جوشکاری آلومینیوم

جوشکاری آلومینیومی به روشهای مختلف امکان پذیر است اما دو روشی که اخیراً در صنایع آلومینیوم استقاده می‌شود روش FSW (فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی) و جوشکاری لیزری است که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند.

آلیاژ آلومینیوم وزن سبکی دارد و بخاطر ویژگیهایی مثل استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی، فرم پذیری عالی، عملکرد مناسب در دمای پایین و خصوصیات غیر مغناطیسی، کاربردهای زیادی در ساخت محصولات مختلفی پیدا کرده است.

آلومینیوم برای اتصال با آلیاژهای آلومینیومی دیگر نیاز به جوشکاری دارد. یکی از مزیتهای جوشکاری آلیاژ آلومینیوم به جای جوشکاری فولاد و سپس استفاده از آنها در سازه‌های مختلف، باعث می‌شود تا وزن کلی سازه یا ساختار تا 50 درصد کاهش پیدا کند.

مشکلات جوشکاری آلیاژ آلومینیوم

• اتصالات جوشکاری آلیاژ آلومینیوم نرم هستند و ضریب استحکام پایینی دارند که بزرگترین مانع بر سر راه کاربرد آلیاژ آلومینیومی در برخی صنایع می‌باشد؛
• لایه اکسیدی نسوز بر روی سطح آلیاژ آلومینیوم به راحتی تشکیل می‌شود (Al₂O₃ که نقطه ذوب آن 2060 درجه است) در نتیجه برای عملیات جوشکاری باید از توان و دمای بالا استفاده کرد؛
• احتمال سوراخ شدن آلیاژ آلومینیوم در طی جوشکاری وجود دارد؛
• احتمال ایجاد ترک گرم (Hot Crack) در طی جوشکاری آلیاژ آلومینیوم وجود دارد؛
• به خاطر بالا بودن ضریب انبساط خطی آلیاژ آلومینیوم، احتمال دفرمه شدن آن در طی جوشکاری وجود دارد؛
• رسانایی گرمایی آلیاژ آلومینیوم حدود 4 برابر بیشتر از فولاد است در نتیجه حرارت ورودی حدود 2 تا 4 برابر بیشتر از جوشکاری فولاد می‌باشد.

برای جوشکاری آلیاژ آلومینیوم به انرژی بالا، حرارت ورودی پایین و سرعت بالا نیاز دارید.

جوشکاری همزن اصطکاکی یا جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) آلیاژ آلومینیوم

روش جوشکاری همزن اصطکاکی یک نوع تکنولوژی اتصال حالت جامد است که در طی آن می‌توانید قطعات از جنس مختلف مثل آلیاژ آلومینیومی و حتی غیر مشابه مثل فلز و ترموپلاستیک را به هم متصل کنید. این روش در سال 1991 توسط انستیتو جوشکاری انگلستان ابداع شد.

اساس کاری این روش مبتنی بر استفاده از یک ابزار استوانه‌ای چرخشی خاص است که بر روی قطعه کاری مدنظر قرار می‌گیرد.

حاصل چرخش سریع قسمت سر (که به آن پروب می گویند) و اصطکاکی که با قطعات ایجاد می‌شود، گرمای زیادی تولید می‌کند که قطعات را به حالت ترموپلاستیک تبدیل می‌کند. در کنار گرمای ایجاد، فشار قسمت سر دستگاه نیز کمک می‌کند تا قطعات مختلف به یکدیگر جوش بخورند.

روش جوشکاری همزن اصطکاکی بدون نیاز به ذوب فلز انجام می‌شود به همین دلیل یک روش اتصال حالت جامد است و بسیاری از نواقصی که در سایر روشهای جوشکاری وجود دارند، در روش FSW مشاهده نمی شود. از طرفی از این روش می‌توان برای اتصال قطعاتی استفاده کرد که در حالت عادی با سایر روشهای جوشکاری امکان اتصال برقرار شدن بین آنها وجود ندارد.

بر همین اساس، روش جوشکاری FSW برای جوشکاری مواد غیر آهنی مثل آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیومیِ با استحکام بالا، آلیاژهای مس و تیتانیوم و متریالهای کامپوزیت مناسب می‌باشد. به همین دلیل در صنایع امروزی یکی از بهترین روشها برای جوشکاری آلیاژهای مختلف آلومینیوم، روش FSW است.

از این روش برای جوشکاری سریهای مختلف آلیاژهای آلومینیومی مثل سری 2000 (آلیاژ آلومینیوم – مس)، سری 5000 (آلیاژ آلومینیوم – منیزیم)، سری 6000 (آلیاژ آلومینیوم – منیزیم و سیلیسیم)، سری 7000 (آلیاژ آلومینیوم – روی) و سری 8000 (آلیاژ آلومینیوم – لیتیم) استفاده می‌کنند.

این تکنیک جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم به سرعت در حال صنعتی شدن است به عنوان مثال در کشور نروژ از این تکنولوژی برای جوشکاری بدنه قایقهای موتوری تندرو با طول 20 متر استفاده می‌کنند و یا به عنوان مثال شرکت هوانوردی و فضانوری لاکهید مارتین آمریکا برای جوشکاری مخازن نگهداری اکسیژن مایع کرایوژنیک در راکتها از این تکنیک استفاده می‌کند.

روش جوشکاری FSW برای آلیاژهای آلومینیومی بدون دفرمه شدن و بهم ریختن ساختار و با ایجاد گرمای ناحیه ای بالا بدون نیاز به ذوب کردن، عملکرد بسیار خوب و بی نقصی دارد این در حالی است که برخی روش های جوشکاری با عیب هایی مثل ایجاد ترک و سوراخ شدگی در سطح فلز همراه هستند.

روش FSW برخلاف روشهای سنتی جوشکاری، نیاز به گاز محافظ (Protective Gas) ندارد و محل اتصال بسیار مقاوم است. با توجه به اینکه این نوع جوشکاری، حالت جامد محسوب می‌شود، به دمای بالا نیاز نیست.

ضمناً در این روش چون دستگاه با فشار و سرعت بالا چرخش دارد و حرکت می‌کند در هر لحظه، بخش کمی از آلیاژ آلومینیومی حرارت می‌بیند و تغییرات ساختاری در حد میکرونی ایجاد می‌شود. این میزان دمای پایین برای حفظ استحکام ساختاری آلیاژ آلومینیوم بسیار مفید است.

از دیگر مزایای این روش این است که دفرمه شدن ساختار پس از اتمام جوشکاری بسیار کم است. در مقایسه با روشهای قدیمی جوشکاریِ آلیاژهای آلومینیومی، نیازی به حذف لایه اکسید محافظ سطح آلومینیوم نیست و مدت زمان مورد نیاز برای انجام فرایند بسیار کمتر است و نیازی به تجهیزات خاص برای اتصال قطعات نیست و به طور همزمان، اتصال در فاز جامد برقرار می‌شود.

معایب روش FSW برای جوشکاری آلومینیوم

• سرعت انجام این روش در مقایسه با روش جوشکاری ذوبی کمتر است؛
• قطعات آلیاژ آلومینیومی که طول زیادی دارند برای این روش مناسب هستند و همزمان باید فشار بالایی به سطح قطعات وارد شود؛
• بعد از پایان جوشکاری، در دو انتهای قطعات، سوراخی تشکیل می‌شود که معمولاً باید دوباره جوشکاری شوند و یا اینکه به روش دستی جوش داده شوند؛
• قسمت سر یا پروب دستگاه چندان مقاوم نیست و به سرعت دچار فرسایش می‌شود. از طرفی برای جوشکاری ورقه های آلومینیومی با ضخامت های مختلف نیاز به پروب های مخصوص دارید؛
• این فرایند هنوز خیلی پیشرفته نشده و کاربرد آن محدود به جوشکاری صفحات آلومینیومی تخت و دایره‌ای است. پارامترهایی که برای این فرایند در نظر گرفته شده ساده و ابتدایی هستند مثل سرعت چرخش قسمت پروب دستگاه، سرعت حرکت دستگاه، میزان فشار وارد شده و سایز پروب.

جوشکاری لیزری آلومینیوم

تکنولوژی جوشکاری آلیاژ آلومینیوم با لیزر (جوشکاری لیزری) تکنولوژی جدیدی است که در طی سالهای اخیر وارد صنایع آلومینیوم شده و در مقایسه با روشهای جوشکاری قدیمی، عملکرد بسیار عالی، قابل اطمینان و راندمان بالایی دارد و به محیط خلأ هم نیاز نیست.

در این روش، از لیزرهای پرتوان استفاده می‌شود و گرمای ایجاد شده زیاد نیست و در عوض گرمای نقطه‌ای وارد شده بسیار بالاست به نحوی که ناحیه بسیار کوچکی تحت جوشکاری قرار می‌گیرد. سرعت این روش بسیار بالاست و به راحتی می‌توان این فرایند را به شکل اتوماسیون درآورد تا نیازی به نیروی انسانی برای انجام کلیه مراحل نباشد و جوشکاری دستی حذف شود.

با روش جوشکاری لیزری آلیاژهای آلومینیوم می‌توان سرعت جوشکاری را به شدت افزایش داد و در عین حال نیازی به تولید گرمای زیاد نیست که به نوبه خود باعث افزایش راندمان و کیفیت جوشکاری می‌گردد.

به کمک این روش می‌توان ورقه‌های آلیاژی آلومینیوم که ضخامت بالایی دارند را به یکدیگر جوش داد که این کار از طریق اثر Key Hole انجام می‌گیرد (ایجاد سوراخ عمیق و بزرگ برای نفوذ به عمق)، این در حالی است که با سایر روشها چنین کاری ممکن نیست.

مزایای روش جوشکاری لیزری آلیاژ آلومینیوم

• انرژی وارد شده بسیار بالاست ولی در عین حال گرمای زیادی تولید نمی‌کند و دفرمه شدن ساختار بسیار کم، باریک و عمقی است.
• با توجه به اینکه قطعات مورد استفاده در این روش لزوما هادی جریان الکتریسیته نیستند می‌توان از این روش برای جوشکاری مواد مختلف از جمله آلیاژهای آلومینیومی استفاده کرد.
• ضخامت قطعاتی که می‌توان با این روش جوش داد بسیار گسترده است.
• ظرافت کاری فوق العاده است و کوچکترین و ظریف‌ترین قطعات آلومینیومی قابل جوش دادن هستند.
• زمان مورد نیاز جوشکاری بسیار کم است و نیازی هم به فلزات پر کننده یا فیلر (Filler) نیست.
• این روش تحت تأثیر میدانهای مغناطیسی نیست در حالی که برخی روشهای قدیمی تحت تأثیر قرار می‌گیرند

در حال حاضر بهترین و مؤثرترین پرتوهای لیزری که در این تکنیک استفاده می‌شوند، CO₂ و YAG هستند که لیزر CO₂ برای جوشکاری صفحات ضخیم آلیاژ آلومینیومی مناسب است چرا که انرژی پرتوهای آن بیشتر است.

با این حال جذب سطحی این پرتوها کم است و در نتیجه در طی جوشکاری، انرژی زیادی به هدر می‌رود. لیزر YAG عموماً دارای پرتوهایی با انرژی کم است اما جذب سطحی این پرتوها در مقایسه با CO₂ بسیار بیشتر است. در نتیجه جذب انرژی تولید شده بیشتر بوده و انجام فرایند سریعتر خواهد بود.

آلیاژهای آلومینیومی که ضخامت بالایی دارند را نمی‌توان با روشهای قدیمی جوشکاری کرد و نیاز به استفاده از اثر Key Hole می‌باشد. برای اینکه چنین اثری ایجاد شود، نیاز به پرتوهای لیزر است تا در عمق ساختار نفوذ کنند.

سختی این روش برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیومی این است که این آلیاژها می‌توانند پرتوهای نوری با انرژی خیلی کم را هم جذب کنند و نرخ جذب سطحی اولیه برای پرتو لیزر CO₂ (با طول موج 10.6 میکرومتر) حدود 1.7% و نرخ جذب سطحی پرتو لیزر YAG (با طول 1.06 میکرومتر) حدود 5 درصد است.