جوشکاری
فصل اول
مقدمه:
در صنعت عصر حاضر ، جوشکاری یک فرایند پیشرفته محسوب می شود . امروزه علم و هنر جوشکاری حوزه وسیعی از تحولات و فرآیندهای مورد استفاده بشر را در بر می گیرد.

استفاده از این متد در قطعات بسیار ظریف الکترونیکی تا به سازه های عظیم فلزی رایج می باشد و همین امر سبب گشوده شدن راههای جدیدی به صنعت نوین و اتوماسیون سیستم ها رایج گردیده است

 

. استفاده از تجهیزات مکانیزه و نیمه مکانیزه جوشکاری سبب آزادی قشر وسیعی از نیروی انسانی و نیز صرفه جویی اقتصادی شده و موجبات ترقی ممالک صنعتی فراهم نموده است.
انواع جدید سازه ها و طرحهای مدرن مشتمل بر استفاده ی وسیعی از فلزات کمیاب و نسوز یا دیرگداز نظیر مولیبدن، تنگستن ، تانتال و زیرکونیم می باشد .
در عین حال با تمام صفات بارز این فلزات ، وقتی به شرایط بحرانی فشار و حرارت بالا بر می خوریم ، این فلزات دیگر جوابگوی نیاز ما نخواهندبود.

در این هنگام ، علم آلیاژ بهه کمک می آید. در این میان متخصصان جوشکاری با مسایل فراوانی روبرو هستند که خلق انواع جدید فرآیندهای مورد استفاده در جوش آلیاژ و نیز طراحی تجهیزات مورد نیاز از آن جمله است.

جدا از این مساله که نقطه جوش فلزات آلیاژهای بالاست، میل شدید ترکیب آنها در دماهای بالا از مسائل جدی در امر جوشکاری به شمار می آید . لذا بسیاری از متدهای جوشکاری نظیر جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی ، و ایجاد حوضچه ی مذاب ، دیگر جوابگو نخواهندبود.
اصولاً در این موارد از متدهای مخصوص استفاده می شود و یا برای یک زمان کوتاه تا درجه ی حرارت بسیار بالا بطور نقطه ای تحریم و در یک حفاظ ( برای عدم دسترسی به هوای اتمسفر ) با سرعت فراوان عمل جوشکاری انجام می شود .

عمل حفاظت معمولاً توسط محفظه های هوای پرشده توسط گاز بی اثر صورت می گیرد . اما دستیابی به این گازها بسیار گران و مشکل است و وجهه ی اقتصادی ندارد.
در سالهای اخیر ، متدهائی برای غلبه بر مشکلات جوش الکترودی ابداع شده که اهم آنها عبارتند از:
 استفاده از پرتو الکترونی ((electron Beam ))
 استفاده از پرتوهاي همسان نورانی ((Conerent light Bean ))
 جوش نفوذی ((Diffusion Welding ))
 جوشکاری سرد فلزات ((Cold Welding of metals ))
 جوشکاری مافوق صوت، جوش اصطکاکی ، انفجاری ، حالت جامد و …

 پرتوهای الکترونی با دربرداشتن مقادیر متنابهی انرژی ، نفوذ و امتزاج خوبی را برای قطعات سنگین و بزرگ فراهم می کند و بدین وسیله یک جوش مقاوم و در عین حال ظریف و متمرکز ایجاد می نماید . البته میزان انرژی صرف شده در این متد ، تا ۱۰ برابر قوس الکتریکی می باشد ، و به این وسیله ، به طور موفقیت آمیزی می تواند فولادهای آلیاژی تا ضخامتmm 100 را اتصال و دهد و نیز برای جوشکاری غیر فلزی هم بکار رود.

 پرتوهای همسان نوران یا طیفالیرز، با دربرداشتن مقادیر انبوهی از انرژی ، قابلیت اتصال مواد مختلف را افزایش داده اند.

تا عصر حاضر ، عمل جوش از طریق گرم کردن فلز تا حد جوش ( جوش ذوبی ) و ذوب شدن آن و و امتزاج در فلز درهم صورت می گرفته است . امروزه دانش پیوندهای بین اتمی فلزات امکان استفاده از فرآیندهای مولکولی و اتمی را بجای متدهای پیشین فراهم آورده است.

اتصال سرد ، جوش مافوق صورت ، جوش اصطکاکی ، انفجاری و جوش نفوذی از این جمله اند . وجه مشترک تمام این متدها در شکل فیزیکی ، تشکیل نوعی پیوند فلزی سیاه دو سطحی است که بایستی به هم متصل شوند ؛ در نتیجه ی تغییر شکل پلاستیک ، در عین جامد بودن فلز ، اتصال انجام می گیرد .
 مهمترین خصوصیت این متدهای جوش در مقایسه با جوش ذوبی ، امکان فرآیند اتصال در فلزات غیر همجنس بفرم جامد می باشد که در جوش ذوبی ، کاملاً محال می نماید.
این فرایندها بخصوص در قطعات دقیق با تلرانس خیلی کم ، ارزشمند محسوب شده و همان پرداخت نهائی در حین جوشکاری ، حفظ می شود .

قطعه جوش داده شده در روشهای مذکور ، عاری از هرگونه تنش های داخلی بوده و نیاز به عملیات حرارتی و کار مکانیکی ( پرداخت ، فرم دهی و … ) نخواهد داشت .
همچنین در شرایطی که استفاده از پلیمرها بجای فلزات ، بسیار مورد توجه است ، می توان بوسیله ی این روشها ( گازهای داغ ، اشعه ماوراء بنفش ، امواج مافوق صوت و …) پلیمرها را جوش داد.

 ۱-۱ تعریف وطبقه بندی جوشکاری:
جوشکاری فرایندی است که در آن ، اتصالی از نوع دائم ، بواسطه ی پیوندهای پایدار بین اتمی ، میان دو یا چند سطح مختلف انجام می شود و زمینه ی این عمل ، گرم شدن موضعی یا کلی و در نتیجه ی آن تغییر شکل دائم یا جزئی می باشد .

پیوند اتمی میان دو سطح وقتی برقرار می شود که یک انرژی خارجی اتمها را برای غلبه بر اتصال بین اتمی ، تحریک کند . این انرژی پیوندی ((Energy barriet of banding )) می گویند .
با فعال شدن اتمها ، آنها در شبکه ی کریسالی جدید جای می گیرند و در پی این فعل و انفعالات ، یک حالت تعادل بین نیروی جاذبه و دافعه بوجود می آید . میزان انرژی که بایستی اتمها بگیرند تا به مرز فعالیت برسند [ از طریق حرارت یا تغییر شکل دائم] ، انرژی فعالیت ((Activation Energy )) نام دارد . با توجه به نحوه ایجاد انرژی فوق ، عمل جوش به دو گروه عمده ی جوش ذوبـی ( نفـوذی ) یا ((Fusion Welding )) و جــوش فــشاری ((Pressur Welding )) تقسیم می شود.

متد فشاری ، صفحات بوسیله ی تغییر شکل پلاستیک بهم می چسبند . این عمل می تواند بوسیله ی یک فلز میانی یا خود دو فلز انجام شود . تغییر فرم دائم توسط اعمال یک نیروی استاتیکی یا دینامیکی انجام می شود . در این حالت ، به ناحیه ای از فلز جوش که پیوندهای بین اتمی ایجاد شده ، ناحیه ی پیوند (band zone ) می گویند . این ناحیه فقط چند دهم میکرون ضخامت دارد . با این وجود ، نقش بسیار مهمی در نحوه ی اتصال دارد .
در روش فشاری ، تغییر شکل در ناحیه ی جوش ، غیر یکنواخت می باشد و به این علت ، لایه به لایه در ناحیه ی اتصال ، فلزات روی هم می لغزند و جابجا می شوند .

در حالت ایده آل ، ارتباط میان درجه ی حرارت گرمایش [ در جوشکاری ذوبی – فشاری ] و تغییر شکل دائم ، بصورت منحنی هایی در دسترس قرار می گیرد .
گروه جوشــکاری مکــانیکی ، شامل تمام فرآیندهای جوشـکاری شامل فشار ( انرژی مکانیکی ) می شود که عبارتند از : جوشکاری سرد ، جوشکاری اصطکاکی ، جوشکاری مافوق صوت ، جوشکاری انفجاری و جوشکاری تخلیه ی مغناطیسی .

جوشکاری آهنگری – جوشکاری غلطکی ( که با گرم شدن قطعه کار همراه هستند .) ، جوشکاری مقاومتی ، جوشکاری فشاری ، جوشکاری واکنشی ، جوشکاری فشاری – القائی ، جوشکاری فشاری – گازی ، جوشکاری نفوذی ، جوشکاری قوسی – فشاری ( گرما بفرم موضعی اعمال می شود ) نهایتاً در فرآیندهای جوشکاری ترمومکانیکی ، سطوح اتصال هم می توانند ذوب شوند و هم می توانند ذوب نشوند.
بطور کلی می توان جوشکاری را به چهارگروه اصلی شامل جوشکاری ذوبی ، جوشکاری فشاری ، جوشکاری زرد ( برنج ) و لحیم کاری تقسیم نمود . جوشکاری اصولاً یک فرآیند متالوژیکی است و از همین دید نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت . سه قسمت عمده در ایجاد یک پیوند مناسب بین فلزات سهیمند :

۱- سازگاری متالوژیکی با فرآیند خاص جوشکاری مورد نظر
۲- قابلیت ایجاد قطعه ای که از نظر مکانیکی سالم است .

۳- قابلیت سرویس تحت نیاز و شرایط ویژه ( در حین کار )، سازگاری متالوژیکی بدین معناست که فلز با فلز دیگر پیوند بخورد بدون آنکه سازنده فاز های آلیاژی ناخواسته یا زیان آور بگردد. سلامتی مکانیکی نشان می دهد که پیوند جوشکاری با استانداردهای مهندسی و صنعتی مطابقت دارد یا خیر و اگر قطعه بوسیله ی روشهای تشخیص عیب مانند رادیوگرافی ، اولتراسوند ، یا سایر روشهای بازبینی ظاهر شوند ،

عاری از هرگونه ناپیوستگی ، تخلخل گازی ، انقباض ، نفوذ ناقص ، سرباره و تماس باشد . قابلیت سرویس تحت شرایط ویژه نشان می دهد که علاوه بر دارا بودن دو نیاز اول ، ممکن است لازم باشد که جوشکاری تحت شرایطی نظیر ضربه در دماهای پایین یا اعمال نیرو در دمای بالا و محیط های خورنده انجام گیرد . قابلیت جوشکاری فلز با نوع فرآیند جوشکاری تغییر چشمگیری می کند .
 ۲-۱ عوامل مؤثر در قابلیت جوشکاری :
• ۱-۲-۱ تماس فلزات Metal Contact

جوشکاری فشاری بطور کلی یک عمل پیوند زنی متالوژیکی است که در آن ، فلزات جوشکاری تحت فشار زیاد به هم جوش می خورند . در برخی فرآیندهای جوش فشاری مانند جوشکاری مقاومتی فلزاتی را که باید به هم پیوند بخورند

، تا یک درجه حرارت بالا گرم می کنند ، در صورتی که در سایر فرایندها مانند جوشکاری فشاری سرد ، عمل جوشکاری در درجه حرارت اتاق انجام می گیرد . در پروسه های جوشکاری در دمای پایین یا دمای بالا وجود یک اتصال فلزی خوب برای ایجاد جوش سالم ، ضروریست . به همین منظور ، سطح مورد جوش بایستی عاری از هرگونه کثافت ، روغن ، چربی، رنگ، پوشش ها ، و سایر مواد خارجی باشد . این مواد ممکن است شامل گوگرد ، سرب ، فسفر و سایر عناصری که تولید شکنندگی می کنند باشد .
روشهایی که برای تمیزکاری سطح به کار می روند عبارتند از چربی گیری بخاری ، تمیزکاری فراصوت ، چربی گیری در حمام مواد سوز آور و …

• ۲-۲-۱ تمیزکاری و آماده سازی سطح Surface cleaning & Prepartion
الف- گریس زدایی ( چربی گیری ) : Degreasing : این پروسه معمولاً بوسیله ی سود سوزآور ( گرم یا سرد ) فسفاتها و محلولهای پاک کننده انجام می شود . روغن زدایی می تواند به روش حلالی صورت گیرد که این حلالها می تواند فرئون ، تری کلرورتیلن و هیدروکربنهای مختلف مانند پنتا و کروزن ، باشد .

در سیستمهای جدیدتر فراصوت ، جریان فرکانس بالا باعث انفجار داخلی حبابهای اطراف قطعه می شود . فشردگی حبابهای منفجر شده که به خلأ زائی معروف است فشارهایی تا حدود ۲۰۰۰۰ پوند بر اینچ مربع ایجاد کرده و لکه ها و ناخالصیهای سطحی را از بین می برد .

 ب ) پوسته گیری : Descaling:
عبارتست از رفع لایه اکسیدی ضخیم و سایر محصولات خوردگی از سطح فلز توسط سایش مکانیکی یا شیمیایی ( اسید شویی ) . وقتی فلزی را در اسید می گذارند ، برای حذف اثر H آزاد شده ، از Inhibitors یا منع شده ها استفاده می شود و یا آنرا تا F 0 2000 حرارت می دهند تا H نفوذی از فلز آزاد شود ( در صورت امکان ) برای جلوگیری از اکسیداسیون پس از عمل پوسته گیری ، آنرا سریعاً خشک و ضد اکسیداسیون می کنند ( مثلاً فولاد را در محلول رقیق اکسید کرومیک فسفریک (نسبت ۴-۶ اسیدکرومیک فسفریک در ۱۰۰ گالن آب ) قرار می دهند .)

روشهای مکانیکی سایش سطح عبارتند از : ساینده یا شن پاشی ، ساچمه زنی ، سنگ کاری، پرداخت کاری ، و تمیزکاری توسط شعله که البته از روش اسید شویی خشن تر است . ساچمه زنی در جوشکاری یک عمل جرم زدای مهم محسوب شده و طی آن لایه های سطحی در معرض تنشهای سطحی با فشار مناسب قرار می گیرند و باعث افزایش مقاومت خستگی شده احتمال شکنندگی براثر تنشهای کششی موجود در سطح را کم می کنند .

به علاوه در حین پروسه ی پوسته گیری ، مساحت سطح قطعه بدلیل اثر متقابل برجستگی ها و فرورفتگیها (Peales x Valleys ) افزایش می یابد و به سطح حقیقی نزدیک می شود . مثلاً سطوح خشن شده توسط دانه های کربورسیلیسم ۴۰۰ مش تا دانه فولادی ۶۰ مش ، حداقل ۲۰ برابر افزایش سطح دارند و قطعات آلومینیمی نیز به سبب ساختمان متخلخل پوشش آندی ، ۲۰ برابر افزایش سطح دارند .

 ج) پلیسه گیری : Deburring:
متدیست که برای رفع تبخیرآنی (Flash )، ناصافیها (Burrs ) لبه های تیز و خراشیدگیها روی قطعات فلزی استفاده می شود و شامل پرداختکاری شبکه ای ( Barrel tumbling ) جلاکاری ارتعاشی (Vibratory Finshing ) و پلیسه گیری برقی (Electrodeburring ) است . نهایتاً وجود پوسته ی اسیدی می تواند سدی در برابر جوشکاری ( فشاری یا ذوبی ) باشد . چون نقطه ی ذوب لایه ی اکسیدی عموماً از فلز پایه بیشتر است و لذا حتماً بایستی ابتدا تمیزکاری سطح انجام شود . همچنین می توان علاوه بر روشهای فوق با تراشکاری نیز می توان پوسته ی اکسیدی را زدود .

• ۳-۲-۱ فشار پیوند خوردن : Bonding Pressure:
در جوشکاری فشاری سرد ، بهم پیوستگی فلزات جوشکاری بدون وجود فشار و حرارت خارجی صورت می گیرد . سطوح بایستی قبلاً تمیز شده باشند . پس قطعات را در تماس با هم قرار داده و برای ۳۰ تا ۸۰ % ایجاد سرد کاری ، به اندازه ی کافی فشار اعمال می کنند . این فشار مثلاً برای آلو مینیم ۲۵ تا Psi 35000 می باشد که یا ضربه ایست و یا پیوسته ( یکسان تأثیر دارند . )

فشار بر روی یک نوار با یک فلزی وارد می شود . طوریکه فلز در منطقه ی جوش ، روان شود و لایه های گاز رطوبت و اکسید گسیخته شده و فلزات به اندازه ی کافی به هم نزدیک و جوش بخورند . فلزاتی که به نحو احسن می توانند جوشکاری سرد شوند عبارتند از : مس ، آلومینیوم ، سرب ، نیکل و روی و مونل . استحکام جوش های فشاری سرد در فلزات چکشخوار ، ۹۰ تا ۱۰۰ % استحکام فلز اصلیست . یکی از مهمترین مزایای جوشکاری سرد ، سادگی ابزار مورد نیاز ، سرعت که می تواند مؤثر باشد ، و عدم ایجاد منطقه ی حرارت دیده ( HAZ ) می باشد .

در فرایندهای جوش فشاری در حرارت زیاد ، بویژه متدهای جوش مقاومتی ماند و اصطکاکی حرارت بوسیله ی مقاومت الکتریکی فلز پایه یا اصطکاک مالشی بدست می آید .

هم جوشی در منطقه ی جوش از طریق حرارت و فشار ایجاد می شود . در اکثر موارد بی آنکه قطعه ذوب شود ، جوش انجام می شود و عمل آهنگری موجب ریزتر شدن ساختمان دانه ای می گردند . فشار لازم برای جوشکاری مقاومتی ( برش الکتریکی ) از Psi 4000 تا psi 8000 می باشد . هرچند ممکن است برای جوش جرقه ای نیروی Psi 25000 لازم باشد . فشارکم بین الکترود و قطعه کار ، مقاومت زیادی ایجاد و موجب سوختگی سطحی و ایجاد حفره در الکترود می کند . از سوی دیگر فشار بیشتر از حد نیز موجب فوران فلز مذاب از سطح کار و یا نفوذ الکترود در قطعه کار می شود . بهترین حالت وقتی است که قبل و در خلال مراحل اولیه ی جوشکاری و به منظور دستیابی به مقاومت مناسب پیوند متوسطی اعمال شود و سپس فشار جوشکاری اضافه شود تا به درجه حرارت مناسب برای جوشکاری دست یابیم . برای جوشکاری یک میله فولاد کربنی به قطر”۱ ، فشار محوری Psi 1500 و سرعت rpm 1500 لازم است . در صورتیکه میله ی فولادی ضد زنگ در همان شرایط ، در rpm 3000 به Psi 1200 فشار نیاز دارد .

• ۴-۲-۱ دمای پیوند زنی : Bonding Temperature:
در جوشکاری فشاری ، این درجه حرارت می تواند بیش از حرارت تبلور مجدد ( مثل جوش با مقاومت الکتریکی ) یا برابر یا پائینتر از آن باشد ( مثل جوشکاری شکافی سرد یا جوش لب به لب یا لبه ای )

دماهای عملیات پیوندزنی مانند جوشکاری اصطکاکی و جوشکاری انفجاری ، معمولاً یک دوم تا دو سوم دمای ذوب فلزات پیوندی هستند . در جوشکاری فراصوتی این دماها ممکن است ۳۵ تا ۵۰ % دمای ذوب باشند . ازدیاد درجه حرارت حرکت نفوذی اتمها را در فصل مشترک پیوند تسریع و با نرم کردن فلز پیوند بهتری می سازند .
• ۵-۲-۱ استحکام پیوند فلزی : Metal Bond Strength:
در جوشکاری فشاری ، هیچ گونه منطقه ی ذوب معمولی جوش ( مانند جوشهای الکترودی و گرمائی ) وجود ندارند . زیرا معمولاً فاز مایعی در آن یافت نمی شود . با این وجود ، ماده در منطقه ی جوش ممکن است تغییراتی داشته باشد . خصوصیات ساختمان میکروسکوپی جوشهای فشاری عبارتند از :
۱- اثرات سطح مشترکی ( بین رویه ای ) مانند شکستگی و پراکندگی لایه های سطحی .

۲- اثرات حین کارکردن مانند جریان پلاستیکی ، تغییر شکل دانه ها و اکستروژن لبه ای .
۳- اثرات لبه ای مانند تبلور مجدد ، رسوب ، نفوذ و دگرگونی فازی .

فصل دوم
 ۱-۲ جوشکاری حالت جامد :
اخیراً ثابت شده است که فلزات در دمای اتاق هم قابل اتصالند . این عمل توسط ایجاد پیوندهای فلزی در دو سطح مورد اتصال ، انجام می گیرد . بطور ایده آل ، تشکیل اتصال فلزی بوسیله ی جوشکاری سرد ، و یا پیوند ( Bonding ) بطریق زیر متصور است :

دو قطعه ی بسیار صیقلی و تمیز در اختیار است . هرکدام از ایندو، مجموعه ای از بارهای (+) و (-) می باشد به گونه ای که هر قطعه بدون عیب و با استحکام کافی دارای پایداری است . اگر دو قطعه کاملاً نزدیک هم قرار گرفته و به هم بچسبند ، الکترونهای فرار از هر قطعه ، بین آندو مشترک می شود و در نتیجه نیروی عکس العمل بین سطوح زیاد می گردد . بنابراین وقتی دو سطح تماس کامل داشته باشند ، نیروهای عکس العملی بین اتمها ، خودبه خود زیاد شده و یک اتصال محکم و قدرتمند بوجود می آید .

ولی در عمل ، یک فلز هرگز صیقل کامل نمی خورد و همواره اعجاج ماکروسکوپی در سطح دارد.
[ ultra Mic or Macroscopic] و همین ناهمواریها ، مساحت واقعی تماس را چند برابر مقدار واقعی می کند .
بدلیل وجود نقاط ناهموار میکروسکوپی ، لایه های سطحی فلز دارای انرژی سطحی قابل ملاحظه ای در اثر پیوندهای فلزی اشباع نشده ، جاهای خالی و نیز نابجائی ها Vacancies & Dislocations می باشد

. بنابراین عکس العمل های شدیدی بین انتهای سطح فلز و محیط ایجاد می شوند .
دقیقاٌ بلافاصله پس از سطح فلز ، یک ابر پیوسته از الکترونهای متحرک موجود است که متناوباً از سطح جدا و به آن مجدداً می پیوندند (dipole 7 Double electric ) دانسيته بار این لایه که شامل دو قطب + و – می باشد ، ثابت نمی ماند و به هندسه ی میکروسکوپی و سطح وابسته است . به همین دلیل لایه های سطحی فلز بسیار فعالند . سطح فلز همیشه با اکسیدهای مایع و گاز پوشانیده شده و هرگاه این سطح بطور ایده آل و در فشار کمتر از mmhg 9- 10 کاملاً تمیز شود ، سطح فلز عاری از این اضافات می شود .

این سطح تمیز ، مدت زیادی نمی تواند دوام داشته باشد . تشکیل اتصال قوی مابین فلزات ، در متد پیوند سرد ، با تغییر شکل دو جانبه و طی سه مرحله انجام می پذیرد .
در طی مرحله ی اول؛ سطوح مورد اتصال بایستی بطور کامل به هم نزدیک شوند .
در مرحله ی دوم ؛ metallic contact یا اتصال بین فلزی شکل می گیرد .

در مرحله ی سوم ؛ یک اتصال جوش قوی تولید می گردد . اکنون این مراحل به تفصیل مورد بحث قرار می گیرد :
زمانیکه دو سطح کنار هم قرار داده می شوند ، ناهمواری های میکروسکوپی و نقاط موجی شکل تشکیل می یابند . ابتدا این دو قطعه یکدیگر را در نقاط منفرد بالاتر از سطح ، لمس می کنند . برای تماس بیشتر به مساحت زیادتری نیاز است . این عمل بوسیله ی وارد آوردن نیرو انجام می شود .
به دلیل وجود لایه های سخت و نازک اکسیدی ( Fragile ) میزان نیرو بسیار بالا خواهد بود .

البته اگر نیرو کافی نباشد اتصالی بدست می آید که پلاستیسته ی آن کم و استحکام ضربه ای آن ناکافیست . لایه های نازک روغنی یا ارگانیک آلی ، اثر به مراتب زیان آورتری دارند و اگر مقدارشان زیاد شود بطور کامل از ایجاد پیوند جلوگیری می کند و حتماً بوسیله ی حلال های قوی بایستی آنها را زدود .

مرحله ی دوم هنگامی رخ می دهد که مساحت اتصال فلزی بین دو قطعه زیاد می شود و بلورهای مشترکی بین دو سطح تولید می گردد.
زمانیکه تماس فلزی کاملاً شروع به شکل گیری می کند ، بلورها و شبکه های کریستالی ، توسط لایه های نازک از یک ترکیب پیچیده جدا می شوند .
در حین این تغییر ، سطح فشرده شده در تماس با اتمسفر نیستند و هیچ گونه لایه ی نازک دیگری نمی تواند شکل بگیرد . بنابراین فیلم های شکننده از میان رفته و لایه های مایع و گاز بخشی به بیرون رفته و بخشی جذب فلز شده به آن نفوذ می کنند .

در مرحله ی سوم ، پروسه شامل حرکتهای مختلف ذرات ناشی از نفوذ است و به زمان کافی جهت تکمیل این مرحله ،احتیاج است .
مراحل شکل گیری اتصال جوش که در بالا ذکر شد ، اساساً در فرآیندهای جوشکاری حالت جامد solid state welding استفاده می شود که می تواند به روشهای گوناگون اتصال یا کنار هم قرار دادن ، تشکیل تماس فیزیکی و ساختن اتصال قوی جوش خورده ، تقسیم شود . آشکار است که برای پیوند یا جوش سرد ، از متد جوش نفوذی و اصطکاکی استفاده شود . ( مراحل فوق برای متد انفجاری ، الکترومغناطیس ، مافوق صوت هم صادقند .)

مهمترین وجه تمایز جوشکاری در حالت جامد ، با سایر متدهای جوش ، آن است که عمل ذوب ( اگرهم صورت بپذیرد ) ، نقش اصلی را ایفا نمی کند و جوش در حالت جامد انجام می شود . فرآیند جوشکاری در حالت جامد نیز هر یک به زیر دسته هایی تقسیم می شوند که متداولترین آنها عبارتند از :

– جوشکاری اصطکاکی Friction Welding
– جوشکاری پتکه ای یا آهنگری Forge Welding
-جوشکاری فشاری Pressure Welding
– جوشکاری فراصوت ( با امواج صوتی ) ultrasonic Welding
متدهای دیگری نیز در دسته بندی جزو جوش حالت جامد محسوب می شود که بدلیل آنکه از نظر کاربرد ، وسعت و معروفیت چندانی ندارند ، از ذکر آنها صرف نظر می شود .

 جوش اصطکاکی Friction Welding
اساس فرایند جوش فوق بر اصل تبدیل انرژی مکانیکی ( جنبشی ) به انرژی گرمایی استوار می باشد . در این روش ، دو قسمت قطعات مورد اتصال ، به هم نزدیک شده ( با فشاراولیه ) و با ایجاد گرما توسط حرکت دورانی سریع یکی بر دیگری و مالش و اصطکاک دو قطعه ، موجب ایجاد حالت پلاستیسیته ( خمیری ) در لبه های اتصال شده و با فشار اعمال شده ی نهائی دو قطعه به هم فرو رفته و عمل اتصال انجام می گیرد .

اصلی ترین متدها ، در این روش ( با کمی تفاوت در فرآیند ) عبارتند از :
۱-۲-۲ جوشکاری اصطکاکی مداوم continuous-drive friction
2-2-2 جوشکاری اصطکاکی لحظه ای Inertia – Friction
در روش مداوم ، یک قسمت از قطعه کار ، در مقابل جز، ثابت قطعه حرکت گردشی ( با فشار کافی) داشته ، موجب ایجاد حرارت در سطح مالش می شود .
وقتی حرارت کافی ، ایجاد گردید ، حرکت دورانی با ترمز ، متوقف می شود (بطور آنی )و احیاناً نیروی فشاری نهائی اعمال می شود .

قرار گرفتن کامل دو میله یا دو لوله در محور یک دیگر ویا میله به صفحه ( در یک نقطه ی تعیین شده) سرعت گردشی دوران ، فشار اولیه برای ایجاد اصطکاک ( حرارت مورد نیاز ) ، زمان و بالاخره فشار نهائی برای فروبردن لبه های داغ شده درهم ، بطور دستی یا خودکار بایستی کنترل شوند .
از نظر اقتصادی ، فرآیند بایستی به گونه ای باشد که ماشین پس از انجام جوش سریعاً متوقف شود . چون ادامه گردش ، از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه نیست .

چرا که یا باعث نیروی پیچشی در جوش و احتمالاً شکست آن می شود و یا دستگاه را مستهلک می کند . لحظه ی توقف از طریق زمان سنج ها و یا میزان کاهش طول و یا فروبردن upset دو قطعه درهم ، سنجیده می شود .
در متد دوم ، انرژی دورانی برای انجام جوش ، در یک فلایویل یا چرخ آزاد ، ذخیره شده که قسمتی از آن به کمک سه نظام یا چهار نظام (گره) قطعه کار را دربر می گیرد .

برای انجام اتصال ، کافیست که قسمتی که در حال گردش است ، در مقابل قسمت ثابت قرار گرفته و چرخ در حال گردش از منبع قدرت آزاد شود . در این صورت اصطکاکی بوجود آمده و سبب بوجود آمده نیروی ترمز می گرددکه خود باعث تبدیل انرژی جنبشی به حرارت می گردد.
وزن چرخ و سرعت دورانی آن در لحظه ی جدا شدن فاکتورهای مهم در میزان حرارت ایجاد شده در سطح مالش هستند .( شکل زیر دورانی را شماتیک نمایش داده )
بطور کلی اساس کار در هر دو روش ، تبدیل انرژی جنبشی دورانی به انرژی حرارتی می باشد معمولاً اینگونه ماشینها علاوه بر موتور برای تولید انرژی جنبشی دارای سیستمهای پنوماتیک یا هیدرولیک جهت اعمال فشار و ترمز نیز می باشند .

اکنون به طور اجمالی در مورد ماهیت فرآیند جوش اصطکاکی ( مولکولی ) توضیح می دهیم .
تمام سطوح به ظاهر صاف ، در مقایسه با سطح کاملاً صیقلی ، خشن بوده و برآمده و فرورفته است. علاوه بر آن ، لایه ی نازکی از اکسید و سایر ناخالصیها نیز بر روی سطح پوشیده شده است .
هرگاه این سطوح به قدرکافی در کنار هم قرار نگیرند ، یکنوع نیروی چسبندگی بین مولکولی Force of inter molecular cohesive میان آنها شکل نمی گیرد و اتصال انجام نمی شود . بنابراین هدف اصلی در جوشکاری اصطکاکی ، بر طرف ساختن این ناهمواریها و ناخالصیها و وارد ساختن فشار کافی جهت اتصال دو سطح است .

وقتی دو سطح بر روی هم تحت فشار معین مالیده می شوند ، نقاط بلند به یکدیگر تصادم کرده و از بین می روند و همزمان ، سطح اکسیدی برداشته شده و دو سطح کار ، در تماس کامل با یکدیگر قرار می گیرند .

یک باند یا چسبندگی موقت seizures در این نقطه بوجود می آید . در ادامه ی حرکت این چسبندگی بریده شده و یک باند تازه تر ساخته می شود . به این ترتیب انرژی مکانیکی به انرژی حرارتی تبدیل و درجه حرارت سطح را افزایش می دهد . همزمان با افزایش درجه حرارت ، استحکام در برابر فشار کم شده و فرم پذیری بیشتر می گردد .

نقاط بلند یا برآمدگیها ، به سرعت محو می شوند و سطوح در حالت چسبندگی کامل قرار می گیرند . اگر نرخ حرارت ورودی بیشتر از حرارت هدایت شده به خارج سطح تماس ( حرارت فروکشی ) باشد ، درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیکی نیز بیشتر می گردد ، تا آنجا که استحکام قشاوی ، قادر به تحمل فشار وارده نبوده و سطح زیر فشار وسیع تر شده و لبه ها درهم فرو می روند و حتی کمی به بیرون بر می گردند . حرکت لایه ی سطحی از فلز اگر به اندازه ی کافی بالا باشد ، می تواند بی اکسیدها و ناخالصی ها چیره شده و آنها را به اطراف منتقل کند .

این فرآیند از نظر درجه حرارت (( حوزه تنظیم )) بوده و معمولاً درجه حرارت زیر نقطه ی ذوب است . بدین معنی که اگر فاز مایع در انتهای تناوب زمانی بوجود آید ، در سطح مشترک پخش شده و نقش سیال روغنکاری را ایفا می کند و سبب کاهش ضریب اصطکاک و حرارت ایجاد شده گردیده و در نتیجه لایه ی فاز مایع ، به جامد تبدیل میشود .

در این فرآیند ، فاکتورهای قابل کنترل عبارتند از :
– نیرو یا فشاراصطکاکی – سرعت حرکت دورانی
– زمان اصطکاک – فشار نهایی یا اکسترود
هر یک از این فاکتورها ، برحسب مساحت سطح تماس ، نقطه ی ذوب و ضریب انتقال حرارت هدایت (K ) در قطعه کار و تغییرات متالوژیکی که در دامنه ی حرارت دهی به قطعه بوجود آمده است ، تنظیم می گردند . فشار اصطکاکی ، مستقیماً میزان گشتاور مورد نیاز برای جوش را تغییر می دهد . یعنی معادله ی تغییرات گشتاور با فشار ، خطی است

.
وقتی فشار و ضریب (( مؤثر اصطکاک )) Effecfive coefficient of friction کم باشند ، و در شروع کار که ناهمواریهای بزرگتر بر روی سطوح تماس قرار دارند ، به محض حذف آنها ، ضریب مؤثر اصطکاک پایین آمده و در ادامه ی تشکیل و بریدن سطوح چسبندگی مقدارش افزایش و به حد Max خود می رسد .

اگر نرخ حرارت ایجاد شده برای حالت پلاستیکی کافی نباشد ، سطوح خشن تر شده و به افزایش گشتاور نیاز است . نیروی اصطکاک کم ، باعث می شود تا مقدار بیشتری از حرارت در بدنه ی اصلی فلز جذب شود که در برخی موارد مفید نیست و فرورفتن بیشتری لازم است تا اتصال بطور کامل انجام شود .

افزایش نیروی اصطکاک ، موجب کاهش ضریب اصطکاک مؤثر و نیروی گشتاور می شود .
خشنی سطح اولیه سریعتر کاهش یافته و در نتیجه جوش سریعتر و با منطقه ی متأثر از حرارت جوش (HAZ ) باریکتری تشکیل می شود . کار با اصطکاک بالا مشکل است چون ترمز کردن آن مشکل می شود و در فلزات نرم سبب خم شدن قطعه کار می گردد . معمولاً برای فلزاتی چون مس و Al از نیروی کم و برای فولادهای سخت از نیروی اصطکاک بالا حتی بیشتر از حد فشار نهایی استفاده می شود. برای فولادهای متداول معمولی Mild Steel فشار اصطکاکی حدود N/M2 75-15 می باشد .

سرعت حرکت دورانی یا گردشی ، فاکتور دیگریست که نقش مهمی دارد و با ضریب مؤثر اصطکاک ، نسبت معکوس دارد . برای فلزات با K زیاد و لایه ی اکسید سنگین ، معمولاً سرعت دورانی بالاتر انتخاب می شود . در بخش محیطی مقطع جوش ، درجه ی حرارت ماکزیمم و در مرکز قطعه کار ، دما صفردرجه است

. زیرا حرکت نسبی در مرکز صفر است و هدایت ، سبب یکنواخت شدن درجه حرارت در تمام سطح مقطع می شود . اگر سرعت عملیات جوشکاری خیلی زیاد باشد ، عمل هدایت حرارتی کامل انجام نشده و ضخامت قشر پلاستیکی ، به طرف مرکز ، کم می گردد. ضمن آنکه افزایش گشتاور در هنگام توقف ، سبب آزاد شدن لحظه ای انرزی حرارتی شده و منجر به وسیع شدن منطقه ی پلاستیکی و افزایش درجه حرارت می شود .

در جریان این مرحله ، نرخ فرو بردن افزایش داده می شود . لذا مرحله ی توقف باید دقیقاً کنترل شود ( مخصوصاً وقتی تلرانس خیلی دقیق باشد ) نسبت UPSET یا نرخ فروکشی با فشار خطی است و شیب خط تابع سرعت نیست

. در فشار کم و سرعت بالا ،UPSET بایستی کم باشد و بالعکس . وقتی که میزان Upset کم باشد ، پهنای منطقه ی متأثر از جوش (HAZ ) زیاد می شود . هرچند برای فولاد کم آلیاژ (معمولی ) سرعت گردشی ، اثر کمی بر روی کیفیت جوش دارد ، ولی برای فولادهای آلیاژی سرعت بالا ، منجر به تولید جوشی با خواص ضربه ای بهترمیشود . لازم به ذکر است که سرعت گردشی ، اثر مهمی بر روی شکل و فرم طوقه ی اکسترود یا حلقه ی برگشته دارد . سرعت محیطی بالای m/s 5 ، حلقه ی یکنواخت و همگنی را بوجود می آورد ولی سبب ایجاد مشکل به هنگام مشکل های آنی می شود . ضمن آنکه زمان اصطکاک ، فاکتوریست که تابع سرعت و فشار اصطکاکی است .

فرآیند جوش اصطکاکی نیز دارای یکسری معایب و مزایاست ، مزایای آن :
o مزایای جوش اصطکاکی :
– عدم نیاز به فلاکس یا روانکار – عدم نیاز به مفتول پرکننده و گاز محافظ
– نیاز به انرژی ( الکتریکی ) کمتری از سایر روشها دارد . عملیات جوشکاری بدون ایجاد قوس الکتریکی ، دود و گاز بوده و فقط کمی جرقه تولید می شود .
HAZ در این جوش خیلی باریک بوده و حتی منطقه ی جوش دارای دانه های ریزتری از فلز اصلی است .

 

o محدودیتهای جوشکاری اصطکاکی :
– حتماً بایستی یکی از دو قطعه ی کار ، گرد باشد ( یا شش گوش ) ضمن آنکه حتماً به فرم و طراحی باشد که قابل بسته شدن به گیره بوده و بتوان آنرا به گردش درآورد .