جوشکاری اصطکاکی چرخشی (FSW) یک روش نسبتاً نوین جوشکاری و اتصال قطعات است که در ابتدا توسط موسسه ی جوشکاری کمبریج انگلستان ابداع شد و توسعه یافت. از سال 1993 این روش توسط بسیاری از محققین تدریس شده است. هر چند، این روش را می توان به عبارتی به عنوان ترکیبی از اکستروژن و آهنگری فلزات در دمای بالا تعریف کرد. این فرآیند به عنوان فرآیندی با حالت جامد فرض میشود و نیازی به محافظت گازی و فلز جوش ندارد.
به صورت شماتیک بیانگر پروسه ی جوش اصطکاکی چرخشی است. در این روش جوشکاری از یک ابزار میله ای شکل چرخنده و مصرف نشدنی استفاده میشود که به آرامی در خط پیوند و قطعه فرو میرود. این نفوذ تا جایی ادامه دارد که شانه ی ابزار میله ای در تماس نزدیک با قطعه کار قرار می گیرد. با چرخش و حرکت ابزار میله ای به جلو در طول خط اتصال، مواد موجود در خط اتصال شروع به گرم شدن میکنند که باعث سیلان یافتن ماده حول ابزار چرخنده میشود و با حرکت ابزار به جلو، ماده ی سیلان یافته شروع به محکم مثل میکند.
این منبع حرارتی عمدتاً به دلیل اصطکاک و تغییر شکل محلی ایجاد شده حین نگاه داشتن شانه ی ابزار میله ای در تماس نزدیک با قطعه کار ایجاد شده است. قطعه کارها باید به شکلی ایمن به یک سطح اتکای پشتیبان مقید شده باشند تا از حرکت آنها تا جابجایی شان در سطح اتصال دو قطعه جلوگیری شود. نکته ی قابل توجه درباره ی این روش جوشکاری این است که دمایی که فرآیند در آن رخ میدهد پایین تر از دمای ذوب فلزات قطعه کار است که همین موضوع باعث کاهش ناهنجاری های ناشی از انجماد شده و از واکنش های شیمیایی نا مطلوب جلوگیری میکند. هر چند، این روش مانند دیگر روش های جوشکاری مزیت ها و محدودیت هایی دارد که در این جا به صورت خلاصه و کوتاه به برخی از آنها اشاره خواهد شد.
نمایش شماتیک فرآیند جوش اصطکاکی چرخشی
3-2-شیوه های آزمایشگاهی
موردی را در نظر بگیرید که در آن ابزار میله ای مورد استفاده برای این تحقیق عملی طراحی شده بود به طوری که برای ورق های با ضخامت 0.125 اینچ مناسب باشد و طول این ابزار می تواند برای ضخامت های متفاوت ورق ها به طور دستی تنظیم شود. همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده است، ابزار دارای شانه ی با قطر 0.475 اینچ بوده است و روی بخش میله ای رزوه های چپ گرد شیب دار یکپارچه ی 10-24 وجود دارد. برای رسیدن به طول بهینه ای برای ابزار میله ای از شبیه سازی کامپیوتری استفاده شد. این طول بهینه، معادل 0.120 اینچ اندازه گیری شد که برای بدست آوردن یک جوش بهینه با نفوذ کامل در نظر گرفته شد. این ابزار میله ای به صورت مستقل توسط رابرت کارتر، معاون مامور تحقیق، طراحی شده و هیچ اطلاعات خصوصی (دارای مالک شخصی) را شامل نمیشود.
شکل 3- جوش اصطکاکی چرخشی در عمل و طراحی هندسی ابزار میله ای
با توجه به طبیعت سایشی بسیار بالای این نوع خاص ام ام سی، پوشش بسیار زیاد ابزار میله ای برای محافظت از آن در نظر گرفته شده بود. به همین دلیل، دو ردیف ابزار میله ای با هندسه ی یکسان ولی با پوشش با مقاومت های متفاوت مورد استفاده قرار گرفت. هر دوی این سری ها از فولاد ابزار H-13 ساخته شده بودند که با عملیات حرارتی به درجه ی سختی 53-55 در مقیاس اندازه گیری سختی راکول (HRC) رسیده بودند.
یک سری از این ابزار با پوششی از B4C پوشانیده شده بود تا به سختی سطحی ای به میزان 93-95HRC برسد. سری دیگر ابزار بدون پوشش باقی ماند. دلیل انتخاب B4C به عنوان پوشش، پتانسیل بالای مقاومت پوششی، نرمی فوق العاده و مقاومت خوب به خوردگی و واکنش های شیمیایی مربوط به این نوع پوشش است. این پوشش به کمک یک فرآیند ارزان قیمت و در دمای پایین روی یک سری از ابزار قرار داده شد. شکل 4 نشان دهنده ی مقایسه ای است بین مواد متفاوت مورد نظر برای استفاده به عنوان پوشش در این تحقیق از نظر سختی. یکی از عوامل انتخاب B4C به عنوان پوشش در آزمایش های ابتدایی، فاکتور هزینه ی پایین آن بود. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، جوش اصطکاکی چرخشی به کمک ماشین فرز کاری افقی پنج محوری کنترل عددی به وسیله ی کامپیوتر کرنی اندترکر (Kearney & Trecker) که برای همین فرآیند بهبود یافته بود انجام میشد. بعد از جوشکاری قطعات تحت آزمایش اشعه ی ایکس و آزمایش نفوذ قرار گرفتند. پس از این آزمایشات،این قطعات ماشین کاری شده و به قطعاتی برای آزمایش کشش و نمونه هایی برای تحلیل زیر ساختار تقسیم شدند.
این نمونه ها در شرایط جوشکاری و شرایط تحت عملیات حرارتی T6، تحت آزمایش کشش قرار می گرفتند. مشخصات شرایط T6 توسط تولید کننده توصیه میشد و شامل عملیات حرارتی در 1.030F برای مدت 3 ساعت و سرد کردن توسط آب بود. سپس در 325F، به مدت 8 ساعت تحت سخت گردانی طولانی مدت قرار می گرفت و با کمک هوا سرد میشد.
مقایسه ی سختی مواد مورد نظر به عنوان پوشش ابزار
MMC مورد استفاده در این تحقیق آلیاژ 6092 آلومینیوم بود که 17.5 درصد Sic به صورت ذرات به شکل همگن در شبکه ی آن پخش شده بود. این ماده توسط شرکت کامپوزیت های آلومینیومی DWA واقع در شهر چتس ورس در ایالت کالیفورنیا، به شکل صفحاتی با ابعاد 0.125×12×6 اینچ با شرایط عملیات حرارتی T6 قبل از جوشکاری، تامین شده بودند. جدول 1 ترکیبات شیمیایی آلیاژ 6092 آلومینیوم را نشان میدهد و جدول 2 بیانگر برخی از ویژگی های فیزیکی و مکانیکی تامین شده توسط تهیه کننده ی ماده یعنی شرکت کامپوزیت های آلومینیوم DWA است.
جدول1- ترکیبات شیمیایی آلیاژ 6092 آلومینیوم به عنوان یک ماده ی شبکه ای
جدول2- ویژگی های محصول آلیاژ 6092 آلومینیوم، تقویت شده با 17.5 درصد ذرات SiC
جدول 3 پارامترهای جوش اصطکاکی چرخشی (FSW) را نشان میدهد. در این جدول توضیحاتی برای این پارامترها ارائه شده که از طریق آزمایش و تجربه برای مقابله با تسلیم در برابر جوش صوتی در این تحقیق به دست آمده اند. این پارامترها به عنوان راهنماهایی برای جوش اصطکاکی چرخشی mmc ها مورد استفاده قرار می گیرند. ذکر این نکته ضروری است که این پارامترها برای تحقیق دوباره ی انجام پذیری و عملی بودن این فرآیند انتخاب شده بودند و به حالت بهینه در نیامده بودند.
فرسایش ابزار با اندازه گیری ابعاد قبل و بعد از هر جوش کنترل میشد. ابزار بدون پوشش در ابتدای تحقیق برای دستیابی به پارامترهای جوشکاری قابل قبول مورد استفاده قرار می گرفتند و به منظور دستیابی به اطلاعات به دست آمده از یک سری منتخب پارامترها، استفاده می شدند. ابزار پوشش داده شده به کمک B4C در بخش پایانی این تحقیق برای دستیابی به اطلاعات درباره ی پارامترهای منتخب در این حالت استفاده شدند.