دانلود مقاله جوشکاری اغتشاشی

اختصاصی از یارا فایل دانلود مقاله جوشکاری اغتشاشی دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)

تعداد صفحات:121

فهرست مطالب:

چکیده
مقدمه
فصل اول :انواع جوشکاری های حالت جامد
جوش آهنگری یا پتکه ای Forge  welding:
فرآیند جوشکاری فراصوتی
اصول فرایند جوشکاری فراصوتی
گروهی از محققان معتقدند که :
انواع روشهای جوشکاری
خواص فلز جوش
کاربردهای فرایند جوشکاری فراصوتی
محدودیت های فرایند
جوشکاری اصطکاکی          Friction welding
جوشکاری اصطکاکی
تعریف و گونه های فرآیند
روش های
جوشکاری رانش مستقیم
جوشکاری رانش اینرسی
انواع حرکت های مربوطه
رویه برداری اصطکاکی
چرخش زاویه ای
چرخش خطی
ویژگی های فرآیند
مرحله ی اصطکاکی
مرحله فورج
رابطه ی بین متغیرها
رابطه ی بین متغیرها
تأثیر فلایویل
فشار گرم سازی
مزیت ها و محدودیت ها
متغیرهای جوشکاری اصطکاکی
طراحی اتصال
دستگاه های جوشکاری اصطکاکی
دستگاه های جوشکاری رانش مستقیم
دستگاه های جوشکاری اینرسی
روندهای جوشکاری
ابزار کار و کاربندی
تیمار گرمائی
کیفیت جوش
قطعی های اتصال
بررسی و آزمایش
نظارت فرآیند
کاربردها
فصل دوم : کلیات
2-1- اصول کار ( عملکرد فرآیند )
2-2- مشخصات ریز ساختاری
2-3- مزایا و محدودیتها
محدودیت های این فرآیند عبارتند از :
2-4- پارامترهای مهم جوشکاری
2-5- سایر پیشرفت ها در FSW
2-6- پیشینه آزمایشات فرآیند FSW
فصل سوم
بررسی فرآیند
3-1- مقدمه
3-2- فرآیند FSW
3-3- میکروساختار و مشخصات آلیاژهای جوشکاری شده به روش FSW
3-4- نتیجه گیری
فصل چهارم : آزمایشات تجربی
4-1- مقدمه
4-2- طراحی ابزار
3-3- آزمایش به روی اتصالات
4-4- نتیجه گیری
فصل پنجم
شبیه سازی عددی
5-1- مقدمه
5-2-شبیه سازی عددی
5-3- نتیجه گیری و مشاهده نتایج
فصل ششم
نتیجه گیری و پیشنهادات
5-1- مقایسه نتایج شبیه سازی و آزمایش عملی
6-2- پیشنهادات

همراه با اشکال

چکیده

جوشکاری اصطکاکی اعتشاشی با علامت اختصاری FSW جدیدترین نوآوری در زمینه جوشکاری اصطکاکی   باشد که به تازگی به خانواده این فرایندها اضافه شده است . این فرایند در سال 1991 میلادی توسط موسسه TWT انگلستان معرفی شد و اولین شرکتی که توانائی های FSW را مقیاس صنعتی به نمایش گذاشت شرکت ایساب سوئد بود . این شرکت ماشینهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی را با نام Super Stir ساخت و به بازار عرضه کرد . شرکتها و سازمانهای زیادی در آمریکا و اروپا نظیر EWI ، بوئینگ و NASA به این فرایند توجه خاصی نشان داده اند . شاید این فرایند تجاری ترین و با صرفه ترین روش جوشکاری باشد .

جوشکاری فلزاتی که با روشهای دیگر ، به طور مناسب قابل جوش دادن نیستند ، با این روش ساده امکان پذیر شده است به طوریکه این فرایند را جوش دهنده جوش نامیده اند . در این فرایند از انواع طرحهای اتصال از جمله لب به لب ، لبه روی هم ، نبشی و گوشه ای می توان استفاده کرد . اگر چه هدف اولیه گسترش فرایند اصطکاکی اغتشاشی اتصال آلیاژهای آلومینیوم بوده است اما تحققات بعدی نتایج موفقیت آمیزی را در مورد جوشکاری فلزاتی نظیر سرب ، مس ، تیتانیوم و آلیاژهای آنها نشان داده است .

اساس فرآیند FSW بدین صورت است که دو قطعه روی صفحه پشت بند کنار یکدیگر قرار داده می شود و سپس توسط قید و گیره محکم شده تا حین فرایند جابجا نشوند. ابزار جوشکاری یک استوانه به علاوه یک پین کوچک در زیر آن است که در ابتدای خط اتصال در حالیکه حرکت دورانی دارد داخل درز می شود . اصولاً طول پین در حدود عمق نفوذ مورد نیاز است . در اثر تماس پین در حال چرخش با سطح دو قطعه ، ماده در محل تماس به علت حرارت ناشی از اصطکاک به سرعت گرم می شود . با گرم شدن ماده در محل تماس با پین ، استحکام مکانیکی آن پائین آمده و نرم می شود . سپس در اثر نیرویی که رو به پائین به ابزار اعمال می شود پین به آرامی درون ماده نرم شده فرو می رود . در اثر اصطکاک دما بالا می رود تا جائیکه ماده وارد ناحیه پلاستیک می شود و بدین صورت یک استوانه خمیری حول پین دوار ایجاد می گردد . در این حالت قطعه کار و ابزار نسبت به هم حرکت می کنند و به عبارتی یا ابزار یا قطعه کار با سرعت ثابت و معین به گونه ای شروع به حرکت می کنند که ابزار درز اتصال را طی کند . نتیجه این حرکت وارد آمدن فشار از طرف وجه پیش رونده پین به ماده خمیری شکل می باشد . همزمان با این فشار یک ناحیه خالی پشت پین ایجاد می شود ، لذا ماده نرم شده اطراف پین رو به عقب رفته و در فضای خالی ایجاد شده اکسترود می شود .

در حین حرکت پین در حال چرخش ، لایه های اکسیدی نیز شکسته کنده می شود و در نتیجه نیازی به تمیز کاری سطوح قبل از جوشکاری نمی باشد . دمای فرایند نیز زیر نقطه ذوب است و لذا ماده ذوب نشده و فرایند در حالت جامد انجام می گیرد .

مقدمه

جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی یک روش اتصال نسبتاً جدید بوده و مزایای زیادی نسبت به روش های جوشکاری قوسی در بر داشته است ، که می توان به کاهش زیاد اعوجاج و حذف عیوب حین انجماد اشاره نمود . از آنجایی که در این فرآیند حالت مذاب شکل نمی گیرد و اتصال زیر دمای ماده اتفاق می افتد ، یک جوش با کیفیت بالا به همراه حرارت ورودی کم ، حداقل اعوجاج ، و بدون نیاز به ماده پر کننده و گاز ایجاد می گردد . از دیگر مزایای FSW می توان به راندمان بالا و محیط ایمن تر نسبت به روش های معمولی جوشکاری اشاره کرد .

بطور کل در مقایسه با سایر روش های جوشکاری ذوبی ، کیفیت جوش FSW به دلیل کاهش عیوب حاصله بالاتر است ، همچنین تولید جوش هایی با استحکام زیاد و جوشکاری مواد غیر مشابه و کامپوزیت ها ، این فرآیند را کاملاً منحصر به فرد کرده است . امروزه کاربردهای اصلی FSW شامل صنایع دریایی (بخش کشتی،ساختمان ) ، صنایع هوا فضا ( بدنه هواپیما ، باله ها ، تانک های سوخت ) ، صنایع راه آهن ( قطاهای سریع السیر ، واگن ها) ، صنایع اتومبیل ( شاسی و بدنه ) ، بدنه ی موتورسیکلت و دیگر صنایع مثل الکتریسیته و یخچال سازی می شود .

همانطور که قبلاً اشاره گردید . اصولاً فرآیند FSW سه مرحله ی اصلی دارد ، نفوذ ، نشست و مرحله ی جوشکاری ، در مرحله نفوذ ، یک ابزار غیر مصرف شدنی جهت جوشکاری در موقعیت مناسب قرار می گیرد . در مرحله نشت ، ابزار وارد قطعه شده و جدا از حرکت انتقالی ، دوران می کند و در مرحله ی آخر ، ابزار با حرکت رو به جلو عمل اتصال را تکمیل می کند . مرحله ی نفوذ در FSW فوق العاده بحرانی است ، زیرا بیشتر شرایط تومومکانیکی اولیه را ایجاد کرده و به خاطر دما و تنش های بالا در فرآیند ، مواد تحت تغییر شکل های زیاد قرار می گیرند . در فصل 4 شبیه سازی دقیقی از این مرحله صورت گرفته است .

اشمیت (2005) مدل های عددی را به کمک ABAQUS/Explicit . لاگرانژ ـ اویلر اختیاری (ALE4) توسعه داد . این مدل ها از « نفوذ ساده شده » در شبیه سازی استفاده می کرد و نقطه شروع جایی بود ، که شانه قبلا با قطه کار تماس حاصل می کرد .

گوتز و جاتا (2001) یک مدل دو بعدی را به کمک DEFORM شبیه سازی کردند ، که جریان مواد اطراف ابزار و مرحله ی نفوذ ابزار را نشان می داد .

گرلیچ (2005) از دینامیک سیالات محاسباتی جهت مدلسازی FSSW با عمق نفوذ 300 استفاده نمود .

کاکارلا (2005) از مکانیک جامدات جهت بررسی یک مدل هم دما با عمق نفوذ mm 3/0 استفاده کرد .

گردو (2005-2004) یک مدل عددی از FSW را با نرم افزارهای THERCAST و FORGE3 توسعه داد ، این مدلها از قانون نورتن ـ هوف به عنوان مدل ساختاری ماده در عوض قانون جانسون ـ کوک استفاده می کرد .

سنتلا (2003) آزمایشات نفوذ را روی یک ماده کامپوزیت فلزی A16061+20wt%Al2O3 با استفاده از جنس ابزارهای متفاوت و بارها و گشتاورهای از پیش تعیین شده حین فرایند بررسی کرد .

اسیدی و دیگران (2010) به کمک نرم افار FORGE3 مقدار ضریب اصطکاک را با تخمین خوبی بدست آوردند.

متدل و دیگران (2008) برای حذف المان های مازاد از معیار شکست برشی در ABAQUS/Explicit استفاده کردند . این روش قبلا برای مدلسازی المان محدود مسائل ماشینکاری (2006 wen) در ABAQUS استفاده شده است و در آن هر المانی که به آستانه ایجاد خطر برسد ، به طور خودکار حذف می گردد . این آستانه ایجاد خطر بر مبنای معیار شکست برشی جانسون ـ کوک می باشد .

فصل اول :انواع جوشکاری های حالت جامد

مقدمه :

در این بخش همانطور که از نام آن استنباط می شود عمل اتصال در حالت جامد انجام می گیرد(چنانچه ذوبی هم بوجود اید نقش اصلی ندارد).فرایند جوشکاری حالت جامد به صورت سرد و گرم تقسیم می شود که هر یک به دسته کوچکتری تقسیم می گردد که در این بخش به توضیح مختصری در مورد آنها می پردازیم.

روش های جوشکاری حالت جامد که بیشتر متداول هستند عبارتند از:

جوشکاری آهنگری یا (پتکه ای)       Friction welding

جوشکاری فشاری                       Pressur welding

جوشکاری با امواج صوتی             ultrasonic welding

جوشکاری اصطکاکی                   Friction welding

جوش آهنگری یا پتکه ای Forge welding:

یکی از قدیمی ترین روش های اتصال دو قطعه گداختن انها در کوره های زغالی تا درجه معین وسپس بررویهم سوار کردن و کوبیدن یا پتک زدن موضع اتصال می باشد .در قدیمعمل کوبیدن با چکش ها یا پتک های دستی واکنون با انواع چکش های بادی وهیدرولیکی انجام می گیرد.

اگر عملیات گداختن همانند قدیم در کوره های زغالی انجام شود احتمال جذب سولفور در سطح کار وپایین آمدن خواص موضع جوش وجود دارد.بنابر این باید به این نکته توجه داشته ودر صورت امکان از زغال با پایین ترین درصد گوگرد استفاده کرد یا از تماس مستقیم فلز با زغال جلوگیری نمود .از طرف دیگر اگرقطعه کار مستقیما" در مسیر جریان دمشی به کوره قرار می گیرد سطح ان اکسید می شود هرچند ضمن چکش کاری سطح اکسید شده شکسته می شود اما احتمال حبس شدن لایه هایی از ان در بین محل اتصال وجود دارد که منجر به کاهش خواص اتصال می شود برای اجتناب از این پدیده بهتر است قطعه کار در جریان مستقیم هوای دمشی قرار نگیرد ویا اگر کک مرغوب است لایه ای به اندازه کافی بر روی قطعه کار پوشیده شود.

انواع اتصال با فرایند جوشکاری آهنگری امکان پذیر است.اتصال لب به لب واتصال سپری که همراه با کاهش طول یک جزء یا همه اجزاء همراه است

جوشکاری فشاری سرد: Cold –Pressure welding

پایه اصلی که این فرایند را از فرایندهای دیگر مجزا کرده است عدم حضور حرارت در دامنه جوشکاری است بالنتیجه نیازی به هیچگونه منبع الکتریکی .گاز وواکنش شیمیای حرارت زا نیست .دو جزء که باید متصل شوند تحت فشار (که بالای نقطه تغیر فرم پلاستیکی است) قرار می گیرند .فشار ملکولها را در تماس یکدیگر آورده و تولید یک ذوب درون ملوکولی می کند که نتیجه ان یک جوش همگن است

این فرایند برای اتصال فلزات مشابه یا غیر مشابه به کار گرفته می شود ولی فعلا" بیشتر در مورد فلزات نرم نظیر المنیوم و مس به کار می رود هر چند که قابلیت شکل پذیری شرط کافی برای قابلیت جوشکاری فشار سرد نیست .قابلیت جوشاری با این روش با افزایش سختی ونقطه ذوب کاهش می یابد .برای فلزات سخت غالبا" حرارت همراه با فشار نیز است.

معمولا" دو نوع اتصال لب رویهم lap سربه سر(لب به لب) Butt با این فرایند متداول است که به کمک قالب ها وسنبه ها و یا نورد انجام می گیرد.

آماده سازی سطح ممکن است یکی از مهمترین فاکتورها عامل تعین کننده خواص جوش باشد.تمیزکاری توسط برس های مخصوص ئ یا محلول های شیمیای خاصی انجام گیرد .برای اتصال لب رویهم در مورد آلمنیوم روش برس زدن مطلوب تر می باشد.باید توجه داشت که جوشکاری پس از تمیز کری باید هر چه زودتر انجام گیرد .لایهء اکسیدی لزوما" همیشه اثر منفی ندارد .در مورد آلمنیوم ومس این یایهء اکسیدی در سطح مشترک ممکن است موقتا" ایجاد نوعی چسبندگی کنند که با افزایش فشار وتغیر شکل لایه شکسته شده وسطح تمیز وتازه فلز آماده برای چسبیدن و اتصال اسان و کامل می باشد.

فاکتور مهم دیگر در جوشکاری فشار سرد حد بحرانی تغیر شکل تحت فشار است که با نسبت ضخامت باقیمانده پس ازاتصال به ضخامت اولیه و به صورت درصد مشخص می شود و به عدد مریت Figure of merit مرسوم است. هر چه فلز سخت تر وتغییرشکل پذیری کمتری داشته باشد نیاز به فشاربالاتر داشته وعدد مریت آن کوچکتر است.    

فرآیند جوشکاری فراصوتی

صوت اساساً یک ارتعاش بوده و دارای انرژی جنبشی می باشد . امواج فراصوتی نیز امواج مکانیکی هستند که دارای انرژی بوده و برای انتشار ، نیاز به محیط مادی دارند . فرکانس امواج فراصوتی بالاتر از حد شنوای انسان و بیش از KHZ 20 می باشد . در حال حاضر امواج فراصوتی در کارهای مختلف همچون جوشکاری ، تمیز کاری ، ماشینکاری ، بازسازی قطعات و همچنین در ساخت تجهیزات پزشکی همچون سنگ شکن ها و دستگاههای سونوگرافی مورد استفاده قرار می گیرد .

فرایند جوشکاری فراصوتی از جمله فرایندهای جوشکاری حالت جامد می باشد که می توان از آن برای اتصال مواد همجنس و غیر همجنس به صورت لبه روی هم کمک گرفت . در این روش ، نوسانهای فرکانس بالا باعث متلاشی شدن اتمها در محل اتصال و ایجاد قفل های داخلی بین دو قطعه می گردد و بدین وسیله یک اتصال مکانیکی مطلوب ایجاد می شود .

اصول فرایند جوشکاری فراصوتی

در فرایند جوشکاری فراصوتی از ارتعاشات مکانیکی برای ایجاد اتصال بین دو ماده استفاده می شود . در این روش ابتدا برق شهر با فرکانس 50 یا 60 هرتز توسط یک مبدل به جریانی با فرکانس بالا تبدیل می شود . سپس این جریان فرکانس بالا به کمک وسیله ای به نام تراسند یوسر به ارتعاش های مکانیکی تبدیل می شود . قطعات جوشکاری شونده به صورت لبه روی هم بین یک سندان و نوک جوشکاری کننده قرار می گیرند . یک نیروی فشاری نیز توسط نوک بر قطعات اعمال می شود تا انرژی ارتعاشی در محل اتصال ایجاد می شود که باعث تبخیر رطوبت و شکسته شدن لایه های اکسیدی می گردد . بدین ترتیب یک تماس حقیقی بین سطوح متصل شونده برقرار می شود با ادامه نوسانات ، تغییر شکل موضعی الاستوپلاستیک ناشی از نیروهای برشی و همچنین سطح تماس واقعی افزایش می یابد . پس نوعی درگیری مکانیکی یا اختلاط مواد در فصل مشترک باعث ایجاد اتصال بین دو قطع می گردد .

گروهی از محققان معتقدند که :

خمیری شدن مواد و در هم پیچیدگی آنها در فصل مشترک ، باعث ایجاد اتصال می گردد . این مکانیزم بیشتر برای آلیاژهایی که دارای دامنه انجماد وسیع می باشند ، صادق است .

گروهی دیگر نیز نفوذ اتمها به خاطر حرارت ایجاد شده در موضع اتصال را عامل اصلی ایجاد جوش می دانند . آنها دلیل ادعای خود را مشاهده ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک برخی از اتصالات مواد غیر همجنس بیان کرده اند .

به هر حال تمامی این پدیده ها ممکن است به شکل گیری یک اتصال فراصوتی موثر باشند . در فرایند جوشکاری فراصوتی درجه حرارت موضع اتصال معمولاً در حدود 0/5 Tm تا 0/35 Tm می باشد و زمان جوشکاری نیز بسیار کوتاه و در حد چند ثانیه است . انرژی مورد نیاز برای جوشکاری نیز به ضخامت قطعات ، سختی سطح نمونه ها و جنس ترانسدیوسر بستگی دارد . مقدار انرژی لازم برای واحد زمان را می توان به کمک رابطه تجربی زیر تعیین نمود :

E : انرژی بر واحد زمان

K : ثابت مربوط به جنس ترانسدیوسر ( مثلاً برای نوع نیکلی معمولی این ثابت برابر 320-300 می باشد ).

H: سختی سطح تماس بر حسب ویکرز

T: ضخامت قطعه کار بر حسب اینچ

باید توجه داشت که این رابطه برای جوشکاری نقطه ای صحیح است و در جوشکاری پیوسته علاوه بر این متغیرها ، سرعت جوشکاری نیز بر مقدار انرژی مورد نیاز تأثیر می گذارد .

v سیستم جفت کننده : این سیستم نوسانهای فرکانس بالا را از مبدل به نوک جوشکاری کننده و سپس به فلز مورد نظر انقال می دهد . موادی که برای ساخت این سیستم های کوپل کننده به کار می رود دارای جذب انرژی کم و مقاومت خستگی بالا می باشند . معمولاً از فولادهای زنگ نزن و تیتانیم برای ساخت این تجهیزات استفاده می شود . اتصال بین مبدل و کوپل کننده نیز باید از کیفیت و استحکام خستگی مطلوبی برخوردار باشد .

v نوک جوشکاری کننده : این نوک با توجه به شکل قطعات جوشکاری شونده به شکل های گوناگون ساخته می شود . بر ای اتصال لبه روی هم ورقها این نوک شکلی نیم کروی با شعاع 50 تا 100 برابر ضخامت ورق دارد در حالی که در جوشکاری سیم به سیم و سیم به ورق از نوک های شیاردار استفاده می شود تا از تغییر شکل پلاستیک بیش از حد سیم جلوگیری شود .

v سندان : قطعات هنگام جوشکاری بین نوک و سندان قرار می گیرند ولی سندان بر خلاف نوک باید از موادی ساخته شوند که جاذب انرژی فراصوتی باشد ، در غیر این صورت انرژی در زیر قطعه ها باقی خواهد ماند .

v سیستم های اعمال نیرو : در سیستم های جوشکاری فراصوتی باید روشی برای اعمال یک نیروی فشاری استاتیک بر فصل مشترک جوش طراحی گردد . مقدار این نیرو به جنس ، ضخامت قطعات و روش جوشکاری بستگی دارد . در جوشکاری های توان بالا ، استفاده از سیستم های هیدرولیک ، برای سیستم های توان متوسط ، استفاده از پمپهای بادی و در جوشکاری توان پایین استفاده از بار مرده مرسوم تر است . هر چه مواد جوشکاری شونده سخت تر باشند نیروی فشاری بالاتر و توان پایین تری نیاز دارند .

انواع روشهای جوشکاری

در حال حاضر فرایند جوشکاری فراصوتی به چهار شکل در صنعت مورد استفاده قرار می گیرد :

1ـ جوشکاری نقطه ای

در این روش ، همان گونه که از اسم آن نیز پیداست ، در هر مرحله از اتصال یک دکمه جوش بین دو قطعه ایجاد می شود . در این فرایند نوک جوشکاری کننده تحت یک نیروی فشاری در محل اتصال بر روی دو قطعه قرار    می گیرد و سپس یک پالس فراصوتی در زمانی کمتر از یک ثانیه اعمال و جوش حاصل می شود . با توجه به ابعاد نقطه جوش مورد نیاز انواع مختلفی از دستگاههای جوشکاری در این روش مورد استفاده قرار می گیرند .

2ـ جوشکاری حلقه ای

در این روش مقطع جوش به شکل حلقوی با قطر mm50-30 می باشد . در این روش نوک جوشکاری کننده به شکل یک استوانه تو خالی می باشد . موج فراصوتی به صورت مماس بر این استوانه وارد می شود که باعث ایجاد یک ارتعاش پیچشی در استوانه می گردد . نیروی استاتیکی فشاری نیز به صورت جداگانه بر استوانه اعمال می شود .

3ـ جوشکاری خطی

در این روش چندین مبدل یا ترانسدیوسر که نوک جوشکاری کننده هر یک از آنها حالت تخت دارد به موازات هم عمل می کنند . پس از اینکه قطعات بین نوکها و سندان قرار می گیرند ، تمام مبدل ها شروع به ارتعاش کرده و یک خط جوش نازک بوجود می آورند . بسته به نوع و توان دستگاه می توان تا m15 را در یک نوبت جوشکاری نمود .

4ـ روش جوشکاری پیوسته

در این روش به جای نوک جوشکاری کننده سوزنی شکل از یک دیسک استفاده می شود و سندان نیز متحرک می باشد . برای انجام جوشکاری ، قطعات بین سندان و دیسک تحت نیروی فشاری قرار گرفته و سپس یک ارتعاش فر اصوتی به صورت مداوم بر دیسک اعمال می شود . با حرکت سندان و یا دیسک یک خط جوش بین دو قطعه ایجاد می شود . در این روش سرعت جوشکاری ممکن است به حدود m/min 125 نیز برسد .

متغیرهای فرآیند

متغیرهای فرایند که توسط اپراتور دستگاه تنظیم می گردد عبارتست از ک

1ـ توان فراصوتی : توان مورد نیاز به خواص ماده و ضخامت آن بستگی دارد . به طور کلی افزایش ضخامت و سختی ماده سبب افزایش توان مورد نیاز برای جوشکاری خواهد شد .