برای برآوردن الزامات طراحی و هزینه های تولید محصول در صنعت، مهندسین باید توانایی بهبود یا تغییر بسیاری از مواد و فرایندهای ساخت محصول را داشته باشند. اتصال دهی فلزات یکی از این فرایندها است که در صنعت استفاده می شود و اغلب با نوع ماده پایه تغییر می کند. در میان روش های اتصال دهی (Joining) در دسترس مهندسین معمولا چهار روش را انتخاب می-کنند (شکل 1): اتصالات مکانیکی، اتصالات چسبی، جوشکاری یا لحیم کاری سخت. لحیم کاری سخت به طراحان و مهندسین ساخت و تولید امکان می دهد که از روش های متنوع برای اتصال فلزات مشابه و غیرمشابه و مواد غیرفلزی استفاده کنند. در ادامه معیارهایی که مهندسین هنگام انتخاب روش اتصال دهی در نظر می گیرند بیان شده و با فرایند لحیم کاری سخت مقایسه شده است.

شکل 1: نمونه هایی از چهار روش اصلی اتصال دهی: الف)بست های مکانیکی، ب)چسب، پ)جوشکاری و ت)لحیم کاری سخت

 

معیارهای اصلی در انتخاب روش اتصال دهی

مهندسین هنگام طراحی یک قطعه خصوصیات مهمی مثل استحکام و دوام قطعه در شرایط کاری را در نظر می گیرند. قطعات باید در برابر سایش، برش و هر نیروی اضافی که ممکن است به آن وارد شود ایستادگی کنند. اتصالاتی که قطعات را در کنار یکدیگر نگه می دارد نیز باید در برابر نیروهای مختلف پایداری داشته باشند که به کاربرد و محیط بستگی دارد. جنبه زیبایی نیز یک موضوع مهم در طراحی محصولات است. اتصالات بین قطعات می تواند بر ظاهر و یکنواختی مونتاژ تاثیرگذار باشد. مهندسین و طراحان در طراحی خود به اتصال تمیز و صاف نیاز دارند که ظاهر مشتری پسند شبیه به یک قطعه یکپارچه داشته باشد. یک اتصال یکنواخت و تمیز موجب ایجاد یک سطح صاف می شود که به راحتی قابل آبکاری یا رنگ-آمیزی پس از فرایندهای اتصال دهی است. در بسیاری از صنایع، مهندسین مجموعه های مونتاژی را طراحی می کنند که برای انتقال، حمل و نقل یا انتقال مواد استفاده می شود. برخی از این کاربردها شامل مبدل های حرارتی (Heat Exchanger)، خطوط انتقال سوخت (Fuel Lines)، خطوط سردکننده (Refrigeration Lines) و ... است. اتصالاتی که برای اتصال این قطعات استفاده می شود باید آب بند باشد تا هیچ ماده ای از مجموعه مونتاژ شده به بیرون راه پیدا نکند. در صنایع هوا-فضا و اتومبیل سازی، دما و مقاومت به خوردگی جزء نیازهای اصلی در طراحی مهندسی است. اگر یک قطعه به دلیل قرارگیری در دمای بالا آسیب ببیند یا خورده شود، آسیب و خسارت شدیدی به کل محصول وارد می شود. مقاومت به خوردگی و مقاومت دمایی ماده ای که برای اتصال استفاده شده باید برای هر کاربرد متناسب سازی شود. مهندسین طراح به دنبال راه هایی برای ساده سازی تولید، کاهش چرخه زمان تولید و هزینه های کمتر فرایند هستند. روش های اتصال دهی می تواند در هزینه نهایی موثر باشد، به دلیل انواع بسیار متفاوت و مواد مصرفی که برای هر روش استفاده می شود. خودکارسازی، فرایندی است که می تواند زمان و هزینه تولید را کاهش دهد. بر اساس کاربرد و نوع روش فرایندهای اتصال دهی می تواند اغلب خودکارسازی شود که منجر به تولید بیشتر و هزینه تولید کمتر می شود.

روش های اصلی اتصال دهی با در نظر گرفتن معیارهایی که پیش از این بیان شد، مهندسین طراح از چهار روش اصلی اتصال دهی استفاده می کنند و هر روش نیاز خاصی را برآورده می کند. اتصال دهی مکانیکی از اتصال دهی مکانیکی (Mechanical Joining) معمولا برای اتصال قطعات ساختاری با ثابت کردن مواد پایه مشابه و غیرمشابه به یکدیگر با بَست ها انجام می شود. بَست هایی (Fasteners) که معمولا امروزه در صنعت استفاده می شود شامل بَست های کششی، بَست ها فشاری و بَست های برشی است. نمونه هایی از بَست هایی که در صنعت استفاده می شود در شکل 1-الف نشان داده شده است. اتصال دهی با روش های مکانیکی منجر به ایجاد اتصالات بسیار قوی و صلب می شود که برای کاربرد از بدنه اتومبیل تا ساخت خرپا استفاده می شود. اگر بَست ها به درستی انتخاب شوند می توانند دماهای بالا را نیز تحمل کنند و در انواع محیط های خوردگی استفاده شوند. با وجود این که اتصالات ساخته شده با این روش توانایی تحمل نیروهای بسیار زیاد را دارند، ولیکن در ساختار آن ها تنش به خوبی توزیع نمی شود و نقاط تمرکز تنش ایجاد می شود. در اغلب موارد، اتصالات مکانیکی نمی توانند یک قطعه آب بند ایجاد کنند مگر این که همراه با چسب استفاده شوند. در برخی موارد، قابلیت خودکار کردن اتصالات مکانیکی فراهم است. بَست ها گران هستند و وزن قابل توجهی دارند و ظاهر قطعه نهایی را از بین می برند.

 

اتصالات چسبی

اتصالات چسبی (Adhesive Joining) یک روش متنوع و اقتصادی برای اتصال انواع مواد پایه است. اتصالات چسبی مواد را از طریق الصاق سطحی در کنار یکدیگر نگه می دارد. انواع متفاوت از اتصالات چسبی شامل فعال، غیرفعال و ذوب گرم وجود دارد. جنبه های زیبایی اتصالات با چسب ها بدون اضافه کردن وزن قابل توجهی به یک مونتاژ قابل اطمینان تبدیل می شود. شکل 1-ب کاربرد متعارف از چسب ها را نشان می دهد. اگر استحکام مورد نیاز باشد، اتصالات چسبی گزینه مناسبی نمی باشد. اغلب چسب ها توانایی پیداری در برابر نیروهای کششی بیشتر از lb/in2 500 را ندارد و دمای بیشتر از °C 260 را تحمل نمی کنند. اتصالات چسبی قابلیت خودکارسازی داشته اما به زمان پخت نسبتا طولانی نیاز دارند.

 

جوشکاری

جوشکاری (Welding) رایج ترین روش اتصال فلزات در صنعت است. جوشکاری، روش اتصال دهی زیرلایه های فلزی با اعمال حرارت به سطوح مجاور فلزات پایه، ذوب کردن و در نهایت اتصال آن ها در کنار یکدیگر است. شکل 1-پ یک مهره جوش را نشان می دهد که بین دو ماده پایه حین جوشکاری ایجاد شده است. با توجه به این که تنوع وسیعی از روش های جوشکاری در دسترس است، ولیکن انتخاب آن بر اساس نوع کاربرد است و رایج ترین آن ها شامل جوشکاری قوسی تنگستن-گاز (Gas-Tungsten Arc Welding)، جوشکاری قوسی فلز-گاز (Gas-Metal Arc Welding)، جوشکاری قوسی فلز حفاظت شده (Shielded Metal Arc Welding) جوشکاری قوسی توپودری (Flux Cored Arc Welding)، جوشکاری مقاومتی (Resistance Welding)، جوشکاری پرتو لیزر (Laser Beam Welding) و پرتو الکترونی (Electron Beam Welding) است. اتصال جوشکاری شده استحکام بسیار بالایی در حدود lb/in2 100000 را می تواند تحمل کند. اتصالات جوشی می توانند دمای بالا و مقاومت به خوردگی خوبی داشته باشند. جوشکاری یک اتصال آب بند ایجاد می کند که توانایی تحمل فشار زیاد را دارد. جوشکاری برای اتصال دهی فلزات مشابه استفاده می شود، اما اتصالات غیرمشابه به آسانی نمی باشد. برای اتصال دهی غیرمشابه فلزات پایه نیاز به روش های جوشکاری خاص و پُرهزینه است. میزان زیاد حرارت ورودی به مواد پایه حین جوشکاری باعث اعوجاج مجموعه مونتاژ شده می شود. جوشکاری به آموزش های خاص نیاز دارد و برخی روش ها به آسانی قابل خودکارسازی نمی باشد. هنگامی که جنبه های زیبایی مهم باشد، اتصالات جوشکاری شده به سنگ زنی و پولیش کردن نیاز دارند تا سطح صاف حاصل شود.

 

لحیم کاری سخت

لحیم کاری سخت (Brazing) یکی از انعطاف پذیرترین روش های اتصال دهی مواد مشابه و غیرمشابه است. لحیم کاری سخت یک پیوند قوی فلزی بین مواد پایه با ذوب مواد پُرکننده ایجاد می کند که بالای °C 450 ذوب می شود، اما مواد پایه ذوب نمی-شوند. ماده پُرکننده مذاب بین فصل مشترک مواد پایه با نیروی موئینگی توزیع می شود. شکل 1-ت نمونه ای از اتصال لحیم کاری شده را نشان می دهد. شبیه به جوشکاری، انواع مختلف روش های لحیم کاری سخت در صنایع استفاده می شود. لحیم کاری سخت شعله ای (Torch Brazing)، القایی (Induction Brazing)، مقاومتی (Resistance Brazing) و کوره ای (Furnace Brazing) نمونه ای از روش های پُرمصرف در صنعت است. اتصالات لحیم کاری شده مناسب می تواند معیارهای طراحی را برآورده کند. لحیم کاری سخت منجر به اتصالات مستحکم و آب بند می شود که اغلب استحکامی به اندازه مواد پایه دارند. استحکام کششی اتصال تا lb/in2 140000 می رسد که به کاربرد، مواد پایه و ماده پُرکننده وابسته است. از لحیم کاری سخت معمولا برای اتصال دهی مجموعه های مبدل حرارتی، خطوط لوله و بسیاری از مجموعه های مونتاژ انتقال که به آب بندی یکنواخت نیاز است استفاده می شود. در بسیاری محصولات مثل مبلمان فلزی (Metal Furniture)، وسایل موسیقی (Musical Instruments) و جواهرسازی (Jewelry) به اتصالات یکنواخت، صاف، مستحکم و تمیز نیاز است که لحیم-کاری سخت آن را برآورده می کند. یک اتصال لحیم کاری شده مناسب، سطح تمیزی دارد و به راحتی آبکاری یا رنگ زده می شود. بسیاری از آلیاژهای لحیم کاری سخت مقاومت به دمای بالا و مقاومت به خوردگی خوبی دارند که کاربرد آن ها را در صنایع هوا-فضا و اتومبیل سازی ممکن می سازد. تنوع و انعطاف پذیری لحیم کاری سخت منجر به خودکار کردن و کاهش هزینه های تولید می شود. روش هایی مثل لحیم کاری سخت شعله ای، القایی و مقاومتی در سطوح مختلف برای تولید محصولات با کیفیت بالا استفاده می شود. نگرانی مهندسین هنگام انتخاب لحیم کاری سخت به عنوان روش اتصال دهی، هزینه های فلز پُرکننده است، زیرا در بسیاری از موارد باید از فلزات پُرکننده بر پایه فلزات گران بها استفاده شود. به هر حال، اگر اتصال و فرایند لحیم کاری سخت به درستی انتخاب شود، لحیم کاری سخت یک روش اقتصادی است. لحیم کاری سخت معمولا به اُپراتور با مهارت زیاد نیاز ندارد. با حلقه های پیش ساخته و شکل های متفاوت میزان آلیاژ اعمال شده در منطقه اتصال کنترل می شود که از فلز پُرکننده اضافی جلوگیری می شود. انتخاب ماده پُرکننده مناسب برای کاربرد خاص در رسیدن به اهداف اقتصادی تولید موثر است. اتصال دهی غیرفلزات مثل سرامیک ها، الماس و شیشه با لحیم کاری سخت فعال (Active Metal Brazing) امکان پذیر است.

 

نکات مهم در لحیم کاری سخت

برای رسیدن به اتصال لحیم کار شده با کیفیت، چند مرحله مهم و عوامل طراحی باید در نظر گرفته شود. همه طراحی های اتصال لحیم کاری در 6 مرحله انجام می شود. اگر 6 مرحله به دقت رعایت شود، یک اتصال با کیفیت حاصل می شود: 1-درز اتصال و جفت شدن مناسب سطوح مجاور اتصال 2-فلزات پایه تمیز و عاری از آلودگی 3-اتمسفر/فلاکس مناسب 4-قید و بند مناسب 5-روش حرارت دهی 6-تمیزکاری نهایی مهندسین باید ماده پُرکننده لحیم کاری سخت مناسب برای کاربرد مورد نظر انتخاب کنند. چند گروه از فلزات پُرکننده وجود دارد که در شکل 2 نشان داده شده است. هر گروه ویژگی های مختلفی دارد که منجر به کاربرد خاص می شود. آلیاژهای پایه نقره، طلا و نیکل کاربرد گسترده ای دارند که برای بسیاری از صنایع (هوا-فضا، معدن و ابزراهای برشکاری) استفاده می شوند. سایر آلیاژها برای مواد خاص مثل آلیاژهای نقره-مس-فسفر برای مواد پایه مس و آلیاژهای آلومینیوم-سیلسیم یا آلومینیوم-روی برای لحیم کاری سخت آلومینیوم مناسب است. فلزات پُرکننده در شکل های مختلف در دسترس است که به گروه آن وابسته است. انواع متعارف شامل سیم، نوار، پیش ماده، پودر و خمیر است. برای اطمینان از آن که آلیاژ لحیم کاری سخت و شکل مناسب برای کاربرد خاص انتخاب شده، مهندسین باید با تولید کننده آن مشورت کنند.

 

شکل 2: گروه های مختلف فلزات پُرکننده

 

عامل مهم دیگر نوع روش حرارت دهی در لحیم کاری سخت است. انتخاب روش حرارت دهی مناسب می تواند بر کیفیت اتصال، انتخاب فلز پُرکننده، بازده تولید، هزینه و اعوجاج فلز پایه موثر باشد. نمونه هایی از روش های اصلی حرارت دهی در شکل 3 آورده شده است. حرارت دادن با مشعل، انعطاف پذیرترین روش حرارت دهی است و برای انواع مختلف از کاربردها استفاده می شود. روش های حرارت دهی سریع و موضعی مثل القایی و مقاومتی موجب کاهش اعوجاج فلز پایه می شود. لحیم کاری سخت کوره ای موجب توزیع یکنواخت حرارت شده و برای قطعات کوچک و بزرگ مناسب است. همه این روش های برای تولید در حجم کم و زیاد توصیه می شود.

 

شکل 3: روش های اصلی حرارت دهی در لحیم کاری سخت: الف)شعله ای، ب)القایی، پ)کوره ای و ت)مقاومتی.

 

جمع بندی

طراحان و مهندسین در ساخت و مونتاژ قطعات با گزینه های زیادی برای اتصال رو به رو هستند. لحیم کاری سخت می تواند به مهندسین امکان ساخت و مونتاژ قطعات کوچک و بزرگ را بدهد. هنگامی که طراحی به درستی انجام شده باشد، لحیم کاری سخت خصوصیات اتصال مشابه با جوشکاری خواهد داشت. با افزایش نیاز به تولید محصولات با کیفیت و با هزینه کم ، لحیم-کاری سخت گزینه اصلی در اتصال مواد مختلف است.