سازه های فلزی بسیار زیادی در صنعت وجود دارند که از فلزات متعددی در کنار یکدیگر تشکیل شده اند. هرکدام از فلزات، تامین کننده خواص مشخصی برای طراح هستند. از جمله خواص مورد نیاز فلزات مختلف می توان به استحکام، مقاومت به سایش، مقاومت به خورگی، سبک بودن، انتقال حرارت مناسب، مقاومت به دمای بالا و … اشاره کرد. لذا لازم است برای ساخت سازه های مرکب از چند فلز مختلف، به گونه ای آن ها را به یکدیگر متصل کرد. اتصال فلزات غیر همجنس با کیفیت خواص مکانیکی مناسب یکی از چالش های موجود در صنعت است. هدف از این مقاله بررسی اتصال فلزات غیرهمجنس، روش های اتصال مختلف، چالش ها و نکات اساسی اتصال فلزات غیرهمجنس است.
در صنعت برای دستیابی به خواص مطلوب در ساخت سازه های مهندسی از آلیاژهای فلزی با خواص متفاوت در کنار یکدیگر استفاده میشود. در سازه های فلزی خواص متنوعی نظیر مقاومت به سایش، مقاومت در برابر دمای بالا، هدایت حرارتی بالا، سبکی وزن، مقاومت به خوردگی و … ممکن است مورد نیاز باشد که یک فلز مشخص به تنهایی دارای تمامی این خواص نیست. به همین دلیل لازم است از چند فلز در کنار یکدیگر استفاده شود که مجموعه آن ها تامین کننده خواص مورد نیاز طراحی باشد. به عنوان مثال، در ساخت موتور خودروهای جدید قسمت داخلی سیلندر را که باید در برابر سایش مقاومت داشته باشد، از کامپوزیت های پایه آلومینیمی می سازند و پوسته موتور را که تحت تنش نیست برای سبکی از آلیاژ منیزیم تهیه می کنند. به این دلیل اتصال دو فلز آلومینیم و منیزیم در این جا اهمیت پیدا می کند.
در صنایع موارد بسیار زیادی وجود دارد که برای دستیابی به خواص بهینه و هم چنین سبک سازی و مصرف کمتر انرژی به سمت جایگزینی فلزات سنگین با فلزات سبک تر رفته اند. به طور کلی، منظور از فلزات غیرهمجنس فلزاتی هستند که ترکیب شیمیایی و خواص متفاوتی دارند. دو فلز غیرهمجنس می توانند دارای عنصر پایه متفاوتی باشند مثل آلومینیم، مس، و فولاد و یا اینکه عنصر پایه یکسانی داشته باشند، ولی در عناصر آلیاژی و خواص مکانیکی و شیمیایی نهایی با یکدیگر متفاوت باشند که از آن جمله می توان به فولاد کربنی ساده و فولاد زنگ نزن اشاره کرد.
کاربردهای اتصال فلزات غیر همجنس در صنعت امروزه یکی از مهم ترین مباحث مورد بحث در صنعت کاهش مصرف سوخت های فسیلی است. یکی از بخش های پرمصرف سوخت، صنعت حمل و نقل است. هر چه سازه ها و تجهیزات حمل و نقل سبک تر باشند مصرف انرژی و سوخت کمتر می شود که کاهش آلودگی هوا را نیز به همراه دارد.
برای سبک سازی سازه های حمل و نقل، امروزه فلزاتی با چگالی کم مانند آلومینیم، منیزیم و تیتانیم در بخش هایی از برخی قطعات جایگزین فولادها شده اند که این خود نشانگر اهمیت روزافزون اتصال فلزات غیر همجنس است.
روش های اتصال فلزات غیر مشابه و انتخاب روش اتصال
فرایندهای قابل استفاده اتصال فلزات غیرمشابه همانند روش اتصال فلزات مشابه است که هر کدام در موارد خاص با توجه به ویژگی های هر فرایند مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله روش های کلی اتصال به روش های مکانیکی مانند پیچ و پرچ، روش های شیمیایی مانند چسب های فلزی، و روش های متالورژیکی مانند لحیم کاری و جوشکاری می توان اشاره کرد. در میان این روش های اتصال، جوشکاری بالاترین استحکام را می تواند ایجاد کند. روش های مکانیکی و شیمیایی برای اتصال فلزات غیرهمجنس کاربرد کمتری دارند. اتصال فلزات به روش متالورژیکی را براساس مکانیزم اتصال و منبع انرژی مورد استفاده می توان به پنج دسته زیر تقسیم بندی کرد:
۱-جوشکاری های ذوبی قوسی (Fusion arc welding processes) مانند:
- جوشکاری قوسی با الکترود روکشدار (SMAW)
- جوشکاری قوسی الکترود تنگستنی با گاز محافظ (TIG)
- جوشکاری قوسی الکترود فلزی با گاز محافظ (MIG/MAG)
- جوشکاری قوسی پلاسما (PAW)
۲- جوشکاری ذوبی مقاومتی: مثل جوشکاری مقاومتی نقطه ای جوشکاری مقاومتی نواری
۳– جوشکاری ذوبی با پرتوهای پر انرژی: مثل جوشکاری با پرتو لیزر و جوشکاری با پرتو الکترونی. یکی از فرایندهای نوین اتصال فلزات روش جوشکاری با پرتو پر انرژی لیزر (LBW) است. اتصال جوش ایجاد شده توسط لیزر دارای ویژگی هایی مثل کیفیت بسیار بالا، خواص مطلوب، اثر گذاری کم بر فلز پایه و کوچک بودن فصل مشترک اتصال غیر همجنس است.
۴- جوشکاری های حالت جامد مثل جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، جوشکاری نفوذی، جوشکاری انفجاری، جوشکاری نوردی و …
۵- لحیم کاری سخت و نرم (Brazing & Soldering)
نکات مهم در جوشکاری فلزات غیر همجنس
در روش های اتصال حالت ذوبی و حالت جامد، عوامل زیر در هنگام طراحی و اتصال فلزات غیر مشابه حتماً باید در نظر گرفته شوند:
- طراحی اتصال و ضخامت فلزات
- اختلاف نقطه ذوب دو فلز
- اختلاف ضرایب انبساط حرارتی و عدم تطابق آن ها در هنگام جوشکاری
- درجه مهار و اثر آن بر تنش های حاصل از اتصال
- میزان حلالیت دو فلز در یکدیگر
- تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد در هنگام اتصال (در اثر انرژی حرارتی یا مکانیکی) که باعث ایجاد اتصال بسیار ضعیف و شکننده می شود
- سرد و گرم شدن فلزات غیر مشابه و تغییرات ریزساختاری اثرگذار بر استحکام اتصال و کنترل مقدار حرارت ورودی هنگام اتصال
به طور کلی، هنگام طراحی و انتخاب فرایند برای ایجاد یک اتصال جوشکاری غیر همجنس باید مفاهیم اساسی مانند قابلیت انحلال در یکدیگر، مشخصات فازهای ایجادشده در محل اتصال از نظر خواص فیزیکی مثل ضریب انبساط حرارتی و خواص شیمیایی مثل مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون و خواص مکانیکی مثل انعطاف و چقرمگی در نظر گرفته شوند.
میزان حلالیت و تشکیل ترکیبات بین فلزی
در جوشکاری فلزات همجنس، فصل مشترک اتصال از همان جنس است، ولی نوع فصل مشترک و ترکیب شیمیایی در اتصال غیر همجنس مجهول است. در هنگام جوشکاری ذوبی آلیاژهای غیر همجنس، ذوب ایجاد شده مخلوطی از فلزات پایه و فلز پرکننده است. پس از انجماد این مذاب مخلوط، ساختار انجماد با توجه به میزان حلالیت عناصر فلزی در یکدیگر می تواند شامل یک یا چند فاز باشد.
تنها دو فلز مس و نیکل هستند که در حالت جامد در یکدیگر حلالیت کامل دارند و پس از انجماد، یک فاز تشکیل می دهند. در سایر موارد از مذاب مخلوط عناصر فلزی فازهای دیگری از قبیل ترکیبات بین فلزی ایجاد می شود. نوع فازهای ایجاد شده، مقدار، خواص مکانیکی، و توزیع آن ها در ساختار انجماد تعیین کننده سالم بودن و استحکام مناسب فلزات غیرهمجنس است.
یکی از مشکلات مهم در اتصال فلزات غیرهمجنس تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد و شکننده ای است که این مشکل در جوشکاری های ذوبی به علت ایجاد دماهای بسیار بالاتر، حادتر است. به همین دلیل، یکی از نکات مهم و اساسی در جوشکاری ذوبی فلزات غیر همجنس بررسی دیاگرام فازی دو فلز و میزان حلالیت آن ها در یکدیگر است. هرچه حلالیت دو عنصر در یکدیگر بیشتر باشد جوش مناسب تری بین آن ها می توان ایجاد کرد.
در صورتی که دو فلز در یکدیگر حلالیت نداشته باشند و در عوض با یکدیگر ترکیبات بین فلزی ترد ایجاد کنند، جوش ذوبی مناسبی بین آن ها نمی توان ایجاد کرد. در صورت ایجاد ترکیبات بین فلزی در منطقه جوش فلزات غیر همجنس باید خواص این ترکیبات بین فلزی مانند حساسیت به ایجاد و رشد ترک، انعطاف پذیری، حساسیت به خوردگی و … مورد بررسی دقیق قرار گیرند.
به عنوان مثال در اتصال آلومینیم به منیزیم با استفاده از روش TIG در ناحیه اتصال ترکیبات بین فلزی لایه ای Al3Mg2 و Al12Mg17 ایجاد می شوند که بسیار شکننده هستند و نه تنها اتصال آلومینیم به منیزیم در حین انجماد دچار ترک خوردگی می شود، بلکه بعداً در شرایط کاری با اعمال تنش های مکانیکی یا حرارتی ایجاد شده در حین کار، ترک از محل همین ترکیبات بین فلزی ترد جوانه زنی و رشد می کند.
تفاوت ضرایب انبساط حرارتی دو فلز
از نکات دیگر در مورد اتصال حاصل از جوشکاری فلزات غیر همجنس، تفاوت ضرایب انبساط حرارتی دو فلز است. هر چه ضرایب انبساط حرارتی دو فلز با یکدیگر تفاوت بیشتری داشته باشند، تنش های داخلی زیادی ضمن جوشکاری و پس از سرد شدن و حتی در حین کارکرد اتصال در دماهای بالا در ترکیبات بین فلزی منطقه اتصال ایجاد می شود که در صورت ترد بودن ترکیبات بین فلزی در ناحیه اتصال، اتصال دچار شکست خواهد شد.
به همین دلیل در بعضی از اتصالات غیر همجنس برای کاهش اثر این اختلاف ضریب انبساط حرارتی از یک لایه میانی از جنس فلز دیگری استفاده می کنند که باعث افزایش استحکام اتصال و کاهش حساسیت به شکست آن می شود. به عنوان مثال در جوشکاری نفوذی حالت جامد آلومینیم به منیزیم از فلز روی استفاده می شود که باعث جلوگیری از تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد بین آلومینیم و منیزیم می شود.
اختلاف دمای ذوب
فلزات غیرهمجنس دمای ذوب متفاوتی دارند که باعث ایجاد مشکل در جوشکاری ذوبی این فلزات می شود. هنگامی که اختلاف دمای ذوب زیاد شود در اثر حرارت منبع جوشکاری، فلز با نقطه ذوب کمتر سریع تر ذوب می شود، حال آن که فلز دیگر هنوز در حالت جامد است. برای رفع این مشکل باید از منابع حرارتی با حرارت ورودی بالا و سریع استفاده شود تا حرارت بسیار زیاد و سریعی به دو فلز برسد و قابلیت ذوب دو فلز برای ایجاد اتصال فراهم شود. جوشکاری با اشعه لیزر این قابلیت را فراهم می کند.
تفاوت خواص الکتروشیمیایی دو فلز
یکی دیگر از مسایل مطرح در مورد اتصال فلزات غیر همجنس تفاوت خواص الکتروشیمیایی دو فلز است که هر چه این اختلاف بیشتر باشد ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک استعداد بیشتری به خوردگی دارند.
استفاده از یک لایه میانی
در بعضی موارد دستیابی به اتصال مناسب بین فلزات غیر همجنس تنها از طریق استفاده از یک لایه میانی امکان پذیر است، به عنوان مثال اتصال مس به فولاد. این دو فلز در یکدیگر قابلیت حلال شدن ندارند به همین دلیل برای جوشکاری آن ها به یکدیگر از فلز میانی نیکل استفاده می شود که در هر دوی آن ها حل می شود. در اتصال آلومینیم به فولاد نیز یک لایه میانی به روش لحیم کاری با استفاده از سیم لحیم نقره با درصد بالای نقره روی سطح فولاد ایجاد می شود و سپس جوشکاری TIG این قطعه به قطعه آلومینیمی با استفاده از سیم جوش آلومینیمی مناسب انجام می شود (آلومینیوم و نقره در یک محدوده معین محلول جامد تشکیل می دهند).
منبع: فصلنامه مهندسی جوش – نویسندگان: دکتر محمد حسین زمانی، دکتر مهدی دیواندری، مزدک اعتمادی و مصطفی دیواندری
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.