By: Hamid Montazerolghaem جوشکاري پیشرفته- حمید منتظرالقاي م 1 Project: 30% Mid Term: 35% Final Term: 35% Evaluation جوشکاري پیشرفته- حمید منتظرالقاي

Transcription

1 By: Hamid Montazerolghaem 1 Project: 30% Mid Term: 35% Final Term: 35% Evaluation 2 1

2 Contents Review Conventional Welding Processes: i.e. Gas Welding Fusion Welding a) Electron Beam Welding b) Laser Welding c) Arc welding d) Arc Tungsten Welding e) Stud Welding 3 Analytical and Mathematical Weld Analysis a) Heat Input to the Weld b) Relation Between weld Cross Section and Energy Input c) The Heat Input Rate d) Heat Flow Equations e) Width of Heat affected Zone f) Cooling Rate 4 2

3 Solid State Joining Processes a) Explosive Welding b)ultrasonic Welding c) Friction Welding d)friction Stir Welding e) 5 Friction Stir Welding i. Different micro structural zones ii. Friction Stir Tooling iii. Friction Stirring Imperfections iv. Temperature Distribution and Resulting Metal Flow v. Microstructure Development in Aluminum Alloy Friction Stir Welds vi. Process Modeling vii.friction Stir Processing 6 3

4 References 7 R. S. Mishra, M. w. Mahoney, Friction Stir Welding Processing Book, DOI: , R. S. Mishra, Z. Y. Ma, Materials Science and Engineering R, Friction stir welding and processing, 2005, vol. 50, pp

5 John Norrish, Advanced welding processes, Cambridge, England, Md. Ebrahim Khan, welding science and technology, New Age International, New Delhi,

6 Welding processes-groups-letter designation 11 Conventional Welding Process 12 6

7 Equipments used in gas and oxy-acetylene welding processes 13 Welding gas mixture Fuel Gas Maximum Flame temperature with air (degree C) with oxygen (degree C) Acetylene Butane Coal gas Hydrogen Propane

8 Oxy-acetylene flame Neutral flame Oxidising flame Carburising flame 15 برخی از پارامترهاي جوشکاري با گاز براي فولادهاي کربنی سرعت جوشکاري m/hr فشار kpa میزان مصرف m 3 /hr مصرف اکسیژن m 3 /hr ضخامت فلز mm اندازه اریفیس mm قطر میله جوشکاري mm - 7 0/0283 0/031 1/6 0/57 0/8-7 0/0566 0/062 1/6 0/75 1/6 1/6 0/92 2/4 یا 6/1 13/8 0/1420 0/156 2/4 9./ 2/4 یا 4/88 20/7 0/2550 0/280 3/2 1 3/2 4/27 27/6 0/4530 0/498 3/2 1/32 4/8 3/2 1/61 6/4 یا 3/66 34/5 0/7080 0/778 4/8 3/2 1/85 8/0 یا 3/05 41/3 0/8500 0/935 4/8 2/74 48/2 1/1330 1/246 4/8 2/08 9/6 2/44 48/2 1/6990 1/869 4/8 2/37 12/7 16 8

9 تنظیم اکسیژن در جوشکاري اکسی استیلن جنس نوع شعله جنس نوع شعله کمی اکسید کننده فولاد نرم خنثی برنج مس برنز فولاد پرکربن احیا چدن خاکستري خنثی کمی اکسید کننده آلیاژهاي نیکل خنثی کمی اکسید کننده کمی احیا فولاد آلیاژي خنثی آلیاژهاي نیکل کمی احیا آلومینیوم کمی احیا سرب خنثی 17 Effect of welding on the structure Ref: Basic fabrication and welding enginering, F. J. M. Smith, LST جوشکاري پیشرفته- 18 حمید منتظرالقاي م 9

10 Temperature distribution during oxyacetylene welding 10 mm thick mild steel 19 Arc welding The most common and economical method is AC arc welding 20 10

11 Arc Highly luminous and intensely hot discharge of electricity between two electrodes Discovered early 19 th 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 21 ARC Welding Processes 22 11

12 Shielding gases in arc welding Tungsten inert gas welding (TIG) Tungsten electrode C Argon and Helium Filler material is added as in gas welding Schematic of TIG 23 Shielding gases in arc welding Metal inert gas welding (MIG) Consumable electrode Argon, Helium and Carbon Dioxide No filler materials MIG weld area: 24 12

13 Positions and arc welding 25 Risk involved in arc welding 1. Exposure to radiation 2. Flying sparks 3. Electric shock 4. Fumes 5. Damage to eyes 6. Burns 26 13

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. 27 Types of weld 28 14

15 Types of weld 29 Advanced Welding 30 15

16 جوشکاري پرتو الکترونی ELECTRON BEAM WELDNG توسط یک تفنگ الکترونی پرتو الکترون ایجاد می شود تمامی انرژي سینتیکی الکترون در برخورد با قطعه به انرژي گرمایی تبدیل می شود دما به 3000 کلوین رسیده و کانال بخار ایجاد می شود تفنگ الکترون به خلا بالایی نیاز دارد ولی با خروج الکترون می توان محفظه هایی با خلا بالا یا خلا متوسط استفاده نمود براي جوشکاري قطعات بسیار حساس استفاده می شود 31 فرایند جوشکاري پرتو الکترونی (EBW) تجهیزات فرایند 32 16

17 فرایند جوشکاري پرتو الکترونی (EBW) عملیات ذوب و اتصال قطعات با استفاده از انرژي پرتو الکترونی انجام می شود مقایسه دو فرایند GTAW و EBW 33 فرایند جوشکاري پرتو الکترونی (EBW) انجام فرایند جوشکاري در محیط خلاء تا ثیر فشار محیط بر واگرایی پرتو 34 17

18 فرایند جوشکاري پرتو الکترونی (EBW) تشکیل کلید سوراخ Hole) (Key 35 فرایند جوشکاري پرتو الکترونی (EBW) معایب هزینه بالاي تجهیزات نیاز به خلاء تنظیم دقیق موقعیت نسبی قطعه و پرتو مزایا دانسیته توان بسیار بالا تشکیل کلید سوراخ جوشکاري قطعات ضخیم در یک پاس سرعت بالاي جوشکاري حرارت ورودي بسیار پاي ین جوشکاري فلزات حساس جوشکاري فلزات غیر مشابه 36 18

19

20 جوشکاري با پرتو الکترونی فرایند جوشکاري با پرتو الکترونی یک فرایند اتصال ذوبی است که درطی آن قطعه کار توسط جریانی متراکم از الکترون هاي داراي سرعت بالا بمباران شده و کل انرژي جنبشی الکترون ها در اثر برخورد با قطعه کار به حرارت تبدیل می شود. این حرارت موجب ذوب لبه هاي قطعات و اتصال دو قطعه پس از انجماد می شود. 39 تفنگ الکترونی قلب این فرایند جوشکاري است. در تفنگ الکترونی الکترون هاي نشر داده شده از کاتد به سمت قطعه کار شتاب داده می شوند. شتاب دهی به الکترون ها توسط میدان الکتریکی ناشی از ولتاژ اعمال شده و به کمک یک الکترود با بار مثبت انجام می شود. پرتو حاصل با سرعت 30 تا 70 درصد سرعت نور از سوراخ کوچکی میان آند عبور کرده به قطعه کار می رسد. در تجهیزات قدیمی تر از خود قطعه کار به عنوان آند شتاب دهنده استفاده می شد که داراي عیوبی بود. بنابراین تصمیم گرفته شد که آند شتاب دهنده در تفنگ الکترونی قرار گیرد و سیستم تولید پرتو کاملا از قطعه کار مستقل باشد

21 در این فرایند معمولا از فلز پر کننده استفاده نمی شود ولی در شرایطی که ایجاد خواص متالورژیکی و فیزیکی معینی در فلز جوش مدنظر باشد ممکن است از فلز پرکننده استفاده شود. بارزترین مشخصه جوشکاري با پرتو الکترونی توانایی آن در جوشهاي بسیار باریک و کاملا عمیق است. حرارت ورودي کمتر به جوش در مقایسه با روشهاي ذوبی دیگر (براي ایجاد حجم جوش ثابت) نسبت عمق به عرض بالاي جوش تمیزي فلز جوش بدست آمده سرعت جوشکاري بالا بازدهی انرژي بالا و عدم نیاز عملیات حرارتی جدي قبل و بعد از فرایند از مزایاي این روش به حساب می آید. قیمت بالاي تجهیزات تولید پرتو ایکس و نبود آزمون هاي غیر مخرب تدوین شده از محدودیت هاي این روش به حساب می آید. این روش در صنایع هوا و فضا هسته اي خودروسازي الکترونیک و پزشکی کاربرد دارد. 41 جوشکاري با لیزر جوشکاري و برشکاري با استفاده از اشعه لیزر از روشهاي نوین جوشکاري بوده که در دههاي اخیر مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر کیفیت سرعت و قابلیت کنترل آن به طور وسیعی در صنعت از آن استفاده می شود. به وسیله متمرکز کردن اشعه لیزر روي فلز یک حوضچه مذاب تشکیل شده و عملیات جوشکاري انجام می شود. در جوشکاري به طور عمده از دو نوع لیزر در جوشکاري و برشکاري استفاده می شود : - لیزرهاي جامد مثل Ruby و ND:YAG - لیزرهاي گاز مثل لیزر CO

22 CO2 پیوسته نبودن اشعه آن است در حالیکه انرژي خروجی آن بیشتر از لیزرهاي گازي مانند لیزر Ruby محدودیت لیزر بیشتر ND:YAG بیشتر به منظور برش استفاده می شود و از لیزر است که در آنها اشعه حاصله پیوسته است. از لیزر CO2 براي جوشکاري آلومینیوم استفاده میشود. در جوشکاري لیزر دو روش عمده براي جوشکاري وجود دارد : یکی حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه است پیوسته شکل بگیرد و دیگري که مرسوم تر است جوش دادن باچند سري پرتاب اشعه است. 43 تا که یک جوش 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 لازم ندارد. بهترین طرح اتصال براي این نوع جوشکاري طرح اتصال لب به لب می باشد و با توجه به محدودیت ضخامت در آن می توان ازطرح اتصال هاي T یا اتصال گوشه نیز استفاده نمود

23 بلعکس روشهاي معمولی که همیشه حوضچه مذاب در سطح خارجی آنها ایجاد می شود حوضچه مذاب می تواند داخل یک محیط شفاف ایجاد شود. در این روش میتوان محدوده بسیار وسیعی از مواد مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا مواد غیر همجنس و... را میتوان به یکدیگر جوش داد مکان هاي غیر قابل دسترسی را جوشکاري نمود و از آنجا که هیچ الکترودي براي این منظور استفاده نمی شود نیازي به جریانهاي بالا براي جوشکاري نیست. سیستم هاي جوشکاري لیزر نسبت به سایر دستگاههاي سنتی جوشکاري بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بودن اکثرا از سرعت پیشروي کمی برخوردارند ) 25 تا 250 میلیمتر در دقیقه ( همچنین این نوع جوشکاري داراي محدودیت عمق نیز می باشد. 45 از اشعه لیزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشکاري استفاده می شود. اشعه لیزر نیاز به هیچگونه گاز محافظ یا محیط خلایی براي عملکرد ندارد. جوشکاري لیزر نسبت به سایر روشهاي جوشکاري تمیز تر است. 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 بالا و براي جوش دادن فلزات غیر همجنس استفاده نمود. به طور کلی این روش جوشکاري براي استفاده هاي دقیق و حساس استفاده میشود. از این روش میتوان در صنعت اتومبیل و مونتاژآن براي جوش دادن درزهاي بلند استفاده نمود

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 soldering جوشکاري پیشرفته- 47 حمید منتظرالقاي م جوشکاري پرتو لیزر LBW پرتو لیزر پرتو نوري با انرژي بسیار بالاست دو نوع لیزر ND-YAG و CO 2 در جوشکاري مورد استفاده قرار می گیرد لیزر براي جوشکاري و برشکاري به کار می رود 48 24

25

26 51 فرایند جوشکاري پرتو لیزر (LBW) تجهیزات فرایند انواع لیزر ND-YAG CO

27 فرایند جوشکاري پرتو لیزر (LBW) معایب هزینه بالاي تجهیزات انعکاس پرتو لیزر از سطح قطعه نیاز به دقت بالا در وضعیت قطعه و پرتو مزایا توانایی ایجاد جوش هاي عمیق با عرض کم سرعت بالاي جوشکاري منطقه متا ثر از حرارت کوچک عدم اعوجاج قطعه جوشکاري فلزات غیرمشابه 53 فرایند جوشکاري پرتو لیزر (LBW) 54 27

28 جوشکاري ترمیت TW فولاد ذوب شده در حفره بین دو قطعه اتصالی ریخته می شود قطعات تا 1000 درجه سانتی گراد پیش گرم می شوند تا ذوب نشوند مهمترین کاربرد آن در جوشکاري ریل آهن است فولاد مذاب توسط مخلوطی از اکسید آهن پودري و آلومینیوم تولید می شود 55 فرایند جوشکاري ترمیت (TW) 56 28

29 فرایند جوشکاري ترمیت (TW) 57 فرایند جوشکاري ترمیت (TW) 58 29

30 فرایند جوشکاري ترمیت (TW) 59 فرایند جوشکاري ترمیت (TW) 60 30

31 فرایند جوشکاري ترمیت (TW) 61 جوشکاري سرباره الکتریکی ELECTRO SLAG WELDING در آن از الکترودي مصرف شدنی براي پرنمودن فضاي بین دو ورق استفاده می شود. حرارت لازم جهت ذوب ورق ها و الکترود در ابتدا توسط قوس فراهم شده تا سربار تشکیل شود. پس از آن قوس خاموش شده و حرارت جوشکاري توسط مقاومت حرارتی سرباره تامین می شود. سرباره توسط جریان الکتریکی گرم می شود و به دلیل مقاومت الکتریکی بالایش تا حدود 2000 درجه سانتی گراد گرم می شود و موجب ذوب سیم الکترود خواهد شد براي جوشکاري صفحات ضخیم 200 میلی متري به آسانی استفاده می شود

32 فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) 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 از حرارت سرباره موجود بین دو قطعه فلز انجام می شود فلز پر کننده به صورت سیم به درون سرباره تغذیه می شود 63 فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) تجهیزات فرایند 64 32

33 مزایا فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) نرخ رسوب گذاري بسیار بالا جوشکاري تک پاسه بدون توجه به ضخامت قطعات عدم اعوجاج زاویه اي معایب حرارت ورودي بالا کیفیت جوش پاي ین رشد دانه ها و کاهش چقرمگی وضعیت جوشکاري (فقط جوش عمودي امکان پذیر است) برايجوشکاري ورق پیشرفته- هاي حمیدکمتر منتظرالقاي ماز 50 میلی متر مقرون به صرفه نیست. 65 فرایند جوشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) 66 33

34 فرایند جوشکاري با گاز الکتریکی (EGW) 67 فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW) تجهیزات فرایند 68 34

35 فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW) ذوب و اتصال فلز پایه توسط ایجاد یک قوس پایدار بین الکترود تنگستنی و فلز پایه 69 فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW) مقایسه دو فرایند GTAW, PAW 70 35

36 فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW) پلاسما در جوشکاري PAW مقایسه قوس در دو فرایند GTAW, PAW 71 انواع فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW) قوس انتقالی قوس غیر انتقالی 72 36

37 فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW) تشکیل کلید سوراخ افزایش سرعت جوشکاري افزایش عمق حوضچه جوش 73 فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW) معایب پیچیدگی مشعل نیاز به دقت در وضعیت الکترود در مشعل تجهیزات گران مزایا عدم حساسیت به تغییر طول قوس نیاز به مهارت کمتر اپراتور عدم آلودگی مذاب توسط الکترود تشکیل کلید سوراخ 74 37

38 فرایند جوشکاري قوسی پلاسما (PAW)

39 جوشکاري مقاومتی Resistant Welding مقدمه: در فرآیندهاي جوشکاري مقاومتی اتصال دو سطح توسط حرارت و فشار تواما انجام می گیرد. فلزات به دلیل مقاومت الکتریکی در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده و حتی به حالت ذوب نیز می رسند. اعمال جریان الکتریکی با چگالی زیاد در زمانهاي کوتاه باعث به حالت خمیري درآمدن (قبل از ذوب) قطعه مورد جوشکاري می گردد. و اعمال نیروي فشار در زمانهاي قبل و حین عبور جریان وجود یک مدار الکتریکی پیوسته را تضمین نموده و در زمان گرم شدن قطعه باعث فورج شدن محل جوشکاري می شود این فشار بعد از قطع جریان برق هم ادامه داشته و به فورج شدن وسپس خنک شدن محل جوشکاري کمک می کند 77 انواع جوشکاري مقاومتی عبارتند از: جوشکاري نقطه اي جوشکاري نواري 78 39

40 و. جوشکاري مقاومتی نقطه اي: جوشکاري مقاومتی نقطه اي فرآیندي است که در آن سطوحی که بر روي هم قرار گرفته اند از طریق حرارت تولید شده در یک یا چند نقطه به هم متصل می شوند. گرماي تولید شده در این نقاط حاصل از فلوي جریان الکتریکی است که بین الکترودها برقرار می شود و از میان قطعات نیز عبور می کند. ضمن اینکه الکترودها در این وضعیت با اعمال فشاري خاص سطوح را به هم نزدیک می کنند. شکل زیر شماي کلی از این فرآیند را نشان می دهد. الکترود سطح تماس الکترود دکمه جوش الکترود 79 دستگاه هاي جوشکاري مقاومتی شامل دو واحد کلی می باشند: واحد الکتریکی (حرارتی) واحد فشاري (مکانیکی) اولی براي بالا بردن درجه حرارت موضع مورد جوش دومی به منظور ایجاد فشار لازم براي اتصال دو قطعه در محل جوش است. نیروهاي اعمالی می توانند بصورت دستی هیدرولیک پنوماتیک و هیدروپنوماتیک ایجاد شوند. اعمال فشار تا مرحله انجماد ادامه پیدا خواهد کرد. این فشار باعث می شود که لبه ها رویهم قرار گرفته و هوا وارد حوضچه مذاب نشود یا ذوب بیرون نریزد. در مورد دلخواه اعمال فشار و تاثیر آن بر روي کیفیت جوشکاري در فصل بعد مطالبی آورده شده است. الکترودها در این فرآیندها باید جریان الکتریکی را به موضع اتصال هدایت کرده در ضمن وظیفه نگهداري ورق ها به روي هم و ایجاد فشار مورد نظر وتمرکز سریع حرارت در موضع اتصال را دارند. در هر حال فرآیند جوشکاري نقطه اي فرآیندي با بالاترین تمرکز حرارتی (حدود %) 95 و کمترین اتلاف انرژي در بین فرآیندهاي مختلف جوشکاري می باشد. همچنین مشکل پیچیدگی قطعه بر اثر حرارت و منطقه متاثر از حرارت (HAZ) در این فرآیند کمتر به چشم می خورد. همچنین محدودیت موقعیت جوشکاري وجود ندارد و می توان در موقعیتهاي مختلف با دستگاهی متناسب با آن وضعیت عمل جوشکاري را انجام داد. عدم نیاز به مواد مصرفی گاز محافظ و فلز پر کننده از جمله مزایاي این فرآیند می باشند. همچنین از نظر محیط زیستی نیز این فرآیند کاملا سالم می باشد. محدودیتهایی نیز در این روش جوشکاري وجود دارد که عبارتند از: براي فلزاتی که هدایت حرارتی و الکتریکی بالایی دارند مشکل است و نیاز به دستگاه هاي مخصوصی با تمهیداتی خاص است. فلزاتی که در برابر سریع سرد شدن و گرم شدن حساس هستند نیاز به دستگاه مخصوص خواهند داشت و نیز از لحاظ ماکزیمم ضخامت محدودیت وجود دارد (ضخامت 3 تا 4 میلیمتر)

41 جوشکاري مقاومتی نواري seam resistance welding جوشکاري مقاومتی نواري فرایندي است که در آن مقاومت الکتریکی قطعه کار در برابر عبور جریان الکتریکی باعث ایجاد حرارت شده که این حرارت با فشار اعمالی ترکیب شده تا یک مسیر جوش را ایجاد کند. در حقیقت درز جوش شامل مجموعه اي از نقطه جوش ها می باشد در این فرآیند اغلب دو الکترود دایره اي شکل غلتکی براي اعمال جریان نیرو و خنک کردن فلزکار مورد استفاده قرار می گیرد. اشکال گوناگون قطعه کار / غلتک موجود هستند. اشکال گوناگونی از اتصالات حاصل از جوشکاري مقاومتی درزي 81 هنگامیکه از دو الکترود غلتکی استفاده می شود یک یا هر دو غلتک ها از طریق اعمال نیروي مستقیم به محور یا از طریق اعمال نیرو به سطح خارجی آنها به حرکت درمی آیند. در جوشکاري نواري بدون اینکه نیروي اعمالی الکترودها بر قطعه کار برداشته شود مجموعه اي از نقطه جوش ها شکل می گیرد. الکترود غلتکی ممکن است در حین فرآیند جوش چرخشی مداوم یا متناوب داشته باشد. سرعت جوشکاري مقدار جریان شکل موج جریان نحوه خنک کردن و مشخصات الکترود (نیرو شکل و قطر) باید به دقت انتخاب شوند تا بهترین و بالاترین کیفیت جوش حاصل شود. اصول کلی که در مورد جوشکاري مقاومتی نقطه اي گفته شد در مورد جوشکاري نواري نیز صادق است. - جوشکاري مقاومتی نواري با استفاده از یک الکترود غلتکی و یک الکترود میله اي 82 41

42 42 دنیآرف يراکشوج یتمواقم يارون رد عیانص يزاسوردوخ لاثم) تخاس نزخم تخوس هلول زوزگا تلااصتا (فقس تخاس فورظ هناوتسا يا لکش و ياهیرطب يزلف روتایدار ژافوش يدلاوف و... دربراک.دراد يایازم نیا دنیآرف رد هسیاقم اب يراکشوج یتمواقم هطقن يا يراکشوج هدي از يا و يراکشوج رزیل دنترابع :زا - ناکما یبایتسد هب کی لاصتا تشن ریذپان رد ربارب عیام ای زاگ - ضرع زرد نکمم تسا رتمک زا رطق شوج هطقن يا دوش اریز ناکما ندیشارت هتسویپ اهدورتکلا دوجو.دراد - تعرس يلااب يراکشوج و هیجوت يداصتقا نآ - رد نیا شور تبسن هب شور يراکشوج هطقن يا ياهدلاوف ششوپ راد تیلباق يراکشوج يرتلااب دنراد اریز اب ذاختا یتادیهمت یم ناوت هدنامیقاب یششوپ ار هک رب يور اهدورتکلا رارق یم دنریگ فذح.دومن - تبسن هب شور يراکشوج رزیل رد نیا شور ياهدلاوف ششوپ راد تیلباق يراکشوج يرتلااب دنراد اریز ناکما رارف داوم ششوپ هب لیلد لامعا راشف لااب رد هقطنم شوج لقادح.تسا - یتخس شوج یتمواقم يراون هک اب اوه کنخ یم دوش رتمک زا یتخس شوج لصاح زا شور رزیل.تسا اب يراون یتمواقم يراکشوج یمیس دورتکلا زا هدافتسا -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 83 يراکشوج دنیارف لااب سناکرف ییاقلا یتمواقم -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 84

43 فرایند جوشکاري مقاومتی القایی فرکانس بالا 85 فرایند جوشکاري جرقه اي Welding) (Flash 86 43

44 جوشکاري Stud 87 جوشکاري Stud 88 44

45 جوشکاري Stud 89 جوشکاري ذوبی جوشکاري قوسی Stud 90 45

46 Stud Welding The sequence of operations in stud welding, which is used for welding bars, threaded rods, and various fasteners onto metal plates. 91 Magnetic impelled arc welding جوشکاري ذوبی 92 46

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 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 CO 2 or inert gas shielding is used 94 47

48 Magnetic impelled arc welding جوشکاري ذوبی 95 Magnetic impelled arc welding جوشکاري ذوبی 96 48

49 Magnetic impelled arc welding جوشکاري ذوبی 97 Magnetic impelled arc welding جوشکاري ذوبی 98 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 ترکیبات ترد 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 100 جوشکاري حالت جامد در جوشکاري سرد با افزایش فشار می توان این موانع را از بین برد در جوشکاري انفجاري نیز فشارهاي بالا موجب حذف موانع می شود جوشکاري اولتراسونیک به وسیله اصطکاك فیلم هاي اکسیدي را تخریب می کند

51 جوشکاري حالت جامد جوشکاري سرد این روش براي فلزاتی امکان پذیر است که در دماي اتاق خواص پلاستیسیته بالایی دارند و لایه اکسیدي آنها توسط فشار تخریب می شود آلومینیوم و مس به وسیله این روش تحت جوشکاري قرار می گیرند 102 جوشکاري حالت جامد جوشکاري فشاري سرد Roll Bonding

52 Roll Bonding A solid state welding process in which bonding is made between two sheets of metal by passing them through a rolling mill. Surface preparation is of utmost importance. Welding is promoted with increasing temperature, increasing pressure, increasing roll diameter, and decreasing rolling speed. 60 to 70% deformation is required for maximum weld strength. 104 a Weld interface b Y X Rolling Plane Strain Roll Bonding (Deformation in thickness and length only.) Nascent surface Original weld interface % reduction in thickness % nascent (new) surface x a a 100% 1 100% x x b y y 100% 1 100% جوشکاري پیشرفته- b b 105 حمید منتظرالقاي م 52

53 Plane Strain Roll Bonding Assuming constant volume, xy = ab or a/x = y/b 1 100% 1 100% a y x b % reduction in thickness is equal to % nascent surface, assuming no change in width. For 100% nascent surface 100% reduction in thickness is needed. 106 Surface Deformation Bulk compressive deformation or upsetting is measured as the percentage reduction in sheet thickness. A threshold deformation exists below which no weld is made. Above this threshold the joint strength is close to that predicted by assuming the welded area is the nascent surface area. Increasing the temperature reduces the value of threshold deformation. Predicted strength Strength of welded joint. Threshold deformation Deformation%

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 108 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 Rolling a. Cold b F Cleaning Post-Heating ~ 1000F 110 Steel Aluminum Steel Steel Aluminum Steel FeAl 3, Fe 2 Al 5 (Brittle) Si > 0.25% in Steel Tends to Reduce Brittle Iron-Alumindes Thus Higher Post Roll Temperatures can be employed Steel Aluminum

56 Aluminum - Titanium Aluminum Titanium 112 Stainless Steel Clad Aluminum & Copper Hot Rolled Aluminum Stainless Steel Stainless Steel Copper

57 Annealed brass layer Accumulated Rolled Bonding (ARB) 57

58 جوشکاري حالت جامد جوشکاري انفجاري 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 در لبه با سرعت 2000m/s روي سطح حرکت می کند براي پوشش هاي با ضخامت کم از محیط خلا و یا هلیم استفاده می شود فلز پوشش باید انعطاف پذیري حداقل 12 درصدي داشته باشد تا در اثر انفجار ترك نخورد ضخامت فلز پوشش 1-12mm است 116 جوشکاري انفجاري Explosive Welding این فرایند یک فرایند جوشکاري حالت جامد است که از نیروي انفجار براي ایجاد یک پیوند متالورژیکی بین دو قطعه متصل شونده استفاده می کنند. گرچه انفجار مواد منفجره گرماي زیادي تولید می کند ولی زمان کافی براي انتقال حرارت وجود ندارد. بنابراین افزایش قابل توجهی در دماي قطعه صورت نمی گیرد. در این فرایند یک ضربه مایل با سرعت بسیار بالا به فصل مشترك دو قطعه اعمال می شود که موجب شده فلز جامد مشابه یک سیال عمل کند. در اثر این ضربه حتی قشر سطحی قطعات نیز به صورت یک جت سیال به بیرون می جهد و سطوح تمیز شده دو فلز در تماس با یکدیگر قرار می گیرند. سطوح عاري از اکسید در هم فشرده شده وعمل اتصال صورت می گیرد ه- حمید منتظرالقاي م. جوشکاري پیشرفت

59 59 لکش لااب هوحن رارق نتفرگ تاعطق و داوم هرجفنم ار ناشن یم.دهد رد نیا هحفص دنیارف ییلااب تحت کی هیواز تبسن هب هحفص نیریز رارق یم.دریگ حطس یجراخ هحفص ییلااب هب هلیسو کی هیلا هبرض ریگ تظفاحم یم.ددرگ هیلا کی زا داوم هرجفنم تروص هب هقرو ای ردوپ رب يور هبرض رشق ریگ رارق یم دریگ و ینشاچ رد ياهتنا ینییاپ هدام هرجفنم لمع یم.دنک هحفص تعرس ییلااب هب عون و رادقم هدام هرجفنم یگتسب.دراد -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 118 مدع داجیا راتخاس یگتخیر ای لینآ ذوفن زیچان رصانع ییایمیش رد لوصف كرتشم و ناکما شوج تاعطق نهپ و گرزب و ریغ مه سنج هب رگیدکی زا طاقن توق و زاین هب ياضف زاب و گرزب مدع یسرتسد هب داوم هرجفنم رد یضعب اهروشک و تارطخ یشان زا راک اب داوم هرجفنم زا تیدودحم ياه نیا دنیارف یم.دشاب نیا دنیارف یشور دیفم رد لاصتا داوم مه سنج و ریغ مه سنج بوسحم هدش و اهنت طرش ماجنا دنیارف نتشاد فاطعنا يریذپ و یگمرقچ لباق لوبق.تسا قرو اه و هلول ياه هیلا ود زا هلمج نیرتمهم یتاعطق یم دنشاب هک اب نیا هتخاس شور دنوش یم. -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 119

60 فرایند جوشکاري انفجاري جوشکاري انفجاري قبل از انجام فرایند 120 فرایند جوشکاري انفجاري

61 فرایند جوشکاري انفجاري جوشکاري انفجاري بعد از شروع فرایند 122 فرایند جوشکاري انفجاري 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 method 2. 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 124 Explosives Explosive Detonation velocity, m/s RDX (Cyclotrimethylene trinitramine, C 3 H 6 N 6 O PETN (Pentaerythritol tetranitrate, C 5 H 8 N 12 O 4 ) 8190 TNT (Trinitrotoluene, C 7 H 5 N 3 O 6 ) 6600 Tetryl (Trinitrophenylmethylinitramine, C 7 H 5 O 8 N 5 ) 7800 Lead azide (N 6 Pb) 5010 Detasheet 7020 Ammonium nitrate (NH 4 NO 3 )

63 Explosive welding 126 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 the uncontaminated metal surfaces which are then welded in the high 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 plates

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. 128 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 welding 1. 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 130 جوشکاري فراصوتی فرایند جوشکاري فراصوتی به طور موثري براي جوشکاري فلزات هم جنس و غیر هم جنس و همچنین غیر فلزات با طرح اتصال لبه روي هم استفاده می شود. در این روش نوسانهاي فرکانس بالا سبب متلاشی شدن اتمهاي فلزي و یا مولکولها در محل اتصال شده و قفل شدگی داخلی ناشی از این اتمها یا مولکولها سبب دستیابی به یک اتصال مکانیکی مطلوب خواهد شد

66 66 يژرنا یتوصارف زا قیرط کی لدبم هک راک لیدبت ندرک ياهناسون یکیرتکلا سناکرف لااب هب ياهناسون یکیناکم ار ماجنا یم دهد دیلوت یم دوش. سناکرف لاومعم شیب زا 20 ولیک زتره رتارف) زا هدودحم (ییاونش.تسا ياهناسون یکیناکم زا قیرط کی میس تفج هدننک هب كون يراکشوج هدننک و سپس هب هعطق راک لقتنم یم.دوش كون يراکشوج هدننک هب تروص یضرع ناسون یم دنک ) هب تازاوم لصف كرتشم شوج ( و رد نامه لاح يورین ییاتسیا دومع رب لصف كرتشم لامعا.دوش یم -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 132 لبق زا يراکشوج کی يراکزیمت هداس يرورض تسا یلو دعب زا يراکشوج ای تایلمع یترارح يراکزیمت دروم زاین یمن.دشاب رد نیا شور زا زاس ناور ای زلف رپ هدننک هدافتسا یمن.دوش شور یتوصارف اهنت دودحم هب ياهلاصتا يور مه تسا و رد رس ياهلاصتا رس هب هب تلع مدع ناکما تیامح و يرادهگن لاصتا ماجنا يراکشوج اب تلاکشم يدایز هارمه.تسا مدع زاین هب بوذ و دامجنا يراکشوج قرو ياه رایسب كزان بیرض ینمیا و تعرس يراکشوج لااب و مدع رییغت گنر رد هقطنم شوج زا يایازم نیا شور و هنیزه لااب رمع مک تاعطق هاگتسد و مدع ییاناوت شوج نداد میخض تاعطق زا تیدودحم ياه نیا شور هب باسح یم دیآ. نیا شور تخاس رد تازیهجت متسیس یکینورتکلا ياه يژرنا يدیشروخ عیانص هتسب يدنب يزاس لیبموتا و اوه و اضف دربراک.دراد -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 133

67 در این فرایند هیچ گونه حرارت قابل ملاحظه اي ایجاد نمی شود و درجه حرارت تنها در موضع فصل مشترك حداکثر در محدوده 35 تا 50 درصد نقطه ذوب قطعه بر حسب کلوین تغییر می کند. بنابراین چون عمل ذوب در فلز پایه رخ نمی دهد ساختار ریختگی ترد تشکیل نخواهد شد. در خلال فرایند جوشکاري فشار متوسطی براي در تماس قرار دادن قطعات اعمال می شود که تغییر شکل قابل ملاحظه اي را ایجاد نمی کند. 134 جوشکاري حالت جامد جوشکاري اولتراسونیک اولتراسونیک صوتی با فرکانس بیش از 20KHz است و قابل شنیدن نیست امواج اولتراسونیک عموما توسط خاصیت پیزوالکتریک مواد به قطعات منتقل می شود پارامترهاي جوشکاري انرژي فشار زمان

68 جوشکاري حالت جامد جوشکاري اولتراسونیک فلزات موج طولی به قطعه کار اعمال می شود با ایجاد حرکت نسبی در قطعات فیلم هاي اکسیدي تخریب شده و سطوح در وضعیت تغییر فرم پلاستیک قرار گرفته و جوش می خورند جوشکاري اولتراسونیک براي صفحات نازك فلزات غیرآهنی مانند آلومینیوم و مس به کار می رود 136 جوشکاري حالت جامد پلاستیک اولتراسونیک جوشکاري ها اکثرا در صنایع خودروسازي به کار می رود در سال 1984 در حدود 4 میلیون جوش اولتراسونیک در روز در صنایع خودرو آلمان به کار می رفته است انرژي ضربه اي موج موجب اصطکاك مولکولی و سطحی می شود اولتراسونیک روش بسیار مهمی براي پلاستیک هایی است که در اثر جوشکاري پیشرفته- ذوب تجزیه می شوند 137 حمید منتظرالقاي م 68

69 ﺟﻮﺷﮑﺎري ﺣﺎﻟﺖ ﺟﺎﻣﺪ ﺟﻮﺷﮑﺎري اوﻟﺘﺮاﺳﻮﻧﯿﮏ ﺟﻮﺷﮑﺎري ﭘﯿﺸﺮﻓﺘﻪ - ﺣﻤﯿﺪ ﻣﻨﺘﻈﺮاﻟﻘﺎﺋﻢ 138 ﺟﻮﺷﮑﺎري ﺣﺎﻟﺖ ﺟﺎﻣﺪ ﺟﻮﺷﮑﺎري اوﻟﺘﺮاﺳﻮﻧﯿﮏ ﺟﻮﺷﮑﺎري ﭘﯿﺸﺮﻓﺘﻪ - ﺣﻤﯿﺪ ﻣﻨﺘﻈﺮاﻟﻘﺎﺋﻢ

70 Electrical Solid State Welding Chemical Friction Mechanical Pressure Ultrosonic Weld 141 Definition of Ultrasonic Welding 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

71 Ultrasonic Welding Process Clamping force Process Description: Components of ultrasonic welding system include: Transducer Sonotrode Anvil Sonotrode tip Vibration Mass Anvil Force wedge Weldment Transducer 143 Ultrasonic Welding Mechanism 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 KHz Sonotrode tip Mass Anvil Clamping force Force wedge workpiece Transducer

72 145 Process Variations Spot Welding Ring Welding Line Welding - Linear Sonotrode Continuous Seam Welding - Roller Sonotrode Microminiature Welding

73 Typical 1500 ultrasonic spot-type welding machine 147 Courtesy AWS handbook 148 AWS Welding Handbook 73

74 100 W Lateral Drive Ultrasonic Welder 149 AWS Welding Handbook Typical Ring Welding Applications Tip in Shape of Weld جوشکاري پیشرفته - حمید منتظرالقاي م 150 AWS Welding Handbook 74

75 Attachment for Continuous Ring جوشکاري پیشرفته- Welding 151 حمید منتظرالقاي م AWS Welding Handbook Tip Traversing Head for Continuous Seam Welding 152 AWS Welding Handbook 75

76 Welding Variables Ultrasonic Welding Variables Ultrasonic power Clamping force Welding time Frequency Linear Vibration Amplitude 153 Power Generation 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). Electrical energy Transducer Frequency converter Vibratory transducer

77 155 AWS Welding Handbook Power Generation Ultrasonic Welding Power Generation 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 Electrical energy Frequency Converter Vibratory transducer

78 Power Requirements E 3 / K(HT ) 2 Where: E = electrical energy, W*s (J) k = a constant for a given welding system H = Vickers hardness number of the sheet T = thickness of the sheet in contact with the sonotrode tip, in. (mm) 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. 157 Source AWS handbook

79 159 AWS Welding Handbook 160 AWS Welding Handbook 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 161 Ultrasonic Welding Interfacial Interaction 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

81 Ultrasonic Welding Materials Combinations Source AWS handbook 163 Extreme Interpenetration Nickel Foil (top) to Gold-Plated Kovar Foil Local Plastic Flow Dark Regions are Trapped Oxide Nickel Foil (top) to Molybdenum Sheet Very Little Penetration, Thin Bond Line, Fiber Flow Molybdenum Sheet to Itself 164 AWS Welding Handbook 81

82 Comparison With Resistance جوشکاري پیشرفته- Spot Weld 165 حمید منتظرالقاي م AWS Welding Handbook Advantages of Ultrasonic Welding 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

83 Limitations of Ultrasonic Welding 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. 167 Other Process Variations Ultrasonic Welding of Non-metallic Ultrasonic Plastic Welding

84 Welds Can Be Made to Non-Metallic Substrate Materials Coated with Thin Layers of Metal Films Material Welded Metal Film Non-Metallic AWS Welding Handbook 84

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 T Applications of Ultrasonic Welding 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

86 173 AWS Welding Handbook Note weld progression (no پیشرفته- weld جوشکاريin center) 174 حمید منتظرالقاي م AWS Welding Handbook 86

87 Starter motor armature with wires joined in commutator slots by ultrasonic welding Ultrasonically welded Helicopter access door. Courtesy AWS handbook 175 Field coil assembled by ultrasonic welding Courtesy AWS handbook

88 177 AWS Welding Handbook Wire Bundle Placed in Jaws Ultrasonic Tying Tool Ultrasonic Horn Metal Tape Fed Around bundle of Wires and welded once, then cut and welded again. Bundled Wires Welds First Weld Made Cut and Second Weld Made

89 Ultrasonic Stitch (Clad) Welding Sonatrode Anvil Louks, et al Ultrasonic Bonding Method US Patenet 6,099,670 Aug. 8, 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,

90 Explosive Gas Generator For Auto Air Bag (Plastic Ultrasonic Weld) Gas Generating Explosive Powder Primer Plastic Cap Welded to Plastic Base Ultrasonic Weld Avory, et al Electrical Initiator US Patent 5,763,814 June 9, 181 جوشکاري اولتراسونیک

91 جوشکاري اولتراسونیک 183 جوشکاري اولتراسونیک

92 جوشکاري اولتراسونیک 185 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 energy k = Constant for given welding system H = Vickers hardness T = Thickness of the work piece in contrast with the sonotrode

93 Types of ultrasonic welding Direct couple methods Wedge-Reed method where the transducer is coupled through a resonant bar 187 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 anvil Application: 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 189 Ultrasonic welding control

95 Ultrasonic welding control 191 Ultrasonic welding control

96 Advantages: Energy efficiency Ultrasonic welding 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. 193 جوشکاري حالت جامد جوشکاري نفوذي با گرم کردن دو قطعه تحت فشار کم اعمالی به قطعات و محیط خلا انجام می شود دماي کاري 50-70% دماي ذوب قطعه انتخاب می شود اکسیدهاي سطحی به دلیل حضور دماي بالا و محیط خلا 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, Definition of Diffusion Welding 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. A Force Work pieces B Schematic representation of diffusion welding using electrical resistance for heating

98 197 AWS Welding Handbook Diffusion Welding Working Principles 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 grain boundary migration and pore elimination 1st stage deformation and interfacial boundary formation 3rd stage volume diffusion pore elimination

99 فرایند جوشکاري نفوذي 199 Free Energy as Atom Reversibly Moves 200 Diffusion in Solids - Shewmon 99

100 Factors Influencing Diffusion Welding (Relation between Temperature and Diffusion Coefficient) Temperature D = D 0 e -Q/KT D = Diffusion coefficient D 0 = Diffusion constant Q = Activation energy T = Absolute temperature K = Boltzman s constant 201 J 1 = - D 1 dc dx Mass L 2 t L 2 t Mass/L 3 L

101 Factors Influencing Diffusion Welding 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

102

103 AWS Welding 207 Handbook 208 AWS Welding Handbook 103

104 Applications of Diffusion Welding 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. 209 Titanium Diffusion Welding Temp As High As Possible Without Damage to Base Metal 75 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 Superplastic Formed & Diffusion Bonded Titanium Heat Exchanger 211 Froes, FH, et al, Non-Aerospace Applications of Titanium Feb 1998, TMS 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)

106 213 AWS Welding Handbook Without Nickel Filler Metal Fine Ti(C,N) and NiTiO 3 Forms Reducing Strength With Ni Filler Metal No Precipitates Formed Grain Boundary Migration But Excessive Ni 3 Al ppt. With Ni-35% Co Good Joint Obtained 214 AWS Welding Handbook 106

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 AWS Welding Handbook 107

108 Some Specific Applications Of Diffusion Welding AWS Welding Handbook 108

109 219 AWS Welding Handbook Diffusion 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 areas Top cut off if required Collier et al, Method of Manufacturing Structural Parts, Particularly for use in Aircraft 220 US Patent 6,039,239 Mar 21,

110 Ceramic Turbocharger Rotor (Diffusion bonded to Intermediate & Friction Welded to Shaft) Diffusion Layer Ceramic Intermediate Member Metal Shaft Ito, M, et al, Ceramic-Metal Composite Assembly Patent 5,881,607 Mar 16, 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 plates Evacuated & Diffusion Bonded Bonding Activator (Ni4P) Steel Substrate Nickel Clad Material Separator Compound (silica) Turner, W. Method of Manufacturing Clad Metal Plates US Patent 6,015,080 Jan 18, Diffusion Brazing of Aluminum 224 AWS Welding Handbook 111

112 A Titanium Alloy Stiffened Sheet Structure Fabricated by Continuous Seam Diffusion Braze 225 Courtesy AWS handbook Titanium Copper Film Copper Film Titanium Electrolytically Plated Copper Film Copper Layers React with Ti to form Eutectic Braze Alloy Use Similar Parameters as Diffusion Weld

113 Titanium Braze Plated Copper A Widmanstaatten structure formed at the braze interface because the plated filler metal stabilized the beta phase. 227 AWS Welding Handbook Nickel Brazing Braze Alloy Nickel with melting Point Depressants (Silicon, Boron, Manganese, Aluminum, Titanium or Columbium Method 1 Melt Braze Metal And Hold At Temp Temp Depressing Elements Diffuse Into Base Metal Isothemal Solidification Method 2 Melt Braze Metal And Hold At Temp Solidify Braze Alloy Reheat Below Melting Temp to Diffuse Alloy

114 Nickel Braze - Isothermal Solidification 229 AWS Welding Handbook Nickel Braze - Reheat for Diffusion جوشکاري پیشرفته- 230 حمید منتظرالقاي م AWS Welding Handbook 114

115 فرایند جوشکاري نفوذي 231 فرایند جوشکاري نفوذي

116 فرایند جوشکاري نفوذي 233 Activated Diffusion Bonding Surface coating changes difficult to bond interface into easier to bond interface M. Obrien et al. Weld J. Jan 1976 p

117 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 251 bonding and then superplastic forming of (originally) flat sheets. 117

118 Diffusion Bonding Applications 252 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 254 جوشکاري حالت جامد جوشکاري اصطکاکی 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 بالا در فولادهاي سختی پذیر قابل دستیابی است ناحیه جوشکاري باریک است ناحیه ذوبی وجود ندارد و فلزات غیر مشابه به راحتی قابل جوشکاري است

120 جوشکاري حالت جامد جوشکاري اصطکاکی پارامترهاي جوشکاري سه نوع جوشکاري اطصکاکی وجود دارد در طراحی جوش باید لبه هاي متقارن و مدور انتخاب شود direct drive FRW inertia FRW combined FRW نگهدارنده قطعات باید قوي و داراي اندازه مناسب باشد کاهش سرعت گردش قطعات موجب عریض شدن جوش می شود 256 فرایند جوشکاري اصطکاکی

121 فرایند جوشکاري اصطکاکی مزایا اتصال مواد غیر مشابه منطقه متاثر از حرارت باریک صرفه جویی در مصرف مواد اولیه عدم نیاز به فلاکس گاز محافظ و فلز پرکننده سرعت تولید بالا جوشکاري پیشرفته- قابلیت اتوماتیک کردن فرآیند 258 حمید منتظرالقاي م فرایند جوشکاري اصطکاکی تغییرات پارامترهاي مو ثر در طی جوشکاري اصطکاکی شمایی از مراحل فرآیند جوشکاري اصطکاکی

122 فرایند جوشکاري اصطکاکی 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 لایه ویسکوز بیشتر سطح تماس را می پوشاند 260 فرایند جوشکاري اصطکاکی کاربرد جوشکاري اصطکاکی

123 فرایند جوشکاري اصطکاکی 262 فرایند جوشکاري اصطکاکی کاربرد جوشکاري اصطکاکی در صنعت خودرو جوشکاري اصطکاکی اغتشاشی

124 124 یکاکطصا يراکشوج نیا شور رب ساسا لیدبت يژرنا یکیناکم هب يژرنا ییامرگ راوتسا تسا. رد نیا شور ود تمسق دروم لاصتا ار هب مه کیدزن هدرک و اب داجیا تکرح ینارود عیرس یکی زا اهنآ رب يور يرگید و شلام و كاکطصا ود هعطق يامرگ يدایز دیلوت هدش هک بجوم تلاح هتیسیتسلاپ رد هبل ياه لاصتا دوش یم. اب راشف هدش لامعا ییاهن تاعطق رد مه ورف یم دنور و لاصتا داجیا دوش یم. هتفرشیپ يراکشوج - مي اقلارظتنم دیمح 264 حوطس رد سایقم یپوکسورکیم ياراد یگدمآرب اه و یگتفرورف ییاه دنتسه و هولاع رب نآ هیلا يدیسکا كزان و ای یصلاخان ياه رگید رب يور حطس هدیشوپ هدش تسا. هاگره حوطس هب روط لماک رد رانک مه رارق دنریگن يورین یگدنبسچ نیب یلوکلوم نیب اهنآ رارقرب هدشن و رد هجیتن لاصتا ماجنا یمن دریگ فده یلصا رد يراکشوج یکاکطصا فرطرب ندومن نیا يراومهان اه و یصلاخان اه و لامعا راشف يارب لاصتا ود حطس.تسا -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 265

125 هنگامی که دو سطح با فشار معین بر روي هم مالیده می شوند نقاط بلند بهم برخورد کرده و از بین می روند همزمان لایه اکسیدي برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با یکدیگر قرار میگیرند و بدین ترتیب یک باند یا چسبندگی موقت Seizures) ( به وجود می آید با ادامه حرکت این چسبندگی بریده شده و یک باند تازه تر به وجود می آید بدین ترتیب انرژي مکانیکی به حرارتی تبدیل شده و به تدریج درجه حرارت سطح افزایش می یابد. بنابراین استحکام فشاري کاهش یافته و تغییر فرم پذیري راحت تر انجام می گیرد نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی کامل قرار می گیرند با فرض این که نرخ حرارت تولیدي بیشتر از حرارت فروکشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیکی نیز بیشتر می شود تا جایی که استحکام فشاري قادر به تحمل نیروي فشاري نیست و سطح زیر فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو می روند و حتی کمی به بیرون بر می گردند. به خاطر حرکت چرخشی دسته کم یکی از دو قطعه در محل اتصال می بایست سطح مقطع دایره اي داشته باشد. 266 جوشکاري اصطکاکی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شود: الف) جوشکاري اصطکاکی لحظه اي Inertia friction ب) جوشکاري اصطکاکی مداوم Continuous drive friction البته امروز روش هاي پیشرفته که ترکیبی از دو تکنیک بالاست 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 براي قطعاتی که بتوان آنها را از نظر اندازه و شکل با ماشین جوش اصطکاکی تطبیق داد پروسه اي جالب می باشد زیرا هیچ ماده filler یا پر کننده لازم ندارد و مثلا براي جوشکاري فولاد کربنی ساده و آلیاژي حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جوش بدست آمده از این روش کیفیت بالایی دارد و براي تولیدات انبوه مقرون به صرفه است. با پیشرفت هاي انجام شده می توان جوشکاري اصطکاکی را به جاي چرخش با حرکت انجام داد که باعث گسترش این پروسه و تطبیق قطعات متنوع با این پروسه شده است

126 126 يارب دیلوت کی شوج لباق لوبق ياهرتماراپ یتایلمع زا لیبق يورین یلامعا تعرس شخرچ و نامز یم دناوت رد جنر هدرتسگ يا رییغت دنک. يورین یلامعا دیاب هب رادقم یفاک گرزب دشاب ات حوطس ار رد سامت اب رگیدکی هگن دراد. نامز تایلمع مه دیاب هب هنوگ يا دشاب هک نویسادیسکا حوطس هب لقادح دسرب. يورین یفاکان ترارح يرتمک داجیا یم دنک هک رجنم هب مدع لاصتا بسانم حوطس یم ددرگ زا فرط رگید يورین شیب زا هزادنا ترارح يدایز دیلوت یم دنک هک رجنم هب ندش بوذ ود زلف.دوش یم نامز دیاب هب هزادنا یفاک دشاب ات هزاجا شناسر ییامرگ هب شخب ياه يزکرم حوطس هک ياراد تکرح یبسن يرتمک يارب دیلوت ترارح یم دنشاب ار دهدب زا فرط رگید شیازفا نامز یهدامرگ رجنم هب شیازفا حطس عطقم لاصتا و شرتسگ هقطنم HAZ رد ود فرط شوج هب روط يداعریغ.دوش یم -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 268 مدع زاین هب سکلاف ) زاسناور ( هدام رپ هدننک و زاگ ظفاحم فرصم يژرنا یکیرتکلا رتمک و هب روط یلک يژرنا دروم زاین تایلمع يراکشوج اتبسن زیمت و نودب سوق یکیرتکلا هقطنم Haz کیراب و ياراد هناد ياه زیر رت یتح تبسن هب زلف یلصا زا يایازم نیا شور بوسحم یم دوش. و تاعطق زا یکی ندوب درگ هنیزه ي ه ا اتبسن یفرصم تسا شور نیا ياهتیدودحم زا لااب. -هتفرشیپ يراکشوج مي اقلارظتنم دیمح 269

127

128 Variations of friction welding Rotary Friction Welding Linear Friction Welding Friction stir welding 272 Direct or continuous drive Pre-determined time of motion determined by the size and type of material

129 Inertia friction welding One 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 274 Linear friction welding ±1-3mm Frequency Hz Maximum axial force 150kN

130 Friction surface / Friction stir welding 276 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