جوشكاري اصطكاكي تلاطمي و كاربرد آن در صنعت خودرو

[EN-EZEL 13,039]

نويسنده : محسن مسگر هروي

 

 

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.

 

كلام آخر

امروزه جوشكاري اصطكاكي تلاطمي به عنوان يك روش برتر براي پيوند دادن سطوح منحني، مقاطع با ضخامت‌هاي متفاوت، و اجسامي كه از مواد فلزي متفاوت تشكيل شده‌اند مطرح است. اين روش جوشكاري تا كنون جاي خود را در صنايع هوايي باز كرده و در صنايع خودروسازي نيز به سرعت رو به گسترش است. با طراحي و توسعه مواد جديد براي ابزار چرخاني كه اساس كار اين روش بر آن استوار است، محدوده كاربرد FSW از قطعات آلومينيمي به قطعات فولادي نيز گسترش يافته است. هم‌اكنون برخي از دانشگاه‌هاي كشور مطالعاتي را در اين زمينه آغاز كرده‌اند، و شايد در آينده شاهد كاربرد اين فرايند‏ در صنعت خودرو كشور باشيم.

 

منابع

Eric Olsen, "FRICTION STIR WELDING OF HIGH-STRENGTH AUTOMOTIVE STEEL", A thesis submitted to the faculty of Brigham Young University for the degree of Master of Science, School of Technology, Brigham Young University, August 2007