پیشرفت‌های فناوری اتصال آلیاژهای آلومینیوم

اتصال آلیاژهای آلومینیوم به‌دلیل رسانایی حرارتی بالا، لایهٔ اکسیدی پایدار و حساسیت به عیوب انجمادی همواره چالش‌برانگیز بوده است. طی یک دههٔ اخیر، جهش‌های فناورانه در فرآیندهای حالت‌جامد (مانند اصطکاکی-اغتشاشی FSW و نقاطی RFSSW/FSSW) و ذوبی (لیزر، هیبرید لیزر-قوس، CMT) مسیر دستیابی به جوش‌ آلومینیوم ، با اعوجاج پایین و خواص مکانیکی بالاتر را هموار کرده است. تازه‌ترین مطالعات نشان می‌دهد با انتخاب صحیح فرآیند، کنترل پنجرهٔ پارامتری و اعمال عملیات پس‌فرآیند (مانند Retrogression & Re-Aging – RRA برای سری 7xxx)، می‌توان مقاومت به خستگی را به‌طور معناداری افزایش داد، ثبات حرارتی را بهبود بخشید و چقرمگی شکست را ارتقا داد.

این مقاله از دانشنامه آلومینیوم ایراک به بررسی انواع روش‌ها و راهکارهای اتصال آلومینیوم با آلیاژهای مختلف می‌پردازد.

چرا اتصال آلومینیوم هنوز چالش است؟

آلومینیوم به‌دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و قابلیت بازیافت، مادهٔ کلیدی در حمل‌ونقل سبک‌وزن، انرژی‌های نو و سازه‌های دریایی است. اما در اتصال ذوبی (Fusion) با مسائلی چون حفره‌زایی (Porosity)، ترک داغ (Hot/Solidification Cracking) و نرم‌شدگی منطقهٔ HAZ مواجهیم؛ در اتصال حالت‌جامد نیز کیفیت به ورودی گرمایی موضعی، جریان پلاستیک و ریزدانه‌سازی دینامیکی وابسته است. فناوری‌های نو (FSW/RFSSW، هیبرید لیزر-قوس، CMT) با کاهش ورودی حرارت و کنترل ریزساختار، این شکاف‌ها را پر کرده‌اند.

نمای کلی فرآیندها و مسیرهای نوین

1- فرآیندهای حالت‌جامد

• Friction Stir Welding (FSW) و Friction Stir Spot Welding (FSSW/RFSSW): ابزار دوّار، اتصال در حالت‌جامد، اعوجاج پایین و حذف عیوب انجمادی. نسخهٔ RFSSW با پرکردن حفرهٔ مرکزی، عیب «Keyhole» را حذف و عملکرد خستگی را بهبود می‌دهد. مطالعات اخیر روی آلیاژهای 2xxx/6xxx/Al-Li نشان داده‌اند RFSSW با انتخاب نسبت مناسب سرعت-فشار، مقاومت برشی و دوام خستگی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
• اتصال اولتراسونیک (Ultrasonic Metal Welding) و انتشار-پیوست (Diffusion Bonding): گزینه‌های جذاب برای اتصال ورق‌های نازک، باتری و اتصالات ناهمجنس (Al–Cu/Al–Ni) با ورودی حرارت بسیار کم؛ هرچند کنترل آلودگی سطحی و فشار تماس حیاتی است. (مرجع مرور کلی در بخش منابع)

2- فرآیندهای ذوبی کم‌گرما

• Cold Metal Transfer (CMT): زیرشاخهٔ GMAW با کنترل پس‌خورندهٔ سیم (reversing wire motion) که ریزش قطره‌ای پایدار، پاشش بسیار کم و ورودی حرارت پایین ایجاد می‌کند؛ مناسب ورق‌های نازک، WAAM و اتصالات ناهمجنس Al–Steel/Al–Mg. مرورهای جدید، کاهش اعوجاج و عیوب و ارتقای خواص مکانیکی را گزارش کرده‌اند.
• هیبرید لیزر–قوس (Laser–Arc Hybrid): هم‌افزایی نفوذ عمیق لیزر و ترازش قوس برای سرعت بالا، نفوذ زیاد و تخلخل کمتر. تازه‌ترین نتایج نشان می‌دهد نوسان بیم لیزر (Laser Oscillation) می‌تواند تخلخل جوش را از ~۵٪ به ~۰.۱٪ کاهش دهد و پایداری حوضچه را افزایش دهد.

مقاومت به خستگی (Fatigue) در اتصالات آلومینیوم

1- منابع تضعیف خستگی

• نرم‌شدگی HAZ در 6xxx/7xxx به‌علت درشت‌شدن رسوبات و کاهش چگالی نابجایی
• عیوب حجمی/سطحی (تخلخل، لاک‌نقطه، کلیدخانه) به‌عنوان جوانه‌زن ترک
• تنش‌های پسماند ناشی از شیب دمایی و قفل‌شدگی ترمومکانیکی

2- پیشرفت‌های کلیدی

• FSW/FSSW/RFSSW: به‌دلیل حالت‌جامد و ریزدانه‌سازی، منحنی‌های S-N بهبود می‌یابد. RFSSW با حذف «Keyhole» افت دوام را جبران می‌کند؛ در برخی پیکربندی‌ها، افزایش چندده درصدی عمر خستگی گزارش شده است.
• CMT: کاهش ورودی حرارت → HAZ باریک‌تر و ریزساختار همگن‌تر؛ در آلیاژهای دشوارجوش مانند AA2024، CMT با کاستن از ترک‌داغ و تخلخل، عملکرد خستگی را در قیاس با MIG معمولی بهبود داده است.
• هیبرید لیزر–قوس: کاهش تخلخل و بهبود ترازش نفوذ موجب ارتقای حدخستگی؛ روش‌های نوین برآورد حدخستگی بر اساس «انرژی اتلافی» در جوش‌های لیزری آلومینیوم در حال تثبیت است.

3- توصیهٔ طراحی برای صنعت

• هندسهٔ اتصال و آماده‌سازی لبه‌ها را به‌گونه‌ای انتخاب کنید که تنش‌های گوشه‌ای و تمرکز تنش کمینه شود (radiusing/undercut control).
• پرداخت پس‌جوش (ماشین‌کاری سبک، شات‌پینینگ، HFMI) برای حذف ناهمواری‌های سطحی و القای تنش‌های فشاری مفید است.
• برای سری 7xxx، در پروژه‌های حساس، PWHT هدفمند (بخش 5) برای بازگردانی رسوبات تقویتی توصیه می‌شود.

ثبات حرارتی (Thermal Stability) و رفتار دمایی

عملکرد اتصال در سرویس‌های داغ (خودرو، هوافضا) تابع پایداری رسوبات تقویتی و رشد دانه است.

• در 6xxx (Al–Mg–Si)، نگهداری طولانی در 150–200°C موجب Over-Aging و افت استحکام می‌شود؛ انتخاب فرآیند کم‌گرما (FSW/CMT/Hybrid با انرژی کم) پهنای HAZ را محدود می‌کند.
• در 7xxx (Al–Zn–Mg–Cu)، حساسیت به Stress Corrosion Cracking – SCC و رشد دانه‌های مرزی مطرح است؛ راهبردهای RRA پس‌جوش می‌تواند هم استحکام و هم مقاومت به خوردگی/سایش را برگرداند.
  

چقرمگی شکست (Toughness) و رفتار تردی

چقرمگی شکست (K_IC/CTOD) به پیوستگی متالورژیکی، اندازهٔ دانه، فازهای بین‌فلزی و عیوب حجمی حساس است.

• FSW با دانه‌های ریزهم‌محور در ناحیهٔ NZ و مرزهای دانهٔ تمیز معمولاً چقرمگی بالاتری نسبت به جوش‌های ذوبی نشان می‌دهد.
• در جوش‌های ذوبی، تخلخل و IMCs (به‌ویژه در اتصالات ناهمجنس Al–Steel) می‌توانند چقرمگی را کاهش دهند؛ CMT و Hybrid با کاهش حرارت و سرعت خنک‌کاری کنترل‌شده، مقدار و پیوستگی IMCها را محدود می‌کنند.

جدول راهنمای انتخاب فرآیند (کاربرد صنعتی)

راهبردهای پس‌فرآیند برای بازگردانی خواص

1- RRA برای 7xxx

چرخهٔ Retrogression (دمای میانی کوتاه‌مدت) + Re-Aging (دمای پایین) می‌تواند پس از جوشکاری، استحکام، مقاومت به SCC و حتی مقاومت حفره‌ای را در ناحیهٔ هم‌زده/HAZ بهبود دهد؛ مطالعات 2022–2025 نشان داده‌اند RRA-PWHT مقاومت به Pitting/SCC و دوام مکانیکی را نسبت به حالت As-Welded ارتقا می‌دهد.

2- عملیات سطحی و تنش‌زُدایی

• شات‌پینینگ/لیزر پینینگ: القای تنش فشاری و ارتقای حدخستگی
• آندایزینگ سخت/پوشش‌های تبدیل: بهبود مقاومت خوردگی (برای سرویس دریایی/خوردگی-خستگی)
• تنش‌زدایی حرارتی سبک: کاهش تنش پسماند بدون رشد بیش‌ازحد رسوبات

کنترل عیوب و تضمین کیفیت (QA/QC)

آزمون‌ها و پایش‌ها: NDT فراصوتی/پرتونگاری، استخراج منحنی‌های S-N، اندازه‌گیری تنش پسماند (XRD-Sin²ψ)، نقشه‌برداری ریزساختار (EBSD/TEM).

روندهای نوظهور و مسیرهای تحقیق آینده

• FSW چندمحوره و ابزارهای خلاقانه برای کنترل جریان ماده و کاهش عیوب Kissing-Bond؛ Synchronous/Simultaneous Dual-FSW با کنترل تنش پسماند و رشد ترک خستگی.
• Hybrid Laser–TIG/MIG با نوسان بیم برای مهار تخلخل و ریزساختار هم‌محور؛ فرصت مناسب برای خطوط بدنهٔ خودرو با سرعت بالا.
• CMT در WAAM (Wire-Arc AM) جهت تولید و ترمیم قطعات آلومینیومی با تنش پسماند کمتر و ریزساختار کنترل‌شده.
• مدل‌سازی مبتنی بر انرژی اتلافی برای برآورد سریع حدخستگی اتصالات لیزری/هیبریدی در مرحلهٔ توسعهٔ محصول.

جمع‌بندی کاربردی برای صنایع

1. اگر دوام خستگی/چقرمگی اولویت شمارهٔ یک است (هوافضا، ریلی، سازه‌های ایمنی‌حساس)، FSW/RFSSW گزینهٔ طلایی است.
2. برای ورق‌های نازک بدنهٔ خودرو و تولید انبوه با سرعت بالا، CMT و Hybrid Laser–Arc با ورودی حرارت کم و کنترل تخلخل توصیه می‌شوند.
3. در آلیاژهای سری 7xxx و سرویس‌های داغ/خورنده، RRA-PWHT و پوشش‌های حفاظتی پس‌جوش را از ابتدا در طرح فرآیند لحاظ کنید.
4. از NDT پیشرفته + تست‌های خستگی و نقشه‌برداری تنش پسماند برای بستن حلقهٔ مهندسی کیفیت بهره بگیرید.

منابع علمی

• FSW/FSSW/RFSSW و مرورهای اخیر: Metals (MDPI), 2025؛ و مطالعات RFSSW در Al-Li و 6xxx.
• هیبرید لیزر–قوس و کاهش تخلخل با نوسان بیم: Metals (MDPI), 2025؛ Optics & Laser Technology/Applied Optics 2025.
• CMT: مرورهای ScienceDirect (2022–2024)، Applied Sciences/ASTM، وبلاگ فنی فرونیوس (سیر تحول CMT).
• اتصال ناهمجنس Al–Steel با CMT/کاهش IMC: مرورهای 2023–2024.
• ارزیابی حدخستگی جوش‌های لیزری با انرژی اتلافی: Experimental Mechanics (Springer), 2025.
• RRA و بهبود SCC/پیتینگ در 7xxx پس‌جوش: Studies in 2004–2025؛ Results on RRA-PWHT 2022–2023.
• نمونه‌های کاربردی FSW در آلیاژهای 2xxx/356 و تحلیل ریزساختار-مکانیک: 2024–2025.
• مقایسهٔ فرآیندها در بدنهٔ خودرو/خطوط تولید پرسرعت: Journal of Welding and Joining, 2024.

به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.