ما هو لحام الاحتكاك؟

اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW) عبارة عن تقنية لحام بالحالة الصلبة تشكل خط اللحام عن طريق تحريك المعدن يدويًا لإنشاء حرارة احتكاك وتغذية أداة الغزل على طول الخط المشترك بين قطعتي العمل. يُشتق اسم العملية من عملية التحريك أو الخلط. تولد عملية FRW التقليدية حرارة الاحتكاك من الأجزاء نفسها، بينما تولدها عملية FSW من أداة منفصلة مقاومة للتآكل.

كيف يعمل اللحام بالتحريك الاحتكاكي

في FSW، يتم تدريج الأداة الدوارة؛ يحتوي على مسبار أصغر يمتد أسفل كتفه الأسطواني. يخلق الكتف الكثير من حرارة الاحتكاك عندما يحتك بالأسطح العلوية للقطعتين أثناء اللحام. في الوقت نفسه، يقوم المسبار - الذي يهدف إلى تسهيل الخلط الميكانيكي - بتوليد المزيد من الحرارة عن طريق تحريك المعدن على طول المفصل. بدلاً من صهر المعدن، تؤدي عملية الاحتكاك والخلط هذه إلى تليينه وتحويله إلى حالة مرنة للغاية.

يقوم السطح الأمامي للمسبار الدوار بدفع المعدن المخفف إلى المساحة الموجودة خلفه وحول نفسه مع تقدم الأداة على طول المفصل. يتم تشكيل المعدن إلى لحام سلس من خلال هذه العملية. من أجل ضمان تدفق المعدن الملدن بشكل صحيح حول المسبار، فإن الكتف ضروري لتقييد المادة.

تتشكل الحبيبات الدقيقة المعاد بلورتها من خلال تشوه البلاستيك الشديد عند درجات حرارة عالية أثناء عملية FSW. تتمتع اللحامات المنتجة بهذه البنية المجهرية المضبوطة بدقة بصفات ميكانيكية استثنائية. يتم تعزيز متانة اللحام من خلال حركة المواد المعقدة حول الدبوس والتي أصبحت ممكنة بفضل هندسة الأداة الخاصة والجمع بين النقل والتدوير.

هندسة الأداة والتصميم

إن هندسة الأداة ضرورية لتطوير عملية اللحام بالاحتكاك والتحريك (FSW). إن تصميم أداة اللحام بالاحتكاك والتحريك، والتي تتكون من دبوس وكتف، ضروري لمعدل انتقال اللحام وتدفق المواد. والغرض الرئيسي من الأداة هو تسهيل تدفق المواد وتوفير التسخين الموضعي، كما هو موضح في الشكل أدناه.

يتم إنتاج الحرارة أثناء الغطس الأول عن طريق الاحتكاك بين الدبوس وقطعة الشغل بالإضافة إلى تشوه المادة. ينتج الاحتكاك بين الكتف وقطعة العمل غالبية مكونات التسخين. تعتبر عناصر التصميم الأخرى أقل أهمية بالنسبة لكفاءة التسخين من الأحجام النسبية للمسمار والكتف. بالإضافة إلى ذلك، يساعد الكتف في التسخين الموضعي عن طريق حصر المادة الساخنة.

إن قدرة الأداة على تحريك وتحريك المواد هي الدور الحيوي الثاني لها. يؤثر تصميم الأداة على كل من أحمال العملية والبنية الدقيقة للحام وتوحيد الخصائص. تُستخدم عادةً دبابيس أسطوانية ملولبة وكتف مقعر لهذا النوع من الوظائف.

لقد تم تطوير هندسة الأدوات لتشمل ميزات متطورة تعمل على تحسين تدفق المواد والخلط وتقليل أحمال العمليات مع نمو فهمنا لتدفق المواد. على سبيل المثال، طورت TWI أدوات Whorl وMX Triflute، الموضحة في الشكل أدناه، مع دبابيس على شكل دبابيس. بالمقارنة مع المسامير الأسطوانية التي لها نفس قطر الجذر، فإن هذه التصميمات تحرك كمية أقل من المواد؛ حوالي 60% و 70% أقل على التوالي. تشمل فوائد هذه الأدوات انخفاض قوة اللحام، وتدفق أسهل للمواد البلاستيكية، وتوليد حرارة أعلى بسبب واجهة دبوس المادة المحسنة. لقد قاموا بلحام صفائح الألمنيوم التي يصل سمكها إلى 50 ملم في تمريرة واحدة بنجاح، كما قاموا بلحام أكثر سمكًا في التمريرات اللاحقة.

تؤدي المسامير الأسطوانية التقليدية الملولبة للحام اللفة في كثير من الأحيان إلى ترقق مفرط للطبقة العلوية، مما يقلل من خصائص الانحناء. عندما يكون التعب هو الشاغل الرئيسي في أحد التطبيقات، فإن عرض واجهة اللحام وزاوية الشق أمران حاسمان. لتحسين جودة اللحام اللفة، تم إنشاء أشكال هندسية أحدث مثل A-skew وFlared-Trifute. تعمل هذه التصميمات على تحسين أنشطة الحدادة والخلط في واجهة اللحام، وتوسيع منطقة اللحام، ورفع نسبة الحجم المكتسح إلى الحجم الثابت. إنها توفر مناطق لحام موسعة بشكل كبير، وانخفاضًا في ترقق اللوحة العلوية بأكثر من عامل أربعة، وتحسينًا في سرعة اللحام بأكثر من 100% مقارنةً بالدبابيس التقليدية، كل ذلك مع انخفاض بنسبة 20% في القوة المحورية.

أدوات متوهجة ثلاثية

تسلط هذه التطورات الضوء على أهمية هندسة الأداة في محاكاة السوائل. على وجه الخصوص، تعمل دبابيس A-skew وFlared-Trifute على رفع جودة اللحام عن طريق تقليل زاوية الشق في واجهة اللحام، وتغيير مسار التدفق، وتحسين إجراءات الخلط.

معلمات اللحام في لحام الاحتكاك

هناك عاملان مهمان بشكل خاص في اللحام بالاحتكاك والتحريك (FSW): سرعة حركة الأداة (v، mm/min) ومعدل دوران الأداة (ω، rpm). ولإنهاء عملية اللحام، تنقل أداة النقل المادة التي تم تحريكها على طول خط الوصلة بعد أن قامت دورانها بتحريك وخلط المادة حول الدبوس الدوار.

يتم إنتاج التحريك والخلط المكثف للمواد من خلال معدلات دوران أعلى للأداة بسبب درجات الحرارة المرتفعة الناتجة عن التسخين الاحتكاكي الأكبر. ومن الجدير بالذكر أن التفاعل الاحتكاكي بين سطح الأداة وقطعة الشغل يتحكم في عملية التسخين. ولذلك ليس من المتوقع بالضرورة أن ينمو التسخين خطيًا مع معدل دوران الأداة، حيث قد يختلف معامل الاحتكاك عند الواجهة.

متغير مهم آخر هو الزاوية التي تميل بها الأداة أو المغزل بالنسبة لسطح قطعة العمل. يساعد الدبوس الملولب كتف الأداة على تحريك المادة التي تم تحريكها بكفاءة عندما يكون بزاوية مناسبة في اتجاه المادة الخلفية. للحصول على أكتاف أداة ناعمة ولحامات سليمة، فإن عمق إدخال الدبوس - والذي يُطلق عليه أحيانًا عمق الهدف - في قطع العمل أمر ضروري أيضًا.

من أجل حركة فعالة للمواد من الأمام إلى الجزء الخلفي من الدبوس، يضمن عمق الإدخال المثالي الاتصال الصحيح لكتف الأداة مع سطح قطعة العمل الأصلية. قد يقوم اللحام بتطوير أخاديد سطحية أو قنوات داخلية إذا كان عمق الإدخال ضحلًا جدًا. من ناحية أخرى، إذا كان عميقًا جدًا، فقد يكون هناك الكثير من الوميض، مما قد يتسبب في أن يصبح اللحام مقعرًا بشكل ملحوظ وترقق الألواح الملحومة محليًا.

تتيح التطورات الجديدة، بما في ذلك أكتاف الأدوات "المتحركة"، إمكانية العمل باستخدام FSW دون إمالة الأداة، وهو أمر مفيد للغاية للمفاصل ذات المنحنيات.

بالنسبة لبعض عمليات FSW، قد يكون التسخين المسبق أو التبريد ضروريًا أيضًا. من الممكن أن الاحتكاك والتحريك وحدهما لن يتسببا في تليين المواد ذات نقاط الانصهار العالية، مثل الفولاذ والتيتانيوم، أو الموصلية العالية، مثل النحاس، وتليينها حول الأداة الدوارة إلى الحد المطلوب. يمكن أن يؤدي التسخين المسبق أو إضافة المزيد من مصادر التسخين الخارجية إلى تحسين تدفق المواد وتوسيع نافذة العملية في مثل هذه الظروف. في المقابل، قد يكون التبريد مفيدًا للمواد ذات نقاط انصهار منخفضة، مثل المغنيسيوم والألومنيوم، من أجل إيقاف تقوية الرواسب من الذوبان والنمو الكبير للحبيبات المعاد بلورتها داخل وحول منطقة التحريك.

التصاميم المشتركة

تعتبر مفاصل التناكب واللفة هي التصميمات المشتركة الأكثر عملية للحام الاحتكاك (FSW). نظرًا لتعدد استخداماتها وسهولة استخدامها، لا غنى عن هذه التصاميم.

بالنسبة للوصلة الخلفية المربعة الأساسية، يتم تثبيت لوحتين أو صفائح متطابقة الحجم بقوة على لوحة دعم. وهذا يمنع وجوه الوصلات المجاورة من الانفصال أثناء اللحام. يتم تطبيق قوى كبيرة عندما تغوص أداة الغزل في الخط المفصل؛ وبالتالي، من المهم جدًا اتخاذ عناية خاصة للحفاظ على محاذاة اللوحات. يتم إنتاج اللحام القوي عندما تعبر كتف الأداة على طول خط المفصل بعد ملامستها لسطح اللوحة. تعتبر الوصلات التناكبية خيارًا شائعًا للعديد من تطبيقات اللحام بسبب بساطتها.

(أ) مؤخرة مربعة، (ب) مؤخرة حافة، (ج) مؤخرة على شكل حرف T

التكوين النموذجي الآخر هو المفصل الحضني، وهو عبارة عن لوحة دعم مثبتة على لوحين أو صفائح متداخلة. تقوم الأداة الدوارة بتوصيل اللوحين عن طريق الثقب عموديًا من خلال اللوحة العلوية إلى اللوحة السفلية ثم التحرك في الاتجاه الصحيح. تستفيد التطبيقات التي تحتاج إلى ربط المواد المتداخلة بشكل آمن بشكل كبير من هذه التقنية.

تسمح FSW بمجموعة من تصميمات المفاصل البديلة، بما في ذلك المفاصل الشرائحية، بالإضافة إلى المفاصل الأساسية والمفاصل الحضنية. تم تصنيع هذه المجموعات، التي تجمع بين جوانب المفاصل المؤخرية والمفصلية، لتلبية متطلبات هندسية معينة. على سبيل المثال، يتم استخدام وصلات الشرائح (انظر الشكل أدناه) عندما يلزم مراعاة معايير هيكلية معينة أثناء عملية اللحام.

مفصل فيليه

مزايا FSW

بالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها السلامة والسلامة الهيكلية ذات أهمية قصوى، يوفر اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW) العديد من الفوائد، بما في ذلك إنشاء طبقات لحام متينة بشكل لا يصدق يمكنها تحمل الضغوط الميكانيكية المرتفعة. تضمن هذه العملية استقرارًا ممتازًا للأبعاد مع الحد الأدنى من التشويه وتنتج اتصالات محكمة الضغط والوسائط مع القليل من التشويه. تنتج FSW بنية مجهرية أنيقة وخالية من الكسر وتحافظ على خصائص السبيكة لأنها تنتج حرارة قليلة جدًا.

عندما يتعلق الأمر بالبيئة، فإن اللحام بالليزر صديق للبيئة بشكل استثنائي لأنه لا يتطلب مواد استهلاكية مثل الأسلاك والغازات ولا يتطلب تنظيف السطح أو نفايات الطحن أو غاز الحماية. كما أنه يستخدم مواد أقل بكثير ويزن أقل لأن استهلاكه للطاقة لا يتجاوز 2.5 بالمائة من اللحام بالليزر. وفي صناعات السيارات والبحرية والطائرات الخفيفة الوزن، تؤدي هذه الكفاءة إلى انخفاض استهلاك الوقود.

تنتج FSW أيضًا وصلة لحام أقوى وأكثر سلاسة من تقنيات اللحام الأخرى وتقلل من عدد القطع الثابتة التي تحتاج إلى الاستبدال أثناء عملية التصميم والتصنيع. يتم تحقيق ذلك عن طريق تدوير قطعة العمل قليلاً دون استخدام قوى خارجية.

التحديات والقيود

هناك عيوب مختلفة لطريقة اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW). أحد العيوب الرئيسية هو أنه عند سحب الأداة، فإنها تترك فتحة خروج قد تكون مزعجة لبعض التطبيقات.

يجب أيضًا تثبيت القطع التي يتم لحامها بإحكام، مما يعقد العملية.

لا يمكن للتطبيقات التي تعتمد على المعدات التقليدية استخدام FSW بسبب ارتفاع الاستثمار الأولي والمتطلبات للمعدات المتخصصة. علاوة على ذلك، تتطلب FSW قدرًا كبيرًا من التوقف بين عمليات اللحام وهي أبطأ من تقنيات اللحام الأخرى.

تطبيقات اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW)

تستخدم العديد من الصناعات المختلفة اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW)، في الغالب لدمج سبائك الألومنيوم من جميع الدرجات التي تم صبها أو لفها أو بثقها. اعتمادًا على جودة السبائك وسعة الماكينة، يمكن لهذه التقنية لحام وصلات مؤخرة سبائك الألومنيوم بسمك يتراوح من 0.3 مم إلى 75 مم في تمريرة واحدة. اللحام بالتحريك الاحتكاكي مفيد لدمج سبائك مثل المغنيسيوم والتيتانيوم والنحاس والنيكل والصلب بالإضافة إلى الألومنيوم. يمكن استخدامه أيضًا لربط البلاستيك والمركبات المعدنية (MMC). يمكنه حتى الجمع بين المواد غير المتوافقة، مثل الفولاذ والألومنيوم.

في صناعة الطيران والفضاء، تعتبر FSW مثالية لإنتاج جلود السبائك الرقيقة وخزانات الوقود وهياكل الطائرات بسبب جودة اللحام العالية والصحة الهندسية. يتم استخدامه في صناعة السيارات للبناء خفيف الوزن، مما يحسن كفاءة استهلاك الوقود. يتم استخدام FSW في صناعات بناء السفن والسكك الحديدية لبناء الدبابات الثقيلة والحافلات وعربات السكك الحديدية. تُستخدم FSW أيضًا في الإلكترونيات، مثل صواني بطاريات السيارات الكهربائية، مما يدل على قدرتها على التكيف مع مجموعة من الاستخدامات.

مراجع حسابات

Groover، MP، 2010. أساسيات التصنيع الحديث: المواد والعمليات والأنظمة. الطبعة الرابعة. هوبوكين، نيوجيرسي: شركة John Wiley & Sons, Inc.