جوشکاری نفوذی

جوشکاری نفوذی فرایندی از دسته جوشکاری حالت جامد است. در جوش نفوذی، برخلاف جوشکاری اصطکاکی یا جوشکاری انفجاری ، بدون حرکت قطعات نسبت به هم یا تغییر شکل ماکروسکوپیک اتصال انجام می شود. چنانچه در این فرایند از لایه واسط مایع بین دو قطعه جامد استفاده شود، به آن لحیم کاری نفوذی می گویند. اتصال در چنین شرایطی نیاز به دمای بالا (اغلب بالای نصف دمای ذوب) و فشار بالا ( به طوری که قطعات در دمای یاد شده دچار تغییر شکل نشوند) دارد. اتصالاتی که به روش جوش نفوذی تهیه می شوند، خواص و ریزساختاری بسیار مشابه فلزات پایه دارند. این اتصالات به دلیل حداقل اعوجاج، نیاز به ماشین کاری ثانویه ندارند. با این وجود، جوش نفوذی فرایندی زمانبر است و به دلیل هزینه بالای تجهیزات، قطعات جوشکاری محدودیت ابعادی زیادی دارند. بنابراین مناسب تولیدات حجیم و انبوه نیست.

کاربرد جوشکاری نفوذی

فلزاتی از جمله آلیاژهای پایه تیتانیوم ، آلومینیوم و نیکل به شکل های مشابه و نامشابه به این روش اتصال داده شده اند. خواص مکانیکی اتصال بستگی به خواص مکانیکی فلزات پایه دارد. آلیاژهای تیتانیوم به خصوص آلیاژ پرکاربرد Ti6Al4V از جمله آلیاژهایی هستند که اغلب به وسیله جوشکاری نفوذی اتصال داده می شوند.

ریزساختار جوشکاری نفوذی بین تیتانیوم و سرامیک

این آلیاژها در صنایعی مانند هوافضا به کار می روند که در آن ها کیفیت ایده آل اتصال و پیچیدگی طراحی اهمیت بیشتری در مقایسه با هزینه تولید دارد. در ضمن فلزات ناهمجنس بدون ایجاد مشکلات متالورژیکی یا فیزیکی قابل اتصال هستند. آلیاژهای بر پایه زیرکونیوم در حالت عادی قابلیت جوشکاری به فولاد را ندارند، چون ترکیبات بین فلزی ترد متعددی تشکیل می دهند. اما اتصالات بسیار با کیفیتی بین این دو آلیاژ به روش جوش نفوذی تشکیل شده است.

فرایند جوشکاری نفوذی

سطوح قطعاتی که جوشکاری نفوذی می شوند بایستی پیش از فرایند، به دقت تمیز شده و آماده سازی شوند. آماده سازی قطعات به وسیله ماشین کاری، سمباده زنی و در نهایت پولیش انجام می شود. همچنین در مرحله تمیزکاری، اکسیدهای سطحی باید زدوده شده و لایه های سطحی گازی، آبی و ارگانیک پاک شوند.

مکانیسم جوشکاری نفوذی

یک مکانیسم سه مرحله ای به منظور توصیف علت متالورژیکی برقراری جوش نفوذی پیشنهاد شده است که در ادامه توضیح داده می شود. در مرحله اول، آن دسته از ناهمواری های سطح دو فلز که در تماس بودند، به وسیله مکانیسم های خزش و گذر از حد تسلیم، تغییر شکل می یابند. در پایان این مرحله تغییر شکل، محل تماس این ناهمواری ها به یکدیگر جوش خورده و اتصالی سطحی با حفرات فراوان تشکیل می شود.

شماتیک مراحل جوشکاری نفوذی

در مرحله بعدی جوشکاری نفوذی، مکانیسم نفوذ فعال می شود و حفرات به وسیله نفوذ اتم ها در ناحیه اتصال پر می شوند. نواحی جوش خورده به شکل مرز دانه هایی در می آیند که در ادامه، مهاجرت می کنند و دانه های درشت تری را تشکیل می دهند. در انتهای این مرحله، حفرات اصلی از بین می روند و حفرات میکروسکوپی درون دانه ها باقی می مانند. در انتها با ادامه فرایند نفوذ اتم ها، حفرات حذف شده و به تهی جای های اتمی تقلیل می یابند.

شماتیک ریزساختاری جوشکاری نفوذی

این مدل با چهار مشاهده تجربی مطابقت دارد. در ابتدا، تحقیقات نشان داده است که دما مهمترین پارامتر در این فرایند است. چون هر سه مکانیسم بررسی شده بر پایه نفوذ بوده و نفوذ نیز پارامتری به شدت وابسته به دما است. فشار تنها تا جایی در این فرایند اهمیت دارد که ناهمواری های سطحی جوش بخورند. بعد از آن، فرایند جوش نفوذی بدون اعمال فشار نیز ادامه می یابد. ناهمواری های سطح عامل ایجاد حفرات هستند و فرایند را با کندی مواجه می کنند. زمان فرایند جوشکاری نفوذی، وابسته به خصوصیات سطحی، فشار و دمای اعمال شده است.

آماده سازی سطح در فرایند جوشکاری نفوذی

همانطور که پیشتر نیز گفته شده، یکی از لازمه های شروع اتصال حذف لایه ها و فیلم های سطحی است. مهمترین این لایه ها اکسید ها هستند. اکسید ها از طریق دو مکانیسم حذف می شوند. مکانیسم اول حل شدن اکسید ها است که در فلزاتی چون تیتانیوم ، زیرکونیوم و نایوبیم دیده می شوند. در فلزاتی که اکسید آنها حلال در زمینه فلز نیست، مانند آلومینیوم، اکسیدها کروی می شوند و همانند آخال، درون ساختار فلز گیر می افتند. هر دو این مکانیسم ها نیز تحت تاثیر نفوذ هستند. در نهایت بعد از حذف فیلم، اتم های دو فلز در تماس مستقیم با یکدیگر قرار می گیرند و اتصال شکل می گیرد.

فلز پرکننده در جوشکاری نفوذی

ممکن است در ایجاد برخی از اتصالات جوشکاری نفوذی، نیاز به فلز پر کننده وجود داشته باشد. عناصری که به منظور تسریع فرایند جوش نفوذی روی سطوح دو فلز اعمال می شوند، باید حلالیت بسیار مناسبی در هر دو فلز داشته باشند. در ضمن در دمای جوشکاری، ترکیبات بین فلزی یا یوتکتیک ایجاد نکنند تا خواص مکانیکی اتصال به مشکل نخورد. بهتر است چند لحظه بعد از اتمام اتصال، قطعه در دمای بالا نگه داشته شود تا نفوذ فلز پرکننده تکمیل شود. ضخامت این لایه، که به وسیله آبکاری یا کندوپاش روی قطعه اعمال می شود، نباید از 0.25 میلی متر بیشتر شود. در مواردی نیز، همانند تیتانیوم، از فلز خالص به عنوان فلز پر کننده استفاده می شود.

دمای فرایند جوشکاری نفوذی

دمای جوشکاری هر سیستم آلیاژی معمولا مقداری مشخص است که با توجه به نفوذ و تحولات ریزساختاری تنظیم می شود. زمان پارامتر منعطف تر است و بستگی به زبری سطح جوشکاری و فلز پرکننده احتمالی دارد.

محفظه پرس دمابالای جوشکاری نفوذی

آلیاژهای تیتانیوم معمولا بین 925 تا 955 درجه سانتیگراد جوشکاری می شوند. آلیاژهای آلومینیوم، بعنوان مثال سری 6061، وابسته به تجهیزات، در دماهای 385 درجه سانتیگراد به مدت چند ساعت یا 538 درجه سانتیگراد به مدت یک ساعت جوشکاری میشوند.

تجهیزات جوشکاری نفوذی

تجهیزات جوش نفوذی می تواند شامل یک کوره یا اتوکلاو باشد که توسط خلا یا گاز خنثی پر شده است و به عنوان مثال توسط حرارت القایی گرم می شود. فشار نیز می تواند توسط روش های مکانیکی و هیدرولیکی در محفظه های پر فشار اعمال شود. این محفظه های گرم پر فشار قابلیت اعمال فشارهایی تا 1035 مگاپاسکال در دماهایی تا 1650 درجه سانتیگراد را دارند.

شماتیک تجهیزات جوشکاری نفوذی

مواد سازنده فیکسچرها بستگی به دما و فشار اعمالی دارد. مولیبدن جزو فلزات پرکاربرد در این زمینه است. هر چند در شرایط بسیار شدید مثل جوشکاری نفوذی تنگستن، موادی مثل گرافیت و تانتالیم تنها گزینه های مناسب برای این فرایند می شوند.

هزینه جوشکاری نفوذی

هزینه جوشکاری نفوذی تا حد خیلی زیادی وابسته به کاربرد مد نظر است. برخی اتصالات ممکن است به دستگاه های پر هزینه ای مثل اتوکلاو داشته باشند، برخی دیگر نیز با تجهیزات کم هزینه تر انجام می شوند. بنابراین هزینه جوشکاری نفوذی باید برای هر نوع اتصال و هر نوع کاربردی به طور مجزا تعیین شود. اتوماسیون این فرایند نیز به دلیل طیف بسیاری از متغیر های ناآشنا و شرایط خاص تقریبا غیر قابل انجام است. همین مسئله استفاده از جوش نفوذی را در صنایع با مشکل بسیار مواجه می کند و هزینه جوشکاری نفوذی را بالا می برد.