جوش اصطکاکی FSW فرایند اتصال به نسبت جدیدی است که دارای بازدهی حرارتی بالا، دوست­دار طبیعت و به ویژه می­تواند برای اتصال آلیاژهای آلومینیومی هوافضای با استحکام بالا و دیگر آلیاژهای فلزی که جوش­کاری آن­ها با روش­های متداول سخت است، استفاده شود. FSW، به عنوان مهم­ترین پیش­رفت در اتصال فلزات در این دهه در نظر گرفته می­شود. اخیرا فراوری اصطکاکی FSP (Friction Stir Processing) برای بهبود ریزساختار مواد فلزی توسعه داده شده است. در این مقاله وضع کنونی FSW و FSP و توسعه­ی آن­ها بررسی می­شود و اهمیت ویژه‏ای به ساز و کار مناسب برای تشکیل جوش و پالایش ریزساختار و نیز به اثرات پارامترهای فرایندی بر ریزساختار به دست آمده و خواص مکانیکی نهایی داده شده است.

مقدمه

مشکل بودن ایجاد جوش­های با استحکام بالا و مقاوم به خستگی و خوردگی در آلیاژهای آلومینیومی هوافضا مانند سری­های 7XXX و 2XXX به مدت زیادی استفاده از جوشکاری را در اتصال ساختارهای هوافضا محدود کرده بود. این آلیاژهای آلومینیومی به طور کلی به عنوان آلیاژهای غیرقابل جوش­کاری دسته‏بندی شده­اند. به دلیل ساختار انجمادی ظریف و تخلخل در منطقه­ی ذوب، هم‏چنین از دست رفتن خواص مکانیکی در مقایسه با فلز پایه بسیار زیاد است. این عوامل باعث شده است که اتصال این آلیاژها توسط فرایندهای جوش­کاری معمول جالب نباشد. بعضی آلیاژهای آلومینیومی می­توانند جوش مقاومتی داده شوند. ولی آماده کردن سطح آن­ها گران است چرا که اکسید شدن سطح مشکل بزرگی است.

تکنیک FSW در انجمن جوش­کاری انگلستان در سال 1991 و به صورت تکنیک حالت جامد اختراع شد و در ابتدا برای آلیاژهای آلومینیوم به کار برده شد. اساس FSW بسیار ساده است (شکل 1). یک ابزار گردنده­ی مصرف نشدنی با شانه و یک پین با طراحی ویژه وارد می­شود و در طول خط اتصال حرکت می­کند. این ابزار دو وظیفه­ی اصلی بر عهده دارد الف) گرم کردن قطعه کار ب) حرکت دادن ماده برای ایجاد اتصال. گرم کردن توسط اصطکاک بین ابزار و قطعه کار و تغییرشکل پلاستیک ماده انجام می­شود. گرمایش متمرکز، ماده­ی اطراف پین را نرم می­کند و ترکیب گردش ابزار و حرکت آن باعث حرکت ماده از جلوی پین به عقب آن می­شود. در نتیجه­ی این فرایند، اتصالی در حالت جامد پدید می­آید. به دلیل اشکال متفاوت ابزار، حرکت ماده در اطراف پین می­تواند بسار پیچیده باشد. حین فرایند FSW، ماده تغییرفرم پلاستیک شدیدی را در دمای بالا تحمل می­کند که باعث تولید دانه­های تبلور مجدد ریز و هم‏محور می­شود. این ریزساختار ریزدانه خواص مکانیکی خوبی فراهم می­کند.

شکل 1- شماتیکی از فرآیند جوشکاری اغتشاشی اصطکاکی

روش FSW به عنوان مهم­ترین پیشرفت در اتصال در این دهه به شمار می­آید و به دلیل صرفه جویی در انرژی یک فناوری سبز است. در مقایسه با روش­های جوش­کاری متداول، FSW به طور قابل ملاحظه­ای انرژی کم­تری مصرف می­کند. گاز محافظ یا فلاکس استفاده نمی­شود؛ که به این وسیله این فرایند دوست دار طبیعت است. این اتصال نیازمند هیچ فلز پرکننده­ای نیست. پس هر آلیاژ آلومینیومی بدون نگرانی برای تطابق ترکیب، مشکل مهم در جوش‏کاری ذوبی، می­تواند جوش داده شود. در موقع نیاز، آلیاژهای آلومینیومی غیرمتشابه و کامپوزیت­ها می­توانند با سهولت جوش داده شوند. در مقابل جوش‏کاری اصطکاکی سنتی، که معمولا بر اجزای متقارن محوری کوچک که می­توانستند بچرخند و به هم فشار داده شوند به کار می­رفت. FSW می­تواند برای انواع مختلفی از اتصالات مانند لب به لب، روی هم، T شکل و گوشه­ای مورد استفاده قرار گیرد.

مزایای اصلی FSW در زیر خلاصه شده است.

مزایای متالورژیکی

• فرایند حالت جامد
• اعوجاج کم قطعه کار
• پایداری ابعادی
• تکرارپذیری خوب
• بدون اتلاف عناصر آلیاژی
• خواص متالورژیکی بسیار عالی در ناحیه­ی اتصال
• ریزساختار ریز
• عدم ترک خوردن
• حذف اجزای چندگانه که با فیکسچر متصل شده­اند

مزایای محیطی

• گاز محافظ نیاز نیست
• تمیزکاری سطح مورد نیاز نیست.
• حذف ضایعات سنگ‏زنی
• حذف محلول­هایی که برای پاک کردن چربی مورد نیاز است
• صرفه‏جویی در مواد مصرف‏شدنی مانند پوشش­ها و سیم

مزایای انرژی

• استفاده از مواد پیشرفته( مانند اتصال ضخامت­های متفاوت) باعث کاهش وزن می­شود.
• تنها 5_/2 درصد از انرژی لازم برای جوش لیزر
• کاهش مصرف سوخت در هواپیما و خودروی سبک و حمل و نقل

اخیرا فراوری اصطکاکی FSP به صورت یک ابزار جامع برای اصلاح ریزساختار بر پایه­ی اصول FSW توسعه داده شده است. در این مورد یک ابزار گردنده­ به قطعه کارِ یک‏پارچه وارد می­شود و اصلاح ریزساختاری متمرکزی برای افزایش خواص ویژه­ای انجام می­شود.

برای مثال، سوپر پلاستیکی با نرخ کرنش بالا در آلیاژ Al7076 تجاری توسط FSP حاصل شده است. به علاوه فن آوری FSP برای ایجاد کامپوزیت صفحه­ای در زیرلایه­ی آلومینیوم، همگن‏سازی آلیاژ آلومینیومیِ متالورژی پودر، اصلاح ریزساختار کامپوزیت­های زمینه فلزی و بهبود خواص در آلیاژهای آلومینیومی ریختگی به کار رفته است. FSP/FSW به عنوان فناوری اتصال یا فراوری حالت جامد بسیار موثری خود را نشان داده است. در زمان نسبتا کوتاهی بعد از اختراع، کاربردهای موفقیت آمیزی از FSW نشان داده شده است.

پارامترهای فرایند

FSW/FSP مستلزم حرکت ماده و تغییرفرم پلاستیک پیچیده­ای است. پارامترهای جوشکاری، هندسه­ی ابزار و طرح اتصال، اثر مهمی بر نحوه­ی جریان ماده و توزیع حرارت اعمال می­کنند و در نتیجه­ی آن سیر تحولات ریزساختار ماده را تحت تاثیر قرار می­دهند. در این بخش تعدادی از عوامل اصلی موثر بر فرایند FSP/FSW مانند هندسه­ی ابزار، پارامترهای جوش‏کاری و طرح اتصال مورد بحث قرار می­گیرند.

- هندسه­ی ابزار

هندسه­ی ابزار موثرترین جنبه­ی توسعه­ی فرایند است. هندسه­ی ابزار نقش مهمی در جریان ماده ایفا می‏کند و سرعت حرکتی که FSW می­تواند انجام شود را کنترل می­کند. یک ابزار FSW شامل یک شانه و یک پین است مانند آن چه که به صورت شماتیک در شکل نشان داده شده است.

شکل 2- شماتیکی از پین و شانه

همان‏طور که قبلا اشاره شد، این ابزار دو وظیفه­ی اصلی بر عهده دارد الف) گرمایش متمرکز ب) جریان ماده. در مرحله­ی ابتدایی فرو رفتن ابزار، گرمایش عمدتا حاصل از اصطکاک بین پین و قطعه کار است. مفدار اضافی گرما از تغییرشکل ماده حاصل می­شود. ابزار تا وقتی شانه، قطعه کار را لمس نکند به فرو رفتن ادامه می­دهد. اصطکاک بین شانه و قطعه کار باعث کسر بزرگی از گرمایش می­شود. از لحاظ گرمایشی، انداز­ه­ی نسبی پین و شانه مهم است و دیگر ویژگی­های طراحی بحرانی نیستند. هم چنین، شانه حدی برای مقدار گرم شدن ماده تعیین می­­کند. وظیفه­ی دوم ابزار، حرکت و هم زدن ماده است. یک‏پارچگی ریزساختار و خواص مانند بارهای فرایند، توسط طراحی ابزار تعیین می­شوند. به طور کلی یک شانه­ی مقعر و پین­های استوانه­ای دندانه­دار مورد استفاده قرار می­گیرند. با زیاد شدن تجربه و پیشرفت­هایی در فهم جریان ماده، هندسه­ی ابزار به مقدار زیادی تکمیل شده است. اشکال پیچیده­ای برای تغییر جریان ماده، اختلاط و کاهش بارهای فرایند اضافه شده­اند. برای مثال ابزارهای Whorl و MXTriflute (دارای سه شیار) که توسط TWI تهیه شده­اند در شکل 3 نشان داده شده­اند.

شکل 3- پین تولیدی توسط TWI

بیان شده است که هر دو ابزار که به صورت هرم ناقص شکل داده شده­اند، ماده­ی کم­تری نسبت به ابزار استوانه­ای با همان شعاع قاعده جابه‏جا می­کنند. به طور نمونه، Whorl حجم ماده­ی جابه‏جا شده را حدود 60 درصد کاهش می­دهد. در حالی که MXTriflute حجم ماده­ی جابه‏جا شده را 70 درصد کاهش می­دهد. ویژگی­های طراحی Whorl و MXTriflute باعث الف) کاهش نیروی جوش‏کاری ب) جریان یافتن راحت­تر ماده، ج) آسان کردن حرکت مته­ای سر پایین و د) افزایش فصل‏مشترک بین پین و ماده­ی پلاستیک شده، که در نتیجه­ی آن تولید گرما زیاد می­شود.

- پارامترهای جوش­کاری

برای FSW، دو پارامتر بسیار مهم هستند: سرعت چرخش ابزار (rpm ، ) در جهت عقربه­های ساعت یا خلاف آن؛ سرعت حرکت ابزار (V, mm/min) در جهت خط اتصال. چرخش ابزار باعث هم‏زدن و مخلوط شدن ماده حول پین گردنده می­شود و حرکت ابزار، ماده­ی هم زده شده را از جلو به عقب پین حرکت می‏دهد و فرایند جوش­کاری را به اتمام می­رساند. سرعت چرخش زیادتر ابزار به دلیل زیادتر بودن گرمای اصطکاک، دمای بالاتری تولید می­کند و باعث هم زدن و مخلوط شدن متمرکزتری می­شود.

علاوه بر سرعت چرخش پین و سرعت حرکت، پارامتر فرایندی مهم دیگر، زاویه­ی محور یا شیب ابزار نسبت به سطح قطعه کار می­باشد. کج شدن مناسب محور نسبت به جهت حرکت، نگه‏داشتن ماده­ی هم زده شده با پین دندانه­دار را توسط شانه­ی ابزار تعیین می­کند و نیز باعث حرکت موثر ماده از جلو به عقب پین می‏شود.

علاوه بر این، عمق فرورفتن پین به قطعه کار (عمق هدف) نیز برای تهیه­ی جوش­های مناسب با شانه­های صاف مهم است. عمق ورود پین با ارتفاع آن متناسب است. وقتی عمق ورود خیلی کم باشد، شانه با سطح قطعه کار اصلی در تماس نیست پس شانه­ی گردنده نمی­تواند به طور موثری ماده­ی هم زده شده را از جلو به عقب پین حرکت دهد که باعث به وجود آمدن جوشی با شیار داخلی یا شکاف سطحی می‏شود. وقتی عمق فروروی خیلی زیاد باشد، شانه­ی ابزار داخل قطعه کار فرو می­رود. در این مورد، جوشِ خیلی مقعری به دست می­آید که باعث نازک شدن موضعی صفحات جوش داده شده می­شود.

پیش‏گرم یا سرد کردن می­تواند برای بعضی فرایندهای FSW ویژه مهم باشد. برای موادی با نقطه ذوب بالا مانند فولاد و تیتانیوم با هدایت بالا مانند مس ممکن است گرمای ایجاد شده توسط اصطکاک و هم زده شدن برای نرم شدن و پلاستیک شدن ماده­ی دور ابزار گردنده کافی نباشد. پس، تهیه­ی جوشی پیوسته و بی عیب مشکل است. در این باره، پیش گرم با منبع گرمایش خارجی اضافی می­تواند به جریان ماده و افزایش  روزنه­ی جوش کمک کند. به عبارت دیگر، برای موادی با نقطه ذوب پایین­تر مانند Al و Mg، سرد کردن می­تواند برای کاهش رشد بیش از حد شدید دانه­های تبلور مجدد و حل شدن رسوبات استحکام دهی در اطراف منطقه­ی هم زده شده، استفاده شود.

- طرح اتصال

راحت­ترین اشکال اتصال برای FSW، اتصال روی هم و لب به لب می­باشد. دو صفحه یا ورق با ضخامت یکسان روی یک پشت بند قرار داده می­شوند و برای جلوگیری از جدا شدن لبه­های اتصال مجاور از هم، محکم به گیره بسته می­شوند. حین فرو رفتن اولیه­ی ابزار، نیروها نسبتا زیادند و توجه بیش­تری برای جدا نشدن صفحات در ترکیب لب به لب مورد نیاز است. این نکته مهم است که هیچ آماده‏سازی خاصی برای اتصالات لب به لب یا روی هم برای FSW مورد نیاز نیست. دو صفحه­ی فلزی تمیز می­توانند به راحتی در شکل اتصال لب به لب یا روی هم، بدون هیچ نگرانی خاصی درباره­ی شرایط سطحی صفحات به هم متصل شوند.

FSW/FSP باعث تغییرشکل شدید پلاستیک شدید و افزایش دما در داخل و در اطراف منطقه­ی هم زده شده می­شود. این باعث دگرگونی قابل توجه ریزساختار شامل اندازه دانه، نوع مرز دانه، حل شدن یا درشت شدن رسوبات و فروپاشی یا توزیع مجدد بافت می­شود. برای بهینه کردن پارامترهای فرایند و کنترل ریز ساختار و خواص جوش نیاز به فهم فرایندهای مکانیکی و گرمایی حین FSW/FSP وجود دارد. جریان ماده حین جوشکاری FSW بسته به هندسه­ی ابزار، پارامترهای فرایند و موادی که جوش­کاری می­شوند، بسیار پیچیده است. فهم مشخصات جریان ماده برای طراحی بهینه­ی ابزار و به دست آوردن جوش­هایی با بازده ساختاری بالا، از اهمیت کاربردی زیادی برخوردار است. این باعث تحقیقات زیادی روی رفتار جریان ماده حین FSW شده است.

خدمات ارایه شده توسط شرکت هیرسا کیفیت پاسارگاد (PHQ)

- مشاوره صنعتی فرآیند FSW

- برگزاری کلاس‏های آموزشی جهت آشنایی با این فرآیند

- ارایه جزوات آموزشی برای آشنایی

- بررسی خواص مکانیکی و متالورژیکی جوش های حاصل با این فرآیند

منبع:phq.ir