عنوان اختراع: اتصال ورق های فولادی به روش اصطكاكی اغتشاشی نقطه ای (FSSW)

خلاصه اختراع

عنوان اختراع : اتصال ورق های فولادی به روش اصطكاكی اغتشاشی نقطه ای (FSSW) زمینه فنی اختراع مربوطه به شرح زیر می باشد: مدت زمان زیادی است كه گرمادهی اصطكاكی به عنوان یك روش فرآوری و عملیات روی مواد شناخته شده است. در نوآوری حاضر، برای اولین بار در كشور از فشار و گرمای اصطكاكی حاصل از تماس یك ابزار سخت و غیر مصرفی با ورق های فولادی، اتصال نقطه ای بین آنها برقرار میگردد. در این فرآیند دو مكانیزم فورجینگ و اكستروژن دخیل می باشد، توسط این فرآیند، جوش های نقطه ای توسط اعمال فشار عمودی توسط ابزار چرخان و فرورفتن آن در ورق حاصل میگردند. به عبارتی، ابزار به صورت چرخان وارد ماده گردیده و در عمق مورد نظر به مدت زمان كوتاهی نگه داشته می شود و در نهایت ابزار ازداخل نمونه مورد نظر خارج میگردد. از آنجاییكه اتصال فلزات توسط روش های ذوبی دارای مشكلاتی چون ایجاد ساختارهای نامناسب متالورژیكی، تركیبات بین فلزی نامطلوب، تنش های پسماند، اعوجاج و مصرف انرژی بالا می باشد لذا روش جدیدی در اتصال فلزات می باشد، در این روش رابطه نزدیكی بین متغیرهای جوشكاری، اندازه دانه و خواص مكانیكی جوش حاصله وجود دارد. در حقیقت تغییرات ظاهری و ریزساختاری در حین فرآیند جوشكاری می تواند مستقیما تحت تاثیر افزایش دما و سیلان مواد قرار گیرد و این امر توسط پارامترهای جوشكاری تعیین می شود. با توجه به مشكلات جوش های ذوبی كه در بالا مطرح گردید، این روش اتصال نوآوری شده، می تواند جایگزین فرآیند جوشكاری مقاومتی نقطه ای مرسوم برای اتصال فولاد بدنه خودروهای داخلی گردد. مشكل فنی و بیان اهداف: از آنجاییكه اتصال فلزات توسط روش های ذوبی دارای مشكلاتی چون ایجاد ساختارهای نامناسب متالورژیكی، تركیبات بین فلزی نامطلوب، تنش های پسماند، اعوجاج و مصرف انرژی بالا می باشد، لذا با توجه به اینكه این روش زیرمجموعه ای از فرآیندهای حالت جامد بوده و عمده مزایای حالت جامد را داراست بنابراین در دكمه جوش های حاصل شده، مشكلات مطرح گردیده یا برطرف شده و یا به حداقل مقدار ممكن كاهش می یابند. شرح وضعیت دانش پیشین و سابقه پیشرفت هایی كه در ارتباط با اختراع ادعایی وجود دارد: ورق های فولادی كاربرد گسترده ای در ساخت بدنه خودرو دارند و تاكنون در كشور ما اتصال آنها توسط روش مقاومتی نقطه ای موسوم به RSW انجام گرفته است كه این فرآیند جزء روش های ذوبی بوده كه مشكلات را كه قبلا مطرح گردید را دارا می باشد در ضمن هیچگونه سابقه ای مبنی بر اتصال نقطه ای توسط روش اصطكاكی در داخل كشور گزارش نشده است. ارائه راه حل برای مشكل فنی موجود همراه با شرح دقیق: با توجه به اینكه در صنعت خودرو سازی، دكمه جوش ها توسط روش مقاومتی كه فرآیندی ذوبی است ایجاد میگردند لذا پاشش مذاب از فصل مشترك اتصال و نازك گردیدن موضع اتصال و كاهش ضخامت موثر در موضع اتصال راخواهیم داشت كه می تواند محل ایجاد و اشاعه ترك واقع گردد كه در اتصالات ایجاد شده توسط فرآیند اصطكاكی كه روش اتصال در حالت جامد می باشد این مشكل برطرف میگردد، در ضمن استفاده از روش مقاومتی مستلزم عاری بودن كامل سطح سطوحی می باشد كه قرار است به همدیگر متصل گردند كه در غیر اینصورت آلودگی های وارد دكمه جوش شده و مسبب ایجاد آخال و عیب خواهند شد و مقاومت به خوردگی دكمه جوش را كاهش خواهند داد، در نتیجه تمیزكاری مكانیكی و شیمیایی قبل از انجام جوشكاری نیاز می باشد كه در مقیاس صنعتی هم هزینه بر بوده و هم وقت گیر می باشد كه در روش اصطكاكی نقطه ای در اثر تماس و سایش ایجاد گردیده توسط ابزار این آلودگیها برطرف شده و نیاز به تمیزكاری نمی باشد.برای ایجاد جوش های مقاومتی نقطه ای، اتلاف انرژی الكتریكی بالا می باشد بالاخص چنانچه هدایت الكتریكی ماده مورد نظر زیاد باشد، اتلاف انرژی چند برابر خواهد بود كه در جوشكاری مقاومتی آلومینیوم با این مشكل مواجه می باشیم، در جوش های مقاومتی نقطه ای بوجود آمده منطقه متاثر از حرارت وسیع تر و ایجاد ساختار دانه درشت را خواهیم داشت كه منجر به كاهش عمر خستگی در دكمه جوش خواهد شد كه با ایجاد اتصال توسط این روش جدید، این مشكلات برطرف میگردند. تصاویر مربوطه به شكل و هندسه ابزار مورد استفاده در شكل (الف ،ب) و نمونه اتصال در شكل(د) و نمونه شكست در شكل (ه) نشان داده شده است. همانطور كه در اشكال الف و ب نشان داده شده است، ابزار انتخاب گردیده دارای قطر شانه 16 میلیمتر و پین مخروطی شكل می باشد كه منجر به ایجاد اتصالات با استحكام بالا میگردد. در شكل ج پشت بند، روبندها، نحوه قرار گیری نمونه مورد جوشكاری و چگونگی انجام جوشكاری نشان داده شده است . در شكل (و) دكمه جوش به جای مانده از تست كندگی نشان داده شده است و بیانگر اتصال سالم بوجود آمده می باشد. نمونه جوشكاری شده در شكل (د) نشان داده شده است و پلیسه اطراف نقطه جوش و نواحی متاثر از حرارت در اطراف دكمه جوش قابل مشاهده است. نمونه شكسته شده پس از انجام تست كشش در شكل (ه) قابل مشاهده است و همانطور كه مشاهده میگردد شكست در فلز پایه انجام گرفته و بر این اساس بر طبق استانداردهای جوشكاری این جوش قابل قبول می باشد، قبل از شكست، گلویی شدن در فلز پایه را نیز شاهد می باشیم كه نشان دهنده ی شكست نرم می باشد. مزایای اختراع ادعایی به شرح زیر می باشد : مزایای جوشكاری تلاطمی اصطكاكی نسبت به روش های جوشكاری ذوبی 1-\\\\\\\\\\\\\\\\tخواص بهتر ماده در ناحیه جوش و HAZ از آنجاییكه اتصال مواد در محدوده ی دمایی پایین تر از نقطه ذوب آنها انجام میگیرد لذا خواص مواد در مواضع اتصالی بهتر خواهد بود . 2-\\\\\\\\\\\\\\\\tعیوب كمتر در جوش 3-\\\\\\\\\\\\\\\\tایجاد سختی بیشتر در ناحیه جوش نسبت به اتصال ایجاد شده توسط بعضی از فرآیندهای جوشكاری ذوبی مانند لیزر 4-\\\\\\\\\\\\\\\\tاعوجاج و انقباض كمتر از آنجاییكه در طی این فرآیند اتصال حرارت كمتری نسبت به سایر فرآیندهای جوشكاری ایجاد میگردد لذا انبساط كمتری خواهیم داشت و متعاقب آن انقباض به وجود آمده كمتر خواهد شد. 5-\\\\\\\\\\\\\\\\tعدم به وجود آمدن دود و گاز در طی جوشكاری 6-\\\\\\\\\\\\\\\\tتخلخل كمتر در ساختار جوشكاری 7-\\\\\\\\\\\\\\\\tعدم پاشش مواد در طی جوشكاری 8-\\\\\\\\\\\\\\\\tامكان انجام جوشكاری در هر موقعیت نیروی جاذبه زمین بر خلاف برخی دیگر از روش های جوشكاری در این فرآیند، تاثیرگذار نمی باشد. 9-\\\\\\\\\\\\\\\\tتعداد متغیرها در این فرآیند كم می باشند متغیرهای اصلی در فرآیند جوشكاری تلاطمی اصطكاكی خطی عبارت اندز: 1- سرعت چرخش ابزار 2- سرعت پیشروی ابزار 3- نیروی اعمالی بر ابزار به سمت پایین در نتیجه كنترل فرآیند تسهیل گردیده و تعیین شرایط بهینه عملیاتی فراهم میگردد. 10- بهبود عمر خستگی نسبت به بعضی فرآیندهای جوشكاری نتایج حاصل از مطالعات انجام گرفته بیانگر آن است كه عمر خستگی اتصالات حاصل از جوشكاری تلاطمی اصطكاكی می تواند تا دو برابر بیشتر از اتصالات حاصل از جوشكاری لیزر كه بر روی همان ماده انجام میگیرد باشد. 11 – عدم نیاز به دقت ابعادی بالا نسبت به بعضی از فرآیندهای جوشكاری مانند لیزر 12- هزینه ماشین كاری كمتر نسبت به بعضی دیگر از فرآیندهای جوشكاری به عنوان نمونه، هزینه ماشین كاری نمونه ها در جوشكاری اصطكاكی نسبت به جوشكاری لیزر در حدود 10/1 الی 5/1 برابر كمتر می باشد. با توجه به مزایایی كه ذكر گردید، جوشكاری اصطكاكی اغتشاشی برای بسیاری از كاربردها مناسب می باشد. كاربردها: 1-\\\\\\\\\\\\\\\\tدر صنایع هوافضا برای اتصال مخازن خارجی موشك ها و ساخت قسمت های مختلف هواپیماهای سبك به همراه مواد درزگیر 2-\\\\\\\\\\\\\\\\tدر صنایع اتومبیل سازی برای اتصال كاپوت و درب ها 3-\\\\\\\\\\\\\\\\tجایگزین نمودن جوشكاری اصطكاكی اغتشاشی نقطه ای با مقاومتی نقطه ای و پرچ كاری 4-\\\\\\\\\\\\\\\\tتركیب نمودن جوشكاری اصطكاكی اغتشاشی نقطه ای با مقاومتی نقطه ای و یا پرچكاری برای ساخت ساختارهایی با كارایی بالا. روش اجرایی برای به كارگیری اختراع: این روش را می توان جایگزین فرآیند جوشكاری مقاومتی نقطه ای معمول كه در صنایع خودروسازی داخلی برای اتصال قسمت های مختلف بدنه خودرو استفاده میگردد نمود و از آنجاییكه این فرآیند قابلیت اتوماسیون نمودن را نیز دارد لذا به صورت جوشكاری روباتیك می تواند مورد استفاده قرار گیرد، برای این منظور تجهیزات ذیل مورد نیاز است: 1-\\\\\\\\\\\\\\\\tساخت فریم C شكل 2-\\\\\\\\\\\\\\\\tنصب الكتروموتوراعمال كننده ی نیروی عمودی ابزار بر روی فریم 3-\\\\\\\\\\\\\\\\tنصب الكتروموتور ایجاد كننده حركت چرخشی ابزار بر روی فریم 4-\\\\\\\\\\\\\\\\tساخت سندان مناسب و نصب آن بر روی فریم 5-\\\\\\\\\\\\\\\\tنصب سه نظام برروی فریم به منظور قرار گرفتن ابزار در داخل آن و مهار آن در موقع چرخش 6-\\\\\\\\\\\\\\\\tآبگرد نمودن فریم در موضع ابزار، به منظور خنك نمودن ابزار و افزایش عمر ابزار جوشكاری تصاویر در پیوست آورده شده است.