پیوند نفوذی: تفاوت میان نسخهها
ایجادشده به کمک به ویکیفا و Dexbot، ابرابزار برچسب: متن دارای ویکیمتن نامتناظر |
(بدون تفاوت)
|
نسخهٔ ۲۶ ژانویهٔ ۲۰۲۳، ساعت ۱۹:۳۹
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/41/Diffusion_welding_animation.gif/170px-Diffusion_welding_animation.gif)
پیوند نفوذی یا جوشکاری نفوذی (Diffusion Bonding یا Diffusion Welding) یک روش جوشکاری حالت جامد است که در فلزکاری استفاده می شود و قابلیت اتصال فلزات مشابه و غیر مشابه را دارد. این پیوند بر اساس اصل انتشار حالت جامد عمل میکند، که در آن اتمهای دو سطح جامد و فلزی در طول زمان خود را متلاشی میکنند. این اتفاق معمولاً در دمای بالا، یعنی تقریباً 50-75٪ دمای ذوب مطلق مواد انجام می شود. [۱] [۲] پیوند نفوذی معمولاً با اعمال فشار بالا در دمای بالا، به موادی که قرار است جوش داده شوند، انجام می شود. این روش در بیشتر زمانها برای جوش دادن "ساندویچی" از لایههای متناوب فویلهای نازک فلزی و سیمها یا رشتههای فلزی استفاده میشود. [۳]در حال حاضر، روش پیوند نفوذی به طور گسترده برای اتصال فلزهای دیرگداز در صنایع هوافضا [۱] و هستهای استفاده می شود. [نیازمند منبع]
تاریخچه
عمل پیوند نفوذی قرنها قدمت دارد. این تکنیک در عملیاتی به نام "gold-filled" برای اتصالدهی طلا و مس به منظور استفاده در جواهرسازی، و بسیاری از صنایع دیگر کاربرد دارد. در این فرآیند، زرگرها با ضربات مکرر و بسیار، طلای جامد را به ورقه نازکی از طلا تبدیل میکنند. سپس این ورقه را بر روی بستری از مس قرار داده و وزنهای روی آنها میگذارند. در نهایت، با استفاده از فرآیندی به نام «جوشکاری با فشار داغ» یا HPW، مجموعه وزنه/مس/ ورقه طلا درون یک کوره تا زمانی که ورقه طلا به اندازه کافی به بستر مس متصل شود حرارت داده میشود. [۴] روشهای مدرن این فرآیند توسط دانشمند شوروی N.F. Kazakov در سال 1953 مطرح شد. [۵]
ویژگیها
پیوند نفودی بدون همجوشی مایع انجام میشود و اغلب بدون فلز پرکننده است. هیچ وزنی به ترکیب دو فلز اضافه نمیشود، و این اتصال تمایل به نشان دادن مقاومت فلزات پایه و همچنین مقاومت گرمایی آنها را دارد. این مواد تحمل بسیار ناچیزی در برابر تغییر شکل دارند. در این پروسه تنش پسماند بسیار کمی ایجاد شده، و هیچ گونه آلودگی در حین پروسه جوش وجود ندارد. از لحاظ تئوری، پیوند نفوذی میتواند بین دو سطح با هر ابعادی انجام گیرد، بدون اینکه زمان مورد نیاز برای انجام آن افزایش پیدا کند. با این حال، از نظر عملی، سطح به دلیل فشار مورد نیاز و محدودیتهای فیزیکی دیگر محدود می شود. پیوند نفوذی میتواند با فلزات مشابه و غیرمشابه، فلزات واکنشپذیر و نسوز یا قطعات با ضخامتهای متفاوت انجام شود. با توجه به هزینه نسبتاً بالا این فرآیند، پیوند نفودی اغلب برای کارهایی که جوشکاری آنها با وسایل دیگر دشوار یا غیرممکن است، استفاده می شود. به عنوان مثال می توان به موادی اشاره کرد که معمولاً از طریق همجوشی مایع به هم متصل نمی شوند، مانند زیرکونیوم و بریلیوم. یا مواد با نقطه ذوب بسیار بالا مانند تنگستن. یا لایههای متناوب از فلزات مختلف که باید در دماهای بالا استحکام خود را حفظ کنند، یا ساختار فویلهای فلزی بسیار نازک و لانه زنبوری[۶][۷][۸].آلیاژهای تیتانیوم اغلب به صورت پخشی پیوند می خورند، علیرغم اینکه لایه نازک اکسید می تواند در دمای بیش از 850 درجه سانتیگراد حل شود و به دور از سطوح پیوند پخش شود.
وابستگی به دما
نفوذ حالت پایدار با مقدار شار نفوذی که از سطح مقطع سطوح اتصال میگذرد، تعیین می شود. قانون اول نفوذ فیک میگوید:
که در آن J شار نفوذ، D ضریب نفوذ و dC / dx گرادیان غلظت در مواد مورد نظر است. علامت منفی حاصل ضرب گرادیان است. شکل دیگری از قانون فیک میگوید:
که در آن M به عنوان جرم یا مقدار اتمهای منتشر شده تعریف میشود، A سطح مقطع و t زمان مورد نیاز است. با معادل سازی دو معادله و مرتب سازی مجدد به نتیجه زیر می رسیم:
از آنجا که جرم و مساحت برای یک اتصال مشخص ثابت است، زمان مورد نیاز عمدتا به گرادیان غلظت و ضریب نفوذ بستگی دارد. ضریب نفوذ توسط معادله زیر تعیین می شود:
که در آن Qd انرژی فعال سازی برای نفوذ، R ثابت جهانی گازها، T دمای ترمودینامیکی تجربه شده درطول فرآیند، و D0 یک فاکتور نمایی مستقل از دما است که به مواد شرکتکننده در فرآیند بستگی دارد. برای یک اتصال معین، تنها کمیت قابل کنترل در این معادله دما است.[۹]
فرآیندها
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2b/Output_wR3TGn.gif/220px-Output_wR3TGn.gif)
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 صاف صاف پرداخت سطح شوند و تا حد امکان از آلایندههای شیمیایی یا سایر ذرهها دور نگه داشته شوند. هرگونه ماده مداخلهگر بین دو سطح فلزی ممکن است از نفوذ مناسب مواد جلوگیری کند. ماشین ابزار خاصی برای هر کاربرد جوشکاری ساختهشدهاست تا قطعات کار را به هم جفت کند.[۱۰] پس از آن، فشار و گرما معمولا برای مدت زمان زیادی به اجزای سازنده وارد می شود. سطوح یا در یک کوره یا از طریق مقاومت الکتریکی گرم می شوند. فشار را می توان با استفاده از پرس هیدرولیک اعمال کرد. این روش امکان اندازهگیری 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 (مانند مولیبدن)، قطعات بار خود را با انبساط بیشتر از فلز ثابت در دما تامین میکنند. روش های جایگزین برای اعمال فشار شامل استفاده از وزنه مرده، فشار گاز دیفرانسیلی بین دو سطح و اتوکلاوهای فشار بالا می باشد. هنگام استفاده از فلزاتی که دارای لایههای اکسیدی قوی (مانند مس) هستند، جوشکاری باید در یک فضای خلا یا گاز بیاثر انجام شود. عملیاتهای سطحی مانند پولیش، اچینگ و تمیز کردن به اندازه فشار و دمای نفوذ از فاکتورهای مهم در مورد روند جوشکاری است.[۶][۷][۸]
در سطح میکروسکوپی ، پیوند نفوذی در سه مرحله ساده رخ می دهد:[۱۱]
- تغییر شکل ناهنجاریهای میکروسکوپی : قبل از تماس کامل سطوح، ناهنجاریها (عیوب سطحی بسیار کوچک) روی دو سطح با هم تماس گرفته و به صورت پلاستیکی تغییر شکل میدهند. با تغییر شکل این عیوب ، به هم متصل میشوند و رابط بین دو سطح را تشکیل میدهند.
- انتقال جرم با نفوذ کنترلشده: دما و فشار بالا باعث خزش سریع در مواد میشود. مرزهای دانه و مواد خام منتقل شده، و شکاف بین دو سطح به منافذ ایزوله کاهش می یابند.
- انتقال رابط: مواد شروع به نفوذ در سراسر 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 پایه است. هنگامی که اتصال کامل شد، می تواند با تست هایی مانند آزمون کشش آزمایش شود.
- فرایند پیوند نفوذی قادر به تولید اتصالات با کیفیت بالایی است که بدون هیچگونه ناپیوستگی و تخلخل می باشند.[۱۲] به عبارت دیگر، ما قادر به سنباده زدن، تولید و حرارت دادن مواد هستیم.
- پیوند نفوذی امکان ساخت قطعات با دقت بالا با اشکال پیچیده را فراهم میکند. همچنین، نفوذ انعطاف پذیر است.
- روش پیوند نفوذی میتواند به طور گسترده، در اتصال مواد مشابه یا غیر مشابه مورد استفاده قرار گیرد. همچنین در پردازش مواد کامپوزیتی از اهمیت زیادی برخوردار است.
- رسیدن به این فرآیند بسیار سخت نیست و هزینه انجام پیوند نفوذی پایین است.[۱۳]
- ماده تحت نفوذ قادر به کاهش تغییر شکل پلاستیک است.
قابلیت کاربرد
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ef/Output_9GbY2F.gif/220px-Output_9GbY2F.gif)
پیوند نفوذ در درجه اول برای ایجاد اشکال پیچیده برای صنایع الکترونیک، هوافضا و فناوریهای هستهای استفاده می شود. از آنجایی که این شکل از اتصال در مقایسه با سایر تکنیک های اتصال مانند جوشکاری انفجاری زمان قابل توجهی را میطلبد، قطعات در مقادیر اندک ساخته می شوند و اغلب ساخت آن به صورت خودکار انجام میشود. با این حال،به دلیل نیازهای مختلف،زمان مورد نیاز میتواند کاهش یابد. در تلاش برای کاهش تعداد اتصالدهندهها، هزینههای نیروی کار و تعداد قطعات، از پیوند نفوذی نیز همراه با شکل گیری سوپر پلاستیک هنگام ایجاد فرمهای پیچیده ورق فلز استفاده می شود. ورقهای متعدد روی هم چیده شده و در بخشهای خاصی به هم متصل میشوند. سپس این دسته در قالب قرار داده میشوند 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.[۱۴]
مواد معمولی که به این روش جوش داده می شوند شامل تیتانیوم ، بریلیم و زیرکونیوم هستند. در بسیاری از هواگردهای نظامی، پیوند نفوذی به حفظ مواد استراتژیک گران قیمت و کاهش هزینههای ساخت کمک میکند. برخی هواپیماها بیش از 100 قطعه متصل از طریق نفوذ دارند، از جمله بدنه هواپیماها،اتصالات محرک بیرونی و داخل هواپیما، ارابه فرود هواپیما و ناسل هواپیما.
منابع
- ↑ ۱٫۰ ۱٫۱ "Diffusion Bonding". Welding Fundamentals and Processes. Vol. 06A. Materials Park, Ohio: ASM International. Handbook Committee. 2011. pp. 682–689. ISBN 978-0-87170-377-4. OCLC 21034891.
- ↑ Diffusion bonding 2. Stephenson, D. J. (David J.). London: Elsevier Applied Science. 1991. ISBN 1-85166-591-9. OCLC 22908137.
{{cite book}}
: نگهداری CS1: سایر موارد (link) - ↑ 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 978-0-13-227271-1.
- ↑ Kazakov, N.F (1985). "Diffusion Bonding of Materials". Pergamon Press.
- ↑ ۶٫۰ ۶٫۱ Schrader, George F.; Elshennway, Ahmad K. (2000). Manufacturing Processes and Materials (4th illustrated ed.). pp. 319–320. ISBN 0872635171.
- ↑ ۷٫۰ ۷٫۱ Chawla, Krishan K. Composite Materials: Science and Engineering. Materials research and engineering (2nd illustrated ed.). p. 174. ISBN 0387984097.
- ↑ ۸٫۰ ۸٫۱ Jacobson, David M. (2005). 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.
- ↑ "Diffusion-welding for strongest solid state joints".
- ↑ "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.
{{cite book}}
: نگهداری CS1: سایر موارد (link) - ↑ "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.
- مشارکتکنندگان ویکیپدیا. «Diffusion bonding». در دانشنامهٔ ویکیپدیای انگلیسی، بازبینیشده در ۲۶ ژانویه ۲۰۲۳.