لینک دانلود پاورپوینت مطلب و تصاویر 39 صفحه
قسمت اول  -  قسمت دوم

یک ابزار چرخشی غیر مصرفی با یک شانه و پین (طبق شکل 2-1 ) به مرز دو ورق یا صفحاتی که قرار است به یکدیگر جوش داده شود نفوذ کرده و در حالت دوران در امتداد خط اتصال حرکت می کند. ابزار FSW دو وظیفه اصلی دارد    a) تولید حرارت
.b) انتقال مواد برای ایجاد جوش . حرارت ایجاد شده در منطقه موجب نرم شدن مواد اطراف پین شده وترکیبی از حرکت انتقالی و دورانی ابزار موجب انتقال مواد از جلو به پشت پین می گردد . در نتیجه یک جوش در حالت جامد حاصل می گردد و ساختار نهایی ، دانه های کریستالی هم محور و خوبی داشته و همچنین دارای خواص مکانیکی مطلوبی است.
کلیات روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی شانه و پین (Pin , Shoulder) : قسمت هایی که بر روی گردنده ابزار قرار دارد و با دوران آن ها جوش حاصل می شود
جهت گردش ابزار Tool rotation : گردش ابزار که ممکن است به صورت ساعتگرد و یا پادساعتگرد باشد.
جهت جوشکاری Welding direction : جهت پیشروی ابزار که با پیشروی اتصال حاصل می شود.
نیمه پسرونده Retreating side : به نیمه ای از ماده پایه مورد جوشکاری گفته می شود که خط مماس بر شانه جوش در حال گردش در جهت مخالف با جهت پیشروی (با زاویه متفاوت ) باشد .
نیمه پیشرونده Advancing side : به نیمه ای از ماده پایه مورد جوشکاری گفته می شود که خط مماس بر شانه جوش در حال گردش در جهت پیشروی (با زاویه متفاوت ) باشد .
تغییرات آلوتروپیک آهن خالص
در دماهای بالاتر از C˚١٥٤٠ آهن به صورت مذاب است
شد با کاهش دما تا C˚ ١٣٩۵ دارای ساختار bcc است که به آن آهن دلتا گفته می شود
 با کاهش دما تا خط b آهن دلتا به آهن گامایی تبدیل می شود که ساختار fcc دارد.
با ادامه کاهش دما تاC ˚٩١۵ (خط c ) ، آهن گاما با ساختار fcc به آهن آلفا با ساختار bcc  تبدیل می شود.
این تغییرات منحصر به فولاد خالص نیست و در همه آلیاژهای آهن اتفاق می افتد با این تفاوت که دمای انتقال در آلیاژهای متفاوت فرق می کند . این نوع انتقال باعث اهمیت عملیات حرارتی فولاد می شود
با توجه به اینکه فولادها آلیاژهای آهن- کربن و عناصر دیگر بوده که دارای کمتر از٢  درصد کربن است قسمتی از نمودار که دارای کمتر از درصد٢ کربن است بیشترین اهمیت را در رابطه با عملیات حرارتی فولاد ها دارد
فازهای مهم موجود در نمودار تعادلی آهن سمانتیت
فریت دلتا
محلول جامد بین نشینی کربن در آهن دلتا است که دارای ساختار bcc است
آستنیت
محلول جامد بین نشینی کربن در آهن با شبکه بلوری مکعبی با وجوه مرکز دار (fcc )است
فریت
محلول جامد بین نشینی در آهن با شبکه بلوری مکعب مرکزدار (bcc )
سمانتیت
میزان کربنی که در نمودار تعادلی آهن-سمانتیت رسم شده ٦٧/٦ در صد است.
این فاز ترکیبی با نسبت مشخص یک اتم کربن و سه اتم آهن است که دارای ٦٧/٦ در صد کربن بوده و به صورت Fe3C نمایش داده می شود
سمانتیت دارای شبکه بلوری مکعب مستطیل١ بوده و سختی بسیار بالا (بیشتر از ٨۰۰ برینل) و انعطاف پذیری فوق العاده کم می باشد
استحاله های مهم فولاد تغییر حالت یوتکتویدی و ساختار پرلیتی تغییر حالت مارتنزیتی دگرگونی بینیتی
تغییر حالت یوتکتویدی و ساختار پرلیتی
ساختار پرلیت توسط دسته هایی از لالیه های متناوب فریت و سمانتیت با فواصل و جهات مختلف مشخص می شود
γ٠/٧٧ %C→ α ٠/٠٢C +Fe3C ٦/٦٧ %C
تغییر حالت مارتنزیتی
دگرگونی مارتنزیتی بر خلاف دگرگونی پرلیتی در دمایی به مراتب پایین تر انجام می گیرد و نفوذ در آن نقشی ندارد.بنابراین با توجه به این که دگرگونی مارتنزیتی بدون نفوذ یا جابجایی انفرادی اتم ها بوده و نیاز به فعالیت حرارتی ندارد گفته می شود که این
دگرگونی از نوع برشی است و به کمک جابجایی دسته جمعی اتم ها صورت می گیرد.
بینیت در فولادها در گستره دمایی بین پایین ترین دمای تشکیل پرلیت (Pf) و بالاترین دمای تشکیل مارتنزیت (Ms) تشکیل می شود. از جمله مشخصه های عمده دگرگونی بینیتی طبیعت دوگانه آن است. دگرگونی بینی از بعضی جنبه ها شبیه به دگرگونی پرلیتی و از برخی جنبه ها مشابه دگرگونی مارتنزیتی است.
بینیت بالایی
میکروساختار شامل زمینه فریتی است که ذرات ریز سمانتیت در مرزهای فرعی و در جهت طولی صفحات فریت رسوب کرده اند.
جوشکاری FSW فولادها
ابزار بکار رفته در جوشکاری  FSW فولادها
جوشکاری FSW فولاد ملایم(mild steel)  ١٠١٨ AISI
 جوشکاری FSW فولاد پر کربن JIS S70C
بررسی سرعت جوشکاری بر روی ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد زنگ نزن دوفازی ٢٢٠٥SAF
فولادهای تندبرHighspeed steel (HSS) : سختی بالایی نداشته و برای ماشینکاری سخت مناسب نیستند. با حداکثر دمای کاری C˚500 بیشتر برای جوشکاری FSW آلیاژهای دمای پایین مانند آلومینیم مناسب هستند.
کاربیدهای زینتر شده یا کاربیدهای سمانته : که تحت نام فلزهای سخت (Hardmetal )شناخته می شوند، با ترکیبی شامل کاربید تنگستن در ابعاد میکرون و بایندری که معمولا مولیبدنی است (6-12%) در گریدهای گوناگون عرضه می شوند. شواهد مطالعاتی از بکارگیری اینگونه مواد برای جوشکاری آلیاژهای تیتانیم در دست است.
سرامیک ها : سرامیک هایی هستند که بیشتر بر پایه آلومینا (Al2O3 ) یا نیترید سیلیکون (Si3N4) ساخته شده اند شواهدی از کاربرد آنها در جوشکاری FSW وجود ندارد.
مواد فوق سخت Extra hard material :  شامل الماس های پلی کریستال (PCD)و بورون نایتراید مکعبی پلی کریستال (PCBN) ، که استفاده از ابزار های PCBN در جوشکاری فولاد ها متداول است.
 دمایی  که در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی فولادها تجربه شده که دمایی نزدیک C˚١٠٠٠ را نشان می دهد
PCBN ساختار
بورون نایتراید با ترکیب شیمیایی BN دارای ساختاری به شبیه کربن بوده که می تواند ساختار های متفاوتی را به خود بگیرد.
ساختار هگزاگونال h-BN یا α–BNکه شبیه گرافیت در کربن بوده و پایداری خوبی داشته و در روانساز ها و لوازم آرایشی کاربرد دارد.
 بلورهایی با ساختار مکعبی c-BN یا –BNβ که مانند الماس بوده و از نظر سختی بعد از الماس در رتبه دوم قرار گرفته و پایداری حرارتی و شیمیایی بالایی دارند.
بورون نایتراید ساختار نادرتری نیز به شکل هگزاگونال الماسی (لونزدالایتLondsdaleite) با نام وورتزایت( Wurtzite)، w-BN نیز دارد که سختی آن از BN مکعبی نیز بالاتر است
ابزارهای PCBN
تولید ابزارهای PCBN از پیوند کریستال های بورون نایتراید مکعبی با زمینه ای کاربیدی مانند تنگستن کاربید یا یک فلز به عنوان بایندر حاصل می شود. زمینه بایندر می تواند از جنس فلز یا سرامیک باشد که همراه با بلورهای PCBN در دما و فشار بالا زینتر می شوند. با تغییر زمینه بایندر و مقدار CBN رده بندی های متفاوت ابزار برای کاربردهای تراشکاری ، سوراخکاری ، سطحکاری ، آسیاب کاری ، قلاویزکاری حاصل می شود.
تولید c-BN از ساختار h-BN در فشار 5 تا 17 Gpa و دمای 1730 تا 3230 درجه سانتیگراد اتفاق می افتد. c-BN یا CBN به دلیل عدم حلالیت در آلیاژهای آهن ، نیکل و آلیاژهای مشابه و عدم اکسید شدن در دمای بالا بهترین گزینه برای کاربردهای سایشی است.
عمر ابزار
عمر ابزار برحسب مسافت جوشکاری شده محاسبه می شود. ابزار بکار رفته طی فرایند جوشکاری به علت اصطکاک از کار خارج نشده بلکه دچار شکست شده است . این شکست در 30 فوت جوشکاری یا بعبارت دیگر 914/4 سانتیمتر عارض شده است.
جوشکاری FSW فولاد نرم فولاد ١٠١٨AISI فولاد ابزاری مولیبدنی و تنگستنی ضخامت ٣/ ٦میلیمتر
. سرعت چرخشی ابزار ٤٥٠ تا ٦٥٠ rpm
. نیروی محور ابزار KN ٧/١٨ (lbf٤٢٠٠)
گشتاور اندازه گیری شده تقریبا N.m ٥٥ (in.lb٥٠٠)
سرعت in/mm١
چرخه حرارتی تجربه شده در فرایند جوشکاری
ترموکوپل هایی که در فاصله 6/35و 9/65 mm بالای شانه ابزار قرار گرفته اند به ترتیب دمای ٩٨٥ و ٩٣٠ درجه سانتیگراد را ثبت کرده اند. دمای ابزار در ١٨٠ ثانیه اول که مربوط به مرحله فرروی ابزار است افزایش یافته و با رسیدن به مرحله جوشکاری به شرایط پایدار می رسد.
اندازه گیری دمای قطعه جوشکاری شده مشکلاتی را دارد از آنجمله آن که ترموکوپل هایی که در نزدیکی مقطع جوش قرار می گیرند در اثر اغتشاش از بین می روند ضمن آنکه ترموکوپل هایی که در سطح بالایی و لبه های ورق قرار می گیرند در اثر اغتشاش و فلاش تولید شده جابجا می شود
قابل مشاهده است که چرخه حرارتی تجربه شده متقارن بوده و نرخ گرم شدن و سرد شدن به نسبت آهسته است. میانگین نرخ سرد شدن در نزدیکی بیشینه دمایی ٥ تا ١٠ درجه سانتیگراد می باشد.
متداول است که نرخ سرد شدن را براساس دما و بین دو دمای مشخص مانند ٥٠٠ تا ٨٠٠ درجه سانتیگراد مشخص کرده و با  ٥-٨ tΔ نمایش می دهند. ٥-٨ Δt جوشکاری انجام شده به روش FSW ٥٠ تا ٦٠ اندازه گیری شده است.
ریز ساختار فلز پایه
فلزپایه اولیه دارای ساختاری شامل دانه های هم محور فریت با قطر ٢٠ تا ٣٠ mμ و دانه های پرلیتی کوچک تر است
تصویر با بزرگنمایی کم از مقطع جوش فولاد ١٠١٨ AISI
ناحیه جوشکاری شده دارای چند منطقه تفکیک شده شامل ناحیه اغتشاشی حول خط مرکزی جوش، ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) در اطراف ناحیه اغتشاشی و فلز پایه را می باشد.
 برخلاف ساختار حاصل از جوشکاری FSW آلیاژهای آلومینیم ناحیه (TMAZ) HDAZ در این فولاد مشاهده نمی شود.
ناحیه اغتشاشی فولاد ملایم
فریت با فازهای ثانویه کشیده شده[FS(A)]
فریت مرزدانه ای [PF(G)]
توده فریت /کاربید شبیه پرلیت ظریف[FC]
ریزساختار منطقه HAZ
ناحیه HAZ با توجه به چرخه حرارتی تجربه شده در فرایند FSW و با افزایش فاصله از خط مرکزی جوش در منطقه ساختار متفاوتی را نشان می دهد.
ناحیه ای دارای دانه های درشت (شکل ( A))،
بعد از آن دانه های ظریف تر تشکیل شده شامل پرلیت (تیره) و فریت پرویوتکتوید (روشن)( شکل ( B))،
ناحیه بین بحرانی که منطقه دارای دانه های درشت را احاطه کرده است (شکل  ( C)) 
ناحیه شامل فریت و کاربیدهای کروی (شکل ( D) ) قابل مشاهده است.
دیاگرام آهن کربن و دمای تجربه شده در نواحی مختلف جوشکاری FSW فولاد ١٠١٨AISI
نواحی درشت دانه بیشترین دما را در منطقه HAZ تجربه کرده است.
شواهد ریزساختاری و تجربی ، تجربه دمایی بیشتر از دمای بحرانی ٣ A را به اثبات می رساند که باعث رشد دانه های آستنیت می شود.
 اگر ناحیه  HDAZ نیز وجود داشت دارای ساختاری شبیه منطقه درشت دانه HAZ می بود؛
شواهد موجود HDAZ در اثر تجزیه آستنیت در طی سرد شدن از دست رفته است.
با توجه به شواهد ریزساختاری به نظر می رسد در ناحیه ای که دانه ها ظریف شده اند دمایی پایین تر از ٣Aتجربه شده است . تجزیه آستنیت به فریت و پرلیت در این نواحی منجر به ساختاری ظریف تر شده است.ریزساختار این ناحیه شامل پرلیت ریزدانه و فریت پرویوتکتوید است
بررسی خواص مکانیکی جوش FSW فولاد ملایم
سختی فلز پایه قبل از عملیات جوشکاری VHN ١٣٥ بوده که با سختی ناحیه اغتشاشی از ١٥٥ تا VHN١٧٥ قابل مقایسه است؛ طبیعی است که با فاصله گرفته از ناحیه اغتشاشی سختی کاهش می یابد. این مقدار سختی در ناحیه دارای دانه های درشت ١٥٠ تا VHN ١٦٠و در قسمت فلز پایه به ١٣٥ تا  VHN١٤٠ می رسد.
 نمونه ها در ناحیه ای در فلز پایه دچار شکست شده اند که نشان می دهد استحکام تسلیم و استحکام کششی جوش با فلز پایه قابل مقایسه است. نتایج به دست آمده در فلز پایه بیان کننده این موضوع است که ناحیه اغتشاشی و HAZ استحکام تسلیم و استحکام کششی بیشتری نسبت به فلز پایه دارند.
عمر ابزار
نتایج به دست آمده از EDS نشان می دهد که در قسمت زیرین خط مرکزی ناحیه اغتشاشی ناحیه ای غنی از مولیبدن وجود دارد که دارای ساختاری کامپوزیتی مشابه آنچه در آلیاژسازی مکانیکی توسط بال میل اتفاق می افتد می باشد. این ساختار بی تردید از تلفیق مکانیکی ماده ابزار و ماده قطعه کار تحت فشار بالا به دست آمده است. مقایسه ساختار حاصل از شروع جوش و ادامه جوش بیانگر بیشتر بودن این مناطق غنی از مولیبدن در شروع جوش است و بیان می کند ماده بیشتری از ابزار در این ناحیه وارد جوش شده است.
با مقایسه قبل و بعد از ابزار توسط روش های هندسی و متالوگرافیک ، تغییر در ابعاد ابزار حاصل از سایش و تغییر فرم ثابت شده است. بیشترین تغییر فرم در مرحله اول فروروی ابزار حاصل شده است.
جوشکاری FSW فولاد پر کربن JIS S70C
قابل پیش بینی است که فاز مارتنزیت در طی فرایند جوشکاری حاصل شود. تشکیل فاز مارتنزیت چقرمگی، داکتیلیته و استحکام حاصل از جوشکاری را کاهش خواهد داد. نشان داده خواهد شد که با تغییر شرایط جوشکاری مانند سرعت جوشکاری و سرعت دورانی می توان ساختار محصول جوشکاری را کنترل کرد
تاثیر سرعت بر حرارت ورودی و سختی
بررسی میکروساختاری تاثیر سرعت خطی
در سرعت دورانی ثابت با افزایش سرعت خطی نرخ سرد شدن افزایش یافته و درصد حجمی مارتنزیت افزایش می یابد.
بررسی میکروساختاری سرعت زاویه ای -مقایسه خواص مکانیکی فلز پایه و ناحیه SZ
منطقه حاصل از جوشکاری که شامل ساختار فریت و پرلیت ظریف باشد دارای استحکام نهایی و استحکام تسلیم بالاتری نسبت به فلز پایه است که به دلیل ریز دانگی حاصل از تبلور مجدد و تغییر فرم پلاستیک شدید دانه های ناحیه ی جوش می باشد
فولادهای زنگ نزن دوفازی
ساختار مطلوب در مورد فولادهای زنگ نزن دو فازی شامل زمینه ریز دانه همراه با توزیع یکنواخت فاز ثانویه جهت رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب، خصوصاً سوپرپلاستیسیته است.
بررسی سرعت جوشکاری بر روی ریزساختار و خواص مکانیکی فولاد زنگ نزن دوفازی ٢٢٠٥SAF
جوشکاری FSW بر روی ورق فولاد زنگ نزن فریتی دو فازی با ابعاد٢× ٣۰٠×١۰٠ میلیمتر در جهت نورد بوسیله ابزاری بر پایه کاربید تنگستن  انجام شده است. ابعاد ابزار عبارت از قطر شانه ١٦ ، قطر پین ٦ و عمق پین 1/5 میلیمتربوده است که جوشکاری همراه با زامیه خم شدگی ˚٣ انجام شده است. بدلیل دمای بالا از سیستم مایع خنک کننده و برای جلوگیری از اکسید شدن سطحی از گاز محافظ آرگون استفاده شده است.
بازرسی اتصال FSW توسط X-ray اتصالی سالم تا سرعت mm/min٢٠۰ بدست آمده و در سرعت mm/min٢٥۰ یک عیب شیاری در سمت پیشرونده بوجود آمده است
عیب شیار مانند بوجود آمده بدلیل حرارت کم ورودی است که موجب می شود ماده نمی تواند به راحتی جریان پیدا کند و بریدگی حاصل از پین را پر کند لذا منجر به تشکیل عیبی شیار مانند در سمت پیشرونده ابزار می شود
بررسی ریز ساختار جوش
ریزساختار جوش به سه ناحیه قابل تفکیک، شامل ناحیه اغتشاشی (SZ) ،ناحیه تحت تاثیر حرارت و کار مکانیکی (TMAZ) و فلز پایه (BM) قابل تقسیم است. شایان ذکر است در این مورد بخصوص ناحیه تحت تاثیر حرارت (HAZ) مشاهده نشده است.
ساختار فلز پایه شامل جزایر سفید آستنیت (γ) در زمینه خاکستری فریت (α) است که هر دو دارای شکل کشیده و با نسبت نزدیک به هم0/51 و 0/49 می باشند
تاثیر سرعت جوشکاری بر اندازه دانه های ناحیه اغتشاشی
با افزایش سرعت پیشروی جوشکاری اندازه دانه های تبلور مجدد یافته کاهش می یابد. اندازه دانه در مرکز ناحیه اغتشاشی (SZ) در بیشترین و کمترین حرارت ورودی به ترتیب ٥ و ١ میکرومتر است که نسبت به فلز پایه بسیار کوچکتر است.
در شرایط مختلف جوشکاری نسبت فازهای γ/ α در ناحیه اغتشاشی تقریبا مشابه فلز پایه بوده و می توان نتیجه گرفت که دمای جوشکاری همواره پایین تر از دمای تبدیل فاز γ به α بوده است
بررسی خواص مکانیکی
نتیجه گیری
بکارگیری جوشکاری FSW بر روی بسیاری از فولادها موفقیت آمیز بوده است . خواص مکانیکی حاصل از جوش  قابل مقایسه با فلز پایه بوده است و ریزساختار منطقه ناگت و TMAZ  ریز شدن دانه ها را نشان می دهد.
استفاده از ابزارهای متداول مانند فولادهای گرم کار و یا فولادهای تند بر با تغییرشکل و ورود ماده ابزار به مقطع جوش همراه خواهد بود.
استفاده از ابزاری شامل بورون نایتراید چند بلوری که مقاومت خوبی در دماهای بالا داشته و همچنین استفاده از ساق ابزاری که قابلیت انتقال حرارت مناسبی داشته باشد مانند کاربید تنگستن همانگونه که در مطالعات اخیر مشاهده شده است، در حال حاضر مناسب
ترین گزینه به نظر می رسد.
با توجه به گستردگی آلیاژهای فولادی و پیدایش آلیاژهای جدید و همچنین بهینه سازی ساختارهای شناخته شده ، بکارگیری جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و شناخت تاثیرات ریزساختاری آن پدیده ای زمان بر خواهد بود.
مطالعه تاثیر شکل ابزار و استفاده از پین های مختلف ، بر روی ریزساختار حاصل از جوش و نحوه سیلان ماده در اطراف پین از موارد مهمی است که باید در مطالعه فرایند FSW فولادها مدنظر قرار گیرد.

کلمات کلیدی:جوش fsw -ج.شکاری اغتشاشی فولاد -شکل و نوع ابزار -استحاله های فازی فولاد