بررسی جوشکاری RFW

دسته: مقالات منتشر شده در 30 مرداد 1402
نوشته شده توسط Admin بازدید: 183
  • پرینت

بررسی اثر ضخامت شانک کاهش یافتۀ شفت یوغ جوشی اصطکاکی بر میزان استحکام

استفاده از جوشکاری اصطکاکی بر روی اتصالات مزایای بسیاری ازجمله کاهش هزینه، کاهش وزن و افزایش کیفیت دارد. شفت یوغ تولید شده با جوشکاری اصطکاکی دوار (RFW) شامل یک بخش یوغی و یک میلگرد توخالی است که به یکدیگر جوش خورده‌اند. و بنابراین، از هیچ روش حفاری دیگری برای حذف مواد از مرکز شفت یوغ که در کاهش آن ضروری است، استفاده نمی‌شود. وزن شفت یوغ به لطف میلگرد توخالی بکار رفته در روش RFW به‌طور ذاتی کاهش می‌یابد. امکان استفاده از شفت یوغ جوشی اصطکاکی در طیف وسیعی از ضخامت دیواره‌ها با حذف مواد از قطر دسته در کاربردهای مختلف وجود دارد. در این مرحله، مهمترین عامل استحکام شفت یوغ جوشی اصطکاکی با کاهش ضخامت دیواره روی قطر شانک است. هدف از این پژوهش، بررسی اثر ضخامت کاهش یافته دیوارۀ شفت یوغ تولید شده توسط RFW بر روی میزان استحکام است. به همین منظور، شفت‌های یوغی با استفاده از RFW  فرایندهای متوالی مانند تراشکاری و فرزکاری به‌منظور کاهش ضخامت دیواره ساخته شدند. نمونه‌ها با ضخامت دیواره مختلف برای تعیین سطح استحکام مورد آزمایش قرار گرفتند. علاوه براین، تحلیل عنصر محدود (FEA) در هر یک از تغییرات نمونه‌ها انجام شده و سپس با نتایج آزمایش مقایسه شد. در نتیجه، شفت‌های یوغی با ضخامت دیواره کاهش یافته مشخص شدند که با فرایند RFW تولید شدند و همچنین، می‌توان از عملیات ماشینکاری متوالی برای رسیدن به ضخامت دیواره مناسب در ساخت شفت محرک استفاده کرد.

 

روش جوشکاری اصطکاکی یکی از مهمترین روش‌های جوشکاری است که در صنایع مختلف مانند خودروسازی و هوافضا که به اتصالات با کیفیت بالا نیاز است، کاربرد بالایی دارد. دشواری اتصال مواد خاص بکار رفته در خودروسازی و هوا فضا مستلزم استفاده از روش‌های جوشکاری اصطکاکی مانند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW)، جوشکاری اصطکاکی خطی (LFW) و جوشکاری اصطکاکی دوار (RFW) است. آلیاژهای آهنی و غیرآهنی با اشکال هندسی مختلف را می‌توان با کمک روش‌های جوشکاری اصطکاکی به دیگر آلیاژهای یکسان یا متفاوت چسباند. به‌طور کلی، جوشکاری اصطکاکی یک فرایند اتصال حالت جامد است که در آن گرما در حین انتقال انرژی مکانیکی به‌دلیل چرخش تحت فشار اعمال شده به انرژی حرارتی در سطح فایینگ جفت قطعه تبدیل می‌شود. سپس، یک پیوند فلزی در دماهای پایین‌تر در مقایسه با نقطه ذوب مواد پایه ایجاد می‌شود. پارامترهای موثر بر اصطکاک و آهنگری و همچنین سرعت چرخش بر کیفیت محصول نیز اثرگذار هستند. همانطور که در شکل زیر مشخص است، باتوجه به حرکت نسبی قطعه، می‌توان FW را به سه روش کنترل کرد: چرخشی، خطی و مداری.

 

شکل 1:

 Relative movements of the workpieces in friction welding

 

جوشکاری اصطکاکی دوار (RFW) رایج‌ترین نوع جوشکاری اصطکاکی در صنعت است. در این روش یکی از قطعات به دور محور خود می‌چرخد ​​درحالی‌که قطعه دیگر ثابت است و قطعات تحت فشار اصطکاک به یکدیگر متصل می‌شوند. RFW را می‌توان در دو نوع مختلف مورد بررسی قرار داد که در آن چرخش تبدیل شده به گرمای اصطکاک تعیین کننده است: درایو مستقیم به نام درایو پیوسته (CDFW) و درایو اینرسی (IDFW) که در آن انرژی ذخیره می‌شود. CDFW که موضوع این مقاله است، یک روش جوشکاری اصطکاکی است که از دهه 1940 تا به امروز کاربرد آن افزایش یافته است. در این فرایند که مراحل و روابط آنها در شکل زیر آمده است، یکی از قطعات تحت فشار محوری ثابت است و دیگری با فشار ثابت می‌چرخد.

 

شکل 2:

 Critical welding parameters and their relationship for direct drive friction welding process

 

قطعات باهم در تماس هستند و در زمان اصطکاک با فشار محوری به یکدیگر نزدیک می‌شوند. بلافاصله پس از آن، قطعه چرخشی روی زمان ترمز متوقف شده و فشار روی قسمت ثابت در زمان خرابی از پیش تعیین شده افزایش می‌یابد. در حین جوشکاری، نواحی باریک در نزدیکی رابط جوش به‌سرعت ازطریق اصطکاک گرم می‌شوند تا زمانی‌که بتوانند به یک حالت ثابت از جریان پلاستیک با نرخ کرنش بالا برسند. سپس فرایند جوشکاری در مرحله آهنگری به‌منظور تقویت اتصال به اتمام می‌رسد. اگرچه به طور تجربی ثابت شده است که CDFW یک روش سریع و موثق برای اتصال جفت مواد مشابه و غیر مشابه است، برای درک بهتر تولید گرما و جریان مواد در طول فرایند به یک مدل حرارتی-مکانیکی تحلیلی ساده و دقیق نیاز است. در مطالعات انجام شده، مشخص شد که اتصال مواد مختلف با هم موضوع مشترکی بود که در اکثر این مطالعات مورد بررسی قرار گرفته است. این مطالعات به بررسی چالش‌هایی می‌پردازند که در حین اتصال مواد غیرمشابه در فرایند جوشکاری اصطکاکی با آن مواجه می‌شوند، پارامترها و خواص مکانیکی محصول نهایی می‌پردازند. در برخی از آنها، کیمورا و همکارانش به مطالعه آلیاژ آلومینیوم 6063 و فولاد ضدزنگ آستنیتی AISI 304 آلومینا؛ اودی و همکارانش به مطالعه کامپوزیت آلومینا YSZ و آلیاژ آلومینیوم 6061؛ و آلوز نیز به مطالعه آلومینیوم AA1050 با فولاد ضد زنگ AISI 304 پرداخته‌اند. از سوی دیگر، مدل‌های تحلیلی و مرور ادبیات، ایده اصلی دیگر مطالعات هستند. در یکی از این مطالعات انجام شده توسط ژونگ و همکارانش بر یک مدل تحلیلی برای جوشکاری اصطکاکی درایو پیوسته (CDFW) تمرکز شد. نتایج حاصل از تحلیل مدل و آزمایشات با در نظر گرفتن ضخامت ناحیه پلاستیکی، قدرت جوشکاری و دمای میانگین با هم مقایسه شدند. در نتیجه مشاهده شد مدل تحلیلی می تواند در CDFW حالت پایدار موثق باشد. مالکیان ادبیات را بررسی کرد. برخلاف این مطالعات، در اینجا اثر ضخامت دسته کاهش یافته در شفت یوغ جوشی اصطکاکی را بر میزان استحکام آن بررسی می‌کنیم. با این حال، ضخامت‌های مختلف دسته درنظر گرفته شد و با نرم افزار FEA و آزمایشات در شرایط آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفتند.

 

در این مطالعه، یوغ لوله و میلگرد یوغ توخالی با استفاده از روش CDFW با موفقیت به‌هم متصل شدند. فرایندهای ماشینکاری پیوسته روی شفت‌های یوغ جوش داده شده به‌منظور کاهش ضخامت دیواره انجام شد. درنهایت، تأثیر ضخامت کاهش یافته دسته بر شفت یوغ جوشی اصطکاکی بر استحکام توسط FEA و تست‌های آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. نکات مهم این مطالعه عبارتند از:

 

1- با اینکه قدرت تسلیم در مواد یوغ لوله 820 مگاپاسکال است، برای مواد میلگرد توخالی 700 مگاپاسکال است. استحکام تسلیم ناحیه جوش با تبدیل کمترین مقدار سختی (300 HV) برای تنش تسلیم براساس ISO 18265، 940 مگاپاسکال شد.

2- امکان استفاده از محصول با ضخامت دیواره کاهش یافته که به حذف مواد از سطح بیرونی دسته کمک می کند تا زمانی‌که محصول ماشینکاری شده برای ظرفیت گشتاور مورد نظر عمل می‌کند، وجود دارد.

3- از محصول با ضخامت جداره 9 میلیمتر که پس از ماشینکاری محصول با ضخامت دیواره 12 میلی‌متری به‌دست می‌آید و  به روش جوشکاری اصطکاکی دوار تولید شده، می‌توان در صورت مطلوب بودن ظرفیت گشتاور 17 کیلونیوتن متر، به‌جای محصولی با ضخامت دیواره 12 میلی‌متری استفاده کرد.

4- به یک بررسی جامع برای تحقق منطقه جوش اصطکاکی در تحلیل المان محدود نیاز است زیرا مدل سازی جوشکاری اصطکاکی با عدم قطعیت و چالش‌های فراوانی روبرو است.