اتصال فلزات بدون ذوب شدن: شگفتی های جوشکاری سرد

آیا این امکان وجود دارد که فلزات را بدون ذوب و حرارت و جریان الکتریکی به هم متصل کنیم؟ در پاسخ به این سوال باید گفت بله! در این مقاله قصد داریم تا با نحوه چگونگی این مدل جوشکاری بپردازیم و در انتها به این سوال جواب دهیم که آیا جوشکاری سرد استحکام کافی را دارد؟

هرچند در مطالب منتشر شده در سایت پویا صنعت درباره جوشکاری سرد و مزایا و کاربردهای این نوع جوشکاری توضیح داده شده است که می توانید به  آن مراجعه کنید. اما در ابتدای مقاله برای یادآوری بطور خلاصه جوشکاری سرد فرآیندی است که در آن دو قطعه فلز بدون استفاده از گرما به هم متصل می شوند تعریف کرد. برخلاف جوشکاری ذوبی، جوشکاری سرد بر اعمال فشار بر سطوحی که باید به هم متصل شوند تکیه می کند و باعث می شود اتم های آنها در هم نفوذ کرده و پیوند محکمی ایجاد کنند.

جوشکاری سرد چگونه کار می کند؟

مراحل جوشکاری سرد

جوشکاری سرد، فلزات را در دمای محیط و بدون نیاز به گرما یا جریان الکتریکی در محل اتصال، به هم متصل می کند. اعمال فشار به قطعات فلزی، باعث صاف شدن سطح ناهموار و رفع بی نظمی های جزئی آن ها می شود. اما مهم ترین دلیل اعمال فشار، ایجاد نیروی جاذبه بین اتمی بین دو سطح فلزی است.

قبل از جوشکاری سرد، باید لایه های اکسید را از هر دو فلز جدا کنید. همه فلزات روی سطح خود اکسید تشکیل می دهند که باعث می شود به فلز خالص داخلی دسترسی نداشته باشید. به همین دلیل، فشار دادن دو قطعه مس اکسید شده و تمیز نشده به هم، برای مثال، منجر به ایجاد جوش نمی شود.

به نقل از ریچارد فاینمن، فیزیکدان مشهور:

“دلیل این رفتار غیرمنتظره این است که زمانی که اتم های در تماس، همه از یک نوع هستند، هیچ راهی برای اتم ها وجود ندارد که “بدانند” آنها در قطعات مختلف مس قرار دارند. هنگامی که اتم های دیگری مانند اکسیدها، گریس ها و لایه های نازک پیچیده تری از آلاینده ها بین آنها وجود دارد، اتم ها “می دانند” که روی یک قطعه واحد نیستند.”

بنابراین، هنگامی که سطح فلز را تمیز می کنیم و فشار کافی اعمال می کنیم، فلزات یک پیوند متالورژیکی یکنواخت تشکیل می دهند. فلز تازه تشکیل شده به گونه ای رفتار می کند که گویی همیشه یک قطعه همگن بوده است.

اما این نیازمند سطح بسیار تمیز و بدون ناهمواری است. در کاربردهای دنیای واقعی، این سطح از یکنواختی عمدتا هنگام جوشکاری سیم سرد به دست می آید. زیرا فرآیند جوشکاری سیم سرد، ناخالصی ها را با دقتی تقریبا بی نقص بیرون می راند.

جوشکاری سرد همچنین می توان در مقیاس نانو انجام شود. آزمایشات نشان داده است که نانوسیم های طلای فوق العاده نازک تک بلوری (با قطر زیر 10 نانومتر) را می توان طی چند ثانیه از طریق تماس مکانیکی به هم متصل کرد. نتایج نشان داده شده است که تقریبا بی عیب و نقص است، با همان جهت گیری کریستالی، هدایت الکتریکی و استحکام به عنوان بقیه نانوسیم. این جوشکاری با کیفیت بالا به دلیل ابعاد نمونه در مقیاس نانو، انتشار سطحی با کمک مکانیکی و مکانیسم های اتصال جهت دار است. جوشکاری سرد در مقیاس نانو برای اتصال طلا به نقره و نقره به نقره نشان داده شده است.

پیش نیازهای جوشکاری سرد

مهم ترین پیش نیازهای جوشکاری سرد، تمیزکاری کامل سطح فلز و آماده سازی هندسه اتصال است. سطوح صاف اتصال بهترین عملکرد را دارند، بنابراین صاف کردن هر گونه ناهمواری در شکل توصیه می شود.

لایه اکسید و سایر ناخالصی ها را می توان با چربی زدایی، برس سیمی یا روش های مکانیکی و شیمیایی حذف کرد. گریس و روغن به طور معمول روی سطح فلز وجود دارند و قبل از برس کشیدن باید برطرف شوند. این کار ضروری است زیرا برس می تواند این ناخالصی ها را عمیق تر به داخل فلز فشار دهد. به لطف موی تیز برس سیمی، فلزات نرم مانند آلومینیوم، مس، طلا، نقره و سایر فلزات بیشتر مستعد گیر افتادن روغن سطحی زیر سطح هستند.

بعد از تمیز کردن روغن ها، می توانید برای از بین بردن خود لایه اکسید اقدام کنید. بسته به نوع فلز، ممکن است مواد و انواع برس های مختلفی توصیه شود. همیشه بهتر است برگه مشخصات فلز را بررسی کنید.

دستگاه های جوشکاری سرد

دستگاه های جوشکاری سرد برای قطر سیم های کوچک به صورت دستی کار می کنند. اما قطرهای بزرگتر نیاز به عملکرد پنوماتیکی یا الکتروپنوماتیکی دارند. اکثر این دستگاه ها قابل حمل هستند و می توانند سیم، میله و تسمه را جوش دهند.

یک دستگاه جوشکاری سرد قابل حمل با استفاده از یک تقویت کننده هیدرولیک بادی، فشار بسیار زیادی ایجاد می کند. در سمت اپراتور، یک “هد جوشکاری” وجود دارد. این سر در بالای دستگاه قرار دارد و برای پذیرش قالب جوشکاری، ایجاد ثبات و کنترل فشار اعمال شده عمل می کند.

پس از قرار دادن و محکم کردن قالب در محفظه قالب، سیم ها / میله ها از طرفین وارد می شوند. اعمال فشار باعث می شود قالب سیم ها را در نزدیکی انتهای آنها بگیرد و آنها را به هم فشار دهد. در نتیجه، ناخالصی های بسیار ریزی که روی سطوح مقطع سیم ها باقی مانده اند، از هسته آنها به بیرون فشرده می شوند. به همین دلیل، سیم های جوشکاری سرد نسبت به جوشکاری ورق های فلزی، اتصال بهتری ایجاد می کنند. این امر تنها به این دلیل امکان پذیر است که سیم ها بر خلاف ورق های فلزی، سطح اتصال کوچکی دارند.

فشار برای حذف تمام ناخالصی ها حداقل چهار بار اعمال می شود. این فرآیند “اصل چند ضربه” نامیده می شود. پس از اتصال سیم ها، می توانید آنها را از دستگاه خارج کرده و پسماندهای اطراف ناحیه اتصال را بردارید.