تاریخچه جوشکاری

چون احتیاجات بشر ، اتصال و جوش در همه موارد را خواستار بوده است، لذا مثلاً از رومی‌های قدیم ، فردی به نام "پلینی" از لحیم به نام آرژانتاریم وترناریم استفاده می‌کرد که دارای مقداری مساوی قلع و سرب بود و ترنایمدارای دو قسمت سرب و یک قسمت قلع بود که هنوز هم با پرکنندگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.


دقت و ترکیبات شیمیایی و دستگاههای متداول طلاسازی از قدیم‌الایام در جواهرات با چسباندن ذرات ریز طلا بر روی سطح آن با استفاده از مخلوط نمک و مس و صمغ آلی که با حرارت ، صمغ را کربونیزه نموده ، نمک مس را به مس احیاء می‌کنند و با درست کردن آلیاژ طلا ، ذرات ریز طلا را جوش می‌دهند و تاریخچه ای به شرح زیر دارند:


· "برناندوس" روسی در 1886 ، قوس جوشکاری را مورد استفاده قرار داد.
· "موسیان" در 1881 قوس کربنی را برای ذوب فلزات مورد استفاده قرار داد.
· "اسلاویانوف" الکترودهای قابل مصرف را در جوشکاری بکار گرفت.
· "ژول" در 1856 به فکر جوشکاری مقاومتی افتاد.
· "لوشاتلیهدر 1895 لولهاکسی‌استیلن__ را کشف و معرفی کرد.
· "الیهو تامسون" آمریکائی از جوشکاری مقاومتی در سال 7-1876 استفاده کرد.


چون علم جوشکاری همراه با گنج تخصصی بود، یعنی هر جوشکار ماهر در طی تاریخ درآمد زیادی داشت، سبب شد که اسرار خود را از یکدیگر مخفی نمایند. مثلاً هنوز هم در مورد لحیم آلومینیوم و آلیاژ ، آن را از یکدیگر مخفی نگه می‌دارند. در جریان جنگهای جهانی اول و دوم جوشکاری پیشرفت زیادی کرد.

احتیاجات بشر به اتصالات مدرن – سبک – محکم و مقاوم در سالهای اخیر و مخصوصاً بیست سال اخیر ، سبب توسعه سریع این فن گردید و سرمایه‌گذاری‌های عظیم چه از طرف دولتها و چه صنایع نظامی و تخصصی در این مورد اعمال گردید و مخصوصاً رقابت‌های انسانها در علوم هسته‌ای) که فقط برای صلح باید باشد ) ، یکی دیگر از علل پیشرفت فوق سریع این فن در چند ده سال اخیر شد که به علم جوشکاری تبدیل گردید.


گروههای مختلف جوشکاری
- لحیم کاری
- جوشکاری فشاری و پرسی
- جوشکاری ذوبی
- زرد جوش

چون مواد و فلزات تشکیل‌دهنده و جوش‌دهنده و گیرنده از لحاظ متالوژیکی بایستی دارای خصوصیات مناسب باشند، بنابراین جوشکاری از لحاظ متالوژیکی بایستی مورد توجه قرار گیرد که آیا قابلیت متالوژی و فیزیکی جوشکاری دو قطعه مشخص است؟ پس از قابلیت متالوژی ، آیا قطعه ای را که ایجاد می‌کنیم، از لحاظ مکانیکی قابل کاربرد و سالم است؟


آیا می‌توانیم امکانات و وسائل برای نیازها و شرایط مخصوص این جوشکاری ، مثلاً گاز و دستگاه را ایجاد نمائیم و بر فرض ، ایجاد نیرو در درجه حرارت بالا یا ضربه زدن در درجه حرارت پایین ممکن باشد؟ زیرا استانداردهای مکانیکی و مهندسی و صنعتی جوشکاری باید در تمام این موارد رعایت شود تا جوش بدون شکستگی و تخلخل و یا نفوذ سرباره و غیره انجام گیرد.
تکرار می‌شود در جوشکاری تخصصی و اصولاً تمام انواع جوش ، قابلیت جوش خوردن فلزات را باید دقیقاً دانست.

در مورد مواد واسطه و الکترود و پودر جوش ، باید دقت کافی نمود. محیط لازم قبل و در حین جوشکاری و پس از جوشکاری را مثلاً در مورد چدن ، باید بوجود آورد.
گازهای دستگاههای مناسب و انتخاب فلزات مناسب از لحاظ ذوب در کوره ذوب آهن و بعد در حین جوشکاری از لحاظ جلوگیری از صدمه گاز - آتش و مشعل و برق و هوای محیط و وضعیت جسمانی و زندگی جوشکار ، خود نکات اساسی دیگر هستند که مشکلات جوشکاری می‌باشند.


مشکلات و گرفتاریهای صنعت جوشکاری


جوشکاری در حقیقت ایجاد کارخانه ذوب آهن و فلزات در مساحتی حداکثر 2×2 متر و نقطه حساس جوشکاری چند سانتیمتر است، زیرا همان درجه حرارت کارخانه ذوب آهن در محل جوشکاری در یک نقطه ایجاد می‌گردد. مسلم است که چنین کار عظیمی احتیاج به ابتکار و تخصص و مواد و متخصص و وسائل مدرن دارد تا بتوان از این ذوب آهن چند سانتیمتری استفاده صحیح نمود.
شاید اضافه گوئی نباشد که در هیچیک از رشته‌های فنی تا این اندازه احتیاج به سرمایه‌گذاری و رعایت جوانب فنی و غیر فنی ضروری و لازم نباشد.

عوارض و سوانح ناشی از عوامل فیزیکی مربوط به جوشکاری


در موقع جوشکاری ، از عوامل فیزیکی مورد تاثیر یا حاصل از عمل جوشکاری ممکن است خطراتی متوجه جوشکار شود که در:

دسته اول: برق گرفتگی
دسته دوم: سوختگی
دسته سوم: ورود اجسام خارجی به داخل چشمرا می‌توان نام برد.


برق گرفتگی و عوارض حاصل از تاثیرات جریان برق


مسلم است اگر نقصی در سیم‌کشی وسائل برقی که برای جوشکاری با برق بکار می‌روند، وجود داشته باشد یا جوشکار نکات ایمنی لازم مربوط به برق را مراعات ننماید، خطر برق‌گرفتگی برای او وجود خواهد داشت و چنانچه جوشکار در ارتفاع مشغول جوشکاری باشد، مخاطرات حاصله از سقوط و در نتیجه شوک - ضربه الکتریکی نیز بر ضایعات حاصل از برق‌گرفتگی افزوده خواهد شد.


نشانه‌های حاد و فوری برق‌گرفتگی از مور مور شدن و یا شوک خفیف تا شوک شدید و قطع تنفس و متزلزل شدن ضربان قلب و عاقبت به مرگ منجر می‌شود. هنگامی که برق‌گرفتگی ، ایجاد شوک نماید و شخص در ارتفاع مشغول کار است، خطر سقوط و افتادن از ارتفاع روی زمین و روی وسایل و ماشین و غیره ، باعث پیدا شدن جراحات شدید شده ، وضع مصدوم را وخیم خواهد ساخت. بنابراین پیشنهاد می‌شود حتی‌المقدور جوشکاری را در سطح پایین انجام داد.


شدت ضایعات و مخاطرات حاصل از برق‌گرفتگی ، بستگی به عوامل زیر دارند:

نوع جریان برق: اصولاً در هر ولتاژی ، جریان برق متناوب AC ، خطرناکتر از جریان برق DC مستقیم می‌باشد و یا به عبارت دیگر ، خطر شوک الکتریکی در جریان متناوب بیشتر است. در حالیکه خطر سوختگی در جریان مستقیم نیز بیشتر است.

تاثیر ولتاژ: شدت شوک الکتریکی حاصل از برق گرفتگی ، بستگی به میزان ولتاژ برق مربوط به آن دارد و هرچه ولتاژ بیشتر باشد، شدت شوک حاصله بیشتر خواهد بود. در هر صورت ولتاژ بین 200 تا 250 ولت که ولتاژ معمولی برق شهر است، خطرناک بوده ، اغلب ضایعات شدید بوجود آورده ، ممکن است سبب مرگ شود.

شدت جریان: شدت جریان 15 تا 20 میلی‌آمپر با فرکانس HZ 50 ولتاژ بالا ممکن است باعث چسبیدن دست مصدوم به سیم برق شده ، مانع رهائی وی گردد. این امر ممکن است تا موقع رسیدن نجات‌دهنده ادامه یابد. در این جریان ممکن است ضایعات کشنده ای ایجاد شود.

فرکانس: در تواتر بین HZ 50 تا HZ 80 هرتز شوک یا ضربه الکتریکی ممکن است بوجود آید. ولی در فرکانس‌های بالا بین 30000 تا 100000 هرتز ، خطر کمتری وجود دارد، زیرا بوسیله پرتاب ، شخص را از منبع خطر دور می‌کند.

مقاومت بدن انسان: مقاومت بدن انسان بین 500 تا 50 متغیر است ( اهم ). هر چه مقاومت در سر راه تماس منبع الکتریک با بدن ( پوست خشک – ضخامت کف پا ) بیشتر باشد، خطر شوک وارده کمتر است و یا بالعکس.

مدت تماس: تماس برق با بدن در مدت زمان بین 1 تا 3 ثانیه ممکن است توقف قلب و فوت مصدوم را همراه داشته باشد. در هر صورت چنانچه شخصی دچار برق گرفتگی شود، از ضایعات و عوارض ذکر شده در بالا جان سالم بدر برد. معمولاً بهبود کامل می‌یابد و عوارض ، نادر می‌باشد.

مسائل مهم جوشکاری


تربیت متخصص و کاردان و کارشناس


جوشکاری ، یکی از رشته‌های پرهزینه در صنعت و آموزش ابتدائی و عالی است. انتخاب افراد و جوانان در هر سن و مدارج تحصیلی و کارخانه‌ای ، با داشتن قدرت تحمل کار با آتش ، قدرت تحمل خطرات و آموزش تخصصی به این جوانان بسیار مشکل است. زیرا سرمایه‌های عظیم آموزشی احتیاج دارد تا یک متخصص به تمام معنی یا یک مهندس جوشکار واقعی تربیت شود.

تهیه ماشین‌آلات مخصوص


تهیه ماشین‌آلات مدرن و مفصل جوشکاری احتیاج به بودجه‌های عظیم دارد تا بتوان از انواع ماشین‌آلات مدرن بهره‌گیری نمود، مخصوصاً در آموزش که باید همه جانبه باشد. بعضی اوقات تمام وسایل کارخانجات شهر و مراکز آموزشی ، کافی برای ارائه کل تخصص نمی‌باشن. و اشکال‌تراشی و نبودن بودجه و خرید و کمک به ساخت نیز گرفتاری دیگری است.

رعایت نکات ایمنی


رعایت نکات ایمنی و تخصصی ایمنی ، خود یکی دیگر از مشکلات عظیم جوشکاری است، بطوری‌که فرضاً انفجار یک کپسول مانند یک بمب می‌تواند جان صدها نفر را به خطر اندازد، در حالیکه مثلاً در کارگاه تراش و ریخته گری ،خطرها تا این حد بالا نیستند و کوچکترین بوی گاز ناشی از عدم اتصالات صحیح و اصولی ، ممکن است جان عده ای را به خطر اندازد. همان طوریکه تربیت متخصص ، احتیاج به بودجه‌های عظیم آموزشی برای خرید وسائل و کتب بطور همزمان دارد، هزینه های دیگر جوشکاری جهت جلوگیری از هر نوع انفجار و احتراق در کارگاهها و صدمه به بدن و چشم جوشکار و افراد حاضر در کارگاه می‌باشد.
بدین جهت جوشکاری را رشته ای پر خرج نام نهاده‌اند. مسلم است که این مخارج عظیم در استفاده از اتصالات جوش حذف خواهند شد. یعنی اینکه اتصالات پر خرج و مفصل پیچ و پرچ وقتی با جوشکاری جایگزین شوند، مخارج عظیم تشکیلات را در مدت کوتاهی تامین خواهند کرد.

هدف جوشکاری و برشکاری


بریدن قطعات ماشینی به ضخامتهای زیاد ، یکی از وظایف مهم برشکاری است. بطور کلی ، اتصال قطعات مختلف از یک نوع فلز یا انواع فلزات و آلیآژها و بالا بردن استحکام و سرعت عملیات و کاهش هزینه‌ها از مهمترین اهداف جوشکاری است.

جوشکاری اصطکاکی


جوشکاری اصطکاکی (به انگلیسی: Friction Welding, FRW) یکی از فرآیندهای جوشکاری حالت جامد است که با اعمال نیروی فشاری به اتصال قطعه‌کارهای چرخان یا متحرک نسبت به یکدیگر انجام می‌شود. اعمال فشار به قطعات باعث ایجاد گرما شده و مواد را از سطوح جوش جدا کرده و به یکدیگر می‌چسباند.فرآیند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي (FSW) به عنوان يكي از فرآیندهای اتصال دهي 16 سال پیش توسط ((TWI به ثبت رسیده . ابزار چرخشی مقاوم به سایش براي اتصال دهي صفحه و ورق مواد از قبیل آلومینیوم ، مس و قلع مورد استفاده قرار گرفته شده است . همچنین در لابراتوار ها و آزمایشگاهها منیزیم ، روي ، تیتانیوم و فولاد با فرایند جوشکاری اصطكاكي اغتشاشي جوشکاری شده اند . جوشکاری مادون نقطه ذوب در فاز جامد انجام میگیرد . جوش به وسيله تركيب جنبش و حرکت واصطكاك و تغييرشكل مكانيكي ناشی از چرخش ابزار تولید میشود و ماكزيمم حرارت تولید شده در این فرایند حدود 8/0 نقطه ذوب فلزات پايه تنظیم میشود .خواص مكانيكي خوب و پیچیدگی خيلي كم منسوب است به حرارت ورودی كم و نبود ذوب ، بطوريكه این فرايند در دسته فرآیندهای جوشکاری حالت جامد قرار گرفته است ، فرآیند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي براي اتصال دهي موادی که با فرايند هاي متداول جوشكاري قابلیت جوش پذیری ندارند ، مورد استفاده قرار گرفته است .

جوشکاری اصطکاکی- اغتشاشی (FSW)


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 اتصالگرما 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 چهار 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) .
3- زاويه انحراف ابزار از خط عمود بر سطح قطعه كار (tilt angle)
4- نيروي عمودي وارد بر ابزار توسط كلگي دستگاه (N)
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 .فرآیند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي (FSW) به عنوان يكي از فرآیندهای اتصال دهي 16 سال پیش توسط ((TWI به ثبت رسیده . ابزار چرخشی مقاوم به سایش براي اتصال دهي صفحه و ورق مواد از قبیل آلومینیوم ، مس و قلع مورد استفاده قرار گرفته شده است . همچنین در لابراتوار ها و آزمایشگاهها منیزیم ، روي ، تیتانیوم و فولاد با فرایند جوشکاری اصطكاكي اغتشاشي جوشکاری شده اند . جوشکاری مادون نقطه ذوب در فاز جامد انجام میگیرد . جوش به وسيله تركيب جنبش و حرکت واصطكاك و تغييرشكل مكانيكي ناشی از چرخش ابزار تولید میشود و ماكزيمم حرارت تولید شده در این فرایند حدود 8/0 نقطه ذوب فلزات پايه تنظیم میشود .


خواص مكانيكي خوب و پیچیدگی خيلي كم منسوب است به حرارت ورودی كم و نبود ذوب ، بطوريكه این فرايند در دسته فرآیندهای جوشکاری حالت جامد قرار گرفته است ، فرآیند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي براي اتصال دهي موادی که با فرايند هاي متداول جوشكاري قابلیت جوش پذیری ندارند ، مورد استفاده قرار گرفته است .فرایند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي در تولید راكت هاي دلتا 2با مدول interstage ، صنایع فضايي و كشتيهای حمل و نقل تانكرهاي بزرگ از آلیاژهای آلومینیوم مستحکم در آگوست 1999 با موفقیت و كاميابي به انجام رسیده است.در صنایع كشتي سازي و صنایع نورد مواد اوليه در حال حاظر چندین شرکت از این فرايند استفاده ميكنند به عنوان مثال برای تولید و ساخت تابلوهای آلومینیومی بزرگ كه از جنس آلومینیوم اكستروژن . پژوهش و تولید ماشینهای جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي (FSW) از بعد اقتصادی و نصب براي جوشكاري ضخامت هاي بالاي 16 ميلي متر قابل دسترسی و کاربرد هستند.


فرآیند جوشكاري اصطكاكي اغتشاشي (FSW) در سال 1991 توسط TWI در كمبريج ( ( UK ، اختراع و ثبت شده و در مکانهایی که تولیدات بكار رفته اند رشد و تکامل یافته است . بطور جاري45 سازمان اجازه و لیسانس استفاده از این فرایند را داشته و بیشتر اين شرکتها صنعتی بوده و برخی کشورها ، به عنوان مثال آمريكا ، اسکاندیناوی ، ژاپن و استرالیا این فرايند را بصورت تجارت در تولیدات خود بکار میبرند .


جوشكاري اصطكاكي نسبت به ديگر انواع جوش نظير قوس الكتريكي، جوشكاري ليزري و جوشكاري با گاز، مزاياي بسياري دارد. اين نوع جوشكاري تنها براي قطعاتي ميسر است كه شكل دوار داشته باشند زيرا عمل جوش توسط حرارت حاصل از چرخش سريع و تحت فشار يك يا هر دو قطعه نسبت به يكديگر صورت مي‌پذيرد، اما با استفاده از روش جوشكاري اصطكاكي تلاطمي، مي‌توان ورق‌هاي فلزي را نيز به يكديگر پيوند داد. در اين مقاله به معرفي مختصر اين روش مي‌پردازيم.

امروزه صفحات چند پارچه جوشكاري شده به سرعت جاي خود را در صنعت خودرو باز مي‌كنند زيرا با استفاده از آنها مي‌توان مواد اوليه با ضخامت‌هاي مختلف و خواص مختلف را به شكل يك قطعه و با پرس و استمپينگ شكل داده و به اين ترتيب خواص محصول را بهبود بخشيد. اين بهبود از طرق گوناگون مي‌تواند بر قطعات منفصله و نيز خود خودرو اعمال شود.
اصولاً كاهش وزن به منظور رسيدن به استانداردهاي مصرف سوخت هدف اصلي به‌كارگيري صفحات چند پارچه جوشكاري شده بوده است. علت بخش اعظم كاهش وزن اين است كه به‌جاي استفاده از ورق ضخيم در كل قطعه، در جايي كه نياز به استقامت بيشتر دارد از مواد ضخيم و در جايي كه استقامت زياد مورد نياز نيست، از مواد با ضخامت كمتر استفاده مي‌شود.
از ديگر امتيازهاي استفاده از صفحات چند پارچه جوشكاري شده، مي‌توان به كاهش صداي خودرو، كاهش دور ريز مواد و كاهش هزينه استمپينگ، اشاره كرد. كاهش صدا در اثر جوشكاري قطعات و ساختن آنها به شكل قطعه‌اي صلب به جاي استفاده از پيچ و پرچ يا نقطه جوش، حاصل مي‌شود. بر اثر استفاده از مواد نازك‌تر در برخي نواحي و عدم استفاده از ورق در قسمت‌هايي كه سوراخ‌ها و شكاف‌هاي بزرگ‌ دارند، دور ريز مواد كاهش مي‌يابد. هزينه استمپينگ به اين دليل كاهش مي‌يابد كه براي يك قطعه مشخص به تعداد كمتري استمپ، قالب و عمليات شكل‌دهي نياز خواهيم داشت.


شكل 1 : قطعات قابل ساخت با استفاده از صفحات چند پارچه جوشكاري شده
كاهش تعداد قطعات، بهبود تلرانس‌هاي ابعادي، افزايش استحكام قطعات، كاهش هزينه‌هاي ساخت، مقاومت دربرابرخوردگي و كاهش لرزش خودرو از ديگر مزاياي اين روش هستند.
از جمله روش‌هاي جوش دادن قطعات چند پاره، مي‌توان به جوشكاري ليزري اشاره كرد كه هم‌اكنون بيش‌ترين كاربرد را دارد. جوشكاري ليزري سريع و دقيق بوده و قابليت جوش دادن مواد متفاوت به هم را دارد و به‌طور گسترده‌اي نيز مورد استفاده قرار مي‌گيرد، اما براي اينكه جوش به شكل مناسب انجام شود، بايد لبه صفحات با تلرانس‌هاي دقيق (در حد 0.08 ميلي‌متر) برش خورده باشند. براي رسيدن به اين تلرانس‌ها، بايد از دستگاه‌هاي برش ويژه استفاده كرد. مشكل دوم جوشكاري ليزري اين است كه سختي منطقه جوشكاري بيشتر شده و در زمان فرم‌دهي ورق امكان شكست ترد وجود دارد. گذشته از موارد فوق، امكان جوشكاري آلومينيم، ورق‌هاي ساندويچي و برخي مواد ديگر با روش جوشكاري ليزري وجود ندارد. دستگاه‌هاي لازم براي اين روش نيز بسيار گران‌قيمت بوده و فقط براي تيراژ‌هاي بسيار بالا مناسبند.


جوشكاري اصطكاكي تلاطمي


جوشكاري اصطكاكي تلاطمي (FSW) فرايند‏ي براي اتصال قطعات است كه در آن، يك قطعه چرخان با فشار و سرعت چرخشي زياد در درز يا محل همپوشاني دو قطعه حركت مي‌كند. لبه ‌قطعات بر اثر حرارت حاصل از اصطكاك ذوب شده و ابزار درحال چرخش، مواد مذاب را به هم زده و جلو مي‌رود. در شكل 2، نمايي از اين فرايند‏ را مي‌بينيد. همان‌گونه كه در شكل ديده مي‌شود، ابزار در محل درز دو قطعه قرار داده شده و ضمن چرخش به جلو حركت مي‌كند. در يك سمت سرعت خطي حاصل از چرخش ابزار با سرعت پيشروي ابزار جمع مي‌شود كه اين سمت را سمت پيشرو جوش مي‌نامند. در سمت ديگر سرعت خطي حاصل از چرخش ابزار از سرعت پيشروي ابزار كاسته مي‌شود كه اين سمت را سمت بازگشتي جوش مي‌نامند.

شكل 2 : نمايي از فرايند‏ جوشكاري اصطكاكي تلاطمي

در شكل 3 نمايي شماتيك از ابزار و در شكل 4 يك قطعه ابزارگير را مي‌بينيد. شكل شانه (پايه) ابزار مي‌تواند با آنچه در شكل 3 ديده مي‌شود متفاوت باشد، اما طرح كلي عموماً به همين صورت است.

شكل 3 :شكل شماتيك ابزار FSW


از روش جوشكاري FSW ابتدا براي جوش دادن موادي مانند آلومينيم كه دماي ذوب كم‌تري دارند، استفاده شد. مواد داراي دماي ذوب پايين را مي‌توان با استفاده از ابزارهايي از جنس فولاد مانند H13 جوش داد. با پيشرفت تحقيقات كم‌كم جوش دادن فولاد، فولاد ضد زنگ و تيتانيم نيز ميسر شد. اين مواد كه دماي ذوب بالاتري دارند، به هنگام جوشكاري، حرارت و فشار بيشتري ايجاد كرده و ابزارهاي جوشكاري آنها بايد از مواد متفاوتي ساخته شود كه تحقق اين امر تا در دسترس قرار گرفتن ماده PCBN طول كشيد.


شكل 4 : ابزار و ابزارگير

كيفيت جوشكاري در جوشكاري تلاطمي اصطكاكي بسيار خوب بوده و نسبت به روش‌هاي رايج نقايص كم‌تري دارد. از آن‌جا كه دماي محيط در اين روش پايين‌تر از نقطه ذوب فلز است، الزامات حفاظتي كم‌تري نيز مورد نياز است. به عنوان مثال، استفاده از محافظ ضد تشعشع كاملاً منتفي است.
جوشكاري تلاطمي اصطكاكي نسبت به كيفيت برش لبه‌ها حساسيت زيادي ندارد، چرا كه موادي كه تحت عمل جوش قرار گرفته‌اند توسط ابزار به‌هم زده مي‌شوند و بنابراين درزهاي كوچك به خودي‌خود بسته مي‌شوند، كه اين در بسياري از كاربردها يك مزيت عمده تلقي مي‌شود.



شكل 5 : نمايي واقعي از فرايند‏ جوشكاري FSW
معايب جوشكاري اصطكاكي تلاطمي


اين روش نيز همانند روش‌هاي ديگر، معايبي در كنار مزاياي خود دارد. درحال حاضر سرعت حركت ابزار، بسيار كم‌تر از جوشكاري ليزري است. در آلومينيم كه فلزي نرم بوده و تحقيقات زيادي روي آن انجام شده است، سرعت جوشكاري حداكثر به 108 سانتي‌متر بر دقيقه مي‌رسد. سرعت جوشكاري در فولاد پايين‌تر از آلومينيم است.


براي نگهداشتن قطعات نيز به نيروي زيادي نياز داريم زيرا در حين فرايند‏ جوشكاري، گشتاور زيادي بر قطعات اعمال مي‌شود.
با پيشرفت تكنولوژي اين معايب كم‌رنگ يا حذف خواهند شد. علاوه بر آن، قيمت يك دستگاه جوشكاري اصطكاكي تلاطمي كسري از قيمت يك دستگاه جوشكاري ليزري است و به اين ترتيب سرعت جوش بر واحد هزينه مي‌تواند حتي بيش‌تر از جوشكاري ليزري باشد.