جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (به انگلیسی Friction stir welding) که به اختصار FSW گفته می‌شود فرآیند اتصال جامدی است که از سال 1991 به رسمیت شناخته شده و محبوبیت زیادی پیدا کرده است. این روش یک تکنیک انقلابی برای ایجاد جوش‌های با کیفیت و بدون نقص در طیف گسترده‌ای از مواد از جمله آلومینیوم، فولاد، مس، تیتانیوم و آلیاژهای آنها می‌باشد. فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مزایای زیادی نسبت به روش‌های جوشکاری ذوبی داشته و کاربردهای گسترده‌ای در صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی، کشتی‌سازی و ساخت‌وساز پیدا کرده است که آن را به یک انقلاب در دنیای جوشکاری تبدیل کرده است. البته به این موضوع هم باید بپردازیم که جوشکاری اصطکاکی و جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی دو روش متفاوت بوده و نباید با هم اشتباه گرفته شوند. در ادامه با صباپروفیل همراه باشید تا علاوه بر بررسی تفاوت‌های این دو روش، صفر تا صد این نوع از جوشکاری را با هم بررسی کنیم.
فهرست مطالب
تاریخچه جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یک فرآیند جوش جامد است که در سال 1991 توسط وین توماس در موسسه جوشکاری TWI، در کمبریج انگلستان ارائه شد. این روش یک پیشرفت انقلابی و نسبتاً جدید در زمینه جوشکاری بود. پس از ارائه این نوع از جوشکاری، آن را در صنایع مختلف به رسمیت شناخته و مورد استفاده قرار دادند.
اگر بخواهیم به دلایل به وجود آمدن جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بپردازیم باید به روزی اشاره کنیم که نیاز به روشی کارآمدتر و موثرتر برای اتصال آلومینیومها مخصوصاً برای صنایع هوافضا حس شد. چرا که تکنیک‌های جوشکاری سنتی از قبیل جوشکاری ذوبی، سطوح بالایی از اعوجاج، تنش پسماند و کاهش خواص مکانیکی را در جوش‌های آلومینیومی ایجاد می‌کردند. علاوه بر این، استفاده از تکنیک‌های معمولی جوشکاری ذوبی برای آلومینیوم به دلیل رسانایی حرارتی بالای فلز چالش‌برانگیز بود.
تولد جوشکاری اصطکاکی
همین امر باعث شد تا در اواخر دهه 1980 میلادی، وین توماس و تیمش در TWI شروع به بررسی تکنیک‌های جوشکاری جایگزین کنند. آنها بر مفهومی به نام “جوشکاری اصطکاکی” تمرکز کردند که شامل تولید گرما از طریق اصطکاک مکانیکی بین دو ماده و اعمال فشار برای ایجاد یک پیوند حالت جامد بود. درواقع اگر بخواهیم به طور خلاصه به آموزش جوشکاری اصطکاکی بپردازیم باید بگوییم که در این روش دو قطعه را روی هم با فشار بسیار بالایی حرکت می‌دهند تا اصطکاک ناشی از آن، گرمایی نزدیک به نقطه ذوب ایجاد کند. این موضوع باعث می‌شود تا قطعات پس از سرد شدن به هم بچسبند.
این موضوع که بدون نیاز به مواد پر کننده جوش حاصل می‌شد از مزایای جوشکاری اصطکاکی بود. اما با تمام این‌ها، این روش برای اتصال آلومینیومها مناسب نبود. دلایل زیادی برای این موضوع وجود داشت که از میان آنها می‌توانیم به اکسیداسیون سریع آلومینیوم در اثر مجاورت با هوا و تغییر شکل آن به دلیل فشار بالا اشاره کرد. همین امر هم باعث شد تا جوشکاری اصطکاکی آلومینیوم مردود شده و نیاز به روش دیگری حس شود. البته این اتفاق به پایان تاریخچه جوشکاری اصطکاکی منجر نشد و این روش همچنان در برخی صنایع کاربرد دارد. از نمونه‌های کاربرد جوشکاری اصطکاکی در صنعت می‌توان به استفاده از آن در صنعت خودروسازی اشاره کرد. بنابراین کتاب تاریخ جوشکاری اصطکاکی همچنان باز بوده و نقش خودش را در صنایع مختلف ایفا می‌کند.
تولد جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
ناکارآمد بودن جوشکاری اصطکاکی در برخی موارد باعث شد تا 11 سال بعد و در سال 1991 میلادی، وین توماس پیشنهاد استفاده از یک ابزار چرخان طراحی شده را در نقطه اشتراک دو قطعه مطرح کند. این رویکرد نوآورانه نیاز به ذوب مواد را از بین برد و آن را به یک تکنیک اتصال حالت جامد تبدیل کرد. این ابزار دوار، از یک پین استوانه‌ای همراه با یک شانه با قطر بزرگ تشکیل شده است که باعث ایجاد گرمای اصطکاکی می‌شود. این گرما باعث شده تا مواد خاصیت پلاستیکی پیدا کرده و جوش و اتصال آنها را بدون ذوب شدن تسهیل کند.
توماس و تیمش با اجرای موفقیت آمیز جوشکاری صفحات آلومینیومی با روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، امکان سنجی این روش را مثبت نشان دادند. پس از آن وین توماس شروع به ترویج این تکنیک در صنایع مختلف کرد. همین امر باعث شد تا جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در ابتدا وارد بخش هوافضا شود، جایی که نیاز به ساخت سازه‌های سبک وزن و مستحکم بسیار بالا بود. با گذشت زمان، استفاده از این روش در سایر صنایع مانند خودروسازی، کشتی‌سازی، راه آهن و ساخت و ساز گسترش یافت.
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی چیست؟
اگر بخواهیم به تعریف جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی بپردازیم باید با اصول و فرآیندهای آن آشنا شویم. روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی این‌گونه است که بدون استفاده از حرارت و الکتریسیته انجام شده و عامل اصلی آن فشار و اصطکاک است. البته این فشار و اصطکاک با استفاده از ابزاری ایجاد می‌شود که اتصالی بی‌نقص و عالی را ایجاد می‌کند. تفاوت اصلی این نوع از جوش با جوشکاری اصطکاکی استفاده از ابزار مخصوصی است که در عین ترکیب مواد دو قطعه، از به هم خوردن شکل آنها نیز جلوگیری می‌کند. برای آشنایی بیشتر با این جوش باید به این سوال که فرآیند جوشکاری اصطکاکی چیست پاسخ دهیم. در ادامه به شرح این فرآیندها خواهیم پرداخت:
آماده سازی
در ابتدا قطعاتی که قصد جوش دادن آنها را داریم با تراز مناسب در جای خود محکم می‌کنیم. این تراز برای دستیابی به یک جوش با کیفیت بسیار مهم است.
قرار دادن ابزار
یک ابزار چرخان با طراحی خاص، که معمولاً از یک شانه و یک پین رزوه یا فلوت‌دار تشکیل شده است، در ابتدای اتصال قطعات کار قرار می‌گیرد. در حالی که پین به داخل مفصل نفوذ می‌کند، شانه با سطح قطعه کار تماس گرفته و فشار رو به پایین را اعمال می‌کند.
شروع چرخش و تراورس
حرکت ابزار دوار شروع شده و سرعت تراورس را تعیین می‌کنیم. ابزار در امتداد خط اتصال پیش رفته و به تدریج از ابتدا تا انتهای آن را جوش می‌دهد. سرعت چرخش و سرعت تراورس به دقت کنترل می‌شود تا شرایط جوشکاری مورد نظر حاصل شود.
تولید گرمای اصطکاکی
همانطور که ابزار دوار در امتداد محل اتصال حرکت می‌کند، نیروهای اصطکاکی باعث ایجاد گرما بین ابزار و قطعه کار می‌شوند. این گرمایش اصطکاکی دمای مواد را افزایش داده و آن را نرم می‌کند. این نرم شدن امکان تغییر شکل مواد را بدون ذوب شدن فراهم می‌کند.
تغییر شکل پلاستیک
ماده نرم شده با حرکت پین از میان آن، تغییر شکل پلاستیکی را تجربه می‌کند. ترکیب فشار رو به پایین و چرخش، باعث هم زدن و ترکیب شدید مواد می‌شود. این هم زدن باعث همگن شدن مواد شده و تشکیل پیوند حالت جامد را تسهیل می‌کند.
تکمیل جوش
هنگامی که ابزار به انتهای اتصال رسید، به تدریج بیرون کشیده می‌شود. این اتفاق پایان کار با ابزار بوده و پس از آن وارد فاز بعدی می‌شویم.
خنک‌سازی و انجماد
پس از خارج شدن کامل ابزار، به جوش تحت فشار اجازه‌ی خنک شدن داده می‌شود. این اتفاق باعث انجماد و تشکیل یک پیوند متالورژیکی قوی بین قطعات کار می‌شود. فرآیند خنک‌سازی می‌تواند با استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده خارجی هم انجام شود.
فرآیند FSW کنترل دقیقی بر گرمای ورودی و تغییر شکل پلاستیک ارائه می‌دهد که منجر به جوش‌های بدون نقص و با استحکام بالا می‌شود. عدم وجود فاز مذاب مسائلی مانند ترک خوردگی انجماد و تخلخل را از بین برده و FSW را برای اتصال مواد حساس به حرارت و سبک وزن مناسب می‌کند.
کاربردهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
کاربرد جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در برخی از اساسی‌ترین صنعت‌ها است. دلیل این موضوع به مزایای منحصر به فرد آن برمی‌گردد. باهم چند نمونه از این کاربردها را بررسی می‌کنیم:
هوافضا: این نوع از جوش در صنعت هوافضا برای اتصال آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم برای اجزای ساختاری هواپیما استفاده می‌شود. این روش در مقایسه با روش‌های جوشکاری سنتی، استحکام، دوام و کاهش وزن بالایی را فراهم می‌کند.
خودرو: FSW در صنعت خودروسازی برای اتصال مواد سبک وزن مانند آلومینیوم و آلیاژهای منیزیم برای اجزای ساختاری، پنل‌های بدنه و شاسی استفاده می‌شود.
کشتی سازی: این جوش در صنعت کشتی سازی برای اتصال صفحات بزرگ و ضخیم آلومینیوم و فولاد در بدنه، عرشه و دیوارهای کشتی استفاده می‌شود. این نوع از جوشکاری جوش‌هایی با کیفیت بالا که اعوجاج کمی را دارا می‌باشند فراهم می‌کند.
راه‌آهن: FSW در صنعت راه‌آهن برای اتصال مواد سبک وزن که در واگن‌های قطار استفاده می‌شوند کاربرد دارد. کاهش وزن و افزایش راندمان سوخت دلیل اصلی استفاده از این نوع جوش است.
صنایع هسته‌ای: جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی در صنعت هسته‌ای برای اتصال مواد غیر مشابه در ظروف زباله‌های هسته‌ای و اجزای راکتور استفاده می‌شود. این جوش‌ها به دلیل کیفیت بالا، تنش پسماند کم و مقاومت در برابر تشعشع به کار گرفته می‌شوند.
الکترونیک: این نوع جوش در صنعت الکترونیک برای اتصال مواد حساس به حرارت مانند سیم‌های مسی و آلومینیومی استفاده می‌شود و اتصالات الکتریکی قوی و قابل اعتماد ایجاد می‌کند.
مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) چندین مزیت را نسبت به روش‌های جوشکاری ذوبی سنتی ارائه می‌دهد که آن را به انتخابی ارجح برای بسیاری از کاربردهای صنعتی تبدیل می‌کند. برخی از مزایای کلیدی FSW عبارتند از:
1. جوشکاری حالت جامد
جوشکاری حالت جامد بودن به این معنی است که شامل ذوب قطعات کار نمی‌شود. در عوض، از گرمای اصطکاکی برای نرم کردن مواد استفاده می‌کند و امکان اتصال بدون رسیدن به نقطه ذوب را فراهم می‌کند. این امر بسیاری از مسائل مرتبط با جوشکاری ذوبی مانند ترک‌خوردگی انجماد، تخلخل و اعوجاج را از بین می‌برد.
2. بهبود خواص مکانیکی
FSW جوش‌هایی با کیفیت بالا با خواص مکانیکی عالی تولید می‌کند. عدم وجود فرآیند انجماد منجر به ریزساختار ریزدانه و بهبود خواص مواد در اتصال جوش داده شده می‌شود.
3. اتصال مواد غیر مشابه
این نوع جوش امکان اتصال مواد غیر مشابه با نقاط ذوب و خواص حرارتی متفاوت را ایجاد می‌کند. به طور مثال با این جوش امکان جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلیاژ آلومینیوم با فولاد وجود دارد. ماهیت حالت جامد FSW باعث ایجاد پیوندهای متالورژیکی قوی بین مواد غیر مشابه می‌شود.
4. بدون نیاز به مواد پرکننده
برخلاف روش‌های جوشکاری ذوبی سنتی که اغلب به استفاده از مواد پرکننده برای پل زدن اتصال نیاز دارند، FSW نیازی به استفاده از فلزات پرکننده ندارد. ابزار دوار حرارت و فشار کافی برای ایجاد یک اتصال همگن بدون نیاز به مواد اضافی را ایجاد می‌کند و در عین کاهش هزینه‌ها فرآیند جوشکاری را ساده می‌کند.
5. سازگار با محیط زیست
FSW یک فرآیند جوشکاری سازگار با محیط زیست است. نیاز به مواد پرکننده مصرفی را از بین برده و ضایعات و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، FSW حداقل دود، پاشش و سایر محصولات جانبی خطرناک را که معمولاً با جوشکاری ذوبی مرتبط هستند تولید می‌کند و محیط کاری ایمن‌تر و تمیزتری را حاصل می‌شود.
6. کاهش اعوجاج و انقباض
ماهیت حالت جامد FSW اعوجاج و انقباض رایج در جوشکاری ذوبی را به حداقل می‌رساند. از آنجایی که FSW در زیر نقطه ذوب ماده عمل می‌کند، انبساط و انقباض حرارتی کمتری وجود دارد. این موضوع منجر به کاهش اعوجاج و تنش‌های پسماند در اتصال جوش شده می‌شود.
7. اتوماسیون و تکرارپذیری
FSW را می‌توان به راحتی خودکار کرد و این موضوع آن را برای تولیداتی با حجم بالا مناسب می‌کند. سیستم‌های خودکار می‌توانند پارامترهای فرآیند را دقیقاً کنترل کنند و کیفیت جوش و تکرارپذیری ثابت را تضمین کنند. این امر علاوه بر بهبود بهره‌وری، هزینه‌های نیروی کار را کاهش داده و امکان ایجاد الگوهای جوش پیچیده را فراهم می‌کند.
8. جوشکاری مواد حساس به حرارت
FSW به ویژه برای اتصال مواد حساس به حرارت مانند آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای منیزیم مفید است. با عملکرد زیر نقطه ذوب، از اثرات مضر قرار گرفتن در معرض دمای بالا مانند تغییرات متالوژیکی و اعوجاج جلوگیری می‌شود.
9. تطبیق پذیری
FSW یک تکنیک جوشکاری همه کاره است که می‌تواند بر روی مواد مختلف از جمله آلومینیوم، فولاد، مس، تیتانیوم و آلیاژهای آنها اعمال شود. این موضوع باعث می‌شود با تجهیزات جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی کار چندین ابزار را انجام دهید. همچنین همانطور که گفتیم امکان ایجاد جوش بین مواد غیرمشابه مثل جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلومینیوم به مس وجود دارد که این موضوع بسیاری از مشکلات را حل می‌کند.
معایب جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی علیرغم مزایای متعدد، چالش‌ها و محدودی‌هایی نیز دارد. یکی از عیوب جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، نیروهای بالای مورد نیاز برای انجام فرآیند است که کاربرد آن را در مواردی محدود می‌کند. علاوه بر این، برای اتصال موادی که مستعد تخریب حرارتی هستند یا جوش پذیری ضعیفی دارند، مناسب نیست. تجهیزات مورد استفاده در FSW پیچیده و گران هستند و به ماشین آلات و ابزارهای تخصصی نیاز دارند. علاوه بر این، سرعت جوش به طور کلی در مقایسه با تکنیک‌های جوشکاری ذوبی کندتر است. البته این را هم باید در نظر گرفت که سرعت این جوش روز به روز در حال پیشرفت است.
تفاوت‌های جوشکاری اصطکاکی و جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
کلیات این تفاوت‌ها را در جدول زیر مشاهده کنید:
| جوشکاری اصطکاکی | جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی | |
| فرایند جوش چگونه است؟ | اصطکاک بین دو قطعه | اصطکاک بین ابزار و قطعات |
| نوع ابزار مورد استفاده؟ | استوانه‌ای، دیسکی و خطی | ابزاری با طراحی خاص شامل پین و شانه چرخان |
| جنس قطعات جوش‌شونده | در اکثر موارد باید مشابه باشد | مواد مختلف را به هم جوش می‌دهد |
جمع‌بندی
همانطور که گفتیم ابزار در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی به نوعی است که نیاز به جوش ذوبی نداشته و این موضوع باعث ایجاد فواید زیادی می‌شود. با تمام فوایدی که وجود دارد اما این نوع از جوش برای مواد ضعیف‌تر مناسب نبوده و نمی‌تواند هر نوع ماده‌ای را جوش دهد. اما با این حال جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی با کشف تکنیک‌ها و کاربردهای جدید توسط محققان به تکامل خود ادامه می‌دهد. هدف تحقیقات، بهینه سازی پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و طراحی ابزار و تکنیک‌های آن برای افزایش کیفیت و بهره‌وری جوش است. علاوه بر این، پیشرفت‌ها در اتوماسیون و سیستم‌های کنترل روباتیک، FSW را کارآمدتر و برای طیف وسیع‌تری از کاربردهای صنعتی مناسب‌تر می‌کند.