By: Hamid Montazerolghaem 1 Project: 30% Mid Term: 35% Final Term: 35% Evaluation 2 a) Electron Beam Welding b) Laser Welding c) Arc welding d) Arc Tungsten Welding e) Stud Welding Contents Review Conventional Welding Processes: i.e. Gas Welding Fusion Welding 3 1
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 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 2
References 7 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. 8 John Norrish, Advanced welding processes, Cambridge, England, 2006. 9 3
Md. Ebrahim Khan, welding science and technology, New Age International, New Delhi, 2007 10 Welding processes-groups-letter designation 11 Conventional Welding Process 12 4
Equipments used in gas and oxy-acetylene weldingprocesses 13 Welding gas mixture Fuel Gas Maximum Flame temperature with 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 14 Oxy-acetylene flame Neutral flame Oxidising flame Carburising flame www.twi.co.uk 15 5
برخی از پارامترهاي جشکاري با گاز براي فلادهاي کربنی سرعت جشکاري m/hr فشار kpa میزان مصرف m 3 /hr ضخامت فلز mm اندازه اریفیس mm قطر میله جشکاري mm مصرف اکسیژن m 3 /hr - 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 تنظیم اکسیژن در جشکاري اکسی استیلن جنس نع شعله جنس نع شعله کمی اکسید کننده فلاد نرم خنثی برنج مس برنز فلاد پرکربن احیا چدن خاکستري خنثی کمی اکسید کننده آلیاژهاي نیکل خنثی کمی اکسید کننده کمی احیا فلاد آلیاژي خنثی آلیاژهاي نیکل کمی احیا آلمینیم کمی احیا سرب خنثی 17 Effect of welding on the structure Ref: Basic fabrication and welding enginering, F. J. M. Smith, LST 18 6
Temperature distribution during oxyacetylene welding 10 mm thick mild steel 19 Arc welding The most common and economical method is AC arc welding 20 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 7
ARC Welding Processes 22 Shielding gases in arc welding Tungsten inert gas welding (TIG) Tungsten electrode-3000 0 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 8
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 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 9
Types of weld 28 Types of weld 29 Advanced Welding 30 10
جشکاري پرت الکترنی ELECTRON BEAM WELDNG تسط یک تفنگ الکترنی پرت الکترن ایجاد می شد تمامی انرژي سینتیکی الکترن در برخرد با قطعه به انرژي گرمایی تبدیل می شد دما به 3000 کلین رسیده کانال بخار ایجاد می شد تفنگ الکترن به خلا بالایی نیاز دارد لی با خرج الکترن می تان محفظه هایی با خلا بالا یا خلا متسط استفاده نمد براي جشکاري قطعات بسیار حساس استفاده می شد 31 فرایند جشکاري پرت الکترنی (EBW) v تجهیزات فرایند 32 فرایند جشکاري پرت الکترنی (EBW) عملیات ذب اتصال قطعات با استفاده از انرژي پرت الکترنی انجام می شد مقایسه د فرایند GTAW EBW 33 11
فرایند جشکاري پرت الکترنی (EBW) انجام فرایند جشکاري در محیط خلاء تا ثیر فشار محیط بر اگرایی پرت 34 فرایند جشکاري پرت الکترنی (EBW) تشکیل کلید سراخ Hole) (Key 35 فرایند جشکاري پرت الکترنی (EBW) مزایا دانسیته تان بسیار بالا تشکیل کلید سراخ جشکاري قطعات ضخیم در یک پاس سرعت بالاي جشکاري حرارت ردي بسیار پاي ین جشکاري فلزات حساس جشکاري فلزات غیر مشابه معایب هزینه بالاي تجهیزات نیاز به خلاء تنظیم دقیق مقعیت نسبی قطعه پرت 36 12
37 38 جشکاري با پرت الکترنی فرایند جشکاري با پرت الکترنی یک فرایند اتصال ذبی است که درطی آن قطعه کار تسط جریانی متراکم از الکترن هاي داراي سرعت بالا بمباران شده کل انرژي جنبشی الکترن ها در اثر برخرد با قطعه کار به حرارت تبدیل می شد. این 39 حرارت مجب ذب لبه هاي قطعات اتصال د قطعه جشکاري پس از پیشرفته- حمید انجماد می منتظرالقاي م شد. بازگشت به فهرست 13
تفنگ الکترنی قلب این فرایند جشکاري است. در تفنگ الکترنی الکترن هاي نشر داده شده از کاتد به سمت قطعه کار شتاب داده می شند. شتاب دهی به الکترن ها تسط میدان الکتریکی ناشی از لتاژ اعمال شده به کمک یک الکترد با بار مثبت انجام می شد. پرت حاصل با سرعت 30 تا 70 درصد سرعت نر از سراخ کچکی میان آند عبر کرده به قطعه کار می رسد. در تجهیزات قدیمی تر از خد قطعه کار به عنان آند شتاب دهنده استفاده می شد که داراي عیبی بد. بنابراین تصمیم گرفته شد که آند شتاب دهنده در تفنگ الکترنی قرار گیرد سیستم تلید پرت کاملا از قطعه کار مستقل باشد. 40 بازگشت به فهرست در این فرایند معملا از فلز پر کننده استفاده نمی شد لی در شرایطی که ایجاد خاص متالرژیکی فیزیکی معینی در فلز جش مد نظر باشد ممکن است از فلز پرکننده استفاده شد. بارزترین مشخصه جشکاري با پرت الکترنی تانایی آن در جشهاي بسیار باریک کاملا عمیق است. حرارت ردي کمتر به جش در مقایسه با رشهاي ذبی دیگر (براي ایجاد حجم جش ثابت) نسبت عمق به عرض بالاي جش تمیزي فلز جش بدست آمده سرعت جشکاري بالا بازدهی انرژي بالا عدم نیاز عملیات حرارتی جدي قبل بعد از فرایند از مزایاي این رش به حساب می آید. قیمت بالاي تجهیزات تلید پرت ایکس نبد آزمن هاي غیر مخرب تدین شده از محددیت هاي این رش به حساب می آید. این رش در صنایع ها فضا هسته اي خدرسازي الکترنیک پزشکی کاربرد دارد. بازگشت به فهرست 41 جشکاري با لیزر جشکاري برشکاري با استفاده از اشعه لیزر از رشهاي نین جشکاري بده که در دههاي اخیر مرد تجه صنعت قرار گرفته امرزه به خاطر کیفیت سرعت قابلیت کنترل آن به طر سیعی در صنعت از آن استفاده می شد. به سیله متمرکز کردن اشعه لیزر ري فلز یک حضچه مذاب تشکیل شده عملیات جشکاري انجام می شد. در جشکاري به طر عمده از د نع لیزر در جشکاري برشکاري استفاده می شد : - لیزرهاي جامد مثل Ruby ND:YAG - لیزرهاي گاز مثل لیزر CO2 42 14
محددیت لیزر Ruby پیسته نبدن اشعه آن است در حالیکه انرژي خرجی آن بیشتر از لیزرهاي گازي مانند لیزر CO2 است که در آنها اشعه حاصله پیسته است. از لیزر CO2 بیشتر به منظر برش استفاده می شد از لیزر ND:YAG بیشتر براي جشکاري آلمینیم استفاده میشد. در جشکاري لیزر د رش عمده براي جشکاري جد دارد : یکی حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه است تا که یک جش پیسته شکل بگیرد دیگري که مرسم تر است جش دادن باچند سري پرتاب اشعه است. 43 در جشکاري لیزر تمامی عملیات ذب انجماد در چند میکرثانیه انجام می گیرد به خاطر کتاه بدن این زمان هیچ اکنشی بین فلز مذاب اتمسفر انجام نخاهد شد از این ر گاز محافظ لازم ندارد. بهترین طرح اتصال براي این نع جشکاري طرح اتصال لب به لب می باشد با تجه به محددیت ضخامت در آن می تان ازطرح اتصال هاي T یا اتصال گشه نیز استفاده نمد. 44 بلعکس رشهاي معملی که همیشه حضچه مذاب در سطح خارجی آنها ایجاد می شد حضچه مذاب می تاند داخل یک محیط شفاف ایجاد شد. در این رش میتان محدده بسیار سیعی از ماد مانند آلیاژها با نقاط ذب فق العاده بالا ماد غیر همجنس... را میتان به یکدیگر جش داد مکان هاي غیر قابل دسترسی را جشکاري نمد از آنجا که هیچ الکتردي براي این منظر استفاده نمی شد نیازي به جریانهاي بالا براي جشکاري نیست. سیستم هاي جشکاري لیزر نسبت به سایر دستگاههاي سنتی جشکاري بسیار گران هستند در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بدن اکثرا از سرعت پیشري کمی برخردارند ) 25 تا 250 میلیمتر در دقیقه ( همچنین این نع جشکاري داراي محددیت عمق نیز می باشد. 45 15
از اشعه لیزر هم به منظر برش هم به منظر جشکاري استفاده می شد. اشعه لیزر نیاز به هیچگنه گاز محافظ یا محیط خلایی براي عملکرد ندارد. جشکاري لیزر نسبت به سایر رشهاي جشکاري تمیز تر است. این نع جشکاري در اتصال قطعات بسیار کچک الکترنیکی در سایر میکر اتصال ها کاربرد دارد. از اشعه لیزر میتان در جش دادن آلیاژها سپر الیاژها با نقطه ذب بالا براي جش دادن فلزات غیر همجنس استفاده نمد. به طر کلی این رش جشکاري براي استفاده هاي دقیق حساس استفاده میشد. از این رش میتان در صنعت اتمبیل منتاژآن براي جش دادن درزهاي بلند استفاده نمد. 46 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 47 جشکاري پرت لیزر LBW پرت لیزر پرت نري با انرژي بسیار بالاست د نع لیزر ND-YAG CO 2 در جشکاري مرد استفاده قرار می گیرد لیزر براي جشکاري برشکاري به کار می رد 48 16
49 50 51 17
فرایند جشکاري پرت لیزر (LBW) v تجهیزات فرایند اناع لیزر ND-YAG CO 2 52 فرایند جشکاري پرت لیزر (LBW) مزایا تانایی ایجاد جش هاي عمیق با عرض کم سرعت بالاي جشکاري منطقه متا ثر از حرارت کچک عدم اعجاج قطعه جشکاري فلزات غیرمشابه معایب هزینه بالاي تجهیزات انعکاس پرت لیزر از سطح قطعه نیاز به دقت بالا در ضعیت قطعه پرت 53 فرایند جشکاري پرت لیزر (LBW) 54 18
جشکاري ترمیت TW فلاد ذب شده در حفره بین د قطعه اتصالی ریخته می شد قطعات تا 1000 درجه سانتی گراد پیش گرم می شند تا ذب نشند مهمترین کاربرد آن در جشکاري ریل آهن است فلاد مذاب تسط مخلطی از اکسید آهن پدري آلمینیم تلید می شد 55 فرایند جشکاري ترمیت (TW) 56 فرایند جشکاري ترمیت (TW) 57 19
فرایند جشکاري ترمیت (TW) 58 فرایند جشکاري ترمیت (TW) 59 فرایند جشکاري ترمیت (TW) 60 20
فرایند جشکاري ترمیت (TW) 61 جشکاري سرباره الکتریکی ELECTRO SLAGWELDING در آن از الکتردي مصرف شدنی براي پرنمدن فضاي بین د رق استفاده می شد. حرارت لازم جهت ذب رق ها الکترد در ابتدا تسط قس فراهم شده تا سربار تشکیل شد. پس از آن قس خامش شده حرارت جشکاري تسط مقامت حرارتی سرباره تامین می شد. سرباره تسط جریان الکتریکی گرم می شد به دلیل مقامت الکتریکی بالایش تا حدد 2000 درجه سانتی گراد گرم می شد مجب ذب سیم الکترد خاهد شد براي جشکاري صفحات ضخیم 200 میلی متري به آسانی استفاده می شد. 62 فرایند جشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) با اینکه در این فرایند از قس استفاده نمی شد لی در طبقه بندي اناع رش هاي جشکاري زیرمجمعه رش هاي قسی قرار داده می شد ذب اتصال قطعات با استفاده از حرارت سرباره مجد بین د قطعه فلز انجام می شد فلز پر کننده به صرت سیم به درن سرباره تغذیه می شد 63 21
فرایند جشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) v تجهیزات فرایند 64 مزایا فرایند جشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) نرخ رسب گذاري بسیار بالا جشکاري تک پاسه بدن تجه به ضخامت قطعات عدم اعجاج زایه اي معایب حرارت ردي بالا کیفیت جش پاي ین رشد دانه ها کاهش چقرمگی ضعیت جشکاري (فقط جش عمدي امکان پذیر است) برايجشکاري رق پیشرفته- هاي حمیدکمتر منتظرالقاي ماز 50 میلی متر مقرن به صرفه نیست. 65 فرایند جشکاري با سرباره الکتریکی (ESW) 66 22
فرایند جشکاري با گاز الکتریکی (EGW) 67 فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) v تجهیزات فرایند 68 فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) ذب اتصال فلز پایه تسط ایجاد یک قس پایدار بین الکترد تنگستنی فلز پایه 69 23
فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) v مقایسه د فرایند GTAW, PAW 70 فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) پلاسما در جشکاري PAW مقایسه قس در د فرایند GTAW, PAW 71 اناع فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) قس غیر انتقالی قس انتقالی 72 24
فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) تشکیل کلید سراخ افزایش سرعت جشکاري افزایش عمق حضچه جش 73 فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) مزایا عدم حساسیت به تغییر طل قس نیاز به مهارت کمتر اپراتر عدم آلدگی مذاب تسط الکترد تشکیل کلید سراخ معایب پیچیدگی مشعل نیاز به دقت در ضعیت الکترد در مشعل تجهیزات گران 74 فرایند جشکاري قسی پلاسما (PAW) 75 25
76 جشکاري مقامتی Resistant Welding مقدمه: در فرآیندهاي جشکاري مقامتی اتصال د سطح تسط حرارت فشار تاما انجام می گیرد. فلزات به دلیل مقامت الکتریکی در اثر عبر جریان الکتریکی گرم شده حتی به حالت ذب نیز می رسند. اعمال جریان الکتریکی با چگالی زیاد در زمانهاي کتاه باعث به حالت خمیري درآمدن (قبل از ذب) قطعه مرد جشکاري می گردد. اعمال نیري فشار در زمانهاي قبل حین عبر جریان جد یک مدار الکتریکی پیسته را تضمین نمده در زمان گرم شدن قطعه باعث فرج شدن محل جشکاري می شد این فشار بعد از قطع جریان برق هم ادامه داشته به فرج شدن سپس خنک شدن محل جشکاري کمک می کند 77 اناع جشکاري مقامتی عبارتند از: جشکاري نقطه اي جشکاري ناري 78 26
. جشکاري مقامتی نقطه اي: جشکاري مقامتی نقطه اي فرآیندي است که در آن سطحی که بر ري هم قرار گرفته ان د از طریق حرارت تلید شده در یک یا چند نقطه به هم متصل می شند. گرماي تلید شده در این نقاط حاصل از فلي جریان الکتریکی است که بین الکتردها برقرار می شد از میان قطعات نیز عبر می کند. ضمن اینکه الکتردها در این ضعیت با اعمال فشاري خاص سطح را به ه م نزدیک می کنند. شکل زیر شماي کلی از این فرآیند را نشان می دهد. الکترد سطح تماس الکترد دکمه جش الکترد 79 دستگاه هاي جشکاري مقامتی شامل د احد کلی می باشند: احد الکتریکی (حرارتی) احد فشاري (مکانیکی) الی براي بالا بردن درجه حرارت مضع مرد جش دمی به منظر ایجاد فشار لازم براي اتصال د قطعه در محل جش است. نیرهاي اعمالی می تانند بصرت دستی هیدرلیک پنماتیک هیدرپنماتیک ایجاد شند. اعمال فشار تا مرحله انجماد ادامه پیدا خاهد کرد. این فشار باعث می شد که لبه ها ریهم قرار گرفته ها ارد حضچه مذاب نشد یا ذب بیرن نریزد. در مرد دلخاه اعمال فشار تاثیر آن بر ري کیفیت جشکاري در فصل بعد مطالبی آرده شده است. الکتردها در این فرآیندها باید جریان الکتریکی را به مضع اتصال هدایت کرده در ضمن ظیفه نگهداري رق ها به ري هم ایجاد فشار مرد نظر تمرکز سریع حرارت در مضع اتصال را دارند. در هر حال فرآیند جشکاري نقطه اي فرآیندي با بالاترین تمرکز حرارتی (حدد %) 95 کمترین اتلاف انرژي در بین فرآیندهاي مختلف جشکاري می باشد. همچنین مشکل پیچیدگی قطعه بر اثر حرارت منطقه متاثر از حرارت (HAZ) در این فرآیند کمتر به چشم می خرد. همچنین محددیت مقعیت جشکاري جد ندارد می تان در مقعیتهاي مختلف با دستگاهی متناسب با آن ضعیت عمل جشکاري را انجام داد. عدم نیاز به ماد مصرفی گاز محافظ فلز پر کننده از جمله مزایاي این فرآیند می باشند. همچنین از نظر محیط زیستی نیز این فرآیند کاملا سالم می باشد. محددیتهایی نیز در این رش جشکاري جد دارد که عبارتند از: براي فلزاتی که هدایت حرارتی الکتریکی بالایی دارند مشکل است نیاز به دستگاه هاي مخصصی با تمهیداتی خاص است. فلزاتی که در برابر سریع سرد شدن گرم شدن حساس هستند نیاز به دستگاه مخصص خاهند داشت نیز از لحاظ ماکزیمم ضخامت محددیت جد دارد (ضخامت 3 تا 4 میلیمتر). 80 جشکاري مقامتی ناري seam resistance welding جشکاري مقامتی ناري فرایندي است که در آن مقامت الکتریکی قطعه کار در برابر عبر جریان الکتریکی باعث ایجاد حرارت شده که این حرارت با فشار اعمالی ترکیب شده تا یک مسیر جش را ایجاد کند. در حقیقت درز جش شامل مجمعه اي از نقطه جش ها می باشد در این فرآیند اغلب د الکترد دایره اي شکل غلتکی براي اعمال جریان نیر خنک کردن فلزکار مرد استفاده قرار می گیرد. اشکال گناگن قطعه کار / غلتک مجد هستند. اشکال گناگنی از اتصالات حاصل از جشکاري مقامتی درزي 81 27
28 هکیماگنه زا د درتکلا یکتلغ هدافتسا یم دش کی ای ره د کتلغ اه زا قیرط لامعا يرین میقتسم هب رحم ای زا قیرط لامعا رین یجراخ حطس هب اهنآ تکرح هب یمرد.دنیآ رد يراکشج يران ندب هکنیا يرین یلامعا اهدرتکلا رب هعطق راک هتشادرب دش هعمجم يا زا هطقن شج اه لکش یم.دریگ درتکلا یکتلغ نکمم تسا رد نیح دنیآرف شج یشخرچ مادم ای بانتم هتشاد.دشاب تعرس يراکشج رادقم نایرج لکش جم نایرج هحن کنخ ندرک تاصخشم درتکلا رین) لکش (رطق دیاب هب تقد دنش باختنا ات نیرتهب نیرتلااب شج تیفیک.دش لصاح لصا یلک هک رد درم يراکشج یتماقم هطقن يا دش هتفگ رد يراکشج درم يران قداص زین.تسا - يراکشج یتماقم يران اب هدافتسا زا کی درتکلا یکتلغ کی درتکلا هلیم يا -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 82 دنیآرف يراکشج یتماقم يارن رد عیانص يزاسردخ لاثم) تخاس نزخم تخس هلل ززگا تلااصتا (فقس تخاس فرظ هناتسا يا لکش ياهیرطب يزلف رتایدار ژافش يدلاف... دربراک.دراد يایازم نیا دنیآرف رد هسیاقم اب يراکشج یتماقم هطقن يا يراکشج هدي از يا يراکشج رزیل دنترابع :زا - ناکما یبایتسد هب کی لاصتا تشن ریذپان رد ربارب عیام ای زاگ - ضرع زرد نکمم تسا رتمک زا رطق شج هطقن يا دش اریز ناکما ندیشارت هتسیپ اهدرتکلا دج.دراد - تعرس يلااب يراکشج هیجت يداصتقا نآ - رد نیا شر تبسن هب شر يراکشج هطقن يا ياهدلاف ششپ راد تیلباق يراکشج يرتلااب دنراد اریز اب ذاختا یتادیهمت یم نات هدنامیقاب یششپ ار هک رب ير اهدرتکلا رارق یم دنریگ فذح.دمن - تبسن هب شر يراکشج رزیل رد نیا شر ياهدلاف ششپ راد تیلباق يراکشج يرتلااب دنراد اریز ناکما رارف دام ششپ هب لیلد لامعا راشف لااب رد هقطنم شج لقادح.تسا - یتخس شج یتماقم يران هک اب اه کنخ یم دش رتمک زا یتخس شج لصاح زا شر رزیل.تسا اب يران یتماقم يراکشج یمیس درتکلا زا هدافتسا -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 83 يراکشج دنیارف لااب سناکرف ییاقلا یتماقم -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 84
فرایند جشکاري مقامتی القایی فرکانس بالا 85 فرایند جشکاريجرقه اي Welding) (Flash 86 جشکاري Stud 87 29
جشکاري Stud 88 جشکاري Stud 89 جشکاري ذبی جشکاري قسی Stud 90 30
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 جشکاري ذبی 92 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 31
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 Magnetic impelled arc welding جشکاري ذبی 95 Magnetic impelled arc welding جشکاري ذبی 96 32
Magnetic impelled arc welding جشکاري ذبی 97 Magnetic impelled arc welding جشکاري ذبی 98 جشکاري حالت جامد در جشکاري حالت جامد اتصال د ماده بدن ایجاد منطقه ذبی امکان پذیر است با این رش فلزات غیر مشابه همچن آهن آلمینیم که به دلیل ایجاد ترکیبات ترد تحت جشکاري ذبی قرار نمی گیرند را می تان به یکدیگر متصل نمد د مانع اساسی در مقابل جشکاري حالت جامد عبارتند از اکسیدها آلدگی هاي سطحی زبري سطح 100 33
جشکاري حالت جامد در جشکاري سرد با افزایش فشار می تان این مانع را از بین برد در جشکاري انفجاري نیز فشارهاي بالا مجب حذف مانع می شد جشکاري التراسنیک به سیله اصطکاك فیلم هاي اکسیدي را تخریب می کند 101 جشکاري حالت جامد جشکاري سرد این رش براي فلزاتی امکان پذیر است که در دماي اتاق خاص پلاستیسیته بالایی دارند لایه اکسیدي آنها تسط فشار تخریب می شد آلمینیم مس به سیله این رش تحت جشکاري قرار می گیرند 102 جشکاري حالت جامد جشکاري فشاري سرد RollBonding 103 34
Roll Bonding A solid state welding process in which bonding is made between two sheets of metal by passing them througharolling 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 Weld interface a 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% جشکاري پیشرفته- b b 105 حمید منتظرالقاي م Plane Strain Roll Bonding Assuming constant volume, xy = ab or a/x = y/b a 1 100% = 1 y 100% 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 35
Surface Deformation Bulk compressive deformation or upsetting is measured as the percentage reduction in sheet thickness. A threshold deformation exists belowwhich no weldismade. 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 thevalue ofthreshold deformation. Predicted strength Strength of welded joint. Threshold deformation Deformation% 107 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 109 36
Steel -Aluminum Cladding Rolling a. Cold b. 600-750 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 111 Aluminum -Titanium Aluminum Titanium 112 37
Stainless Steel Clad Aluminum & Copper Hot Rolled Aluminum Stainless Steel Stainless Steel Copper 113 Annealed brass layer Accumulated Rolled Bonding (ARB) 38
جشکاري حالت جامد جشکاري انفجاري مهمترین کاربرد آن در پشش دهی (Cladding) است فلز پایه فلز پشش قبل از جشکاري تمیز کاري سطحی می شند ماده انفجاري با ضخامتی سه برابر فلز پشش ري سطح قرار می گیرد با ایجاد جرقه در لبه با سرعت 2000m/s ري سطح حرکت می کند براي پشش هاي با ضخامت کم از محیط خلا یا هلیم استفاده می شد فلز پشش باید انعطاف پذیري حداقل 12 درصدي داشته باشد تا در اثر انفجار ترك نخرد ضخامت فلز پشش 1-12mm است 116 جشکاري انفجاري Explosive Welding این فرایند یک فرایند جشکاري حالت جامد است که از نیري انفجار براي ایجاد یک پیند متالرژیکی بین د قطعه متصل شنده استفاده می کنند. گرچه انفجار ماد منفجره گرماي زیادي تلید می کند لی زمان کافی براي انتقال حرارت جد ندارد. بنابراین افزایش قابل تجهی در دماي قطعه صرت نمی گیرد. در این فرایند یک ضربه مایل با سرعت بسیار بالا به فصل مشترك د قطعه اعمال می شد که مجب شده فلز جامد مشابه یک سیال عمل کند. در اثر این ضربه حتی قشر سطحی قطعات نیز به صرت یک جت سیال به بیرن می جهد سطح تمیز شده د فلز در تماس با یکدیگر قرار می گیرند. سطح عاري از اکسید در هم فشرده شده عمل اتصال صرت می گیرد. 117 شکل بالا نحه قرار گرفتن قطعات ماد منفجره را نشان می دهد. در این فرایند صفحه بالایی تحت یک زایه نسبت به صفحه زیرین قرار می گیرد. سطح خارجی صفحه بالایی به سیله یک لایه ضربه گیر محافظت می گردد. یک لایه از ماد منفجره به صرت رقه یا پدر بر ري قشر ضربه گیر قرار می گیرد چاشنی در انتهاي پایینی ماده منفجره عمل می کند. سرعت صفحه بالایی به نع مقدار ماده منفجره بستگی دارد. 118 39
عدم ایجاد ساختار ریختگی یا آنیل نفذ ناچیز عناصر شیمیایی در فصل مشترك امکان جش قطعات پهن بزرگ غیر هم جنس به یکدیگر از نقاط قت نیاز به فضاي باز بزرگ عدم دسترسی به ماد منفجره در بعضی کشرها خطرات ناشی از کار با ماد منفجره از محددیت هاي این فرایند می باشد. این فرایند رشی مفید در اتصال ماد هم جنس غیر هم جنس محسب شده تنها شرط انجام فرایند داشتن انعطاف پذیري چقرمگی قابل قبل است. رق ها لله هاي د لایه از جمله مهمترین قطعاتی می باشند که با این رش ساخته می شند. 119 فرایند جشکاري انفجاري جشکاري انفجاري قبل از انجام فرایند 120 فرایند جشکاري انفجاري 121 40
فرایند جشکاري انفجاري جشکاري انفجاري بعد از شرع فرایند 122 فرایند جشکاري انفجاري v نمنه اي از قطعات جشکاري شده به رش جشکاري انفجاري 123 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 41
Explosives Explosive Detonation velocity, m/s RDX (Cyclotrimethylene trinitramine, C 3 H 6 N 6 O 6 8100 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 ) 2655 125 Explosive welding 126 Inclined gap method Various detonation speeds are possible with the inclined gap method Ajet isformed. Thejet is athin layer ofmetalstripped from the surfaces of both plates, which in turn exposes the uncontaminated metalsurfaces which are then welded in the highpressure zone, knownas stagnation point Typically the weld surfaces are wavy Weld is mainly solid state with small pockets of melted jet material (on thefrontandback slopes of thewaves) Some welding may also be enhanced by friction due to the difference in thevelocity of theplates 127 42
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. 129 Disadvantagesof 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 43
44 یتصارف يراکشج دنیارف يراکشج یتصارف هب رط يرثم يارب يراکشج تازلف مه سنج ریغ مه سنج نینچمه ریغ تازلف اب حرط لاصتا هبل ير مه هدافتسا یم.دش رد نیا شر ياهناسن سناکرف لااب ببس یشلاتم ندش ياهمتا يزلف ای اهلکلم رد لحم لاصتا هدش لفق یگدش یلخاد یشان زا نیا اهمتا ای اهلکلم ببس یبایتسد هب کی لاصتا یکیناکم بلطم دهاخ.دش -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 131 يژرنا یتصارف زا قیرط کی لدبم هک راک لیدبت ندرک ياهناسن یکیرتکلا سناکرف لااب هب ياهناسن یکیناکم ار ماجنا یم دهد دیلت یم دش. سناکرف لامعم شیب زا 20 لیک زتره رتارف) زا هددحم (ییانش.تسا ياهناسن یکیناکم زا قیرط کی میس تفج هدننک هب كن يراکشج هدننک سپس هب هعطق راک لقتنم یم.دش كن يراکشج هدننک هب ترص یضرع ناسن یم دنک ) هب تازام لصف كرتشم شج ( رد نامه لاح يرین ییاتسیا دمع رب لصف كرتشم لامعا یم.دش -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 132 لبق زا يراکشج کی يراکزیمت هداس يررض تسا یل دعب زا يراکشج ای تایلمع یترارح يراکزیمت درم زاین یمن.دشاب رد نیا شر زا نار زاس ای زلف رپ هدننک هدافتسا یمن.دش شر یتصارف اهنت ددحم هب ياهلاصتا ير مه تسا رد ياهلاصتا رس هب رس هب تلع مدع ناکما تیامح يرادهگن لاصتا ماجنا يراکشج اب تلاکشم يدایز هارمه.تسا مدع زاین هب بذ دامجنا يراکشج قر ياه رایسب كزان بیرض ینمیا تعرس يراکشج لااب مدع رییغت گنر رد هقطنم شج زا يایازم نیا شر هنیزه لااب رمع مک تاعطق هاگتسد مدع ییانات شج نداد میخض تاعطق زا تیددحم ياه نیا شر هب باسح یم دیآ. نیا شر رد تخاس تازیهجت یکینرتکلا متسیس ياه يژرنا يدیشرخ عیانص هتسب يدنب لیبمتا يزاس اه اضف دربراک.دراد -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 133
در این فرایند هیچ گنه حرارت قابل ملاحظه اي ایجاد نمی شد درجه حرارت تنها در مضع فصل مشتر ك حداکثر در محدده 35 تا 50 درصد نقطه ذب قطعه بر حسب کلین تغییر می کند. بنابراین چن عمل ذب در فلز پایه رخ نمی دهد ساختار ریختگی ترد تشکیل نخاهد شد. در خلال فرایند جشکاري فشار متسطی براي در تماس قرار دادن قطعات اعمال می شد که تغییر شکل قابل ملاحظه اي را ایجاد نمی کند. 134 جشکاري حالت جامد جشکاري التراسنیک التراسنیک صتی با فرکانس بیش از 20KHz است قابل شنیدن نیست اماج التراسنیک عمما تسط خاصیت پیزالکتریک ماد به قطعات منتقل می شد پارامترهاي جشکاري انرژي فشار زمان 135 جشکاري حالت جامد التراسنیک مج طلی به قطعه کار اعمال می شد جشکاري فلزات با ایجاد حرکت نسبی در قطعات فیلم هاي اکسیدي تخریب شده سطح در ضعیت تغییر فرم پلاستیک قرار گرفته جش می خرند جشکاري التراسنیک براي صفحات نازك فلزات غیرآهنی مانند آلمینیم مس به کار می رد 136 45
جشکاري حالت جامد التراسنیک پلاستیک اکثرا در صنایع خدرسازي به کار می رد جشکاري ها در سال 1984 در حدد 4 میلین جش التراسنیک در رز در صنایع خدر آلمان به کار می رفته است انرژي ضربه اي مج مجب اصطکاك ملکلی سطحی می شد التراسنیک رش بسیار مهمی براي پلاستیک هایی است که در اثر جشکاري پیشرفته- ذب تجزیه می شند 137 حمید منتظرالقاي م جشکاري حالت جامد جشکاري التراسنیک 138 جشکاري حالت جامد جشکاري التراسنیک 139 46
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. 142 Ultrasonic Welding Process Process Description: Components of ultrasonic welding system include: Transducer Sonotrode Anvil Sonotrode tip Vibration Mass Anvil Clamping force Force wedge Weldment Transducer 143 47
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. 10-75 KHz Sonotrode tip Mass Anvil Clamping force Force wedge workpiece Transducer 144 145 Process Variations Spot Welding Ring Welding Line Welding -Linear Sonotrode Continuous Seam Welding -Roller Sonotrode Microminiature Welding 146 48
Typical 1500 ultrasonic spot-type welding machine 147 Courtesy AWS handbook 148 AWS Welding Handbook 100 W Lateral Drive Ultrasonic Welder 149 AWS Welding Handbook 49
Typical Ring Welding Applications جشکاري پیشرفته Tip in Shape of Weld - 150 حمید منتظرالقاي م AWS Welding Handbook Attachment for Continuous حمید منتظرالقاي م Ring جشکاري پیشرفته- Welding 151 AWS Welding Handbook Tip Traversing Head for Continuous Seam Welding 152 AWS Welding Handbook 50
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 154 155 AWS Welding Handbook 51
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 156 Power Requirements 3 / 2 E = K(HT ) 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 158 52
159 AWS Welding Handbook 160 AWS Welding Handbook 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 53
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. 162 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 54
Comparison منتظرالقاي م ResistanceحمیدWith جشکاري پیشرفته- Spot Weld 165 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. 166 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 55
Other Process Variations Ultrasonic Welding of Non-metallic Ultrasonic Plastic Welding 168 Welds Can Be Made to Non-Metallic Substrate Materials Coated with Thin Layers of Metal Films Material Welded Metal Film Non-Metallic 169 170 AWS Welding Handbook 56
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.T25.95.12 171 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 172 173 AWS Welding Handbook 57
Note weld progression (no منتظرالقاي م weld حمید پیشرفته- جشکاريin center) 174 AWS Welding Handbook 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 176 58
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 178 Ultrasonic Stitch (Clad) Welding Sonatrode Anvil Louks, et al Ultrasonic Bonding Method US Patenet 6,099,670 Aug. 8, 2000 179 59
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 180 Explosive Gas Generator For Auto Air Bag (Plastic Ultrasonic Weld) Gas Generating Explosive Powder Primer Plastic Cap Welded to Plastic Base Ultrasonic Weld 1998. Avory, et al Electrical Initiator US Patent 5,763,814 June 9, 181 جشکاري التراسنیک 182 60
جشکاري التراسنیک 183 جشکاري التراسنیک 184 جشکاري التراسنیک 185 61
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 186 Types of ultrasonic welding Direct couple methods Wedge-Reedmethod 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 188 62
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 190 Ultrasonic welding control 191 63
Ultrasonic welding control 192 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 جشکاري حالت جامد جشکاري نفذي با گرم کردن د قطعه تحت فشار کم اعمالی به قطعات محیط خلا انجام می شد دماي کاري 50-70% دماي ذب قطعه انتخاب می شد اکسیدهاي سطحی به دلیل حضر دماي بالا محیط خلا تجزیه می شند در صنایع هایی به خصص جشکاري تیتانیم آلیاژهاي آن استفاده می شد اساس کار شبیه آن فرایندي است که در متالرژي پدر اتفاق می افتد 194 64
Linnert, Welding Metallurgy, AWS, 1994 195 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 Work pieces Force B Schematic representation of diffusion welding using electrical resistance for heating 196 197 AWS Welding Handbook 65
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 198 فرایند جشکاري نفذي 199 Free Energy as Atom Reversibly Moves 200 Diffusion in Solids -Shewmon 66
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 202 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 203 67
204 205 206 68
AWS Welding 207 Handbook 208 AWS Welding Handbook 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 69
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 210 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) 212 70
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 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. 215 71
216 AWS Welding Handbook Some Specific Applications Of Diffusion Welding 217 218 AWS Welding Handbook 72
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, 2000 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, 1999 221 73
Diffusion Brazing Low Melting inter-layer Melts & then diffuses into substrate Generally more rapid diffusion Some Applications 222 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, 2000 223 Diffusion Brazing of Aluminum 224 AWS Welding Handbook 74
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 226 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 75
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 228 Nickel Braze - Isothermal Solidification 229 AWS Welding Handbook Nickel Braze -Reheat for Diffusion 230 AWS Welding Handbook 76
فرایند جشکاري نفذي 231 فرایند جشکاري نفذي 232 فرایند جشکاري نفذي 233 77
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 جشکاري پیشرفته- حمید منتظرالقاي م 234 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 جشکاري پیشرفته- حمید منتظرالقاي م 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. 78
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 253 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 79
جشکاري حالت جامد جشکاري اصطکاکی از د قطعه یکی ساکن دیگري در حال گردش حل محر خد است در حین جشکاري با ایجاد اصطکاك بین سطح درکیر د قطعه باید در زمان هاي مناسب فشار کافی اعمال شد HAZ جشکاري ریزدانه است به دلیل زمان سرد شدن کتاه سختی بالا در فلادهاي سختی پذیر قابل دستیابی است ناحیه جشکاري باریک است ناحیه ذبی جد ندارد فلزات غیر مشابه به راحتی قابل جشکاري است 255 جشکاري حالت جامد جشکاري اصطکاکی پارامترهاي جشکاري سه نع جشکاري اطصکاکی جد دارد در طراحی جش باید لبه هاي متقارن مدر انتخاب شد نگهدارنده قطعات باید قي داراي اندازه مناسب باشد کاهش سرعت گردش قطعات مجب عریض شدن جشمی شد direct drive FRW inertia FRW combined FRW 256 فرایند جشکاري اصطکاکی 257 80
فرایند جشکاري اصطکاکی مزایا اتصال ماد غیر مشابه منطقه متاثر از حرارت باریک صرفه جیی در مصرف ماد الیه عدم نیاز به فلاکس گاز محافظ فلز پرکننده سرعت تلید بالا جشکاري پیشرفته- قابلیت اتماتیک کردن فرآیند 258 حمید منتظرالقاي م فرایند جشکاري اصطکاکی تغییرات پارامترهاي م ثر در طی جشکاري اصطکاکی شمایی از مراحل فرآیند جشکاري اصطکاکی 259 فرایند جشکاري اصطکاکی v مراحل مختلف در طی ایجاد حرارت در جشکاري اصطکاکی اصطکاك در فصل مشترك سطح در تماس ایجاد منطقه خمیري ماده خمیري رفتاري نظیر ماده یسکز نشان می دهد افزایش سعت منطقه یسکز جابجا شدن شعاعی بطرف داخل قطعه متحرك متقف شده لایه یسکز بیشتر سطح تماس را می پشاند 260 81
فرایند جشکاري اصطکاکی کاربرد جشکاري اصطکاکی 261 فرایند جشکاري اصطکاکی 262 فرایند جشکاري اصطکاکی کاربرد جشکاري اصطکاکی در صنعت خدر جشکاري اصطکاکی اغتشاشی 263 82
83 یکاکطصا يراکشج نیا شر رب ساسا لیدبت يژرنا یکیناکم هب يژرنا ییامرگ راتسا تسا. رد نیا شر د تمسق درم لاصتا ار هب مه کیدزن هدرک اب داجیا تکرح ینارد عیرس یکی زا اهنآ رب ير يرگید شلام كاکطصا د هعطق يامرگ يدایز دیلت هدش هک بجم تلاح هتیسیتسلاپ رد هبل ياه لاصتا یم دش. اب راشف لامعا هدش ییاهن تاعطق رد مه رف یم دنر لاصتا داجیا یم دش. هتفرشیپ يراکشج - مي اقلارظتنم دیمح 264 حطس رد سایقم یپکسرکیم ياراد یگدمآرب اه یگتفررف ییاه دنتسه هلاع رب نآ هیلا يدیسکا كزان ای یصلاخان ياه رگید رب ير حطس هدیشپ هدش تسا. هاگره حطس هب رط لماک رد رانک مه رارق دنریگن يرین یگدنبسچ نیب یلکلم نیب اهنآ رارقرب هدشن رد هجیتن لاصتا ماجنا یمن دریگ فده یلصا رد يراکشج یکاکطصا فرطرب ندمن نیا يرامهان اه یصلاخان اه لامعا راشف يارب لاصتا د حطس.تسا -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 265 یماگنه هک د حطس اب راشف نیعم رب ير مه هدیلام یم دنش طاقن دنلب مهب درخرب هدرک زا نیب یم دنر نامزمه هیلا يدیسکا هتشادرب هدش د حطس زلف رد سامت اب رگیدکی رارق دنریگ یم نیدب بیترت کی دناب ای یگدنبسچ Seizures) تقم ( هب دج یم دیآ اب همادا تکرح نیا یگدنبسچ هدیرب هدش کی دناب هزات رت هب دج یم دیآ نیدب بیترت يژرنا یکیناکم هب یترارح لیدبت هدش هب جیردت هجرد ترارح حطس شیازفا یم دبای. نیاربانب ماکحتسا يراشف شهاک هتفای رییغت مرف يریذپ تحار رت ماجنا یم دریگ طاقن هدمآرب هب تعرس حم هدش حطس رد تلاح یگدنبسچ لماک رارق یم دنریگ اب ضرف نیا هک خرن ترارح يدیلت رتشیب زا ترارح یشکرف دشاب هجرد ترارح رتلااب هتفر تلاح یکیتسلاپ زین رتشیب یم دش ات ییاج هک ماکحتسا يراشف رداق هب لمحت يرین يراشف تسین حطس ریز راشف هدرتسگ رت هدش هبل اه رد مه رف یم دنر یتح یمک هب نریب رب یم.دندرگ هب رطاخ تکرح یشخرچ هتسد مک یکی زا د هعطق رد لحم لاصتا یم تسیاب حطس عطقم هریاد يا هتشاد دشاب. -هتفرشیپ يراکشج مي اقلارظتنم دیمح 266
جشکاري اصطکاکی به طر کلی به د دسته تقسیم می شد: الف) جشکاري اصطکاکی لحظه اي Inertia friction ب) جشکاري اصطکاکی مدام Continuous drive friction البته امرز رش هاي پیشرفته که ترکیبی از د تکنیک بالاست به کار می رد هر د نع جشکاري می تاند بدن تقف به طر کامل به صرت ماشینی انجام شد می تان پارامترهاي عملیاتی را از قبل برنامه ریزي نمد. FRW براي قطعاتی که بتان آنها را از نظر اندازه شکل با ماشین جش اصطکاکی تطبیق داد پرسه اي جالب می filler یا پر کننده لازم ندارد مثلا براي جشکاري فلاد کربنی ساده آلیاژي حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جش بدست آمده از این رش کیفیت بالایی دارد براي تلیدات انبه مقرن به صرفه است. با پیشرفت هاي انجام شده می تان جشکاري اصطکاکی را به جاي چرخش با حرکت انجام قطعات متنع با این پرسه شده است. 267 باشد زیرا هیچ ماده داد که باعث گسترش این پرسه تطبیق براي تلید یک جش قابل قبل پارامترهاي عملیاتی از قبیل نیري اعمالی سرعت چرخش زمان می تاند در رنج گسترده اي تغییر کند. نیري اعمالی باید به مقدار کافی بزرگ باشد تا سطح را در تماس با یکدیگر نگه دارد. زمان عملیات هم باید به گنه اي باشد که اکسیداسین سطح به حداقل برسد. نیري ناکافی حرارت کمتري ایجاد می کند که منجر به عدم اتصال مناسب سطح می گردد از طرف دیگر نیري بیش از اندازه حرارت زیادي تلید می کند که منجر به ذب شدن د فلز می شد. زمان باید به اندازه کافی باشد تا اجازه رسانش گرمایی به بخش هاي مرکزي سطح که داراي حرکت نسبی کمتري براي تلید حرارت می باشند را بدهد از طرف دیگر افزایش زمان گرمادهی منجر به افزایش سطح مقطع اتصال گسترش منطقه HAZ در د طرف جش به طر غیرعادي می شد. 268 عدم نیاز به فلاکس ) رانساز ( ماده پر کننده گاز محافظ مصرف انرژي الکتریکی کمتر به طر کلی انرژي مرد نیاز عملیات جشکاري نسبتا تمیز بدن قس الکتریکی منطقه Haz باریک داراي دانه هاي ریز تر حتی نسبت به فلز اصلی از مزایاي این رش محسب می شد. گرد بدن یکی از قطعات هزینه هاي مصرفی نسبتا بالا از محددیتهاي این رش است. 269 84
270 271 Variations of friction welding Rotary Friction Welding Linear Friction Welding Friction stir welding 272 85
Direct or continuous drive Pre-determined time of motion determined by the size and type of material 273 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 25-125Hz Maximum axial force 150kN 275 86
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. 277 87