جوشکاری حالت جامد
جوشکاری حالت جامد، گروهی از فرآیندهای جوشکاری هستند که در آنها، پیوستگی مواد در دماهایی زیر نقطه ذوبشان رخ میدهد. این پیوستگی بدون ذوب فلز پایه اتفاق میافتد. در این فرآیندها از هیچ ماده پرکننده لحیمی استفاده نمیشود. ممکن است در این فرآیندها فشار استفاده شود یا نشود. در این روش، فلزات اتصال، خواص اولیه خود را حفظ میکنند. مشکلات ناشی از ناحیه متاثر از حرارت در این فرآیندها دیده نمیشود. در جوشکاری مواد غیر هم جنس، اختلاف ضریب انبساط حرارتی و هدایت گرمایی مواد از اهمیت بسیار کمتری برخوردار است.
روشهای جوشکاری حالت جامد
این گروه شامل جوشکاری سرد، جوشکاری نفوذی، جوشکاری اصطکاکی، جوشکاری پتکهای، جوشکاری انفجاری، جوشکاری فشاری داغ، جوشکاری نوردی، و جوشکاری فراصوتی است.
روشهایی که بیشتر متداول هستند شامل موارد زیر است.
- جوشکاری اصطکاکی Friction welding
- جوشکاری فشاری Pressure welding
- جوشکاری آهنگری یا پتکهای Forge welding
- جوشکاری با امواج صوتی Ultrasonic welding
در جوشهای حالت جامد، برخلاف فرآیندهای حالت ذوبی که محل اتصال در نتیجه ذوب موضعی است، اتصال بدون تشکیل مذاب انجام میشود. ولی فیلمی از فلز مذاب در یک مرحله میانی از عملیات بین سطوح اتصال ایجاد میشود. اگر چه فلز مذاب معمولاً به طور کامل از جوش جدا میشود، ولی در حضور کوتاه خود، نقش مفیدی را در انجام جوش ایفا میکند.
جوشکاری اصطکاکی
به طور کلی جوشکاری اصطکاکی بر اساس تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی گرمایی استوار است. دو قسمت مورد اتصال را به هم نزدیک کرده و با ایجاد حرکت دورانی سریع، گرمای زیادی تولید شده و موجب حالت پلاستیسیته در لبههای اتصال میشود. با فشار اعمال شده نهایی، قطعات در هم فرو میروند و اتصال ایجاد میشود. جوشکاری اصطکاکی به طور کلی به دو دسته تقسیم میشود.
- جوشکاری اصطکاکی لحظهای
- جوشکاری اصطکاکی مداوم
در جوشکاری اصطکاکی از آنجایی که ماده مذابی تولید نمیشود، جوشکاری در فاز جامد فلزات صورت میگیرد. از این فرایند برای تولید شافتهای محرک، سوپاپ موتور، محور فرمان و میل کمک فنر (suspension rod) استفاده میشود. قابلیت این فرایند در اتصال مواد ناهم جنس بدین معنی است که میتوان بدنه و سر سوپاپ را از مواد متفاوتی که مناسب سیکل کاری و حرارتی آنهاست، ساخت.
جوشکاری اصطکاکی لحظهای
جوشکاری اصطکاکی چرخشی شامل یک قطعه کار به یک سه نظام متصل به چرخ دوار سنگین، متصل است. سرعت چرخش چرخ دوار به وسیله جوشهای آزمایشی و استاندارد یا از طریق فرمولهای در دسترس، بدست میآید. بعد از رسیدن به سرعت مورد نیاز، چرخ دوار از موتورها جدا و قطعه کار در حال چرخش، تحت نیروی فشاری به قطعه کار ساکن متصل میشود. با تماس دو سطح، انرژی جنبشی چرخ دوار از طریق اصطکاک به حرارت تبدیل میشود. به محض اینکه سرعت کاهش یافت، گرمای تولیدی در سطوح کاهش مییابد و بجای آن گرما از طریق رسانش در قطعات پراکنده میشود. با افزایش سطح مقطع، تماس گشتاور در جهت مخالف شروع به افزایش میکند. سبب توقف ناگهانی حرکت دورانی چرخ دوار شده و جوش در حالت جامد تشکیل میشود.
در این مرحله یک نیروی اضافی باعث افزایش سطح مقطع اتصال شده و کیفیت خواص مکانیکی جوش را بهبود میبخشد. انرژی مورد نیاز برای یک عملیات به اندازه، شکل، وزن قطعه و سرعت چرخش چرخ دوار بستگی خواهد داشت.
جوشکاری اصطکاکی پیوسته
در این نوع جوشکاری مانند جوشکاری اصطکاکی لحظهای یک قطعه کار به یک سه نظام متصل به موتور گیر داده شده است. به طور پیوسته با یک سرعت ثابت و زمان مشخص میچرخد. به طور معمول یک نیروی فشاری کنترل شده اولیه برای ایجاد اصطکاک بر سطوح تماس وارد میشود. هنگامی که حرارت کافی تولید شد، قطعه کار در حال چرخش به وسیله ترمز متوقف میشود. نیروی بیشتر نهایی برای افزایش سطح مقطع تماس اعمال میشود. به دلیل گستره وسیع تغییرات پارامترهای عملیاتی جوشکاری اصطکاکی مداوم، برای اتصال مقاطع خیلی بزرگ یا بینهایت کوچک کاربرد دارد.
جوشکاری فشاری
به طور کلی جوشکاری فشاری سرد، ایجاد یک باند اتم به اتم بین اجزای ماشین جوش است. از انواع جوشکاری حالت جامد (SSW) بوده و از تاریخچهای طولانی برخوردار است. جوشکاری غلطکی سرد یکی از اقسام این نوع جوشکاری است. به دلیل سرعت بالای تولید و قابلیت جوشکاری پیوسته ورقهای فلزی کاربرد فراوانی دارد.
پارامترهای موثر در جوشکاری سرد
- در صد انبساط سطحی فصل مشترک
- فشار عمودی وارد بر فصل مشترک
- نوع عملیات آماده سازی سازی سطح و نیز عملیات حرارتی بعد از جوشکاری است.
در همه فرایندهای جوشکاری سرد با افزایش درصد انبساط سطحی و فشار عمودی، استحکام جوش افزایش مییابد.
جوشکاری با امواج صوتی
جوشکاری با امواج فراصوت از جمله روشهای جوشکاری غیر ذوبی است. انرژی لازم برای جوشکاری از طریق انرژی مکانیکی تامین میشود. انرژی از طریق ارتعاش نوکهای جوشکاری و تولید امواج ماورا به سطح جوش منتقل شده و باعث ایجاد پیوند فلزی در سطح جوش میشود. قابلیت منحصر به فرد این جوشکاری باعث توجیه اقتصادی این روش در مواردی خاص میشود. از جمله این موارد میتوان به جوشکاری شیشهها، جوشکاری فویلهای آلومینیومی، جوشکاری فویلها و سیمهای مسی و آلومینیومی به یکدیگر اشاره کرد.
در جوشهای روی هم، پیوند اتمهای فلز میشکنند و اتصال بین اتمها برای رسیدن به پیوند مکانیکی ایجاد میشود. در این روش گرمای زیاد وجود ندارد. ماکزیمم درجه حرارت در جوشکاری معمولاً ۳۰ الی ۵۰ درصد نقطه ذوب واقعی فلز است. انرژی التراسونیک از طریق مبدلی که ارتعاشات الکتریکی فرکانس بالا را به ارتعاشات مکانیکی با همان فرکانس تبدیل میکند، به حد قدرت ابزار جوشکاری مورد استفاده بستگی دارد. این روش محدودیتهایی دارد. از جمله این محدودیتها میتوان به بروز خستگی که باعث کاهش طول عمر وسایل شده، اشاره کرد. همچنین خستگی در فلزات سختتر، در کمتر از فشار مورد نیاز برای جوش، بروز میکند.
مزایا و محدودیتها
- راندمان بالا
- تولید بالا با قیمت پایین
- سهولت در اتوماسیون
- سرعت جوش بالا
- تمیز بودن آن
مهمترین محدودیت این روش، محدودیت در انرژی اعمالی و کوچک بودن عرض شیپوره (کمتر از ۲۵۰ میلی متر) است. در نتیجه طول جوشی که به وجود میآید کوچک است.
موارد استفاده از جوش التراسونیک ترموپلاستیکها
- جوشکاری ساده یک اتصال
- جاسازی یک قطعه در قطعهای دیگر همرا با اتصال بین آن دو
- جوش نقطهای ورقها و صفحات پلاستیکی
کاربرد
- استفاده در صنعت بسته بندی
- استفاده در صنعت اتومبیل سازی
- استفاده در صنعت پزشکی
- استفاده در صنعت اسباب بازی
- صنایع مرتبط دیگر
جوشکاری نفوذی
از فراینـد جوشـکاری نفـوذی بـه طـور گسـتردهای بـرای اتصال تیتانیـوم و آلیاژهـای اسـتفاده مـیشـود. مهمترین دلایل به شرح زیر هستند.
- تیتانیـوم و آلیاژهـای آن قـادر بـه حـل کردن مقادیـر بالایی از اکسـیژن هسـتند کـه ایـن موجـب انحلال اکسـیدهای سـطحی در دماهـای بالا میشـود. ضمـن اینکه به علـت پایین بودن اسـتحکام خزشـی و اسـتحکام تسـلیم تیتانیوم در دماهای اتصـال، تماس بین سـطوح اتصـال و تشـکیل پیوندهای فلـزی افزایش مـییابد.
- جوشـکاری تیتانیـوم و آلیاژهـای آن توسـط روشهـای ذوبی، اسـتحکام اتصالـی نزدیک به فلـز پایه ایجاد نمیکنـد، در حالی که با اسـتفاده از فرایند جوشـکاری نفـوذی میتوان به اسـتحکام اتصالی نزدیـک بـه فلز پایه رسـید.
- بیشـتر اجـزاء و سـاختارهای تیتانیومـی در صنایـع هوافضا بکار مـیرونـد، لـذا کارایـی و عملکرد مناسـب روش جوشـکاری نفوذی هزینـههـای اضافـی جهـت انجـام آن را توجیه مـیکند.
جوشکاری انفجاری
فراینـد جوشـکاری انفجـاری یکی از بهترین روشها بـرای اتصال مـواد غیـرهم جنـس بـه یکدیگـر اسـت. مطالعـات فراوانی بـر روی جوشـکاری انفجـاری تیتانیـوم بـا مواد غیـر هم جنس خـود صورت گرفتـه اسـت. بیشـترین مطالعـات انجام گرفتـه بر روی جوشـکاری انفجـاری تیتانیوم با فـولاد زنگ نزن، آلومینیوم، مـس و نیکل انجام گرفتـه اسـت. تنهـا شـرط انجـام موفقیت آمیز ایـن فرایند، داشـتن انعطـاف پذیـری و چقرمگـی قابـل قبول اسـت تـا قطعـات در حین جوشـکاری نشـکنند یـا تغییـر فـرم قابـل توجهی ندهنـد. حداقل انعطـاف پذیـری مـورد نیـاز ۱۰ %و حداقل انرژی شکسـت ۳۰ ژول ذکر شـده اسـت. با توجه بـه کاربرد فـراوان تیتانیـوم و آلیاژهای آن در صنایـع هوا فضا، اسـتفاده از فرایند جوشـکاری انفجـاری تیتانیوم، به ویـژه جوشـکاری انفجـاری تیتانیوم و فـولاد زنگ نزن بسـیار مفید است.
جوشکاری پتکهای، جوشکاری آهنگری
جوشکاری پتکهای قدیمیترین فرایند جوشکاری است که تا قرن نوزدهم میلادی نیز هنوز معمول بوده است. آهنگران این فرایند را به کار میبردند. مخازن تحت فشاری و لولههای فولادی زمانی توسط جوشکاری پتکهای ساخته میشدند. این فرایند با بعضی روشهای جدید با کاربرد حرارت و فشار لازم جهت تحصیل جوش کاربردهایی پیدا کرده است. از کاربردهای امروزی آن تولید لولهها و فلزات روکشی است.
مزایای جوشکاری حالت جامد
از مزایای جوشکاری حالت جامد میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
- هنگامی که حین جوشکاری فلز ذوب میشود، به دلیل انجماد سریع، ساختارهای غیر تعادلی پس از اتصال بوجود میآید. در واقع به دلیل تنشهای باقیمانده، ساختار به ترک خوردن حساس میشود. لذا برای اصلاح ساختار باید عملیات حرارتی روی قطعات صورت بگیرد. در جوشکاری حالت جامد، ساختار غیر تعادلی تشکیل نمیشود.
- وقتی فلز ذوب میشود، میزان انحلال گاز در آن بسیار بالاست. در فرآیندهای ذوبی، سطح مذاب با محیط اطراف کاملاً مواجه شده و امکان جذب گاز وجود دارد. این گازها، میزان حلالیت در جامد را حین انجماد پایین آورده و مذاب یک حالت فوق اشباع پیدا میکند. خروج این گازهای حل شده از بالک جامد قطعه، بسیار مشکل و تقریباً غیر ممکن است. گاز هیدروژن بدترین حالت را ایجاد میکند. زیرا به صورت یک ذره پروتون که تحرک آن بسیار بالاست، در مذاب حل میشود. هیدروژن باعث ایجاد ترک سرد یا ترک تأخیری میشود. در جوشکاری حالت جامد به دلیل عدم وجود مذاب این مشکل نیز دیده نمیشود.
- در حین جوشکاری انبساطهای غیر یکنواخت و در هنگام انجماد، انقباضهای غیر یکنواخت ایجاد میشود که مستعد ایجاد ترک هستند.
- در جوشکاری حالت جامد، نوع تنشهای باقیمانده در فصل مشترک، تنشهای فشاری هستند که امکان گسترش ترک را از بین میبرند.
- عدم اعوجاج قطعات حین جوشکاری
- عدم استفاده از فلز پرکننده برای جوشکاری
- عدم نیاز به جوشکار ماهر برای جوشکاری
- قابلیت جوشکاری فلزات سبک از جمله آلومینیوم و نیز پلیمرها
- قابلیت اتصال فلزات غیرمشابه
- قابلیت استفاده برای فرایندهای سطحی در فلزات و تولید نانو کامپوزیتهای سطحی
مزیت جوشکاری حالت جامد نسبت به جوشکاری ذوبی
در جوشکاری حالت جامد، فلز مذاب وجود ندارد و اتصال تحت فشار ایجاد میشود. بنابراین احتمال ترک خوردن کم است. همچنین در جوشکاری حالت جامد، عنصر هیدروژن که عامل شکنندگی است، در موضع اتصال وجود ندارد.
معایب جوشکاری حالت جامد
- نیاز به آماده سازی سرتاسر سطوح است (چربی زدایی، اکسید زدایی، برس کشی، سندبلاست).
- تجهیزات آن گران قیمت است.
