جوشکاری نفوذی

جوشکاری نفوذی (Diffusion Bonding یا Diffusion Welding) یکی از فرآیندهای جوشکاری حالت جامد است که توسط اعمال فشار در دمای بالا بدون تغییرشکل پلاستیک ماکروسکوپی انجام می‌شود. نفوذ فلزات در یکدیگر باعث ایجاد اتصال در این روش می‌شود. گاهی اوقات مقداری فلز پرکننده نیز بین سطوح جوشکاری اضافه می‌شود. این روش جوشکاری حالت جامد در فلزکاری استفاده می‌شود و قادر به اتصال فلزات مشابه و غیر مشابه است. این فرآیند بر اساس اصل نفوذ حالت جامد عمل می‌کند، در حالی که اتم‌های دو سطح جامد و فلزی در طول زمان در یکدیگر نفوذ می‌کنند. این فرآیند معمولاً در دمای بالا، تقریباً 50-70٪ درجه حرارت ذوب کامل مواد انجام می‌شود[1]. نفوذ با استفاده از فشار بالا، همراه با درجه حرارت بالا، انجام می­ شود. این تکنیک معمولاً برای جوش دادن لایه‌های متناوب (ساندویچی) فولاد نازک فلزی، سیم‌های فلزی یا رشته‌های فلزی استفاده می‌شود. در حال حاضر ، جوشکاری نفوذی به طور گسترده در اتصال فلزات با مقاومت بالا و نسوز در صنایع هوافضا و هسته ای استفاده می شود [1]

انیمیشن فرایند جوشکاری نفوذی.

تاریخچه

عمل جوشکاری نفوذی قدمتی چند صد ساله دارد. این تکنیک در اتصال­دهی طلا و مس برای جواهر­سازی، و بسیاری صنایع دیگر کاربرد دارد. در فرآیند جواهرسازی با طلا، زرگرها با ضربات مکرر، طلای جامد را به ورقه نازکی از طلا تبدیل کرده، سپس این ورقه را بر روی بستری از مس قرار داده و وزنه‌ای روی آن‌ها می‌گذارند. در نهایت، با استفاده از فرآیند شناخته شده به عنوان جوشکاری داغ فشاری ( Hot-Pressure Welding یا HPW)، مجموعه مس، طلا و وزنه درون یک کوره حرارت داده شده تا زمانی که ورقه طلا به اندازه کافی به بستر مس متصل شود.

روش‌های مدرن این فرآیند توسط دانشمند شوروی N.F. Kazakov در سال 1953 مطرح شد.

ویژگی‌ها

جوشکاری نفوذی، هیچ جوشکاری ذوبی را شامل نمی‌شود، و اغلب بدون فلز پرکننده است؛ هیچ جرمی به ترکیب دو فلز وارد نشده، و این اتصال بنا بر نشان دادن مقاومت فلزات پایه و همچنین مقاومت گرمایی آن‌ها را دارد. این مواد تحمل بسیار ناچیزی در برابر تغییر شکل پلاستیک دارند. در این پروسه تنش پسماند بسیار کمی ایجاد شده، و هیچ گونه آلودگی در حین پروسه جوش وجود ندارد. از لحاظ تئوری، جوشکاری نفوذی می‌تواند بین دو سطح با هر ابعادی انجام گیرد، بدون اینکه زمان مورد نیاز برای انجام آن تغییری کند. از دیدگاه عملی، سطح دو فلز تنها محدود به میزان فشار لازم و دیگر محدودیت های سطحی است. این فرآیند با فلزات مشابه و غیر مشابه، فلزات واکنش‌پذیر و مقاوم، یا قطعاتی با ضخامت‌های متفاوت نیز قابل انجام است. جوشکاری نفوذی به دلیل هزینه نسبتاً بالا، معمولاً برای کارهایی که جوشکاری از راههای دیگر دشوار یا غیرممکن است مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال می توان همجوشی موادی مانند:

زیرکونیوم و بریلیوم؛ که اتصال آن‎‌ها از طریق جوشکاری ذوبی غیرممکن است، مواد با نقاط ذوب بسیار بالا مانند تنگستن، لایه های متناوب فلزات مختلف که باید در دماهای بالا مقاومت خود را حفظ کنند، و ساختارهای فلزی لانه زنبوری بسیار نازک را نام برد.

وابستگی به دما

نفوذ حالت پایدار با مقدار شار نفوذی که از سطح مقطع سطوح اتصال عبور می کند، تعیین می شود. اولین قانون انتشار فیک (Fick's first law of diffusion) می‌گوید:

${\displaystyle J=-D{\frac {dC}{dx}}}$

که در آن J شار نفوذ، D ضریب نفوذ و dC / dx شیب غلظت نفوذ از طریق مواد مورد نظر است. علامت منفی محصول گرادیان است.

شکل دیگری از قانون فیک بیان می‌کند:

${\displaystyle J={\frac {M}{At}}}$

که در آن M به عنوان جرم یا مقدار اتم های منتشر شده تعریف شده، A سطح مقطع و t زمان مورد نیاز است. با برابرسازی دو معادله و تنظیم مجدد ، به نتیجه زیر می رسیم:

${\displaystyle t=-{\frac {1}{D}}{\frac {M}{A}}\left({\frac {dC}{dx}}\right)^{-1}}$

از آنجا که جرم و مساحت برای یک مفصل مشخص ثابت است ، زمان مورد نیاز عمدتا به شیب غلظت نفوذ و ضریب انتشار بستگی دارد. ضریب انتشار توسط معادله زیر تعیین می شود:

${\displaystyle D=D_{0}e^{-{\frac {Q_{d}}{RT}}}}$

که در آن Qd انرژی فعال سازی برای نفوذ، R ثابت جهانی گازها، T دمایی که فرآیند در آن انجام می‌شود و D₀ یک فاکتور نمایی مستقل از دما است که به مواد شرکت‌کننده در فرآیند بستگی دارد. برای یک مفصل خاص، تنها کمیت قابل کنترل در این معادله دما است.

فرآیندها

هنگام اتصال دو ماده با ساختار کریستالی مشابه ، پیوند نفوذی با کنار هم نگه داشتن دو قطعه مجاور یکدیگر انجام می شود. قبل از جوشکاری، این سطوح باید تا جای ممکن تراشکاری شوند و تا آنجا که ممکن است از آلودگی های شیمیایی یا سایر آلودگی ها پاک باشند. هرگونه مداخله ماده بین دو سطح فلزی ممکن است از نفوذ مناسب مواد جلوگیری کند. ابزار خاصی برای هر کاربرد جوشکاری ساخته شده است تا قطعات کار را به هم جفت کند. پس از بستن قطعات، فشار و گرما (معمولا به مدت چندین ساعت) به اجزای سازنده وارد می شود. این گرما از طریق کوره یا مقاومت الکتریکی تأمین می شود. فشار را می توان با استفاده از پرس هیدرولیک اعمال کرد. این روش امکان اندازه گیری دقیق بار روی قطعات را فراهم می کند. در مواردی که قطعات نباید دارای شیب دما باشند، می توان از انبساط حرارتی دیفرانسیلی برای اعمال بار استفاده کرد. با اتصال قطعات با استفاده از فلز با انبساط کم (مثلا مولیبدن)، قطعات با انبساط بیشتر از فلز ثابت شده در دما، بار خود را تأمین می کنند.

پروسه جوشکاری نفوذی

روش های جایگزین برای اعمال فشار شامل استفاده از وزنه، فشار گاز دیفرانسیلی بین دو سطح و استفاده از دیگ های بخار فشار بالاست. هنگام استفاده از فلزاتی که دارای لایه های اکسید قوی هستند (مثلا مس)، جوشکاری باید در یک فضای خلا یا گاز بی اثر انجام شود. تمهیداتی از جمله پولیش کردن، اچ کردن، تمیز کردن و همچنین فشار و دمای نفوذ از فاکتورهای مهم در مورد روند جوشکاری است. در سطح میکروسکوپی ، جوشکاری نفوذی در سه مرحله ساده رخ می دهد:

• تغییر شکل ناهنجاری های میکروسکوپی : قبل از تماس کامل سطوح، ناهنجاری ها (نواقص سطحی بسیار کوچک) روی دو سطح با هم تماس گرفته و دچار تغییر شکل پلاستیک می شوند. با تغییر شکل این ناهنجاری ها ، آنها بهم پیوسته و باعث ایجاد رابط هایی بین دو سطح می شوند.

• انتقال جرم با نفوذ کنترل شده : دما و فشار بالا باعث خزش سریع در مواد می شود. مرزهای دانه و مواد اولیه منتقل شده، و شکاف بین دو سطح به منافذ ریز ایزوله کاهش می یابند.

• انتقال رابط : مواد شروع به نفوذ در مرزهای دو سطح مجاور می کنند، که باعث مخلوط شدن این مرزها و ایجاد پیوند می شوند.

فواید

• سطح جوش خورده دارای خواص فیزیکی و مکانیکی مشابه مواد اولیه است. هنگامی که جوشکاری به اتمام رسید، می توان تست هایی مانند آزمایش کششی بر روی آن انجام داد.

• فرایند پیوند نفوذی قادر به تولید اتصالات با کیفیت بالایی است که عاری از هرگونه ناپیوستگی و تخلخل می باشند. به عبارت دیگر، ما قادر به سنباده زدن، تولید و حرارت دادن مواد هستیم.

• پیوند نفوذی می تواند به ساخت قطعات پیچیده با دقت بالا کمک کند. همچنین نفوذ قابل تغییر است.

• روش جوشکاری نفوذی می تواند به طور گسترده، در اتصال مواد مشابه یا غیر مشابه مورد استفاده قرار گیرد. همچنین در پردازش مواد کامپوزیت از اهمیت بالایی برخوردار است.

• این فرآیند به آسانی و با هزینه اندک قابل انجام است.

• مواد تحت نفوذ می توانند تغییر شکل پلاستیک را کاهش دهند.

قابلیت اجرا

پیوند نفوذ در درجه اول برای ایجاد اشکال پیچیده برای صنایع الکترونیک، هوافضا و فناوری های هسته ای استفاده می شود. از آنجایی که این شکل از اتصال در مقایسه با سایر تکنیک های اتصال مانند جوشکاری انفجاری زمان بیشتری لازم دارد، قطعات در تعداد اندک ساخته می شوند و فرآیند ساخت اغلب خودکار انجام می گیرد. با این حال،به دلیل تقاضاهای مختلف، می توان زمان مورد نیاز را کاهش داد. در تلاش برای کاهش تعداد بست ها و قطعات، و همچنین هزینه های کارگران، از جوشکاری نفوذی نیز همراه با شکل گیری سوپرپلاستیک هنگام ایجاد ورق فلز استفاده می شود. چندین ورق روی هم چیده می شوند و در بخشهای خاصی پیوند می خورند. سپس این دسته در قالب قرار می گیرد و فشار گاز ورق ها را منبسط می کند تا قالب پر شود. این کار اغلب با استفاده از آلیاژهای تیتانیوم یا آلومینیوم برای قطعات مورد نیاز در صنعت هوافضا انجام می شود.

فرآیند تشکیل ورق با استفاده از جوشکاری نفوذی

مواد معمولی که از این طریق جوش داده می شوند شامل تیتانیوم ، بریلیم و زیرکونیوم هستند. در بسیاری از هواپیماهای نظامی، جوشکاری نفوذی به صرفه جویی در مواد استراتژیک گران قیمت و کاهش هزینه های ساخت کمک می کند. برخی هواپیماها بیش از 100 قطعه متصل از طریق نفوذ دارند، از جمله: بدنه هواپیماها، بازوی چرخ هواپیما و اتاقک موتور (ناسل) هواپیما.

منابع

1. "Diffusion Welding (DFW)" in AWS A3.0, Standard Welding terms and definitions, American Welding Society, USA, 2001, p. 10. ISBN 0-87171-624-0

Diffusion bonding 2. Stephenson, D. J. (David J.). London: Elsevier Applied Science. 1991. ISBN 1-85166-591-9. OCLC 22908137

VanDyke, Kevin; Streeter, Gigi; Dreher, Jon; Leyrer, Larry (4 Sep 2012), Diffusion bonding, retrieved 2016-02-17

Kalpakjian, Serope (2007). Manufacturing Processes for Engineering Materials (5th Ed.). Prentice Hall. ISBN 0-13-227271-7

Kazakov, N.F (1985). "Diffusion Bonding of Materials". Pergamon Press

Schrader, George F.; Elshennway, Ahmad K. Manufacturing Processes and MAterials (4th illustrated ed.). pp. 319–320. ISBN 0872635171

Chawla, Krishan K. Composite Materials: Science and Engineering. Materials research and engineering (2nd illustrated ed.). p. 174. ISBN 0387984097

Jacobson, David M. Principles of Brazing (illustrated ed.). pp. 11–14. ISBN 0871708124

Callister, William D. Jr.; Rethwisch, David G. (2014). Materials Science and Engineering: An Introduction, 9th ed. John Wiley and Sons Inc. pp. 143–151. ISBN 978-1-118-32457-8

http://www.welding-advisers.com/Diffusion-welding.html

"Fundamentals of Diffusion Bonding". Welding fundamentals and processes. ASM International. Handbook Committee., American Society for Metals. Joining Division. Materials Park, Ohio: ASM International. 2011. pp. 217–221. ISBN 978-1-61344-660-7. OCLC 780242244

"Diffusion Bonding". www.msm.cam.ac.uk. Retrieved 2016-02-17

"Solid State Welding". www.totalmateria.com. Retrieved 2016-02-17

"DIFFUSION BONDING - AN ADVANCED MATERIAL PROCESS FOR AEROSPACE TECHNOLOGY". www.vacets.org. Retrieved 2016-02-17