش براساس حرارت مقاومتی پایه گذاری شده است اما معمولا نوع اول به فرآیند جوشکاری مقاومتی و نوع دوم به فرآیند جوشکاری القایی موسوم شده است  فلزات به دلیل دارا بودن مقاومت الکتریکی ، در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده و حتی به حالت ذوب نیز می رسند ، مقدار حرارت تولیدی در یک هادی الکتریکی به سه عامل بستگی دارد : آمپراژ ، مقاومت هادی (شامل مقاومت سطح مشترک) و مدت زمان جریان این سه عامل بر حرارت تولیدی اثر می گذارند 

متغیرهای شدت جریان و زمان از طریق دستگاه جوش قابل کنترل هستند ، اما مقاومت الکتریکی به عوامل مختلفی از جمله جنس و ضخامت قطعه کار ، فشار بین الکترودها ،‌اندازه ،‌ شکل و جنس الکترودها و چگونگی سطح کار یعنی صافی و تمیزی سطح آن بستگی دارد  .

از نظر اقتصادی لازم است که مدت زمان عبور جریان تا حد امکان کاهش یابد در نتیجه یک جریان الکتریکی لحظه ای بالا در حدود 3000 تا 10000 آمپر با ولتاژ 5/0 تا 10 ولت مورد نیاز است .

دستگاههای جوشکاری مقاومتی شامل دو واحد کلی هستند که یکی واحد الکتریکی (عامل ایجاد حرارت) و دیگری واحد مکانیکی (عامل ایجاد و اعمال نیروی فشاری) می باشد . اولی باعث بالا بردن درجه حرارت موضع مورد جوش و دومی سبب ایجاد فشار لازم برای اتصال دو قطعه لبه روی هم در محل جوش می شود . منبع معمول تامین انرژی الکتریکی ، جریان متناوب 220 یا 250 ولت است که برای پایین آوردن ولتاژ و افزایش شدت جریان (به مقدار مورد لزوم برای جوشکاری مقاومتی ) از ترانسفورماتور استفاده می شود  .

جریان الکتریکی از طریق دو الکترود به قطعه کار و موضع جوش هدایت می شود که معمولا الکترود پایینی ثابت و الکترود بالایی متحرک است  . شکل هندسی الکترودها در فرآیندهای مختلف جوشکاری مقاومتی ممکن است متفاوت باشد . مهمترین وظایفی که این الکترودها بر عهده دارند عبارت است از :

1-    هدایت جریان الکتریکی به موضع اتصال

2-    نگه داری ورق ها بر روی هم و ایجاد فشار لازم در موضع مورد نظر

3-    تمرکز سریع حرارت در موضع اتصال

الکترود باید دارای قابلیت الکتریکی و حرارتی بالا ،‌ مقاومت اتصالی یا تماسی کم و استحکام و سختی خوب باشد و این خواص را در فشار و تحت درجه حرارت های نسبتا بالا در حین انجام جوشکاری نیز حفظ کند . از این رو الکترودها را از مواد و آلیاژهای مخصوص تهیه می کنند که تحت کد رما به دو گروه A (آلیاژهای مس ) و B (فلزات دیرگداز) تقسیم بندی می شوند .

این فرآیند دارای انواع مختلفی تقسیم می شود که عبارتند از :

الف) فرآیند جوشکاری مقاومتی نقطه ای :

این فرآیند برای اتصال ورق ها به شکل لبه روی هم ، سیم به ورق یا سیم بر روی سیم به کار برده می شود  و یکی از فرآیندهای مقاومتی می باشد که در آن اتصال در اثر ذوب موضعی به وسیله تمرکز جریان الکتریکی بین الکترودهای استوانه ای انجام می شود

این فرآیند در سطح وسیعی در صنایع لوازم خانگی ، اتومبیل سازی و غیره به کار می رود

در این روش قطعه کار بین الکترودهای تحت فشار قرار گرفته و جریان از طریق ترانسفورماتور و بازوها از الکترودها و سپس قطعه کار عبور می کند . جوش به صورت دکمه یا دیسک هایی بین دو لایه ورق قرار گرفته بر روی هم به وجود می آید. 

در این فرآیند تمرکز جریان الکتریکی به کمک سطح تماس بین الکترود و کار انجام می شود

استحکام برش دکمه جوش باید به اندازه باشد که اگر تحت تنش قرار گرفت شکت در منطقه اطراف دکمه در ورق ایجاد شود . قطر دکمه جوش عموما نزدیک به قطر الکترود است .

باید در نظر داشت به علت پیچیدگی در اطراف جوش ، تنش اعمال شده بر روی جوش (تحت نیرو) کاملا تنش برشی نیست و در این حالت نرمی و انعطاف پذیری جوش ،‌ نسبتا استحکام کششی عرضی به استحکام برشی آن می باشد که برای بیشترین نرمی این مقدار یک و برای حالت ترد حدود صفر است . این نکته در مورد جوشکاری فلزات حساس در مقابل سخت شدن حائز اهمیت است . نیاز به هدایت الکتریکی و حرارت بالا ، موجب شده تا جنس الکترود ، شکل و اندازه آن مورد توجه قرار گیرد و براساس معیارهای خاص انتخاب شود . افزایش فشار در روی الکترودها علاوه بر اینکه موجب تماس بهتر و سطح و پایین آمدن مقاومت الکتریکی تماس می شود ،‌ گاهی باعث شکسته شدن لایه اکسیدی سطحی نیز خواهد شد . از نظر کلی نیروی فشاری زیاد چندان جالب نخواهد بود ، زیرا باید مقاومت در پین دو ورق در موضع جوش وجود داشته باشد تا حرارت لازم ایجاد شود . نیروی فشاری وارده بلافاصله پس از قطع جریان از روی قطعات برداشته نمی شود و معمولا برای مدت زمانی محدود چند سیکل پس از قطع شدن جریان الکتریکی بر روی قطعات نگه داشته می شود و حتی ممکن است اندکی نیز افزایش یابد و سپس رها شود .

اثر شدت جریان و زمان را باید در این فرآیند با هم در نظر گرفت اندازه دکمه جوش و یا اصولا ایجاد آن ، به میزان و همچنین سرعت تولید حرارت در موضع جوش بستگی دارد . مقداری از حرارت از طریق هدایت به الکترودها و اطراف محل اتصال تلف می شود . اگر تلفات حرارت زیاد باشد ،‌ حرارت موثر حاصل از تفاوت حرارت ایجاد شده و حرارت تلف شده بسیار کم است و برای ذوب کافی نخواهد بود در نتیجه دکمه جوش به وجود نخواهد آمد .

این نوع جوشکاری(Palasma Arc Welding  )در زمره جوشکاری های قوسی قرار دارد که در آن قوس بین الکترود تنگستن و قطعه کار برقرار می شود .

روش جوشکاری قوس پلاسما هر فلز قابل جوش دادن را جوش خواهد داد. روش جوشکاری PAW یا همان قوس پلاسما شباهت بسیار زیادی به روش GTAW دارد. در این روش از یک نگهدارنده الکترود استفاده شده است که یک الکترود جنس پرمنگنات تگنستن ، یک پرکننده یکنواخت میله ای و از یک سیم که در روش GTAW کاربرد دارد و یک گازمحافظ بدون جنبش یکنواخت استفاده می شود.

روش برشکاری قوس پلاسما، تقریباً مشابه فرایند جوشکاری است ، البته با چند تفاوت در برش شعله ای و محل طراحی آن و همچنین ولتاژ جریان بیشتری را مصرف می کند.

تفاوت اساسی بین PAW , GTAW تا حدی کم است که کاربران نگران هستند زیرا شکل نگهدارنده الکترود نازل و شکل پلاسمای قوس به شدت از این تفاوت تبعیت می کند روش پلاسمای TIG یک قوس پلاسمای باز دارد. پلاسمای جوشکاری و برشکاری مجهز دارای قوس پلاسمای محصور می باشد که معنای آن این است که شما طول قوس بلندتری در روش PAW نسبت به روش GTAW خواهید داشت همچنین قوس PAW دارای شکل استوانه ای تری نسبت به شکل زنگوله ای GTAW است و زمانی که با آن کار می کنید متوجه می شوید. آن روش که قوس PAW می باشد با تمرکز قوس عمل می کند.

مشابه TIG ، پلاسمای جوشکاری و شعله برشکاری متناسب با خواص منبع تغذیه متداول آن می باشد . تغذیه متداول برای روش PAW توسط به کارگیری یک جعبه کنترل که شروع قوس را نشان میدهد ، گازها و آب با سیستم خنک کننده با آب از میان سایر مواد عبور می کنند. PAC علاوه بر نیاز اساسی به منبع تغذیه باید یک مدار باز با ولتاژ خیلی بالا و توانمند برای تولید جریان الکتریکی بالا نسبت به منبع تغذیه TIG استفاده کند.

چگونگی کارکرد PAW

PAW به این علت به این نام لقب گرفته است که قوس پلاسمای متراکم تر ، مقدار زیادی غلیظ تر و خیلی بیشتر گرم تر نسبت به قوس های الکتریکی متداول گازهای محافظ فرایند جوشکاری از قبیل MIG , TIG می باشد. دمای قوس حدود 21000 درجه فارنهایت یعنی 11650 درجه سلیسوس است که در PAW و مشعل قوس الکتریکی متداول نیست.

دونوع از قوس ها

مشعل قوس تنها با استفاده از پلاسمای تغییر شکل و جوشکاری فلزات با گازهای محافظ شروع به تولید قوس کرده است . پس استفاده از HF شروع به تولید قوس الکتریکی می کند، فقط مشابه TIG و یک شعله قوس بین دو الکترود گسستنی و مشعل نازل یا بین الکترود و قطعات ایجاد می شود. تفاوت چیزهایی فراتر از یک خلاصه درباره آن خواهیم گفت.

قوس الکتریکی به عنوان یک قوس الکتریکی انتقال نیافته شروع به کار می کند. که دارای یک شعله مشهود در آن طرف انتهای نازل و نگهدارنده الکترود است. مشعل وقتی به منظور اتصال توسط یک عمل روش شده است ، در سرتاسر کارها اتصال برقرار می کند.

یک مسیر باریک ارتباطی توسط گازهای یونیزه شده که در جوشکاری قوسی بکار می رود. به طور کامل انتقال یافته اند و در مقابل قطعه کار قرار گرفته اند.

مزایای جوشکاری پلاسما

در این نوع مزیت های بسیار روشن وجود دارد که PAW دارای اتصال قوی تری نسبت به GTAW است.

پلاسمای قوس بهبود یافته پلاسمای مستقیم وچگالی به شما کنترل آسان تر گرمای ورودی جهت کار بدون نگرانی در مورد آن را فراهم میکند.

جوشکاری "great stand off distane" مشکلات کمتری از جهت حداکثر جریان بریا مشعل در روش TIG برای شما ایجاد می کند.

اندازه حفره جوشکاری ،تأثیر زیادی بر حساسیت کمتر در تغییر در طول قوس دارد. پلاسمای جوشکاری حتی برای حرکت دادن های متغیر که ناشی از حرکات است می باشد جای بیشتری دارد به این معنا که شما در این جوشکاری یکنواختی بیشتری نسبت به جوش های TIG خواهید داشت .

شما دسترسی آسان تری جهت تغذیه میله پرکننده یا سیم و مشعل دستی "greater stand off distance" در PAW نسبت به روشی GTAW خواهید داشت "stand off distance"معمولاً از حدود 16/3 تا 2/1 اینچ از نازل تا قطعه کار می باشد.

همچنین شما می توانید قطر ضخیم تری از میله پرکننده یا سیم با حداقل خطر آسودگی فلز جوش یا الکترود تنگستن استفاده کنید خصوصاً این مطلب درباره جوش دادن فولادهای زنگ نزن، آلومینیوم و تیتانیوم در کارهای حساس که در انرژی هسته ای ، لوله کشی مواد شیمیایی و هوا فضا کاربرد دارند بارز است .

چون که پلاسمای قوس داغ تر از پلاسمای قوس GTAW است . سرعت جوشکاری بالاتر است و ناحیه تحت تأثیر کنار فلز جوش که منجمد می شود بسیار باریک است.

مقدمه

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای اولین بار برای آلیاژهای AL ابداع گشت و یک روش جوش کاری حالت جامد است . چون روش های جوشکاری فعلی برای جوش دادن آلیاژهای آلومینیوم که در هوا فضا کاربرد دارند، کفایت نمی کند . آلومینیوم های سری 2xxx و 7xxx را به عنوان آلومینیوم های غیر قابل جوش می شناسند ، به خاطر ساختار میکروسکوپی ضعیف و خلل و فرج های که در منطقه FZ باقی می ماند و خواص منطقه جوش با فلز پایه قابل مقایسه نیست . بعضی آلومینیوم ها قابلیت جوشکاری دارند ولی در عوض با اکسیدهای سطحی مشکل بزرگی دارند که بر طرف کردن آن نیز گران می باشد . مجموع این عوامل دست به دست هم داد که در سال  1991 The welding institute (TWI) روش FSW را اختراع کرد.(Friction Stir Welding) 

ایده اصلی جوشکاری اصطکاکی بسیار ساده می باشد. یک وسیله دوّار مصرف نشدنی (یک پین ویژه همراه با دندانه) را در نظر بگیرید. دو فلزی را که می خواهند جوش بدهند در کنار هم محکم قرار می دهند و پین وارد خط اتصال این دو فلز می شود و همراه با چرخش ، طول خط اتصال را طی می کند. پین دو عمل اصلی را انجام می دهد:

•·         گرم کردن قطعه توسط اصطکاک

•          حرکت دادن مواد به منظور اتصال

گرما به کمک اصطکاک بین پین و قطعه کار و تغییر فرم پلاستیک قطعه به دست می آید. حرارت متمرکز شده باعث نرم شدن مواد اطراف پین و به همراه حرکت دوار پین، باعث حرکت مواد از جلوی پین به عقب پین می گردد و بر اثر این پروسه اتصال در حالت جامد اتفاق می افتد به علت ساختار هندسی پین ، موادی که در اطراف پین حرکت می کنند به خوبی با یکدیگر ترکیب می شوند .  در جوشکاری FSW مواد در گرمای بالا تغییر شکل زیادی می دهند و ساختار نهایی ، دانه های کریستالی هم محور و خوبی دارد و همچنین دارای خواص مکانیکی مطلوبی است.

 مزایای جوشکاری FSW

FSW به عنوان مهم ترین پیشرفت در اتصال فلزات در دهه ی اخیر مطرح بوده است و تکنولوژی "سبز" است که بازده انرژی بالا دارد و در مقام مقایسه با سایر روش های جوشکاری متداول ، FSW انرژی بسیار کمتری مصرف می کند و هیچ گاز محافظ یا سرباره ای استفاده نمی شود به همین علت دوست محیط زیست نامیده می شود و اتصال شامل هیچگونه فلز پر کننده ای نمی باشد و همچنین هر نوع آلومینیومی بدون دلواپسی از سازش پذیری ساختارش می توان به کار برد و هر نوع آلومینیومی و کامپوزیتی می توانند به یکدیگر با سهولت وصل شوند و در مقایسه با روش جوش کاری اصطکاکی قدیمی ، که معمولا بر روی قطعات قرینه و کوچک که می چرخیدند و فشار داده می شدند تا جوش بخورند ، جوش کاری اصطکاکی فعلی در انواع مختلف اتصالات مانند اتصال زیر، اتصال لب به لب ، اتصال T و اتصالات فیلت به کار می رود.

اخیرا به وسیله Mishra روش FSP) Friction Stir Process) ابداع شده است به عنوان وسیله ای که ساختار میکروسکوپی را اصلاح می کند و بر پایه قوانین FSW بنا شده است برای مثال میزان ابر پلاستیکی در نرخ تنش های بالا در AL7075 مشاهده شده است ، علاوه بر این از FSP برای تولید سطح کامپوزیتی روی آلومینیوم و هموژن کردن پودرهای آلومینیوم و اصلاح ساختار کامپوزیتهای فلزی و بهبود خواص در آلیاژهای ریخته گری کاربرد دارد.

پارامتر های جوشکاری

در جوشکاری FSW دو پارامتر بسیار مهم وجود دارد:

1-سرعت چرخش پین (w, rpm) ساعت گرد و یا غیر ساعت گرد بدون آن .

2-سرعتی که پین خط اتصال را طی می کند (v, mm/min) .

حرکت گردش پین موجب به جنبش درآمدن و مخلوط شدن مواد به دور پین می شود و این کار باعث حرکت مواد از جلوی پین به عقب پین می شود. سرعت چرخش بالاتر پین موجب تولید  دمای بالاتر می شود زیرا همان گونه که قبلاً گفته شد موجب گرمای اصطکاکی بیشتر و مخلوط شدن و جنبش شدیدتر مواد می شود و در نتیجه گرمای بیشتری تولید می کند هر چند گرمای تولیدی توسط میزان جفت شدن سطح ابزار (سطح Shoulder) با قطعه کار کنترل می شود.

بنابراین، با افزایش سرعت چرخش پین نبایستی انتظار داشت که گرمای تولیدی نیز به طور یکنواخت افزایش یابد با وجود این که ضریب اصطکاک در سطح با افزایش سرعت چرخش پین تغییر می کند علاوه بر سرعت چرخش پین و سرعت انتقال آن بر روی قطعه، زاویه بین پین و قطعه نیز دارای اهمیت می باشد. یک خمش (زاویه) مناسب بین پین و قطعه کار در حین پیمودن مرز جوشکاری موجب می شود که مطمئن شویم Shoulder مواد حرکت داده شده را می پوشاند (مانع از ائتلاف حرارت می شود) به کمک دندانه های پین و حرکت موثر مواد از جلوی پین به پشت پین.

و همچنین عمق نفوذ پین درون قطعه کار (که اصطلاحاً target depth گفته می شود) برای بدست آوردن جوشی بی نقص با سطح Shoulder صیقلی، پارامتری حائز اهمیت است. عمق نفوذ توسط طول پین تعیین می گردد. هنگامی که عمق نفوذ بسیار کم باشد و Shoulder با سطح در تماس نباشد. بنابراین، بر اثر چرخش، مواد به صورت موثر نمی توانند از جلوی پین به عقب پین حرکت کنند در نتیجه جوش با کانالهای داخلی و یا سطحی شیار دار حاصل می شود و هنگامی که عمق نفوذ بسیار زیاد باشد. موجب فرورفتن Shoulder درون قطعه کار و ایجاد flash (گرمایی یا جرقه زدن) بیش از حد می شود و در این مورد، یک جوش کاملاً مقعر بدست می آید که موجب نازکی موضعی ورق های جوش داده می شود و بایستی اشاره کرد که به لطف پیشرفت در طراحی Shoulder، Shoulder های ساخته شده که همواره زاویه خمش آنها با سطح صفر می باشد [همواره عمود بر سطح هستند] که این Shoulder ها در جوشکاری سطوح منحنی شکل کاربرد دارند.

پیش گرم کردن و یا سرد کردن می تواند برای بعضی از جوش کاری های FSW مهم باشد.

برای موادی با دمای ذوب بالا مانند فولاد و تیتانیم یا مواد با ضریب رسانایی حرارتی بالا مانند مس، گرمای تولید شده به کمک اصطکاک و جنبش برای بدست آوردن موادی نرم و پلاستیکی شده در اطراف پین کافی نمی باشد. و در این صورت بدست آوردن جوش بی نقص بسیار مشکل است. دراین مواد پیش گرم کردن و یا استفاده از منبع گرمایی

خارجی به material flow و افزایش process window [قابلیت جوش کاری فلزات] کمک می کند و در طرف دیگر، موادی با دمای ذوب پایین مانند آلومینیوم و منگنز هستند که سرد کردن آنها موجب کاهش رشد دانه ها و انحلال تنش های پس ماند می شود.

پیشرفتهای جوشکاری FWS

امروزه باتوجه استفاده گسترده از این روش جوشکاری در دنیا پیشرفتهای گسترده ای در آن به وقوع پیوسته است از جمله استفاده از سیستمهای رباتیک برای انجام این نوع جوشکاری که سرعت انجام این نوع جوشکاری را بالا برده است. کاربرد جدید دیگر از این نوع جوشکاری در صنایع خودرو سازی است که امروزه از این نوع جوشکاری در این صنایع  استفاده گسترده می شود .

معرفی تیتانیوم :

 تیتانیوم عنصر شیمیائی است که در جدول تناوبی دارای نشان Ti وعدد اتمی22 است. تیتانیوم عنصری است نرم،  سبک،  نقره‌ای براق،  درخشان و فلزی مقاوم در برابر فرسایش است و در آلیاژهای محکم و سبک و رنگدانه‌های سفید کاربرد دارد. این عنصر در مواد معدنی متعددی وجود دارد، ولی منابع اصلی آن،  روتیل و ایلمنیت هستند    

دسته بندی آلیاژهای تیتانیوم بر اساس ساختار کریستالی آن آلیاژ در دمای محیط به سه دسته آلفا ، بتا و آلفا، بتا تقسیم می شوند

 جوشکاری تیتانیم

در جوشکاری ذوبی آلیاژهای تیتانیم، تیتانیم غیرآلیاژی و آلیاژهای تیتانیم آلفا از قابلیت جوش‌پذیری مناسبی برخوردار هستند. یعنی آنکه تفاوت قابل توجهی از نظر ریز ساختار و خواص مکانیکی بین منطقه جوش، مجاور جوش و فلز پایه وجود ندارد و جوش حاصله دارای استحکام کافی همراه با انعطاف‌پذیری مناسب است. این گروه از آلیاژهای تیتانیم را در شرایط آنیل شده جوشکاری می‌کنند.

 آلیاژهای تیتانیم  حاوی یک یا چند عنصر پایدار کننده فاز بوده و جوشکاری آنها می‌تواند بطور موثری سبب تغییر استحکام، انعطاف‌پذیری و چقرمگی فلزجوش و منطقه مجاور جوش گردد. معمولاً اگر این آلیاژها  حاوی بیشتر از 20 درصد فاز  باشند جوش‌پذیری آنها ضعیف تلقی می‌گردداین گروه از آلیاژها را در شرایط آنیل شده و یا آنیل انحلای همراه با پیر کردن جزئی جوشکاری می‌کنند.

آلیاژهای تیتانیم بتا دارای مقادیر کافی از عناصر پایدار کننده فاز بتا می‌باشند. این گروه از آلیاژهای تیتانیم نیز قابلیت جوش‌پذیری داشته اما آن دسته از آلیاژهای تیتانیم نوع بتا که دارای مقادیر بالائی از عناصر پایدار کنندة فاز  باشند، از جوش‌پذیری ضعیفی برخوردارند زیرا فلز جوش از تردی بالائی برخورداراست. این گروه از آلیاژها در شرایط آنیل شده و یا آنیل محلولی جوشکاری می‌شوند. برای بدست آوردن جوشی با استحکام و انعطاف‌پذیری کافی، آلیاژ در شرایط آنیل شده جوشکاری می‌گردد و سپس با عملیات ساچمه‌زنی منطقه جوش کار سردشده و به دنبال آن عملیات انحلالی و پیرکردن صورت می‌گیرد.

عوامل موثر بر مشخصه های ریز ساختاری منطقه جوش تیتانیم

خواص مکانیکی منطقه جوش آلیاژهای تیتانیم بستگی به ریزساختارهای نواحی FZ و HAZ دارد و تنوع این ریزساختار تابعی از سیکل حرارتی و نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری است . جمع‌بندی مطالعات انجام گرفته نشان می‌دهد  عوامل موثر بر خواص مکانیکی منطقه جوش که در حقیقت منتج از ساختارهای حاصله در منطقه جوش است عبارتند از :

-   اندازه دانه های b اولیه در ناحیه ذوب

-  نحوة تغییر حالت فاز b حین سرد شدن از دمای بالا

- نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری

الف ـ اندازة دانه های b  اولیه در ناحیه ذوب

همانطوریکه بیان شد از مشخصه‌های ویژة منطقه جوش تیتانیم حضور دانه‌های بزرگ  حین انجماد فلزجوش در ناحیه حوضچه مذاب است که موجب کاهش شدید انعطاف‌پذیری آن می‌گردد. اندازه و مورفولوژی این دانه‌ها به نحوة انتقال حرارت حین انجماد بستگی دارد. اولین پارامتر تعیین کنندة اندازه دانه‌های ، گرمای ورودی جوش است. به این ترتیب که در صورت استفاده از گرمای ورودی بالاتر، اندازه دانه‌های  بزرگتر خواهد شد .

 دانه‌های جزئی ذوب شده در فصل مشترک جامد - مذاب محلهای مناسبی برای رشد فاز جامد به داخل حوضچة مذاب هستند. دانه ها به صورت رونشستی از فصل مشترک جامد - مذاب به سمت خط المرکزین جوش رشد می‌کنند. چون خواص مکانیکی جوش بویژه انعطاف‌پذیری آن وابسته به اندازه دانه است، لذا برای ریز نگهداشتن اندازه دانه‌ها سعی می‌شود تا حد امکان گرمای ورودی در حداقل ممکن حفظ و نگهداری شود و یا به طریقی ارتباط Epitaxy بین FZ و HAZ کاهش یابد.

ب ـ محصولات تغییر حالت

خواص مکانیکی ناحیه ذوب جوش تیتانیم علاوه بر اندازه دانه  اولیه، بستگی به نحوة تغییر حالت فاز در حین سرد شدن در محدودة دمای پایداری فاز  دارد. ریز ساختار  نهائی بستگی به سرعت سرد شدن از بالای دمای تغییر حالت  دارد که خود تابعی از نوع فرآیند جوشکاری، پارامترها فرآیند و سایر شرایط جوشکاری نظیر شکل هندسی قطعه و نحوة قید و بندسازی قطعه دارد. در نرخ های سرمایشی ناشی فرآیندهای جوشکاری EBW و LBW ، در نواحی  FZو HAZ ، تغییر حالت فاز b بهa' اتفاق می‌افتد. ریز ساختار حاصله بسیار ریز و سوزنی است و مشخصه مکانیکی آن استحکام و سختی زیاد در مقابل  انعطاف‌پذیری کم است. در نرخ‌های سرمایشی مربوط به فرآیند‌های جوشکاری GTAW وPAW، ریز ساختار حاصله از نوع       ویدمن اشتاتن بهمراه باقیمانده   و یا مخلوطی از آنها با مارتنزیت  است.   منتهی در فرآیندهای قوسی با حرارت ورودی زیاد نظیر GTAW رشد دانه‌های  بسیار زیاد است.

ج ـ عملیات حرارتی پس از جوشکاری

همانطور که بیان شد ضمن جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن مجموعه ای از تغییر و تحولات ساختاری در منطقه جوش و مجاور جوش رخ می  دهد . لذا بایستی با مطالعه دقیق و بررسی مناطق مذکور و اعمال شرایط مناسب در طی جوشکاری و پس از آن خواص مطلوبی را در این مناطق به دست آورد.  هدف از عملیات حرارتی پس از جوشکاری آلیاژهای تیتانیم عبارت است از:

-  آزادسازی تنش های پسماند حرارتی ناشی از جوشکاری

-   بهبود ریزساختار ایجاد شده در نواحی ذو ب و متاثر از حرارت

-   تکمیل مرحله دوم در یک عملیات حرارتی دو مرحله ای بر روی فلز پایه

-   پایدارسازی ریزساختار فلز جوش جهت استفاده در دمای بالا

انتخاب دما و زمان لازم جهت عملیات حرارتی پس گرم بستگی به نوع آلیاژ، ساختار جوش و منطقه مجاور جوش و کاربرد قطعه دارد. در عمل این عملیات مشکل و دارای هزینه بالائی می باشد، زیرا نیاز به اتمسفر خنثی در دماهای بالاتر از °c500 می باشد. علاوه بر آن احتمال کاهش استحکام جوش در دماهای بالا وجود دارد . به همین دلیل نزدیک سازی هر چه بیشتر خواص نواحی مختلف جوش و فلز پایه در کنار مسایل اقتصادی وصنعتی بدون انجام فرآیند عملیات حرارتی همواره موردنظر محققین بوده  است.