جوشکاری اصطکاکی چیست ؟ انواع آن به همراه کاربرد هرکدام

جوش اصطکاکی یکی از روش ‌های موثر جوشکاری غیر ذوبی است که در آن، اتصال قطعات از طریق اصطکاک و فشار حرارتی به دست می ‌آید. در این فرآیند، بدون ذوب فلز، با تولید حرارت و فشار، اتصال بین قطعات ایجاد می ‌شود. جوش اصطکاکی، به ویژه وقتی که دما و فشار به میزان مناسب تنظیم شود، به خوبی اتصال‌ های محکم و پایداری را بین قطعات ایجاد می ‌کند. اگرچه در برخی موارد ممکن است به دلیل شرایط خاص، ذوب فلزی رخ دهد، اما به دلیل توزیع مواد و فشار های متناسب، این ذوب به صورت ناگهانی و در نقاط محدودی اتفاق می ‌افتد.

در دنیای جوشکاری، جوش اصطکاکی به دو دسته اصلی، جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و دورانی تقسیم می ‌شود. هر یک از این روش ‌ها به دلیل کاربرد های منحصر به فرد خود، نیاز به تجهیزات و تکنیک‌ های خاصی دارند. برای داشتن نتایج مطلوب و ایمن در جوش اصطکاکی، تخصص، آموزش مناسب، و استفاده از تجهیزات با کیفیت بالا ضروری است.

این نوع جوشکاری به دلیل اینکه کاردبردهای زیاد و متفاوتی دارند، نیازمند تسلط و ابزارهای مناسبی هستند. در حقیقت نیاز به تخصص و ابزار مناسب را می‌توان در زمینه‌های مختلف جوشکاری مشاهده کرد. در ادامه این مطلب انواع جوشکاری اصطکاکی، کاربرد ها، ویژگی ها و معایب آن را مورد بررسی و تحلیل قرار می دهیم.

تاریخچه جوشکاری اصطکاکی

جوشکاری اصطکاکی اولین بار در قرن پانزدهم توسط بوینگتون J.H.Bevington ابداع شد. وی یک ماشینکار بود که از این روش اولین بار برای ترمیم لوله های فلزی استفاده کرد. این روش از جوشکاری در قرن بیستم توسط افراد مختلفی توسعه و گسترش یافت و مدل های مختلفی به آن افزوده شد. در اواسط قرن بیستم محققان امریکایی این نوع از جوشکاری را با ابداع روش اینرسی توسعه دادند. در حال حاضر جوشکاری اصطحکاکی مدل های مختلفی دارد و هر کدام از آنها در صنایع مختلف کاربرد های متنوعی دارند.

انواع جوشکاری اصطکاکی

جوشکاری اصطکاکی انواع مختلفی دارد که در هر کدام از آنها عملیات و فرایند اتصال و جوش متفاوت است. با توجه به اینکه در جوش اصطکاکی اتصال از طریق گرما و فشار ایجاد می شود در هر کدام از انواع جوشکاری های اصطحکاکی، نوع اتصال متفاوت است و میزان فشار نیز فرق دارد. در ادامه انواع جوشکاری با اصطکاک را بطور جامع بیان می کنیم و به کاربرد هر کدام از آنها نیز اشاره می کنیم.

• اغتشاشی
• چرخشی یا دوروانی
• خطی
• اختلاطی
• اغتشاشی نقطه ای
• ارتعاشی

کاربرد جوشکاری اصطکاکی

کشتی سازی:

برای ساخت بدنه های کشتی از پنل های آلومینیومی، جوشکاری با اصطکاک اغتشاشی کاربرد گسترده ای دارد که پیش از این روش نیز برای ساخت قایق ها  استفاده می شده است.

---

بیشتر بخوانید : جوشکاری آلومینیوم چیست ؟

---

هوافضا:

در این روش برای ساخت مخازن، جهت ذخیره کردن اکسیژن استفاده می شود. علاوه بر این در اتصال دادن بدنه هواپیما نیز مورد استفاده قرار می گیرد، به این دلیل که این روش جوشکاری از پرچ کردن سبک تر است.

خودرو سازی:

آلومینیوم از مواد اصلی در ساخت قطعات خودرو است. از روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای ساخت شاسی خودرو استفاده می شود.

صنایع الکترونیک:

برای انتقال جریان های برق در مدار های الکتریکی از این روش جوشکاری استفاده می شود و فلزاتی که در این روش به یکدیگر جوش داده می شوند آلومینیوم و مس هستند.

از دیگر مواردی که جوشکاری اصطحکاکی در آنها کاربرد دارد می توان به صنایع شیمیایی، اتصال های خط لوله، تهویه هوا، مبدل های حرارتی و … اشاره کرد.

آشنایی با جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW)

 

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (Friction Stir Welding) یکی از روش های جوشکاری جامد است که در سال ۱۹۹۱ توسط موسسه جوشکاری انگلیس و با همکاری دانشگاه کمبریج ابداع شد. در این روش از جوشکاری می توان بین فلزات غیر مشابه فرایند اتصال را انجام داد.

مدل‌های جوشکاری را به دو دسته ذوبی و غیر ذوبی (حالت جامد) تقسیم بندی می‌کنند که «جوشکاری اصطحکاکی اغتشاشی» زیر مجموعه انواع جوشکاری حالت جامد یا غیر ذوبی است.

---

بیشتر بدانید : جوشکاری ذوبی چیست ؟

---

در جوشکاری های حالت جامد یا غیر ذوبی، بدون ایجاد مذاب، اتصال بین قطعات صورت می پذیرد. به طور کلی در جوشکاری های اصطحکاکی اغتشاشی، حرارت مورد نیاز برای ایجاد جوش، از طریق انرژی مکانیکی تامین شده و دو قطعه به یکدیگر متصل می‌شوند.

نکته مهم اینکه از جوش اصطکاکی اغتشاشی یا FSW برای اتصال آلیاژهای آلومینیم، مس، تیتانیم، فولادهای زنگ نزن، و آلیاژهای منیزیم استفاده می‌شود. پلیمرها نیز توسط این روش، جوشکاری می‌شوند. همچنین نکته دیگر اینکه در هنگام استفاده از ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، احتمال جدایی دو لبه قطعه کار از یکدیگر وجود دارد، به همین دلیل باید با تعبیه و اعمال نیرو به قطعات، از این امر جلوگیری شود.

جوش اصطکاکی اغتشاشی یک فناوری سبز و دوستدار محیط زیست است. این روش، آلودگی حاصل از ذوب و لایه محافظ با گاز را ایجاد نمی کند.

انواع اتصال فلزات غیر مشابه در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW)

یکی از اتصالات مهم در جوشکاری اغتشاشی اتصال فلز آلومینیوم و یا ترکیب اتصالی آلومینیوم با دیگر فلزات است. که اصطلاحاً اتصال فلزات غیر مشابه گفته می شود.

• آلومینیوم به مس: از این اتصال بیشتر در صنایع الکترونیکی استفاده می شود. عمده کاربرد آن در ساخت سیستم خنک کننده راکتور است.
• آلومینیوم به تیتانیوم: از این شیوه اتصال در صنایع هوایی برای کاهش وزن استفاده می شود. استحکام بالای این دو فلز در کاهش وزن سازه بسیار تاثیر گذار است.
• آلومینیوم به فولاد: ترکیب آلومنیوم با فولاد در تولید سازه های مکانیکی و ساخت سیستم های حمل و نقل استفاده می شود.

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیر یکسان

یکی از روشهای جوشکاری جامد است که در دهه نود میلادی اختراع شد. این مدل جوشکاری برای اتصال فلزات پایه همچون آلومینیوم، مس، فولاد و … استفاده می شود. در این شاخه از جوشکاری هیچ گونه ذوبی رخ نمی دهد بلکه بر اثر گرمایی که توسط یک ابزار چرخشی غیر قابل مصرف تولید می شود، مواد نرم شده و با روش های چرخشی و خطی اتصال به وجود می آید.

اصول جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیر یکسان

در این روش برای اتصال از مکانیزم ساده ای استفاده میشود اینگونه که، با چرخش فلز اتصال دهنده، بر اثر اصطکاک، گرما تولید می شود و باعث نرم شدن مواد می شود و در نتیجه پیوند بین فلزات برقرار می شود. از جمله این اصول به موارد زیر باید اشاره کرد:

• هندسه ابزار: ابزار از عوامل مهم برای رسیدن به یک اتصال است. در این روش ابزار به دو بخش شانه و پین تقسیم می شوند. از شانه برای تولید گرما و اصطکاک و از پین برای سفت کردن مود نرم شده استفاده می شود. شانه و پین در شکل های مختلفی وجود دارند که از مرسوم ترین آنها می توان به : استوانه ای، مثلثی، مستطیل، و رشته ای اشاره کرد.
• پارامتر های جوشکاری: برای تکمیل فرایند در جوشکاری اغتشاشی غیر یکسان نیاز داریم تا مواردی را برای اتصال مکانیکی در نظر بگیریم. از جمله این پارامتر ها و موارد مهم می توان به: سرعت چرخش ابزار، سرعت حرکت خطی ابزار، زاویه شیب ابزار، فاصله ابزار تا سطح و هندسه ابزار اشاره کرد که همگی از پارامتر های جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی غیر یکسان هستند.
• میزان تولید گرما: در این بخش، از شانه برای ایجاد گرما و اصطکاک استفاده می شود. به طور عمده میان سطح شانه و فلزات پایه این گرما به وجود می آید. پس از ایجاد گرما برای اتصال با چرخش توسط پین فرایند جوشکاری به وجود می آید و اتصال بر قرار می شود.
• حرکت جریان مواد: حرکت جریان مواد در این مدل به عوامل مختلفی همچون، نحوه فرایند جوش، هندسه ابزار و موارد پایه بستگی دارد.

مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

از آنجایی که در این روش جوشکاری برای ایجاد اتصال، ذوب اتفاق نمی‌افتد، عیوب جوشکاری مربوط به ذوب نیز در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یا جامد وجود نخواهند داشت. نکته بسیار مهم اینکه در این روش جوشکاری، سرعت انجام کار بسیار بالا است. جوشکاری اصطحکاکی اغتشاشی، در مقایسه با سایر روش‌های جوشکاری، مانند جوش اصطکاکی چرخشی یا دورانی، مصرف انرژی پایین‌تری دارد.

در فرآیند جوشکاری اصطحکاکی اغتشاشی نیازی به استفاده از فلزهای پرکننده و مواد مصرفی دیگر مانند الکترود و سیم جوش نیست. همین هزینه می‌تواند هزینه های فرد تعمیرکار را کاهش دهد. هزینه‌ای که با توجه به افزایش قیمت ابزار زیاد خواهد بود.

همچنین اتصالات ایجاد شده توسط جوش اصطکاکی اغتشاشی، کیفیت، استحکام و مقاوت بسیار بالایی دارند.

پس از انجام عملیات جوشکاری، نیازی به تمیزکاری قطعات استفاده شده نخواهد بود. در ادامه این مطلب به معرفی جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا جوشکاری اصطحکاکی دورانی خواهیم پرداخت.

در ادامه به برخی از ویژگی های جوش اصطکاکی اغتشاشی اشاره می کنیم:

1. جوش بدون درز
2. قابلیت جوش فلزات غیر مشابه
3. پروسه جوشکاری اتوماتیک
4. مناسب با محیط زیست و عدم آلودگی محیط

بیشتر بخوانید: بهترین الکترود برای جوشکاری  

معایب و محدودیت در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

جوشکاری در این روش نیز مانند روش های دیگر دارای معایبی می باشد و به طور کلی معایب جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مربوط به کارکرد آن است. برای مثال در روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی آلومنیوم نمی توان دمای بالایی را به وجود آورد و یا اینکه سایش بیش از حد بین قطعات ایجاد کرد. از جوشکاری در این روش نمی توان برای اتصال دادن فولاد های ضخیم استفاده کرد و تنها کاربرد آن برای فلزات در ضخامت پایین است.

دیگر معایبی که می توان برای این نوع جوشکاری در نظر گرفت موارد زیر است:

• ایجاد حفره در سطح
• هزینه نصب نسبتا بالا
• انعطاف کمتر در مقایسه با جوشکاری قوسی
• سرعت کمتر در مقایسه با دیگر روش ها

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی نقطه ای

از دیگر روش های جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی می توان به اغتشاشی نقطه ای اشاره کرد. در این حالت مانند تمام روش ها و مدل های جوشکاری اصطکاکی نیاز به مواد مصرفی و ماده ذوب نیست، بلکه بر اثر گرما و فشار ،اتصال دو ورق انجام می شود. در این حالت، جوشکاری به شرایطی مانند سرعت دورانی ابزار و هندسه ابزار بستگی دارد.

کاربرد جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی نقطه ای

با توجه به اینکه جوشکاری نقطه ای یکی از حالت های جوشکاری اغتشاشی نقطه است، از این جوشکاری در صنایع هوافضا و خوردو سازی استفاده می شود.

معرفی جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا دورانی (RFW)

جوشکاری اصطکاکی چرخشی (Rotary Friction Welding) از دیگر روش های جوشکاری است که در آن سرعت چرخش بالا و اصطکاک، باعث به وجود آمدن گرما جهت نرم شدن می شود و طی فرایندی قطعات به هم اتصال داده می شوند و پس از ایجاد گرمای بالا و اتصال، نیروی مولد را حذف کرده و اجازه می دهیم تا عملیات جوشکاری سرد شود.

در روش جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا دورانی که به آن جوشکاری اینرشیال نیز گفته می‌شود، یکی از قطعه ها ثابت می‌ ماند و دیگری به صورت دورانی حرکت می‌کند. ابتدا موتور قطعه دورانی، شروع به چرخ دادن قطعه از سرعت صفر می‌کند، هنگامی که سرعت چرخش به میزان مشخصی می‌رسد، قطعه‌ای‌ که انرژی حاصل از دوران را در خود ذخیره کرده، با فشار همزمان دو طرفه به قطعه دیگر متصل می‌شود. اکنون سرعت چرخش قطعه به تدریج کاهش پیدا کرده و توقف به طور کامل انجام می‌شود. 

کاربرد جوش اصطکاکی چرخشی یا دورانی

با توجه به اینکه جوشکاری اصطکاکی در انواع صنایع کاربرد دارد و از انواع روش های آن در ساخت و تولید استفاده می شود از جوشکاری دورانی در ساخت سوپاپ موتور و محور فرمان استفاده می شود.

از این روش برای جوشکاری مواد ترموپلاستیک نیز استفاده می شود. جوشکاری اینرسی و درایو مستقیم از روش های جوشکاری اصطکاکی چرخشی هستند.

بیشتر بخوانید: جوشکاری co2 چیست  

جوشکاری اصطکاکی اینرسی (Inertia Friction Welding)

جوشکاری اصطکاکی اینرسی یکی از حالت های جوشکاری اصطکاکی چرخشی است که در این حالت انرژی جنبشی که در چرخ لنگر ذخیره شده است با کم شدن سرعت به حرارت تبدیل می شود و در سطح جوش پراکنده می شود. پس از آنکه سرعت چرخش به مقدار مناسب رسید موتور برداشته می شود و نیرو به قطعات ثابت وارد می شود تا جوش ایجاد شود.

جوشکاری اصطکاکی خطی (LFW ,Linear Friction Welding)

این روش از جوشکاری مانند جوشکاری دورانی است با این تفاوت که به جای دوران، نوسان خطی فرایند اتصال را ایجاد می کند.در روش جوشکاری اصطکاکی خطی قطعه متحرک می تواند نسبت به قطعه ای که ثابت است به صورت امواج سیونسی و خطی حرکت کرده، تا زمانی که جوش به وجود بیاید و اتصال برقرار شود. در این روش چرخش خیلی کم است و همین مسئله باعث این می شود تا قطعات همیشه تحت فشار بالا قرار گیرند. در این روش به ماشین آلات پیچیده ای نیاز داریم.

کاربرد جوشکاری اصطکاکی خطی

از مهم ترین کاربرد های جوشکاری اصطکاکی خطی می توان به صنایع هوافضا اشاره کرد. در صنعت هوافضا برای ساخت توربین موتور از جوشکاری خطی استفاده می شود. علاوه بر این گاهی مواقع در تولید برخی از قطعات خودرو نیز از جوشکاری خطی می توان استفاده کرد.

جوشکاری هم زن اصطکاکی

این روش جوشکاری در حالت جامد است. در این گونه از جوشکاری از یک ابزار غیر مصرفی برای ایجاد اتصال نیان دو نقطه کنار هم بدون فرایند ذوب استفاده می شود. بعد از دوران و ایجاد گرمای بالا توسط اصطکاک، فلز نرم و داغ شده و توسط فشار مکانیکی ایجاد یک اتصال بر قرار می شود. در این روش جوش ایجاد شده کیفیت بالایی دارد. به این دلیل که زمانی که فلز شکل خمیری به خود می گیرد هیچ گونه ناخالصی گازی یا اکسیدی ایجاد نمی شود و در نتیجه استحکام، شکل پذیری، چقرمگی و … از کیفیت بالایی برخوردار می شوند.

از این جوشکاری در ساخت بدنه هواپیما استفاده می شود. از آنجایی که این جوشکاری پیچیده است متغیر های مهمی در اتصال تاثیر گذار هستند از مهم ترین متغیر های جوشکاری اصطکاکی هم زنی می توان به موارد زیر اشاره کرد.

• سرعت دورانی ابزار
• سرعت پیشروی ابزار
• فشار عمودی
• ضخامت قطعه کار
• ابعاد ابزار
• زاویه ابزار

جوشکاری اصطکاکی اختلاطی دوار

روش حالت جامد است. هیچگونه مواد پر کننده در این جوشکاری وجود ندارد. از این جوشکاری می توان برای اتصال فلزات مشابه، غیر مشابه و حتی غیر همجنس استفاده می شود. این روش از جوشکاری کیفیت بسیار خوبی دارد و تخلخل آن کم است. جوشکاری در این روش به وسیله چرخش و حرکت و چرخش میکسر دستگاه جوش به وجود می آید.

کاربرد های جوشکاری اصطکاکی اختلاطی دوار

از جوشکاری اختلاطی دوار در صنایع مختلفی همچون: هوافضا، صنایع دفاع، خودرو سازی، کشتی سازی، خطوط انتقال انرژی استفاده میشود.

جوشکاری اصطکاکی ارتعاشی

اساس اتصال در این جوشکاری به این شکل است که تولید گرما و ذوب در قسمت برخورد قطعه بر اثر اصطکاک شکل می گیرد. این روش جوشکاری مناسب برای پلاستیک است. این جوشکاری در مدا زمان کمی انجام می شود. جوشکاری اصطکاکی ارتعاشی به دو دسته خطی و محوری تقسیم می شود. در جوشکاری خطی حرکت خطی رفت و برگشتی موجب فرایند اتصال می شود و در حالت محوری قطعه در جهت های مختلف حرکت چرخشی دارد.

جوشکاری اصطکاکی روی کدام فلزات انجام می شود:

• انواع مختلف فولاد
• آلیاژهای مختلف آلومنیوم
• آلیاژ های مختلف تیتانیوم
• آلیاژ های مختلف مس

آشنایی با انواع دیگری از جوشکاری اصطکاکی

در روش جوشکاری اصطکاکی ارتعاشی، پس از اینکه به قطعات فشار وارد می‌شود، قطعه ها در مجاورت هم ارتعاش داده می‌شوند. حرارتی که از طریق اصطکاک بین دو قطعه ایجاد شده، باعث می‌شود محل اتصال قطعه‌ها حالت خمیری پیدا کند. سپس با اعمال فشار در زمان مناسب قطعات به یکدیگر متصل می‌شوند.

همچنین در روش دیگری چون جوش اصطکاکی مداری، برای قطعه‌ها این امکان را ایجاد می‌کند که حول یک مدار کوچک می‌چرخند و به حرارت مورد نیاز برای اتصال برسند و سپس با استفاده از فشار، آن‌ها را به یکدیگر متصل می‌کند.

جوشکاری خطی چیست؟

جوشکاری خطی یا به عبارت دیگر “جوشکاری اصطکاکی خطی” با جوشکاری چرخشی ارتباط دارد، ولی در مکانیزم عملکرد آن تفاوت ‌هایی وجود دارد. سرعت‌ های استفاده شده در این نوع جوشکاری نسبت به جوشکاری دوار کمتر است، که باعث می ‌شود قطعات مداوم تحت فشار قرار بگیرند. بنابراین، قطعاتی که برای این روش مناسب هستند، باید دارای مقاومت برشی مناسبی باشند.

با این حال، جوش خطی به تجهیزات پیچیده‌ تر نیاز دارد، اما از آنجا که می ‌توان با هر شکل و سطح مقطعی از قطعات کار کرد، در بسیاری از مواقع نتایج بهتری نسبت به روش ‌های دورانی به دست می ‌آید.

محدودیت های جوشکاری اصطکاکی

در اغلب حالات جوشکاری از قبیل جوشکاری اصطکاکی چرخشی یا دورانی و جوش اصطکاکی اغتشاشی قطعات باید محور تقارن داشته باشند. همچنین تنظیم قطعات و در یک خط کردن آن‌ها (چنانچه قطر قطعه بیشتر از ۵ سانتیمتر باشد) مشکل است.

موادی که در حالت خشک به راحتی روی هم می‌لغزند و اصطلاحا فورج پذیر نیستند، برای این روش از جوشکاری مناسب نیستند. در واقع مقاومت به سایش در مواد مورد استفاده، نباید بالا باشد. همچنین اگر طول قطعه بیش از یک متر باشد، نیاز به تمهیداتی برای جلوگیری از تاب برداشتن قطعه است.

کلام آروا:

در نظر داشته باشید که انواع جوشکاری نیازمند ابزار و وسایل ایمنی و تخصصی مورد نیاز هستند. برای تهیه و خرید به صرفه ابزاری چون لوازم جوشکاری، می‌توانید با مشاوران ما در شرکت آروا در تماس باشید. همچنین می توانید سوالات خود را در زمینه جوش اصطکاکی، در قسمت نظرات در “زیر” مطرح کنید.