جوشکاری حالت جامد چیست؟ انواع و کاربرد فرایند جوشکاری غیر ذوبی

آگوست 21, 2024
منتشر شده در adminwinner

یکی از جدیدترین روش‌های جوشکاری، جوشکاری حالت جامد است. در این روش به کمک اعمال دما و فشار زیاد، بدون نیاز به فیلر و سیم جوش، اتصال فلزات در زیر نقطه ذوب انجام می‌شود. برخی از فرآیندهای جوشکاری غیرذوبی، ممکن است تنها در چند ثانیه رخ دهند، در حالیکه برخی دیگر ممکن است چندین ساعت طول بکشد تا اتصال فلزات بدون ذوب شدن انجام شود. از آنجایی که در جوشکاری حالت جامد، فلزات حین اتصال، ذوب نمی‌شود، خواص اولیه خود را حفظ می‌کنند. در ادامه همراه ما باشید تا به بررسی جامع این روش و انواع آن بپردازیم.

تعریف جوشکاری حالت جامد

جوش حالت جامد solid-state weldingبه اتصال مواد مشابه و غیر مشابه در زیر دمای ذوب آنها اطلاق می شود. در این فرآیند، تشکیل جوش به دلیل انتشار بین مولکولی اتفاق می‌افتد که در آن مولکول‌های رابط قطعات کار به دلیل فشار اعمال شده از مناطق با غلظت بالاتر به مناطق با غلظت پایین‌تر جریان می‌یابند. اتصالات مونتاژ شده توسط فرآیندهای حالت جامد عاری از عیوب انجماد، از جمله تخلخل گاز، ترک داغ و گنجاندن غیرفلزی در نظر گرفته شده‌اند. به فرآیند جوشکاری حالت جامد، جوشکاری غیرذوبی نیز گفته می شود. جوشکاری حالت جامد در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد و یکی از بهترین روش های جوشکاری برای اتصال فلزات حساس است.

مزایا و معایب جوشکاری جامد

این روش جوشکاری نیز مانند تمامی روش‌های دیگر دارای مزایای و معایب گوناگون است که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم:

مزایای جوشکاری حالت جامد

به دلیل عدم ذوب و انجماد، دارای مقدار کمتری اعوجاج بوده و پاشش ندارند.
HAZ یا منقطه متأثر از گرما باریک تر است.
ظاهر جوش تمیز و مرتب است.
خواص مکانیکی متریال اصلی دست نخورده باقی می ماند زیرا ذوب انجام نمیشود.
اتصال به فلزات غیرمشابه آسان است.

معایب جوشکاری حالت جامد

این روش نیاز به سطح خاصی از آماده سازی فلزات است.
شکل اولیه اجزاء عاملی مهمی برای اعمال فشار است.
پویستن بیش از دو جزء در یک زمان دشوار و در بعضی موارد غیرممکن است.
استفاده از فیلر امکان پذیر نیستف به همین دلیل ممکن است شکاف جزئی بوجود آید.
نسبت به جوشکاری ذوبی گران است.

کاربرد جوشکاری غیرذوبی

جوشکاری حالت جامد به عنوان یک روش مهم در صنایع مختلف برای اتصال قطعات فلزی استفاده می‌شود. برخی از کاربردهای جوشکاری حالت جامد عبارت اند از:

اتومبیل‌سازی:در صنایع اتومبیل‌سازی، جوشکاری حالت جامد برای اتصال قطعات فلزی در تولید خودروها استفاده می‌شود، از جمله اتصال بدنه خودرو، جعبه دنده و قطعات موتور.
هوافضا و صنایع دفاعی: در صنایع هوافضا و دفاعی، جوشکاری حالت جامد برای اتصال قطعات فلزی در تولید هواپیماها، موشک‌ها، و تجهیزات نظامی استفاده می‌شود.
صنایع دریایی: در صنایع دریایی، جوشکاری حالت جامد برای اتصال قطعات فلزی در ساخت کشتی‌ها، تجهیزات دریایی، و سازه‌های دریایی استفاده می‌شود.
صنایع نفت و گاز: در صنایع نفت و گاز، جوشکاری حالت جامد برای تولید و تعمیرات لوله‌ها، تجهیزات حفاری، و سازه‌های نفتی و گازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
صنایع ساختمانی: در صنایع ساختمانی، جوشکاری حالت جامد برای اتصال قطعات فلزی در ساخت و ساز ساختمان‌ها، پل‌ها، و سازه‌های بزرگ استفاده می‌شود.
صنایع الکترونیکی: در صنایع الکترونیکی، جوشکاری حالت جامد برای تولید و تعمیر قطعات فلزی در تجهیزات الکترونیکی و الکتریکال استفاده می‌شود.
صنایع غذایی: در صنایع غذایی، جوشکاری حالت جامد برای تولید و تعمیر دستگاه‌های پردازش و بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شود.

روش های جوشکاری حالت جامد

برخی از روش های جوشکاری حالت جامد جزء قدیمی ترین روش های جوشکاری هستند، در حالیکه برخی دیگر جزء روش های توسعه یافته و جدید هستند. در ادامه تمامی انواع جوشکاری غیرذوبی را بررسی می کنیم:

جوشکاری سرد Cold welding

در جوشکاری سرد CW از اعمال فشار در دمای اتاق برای ایجاد اتصال استفاده می شود. فشار شدید، موجب اتصال فلزات میشود، به همین دلیل کمی در ظاهر فلز تغییر شکل ایجاد میشود. مواد نازک را می توان با استفاده از ابزار دستی به هم متصل کرد، اما مواد ضخیم تر نیاز به فشار بیشتری داشته و نیاز به استفاده از دستگاه پرس دارند. موادی که به هم متصل می شوند باید در سطح مشترک تمیز باشند و هیچگونه آلودگی در سطح آن ها وجود نداشته باشد. برخی از فلزات دارای یک لایه اکسیدی هستند که در طی فرآیند جوشکاری شکسته می شود تا سطوح فلزی تمیزی را نمایان کند که امکان اتصالات بدون نقص را فراهم می کند. این قطعات همچنین ممکن است دارای فرورفتگی هایی بر روی سطوح جوش برای کمک به اتصال باشند. جوشکاری سرد به راحتی خودکار می شود و می توان از آن برای طیف وسیعی از فلزات انعطاف پذیر استفاده کرد. اغلب برای آلیاژهای آلومینیوم، مس و نیکل و همچنین فولادهای کم کربن استفاده می شود.

جوشکاری نفوذی Diffusion Welding

در جوشکاری نفوذی اتم های دو فلز متلاشی شده و موجب اتصال خواهند شد. در این روش میتوان از فیلر استفاده کرد، اما ضروری نیست. تغییر شکل محسوسی در قطعات ایجاد نمی‌شود و میتواند برای اتصال فلزات نسوز بدون تأثیر بر خواص متالوژیکی آنها مورد استفاده قرار بگیرد. قطعات معمولاً در سطوح اتمسفر یا خلاء جوش داده می شوند تا از تماس اکسیدها یا سایر آلاینده های موجود در هوا با سطوح جوش جلوگیری شود. گرمای استفاده شده برای این فرآیند از طریق القاء، مقاومت یا کوره تولید می شود. این روش در اکثر موارد برای اتصال قطعات فلزی غیرمشابه استفاده میشوند. جوشکاری نفوذی در صنایع مختلف از جمله هوافضا، الکترونیک، هسته‌ای و تولید استفاده می‌شود، می‌تواند فلزات غیر مشابهی را که به سختی از طریق روش‌های دیگر، از جمله فولاد ضد زنگ به تیتانیوم، فولاد به تنگستن، فولاد به نیوبیم و آلیاژ طلا به مس به یکدیگر متصل می‌شوند، جوش دهد. جوشکاری جامد باعث ایجاد جوش‌هایی با کیفیت بالا و بدون تخلخل، اعوجاج یا منافذ می‌شود. می توان از این روش برای اتصال قطعات ضخیم استفاده کرد، اما بهره وری نسبتا پایینی دارد زیرا فرآیندی زمان بر است. همچنین تجهیزات اولیه جوشکاری نفوذی به شدت گران قیمت است.

جوشکاری انفجاری Explosive Welding

جوشکاری انفجاری (EXW) یک فرایند جوشکاری است که در آن، انفجار یک ماده منفجره برای ایجاد اتصال بین قطعات فلزی استفاده می‌شود. این روش جوشکاری بر اساس اصل تولید انرژی از انفجار مواد منفجره برای ذوب کردن و اتصال دائمی قطعات فلزی استفاده می‌شود. ز جنگ جهانی اول و دهه‌های پس از جنگ جهانی دوم سرچشمه می‌گیرد، جایی که مشاهده شد قطعات ترکش به جای جاسازی، خود را به پوشش زرهی جوش می‌دهند. این یک فرآیند حالت جامد است که در آن قطعات با سرعت بالا با استفاده از یک انفجار کنترل شده به هم نزدیک می شوند. گرما در نتیجه موج ضربه ای مرتبط با ضربه و انرژی صرف شده در اثر برخورد تولید می شود، نه خود انفجار، که باعث مذاب شدن فلزات در فصل مشترک در طول جوشکاری می شود. جوشکاری انفجاری برای تولید لوله‌ها و لوله‌ها، سازه‌های هوافضا و کشتی، یاتاقان‌های کشویی دو فلزی، مخازن تحت فشار، مبدل‌های حرارتی، انتقال جوش و مخازن فرآیند شیمیایی مقاوم در برابر خوردگی استفاده می‌شود. اغلب برای پوشش فلزات پایه با آلیاژهای نازک تر استفاده می شود. جوشکاری انفجاری می تواند فولاد را به مس، نیکل، آلومینیوم، تنگستن یا تیتانیوم و همچنین اتصال آلومینیوم به مس متصل کند. از مزایای آن می توان به جوشکاری سطوح بزرگ و همچنین ایجاد اتصالات با کیفیت بالا با استحکام بالا، بدون اعوجاج، تخلخل یا تغییر در ریزساختار فلزی اشاره کرد. این یک فرآیند کم هزینه و ساده است که نیازی به آماده سازی سطح ندارد.

جوشکاری فورجینگ Forge Welding

یکی از قدیمی ترین فرآیندهای جوشکاری، جوشکاری فورج (FOW) است. در گذشته ها، تمامی آهنگران به طور سنتی از این روش استفاده می کردند، بدین صورت که قطعات فلزی را که قرار بود به یکدیگر متصل کنند، با حرارتی کمتر از دمای ذوب گرم میکردند و سپس به کمک چکش، فشار کافی را اعمال میکردند تا دو قطعه به هم متصل شود. جوشکاری فورج به عنوان یک روش جوشکاری اصولی و موثر برای ایجاد اتصالات دائمی و قوی بین قطعات فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به ویژه در صنایعی که نیاز به اتصالات با مقاومت بالا دارند مانند صنایع ساختمان سازی. این روش میتواند جوش هایی با کیفیت خوب و حتی پیچیده را ایجاد میکند.

جوشکاری اصطکاکی Friction welding

جوشکاری اصطکاکی (FRW) مواد را از طریق حرارتی که از مالش سطوح مواد به یکدیگر تحت فشار ایجاد می شود، به هم متصل می کند. تکنیک‌های مختلفی برای رسیدن به این هدف وجود دارد، از جمله چرخاندن یک قطعه کار در مقابل دیگری برای ایجاد گرمای اصطکاکی. پس از رسیدن به دمای مناسب، حرکت متوقف می شود و فشار اضافی برای اتصال قطعات وارد می شود. جوشکاری اصطکاکی می تواند به سرعت بدون استفاده از فلز پرکننده یا شار جوش هایی با کیفیت بالا ایجاد کند. می توان از آن برای جوش دادن فلزات معمولی از جمله فلزات غیر مشابه استفاده کرد. جوشکاری اصطکاکی یک فرآیند سریع است که قادر به اتصال طیف وسیعی از فلزات از جمله فولادهای آلیاژی، فولادهای کربنی، فولادهای ابزار و قالب، فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای آلومینیوم و مس، و همچنین آلیاژهای منیزیم، نیکل و تیتانیوم است. با این حال، جوشکاری اصطکاکی به تجهیزات نسبتاً گران قیمتی نیاز دارد.

جوشکاری اصطکاکی به دستگاه نسبتاً گران قیمتی مشابه ماشین ابزار نیاز دارد. سه عامل مهم در ساخت جوش اصطکاکی دخیل هستند:

سرعت دورانی که به ماده ای که باید جوش داده شود و قطر جوش در سطح مشترک مربوط می‌شود.
فشار بین دو قسمتی که باید جوش داده شود. فشار در طول توالی جوش تغییر می کند. در ابتدا بسیار کم است، اما برای ایجاد گرمای اصطکاکی افزایش می‌یابد. هنگامی که چرخش متوقف می‌شود فشار به سرعت افزایش می‌یابد به طوری که آهنگری بلافاصله قبل یا بعد از توقف چرخش انجام می‌شود.
زمان جوشکاری زمان به شکل و نوع فلز و سطح آن بستگی دارد. معمولاً چند ثانیه است. عملکرد واقعی دستگاه اتوماتیک است و توسط یک کنترل کننده توالی کنترل می‌شود که می تواند بر اساس برنامه جوش تعیین شده برای قطعات مورد اتصال تنظیم شود.

جوشکاری داغ فشاری Hot Pressure Welding

این تکنیک از ترکیب گرما و فشار برای تشکیل جوش از طریق تغییر شکل ماکرو فلز پایه استفاده می کند. تغییر شکل سطح، سطح لایه اکسیدی را ترک می‌کند و سطح فلز تمیز را افزایش می‌دهد. جوشکاری فشار داغ معمولاً در خلاء یا با یک محیط محافظ انجام می شود. عمدتاً توسط صنعت هوافضا استفاده می شود. یکی دیگر از تغییرات HPW جوشکاری فشار ایزواستاتیک داغ است که در آن فشار از طریق یک گاز بی اثر داغ در یک مخزن تحت فشار اعمال می شود.

جوشکاری اولتراسونیک Welding Ultrasonic

جوشکاری اولتراسونیک (USW) یک فرآیند جوشکاری حالت جامد است که با استفاده محلی از انرژی ارتعاشی با فرکانس بالا باعث ایجاد ادغام می شود زیرا قطعات کار تحت فشار کنار هم قرار می گیرند. جوشکاری زمانی اتفاق می‌افتد که نوک یا الکترود اولتراسونیک، دستگاه جفت‌کننده انرژی، بر روی قطعات کار بسته می‌شود و در یک صفحه موازی با رابط جوش نوسان می‌کند.

ترکیب فشار گیره و نیروهای نوسانی باعث ایجاد تنش های دینامیکی در فلز پایه می شود. این تغییر شکل‌های کوچکی را ایجاد می‌کند که افزایش دمای متوسطی را در فلز پایه در ناحیه جوش ایجاد می‌کند. این به همراه فشار گیره باعث ادغام در سطح مشترک برای تولید جوش می شود. انرژی مافوق صوت با شکستن لایه‌های اکسید و دور شدن آن‌ها به تمیز کردن ناحیه جوش کمک می‌کند.

انرژی ارتعاشی که تغییر شکل کوچک را ایجاد می کند از یک مبدل می آید که انرژی الکتریکی متناوب فرکانس بالا را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. مبدل با انواع مختلفی از ابزارها که می تواند از نوک های مشابه با نوک های جوشکاری مقاومتی تا چرخ های الکترود جوشکاری غلتکی مقاومتی را شامل شود، به کار متصل می شود. جوش معمولی، جوش مشترک لبه است. دما در محل جوش تا نقطه ذوب بالا نمی رود و بنابراین هیچ قطعه ای شبیه به جوشکاری مقاومتی وجود ندارد. استحکام جوش برابر استحکام فلز پایه است. بیشتر فلزات انعطاف پذیر را می توان به یکدیگر جوش داد و ترکیبات زیادی از فلزات غیر مشابه وجود دارد که می توان آنها را جوش داد. این فرآیند به مواد نسبتاً نازک معمولاً در فویل یا ضخامت‌های گیج بسیار نازک محدود می‌شود. این فرآیند به طور گسترده در صنایع الکترونیک، هوافضا و ابزار دقیق استفاده می شود. همچنین برای تولید بسته ها و ظروف و برای آب بندی آنها استفاده می‌شود.

سخن پایانی

در جوشکاری حالت جامد، به کمک گرما و فشار، میتوان پیوندهای قوی بدون ذوب شدن فلزات ایجاد کرد. در این فرآیند جوشکاری، خواص اولیه فلزات حفظ میشود. فرآیندهای جوشکاری حالت جامد در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به کمک این روش و در دمای پایین میتوان انواع فلزات را جوش داد، به همین دلیل از صنعت هوافضا گرفته تا آهنگری سنتی مورد کاربرد دارد. جوشکاری غیرذوبی با روش‌های گوناگونی انجام می‌شود که هر کدام را به طور خلاصه بررسی کردیم. از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.