جوشکاری سرد چیست و دستگاه جوشکاری سرد چگونه کار می‌کند؟

جوش سرد، روشی برای اتصال فلزات با حرارت کم یا بدون حرارت است. این یک روش جالب برای جوشکاری است که در آن علم فیزیک و درک علم مواد با هم کار می‌کنند.
در اینجا یاد خواهیم گرفت که جوش سرد چیست، چگونه کار می‌کند و چه فلزاتی را می‌توانیم با این روش جوش دهیم؟

جوشکاری سرد چیست؟

در جوشکاری سرد، برخلاف سایر روش‌ها، برای اتصال قطعات فلزی به یکدیگر از گرما استفاده نمی‌شود و فلز در هیچ مرحله‌ای ذوب نشده و به‌صورت جامد باقی می‌ماند. به همین دلیل، جوشکاری سرد به‌عنوان یک فرایند جوشکاری حالت جامد شناخته می‌شود. انرژی موردنیاز برای اتصال فلز به‌صورت فشار اعمال می‌شود. در مقایسه با جوشکاری ذوبی یا جوشکاری قوسی و اصطکاکی، در جوشکاری سرد فلز هرگز ذوب نمی‌شود.
با اعمال فشار، سطوح فلز تاحدامکان به هم نزدیک می‌شوند. میزان فشار باعث می‌شود فاصله در مقیاس نانو بی‌اهمیت شود و اتم‌های فلز از یک نمونه به نمونه دیگر جهش پیدا کنند. این منجر به ایجاد یک اتصال تقریباً بی‌عیب‌ونقص بدون هیچ‌گونه عواقبی می‌شود و دو قطعه فلز به یک‌تکه همگن تبدیل می‌شوند.
برای دستیابی به این نتیجه، به سطح فلزی بسیار تمیز و نزدیک به کامل نیاز داریم. همان‌طور که می‌دانید، هر فلزی دارای یک‌لایه اکسید است که قبل از شروع جوشکاری سرد باید برداشته شود. در ادامه در مورد این موضوع با جزئیات بیشتری صحبت خواهیم کرد، اما اجازه دهید ابتدا مزایا و معایب این فرایند را بررسی کنیم.

مزایای جوشکاری سرد

از مزایای فرایند جوشکاری سرد می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
• مناسب برای جوشکاری آلومینیوم: برخلاف جوشکاری با حرارت، جوشکاری سرد برای اتصال آلومینیوم بسیار ایده‌آل است.
• اتصال مس و آلومینیوم: این یک مزیت ویژه است، زیرا اتصال این دو فلز با روش‌های دیگر جوشکاری دشوار است.
• عدم وجود ناحیه آسیب‌دیده حرارتی (HAZ): برخلاف جوشکاری قوسی که باعث ایجاد ناحیه ذوب و اطراف آن با خواص تغییریافته می‌شود، جوشکاری سرد چنین ناحیه‌ای را ایجاد نمی‌کند.
• اتصال بدون نقص: جوشکاری سرد منجر به اتصالی بسیار تمیز و محکم بدون ترک‌های میکروسکوپی، ترکیبات بین فلزی شکننده و سایر عیوب می‌شود.
• اتصال فلزات غیرمشابه: این روش می‌تواند فلزات مختلفی را که اتصال آنها با روش‌های دیگر دشوار است، به هم جوش دهد.
• قابلیت جوشکاری فلزات خاص: با جوشکاری سرد می‌توان فلزات خاصی مانند مس و طلا را نیز جوش داد.
• کاهش نیاز به نیروی کار ماهر: این روش نیاز به مهارت کمتری نسبت به برخی از روش‌های دیگر جوشکاری دارد.

معایب جوشکاری سرد

جوشکاری سرد، در کنار ویژگی‌ها و مزایایی که ارائه می‌کند از معایبی نیز برخوردار است که در ادامه به توضیح آنها خواهیم پرداخت:
• نیاز به تمیزکاری کامل سطوح: سطوح باید کاملا تمیز و عاری از هرگونه آلودگی باشند.
• آماده‌سازی چندمرحله‌ای و پیچیده: برای جوش سرد نیاز به چند مرحله تمیزکاری و آماده‌سازی دقیق و زمان‌بر است.
• حساسیت به آلودگی و ناهمواری: هر گونه آلودگی، ناهمواری سطح و ساختارهای نانو‌مقیاس می‌توانند نتیجه نهایی را ضعیف کنند.
• غیرکاربردی در صنعت به دلیل گردوغبار هوا: به دلیل وجود گردوغبار و آلودگی معلق در هوا، جوشکاری سرد برای کارهای صنعتی مناسب نیست.
• محدود به فلزات نرم و غیرآهنی: این روش تنها برای فلزات نرم و غیرآهنی مانند مس، آلومینیوم، سرب، طلا و غیره کاربرد دارد و برای جوشکاری فولاد کربنی و فلزات سخت مناسب نیست.
• محدود به سطوح صاف: جوشکاری سرد برای سطوح صاف مناسب است و اتصال سطوح غیرمنظم با این روش کارایی ندارد.

کاربردهای جوشکاری سرد چیست؟

این فرایند جوشکاری در بسیاری از صنایع از جمله هوافضا، الکترونیک و تولید خودرو کاربرد دارد. در واقع، جوشکاری سرد زمانی که نیاز به اتصال سیم‌های فلزی غیرمشابه باشد، از همه فرایندهای جوشکاری مناسب‌تر است.
جوشکاری سرد برای کابل‌کشی زیرزمینی در جایی که خطر فوران گازهای قابل‌اشتعال در هنگام جوشکاری ذوبی وجود دارد، بسیار مناسب است.
این روش همچنین راه‌حلی عالی برای درزگیری ظروف حاوی مواد منفجره است که در غیر این صورت به گرما حساس هستند. به‌طورکلی، از جوشکاری سرد در مواردی استفاده می‌شود که گرما ممکن است باعث آسیب بیشتر یا خطر بالقوه‌ای ایجاد کند.

جوشکاری سرد چگونه عمل می‌کند؟

این فرایند جوشکاری، فلزات را در دمای محیط و بدون هیچ حرارت و جریان الکتریکی در محل اتصال، به هم جوش می‌دهد. اعمال نیرو به نمونه‌های فلزی، زبری سطح و بی‌نظمی آن را برطرف می‌کند. اما دلیل اصلی اعمال فشار، افزایش نیروی جذب بین‌اتمی بین سطوح فلزی است.
برای شروع جوشکاری سرد، برداشتن لایه‌های اکسید از هر دو فلز ضروری است. روی سطح هر فلزی یک‌لایه اکسید تشکیل می‌شود که باعث می‌شود فلز داخلی خالص و غیرقابل‌دسترسی شود. فشار دادن دو قطعه مس اکسید شده و کثیف، جوشکاری را با شکست مواجه خواهد کرد.
پس از تمیزکردن کامل سطوح، با اعمال فشار کافی، فلز به یک پیوند متالورژیکی یکنواخت تبدیل می‌شود. فلز تازه‌تشکیل‌شده مانند یک قطعه همگن در نزدیکی فلز پایه عمل می‌کند. این نیازمند تمیزی فوق‌العاده و عدم وجود بی‌نظمی سطحی است.
این سطح از یکنواختی را عمدتا می‌توان فقط با سیم‌های جوشکاری به دست آورد؛ زیرا فرایند جوشکاری سیم سرد، ناخالصی‌ها را با کمال دقت و ظرافت خارج می‌کند.

اصول اولیه جوشکاری سرد

دو مورد اصلی برای جوشکاری سرد ضروری هستند: تمیزکاری کامل سطوح فلزی و شکل دقیق محل جوش. سطوح اتصال باید تمیز، صاف و ترجیحا تخت باشند. برای تمیزکردن باید از اکسیدها و آلودگی‌ها با روش‌هایی مانند چربی‌زدایی، برس سیمی، مواد شیمیایی و غیره خلاص شد.
قبل از تمیزکاری با برس سیمی، باید روغن و گریس روی سطوح فلز پاک شود. این مرحله بسیار مهم است، زیرا در غیر این صورت، برس ممکن است این آلودگی‌ها را به عمق فلز فشار دهد.

بعد از پاک‌کردن روغن‌ها، می‌توانیم برای تمیزکردن لایه اکسید اقدام کنیم. برس‌های با جنس و نوع الیاف مختلف ممکن است بسته به نوع فلز توصیه شوند.

آیا جوشکاری سرد به‌اندازه کافی محکم است؟

قطعاً! به شرطی که بعد از آماده‌سازی‌های لازم به‌درستی انجام شود، اتصال جوشکاری سرد به استحکام فلز اصلی خواهد رسید. استحکام اتصال جوشکاری سرد به ویژگی‌های خود فلز بستگی دارد. برخلاف سایر روش‌های جوشکاری ذوبی، جوشکاری سرد نمی‌تواند از استحکام اولیه فلز فراتر رود.
اگر تمیزکاری سطوح به‌اندازه کافی انجام نشود یا سطوح نامنظم باشند، استحکام اتصال به خطر می‌افتد. بااین‌حال، در کاربردهایی مانند جوشکاری سرد برای اتصال سیم، به‌راحتی می‌توان به یک اتصال محکم دست‌یافت.

اتصال با جوش سرد

فشار جوش سرد با سطح تماس بزرگ‌تر بهتر عمل می‌کند، بنابراین بهترین حالت برای اتصالات لب‌به‌لب و روی‌هم است. اتصال سیم جوش و لوله، جوش لب‌به‌لب است؛ زیرا بریدن انتها، تمیزکردن فلز و فشاردادن سیم‌ها به هم در این حالت آسان است.
در جوش لب‌به‌لب، فاصله بین نقاط اتصال و سطح تماس نیازی نیست زیاد باشد؛ زیرا ممکن است فلزات نرم به‌جای اتصال، به طرفین خم شوند.
اتصال روی‌هم در جوش سرد کمی مشکل است. فشاردادن ورق‌های فلزی به هم باعث کاهش ضخامت آنها به دلیل فشار می‌شود. هنگام محاسبه برای پروژه، ممکن است تا 50 درصد از ضخامت از بین برود. در غیر این صورت، مواد نهایی با الزامات پروژه مطابقت نخواهد داشت.
حتی اگر جوش ما بی‌نقص باشد، قسمت نازک شده ممکن است قابل‌قبول نباشد. ضخامت نهایی را با درنظرگرفتن شکل‌پذیری و نرمی فلز محاسبه کنید.

مقایسه جوشکاری سرد و جوشکاری گرم

جوشکاری گرم شامل مراحلی مانند قوس الکتریکی، مقاومت، شعله فعال، ذوب‌شدن و جوش‌خوردن فلز است. درحالی‌که جوشکاری سرد، فرایندی است که اتصال را از طریق فشار ایجاد می‌کند و برای فلزات غیرآهنی مناسب‌تر می‌باشد.

ویژگی‌های جوشکاری گرم

• نیاز به گرما: جوشکاری گرم برای ذوب‌شدن فلزات پایه و پرکننده از گرما استفاده می‌کند. این گرما معمولاً از طریق یک قوس الکتریکی یا شعله گاز تامین می‌شود.
• نیاز به قوس الکتریکی: در جوشکاری گرم از قوس الکتریکی برای ایجاد گرما و یونیزه کردن گاز بین الکترود و فلز پایه استفاده می‌شود. این امر باعث می‌شود که الکترون‌ها از الکترود به فلز پایه جریان یابند و گرمای لازم برای ذوب‌شدن فلزات را ایجاد کنند.
• عدم نیاز به فشار: برخلاف جوشکاری فشاری، در جوشکاری گرم نیازی به اعمال فشار خارجی برای اتصال فلزات نیست. این امر به دلیل ذوب‌شدن کامل فلزات و ایجاد یک پیوند قوی بین آنها است.
• قابلیت جوشکاری تقریباً تمام فلزات: جوشکاری گرم برای اتصال طیف گسترده‌ای از فلزات، از جمله فولاد، آلومینیوم، مس، برنج و چدن، قابل‌استفاده است.
• کاربرد گسترده در صنایع: جوشکاری گرم به دلیل مزایایی مانند استحکام، دوام و انعطاف‌پذیری، در طیف گسترده‌ای از صنایع از جمله ساخت‌وساز، خودروسازی، هوافضا و کشتی‌سازی کاربرد دارد.

ویژگی‌های جوشکاری سرد

• نیاز به حرارت ندارد (به‌جای نیاز به حرارت بالا، از فشار استفاده می‌شود)
• از قوس الکتریکی استفاده نمی‌کند (برخلاف جوشکاری قوسی که از گرما و نور شدید برای ذوب فلزات استفاده می‌کند)
• نیاز به فشار زیاد دارد (فشار بالا باعث نزدیک‌شدن اتم‌ها و ایجاد پیوند می‌شود)
• فقط می‌تواند فلزات غیرآهنی بدون کربن را جوش دهد (مناسب برای فلزاتی مانند آلومینیوم و مس است)
• کاربرد محدودی دارد (به دلیل محدودیت در نوع فلزات قابل جوش و نیاز به تجهیزات خاص، در موارد خاصی کاربرد دارد)

چه فلزاتی را می‌توان با جوش سرد جوش داد و چه فلزاتی را نمی‌توان؟

فهرستی از فلزاتی که قابلیت جوش سرد دارند شامل آلومینیوم، مس، سرب، روی، آلیاژ برنج، نقره، نیکل، پلاتین، آلیاژ نقره و طلا است. این روش حتی می‌تواند سری‌های 2XXX و7XXX آلیاژ آلومینیوم را جوش دهد که با سایر روش‌ها امکان‌پذیر نیست.
جوش سرد برای جوشکاری فلزاتی که دارای ساختار اتمی مکعبی وجه محور هستند و به‌سرعت سخت نمی‌شوند، بسیار مناسب است. همان‌طور که در لیست بالا ذکر شد، فلزات چکش‌خوار بهترین گزینه برای جوش سرد هستند.
جوشکاری فولاد کربنی، آلیاژی که حاوی کربن است، با این روش امکان‌پذیر نیست. ازآنجایی‌که فولاد کربنی رایج‌ترین نوع فولاد برای جوشکاری است، کاربرد جوش سرد محدود می‌شود.

انواع جوشکاری سرد

جوشکاری سرد به‌خودی‌خود انواع مختلفی ندارد. روش‌هایی با نام‌های مشابه وجود دارند که به‌اشتباه به‌عنوان جوشکاری سرد شناخته می‌شوند. بیایید نگاهی به این روش‌ها بیندازیم تا آن‌ها را بهتر درک کنیم.

1. جوشکاری سرد TIG

این روش هیچ ارتباطی با جوشکاری سرد ندارد. برخی از دستگاه‌های جوشکاری TIG دارای تنظیم “سرد” هستند که میزان حرارت ورودی را محدود می‌کند. این کار با اعمال یک نقطه قوس کوچک برای کسری از ثانیه قابل‌دستیابی است.
در این روش، دما به دلیل هدایت حرارتی بالای فلزاتی مانند آلومینیوم، در حد کم باقی می‌ماند. این تکنیک برای اتصال ورق‌های بسیار نازک فلز و سیم مفید است. نتایج مشابه را می‌توان با استفاده از تنظیمات پالس بر روی دستگاه جوشکاری TIG به دست آورد. با تنظیم جریان پالس بسیار کم و زمان زیاد بین پالس‌ها می‌توان جوشکاری TIG با حرارت کم انجام داد، اما جوشکاری سرد انتخاب بهتری است.

2. انتقال سرد مذاب (Cold Metal Transfer)

اتصال جوشی (fusion welding) با استفاده از قوس الکتریکی، روشی است که در انتقال سرد مذاب به کار گرفته می‌شود. این اصطلاح گمراه‌کننده است و گاهی به‌اشتباه آن را جوشکاری سرد می‌نامند که موجب سردرگمی می‌شود. انتقال سرد مذاب، فرایندی از جوشکاری GMAW است که به ۹۰ درصد گرمای کمتر نسبت به فرایند استاندارد GMAW نیاز دارد.
فرایند انتقال سرد مذاب برخلاف روش‌های واقعی جوشکاری سرد، گرمای بسیار کمی تولید می‌کند و بسیاری از مشکلات این روش‌ها را برطرف می‌کند. در تمایز قائل‌شدن بین این دو تکنیک باید دقت کنیم.
فرایند CMT با استفاده از قوس الکتریکی و فلز پرکننده کار می‌کند و در مواردی که امکان استفاده از جوشکاری فشار سرد وجود ندارد، ابزاری مفید به شمار می‌رود. برای کنترل گرمای ورودی در فرایند CMT، انتخاب دقیق سیم جوشکاری ضروری است.

3. جِی بی ولد (JB Weld)

جی بی ولد نام تجاری گروهی از چسب‌های اپوکسی است که برای اتصال فایبرگلاس، فلز، بتن، آجر و غیره کاربرد دارد. گاهی اوقات آن را با عنوان «فرمول جوشکاری سرد اصلی» معرفی می‌کنند، اما در واقع این محصول، جوش واقعی بین فلزات ایجاد نمی‌کند.
در جوشکاری سرد، دو قطعه فلز با برقراری پیوند بین اتم‌ها به یک توده همگن تبدیل می‌شوند. اما در اینجا، قطعات فلز فقط به هم می‌چسبند و جوش نمی‌خورند. JB ولد یک چسب اپوکسی دو جزئی است که از یک رزین پایه و یک فعال‌کننده تشکیل شده است. ما این دو جزء را با هم مخلوط کرده و روی لبه‌های فلزی می‌زنیم، سپس قطعات را با گیره محکم می‌کنیم و صبر می‌کنیم تا سفت شود.
استحکام این چسب در مقایسه با الکترود E6010 ضعیف‌تر است و مقاومت کششی آن حدود ۵۰۲۰ پوند بر اینچ مربع می‌باشد.
بنابراین، این محصول جوش سرد نیست، بلکه برای تعمیرات کوچک خانگی مناسب است.

جمع‌بندی

تکنیک جوشکاری منحصربه‌فردی که می‌تواند بدون استفاده از گرما، اتصالات محکمی ایجاد کند، جوشکاری سرد نامیده می‌شود. سابقه جوشکاری سرد به عصر برنز، حدود 700 قبل از میلاد مسیح برمی‌گردد، اما در مرحله ابتدایی
آن بود. اولین آزمایش علمی مستند در سال 1724 توسط کشیش جی.آی. انجام شد. او دو گلوله سرب را برای ایجاد یک اتصال محکم به هم فشار داد.
اگر بر چالش‌ها به‌موقع غلبه شود، جوشکاری سرد می‌تواند پیوند محکمی بین فلزات غیرمشابه و حتی برخی از گریدهای آلومینیوم غیر قابل جوش ایجاد کند. همچنین این روش می‌تواند برای اتصال سیم‌ها، صنایع هوافضا و خودروسازی گزینه مفیدی باشد.