فرآیندهای تولید سازه‌های فلزی

فرآیندهای ساخت قطعات و سازه‌های فلزی را می‌توان در چهار دسته قرار داد؛ ۱) ریخته‌گری[۱] و قالب‌گیری[۲]، ۲) ماشین‌کاری[۳]، ۳) اتصال[۴]، و ۴) برشکاری[۵] و شکل‌دهی[۶]. در دسته اول، قطعه با ریخته‌گریِ مذابِ فلز در یک قالب و انجماد آن تولید می‌شود. هرچه نقطه ذوب فلز پایین‌تر و سیالیت مذاب آن بیش‌تر باشد، آن فلز برای ریخته‌گری مناسب‌تر است. در روش ماشین‌کاری، قطعه با حذف اضافات یا در اصطلاح براده‌برداری به‌کمک تجهیزاتی چون دستگاه تراش[۷]، دریل و CNC[8] تولید می‌شود.

اتصال می‌تواند به سه صورت انجام شود؛ ۱) بستن مکانیکی[۹]، ۲) چسب[۱۰] و ۳) اتصال متالورژیکی[۱۱]. روش‌های مکانیکی مانند پرچ[۱۲] و پیچ و مهره نوعی اتصال موقت یا نیمه‌موقت ایجاد می‌کنند. هنگامی‌که به تعویض یا تعمیر دوره‌ای قطعات نیاز باشد، بستن مکانیکی مفید است. چسب‌ها (پلیمری یا سرامیکی) نوعی اتصال شیمیایی ایجاد می‌کنند که می‌تواند دائمی یا موقت باشد. در مواقعی که نیاز به آب‌بندی باشد، چسب‌ها به اتصالات مکانیکی ارجحیت دارند. چسب‌ها عمدتاً با پیوندهای ضعیف واندرولاس[۱۳] و هیدروژنی[۱۴] به زیرلایه می‌چسبند. همچنین بخشی از نیروی چسبندگی می‌تواند ناشی از ریزدرگیری‌های مکانیکی[۱۵] با ناهمواری‌های سطح زیرلایه باشد.

پیوندهای قوی‌ترِ بین‌اتمی معمولاً با فرآیندهای حرارتی ایجاد می‌شوند که به آن‌ها پیوند شیمیایی یا متالورژیکی گفته‌می‌شود. فرآیندهای اتصال‌دهی متالورژیکی را براساس وقوع پدیده ذوب می‌تواند در سه دسته گنجاند؛ جوشکاری ذوبی[۱۶]، جوشکاری حالت جامد[۱۷] و لحیم‌کاری. اگر دو سطح مواد تحت اتصال ذوب و در هم امتزاج پیدا کند، فرآیند استفاده‌شده «جوشکاری ذوبی» خواهد بود. فلز پرکننده نیز در صورت استفاده در این فرآیند ذوب می‌شود. اگر هیچ‌گونه استحاله ذوبی در مواد تحت اتصال و پرکننده اتفاق نیفتد، فرآیند را «جوشکاری حالت جامد» گویند. در لحیم‌کاری، یک فلز پرکننده (لحیم) ذوب شده و با مواد تحت اتصال پیوند متالورژیکی برقرار می‌کند، بدون آن‌که سطوح تحت اتصال ذوب شوند. لحیم‌کاری سخت[۱۸] و نرم[۱۹] به‌ترتیب در دمایی بالاتر و پایین‌تر از ºC 450 انجام می‌شوند. برخلاف فرآیندهای جوشکاری، اتصالات لحیم‌شده می‌توانند موقت باشند و با حرارت‌دهیِ مجدد باز شوند.

در فرآیندهای شکل‌دهی از نیروی کافی برای تغییر شکل مومسانِ فلز استفاده می‌شود. تغییر شکل مومسان، برخلاف تغییر کشسان، بعد از باربرداری در قطعه باقی می‌ماند. گاه برای کاهش تنش تسلیم و/یا افزایش شکل‌پذیری قطعه نیاز است که فرآیند در دمایی بالاتر از دمای محیط انجام شود که به آن شکل‌دهیِ گرم گفته می‌شود. ورق‌کاری[۲۰]، که در این کارگاه به‌صورت عملی آموزش داده‌می‌شود، یکی از نمونه‌های فرآیند برشکاری و شکل‌دهی است. ورق[۲۱] از لحاظ ضخامت بین دو شکلِ فویل[۲۲] و صفحه[۲۳] قرار می‌گیرد. معیارِ ضخامتیِ دقیق برای این دسته‌بندی به کاربرد، جنس فلز، سنجه[۲۴] و مشخصات محصول بستگی دارد. اما به‌طور تقریبی می‌توان گفت فویل‌ها ضخامتی کم‌تر از mm 2/0 دارند و صفحات ضخیم‌تر از mm 6 هستند.

فرآیندهای ماشین‌کاری و برشکاری از نوع ساختِ کاهنده[۲۵] هستند، یعنی قطعه نهایی با حذف گزینشی از ماده اولیه تولید می‌شود. روش‌های ریخته‌گری و شکل‌دهی از نوع ساخت شکل‌دهنده[۲۶] هستند، بدین معنی که ماده اولیه در اثر اعمال نیرو به شکل نهایی در می‌آید. ساختِ فزاینده[۲۷] نیز گروهی دیگر از فناوری‌های ساخت و تولید است که امروزه در کانون توجه قرار دارد. انجمن مواد و آزمون آمریکا (ASTM[28]) این گروه از فرآیندها را این‌گونه تعریف می‌کند: «برخلاف فرآیندهای ساختِ کاهنده و شکل‌دهنده، ساختِ فزاینده فرآیندِ اتصال مواد برای ایجاد یک قطعه از داده‌های مدل سه‌بعدیِ آن است که معمولاً به‌صورت لایه‌به‌لایه انجام می‌شود». چاپگرِ سه‌بعدی[۲۹] از تجهیزات اصلی ساختِ فزاینده است که به‌کمک آن ذرات مواد به‌تدریج روی هم سوار می‌شوند تا قطعه نهایی ساخته‌شود. این فرآیند مشابه ساخت دیوار با چیدن آجرها روی هم است. اتصال بین ذرات می‌تواند به‌صورت چسبی یا متالورژیکی باشد.

منبع: کتاب کارگاه جوشکاری و ورق‌کاری دکتر مسعود فکوری حسن‌آبادی

لینک تهیه کتاب

توجه: با درج ایمیل معتبر حین خرید، ویرایش‌های بعدی این کتاب را به رایگان دریافت خواهید نمود.

[۱] . Casting

[۲] . Molding

[۳] . Machining

[۴] . Joining

[۵] . Shearing

[۶] . Forming

[۷] . Lathe

[۸] . Computer Numerical Control

[۹] . Mechanical Fastening

[۱۰] . Adhesive

[۱۱] . Metallurgical bonding

[۱۲] . Rivet

[۱۳] . Van der waals bond

[۱۴] . Hydrogen bond

[۱۵] . Micro-mechanical interlocking

[۱۶] . Fusion welding

[۱۷] . Solid state welding

[۱۸] . Brazing

[۱۹] . Soldering

[۲۰] . Sheet metal  working

[۲۱] . Sheet

[۲۲] . Foil

[۲۳] . Plate

[۲۴] . Gauge

[۲۵] . Subtractive manufacturing

[۲۶] . Formative manufacturing

[۲۷] . Additive manufacturing

[۲۸] . American Society for Testing and Materials

[۲۹] . ۳D printing