جوشکاری اصطکاکی
جوشکاری اصطکاکی (Friction welding) یکی از روش های موثر اتصال در صنعت است. جوشکاری اصطکاکی فرآیند اتصال حالت جامد است و برای کاربردهای خاص الکتریکی، قطعات موتور و ... بسیار مناسب است. در این فرآیند سطح دو قطعه در تماس مکانیکی قرار می گیرند و از طریق حرارت ناشی از اصطکاک به دمای مطلوب می رسند و نیروی فورج دو قطعه را به یکدیگر متصل می کند.
اتصال مناسب قطعات یکی از مسائل مهم در صنعت است. برای اتصال قطعات از روش های مختلفی مثل اتصال مکانیکی، اتصال با چسب و جوشکاری حالت استفاده می شود. جوشکاری اصطکاکی یکی از روش های موثر اتصال در صنعت است. از این روش در کاربردهای خاص الکتریکی، قطعات موتور و ... استفاده می شود. جوشکاری اصطکاکی کاربرد گسترده ای در صنعت دارد و از آن به عنوان فرآیند تولید انبوه برای اتصال مواد نام برده می شود. در فرآیند جوشکاری اصطکاکی، سطوح اتصال قطعات با حرارت ناشی از اصطکاک تا دمای مورد نظر گرم می-شود و سپس با فشار فورج قطعات به یکدیگر متصل می شوند. با این فرآیند بسیاری از آلیاژهای آهنی و غیرآهنی را می توان به یکدیگر متصل کرد. از جوشکاری اصطکاکی برای اتصال مواد مختلف با خواص حرارتی و مکانیکی متفاوت استفاده می شود. در برخری موارد، امکان اتصال مواد غیرهمجنس با سایر روش های جوشکاری وجود ندارد، زیرا فازهای ترد تشکیل می شود و اصتال با خواص مکانیکی ضعیف حاصل می شود. در این فرآیند دما اتصال زیر نقطه ذوب و زمان جوشکاری کوتاه است، این خصوصیات فرآیند جوشکاری اصطکاکی را به یک فرآیند مناسب برای اتصال مواد تبدیل کرده است.
حرارت جوشکاری اصطکاکی از اصطکاک بین قطعات تامین می شود و سپس فشار فورج آن ها را به هم متصل می کند، لذا این فرآیند ترکیب اصطکاک و فشار است. حرارت تولید شده بین سطوح در تماس باعث نرم شدن، پلاستیسیته شدن و مخلوط شدن مواد با یکدیگر می شود. بعد از این که حرارت اصطکاکی و حرکت نسبی قطعات به پایان رسید، منطقه فصل مشترک سرد می شود و بعد از سخت شدن اتصال قوی حاصل می شود. جوشکاری اصطکاکی بر اساس نوع فرآیند به انواع مختلف تقسیم می شود:
1)جوشکاری اصطکاکی خطی: جوشکاری با حرکت نسبی و خطی در امتداد فصل مشترک انجام می شود، از این رو به جوشکاری اصطکاکی خطی موسوم است. این نوع جوشکاری برای قطعاتی که اتصال آن ها با سایر روش های رایج جوشکاری مشکل است بسیار مناسب می باشد. از این فرآیند در صنایع هوا-فضا برای اتصال قطعات پیچیده مثل پره های توربین در توربین های گازی استفاده می شود
2)جوشکاری اصطکاکی دوار: این فرآیند پرکاربردترین روش جوشکاری اصطکاکی است. در این فرآیند یک قطعه چرخشی در مقابل یک قطعه ثابت فشار داده می شود تا اتصال انجام شود. از این فرآیند برای جوشکاری فولادهای کربنی و سایر فلزات استفاده می شود. با این فرآیند مواد غیرمشابه را می توان به راحتی به یکدیگر متصل کرد.
3)جوشکاری اصطکاکی چرخشی: از این فرآیند برای جوشکاری مواد ترموپلاستیک استفاده می شود. مواد در مجاورت فصل مشترک نرم شده و سپس به یکدیگر فشار داده می شوند و در اثر چرخش و فشار به یکدیگر متصل می شوند. هنگامی که یک لایه فلز نرم در فصل مشترک ایجاد می شود، نیروی مناسب اعما می شود تا قطعات به یکدیگر جوش داده شوند.
4)جوشکاری اصطکاکی-اغتشاشی: در این فرآیند از یک ابزار غیرمصرفی استفاده می شود، این ابزار در حین جوشکاری نرم نمی شود. ابزار در فصل مشترک قطعات فرو برده می شود، هر دو قطعه را در اطراف فصل مشترک نرم می کند و ماده نرم شده را مخلوط می کند و نتیجه آن برقراری اتصال است.
5)جوشکاری اصطکاکی اینرسی: در این فرآیند انرزی مورد نیاز برای برقراری اتصال قطعات از انرژی جنبشی ذخیره شده در چرخ دوار یا ماشین جوشکاری تامین می شود. یکی از قطعات ثابت نگه داشته شده و قطعه دیگر به چرخ دوار متصل می شود. به محض این که قطعات در تماس با یکدیگر قرار می گیرند، انرژی جنبشی چرخ دوار به حرارت اصطکاکی تبدیل می شودو قطعات به یکدیگر متصل می شوند.
6)جوشکاری اصطکاکی دکمه ای: در این فرآیند یک دکمه با سرعت چرخش بالا به زیرلایه ثابت فشار داده می شود. حرارت اصطکاکی منطقه تماس را نرم می کند و اتصال برقرار می شود. از این فرآیند برای کاربردهایی که با سایر فرآیندهای جوشکاری مشکل یا غیرممکن است، مثل جوشکاری زیر آب، بسیار مناسب است. هزینه این نوع جوشکاری زیاد است و این مسئله کاربردهای آن را محدود می کند.
7)روکش کاری اصطکاکی: در این فرآیند ماده پوشش در فصل مشترک با زیرلایه در اثر حرارت اصطکاکی به صورت یک پلاستیک در می آید و به زیرلایه متصل می شود، در نهایت پوشش و زیرلایه سرد می شوند. بر اساس نوع ماده پوشش خواص متالورژیکی و فیزیکی زیرلایه و پوشش تغییر می کند.
در جوشکاری اصطکاکی انرژی مورد نیاز برای جوشکاری با تبدیل مستقیم انرژی مکانیکی به حرارت در فصل مشترک قطعات تامین می شود. جوش های اصطکاکی با قرارگیری قطعه جامد ثابت در تماس با قطعه چرخشی تحت افزایش تدریجی فشار تا رسیدن به دمای جوشکاری در فصل مشترک بین قطعه ثابت و چرخشی حاصل می شوند. توقف سریع قطعه چرخشی و اعمال نیروی فورج فرآیند جوشکاری را کامل می-کند. همترازی مناسب قطعه چرخشی و ثابت برای دستیابی به اتصالات مناسب بسیار مهم است. از طرف دیگر، سایش ناشی از اصطکاک باعث از بین رفتن برجستگی ها و بی نظمی های سطح قطعات می شود. بعد از این که جوشکاری کامل شود، سطوح فصل مشترک قطعات جوشکاری شده کاملا صاف و تمییز است.
در روش جوشکاری پیوسته، یکی از قطعات ثابت نگه داشته می شود و قطعه دیگر با سرعت ثابت می چرخد. سپس دو قطعه تحت فشار محوری در دوره زمانی مشخص یا تا رسیدن به کاهش طول تعیین شده به یکدیگر فشار داده می شوند. سپس نیروی محرکه (موتور) جدا می شود و قطعه دوار به سرعت متوقف می شود و فشار مجوری به طور ثابت یا افزایشی برای فشار فورج بیشتر به منظرو اتصال کامل اعمال می شود. در روش جوشکاری اینرسی، یکی از قطعات ثابت نگه داشته می شود و قطعه دوم در یک سه نظام چرخشی قرار می گیرد و متصل به چرخ دوار است. چرخ دوار متصل به سه نظام با سرعت مشخص می چرخد تا انرژی معینی در آن ذخیره شود. سپس موتور محرکه از چرخ دوار جدا می شود و دو قطعه تحت فشار محوری به یکدیگر متصل می شوند. اصطکاک بین قطعات کاهش می یابد و انرژی ذخیره شده در چرخ دوار به حرارت اصطکاکی تبدیل می شود. به طور کلی، برای اطمینان از حرارت اصطکاکی و عمل فورج مناسب در جوشکاری میله ها با قطر زیاد از یک برآمدگی کوچک در مرکز یکی از قطعات استفاده می شود. در جوشکاری اصطکاکی می توان قطعات را بدون آماده سازی زیاد به یکدیگر متصل کرد: سطوح زبر حتی با مقداری اکسید را می توان بدون تاثیر بر استحکام جوش به یکدیگر متصل کرد، زیرا در مرحله چرخش فصل مشترک تمییز می شود و ناخالصی ها از سطح جدا می شوند. هنگامی که حرارت اصطکاکی در فصل مشترک افزایش می یابد، ماده نرم می شود و شرایط تماس کامل قطعات فراهم می شود. با جوشکاری اصطکاکی امکان تولید انبوه وجود دارد، لذا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.