جوش سرد
جوش
سرد یا جوش تماسی، نوعی ایجاد پیوند بسیار قوی بین دو جامد است که بدون
نیاز به حرارت و ذوب کردن محل اتصال انجام می‌شود. اولین بار این پدیده در
دهه‌ی ۱۹۴۰ مشاهده گردید. وقتی که دو سطح کاملا صاف و بدون هرگونه پوشش و
آلودگی از فلزی در خلا به هم نزدیک می‌شوند بین آن دو پیوندی بسیار قوی به
وجود می‌آید. این پدیده در ساخت ادوات در ابعاد نانو کاربرد فراوان دارد.
چگونگی برقراری پیوند
این
پدیده هنگامی روی می‌دهد که اتم‌های دو قطعه مورد نظر، به قدر کافی به هم
نزدیک شوند و بین آنها هیچ لایه‌ی مزاحمی وجود نداشته باشد. در این حالت
اتمها می‌توانند با هم پیوند برقرار کنند.
دلیل روی‌دادن این پدیده توسط ریچارد فاینمن چنین شرح داده شده است:
دلیل
رویداد این رفتار غیرمنتظره آن است که وقتی اتم‌های تماس داده شده از دو
قطعه، کاملا مشابه باشند، هیچ راهی برای اتمها وجود ندارد تا بفهمند در
قطعات مختلفی قرار دارند. اما وقتی لایه‌هایی مانند اکسید و چربی و سایر
آلودگی‌های دیگر بین دو قطعه وجود داشت باشد اتمها می‌فهمند که همه آنها
در یک قطعه وجود ندارند.
به طور کلی جوشکاری فشاری سرد ایجاد یک باند
اتم به اتم بین اجزای ماشین جوش است که از انواع جوشکاری حالت جامد (SSW)
بوده و از تاریخچه ای طو لانی بر خور دار است ، جوشکاری غلطکی سرد یکی از
اقسام این نوع جو شکاری است که به دلیل سرعت بالا ی تولید و قابلیت جوشکاری
پیوسته ورقهای فلزی کاربرد فراوانی دارد.
پارامترهای موثر در جوشکاری سرد :
در صد انبساط سطحی فصل مشترک
فشار عمودی وارد بر فصل مشترک
نوع عملیات آماده سازی سازی سطح و نیز عملیات حرارتی بعد از جوشکاری است .
هنوز ناشناخته های زیادی در ارتباط با پارامتر های بالا وجود دارد ، در این میان تاثیر عملیات حرارتی ، پس گرم کمتر مورد نظر است .
در همه فرایندهای جوشکاری سرد با افزایش درصد انبساط سطحی و فشار عمودی استحکام جوش افزایش می یابد.
انبساط سطحی و فشار عمودی :
وضعیت
فشار عمودی غلطکها در سطح تماس نقاط مختلف فشار ثابت نبوده و تابع درصد
تغییر شکل است . فشار عمودی نورد در هر درصد تغییر شکل به قطر غلطکها ،
ضخامت اولیه ، کامپوزیت و شرایط اصطحکاکی نورد بستگی دارد.
جهت رسیدن به توزیعهای متفاوت فشار در فرایند جوشکاری غلطکی ،کافی است یکی از عوامل فوق را متغییر بگیریم .
عملیات آماده سازی سطح :
در
جوشکاری سرد تحقیقات نشان داده اند که موثرترین روش آماده سازی سطح نمونه
ها روش برس کاری با برس سیمی است که نوع برس و جنس چربی زدا و زمان تاخیر
بین مرحله آماده سازی سطح مهم است .
عملیات حرارتی پس گرم :
معمولی
ترین عملیات حرارتی که روی کامپوزیت های نورد شده با درصد تغییر شکل بالا
انجام می گیرد تبلور مجدد است . با انجام تبلور مجدد، کامپوزیت قسمت عمده
تافنس خود را باز می یابد و یکنواختی دانه ها در فصل مشترک جوش افزایش می
یابد.
جوشکاری باید حداکثر ظرف 10 دقیقه بعد از آماده سازی سطح صورت گیرد .
زمان حرارت دهی در این دمای تبلور مجدد نباید طولانی باشد زیرا کاهش استحکام جوش را در بر خواهد داشت .
به طور نمونه :
جوشکاری سرد آلیاژ آلومینیوم 5754 به کمک فرآیند نورد .
همزمان
با ورود کامپوزیت به فضای بین غلطکها لایه ترد سطحی که می تواند لایه
اکسیدی و یا لایه ایجاد شده طی عملیات آماده سازی سطح باشد ، ترک برداشته و
فلز تمیز زیرین از بین ترکهای آن اکسترود می شود .
در ابتدا نورد لایه
سطحی تحت در صد تغییر شکل کوچکی ترک بر می دارد با ادامه تغییر شکل فلز
تمیز از بیت ترکها اکسترود می شود ولی در اثر تماس با قطعات لایه های سطحی و
هوای محبوس در فصل مشترک ، آلوده شده و توان جوش خوردن را از دست می دهد.
با
افزایش درصد تغغیر شکل و گذر از حد آستانه فلز تمیز با جریان یافتن روی
مناطق مرده ای که در اطراف قطعات لایه برس خورده به وجود آمدهاند با فلز
تمیز جریان یافته و از سمت مقابل فصل مشترک تماس یافته و باند فلزی را به
وجود می آورند.
مدل ریاضی :
مدل اولیه واید یانات :
Sw/Sm= ή=(2-Rf)Rf
ή: راندمان جوش
Sw:ستحکام نهایی جوش
Sm : استحکام نهایی ماده
Rf :در صد تغییر شکل نهایی نورد
دستگاه مورد استفاده:
یک
دستگاه نورد آزمایشی دو غلطکه مورد استفاده قرار می گیردو قطر غلطکهای این
دستگاه 150 میلی متر بوده و سرعت غلطکها در همه آزمایشات روی 0.4 متر بر
ثانیه تنظیم شده است .
قبل از انجام جوشکاری ، با چربی زدایی و با روغن کاری مناسب غلطکها ، شرایط اصطحکاکی مورد نظر برای نورد ایجاد می شود.
روش جوشکاری :
ابتدا
تسمه هایی به ابعاد 2.8*30*120 از آلیاژ مورد نظر تهیه و بمدت یک ساعت در
دمای 350 درجه سلسیوس آنیل شده اند پس از اسید شویی سطح نمونه ها توسط اسید
کلریدریک 5 درصد و چربی زدایی سطوح توسط استن تسمه ها به شکل U در آمد و
بعد از برسی با جنس فولاد ضد زنگ استفاده می کنیم بعد دو سر تسمه را کاملا
روی یکدیگر قرار می دهیم و جهت گیرش بهتر در فضای بین غلطکها انتهای متصل
تسمه چکش کاری شده است .
جوشکاری توسط نورد به گونه ای صورت می گیرد که انتهای کامپوزیت جوش نخورده باقی بماند و تهیه پیل تست به راحتی امکان پذیر است .
نتیجه گیری :
انطباق مدل انتخاب شده با مورد عملی کار :
آلیاژ
مورد نظر از جوش پذیری کمتری نسبت به آلومینیوم خالص تجاری برخوردار است
شروع جوشکاری تحت یک حداقل فشار عمودی میسر بوده و با افزایش فشار عمودی ،
درصد انبساط سطحی آستانه کاهش می یابد .
جوش کاری اصطحکاکی نمونه دیگر از جوشکاری سرد است .
ویژگی
این جوشکاری در پایین آوردن هزینه های تولید است به طور مثال سازنده جت دو
متری اکلیپس 500 می گوید که جوشکاری به روش اصطکاکی همزنی در اجزای اصلی
باعث پایین آوردن هزینه تولید هواپیما به کمتر از یک میلیون دلار گردیده
است . 263 جوش جایگزین بیش از 700 اتصال .
روش کار :
در جوشکاری با
روش اصطکاکی همزنی یک ابزار استوانه ای شکل همراه قطعه ای پله ای در زیر
کار و یک پین یا میخ جانبی که دوران می کند و به آهستگی به خط جوش بین دو
قطعه یا ورق یا ورقه نازک ماده فشار وارد می کند مورد استفاده قرار می گیرد
. گرمای حاصل از اصطکاک بین دو سطح مقاوم در مقابل ساییدگی در ابزار
جوشکاری و قطعه کار سبب می شود تا فلز بدون رسیدن به دمای ذوب نرم شده و
اتصال صورت پذیرد و همچنین به ابزار این امکان را می دهد تا در مسیر خط جوش
حرکت کند، در این حالت فلز پلاستیک مانند حول میخ تحت فشار قرار می گیرد
یک اتصال حالت جامد با شبکه های بلوری بیسار کوچک حاصل کار است بدون وجود
زیره کار پله ای ماده تحت فشار می تواند در اطراف پین حرکت کرده و یک
برجستگی بوجود می آورد در حالی که ماده جامد شده غیر هم سطح و نا صاف است .
مزایای این روش جو شکاری :
اتصالات پرچ شده کمتر از مزایای این جوشکاری است
این جوشکاری هیچ تشعشعی را منتشر نمی کند بر خلاف جوشکاری ذوبی ، لذا نیازی به لباس و ماسکهای محافظ نیست .
به یک کاربر ماهر نیاز نداریم زیرا میزان اشتباه نزدیک به صفر است .
قدرت
اتصال نزدیک به 30 % در مقایسه با جوش ذوبی بالا می رود و اتصالات عمق
نفوذ بیشتری نسبت به جوش ذوبی دارند، تقریبا دو یا سه برابر بسته به نوع
آلیاژ و عملیات حرارتی
لینک دانلود سه صفحه متن پیرامون چوش سرد
Cold welding
Cold welding is exactly what it sounds like and demonstrates a unique way to meld metal and one of the most amazing of the top 10 space facts. Essentially, should any two metal objects touch while in the cold vacuum of space, they would immediately become permanently bonded together
Cold
or contact welding is a solid-state welding process in which joining
takes place without fusion/heating at the interface of the two parts to
be welded. Unlike in the fusion-welding processes, no liquid or molten
phase is present in the joint.
Cold welding was first recognized
as a general materials phenomenon in the 1940s. It was then discovered
that two clean, flat surfaces of similar metal would strongly adhere if
brought into contact under vacuum. Newly discovered micro- and
nano-scale cold welding has already shown great potential in the latest
nanofabrication processes.
The reason for this unexpected
behavior is that when the atoms in contact are all of the same kind,
there is no way for the atoms to “know” that they are in different
pieces of copper. When there are other atoms, in the oxides and greases
and more complicated thin surface layers of contaminants in between, the
atoms “know” when they are not on the same part.
In space
Mechanical
problems in early satellites were sometimes attributed to cold welding.
However, in 2006, Henry Spencer stated that the phenomenon of
spontaneous cold welding in outer space is "basically a myth", pointing
out that "there are no documented cases of it actually occurring in
orbit, except in experiments deliberately designed to provoke it (with
susceptible materials, great care to avoid contamination, and deliberate
mechanical removal of oxide layers, etc.)
Three years following this
2006 post the European Space Agency published a peer reviewed paper
detailing why cold welding is a significant issue that spacecraft
designers need to carefully consider. The conclusions of this study can
be found on page 25 of "Assessment of Cold Welding between Separable
Contact Surfaces due to Impact and Fretting under Vacuum". The paper
also cites a documented example from 1991 with the Galileo spacecraft
high-gain antenna (see page 2; the technical source document from NASA
regarding the Galileo spacecraft is also provided in a link here).
One
source of difficulty is that cold welding does not exclude relative
motion between the surfaces that are to be joined. This allows the
broadly defined notions of galling, fretting, sticking, stiction and
adhesion to overlap in some instances. For example, it is possible for a
joint to be the result of both cold (or "vacuum") welding and galling
(and/or fretting and/or impact). Galling and cold welding, therefore,
are not mutually exclusive.
Nanoscale
Unlike cold welding process
at macro-scale which normally requires large applied pressures,
scientists discovered that single-crystalline ultrathin gold nanowires
(diameters less than 10 nm) can be cold-welded together within seconds
by mechanical contact alone, and under remarkably low applied pressures.
High-resolution transmission electron microscopy and in-situ
measurements reveal that the welds are nearly perfect, with the same
crystal orientation, strength and electrical conductivity as the rest of
the nanowire. The high quality of the welds is attributed to the
nanoscale sample dimensions, oriented-attachment mechanisms and
mechanically assisted fast surface diffusion. Nanoscale welds were also
demonstrated between gold and silver, and silver and silver, indicating
that the phenomenon may be generally applicable and therefore offer an
atomistic view of the initial stages of macroscopic cold welding for
either bulk metals or metallic thin film.