جوشکاری اصطکاکی- اغتشاشی(FSW)
ايده اصلی جوشکاری اصطکاکی بسيار ساده می باشد. يک وسيله دوّار مصرف نشدنی)يک پين ويژه همراه با دندانه( را
در نظر بگيريد. دو فلزی را که می خواهند جوش بدهند در کنار هم محکم قرار می دهند و پين وارد خط اتصال اين دو فلز می شود و همراه با چرخش ، طول خط اتصال را طی می کند. پين دو عمل اصلی را انجام می دهد:

گرم کردن قطعه توسط اصطکاک


حرکت دادن مواد به منظور اتصال

گرما به کمک اصطکاک بين پين و قطعه کار و تغيير فرم پلاستيک قطعه به دست می آيد. حرارت متمرکز شده باعث نرم
شدن مواد اطراف پين و به همراه حرکت دوار پين، باعث حرکت مواد از جلوی پين به عقب پين می گردد و بر اثر اين
پروسه اتصال در حالت جامد اتفاق می افتد به علت ساختار هندسی پين ، موادی که در اطراف پين حرکت می کنند به
خوبی با يکديگر ترکيب می شوند . در جوشکاری FSW مواد در گرمای بالا تغيير شکل زيادی می دهند و ساختار نهايی 
، دانه های کريستالی هم محور و خوبی دارد و همچنين دارای خواص مکانيکی مطلوبی است.

اين نوع جوشكاری در زمرة پروسه های جوش حالت جامد می باشد روش های جوشكاری حالت جامد که بيشتر متداول
هستند عبارتند از:

جوشكاری اصطكاکی Friction welding 
جوشكاری فشاری     Pressure welding 
جوشكاری آهنگری يا پتكه ای Forge welding
جوشكاری با امواج صوتی Ultrasonic welding



در جوش های حالت جامد برخلاف فرآيندهای حالت ذوبی که محل اتصال در نتيجه ذوب موضعی دو قطعه و تداخل آنها و
عمل انجماد انجام می شد، اتصال بدون تشكيل مذاب انجام می شود.ولی ممكن است فيلمی از فلز مذاب در يك مرحله ميانی از عمليات بين سطوح اتصال ايجاد گردد اگرچه فلز مذاب معمولاً به طور کامل از جوش جدا می شود،ولی در حضور کوتاه خود نقش مفيدی را در انجام جوش ايفا می کند.



به طور کلی جوشكاری اصطكاکی بر اساس تبديل انرژی مكانيكی به انرژی گرمايی استوار است که دو قسمت مورد اتصال را به هم نزديك کرده و با ايجاد حرکت دورانی سريع يكی از آنها بر روی ديگری و مالش و اصطكاك دو قطعه، گرمای زيادی توليد شده و موجب حالت پلاستيسيته در لبه های اتصال می شود با فشار اعمال شده نهايی قطعات در هم فرو می روند و اتصال ايجاد می شود.

 

مكانيزم اتصال :
می دانيم که سطوح در مقياس ميكروسكوپی دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هايی هستند و علاوه بر آن لايه اکسيدی
نازك و يا ناخالصی های ديگر بر روی سطح پوشيده شده است . هرگاه سطوح به طور کامل در کنار هم قرار نگيرند
نيروی چسبندگی بين مولكولی بين آنها برقرار نشده و در نتيجه اتصال انجام نمی گيرد هدف اصلی در جوشكاری
اصطكاکی برطرف نمودن اين ناهمواری ها و ناخالصی ها و اعمال فشار برای اتصال دو سطح است.

هنگامی که دو سطح با فشار معين بر روی هم ماليده می شوند نقاط بلند بهم برخورد کرده و از بين می روند، همزمان
لايه اکسيدی برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با يكديگر قرار می گيرند و بدين ترتيب يك باند يا چسبندگی موقت
 (Seizures)به وجود می آيد با ادامه حرکت ،اين چسبندگی بريده شده و يك باند تازه تر به وجود می آيد بدين ترتيب
انرژی مكانيكی به حرارتی تبديل شده و به تدريج درجه حرارت سطح افزايش می يابد.بنابراين استحكام فشاری کاهش
يافته و تغيير فرم پذيری راحت تر انجام می گيرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی کامل قرار می گيرند با فرض اين که نرخ حرارت توليدی بيشتر از حرارت فروکشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستيكی نيز بيشتر می شود تا جايی که استحكام فشاری قادر به تحمل نيروی فشاری نيست و سطح زير فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو می روند و حتی کمی به بيرون بر می گردند.

به خاطر حرکت چرخشی دسته کم يكی از دو قطعه در محل اتصال می بايست سطح مقطع دايره ای داشته باشد جوشكاری
اصطكاکی به طور کلی به دو دسته تقسيم می شود:

الف( جوشكاری اصطكاکی لحظه ای Inertia friction
ب( جوشكاری اصطكاکی مداوم Continuous drive friction

البته امروز روش های پيشرفته که ترکيبی از دو تكنيك بالاست به کار می رود هر دو نوع جوشكاری می تواند بدون توقف و به طور کامل به صورت ماشينی انجام شود و می توان پارامترهای عملياتی را از قبل برنامه ريزی نمود.FSW برای قطعاتی که بتوان آنها را از نظر اندازه و شكل با ماشين جوش اصطكاکی تطبيق داد پروسه ای جالب می باشد زيرا هيچ ماده filler يا پر کننده لازم ندارد و مثلاً برای جوشكاری فولاد کربنی ساده و آلياژی حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جوش بدست آمده از اين روش کيفيت بالايی دارد و برای توليدات انبوه مقرون به صرفه است.

با پيشرفت های انجام شده می توان جوشكاری اصطكاکی را به جای چرخش با حرکت انجام داد که باعث گسترش اين
پروسه و تطبيق قطعات متنوع با اين پروسه شده است.



برای توليد يك جوش قابل قبول پارامترهای عملياتی از قبيل نيروی اعمالی، سرعت چرخش و زمان می تواند در رنج
گسترده ای تغيير کند نيروی اعمالی بايد به مقدار کافی بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با يكديگر نگه دارد زمان
عمليات هم بايد به گونه ای باشد که اکسيداسيون سطوح به حداقل برسد. نيروی ناکافی حرارت کمتری ايجاد می کند که
منجر به عدم اتصال مناسب سطوح می گردد از طرف ديگر نيروی بيش از اندازه حرارت زيادی توليد می کند که منجر به ذوب شدن دو فلز می شود. به عنوان مثال برای جوشكاری فولاد نيرو در محدوده30-60 MPa و سرعت زاويه ای 
حداقل 90 m/min می باشد. زمان گرمادهی برای قطعات کوچك از 5 تا 10 ثانيه می باشد. زمان بايد به اندازه کافی باشد تا اجازه رسانش گرمايی به بخش های مرکزی سطوح که دارای حرکت نسبی کمتری برای توليد حرارت می باشند را بدهد از طرف ديگر افزايش زمان گرمادهی منجر به افزايش سطح مقطع اتصال و گسترش منطقه HAZ در دو طرف جوش به طور غيرعادی می شود. 

مزايای جوشکاری FSW

FSW به عنوان مهم ترين پيشرفت در اتصال فلزات در دهه ی اخير مطرح بوده است و تکنولوژی "سبز" است که بازده انرژی بالا دارد و در مقام مقايسه با ساير روش های جوشکاری متداول  FSW . انرژی بسيار کمتری مصرف می کند و هيچ گاز محافظ يا سرباره ای استفاده نمی شود به همين علت دوست محيط زيست ناميده می شود و اتصال شامل
هيچگونه فلز پر کننده ای نمی باشد و همچنين هر نوع آلومينيومی بدون دلواپسی از سازش پذيری ساختارش می توان
به کار برد و هر نوع آلومينيومی و کامپوزيتی می توانند به يکديگر با سهولت وصل شوند و در مقايسه با روش جوش کاری اصطکاکی قديمی ، که معمولا بر روی قطعات قرينه و کوچک که می چرخيدند و فشار داده می شدند تا جوش بخورند ، جوش کاری اصطکاکی فعلی در انواع مختلف اتصالات مانند اتصال زير، اتصال لب به لب ، اتصال Tو اتصالات فيلت به کار می رود.
اخيرا به وسيله  Mishra روش  (FSP) Friction Stir Process ابداع شده است به عنوان وسيله ای که ساختار ميکروسکوپی را اصلاح می کند و بر پایه قوانين FSW بنا شده است برای مثال ميزان ابر پلاستيکی در نرخ تنش های بالا در AL7075مشاهده شده است، علاوه بر این از FSPبرای توليد سطح کامپوزیتی روی آلومينيوم و هموژن کردن پودرهای آلومينيوم و اصلاح ساختار  کامپوزیتهای فلزی و بهبود خواص در آلياژهای ریخته گری کاربرد دارد.

به طور خلاصه ازمزايا و محدوديت های جوشكاری اصطكاکی ميتوان به موارد زير اشاره کرد:

 

مزايا :
عدم نياز به فلاکس ) روانساز( ، ماده پر کننده و گاز محافظ
مصرف انرژی الكتريكی کمتر و به طور کلی انرژی مورد نياز
عمليات جوشكاری نسبتا تميز و بدون قوس الكتريكی ،دود و گاز
منطقه Haz باريك و دارای دانه های ريز تر حتی نسبت به فلز اصلی 
محدوديت ها :
يكی از قطعات بايد گرد باشد . همچنين بايد دارای شكل و طرحی باشد که بتوان آن را روی دستگاه بسته و به گردش
درآورد. البته اين محدوديت با طراحی های جديد بر طرف شده است ولی هزينهای مصرفی نسبتا بالاست.اکثر مواد و
فلزات را ميتوان با اين روش جوشكاری نمود و تقريبا هيچ محدوديتی نداريم.

پارامتر های جوشکاری
در جوشکاری FSW چهار پارامتر بسيار مهم وجود دارد: 
١- سرعت چرخش پین (w, rpm) ساعت گرد و يا غير ساعت گرد بدون آن . 
٢- سرعتی که پين خط اتصال را طی می کند . (v, mm/min)
٣- زاويه انحراف ابزار از خط عمود بر سطح قطعه کار(angle tilt)
٤- نيروي عمودي وارد بر ابزار توسط کلگي دستگاه(N)
حرکت گردش پين موجب به جنبش درآمدن و مخلوط شدن مواد به دور پين می شود و اين کار باعث حرکت مواد از جلوی پين به عقب پين می شود. سرعت چرخش بالاتر پين موجب توليد دمای بالاتر می شود زيرا همان گونه که قبلاً گفته شد موجب گرمای اصطکاکی بيشتر و مخلوط شدن و جنبش شديدتر مواد می شود و در نتيجه گرمای بيشتری توليد می کند هر چند گرمای توليدی توسط ميزان جفت شدن سطح ابزار (سطح (Shoulder با قطعه کار کنترل می شود.

بنابراين، با افزايش سرعت چرخش پين نبايستی انتظار داشت که گرمای توليدی نيز به طور يکنواخت افزايش يابد با
وجود اين که ضريب اصطکاک در سطح با افزايش سرعت چرخش پين تغيير می کند علاوه بر سرعت چرخش پين و
سرعت انتقال آن بر روی قطعه، زاويه بين پين و قطعه نيز دارای اهميت می باشد. يک خمش (زاويه( مناسب بين پين و
قطعه کار در حين پيمودن مرز جوشکاری موجب می شود که مطمئن شويم Shoulder مواد حرکت داده شده را می 
پوشاند)مانع از ائتلاف حرارت می شود( به کمک دندانه های پين و حرکت موثر مواد از جلوی پين به پشت پين.

و همچنين عمق نفوذ پين درون قطعه کار( که اصطلاحاً depth target گفته می شود( برای بدست آوردن جوشی بی 
نقص با سطح Shoulder صيقلی ، پارامتری حائز اهميت است. عمق نفوذ توسط طول پين تعيين می گردد. هنگامی که 
عمق نفوذ بسيار کم باشد و Shoulder با سطح در تماس نباشد. بنابراين، بر اثر چرخش، مواد به صورت موثر نمی 
توانند از جلوی پين به عقب پين حرکت کنند در نتيجه جوش با کانالهای داخلی و يا سطحی شيار دار حاصل می شود و
هنگامی که عمق نفوذ بسيار زياد باشد. موجب فرورفتن Shoulder درون قطعه کار و ايجاد)  flashگرمايی يا جرقه 
زدن( بيش از حد می شود و در اين مورد، يک جوش کاملاً مقعر بدست می آيد که موجب نازکی موضعی ورق های جوش داده می شود و بايستی اشاره کرد که به لطف پيشرفت در طراحی Shoulder ،Shoulder های ساخته شده که همواره زاويه خمش آنها با سطح صفر می باشد] همواره عمود بر سطح هستند[که اين Shoulder ها در جوشکاری سطوح منحنی شکل کاربرد دارند.

پيش گرم کردن و يا سرد کردن می تواند برای بعضی از جوش کاری های FSW مهم باشد. 

برای موادی با دمای ذوب بالا مانند فولاد و تيتانيم يا مواد با ضريب رسانايی حرارتی بالا مانند مس، گرمای توليد شده به
کمک اصطکاک و جنبش برای بدست آوردن موادی نرم و پلاستيکی شده در اطراف پين کافی نمی باشد. و در اين صورت بدست آوردن جوش بی نقص بسيار مشکل است. دراين مواد پيش گرم کردن و يا استفاده از منبع گرمايی خارجی به material flow و افزايش process window ]قابليت جوش کاری فلزات[کمک می کند و در طرف ديگر، موادی با دمای ذوب پايين مانند آلومينيوم و منگنز هستند که سرد کردن آنها موجب کاهش رشد دانه ها و انحلال تنش های پس ماند می شود.

پيشرفتهای جوشکاری FWS

امروزه باتوجه استفاده گسترده از اين روش جوشکاری در دنيا پيشرفتهای گسترده ای در آن به وقوع پيوسته است از
جمله استفاده از سيستمهای رباتيک برای انجام اين نوع جوشکاری که سرعت انجام اين نوع جوشکاری را بالا برده
است. کاربرد جديد ديگر از اين نوع جوشکاری در صنايع خودرو سازی است که امروزه از اين نوع جوشکاری در اين
صنايع استفاده گسترده می شود .

پوشش کاری بوسيله جوشكاری اصطكاکی:

پوشش کاری بوسيله جوشكاری اصطكاکی هم اکنون تحت مطالعات زيادی قرار دارد زيرا به قلمرو فلزات، آلياژها و
همچنين کامپوزيت ها قدم گذاشته است و يك لايه کاملاً مجزا از پوشش را روی ماده زيری اعمال می کند يكی از امتيازات
و مزيت های اين روش نسبت به ساير روش های پوشش کاری اين است که محلول پس زده شده و فلز مذاب پايه ندارد.
پوشش دهی اصطكاکی از مشكل ناشی از ذوب ماده مصرف شدنی در هوا به وسيله مكانيزم پيچيده انجماد رسوب به
همراه هيدروژن بدست آمده و ترك های سرد و شرايط نامطلوب سطحی همراه با دانه های حاصل از جوشكاری(beads) جلوگيری می کند در پوشش کاری اصطكاکی از يك ماده مصرف شدنی دوار که می توان يك شمش جامد فلزی با سطح مقطع گرد و با يك تيوپ فلزی پر شده از يك ماده انتخابی استفاده می شود انتهای آزاد ماده مصرف شدنی با اعمال يك فشار بر روی سطح زير لايه)سطح قطعه کار) آورده می شود و به دليل اين که ماده مصرفی دوار دارای مقاطع کوچكتراست دمای آن سريع تر بالا می رود بدين سان قطعه کار با يك حوزه گرمايی و يك منطقه HAZ مينيمم روبرو می شود هنگامی که انتهای گرم ماده مصرف شدنی در حال چرخش، پلاستيسيته می شود ماده مصرف شدنی زير يك فشار به سطح فلز پايه جوش می خورد. شكل ٦ ضرورت تكنيك پوشش کاری اعمالی و يك ماشين در حال کار را نشان می دهد. راهنمای عمليات و پارامترهای مورد نياز پروسه استخراج و فهرست شده اند ماده مصرف شدنی در شكل 6 يك شمش با سطح مقطع گرد با قطر mm ٢٥ است که يك لايه با ضخامت حدودی ٢ ميلی متر با نرخ تقريبی 4.5 گرم بر ساعت با سرعت دوران  975 rpmدر زير فشار عمودی ٢٨ کيلو نيوتن با سرعت سير 4.9 ميلی متر بر ثانيه نشان می دهد سرعت دوران های بالاتر منجر به لايه رسوب نازکتر می شود و کيفيت جوش در فصل مشترك با قطعه بهبود می يابد نيروی محوری کمتر ضخامت لايه رسوب را افزايش می دهد اما پهنای باند موثر را کاهش می دهد.

سوالات جوشکاری FSW:
.جوشکاری اصطکاکی اخطلاطی را مختصرا شرح دهید.
ايده اصلی جوشکاری اصطکاکی بسيار ساده می باشد. يک وسيله دوّار مصرف نشدنی )يک پين ويژه همراه با دندانه) را
در نظر بگيريد. دو فلزی را که می خواهند جوش بدهند در کنار هم محکم قرار می دهند و پين وارد خط اتصال اين دو فلز می شود و همراه با چرخش ، طول خط اتصال را طی می کند. گرما به کمک اصطکاک بين پين و قطعه کار و تغيير فرم پلاستيک قطعه به دست می آيد. حرارت متمرکز شده باعث نرم شدن مواد اطراف پين و به همراه حرکت دوار پين، باعث حرکت مواد از جلوی پين به عقب پين می گردد و بر اثر اين پروسه اتصال در حالت جامد اتفاق می افتد به علت ساختار هندسی پين ، موادی که در اطراف پين حرکت می کنند به خوبی با يکديگر ترکيب می شوند .
2). انواع روشهای جوشکاری جامد را بنویبسید.
1.جوشکاری اصطکاکی
2.جوشکاری آهنگری
3. جوشکاری فشاری
4. جوشکاری  با امواج صوتی
3). مزایای جوشکاری fsw را نام ببرید.
عدم نياز به فلاکس ( روانساز) ، ماده پر کننده و گاز محافظ
مصرف انرژی الكتريكی کمتر و به طور کلی انرژی مورد نياز کمتر
عمليات جوشكاری نسبتا تميز و بدون قوس الكتريكی ،دود و گاز
منطقه  Haz باريك و دارای دانه های ريز تر حتی نسبت به فلز اصلی 
4).محدودیت های جوشکاری fsw را بنویسید.
يكی از قطعات بايد گرد باشد . همچنين بايد دارای شكل و طرحی باشد که بتوان آن را روی دستگاه بسته و به گردش
درآورد. البته اين محدوديت با طراحی های جديد بر طرف شده است ولی هزينهای مصرفی نسبتا بالاست.اکثر مواد و
فلزات را ميتوان با اين روش جوشكاری نمود و تقريبا هيچ محدوديتی نداريم.
5). پارامترهای جوشکاری  fsw را بنویسید.
١- سرعت چرخش پين
٢- سرعتی که پين خط اتصال را طی می کند. (v, mm/min)
٣- زاويه انحراف ابزار از خط عمود بر سطح قطعه کار(angle tilt) .
٤- نيروي عمودي وارد بر ابزار توسط کلگي دستگا(N) .

حسن نیکنام - محمد یاقوتی