ایمنی در جوش (پارت2)

روش تحقیق:

بعد از طراحی ، ساخت و نصب قسمت های مختلف دستگاه جوشکاری نفوذی ، جهت انجام آزمایشات تهیه دو سری نمونه ضروری به نظر می رسید.هر نمونه از دو قطعه تشکیل می شود سری اول ، که اندازه نمونه ها ، کوچک بود جهت متالوگرافی بکار گرفته شدند و برای بررسی استحکام کشش اتصال ،لازم بود نمونه های بلندتری (که قطـعات سـری دوم را تشـکیل می دادند) تهیه گردد. یکی از مهمترین فاکتورهای موثر در جوشکاری نفوذی تمیز بودن و صاف بودن سطوح تماس است که می بایست با دقت تمام انجام گیرد. ابتدا سطح نمونه ها با سمباده های 180 تا 1000 با دستگاه پولیش پرداخت می گشت و در مرحله نهایی با الکترو پولیش کردن نا همواریهای موجود روی سطح تا حد امکان از بین برده و برای جلوگیری از اکسید شدن سطح ، نمونه ها در الکل اتیلیک یا نفت سفید شستشو داده میشدند.سپس برای تمیزی بیشتر و حل چربیهای احتمالی روی سطح نمونه ، نمونه ها در استون کاملاٌ شسته ودر مجاورت هوای گرم خشک می شدند. در این مرحله باید توجه داشت که سطح نمونه ها کاملاٌ تمیز شده و عاری از هرگونه آلودگی باشد بعد از خشک شدن ، سطح تمیز نمونه ها را روی یکدیگر قرار داده و به داخل دستگاه هدایت نموده ودر میان کویل القایی روی سنگ گرانیت قرار می گرفتند. با قرار دادن فک متحرک پرس روی نمونه ها و اعمال نیروی لازم، فشار مورد نظر به قطعات اعمال می شد. سپس با بستن کامل محفظه انجام عملیات جوشکاری ، گاز آرگن جایگزین آن شود. دمش گاز آرگن تا پایان آزمایش ادامه یافت  تا حتی الامکان محیـط انجام آزمایـش بصـورت خنثی باقی بماند. بعد از اینکه فضای داخل محفظه جوشکاری توسط گاز آرگن پر شد با روشن نمودن کوره القائی ، دمای نمونه ها را به دمای مورد نظر رسانیده و با اعمال زمان کافی ، جوشکاری انجام می شد. دماهای مورد آزمایش 700، 750 ، 800 و 850 درجه سانتیگراد انتخاب شدند و در تمام مدت عملیات ، با استفاده از ترموکوپل (کرومل-آلومل) دمای سطح تماس نمونه ها کنترل گشته تا از ثابت بودن آن مطمئن شویم. بعد از انجام آزمایش ، جهت متالوگرافی قطعات جوش داده شده آنها را بطور طولی برش زده و بعد از پولیش زدن و اچ کردن سطح تماس مورد بررسی میکروسکوپی قرار می گرفتند. از نمونه های بلند تر نمونه های استاندارد آزمایش کشش تهیه شده و آزمایش کشش روی آنها صورت پذیرفت تا استحکام جوش مورد بررسی قرار گیرد. نمای شماتیک دستگاه ساخته شده در شکل نشان داده شده است.

نتایج و بحث :

برای انجام آزمایشات، فاکتورهای اصلی تاثیر گذار روی فرایند جوشکاری مورد نظر بودند و هر آزمایش دو مرته تکرار می گشت (یکبار برای تهیه نمونه متالوگرافی و یکبار برای تهیه نمونه کشش.) دما به عنوان یکی از مهمترین فاکتورهای تاثیر گذار روی جوشکاری نفوذی مـواد مـطرح می باشـد . لـذا لازم بود در آزمایشات صورت گرفته برای جوشکاری نفوذی مس ، دماهای مختلف در نظر گرفته شوند دمای مورد نظر بین 6/0 الی 8/0 نقطه ذوب ماده مورد نظر میباشد. با افزایش دما ضریب نفوذ (D ) جسم زیاد می گردد و در نتیجه در مدت زمانهای مساوی ، هرچه دما بیشتر باشد، مقدار نفوذ مواد نیز افزایش می یابد. با انجام آزمایشات کشش ، مشخص گردید که با افزایش دما در شرایط مساوی ، استحکام اتصال جوشی و در صد تماس بین قطعات زیاد می گردد.(شکل 6)

با توجه به شکل مشاهده می شود که هر چه دما افزایش یابد سطح تماس قطعات افزایش یافته بطوریکه در شرایط مورد نظر فوق در دمای  850درجه سانتیگراد تقریباٌ 100% اتصال بر قرار بوده است.در شکلهای 7و8 نتایج حاصل از آزمایش کشش روی همین قطعات گزارش گردیده است. در دمای 850 درجه سانتیگراد نمونه های کشیده شده از محل اتصال یکدیگر جدا نگردیده بلکه قسمتی از فلز پایه مس شکسته شد.

فشار نیز عامل مهمی در جوشکاری نفوذی به شمار می رود. مقدار فشاری که در یک فرایند جوشکاری به قطعات اعمال می گردد باید به اندازه ای باشد که باعث بوجود آمدن تغییر فرم پلاستیک قطعات نگردد.حداکثر مقدار آن باید اندکی کمتر از تنش تسلیم ماده در حالت فشار(در دمای مورد نظر) باشد . فـشار وارد آمده به قطعات ، باعث بوجود آمدن تغییر  شکل های ماکروسکوپی در نمونه ها شده و سطح تماس نمونه ها به یکدیگر را افزایش می دهد. بطور کلی فشار به عنوان یکی از عوامل اصلی از بیـن بـرنده حـفره ها و یـا ریـز کردن آنـها به شمار رفته و نقش بسزائی در افزایش سرعت انجام فرایند جوشکاری دارد.بعبارت دیگر هر چه مقدار فشار اعمالی روی قطعات کمتر باشد ، مدت زمانی که طول می کشد تا پیوند نفوذی انجام گیرد بیشتر است. فشار ، اساسی ترین فاکتور مرحله انجام جوشکاری می باشد و در مراحل دوم و سوم ، نفوذ و خزش عوامل تعیین کننده هستند که به دما و زمان وابسته اند. در این تحقیق ، برای انجام آزمایشات جوشکاری نفوذی ، دو فشار در نظر گرفته شد.

 با توجه به اینکه تنش تسلیم مس حدود ( MPa)5/27 میباشد.آزمایشات درفشارهای( MPa )6/14 و ( MPa) 24 انجام گردید . در منحنی های بدست آمده در شکل های نشان داده شده اثر فشار را می توان مشاهده کرد، و کاملاٌ واضح است که در فشار بالا اتصال جوش از استحکام بیشتری برخوردار است.

زمان نیز یکی از فاکتورهای تاثیر گذار در جوشکاری نفوذی می باشد و تقریباٌ در مورد کلیه اتصالات در حالت جوشکاری نفوذی ، هر چه مدت زمان انجام آزمایش افزایش یابد ، مقدار استحکام منطقه اتصال نیز افزایش می یابد و این افزایش زمان تا هنگامی که بیشترین استحکام را از ناحیه جوش بگیریم ( تقریباٌ استحکامی معادل فلز پایه )ادامه خواهد داشت و بعد از آن زمان خاص ، تقریباٌ به مقدار ثابتی از نظر مقاومت منطقه اتصال خواهیم رسید. به عبارت ساده تر باید گفت که با انجام آزمایشات مختلف و بررسی دیگر پارامترهای تاثیر گذار در جوشکاری نفوذی ، باید بهینه ترین زمان را برای انجام فر ایند جوشکاری نفوذی قطعات مورد نظر بدست آورده تا هم به بالاترین مقاومت ممکنه دست یافت و هم از نظر اقتصادی ، فرایند مورد نظر مقرون بصرفه باشد.

در این تحقیق برای انجام آزمایشات ، زمانهای 30 ، 60 ، 120 و240 دقیقه در نظر گرفته شد. پس از انجام آژمایشات ، کاملاٌ مشهود بود که در زمانهای پائین با توجه به فرصت کم جهت نفوذ ، استحکام منطقه جوش کم و هر چه زمان افزایش می یافت استحکام بیشتر می شد.(شکلهای 9و 10 و 11)

نتیجه گیری:

در فرایند جوشکاری نفوذی ، فاکتورهای موثر که نقش مهمی را در بوجود آمدن پیوند بازی میکنند، عبارتند از دما ، فشار ، زمان ، چگونگی سطح قطعات قبل از تماس، محیط و اتمسفر کنترل شده فرایند در سه مرحله انجام میگرد: 

الف-مرحله تغییر شکل های پلاستیک در سطح قطعه-ب-مرحله نفوذ –

ج  - مرحله خزش

3- دما ، بهترین فاکتور در این فرایند است. با توجه به تغییرات نمایی این پارامتر در جوشکاری نفوذی ، در فشار و زمان ثابت با افزایش دما به استحکام نهایی فلز پایه نزدیک می شویم.

4- فشار نیز پارامتر مهمی است ، با افزایش فشار در زمانهای ثابت ، می توان در دمای پایین تری به استحکام نهایی نزدیک شد.

5- هر چه زمان انجام فرایند افزایش یابد، استحکام پیوند افزایش می یابد تا حدی که این افزایش استحکام ، تقریباٌ بسمت مقدار ثابتی پیش می رود.

6- در فرایند جوشکاری نفوذی ، سطح قطعات صاف ، براق و عاری از هر گونه آلودگی سطحی باشد.

7- آزمایشات باید حتی الامکان در محیط خلاء انجام گیرد، در صورت عدم دسترسی به محیط خلاء باید از گازهای خنثی نظیر آرگون برای اتمسفر انجام فرایند استفاده کرد.

جوشکاری مقاومتی در میکرو اتصال ها

همانطور که می دانید جوشکاری مقاومتی استفاده وسیعی در صنعت به خاطر تمیز بودن و سهولت انجام کار دارد و امروزه گستره استفاده از آن به میکرو اتصال ها و اتصالات بسیار کوچک نیز رسیده است. در جوشکاری مقاومتی به وسیله عبور جریان بالا از اتصال (همراه با اعمال فشار) و ذوب شدن فلزات در نقطه اتصال جوش شکل می گیرد.

این نوع جوشکاری از لحاظ اصول شکل گیری جوش مانند جوشکاری مقاومتی معمولی است (مانند نقطه جوش Spot Welding ) . قطعات روی الکترود مسی پایین قرار گرفته و الکترود بالایی همراه با اعمال فشار به 7قطعات رسیده و با اعمال جریان بالا و ذوب شدن در نقطه اتصال جوش شکل میگیرد(شکل 3). تفاوت این نوع جوشکاری با جوشکاری مقاومتی ساده در این است که در این نوع جوشکاری به خاطر دقت بالای مورد نیاز ، کنترل فرآیند مشکل است و دیگر اینکه لایه اکسید ایجاد شده به خاطر کوچک بودن منطقه جوش درصد قابل توجهی از جوش را تشکل می دهد.

حیاتی ترین قسمت این فرآیند جریان در نقطه تماس می باشد.در جوش مقاومتی معمولی جریان توسط یک دکمه وصل و سپس طی مدت معینی قطع می شود تا جوش شکل بگیرد ولی در این نوع جوشکاری جریان به یکباره وصل نشده بلکه ابتدا یک جریان کم به اتصال اعمال شده و بعد از مدت معینی به آرامی جریان زیاد می شود ، بعد از نگه داشتن در مدت معینی دوباره به آرامی کم میشود یعنی جریان به صورت یک پروفیل اعمال می شود و دستگاه تغذیه باید توانایی ایجاد این پروفیل را داشته باشد.این امر به خاطر شکستن لایه های اکسید و کم کردن آن در فلز جوش انجام می شود . برای آگاهی از پروفیل جریان و بهترین شکل آن برای فلزات مختلف به مقالات تخصصی که در این زمینه تهیه شده مراجعه کنید.

کاربرد این نوع جوشکاری در صنایع الکترونیک ، ساخت اتومبیل ، هوا فضا و ساخت تجهیزات پزشکی می باشد. از جمله کاربردهای آن در صنایع الکترونیک می توان به اتصال سریع یک سیم به یک سیم دیگر یا قطعه دیگر اشاره نمود مانند ساخت سنسورهای ، باتری ها  و سلول های خورشیدی.استفاده آن در صنعت اتومبیل ایجاد جوش و اتصال مونتاژهای سبک مانند سنسورها ، سیستم ایر بگ و کنترل جرقه است. در صنعت پزشکی از این نوع جوشکاری در ساخت وسایلی مانند ابزارهای جراحی و سمعک ها استفاده می شود.

جوشکاری مقاومتی میکرو اتصال ها یا  Resistance Welding Micro یک روش مقرون به صرفه برای قطعات کوچک است که بسیار سریع بوده (در حد کسری از ثانیه ) و بسیار تمیز است و قیمت هر اتصال در آن به خاطر مصرف جریان برق ناچیز و استفاده از تجهیزاتی که خیلی گران نیستند بسیار پایین است. با توجه با مزایای فوق استفاده از این روش به سرعت گسترش خواهد یافت .