Evaluationresearch.iaun.ac.ir/pd/montazerolghaem/pdfs/UploadFile_2928.pdf · 3 Solid State Joining Processes a)Explosive Welding b)Ultrasonic Welding c)Friction Welding d)Friction

1

By: Hamid Montazerolghaem

حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 1

Evaluation

• Project: 30%• Mid Term: 35%• Final Term: 35%


2

Contents

a) Electron Beam Weldingb) Laser Weldingc) Arc welding d) Arc Tungsten Weldinge) Stud Welding

Fusion Welding

ReviewConventional Welding Processes: i.e. Gas Welding


Analytical and Mathematical Weld Analysis

a) Heat Input to the Weldb) Relation Between weld Cross Section and

Energy Inputc) The Heat Input Rated) Heat Flow Equationse) Width of Heat affected Zonef) Cooling Rate


3

Solid State Joining Processes

a) Explosive Weldingb)Ultrasonic Weldingc) Friction Weldingd)Friction Stir Weldinge) …


Friction Stir Welding i. Different micro structural zonesii. Friction Stir Toolingiii.Friction Stirring Imperfectionsiv. Temperature Distribution and Resulting Metal

Flowv. Microstructure Development in Aluminum

Alloy Friction Stir Weldsvi. Process Modelingvii.Friction Stir Processing


4

References


• R. S. Mishra, M. w. Mahoney, Friction Stir Welding Processing Book, DOI: 10.1361, 2007.

• R. S. Mishra, Z. Y. Ma, Materials Science and Engineering R, “Friction stir welding and processing”, 2005, vol. 50, pp. 1-78.


5

• John Norrish, Advanced welding processes, Cambridge, England, 2006.


• Md. Ebrahim Khan,welding science and technology, New Age International, New Delhi, 2007


6

Welding processes-groups-letter designation


Conventional Welding Process


7

Equipments used in gas and oxy-acetylene welding processes


Welding gas mixture

Fuel Gas Maximum Flame temperaturewith air (degree C) with oxygen (degree C)

Acetylene 1 755 3 200

Butane 1 750 2 730

Coal gas 1 600 2 000

Hydrogen 1 700 2 300

Propane 1 750 2 500


8

Oxy-acetylene flame

Neutral flame

Oxidising flame

Carburising flame

www.twi.co.ukحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 15

برخی از پارامترهاي جوشکاري با گاز براي فوالدهاي کربنیسرعت

جوشکاريm/hr

فشارkPa

میزان مصرفm3/hr

مصرف اکسیژنm3/hr

قطر میله جوشکاري

mm

اندازه اریفیسmm

فلز ضخامتmm

- 7 0/0283 0/031 1/6 0/57 0/8- 7 0/0566 0/062 1/6 0/75 1/6

6/1 13/8 0/1420 0/156 2/4یا 1/6 0/92 2/44/88 20/7 0/2550 0/280 3/2یا 2/4 1./9 3/24/27 27/6 0/4530 0/498 3/2 1/32 4/83/66 34/5 0/7080 0/778 4/8یا 3/2 1/61 6/43/05 41/3 0/8500 0/935 4/8یا 3/2 1/85 8/02/74 48/2 1/1330 1/246 4/8 2/08 9/62/44 48/2 1/6990 1/869 4/8 2/37 12/7


9

تنظیم اکسیژن در جوشکاري اکسی استیلننوع شعله جنس نوع شعله جنس

اکسید کننده کمی برنج خنثی فوالد نرم، کمی اکسید کنندهخنثی برنز مس، احیا فوالد پرکربن

کمی احیا نیکل آلیاژهاي خنثی کمی اکسید کننده چدن خاکستريکمی احیا آلیاژهاي نیکل خنثی فوالد آلیاژي

خنثی سرب کمی احیا آلومینیوم


Effect of welding on the structure

Ref: Basic fabrication and welding enginering, F. J. M. Smith, LSTحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 18

10

Temperature distribution during oxy-acetylene welding 10 mm thick mild steel


Arc welding

The most common and economical method is AC arc welding


11

Arc

•Highly luminous and intensely hot discharge of electricity between two electrodes•Discovered early 19th cent. by Sir Humphry Davy•High current and low voltage•When electrodes are parted, strong electric forces draw electrons from one electrode to the other, initiating the arc


ARC Welding Processes


12

Shielding gases in arc welding

Tungsten inert gas welding (TIG)•Tungsten electrode-30000C •Argon and Helium•Filler material is added as in gas welding

Schematic of TIG


Shielding gases in arc welding

• Metal inert gas welding (MIG)

• Consumable electrode• Argon, Helium and

Carbon Dioxide• No filler materials

MIG weld area:


13

Positions and arc welding


Risk involved in arc welding

1. Exposure to radiation2. Flying sparks3. Electric shock4. Fumes5. Damage to eyes6. Burns


14

Safety

• Make sure to work on a dry floor. • Wear thick rubber shoes and dry leather welding gloves. • Be sure to use insulated electrode holders. • Check to make sure that your equipment is all properly

grounded. • Keep your work area properly ventilated to avoid

inhaling any potentially toxic fumes. • Be on the look out for flying bits of melted metal. • Most importantly, be aware of any other people who are

around you.


Types of weld


15

Types of weld


Advanced WeldingAdvanced Welding


16

ELECTRON BEAM WELDNGجوشکاري پرتو الکترونی

توسط یک تفنگ الکترونی، پرتو الکترون ایجاد می شود گرمایی تبدیل می شودانرژي تمامی انرژي سینتیکی الکترون در برخورد با قطعه به

کلوین رسیده و کانال بخار ایجاد می شود 3000دما به تفنگ الکترون به خال باالیی نیاز دارد ولی با خروج الکترون می توان محفظه هایی

با خال باال یا خال متوسط استفاده نمود براي جوشکاري قطعات بسیار حساس استفاده می شود


)EBW(فرایند جوشکاري پرتو الکترونی

تجهیزات فرایند


17

)EBW(فرایند جوشکاري پرتو الکترونی عملیات ذوب و اتصال قطعات با استفاده از انرژي پرتو الکترونی

انجام می شود

مقایسه دو فرایندGTAW وEBWحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 33


تأثیر فشار محیط بر واگرایی پرتو

انجام فرایند جوشکاري در محیط خالء


18


سوراخ تشکیل کلید(Key Hole)



مزایا ؛ دانسیته توان بسیار باال تشکیل کلید سوراخ جوشکاري قطعات ضخیم در یک پاس سرعت باالي جوشکاري حرارت ورودي بسیار پائین جوشکاري فلزات حساس جوشکاري فلزات غیر مشابه

معایب ؛ هزینه باالي تجهیزات نیاز به خالء تنظیم دقیق موقعیت نسبی قطعه و پرتو


19



20

جوشکاري با پرتو الکترونی

جریانی متراکم از الکترون هاي داراي توسط فرایند جوشکاري با پرتو الکترونی یک فرایند اتصال ذوبی است که درطی آن قطعه کار . اثر برخورد با قطعه کار به حرارت تبدیل می شود ها در سرعت باال بمباران شده و کل انرژي جنبشی الکترون

. این حرارت موجب ذوب لبه هاي قطعات و اتصال دو قطعه پس از انجماد می شود حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 39

کار قطعه سمت به کاتد از شده داده نشر هاي الکترون ، الکترونی تفنگ در . است جوشکاري فرایند این قلب الکترونی تفنگ بار با الکترود یک کمک به و شده اعمال ولتاژ از ناشی الکتریکی میدان توسط ها الکترون به دهی شتاب . شوند می داده شتاب می کار قطعه به کرده عبور آند میان کوچکی سوراخ از نور سرعت درصد 70 تا 30 سرعت با حاصل پرتو .شود می انجام مثبت.رسد

. در تجهیزات قدیمی تر از خود قطعه کار به عنوان آند شتاب دهنده استفاده می شد که داراي عیوبی بود.کامال از قطعه کار مستقل باشدپرتو بنابراین تصمیم گرفته شد که آند شتاب دهنده در تفنگ الکترونی قرار گیرد و سیستم تولید


21

جوش فلز در معینی فیزیکی و متالورژیکی خواص ایجاد که شرایطی در ولی شود نمی استفاده کننده پر فلز از معموال فرایند این در. شود استفاده پرکننده فلز از است ممکن باشد مدنظر

.است عمیق کامال و باریک بسیار جوشهاي در آن توانایی ، الکترونی پرتو با جوشکاري مشخصه بارزترین جوش، باالي عرض به عمق نسبت ، )ثابت جوش حجم ایجاد براي( دیگر ذوبی روشهاي با مقایسه در جوش به کمتر ورودي حرارت مزایاي از فرایند از بعد و قبل جدي حرارتی عملیات نیاز عدم و باال انرژي بازدهی باال، جوشکاري سرعت آمده، بدست جوش فلز تمیزي

.آید می حساب به روش این.آید می حساب به روش این هاي محدودیت از شده تدوین مخرب غیر هاي آزمون نبود و ایکس پرتو تولید ، تجهیزات باالي قیمت

. دارد کاربرد پزشکی و الکترونیک خودروسازي، ، اي هسته فضا، و هوا صنایع در روش اینحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 41

جوشکاري با لیزر توجه مورد اخیر دههاي در که بوده جوشکاري نوین روشهاي از لیزر اشعه از استفاده با برشکاري و جوشکاري

استفاده آن از صنعت در وسیعی طور به آن کنترل قابلیت و سرعت ، کیفیت خاطر به امروزه و گرفته قرار صنعت انجام جوشکاري عملیات و شده تشکیل مذاب حوضچه یک فلز روي لیزر اشعه کردن متمرکز وسیله به . شود می . شود می

در جوشکاري به طور عمده از دو نوع لیزر در :جوشکاري و برشکاري استفاده می شود

ND:YAGو Rubyلیزرهاي جامد مثل - حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفتهCO2لیزرهاي گاز مثل لیزر - 42

22

CO2 لیزر مانند گازي لیزرهاي از بیشتر آن خروجی انرژي حالیکه در است آن اشعه نبودن پیوسته Ruby لیزر محدودیت بیشتر ND:YAG لیزر از و شود می استفاده برش منظور به بیشتر CO2 لیزر از . است پیوسته حاصله اشعه آنها در که است . میشود استفاده آلومینیوم جوشکاري براي

که یک جوش تا استیکی حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه : در جوشکاري لیزر دو روش عمده براي جوشکاري وجود دارد . پیوسته شکل بگیرد و دیگري که مرسوم تر است جوش دادن باچند سري پرتاب اشعه است


در جوشکاري لیزر تمامی عملیات ذوب و انجماد در چند میکروثانیه انجام می گیرد و به خاطر کوتاه بودن این . زمان هیچ واکنشی بین فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از این رو گاز محافظ الزم ندارد

بهترین طرح اتصال براي این نوع جوشکاري طرح اتصال لب به لب می باشد و با توجه به محدودیت ضخامت .یا اتصال گوشه نیز استفاده نمود Tدر آن می توان ازطرح اتصال هاي


23

بلعکس روشهاي معمولی که همیشه حوضچه مذاب در سطح خارجی آنها ایجاد می شود ، حوضچه مذاب می تواند داخل یک در این روش میتوان محدوده بسیار وسیعی از مواد مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوق العاده باال ، مواد غیر . محیط شفاف ایجاد شود

را میتوان به یکدیگر جوش داد ، مکان هاي غیر قابل دسترسی را جوشکاري نمود و از آنجا که هیچ الکترودي ... همجنس و . براي این منظور استفاده نمی شود نیازي به جریانهاي باال براي جوشکاري نیست

Rubyسیستم هاي جوشکاري لیزر نسبت به سایر دستگاههاي سنتی جوشکاري بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند ) میلیمتر در دقیقه 250تا 25( به خاطر پالسی بودن اکثرا از سرعت پیشروي کمی برخوردارند

حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته. همچنین این نوع جوشکاري داراي محدودیت عمق نیز می باشد 45

اشعه لیزر نیاز به هیچگونه گاز محافظ یا . از اشعه لیزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشکاري استفاده می شود .جوشکاري لیزر نسبت به سایر روشهاي جوشکاري تمیز تر است . محیط خالیی براي عملکرد ندارد

. این نوع جوشکاري در اتصال قطعات بسیار کوچک الکترونیکی و در سایر میکرو اتصال ها کاربرد دارد

از اشعه لیزر میتوان در جوش دادن آلیاژها و سوپر الیاژها با نقطه ذوب باال و براي جوش دادن فلزات غیر همجنس استفاده از این روش میتوان در صنعت . به طور کلی این روش جوشکاري براي استفاده هاي دقیق و حساس استفاده میشود . نمود

.اتومبیل و مونتاژآن براي جوش دادن درزهاي بلند استفاده نمودحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 46

24

Laser welding• Possible application is the fabrication of stiffened

panel structures commonly used for ships, aircraft, and other structures. Stiffeners can be laser welded on to panels with no filler materials.

• No doubt that laser will be used in various ways in metal fabrication industries.

• It is still difficult to predict how extensively they will be used and how soon.

Ref: Metals hand book. Ninth edition. Vol 6: Welding brazing and solderingحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 47

LBW لیزر پرتو جوشکاري

پرتو لیزر ، پرتو نوري با انرژي بسیار باالست

دو نوع لیزرND-YAG وCO2 در جوشکاري مورد استفاده قرار می گیرد

لیزر براي جوشکاري و برشکاري به کار می رود


25



26


)LBW(فرایند جوشکاري پرتو لیزر


انواع لیزر؛ ND-YAG

CO2


27


مزایا ؛ توانایی ایجاد جوش هاي عمیق با

عرض کم سرعت باالي جوشکاري کوچکمنطقه متأثر از حرارت عدم اعوجاج قطعه جوشکاري فلزات غیرمشابه

معایب ؛ هزینه باالي تجهیزات انعکاس پرتو لیزر از سطح قطعه نیاز به دقت باال در وضعیت قطعه و

پرتو




28

ترمیت جوشکاري TW

فوالد ذوب شده در حفره بین دو قطعه اتصالی ریخته می شود

درجه سانتی گراد پیش گرم می شوند تا ذوب نشوند 1000قطعات تا

مهمترین کاربرد آن در جوشکاري ریل آهن است

فوالد مذاب توسط مخلوطی از اکسید آهن پودري و آلومینیوم تولید می شود


)TW(ترمیت فرایند جوشکاري


29





30





31



ELECTROالکتریکی سرباره جوشکاري SLAG WELDING می استفاده ورق دو بین فضاي پرنمودن براي شدنی مصرف الکترودي از آن در

تا شده فراهم قوس توسط ابتدا در الکترود و ها ورق ذوب جهت الزم حرارت .شود توسط جوشکاري حرارت و شده خاموش قوس آن از پس .شود تشکیل سربار

.شود می تامین سرباره حرارتی مقاومت

باالیش الکتریکی مقاومت دلیل به و شود می گرم الکتریکی جریان توسط سرباره خواهد الکترود سیم ذوب موجب و شود می گرم گراد سانتی درجه 2000 حدود تا

شد

شود می استفاده آسانی به متري میلی 200 ضخیم صفحات جوشکاري براي.حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 62

32

)ESW(فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی با اینکه در این فرایند از قوس استفاده نمی شود، ولی در طبقه

بندي انواع روش هاي جوشکاري، زیرمجموعه روش هاي قوسی قرار داده می شود

ذوب و اتصال قطعات با استفاده ازحرارت سرباره موجود بین دو قطعه

فلز انجام می شود

فلز پر کننده به صورت سیم به درونسرباره تغذیه می شود


)ESW(فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی



33

)ESW(فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی مزایا ؛ نرخ رسوب گذاري بسیار باال جوشکاري تک پاسه بدون توجه به ضخامت قطعات عدم اعوجاج زاویه اي

معایب ؛ حرارت ورودي باال کیفیت جوش پائین رشد دانه ها و کاهش چقرمگی فقط جوش عمودي امکان پذیر است(وضعیت جوشکاري( میلی متر مقرون به صرفه نیست 50براي ورق هاي کمتر از. حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 65

)ESW(فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی


34

)EGW(فرایند جوشکاري با گاز الکتریکی


)PAW(فرایند جوشکاري قوسی پالسما



35

)PAW(فرایند جوشکاري قوسی پالسما ذوب و اتصال فلز پایه توسط ایجاد یک قوس پایدار بین الکترود

تنگستنی و فلز پایه



مقایسه دو فرایند؛GTAW, PAW


36


مقایسه قوس در دو فرایند؛GTAW, PAW

پالسما در جوشکاريPAW


)PAW(انواع فرایند جوشکاري قوسی پالسما

قوس غیر انتقالی قوس انتقالی


37


تشکیل کلید سوراخ

افزایش سرعت جوشکاري افزایش عمق حوضچه جوش



مزایا ؛ عدم حساسیت به تغییر طول قوس نیاز به مهارت کمتر اپراتور عدم آلودگی مذاب توسط الکترود تشکیل کلید سوراخ

معایب ؛ پیچیدگی مشعل نیاز به دقت در وضعیت الکترود در

مشعل تجهیزات گران


38




39

:مقدمه .گیرد می انجام تواماً فشار و حرارت توسط سطح دو اتصال مقاومتی، جوشکاري فرآیندهاي در

نیز ذوب حالت به حتی و شده گرم الکتریکی جریان عبور اثر در الکتریکی مقاومت دلیل به فلزات درآمدن خمیري حالت به باعث کوتاه زمانهاي در زیاد چگالی با الکتریکی جریان اعمال .رسند می

عبور حین و قبل زمانهاي در فشار نیروي اعمال و .گردد می جوشکاري مورد قطعه )ذوب از قبل( فورج باعث قطعه شدن گرم زمان در و نموده تضمین را پیوسته الکتریکی مدار یک وجود جریان شدن فورج به و داشته ادامه هم برق جریان قطع از بعد فشار این شود می جوشکاري محل شدن

کند می کمک جوشکاري محل شدن خنک وسپس

Resistantمقاومتی جوشکاري Welding


جوشکاري نواري

جوشکاري نقطه اي

:انواع جوشکاري مقاومتی عبارتند از


40

الکترود

الکترود

سطح تماس الکترود

دکمه جوش

:جوشکاري مقاومتی نقطه ايجوشکاري مقاومتی نقطه اي فرآیندي است که در آن سطوحی که بر روي هم قرار گرفته اند

گرماي تولید شده در ایـن . از طریق حرارت تولید شده در یک یا چند نقطه به هم متصل می شوندنقاط، حاصل از فلوي جریان الکتریکی است که بین الکترودها برقرار می شود و از میان قطعات نیز

ضمن اینکه الکترودها در این وضعیت با اعمال فشـاري خـاص، سـطوح را بـه هـم . عبور می کند.شکل زیر شماي کلی از این فرآیند را نشان می دهد. نزدیک می کنند


فشاري واحد ،)حرارتی( الکتریکی واحد :باشند می کلی واحد دو شامل مقاومتی جوشکاري هاي دستگاه اتصال براي الزم فشار ایجاد منظور به دومی جوش؛ مورد موضع حرارت درجه بردن باال براي اولی و.)مکانیکی(

و پنوماتیک هیدرولیک، دستی، بصورت توانند می اعمالی نیروهاي .است جوش محل در قطعه دو لبه که شود می باعث فشار این .کرد خواهد پیدا ادامه انجماد مرحله تا فشار اعمال .شوند ایجاد هیدروپنوماتیک

آن تاثیر و فشار اعمال دلخواه مورد در .نریزد بیرون ذوب یا نشود مذاب حوضچه وارد هوا و گرفته قرار رویهم ها.است شده آورده مطالبی بعد فصل در جوشکاري کیفیت روي بر

نگهداري وظیفه ضمن در کرده هدایت اتصال موضع به را الکتریکی جریان باید فرآیندها این در الکترودها.دارند را اتصال موضع در حرارت سریع وتمرکز نظر مورد فشار ایجاد و هم روي به ها ورق

اتالف کمترین و )% 95 حدود( حرارتی تمرکز باالترین با فرآیندي اي، نقطه جوشکاري فرآیند حال هر در منطقه و حرارت اثر بر قطعه پیچیدگی مشکل همچنین .باشد می جوشکاري مختلف فرآیندهاي بین در انرژي وجود جوشکاري موقعیت محدودیت همچنین .خورد می چشم به کمتر فرآیند این در (HAZ) حرارت از متاثر.داد انجام را جوشکاري عمل وضعیت آن با متناسب دستگاهی با مختلف موقعیتهاي در توان می و ندارد

نظر از همچنین .باشند می فرآیند این مزایاي جمله از کننده پر فلز و محافظ گاز مصرفی، مواد به نیاز عدم که دارد وجود جوشکاري روش این در نیز محدودیتهایی .باشد می سالم کامال فرآیند این نیز زیستی محیط

هاي دستگاه به نیاز و است مشکل دارند باالیی الکتریکی و حرارتی هدایت که فلزاتی براي :از عبارتند به نیاز هستند؛ حساس شدن گرم و شدن سرد سریع برابر در که فلزاتی .است خاص تمهیداتی با مخصوصی

4 تا 3 ضخامت( دارد وجود محدودیت ضخامت ماکزیمم لحاظ از نیز و داشت خواهند مخصوص دستگاه .)میلیمتر


41

جوشکاري مقاومتی نواريseam resistance welding

در که است فرایندي نواري مقاومتی جوشکاري جریان عبور برابر در کار قطعه الکتریکی مقاومت آن

با حرارت این که شده حرارت ایجاد باعث الکتریکی ایجاد را جوش مسیر یک تا شده ترکیب اعمالی فشار نقطه از اي مجموعهشامل جوش درز حقیقت در .کند

باشد می ها جوششکل اي دایره الکترود دو اغلب فرآیند این در فلزکار کردن خنک و نیرو جریان، اعمال براي غلتکی

کار قطعه گوناگون اشکال .گیرد می قرار استفاده مورد .هستند موجود غلتک /

اشکال گوناگونی از اتصاالت حاصل از جوشکاري مقاومتی درزيحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 81

به مستقیم نیروي اعمال طریق از ها غلتک دو هر یا یک شود، می استفاده غلتکی الکترود دو از هنگامیکه.آیند درمی حرکت به آنها خارجی سطح به نیرو اعمال طریق از یا محور

نقطه از اي مجموعه شود، برداشته کار قطعه بر الکترودها اعمالی نیروي اینکه بدون نواري، جوشکاري در .باشد داشته متناوب یا مداوم چرخشی جوش فرآیند حین در است ممکن غلتکی الکترود .گیرد می شکل ها جوش

)قطر و شکل نیرو،( الکترود مشخصات و کردن، خنک نحوه جریان، موج شکل جریان، مقدار جوشکاري، سرعت.شود حاصل جوش کیفیت باالترین و بهترین تا شوند انتخاب دقت به باید

.است صادق نیز نواري جوشکاري مورد در شد، گفته اي نقطه مقاومتی جوشکاري مورد در که کلی اصول

با نواري مقاومتی جوشکاري - و غلتکی الکترود یک از استفاده

اي میله الکترود یک


42

اتصاالت اگزوز، لوله سوخت، مخزن ساخت مثال( خودروسازي صنایع در نوراي مقاومتی جوشکاري فرآیند این مزایاي .دارد کاربرد ... و فوالدي شوفاژ رادیاتور فلزي بطریهاي و شکل اي استوانه ظروف ساخت )سقف:از عبارتند لیزر جوشکاري و اي زائده جوشکاري اي، نقطه مقاومتی جوشکاري با مقایسه در فرآیند

گاز یا مایع برابر در ناپذیر نشت اتصال یک به دستیابی امکان - .دارد وجود الکترودها پیوسته تراشیدن امکان زیرا شود اي نقطه جوش قطر از کمتر است ممکن درز عرض -آن اقتصادي توجیه و جوشکاري باالي سرعت - دارند، باالتري جوشکاري قابلیت دار پوشش فوالدهاي اي، نقطه جوشکاري روش به نسبت روش این در -

.نمود حذف گیرند می قرار الکترودها روي بر که را پوششی باقیمانده توان می تمهیداتی اتخاذ با زیرا زیرا دارند باالتري جوشکاري قابلیت دار پوشش فوالدهاي روش این در لیزر، جوشکاري روش به نسبت -.است حداقل جوش، منطقه در باال فشار اعمال دلیل به پوشش مواد فرار امکان

.است لیزر روش از حاصل جوش سختی از کمتر شود می خنک هوا با که نواري مقاومتی جوش سختی -

جوشکاري مقاومتی نواري با استفاده از الکترود سیمی


مقاومتی القایی فرکانس باالفرایند جوشکاري


43

مقاومتی القایی فرکانس باالفرایند جوشکاري


)Flash Welding(جرقه اي فرایند جوشکاري


44

Stud جوشکاري


Stud جوشکاري


45

Stud جوشکاري


جوشکاري ذوبی

قوسی جوشکاري Stud


46

Stud Welding

The sequence of operations in stud welding, which is used for welding bars, threaded rods, and various fasteners onto metal plates.


Magnetic impelled arc weldingجوشکاري ذوبی


47

Steps in MIAB• Faces to be joined are brought together and internal

magnetic coil is put in place• Welding current, magnetic coil system is put in place

and shielding gas are turned on• Work pieces are retracted to a defined gap to produce

the arc• Arc rotates about interface-melting faces to be joined• Faces are pressed together• Welding current, magnetic field and shielding gas are

switched off حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 93

Magnetic Arc Welding

• Arc is rotated around the weld line by the force which results from the interaction between the magnetic field and the current

• CO2 or inert gas shielding is used


48





49





50

جوشکاري حالت جامد

در جوشکاري حالت جامد اتصال دو ماده بدون ایجاد منطقه ذوبی امکان پذیر است

با این روش فلزات غیر مشابه همچون آهن و آلومینیوم که به دلیل ایجاد ترکیباتترد، تحت جوشکاري ذوبی قرار نمی گیرند را می توان به یکدیگر متصل نمود

دو مانع اساسی در مقابل جوشکاري حالت جامد عبارتند از ؛ اکسیدها و آلودگی هاي سطحی

زبري سطوح



در جوشکاري سرد با افزایش فشار می توان این موانع را از بین برد

در جوشکاري انفجاري نیز فشارهاي باال موجب حذف موانع می شود

فیلم هاي اکسیدي را تخریب می کنداصطکاك جوشکاري اولتراسونیک به وسیله


51


سرد جوشکاري

خواص پالستیسیته این روش براي فلزاتی امکان پذیر است که در دماي اتاقباالیی دارند و الیه اکسیدي آنها توسط فشار تخریب می شود

آلومینیوم و مس به وسیله این روش ، تحت جوشکاري قرار می گیرند



سرد فشاري جوشکاري Roll Bonding


52

Roll Bonding• A solid state welding process in

which bonding is made between twosheets of metal by passing themthrough a rolling mill.

• Surface preparation is of utmostimportance.

• Welding is promoted with increasingtemperature, increasing pressure,increasing roll diameter, anddecreasing rolling speed.

• 60 to 70% deformation is requiredfor maximum weld strength.


a

Nascent surfaceOriginal weld interface

X

Yb

Weldinterface

Rolling

Plane Strain Roll Bonding (Deformation in thickness and length only.)

• % reduction in thickness

• % nascent (new) surface

x ax

ax

100% 1 100%

b yb

yb

100% 1 حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته100% 105

53

Plane Strain Roll Bonding• Assuming constant volume, xy = ab or a/x = y/b

• % reduction in thickness is equal to % nascent surface, assuming no change in width.

• For 100% nascent surface 100% reduction in thickness is needed.

1 100% 1 100%

ax

yb


Surface Deformation• Bulk compressive deformation or

upsetting is measured as thepercentage reduction in sheetthickness.

• A threshold deformation existsbelow which no weld is made.

• Above this threshold the jointstrength is close to that predictedby assuming the welded area is thenascent surface area.

• Increasing the temperature reducesthe value of threshold deformation.

Deformation%

Thresholddeformation

Predicted strengthStrength of welded joint.


54

Roll Welding (ROW)

Solid State Welding process in which pressure sufficient to cause coalescence is applied by means of rolls, either with or without external heat

• Variation of either forge welding or cold welding, depending on whether heating of work parts is done prior to process • If no external heat, called cold roll welding• If heat is supplied, hot roll welding


Roll Welding Applications • Cladding stainless steel to mild or low alloy steel for corrosion

resistance

• Bimetallic strips for measuring temperature

• "Sandwich" coins for U.S mint


55

Steel - Aluminum Cladding

Cleaning

Rollinga. Coldb. 600-750 F

Post-Heating ~ 1000F


Aluminum

Steel

FeAl3, Fe2Al5(Brittle)

Si > 0.25% in SteelTends to Reduce Brittle Iron-Alumindes Thus Higher Post Roll Temperatures can be employed

Steel

Steel

Aluminum

Steel

Steel

Aluminum


56

Titanium

Aluminum

Aluminum - Titanium


AluminumStainless Steel

Stainless Steel Clad Aluminum & Copper

CopperStainless Steel

Hot Rolled


57

Accumulated Rolled Bonding

(ARB)

Annealed brass layer

58

جوشکاري حالت جامد انفجاري جوشکاري

مهمترین کاربرد آن در پوشش دهی)Cladding (است فلز پایه و فلز پوشش قبل از جوشکاري تمیز کاري سطحی می شوند

ماده انفجاري با ضخامتی سه برابر فلز پوشش روي سطح قرار می گیرد و با ایجاد جرقه درروي سطح حرکت می کند m/s2000لبه با سرعت

هلیم استفاده می شودیا براي پوشش هاي با ضخامت کم از محیط خال و درصدي داشته باشد تا در اثر انفجار ترك نخورد 12فلز پوشش باید انعطاف پذیري حداقل

ضخامت فلز پوششmm12 -1 استحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 116

Explosive Weldingانفجاريجوشکاري

پیوند یک ایجاد براي انفجار نیروي از که است جامد حالت جوشکاري فرایند یک فرایند این گرماي منفجره مواد انفجار گرچه .کنند می استفاده شونده متصل قطعه دو بین متالورژیکی

قابل افزایش بنابراین .ندارد وجود حرارت انتقال براي کافی زمان ولی کند، می تولید زیادي باال بسیار سرعت با مایل ضربه یک فرایند این در .گیرد نمی صورت قطعه دماي در توجهی

عمل سیال یک مشابه جامد فلز شده موجب که شود، می اعمال قطعه دو مشترك فصل به می بیرون به سیال جت یک صورت به نیز قطعات سطحی قشر حتی ضربه این اثر در .کند در اکسید از عاري سطوح .گیرند می قرار یکدیگر با تماس در فلز دو شده تمیز سطوح و جهد.گیرد می صورت اتصال وعمل شده فشرده هم


59

یک تحت باالیی صفحه فرایند این در .دهد می نشان را منفجره مواد و قطعات گرفتن قرار نحوه باال شکل گیر ضربه الیه یک وسیله به باالیی صفحه خارجی سطح .گیرد می قرار زیرین صفحه به نسبت زاویه

و گیرد می قرار گیر ضربه قشر روي بر پودر یا ورقه صورت به منفجره مواد از الیه یک .گردد می محافظت .کند می عمل منفجره ماده پایینی انتهاي در چاشنی .دارد بستگی منفجره ماده مقدار و نوع به باالیی صفحه سرعت


قطعات جوش امکان و مشترك فصول در شیمیایی عناصر ناچیز نفوذ آنیل، یا ریختگی ساختار ایجاد عدم مواد به دسترسی عدم بزرگ، و باز فضاي به نیاز و قوت نقاط از یکدیگر به جنس هم غیر و بزرگ و پهن

.باشد می فرایند این هاي محدودیت از منفجره مواد با کار از ناشی خطرات و کشورها بعضی در منفجره فرایند انجام شرط تنها و شده محسوب جنس هم غیر و جنس هم مواد اتصال در مفید روشی فرایند این

می قطعاتی مهمترین جمله از الیه دو هاي لوله و ها ورق .است قبول قابل چقرمگی و پذیري انعطاف داشتن. شوند می ساخته روش این با که باشند


60

انفجاريفرایند جوشکاري

جوشکاري انفجاري قبل از انجام فرایند




61


جوشکاري انفجاري بعد از شروع فرایندحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 122

نمونه اي از قطعات جوشکاري شده به روش جوشکاري انفجاري



62

Explosive Welding

•Welding produced by explosively forcing one plate (or component) against the one to which it is to be joined at an approximate angle of incidence, known as the impact angle

•Methods: 1. Inclined gap method2. Parallel gap method

In parallel gap method, detonation velocity should be equal to or less than the speed of sound in the metal being welded


Explosive Detonation velocity, m/s

RDX (Cyclotrimethylene trinitramine, C3H6N6O6 8100

PETN (Pentaerythritol tetranitrate, C5H8N12O4) 8190

TNT (Trinitrotoluene, C7H5N3O6) 6600

Tetryl (Trinitrophenylmethylinitramine, C7H5O8N5)

7800

Lead azide (N6Pb) 5010

Detasheet 7020

Ammonium nitrate (NH4NO3) 2655

Explosives


63

Explosive welding


Inclined gap method• Various detonation speeds are possible with the inclined gap

method• A jet is formed. The jet is a thin layer of metal stripped from

the surfaces of both plates, which in turn exposes theuncontaminated metal surfaces which are then welded in thehigh pressure zone, known as stagnation point

• Typically the weld surfaces are wavy• Weld is mainly solid state with small pockets of melted jet

material (on the front and back slopes of the waves)• Some welding may also be enhanced by friction due to the

difference in the velocity of the platesحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 127

64

Application of explosive welding• Cladding plates• Joining of pipes and tubes• Major areas of the use of this method are heat exchanger

tube sheets and pressure vessels• Tube Plugging• Remote joining in hazardous environments• Joining of dissimilar metals - Aluminium to steel,

Titanium alloys to Cr – Ni steel, Cu to stainless steel, Tungsten to Steel, etc.

• Attaching cooling fins• Other applications are in chemical process vessels, ship

building industry, cryogenic industry, etc.


Advantages of explosive welding

1. Can bond many dissimilar, normally unweldable metals.2. Minimum fixturing/jigs.3. Simplicity of the process.4. Extremely large surfaces can be bonded.5. Wide range of thicknesses can be explosively clad

together.6. No effect on parent properties.7. Small quantity of explosive used.


65

Disadvantages of explosive welding1. The metals must have high enough impact resistance,

and ductility. 2. Noise and blast can require operator protection,

vacuum chambers, buried in sand/water. 3. The use of explosives in industrial areas will be

restricted by the noise and ground vibrations caused by the explosion.

4. The geometries welded must be simple – flat, cylindrical, conical.

5. Area should be cleaned and sound grounded for explosion

6. Licences are necessary to hold and use explosives


جوشکاري فراصوتی

و جنس هم غیر و جنس هم فلزات جوشکاري براي موثري طور به فراصوتی جوشکاري فرایند فرکانس نوسانهاي روش این در .شود می استفاده هم روي لبه اتصال طرح با فلزات غیر همچنین

ناشی داخلی شدگی قفل و شده اتصال محل در مولکولها یا و فلزي اتمهاي شدن متالشی سبب باال.شد خواهد مطلوب مکانیکی اتصال یک به دستیابی سبب مولکولها یا اتمها این از


66

کار که مبدل یک طریق از فراصوتی انرژي فرکانس الکتریکی نوسانهاي کردن تبدیل

دهد می انجام را مکانیکی نوسانهاي به باال 20 از بیش معموال فرکانس . شود می تولید .است )شنوایی محدوده از فراتر( هرتز کیلو

جفت سیم یک طریق از مکانیکی نوسانهاي به سپس و کننده جوشکاري نوك به کننده جوشکاري نوك .شود می منتقل کار قطعه به ( کند می نوسان عرضی صورت به کننده

همان در و ) جوش مشترك فصل موازات مشترك فصل بر عمود ایستایی نیروي حال

.شود می اعمال


تمیزکاري حرارتی عملیات یا جوشکاري از بعد ولی است ضروري ساده تمیزکاري یک جوشکاري از قبل.شود نمی استفاده کننده پر فلز یا ساز روان از روش این در .باشد نمی نیاز مورد حمایت امکان عدم علت به سر به سر اتصالهاي در و است هم روي اتصالهاي به محدود تنها فراصوتی روش

.است همراه زیادي مشکالت با جوشکاري انجام اتصال نگهداري و

عدم و ، باال جوشکاري سرعت و ایمنی ضریب نازك، بسیار هاي ورق جوشکاري انجماد، و ذوب به نیاز عدم جوش توانایی عدم و دستگاه قطعات کم عمر باال، هزینه و روش این مزایاي از جوش منطقه در رنگ تغییر. آید می حساب به روش این هاي محدودیت از ضخیم قطعات دادن و سازي اتومبیل ، بندي بسته صنایع ، خورشیدي انرژي هاي سیستم الکترونیکی، تجهیزات ساخت در روش اینحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته.دارد کاربرد فضا و هوا 133

67

فصل موضع در تنها حرارت درجه و شود نمی ایجاد اي مالحظه قابل حرارت گونه هیچ فرایند این در بنابراین .کند می تغییر کلوین حسب بر قطعه ذوب نقطه درصد 50 تا 35 محدوده در حداکثر مشترك

.شد نخواهد تشکیل ترد ریختگی ساختار دهد نمی رخ پایه فلز در ذوب عمل چون تغییر که شود می اعمال قطعات دادن قرار تماس در براي متوسطی فشار جوشکاري فرایند خالل در

.کند نمی ایجاد را اي مالحظه قابل شکل



اولتراسونیک جوشکاري اولتراسونیک، صوتی با فرکانس بیش ازKHz20 است و قابل شنیدن نیست

امواج اولتراسونیک عموماً توسط خاصیت پیزوالکتریک مواد به قطعات منتقل میشود

جوشکاري؛ پارامترهاي انرژي فشار حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفتهزمان 135

68


اولتراسونیک جوشکاري فلزات

موج طولی به قطعه کار اعمال می شود

با ایجاد حرکت نسبی در قطعات، فیلم هاي اکسیدي تخریب شده و سطوح دروضعیت تغییر فرم پالستیک قرار گرفته و جوش می خورند

جوشکاري اولتراسونیک براي صفحات نازك فلزات غیرآهنی مانند آلومینیومو مس به کار می رود



پالستیک اولتراسونیک جوشکاري ها

اکثراً در صنایع خودروسازي به کار می رود

میلیون جوش اولتراسونیک در روز در صنایع 4در حدود 1984در سالخودرو آلمان به کار می رفته است

انرژي ضربه اي موج موجب اصطکاك مولکولی و سطحی می شود

اولتراسونیک روش بسیار مهمی براي پالستیک هایی است که در اثرحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفتهذوب، تجزیه می شوند 137

69


اولتراسونیک جوشکاري





70

SolidState

Welding

Electrical

Chemical

Mechanical

Friction

Pressure UltrosonicWeld


A solid state welding process in which coalescence is produced at the faying surfaces by the application of high frequency vibratory energy while the work pieces are held together under moderately low static pressure.

Definition of Ultrasonic Welding


71

Ultrasonic Welding Process

Process Description:• Components of

ultrasonic welding system include:– Transducer– Sonotrode– Anvil

Anvil

Mass

Sonotrodetip

Clampingforce

wedge Transducer

Force

WeldmentVibration


• A static clamping force is applied perpendicular to the interface between the work pieces.

• The contacting sonotrode oscillates parallel to the interface.

• Combined effect of static and oscillating force produces deformation which promotes welding. Anvil

Mass

Sonotrodetip

Clampingforce

wedge Transducer

Force

workpiece

Ultrasonic Welding Mechanism

10-75 KHz


72


Process Variations

• Spot Welding• Ring Welding• Line Welding - Linear Sonotrode• Continuous Seam Welding - Roller Sonotrode• Microminiature Welding


73

Typical 1500 ultrasonicspot-type welding machine

Courtesy AWS handbookحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 147

AWS Welding Handbookحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 148

74

AWS Welding Handbook

100 W Lateral DriveUltrasonicWelder



Typical Ring Welding ApplicationsTip in Shape of Weld


75

AWS Welding HandbookAttachment for Continuous Ring Weldingحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 151


Traversing Head for Continuous Seam Welding

Tip


76

• Ultrasonic power• Clamping force• Welding time • Frequency • Linear Vibration Amplitude

Welding Variables

Ultrasonic Welding Variables


Ultrasonic Welding Power Generation• Electrical power of 60

Hz is supplied to the frequency converter.

• The frequency converter converts the required 60 Hz signal to the welding frequency (from 10 to 75 kHz).

Electricalenergy

Frequencyconverter

Vibratorytransducer

Transducer

Power Generation


77


• Frequency is transformed to vibration energy through the transducer.

• Energy requirement established through the following empirical relationship.– E = K (HT)3/2

– E = electrical energy– H = Vickers hardness number– T = thickness of the sheet

Electricalenergy

FrequencyConverter

Vibratorytransducer

Power Generation

Ultrasonic Welding Power Generation


78

2/3)HT(KE

Where:E = electrical energy, W*s (J)k = a constant for a given welding systemH = Vickers hardness number of the sheet T = thickness of the sheet in contact with the sonotrode tip, in. (mm)

Power Requirements

The constant “K” is a complex function that appears to involve primarily the electromechanical conversion efficiency of the transducer, the impedance match into the weld, and other characteristics of the welding system. Different types of transducer systems have substantially different K values.


Source AWS handbookحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 158

79



80

Sonotrode Tip and Anvil Material

High Speed Tool Steels Used to Weld• Soft Materials• Aluminum• Copper• Iron• Low Carbon Steel

Hardenable Nickel-Base Alloys Used to Weld• Hard, High Strength Metals and Alloys


• Localized temperature rises resulting from interfacial slip and plastic deformation.

• Temperature is also influenced by power, clamping force, and thermal properties of the material.

• Localized Plastic Deformation• Metallurgical phenomena such as recrystallizing,

phase transformation, etc..... can occur.

Ultrasonic Welding Interfacial Interaction


81

Source AWS handbook

Ultrasonic Welding Materials Combinations


Extreme InterpenetrationNickel Foil (top) to Gold-Plated Kovar Foil

Local Plastic FlowDark Regions are Trapped OxideNickel Foil (top) to Molybdenum Sheet

Very Little Penetration, Thin Bond Line, Fiber FlowMolybdenum Sheet to Itself


82

AWS Welding HandbookComparison With Resistance Spot Weldحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 165

• No heat is applied and no melting occurs.• Permits welding of thin to thick sections.• Welding can be made through some surface

coatings.• Pressures used are lower, welding times are

shorter, and the thickness of deformed regions are thinner than for cold welding.

Advantages of Ultrasonic Welding


83

• The thickness of the component adjacent to the sonotrode tip must not exceed relatively thin gages because of power limitations of the equipment.

• Process is limited to lap joints.• Butt welds can not be made because there is no

means of supporting the workpieces and applying clamping force.

Limitations of Ultrasonic Welding


Other Process Variations• Ultrasonic Welding of Non-metallic• Ultrasonic Plastic Welding


84

Welds Can Be Made to Non-MetallicSubstrate Materials Coated with Thin

Layers of Metal Films

Non-Metallic

Metal FilmMaterial Welded



85

Ultrasonic Welding of Plastics

• Advantages– Fast– Can spot or seam weld

• Limitations– Equipment complex,

many variables– Only use on small parts– Cannot weld all plastics

0.1.1.2.5.T25.95.12حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 171

• Assembling of electronic components such as diodes and semiconductors with substrates.

• Electrical connections to current carrying devices including motors, field coils, and capacitors.

• Encapsulation and packaging.• Plastic parts

Applications of Ultrasonic Welding


86


AWS Welding HandbookNote weld progression (no weld in center)حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 174

87

Starter motor armature with wiresjoined in commutator slots by

ultrasonic weldingUltrasonically welded Helicopter

access door.Courtesy AWS handbook


Field coil assembled by ultrasonic welding


88


UltrasonicHorn

First Weld Made Cut and Second Weld Made

Bundled Wires

Welds

Ultrasonic Tying Tool

Metal Tape Fed Around bundle of Wires and welded once, then cut and welded again.

Wire Bundle Placed in Jaws


89

Ultrasonic Stitch (Clad) Welding

Anvil

Sonatrode

Louks, et al “Ultrasonic Bonding Method” US Patenet 6,099,670 Aug. 8, 2000


Ultrasonic Welding of Eraser Holder on Plastic Pencil

Coinon, A, Trajber, Z, “Pencil Having and Eraser-Holding Ferrule Secured by Ultrasonic Welding” US Patent 5,774,931 July 7, 1998


90

Explosive Gas Generator For Auto Air Bag(Plastic Ultrasonic Weld)

Plastic Cap Welded to Plastic Base

Gas Generating Explosive Powder

Primer

Ultrasonic Weld

Avory, et al “Electrical Initiator” US Patent 5,763,814 June 9, 1998. حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 181



91





92



Ultrasonic welding• A solid state process for metal and plastics• Energy required comes in the form of mechanical vibrations• Most operates at 20, 30, 40 kHz• Weld is produced when the work pieces are clamped together

between an anvil and a high frequency vibration probe (sonotrode)

• Empirical relation for a ultrasonic welding:E=k(HT)3/2

Where, E = Electrical energyk = Constant for given welding systemH = Vickers hardnessT = Thickness of the work piece in contrast with the sonotrode


93

Types of ultrasonic welding

Wedge-Reed method – where the transducer is coupled through a resonant bar

Direct couple methods


Ultrasonic welding

• Sonotrode induces lateral vibration and local movement between the frying surfaces

• This tends to disrupt any surface oxide film present and also raises the temperature, extending an area of plastic flow, and a solid-phase type of pressure is formed

• Morphology of the weld is similar to the friction weld


94

Variants:• Spot welding- elliptical “spots”• Ring welding – hollow sonotrode tip• Line welding – linear sonotrode tip• Continuous welding – Rotating wheel shaped sonotrode

and a roller type of anvilApplication:• Largest growth area for ultrasonic welding is micro

miniature welding and micro joining in micro electric applications

• Capable of joining very fine wires to electrical components


Ultrasonic welding control


95





96

Ultrasonic weldingAdvantages:

•Energy efficiency

•High productivity with low costs and ease of automated assembly line production

Disadvantages:

The maximum component length that can be welded by a single horn is approximately 250 mm. This is due to limitations in the power output capability of a single transducer, the inability of the horns to transmit very high power, and amplitude control difficulties due to the fact that joints of this length are comparable to the wavelength of the ultrasound.



نفوذي جوشکاري

با گرم کردن دو قطعه، تحت فشار کم اعمالی به قطعات و محیط خال انجام میشود

دماي ذوب قطعه انتخاب می شود 50-70%دماي کاري اکسیدهاي سطحی به دلیل حضور دماي باال و محیط خال تجزیه می شوند در صنایع هوایی به خصوص جوشکاري تیتانیوم و آلیاژهاي آن استفاده می شود

اساس کار شبیه آن فرایندي است که در متالورژي پودر اتفاق می افتد


97

Linnert, Welding Metallurgy, AWS, 1994


• A solid-state welding process that produces coalescence of the faying surfaces by the application of pressure at elevated temperature.

• The process does not involve macroscopic deformation, or relative motion of the workpieces.

• A solid filler metal may or may not be inserted between the faying surfaces.

Work pieces

Schematic representation ofdiffusion welding using electrical resistance for heating

AB

Force

Definition of Diffusion Welding


98


• 1st stage– deformation forming

interfacial boundary.• 2nd stage

– Grain boundary migration and pore elimination.

• 3rd stage– Volume diffusion and pore

elimination.

asperities come into contact.

2nd stage grainboundary migrationand pore elimination

1st stage deformationand interfacial boundary formation

3rd stage volumediffusion poreelimination

Diffusion Welding Working Principles


99

نفوذيفرایند جوشکاري


Free Energy as Atom Reversibly Moves

Diffusion in Solids - Shewmonحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 200

100

• Temperature• D = D0 e -Q/KT

– D = Diffusion coefficient– D0 = Diffusion constant– Q = Activation energy– T = Absolute temperature– K = Boltzman’s constant

Factors Influencing Diffusion Welding(Relation between Temperature and Diffusion Coefficient)


J1

= - D 1dcdx

Mass L2t

L2 t

Mass/L3 L


101

• Temperature ( effects diffusion coefficient)• Time• X = C (Dt)1/2 = Diffusion Length

– X = Diffusion length– C = A constant– D = Diffusion coefficient (see previous slide)– t =Time

• Pressure

Factors Influencing Diffusion Welding



102



103



104

• Application in titanium welding for aero-space vehicles.

• Diffusion welding of nickel alloys include Inconel 600, wrought Udimet 700, and Rene 41.

• Dissimilar metal diffusion welding applications include Cu to Ti, Cu to Al, and Cu to Cb-1%Zr. Brittle intermetallic compound formation must be controlled in these applications.

Applications of Diffusion Welding


Titanium Diffusion Welding

• Temp As High As Possible Without Damage to Base Metal75 to 100 F below Alpha-Beta Transus (eg 1700F)

• Time varies with other facts below but 1 hr to 4 hour typical• Pressure near yield (at temp)• Smooth Faying Surface (rough surfaces = more time, pressure)• Clean Surface (usually acid cleaning)

Space Shuttle designed to have 28 Diffusion Welding Components


105

Froes, FH, et al, “Non-Aerospace Applications of Titanium” Feb 1998, TMS

Superplastic Formed & Diffusion Bonded Titanium Heat Exchanger


Nickel Diffusion Welding(More Difficult to Weld)

• Temp close to MP• High Pressure (because High hot strength)• Clean Surfaces - Ambient Atmosphere Control

(Surface Oxides Do Not Dissolve)• Nickel Filler often used (especially for rough surface)


106



Without Nickel Filler MetalFine Ti(C,N) and NiTiO3Forms Reducing Strength

With Ni Filler Metal No Precipitates FormedGrain Boundary MigrationBut Excessive Ni3Al ppt.

With Ni-35% CoGood Joint Obtained


107

Diffusion Welding of Dissimilar Metals

Some Potential Problems

• An intermetallic phase or a brittle intermetallic compound may form at the weld interface. Selection of an appropriate filler metal can usually prevent such problems. Joint designs can help also.

• Low melting phases may form. Sometime this effect is beneficial

• Porosity may form due to unequal rates of metal transfer by diffusion in the region adjacent to the weld (Kirkendall Porosity). Proper welding conditions or the use of and appropriate filler metal or both may prevent this problem.



108

Some Specific

ApplicationsOf

DiffusionWelding



109


Diffusion Welding and Superplastic Forming for Aircraft StructureDiffusion Welding and Superplastic Forming for Aircraft Structure

Sheets of superplastic material (ex. Al) stacked with stop-off material (silica) painted on specific areas

Diffusion bonding at 14 (stop-off areas 12)

Pressure gas expands stop-off areasTop cut off if required

Collier et al, “Method of Manufacturing Structural Parts, Particularly for use in Aircraft” US Patent 6,039,239 Mar 21, 2000


110

Ceramic Turbocharger Rotor (Diffusion bonded to Intermediate & Friction Welded to Shaft)

Ceramic Intermediate Member

Diffusion Layer

MetalShaft

Ito, M, et al, “Ceramic-Metal Composite Assembly” Patent 5,881,607 Mar 16, 1999


Diffusion Brazing

• Low Melting inter-layer• Melts & then diffuses into substrate• Generally more rapid diffusion

Some Applications


111

Liquid Phase Diffusion Bonding for Clad Steel Plates

Sheets Stacked (2 sets) with bonding activator between sheets and separator between clad platesEvacuated & Diffusion Bonded

Steel SubstrateBonding Activator (Ni4P)

Nickel Clad Material

Separator Compound (silica)

Turner, W. “Method of Manufacturing Clad Metal Plates” US Patent 6,015,080 Jan 18, 2000 حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 223


Diffusion Brazing of Aluminum


112

A Titanium Alloy Stiffened Sheet StructureFabricated by Continuous Seam Diffusion Braze


TitaniumCopper Film

Copper Film

Titanium

ElectrolyticallyPlatedCopper Film

Copper LayersReact with Tito form EutecticBraze Alloy

Use SimilarParameters asDiffusion Weld


113


Titanium BrazePlated Copper

A Widmanstaatten structure formed at the braze interface because the plated filler metal stabilized the beta phase.


Nickel Brazing

Braze AlloyNickel with melting Point Depressants (Silicon, Boron, Manganese, Aluminum, Titanium or Columbium

Melt Braze MetalAnd Hold At

Temp

Temp DepressingElements DiffuseInto Base Metal

IsothemalSolidification

Melt Braze MetalAnd Hold At

Temp

SolidifyBraze Alloy

Reheat BelowMelting Temp

to Diffuse Alloy

Method 1

Method 2


114

Nickel Braze - Isothermal SolidificationAWS Welding Handbook



Nickel Braze - Reheat for Diffusionحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 230

115





116



حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته

Activated Diffusion Bonding• Surface coating changes difficult to bond interface into

easier to bond interface

M. Obrien et al. Weld J. Jan 1976 p.26

234

117

حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته

Activated Diffusion Bonding• Achieve bond between high-strength iron with silver layer in

between– Plated iron with silver in a chemical process, so this was just a

silver-silver bond. Silver is easy to bond because silver oxide is not stable at elevated temperature

– Bond strength is 100 ksi, which is higher than 20 ksi yield strength of silver. Phenomena is called contact strengthening

235

Diffusion Bonding/Superplastic Forming

The sequence of operations in the fabrication of various structures by diffusion bonding and then superplastic forming of (originally) flat sheets.حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 251

118

Diffusion Bonding Applications


Friction welding-Friction heat caused by the motion of one surface against another enables plastic deformation and atomic diffusion at the interface

-Used by the automotive industry for decades in the manufacture of a range of components

-The weld is formed across the entire cross-sectional area of the interface in a single shot process


119

Advantages of friction welding• Narrow HAZ• Dissimilar metals can be joined• No fusion zone• Can be used under water • Very high reproducibility - an essential requirement for a mass production

industry• Excellent weld quality, with none of the porosity that can arise in fusion welding • environmentally friendly, because no fumes or spatter are generated, and there is

no arc glare or reflected laser beams with which to contend


اصطکاکی جوشکاري جوشکاري حالت جامد از دو قطعه، یکی ساکن و دیگري در حال گردش حول محور خود است در حین جوشکاري و با ایجاد اصطکاك بین سطوح درکیر دو قطعه، باید در

زمان هاي مناسب فشار کافی اعمال شود

HAZ جوشکاري ریزدانه است به دلیل زمان سرد شدن کوتاه، سختی باال در فوالدهاي سختی پذیر، قابل

دستیابی است

ناحیه جوشکاري باریک است، ناحیه ذوبی وجود ندارد و فلزات غیر مشابه بهراحتی قابل جوشکاري است


120

اصطکاکی جوشکاري جوشکاري حالت جامد

سه نوع جوشکاري اطصکاکی وجود دارد؛ direct drive FRW

inertia FRW

combined FRW

پارامترهاي جوشکاري؛ شود انتخاب مدور و متقارن هاي لبه باید جوش طراحی در باشد مناسب اندازه داراي و قوي باید قطعات نگهدارنده شود می جوش شدن عریض موجب قطعات گردش سرعت کاهش


اصطکاکیفرایند جوشکاري


121


مزایا؛

اتصال مواد غیر مشابهمنطقه متاثر از حرارت باریکصرفه جویی در مصرف مواد اولیهعدم نیاز به فالکس، گاز محافظ و فلز پرکنندهسرعت تولید باالحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفتهقابلیت اتوماتیک کردن فرآیند 258

اصطکاکیشمایی از مراحل فرآیند جوشکاري

اصطکاکیفرایند جوشکاري تغییرات پارامترهاي مؤثر در طی

جوشکاري اصطکاکی


122

اصطکاکیفرایند جوشکاري مراحل مختلف در طی ایجاد حرارت در جوشکاري اصطکاکی

اصطکاك در فصل مشترك سطوح در تماس و ایجاد منطقه خمیري

ماده خمیري رفتاري نظیر ماده ویسکوز نشان می دهد

افزایش وسعت منطقه ویسکوز و جابجا شدن شعاعی بطرف داخل

قطعه متحرك متوقف شده و الیه ویسکوز بیشتر سطح تماس را می پوشاند


اصطکاکیفرایند جوشکاري کاربرد جوشکاري اصطکاکی


123



اصطکاکیفرایند جوشکاري کاربرد جوشکاري اصطکاکی

در صنعت خودروجوشکاري اصطکاکی اغتشاشی


124

جوشکاري اصطکاکی

. است استوار گرمایی انرژي به مکانیکی انرژي تبدیل اساس بر روش این روي بر آنها از یکی سریع دورانی حرکت ایجاد با و کرده نزدیک هم به را اتصال مورد قسمت دو روش این در

اتصال هاي لبه در پالستیسیته حالت موجب که شده تولید زیادي گرماي قطعه، دو اصطکاك و مالش و دیگري . شود می

. شود می ایجاد اتصال و روند می فرو هم در قطعات نهایی شده اعمال فشار با حمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 264

برآمدگی داراي میکروسکوپی مقیاس در سطوح الیه آن بر عالوه و هستند هایی فرورفتگی و ها

روي بر دیگر هاي ناخالصی یا و نازك اکسیدي طور به سطوح هرگاه . است شده پوشیده سطح چسبندگی نیروينگیرند قرار هم کنار در کامل

نتیجه در و نشده برقرار آنها بین مولکولی بین جوشکاري در اصلی هدف گیرد نمی انجام اتصال

و ها ناهمواري این نمودن برطرف اصطکاکی سطح دو اتصال براي فشار اعمال و ها ناخالصی

.است


125

همزمان روند، می بین از و کرده برخورد بهم بلند نقاط شوند می مالیده هم روي بر معین فشار با سطح دو که هنگامی چسبندگی یا باند یک ترتیب بدین و می گیرند قرار یکدیگر با تماس در فلز سطح دو و شده برداشته اکسیدي الیه

می وجود به تر تازه باند یک و شده بریده چسبندگی ،این حرکت ادامه با آید می وجود به ) (Seizures موقت. یابد می افزایش سطح حرارت درجه تدریج به و شده تبدیل حرارتی به مکانیکی انرژي ترتیب بدین آید

فرم تغییر و یافته کاهش فشاري استحکام بنابراین سرعت به برآمده نقاط گیرد، می انجام تر راحت پذیري

می قرار کامل چسبندگی حالت در سطوح و شده محو از بیشتر تولیدي حرارت نرخ که این فرض با گیرند

حالت و رفته باالتر حرارت درجه باشد فروکشی حرارت استحکام که جایی تا ،شود می بیشتر نیز پالستیکی

زیر سطح و نیست فشاري نیروي تحمل به قادر فشاري و روند می فرو هم در ها لبه و شده تر گسترده فشار.گردند می بر بیرون به کمی حتی

در قطعه دو از یکی کم دسته چرخشی حرکت خاطر به داشته اي دایره مقطع سطح بایست می اتصال محلحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته . باشد 266

:جوشکاري اصطکاکی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شودInertia friction جوشکاري اصطکاکی لحظه اي) الفContinuous drive friction جوشکاري اصطکاکی مداوم) ب

البته امروز روش هاي پیشرفته که ترکیبی از دو تکنیک باالست به کار می رود هر دو نوع جوشکاري می تواند. بدون توقف و به طور کامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهاي عملیاتی را از قبل برنامه ریزي نمود

FRW ماده هیچ زیرا باشد می جالب اي پروسه داد تطبیق اصطکاکی جوش ماشین با شکل و اندازه نظر از را آنها بتوان که قطعاتی براي filler باشد نمی الزم گاز با حفاظت آلیاژي و ساده کربنی فوالد جوشکاري براي مثالً و ندارد الزم کننده پر یا.

.است صرفه به مقرون انبوه تولیدات براي و دارد باالیی کیفیت روش این از آمده بدست جوش تطبیق و پروسه این گسترش باعث که داد انجام حرکت با چرخش جاي به را اصطکاکی جوشکاري توان می شده انجام هاي پیشرفت با

. است شده پروسه این با متنوع قطعاتحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 267

126

می زمان و چرخش سرعت اعمالی، نیروي قبیل از عملیاتی پارامترهاي قبول قابل جوش یک تولید براي با تماس در را سطوحتا باشد بزرگ کافی مقدار به باید اعمالی نیروي . کند تغییر اي گسترده رنج در تواند

نیروي . برسد حداقل به سطوح اکسیداسیون که باشد اي گونه به باید هم عملیات زمان . دارد نگه یکدیگر نیروي دیگر طرف از گردد میسطوح مناسب اتصال عدم به منجر که کند می ایجاد کمتري حرارت ناکافی

.شود می فلز دو شدن ذوب به منجر که کند می تولید زیادي حرارت اندازه از بیش

اجازه تا باشد کافی اندازه به باید زمان مرکزي هاي بخش به گرمایی رسانش کمتري نسبی حرکت داراي که سطوح

از بدهد را باشند می حرارت تولید براي منجر گرمادهی زمان افزایش دیگر طرف

گسترش و اتصال مقطع سطح افزایش به طور به جوش طرف دو درHAZمنطقه

.شود میغیرعادي


انرژي کلی طور به و کمتر الکتریکی انرژي مصرف ، محافظ گاز و کننده پر ماده ، ) روانساز ( فالکس به نیاز عدم تر ریز هاي دانه داراي و باریک Haz منطقه ، الکتریکی قوس بدون و تمیز نسبتا جوشکاري عملیات ، نیاز مورد. شود می محسوب روش این مزایاي از اصلی فلز به نسبت حتی

.باال از محدودیتهاي این روش است مصرفی نسبتااي ه هزینه گرد بودن یکی از قطعات وحمید منتظرالقائم - جوشکاري پیشرفته 269

127



128

Variations of friction welding

• Rotary Friction Welding• Linear Friction Welding• Friction stir welding


Direct or continuous drive

Pre-determined time of motion determined by the size and type of material


129

Inertia friction weldingOne of the work pieces is connected to a flywheel and the other is restrained from rotating

Flywheel used to provide energy and is disengaged before the work pieces are pushed together

Less drive power required than with direct drive welding


Linear friction welding

±1-3mm

Frequency 25-125Hz

Maximum axial force150kN


130

Friction surface / Friction stir welding


Steps in friction stir welding• A non-consumable rotating tool is pushed into the

materials to be welded and then the central pin, or probe, followed by the shoulder, is brought into contact with the two parts to be joined.

• The rotation of the tool heats up and plasticises the materials it is in contact with and, as the tool moves along the joint line, material from the front of the tool is swept around this plasticised annulus to the rear, so eliminating the interface.


Documents

Evaluationresearch.iaun.ac.ir/pd/montazerolghaem/pdfs/UploadFile_2928.pdf · 3 Solid State Joining Processes a)Explosive Welding b)Ultrasonic Welding c)Friction Welding d)Friction