جوشکاری و متالورژی جوشکاری

جوشکاری و متالورژی جوشکاری

مقدمه ای بر جوشکاری و متالورژی جوشکاری : بیشتر سازه ها در صنعت از قطعات مختلف ( ریختگی ، آهنگری شده ، نوردی و ... ) تشکیل شده اند که با روش های گوناگونی بر یکدیگر متصل می شوند . روش های متفاوت اتصال فلزات به یکدیگر را برحسب نوع فرآیند و یا بنیان علمی آنها به دسته های مختلفی طبقه بندی نموده اند : الف ) روش های مکانیکی (پیچ ، پرچ ، پین ، خار و... ) ب) روش های متالورژیکی ( جوشکاری ، لحیم کاری و غیره ) ج) روش های شیمیائی ( چسب های معدنی و آلی ) و یا رده بندی بر اساس نوع اتصال : الف : روش های اتصال موقت ( پیچ و مهره ، پین و خار و....) ب : روش های اتصال نیمه موقت ( پرچ ، احتمالا لحیم کاری نرم و بعضی چسب ها ) ج : روش های اتصال دائم ( فرآیند جوشکاری و......) جوشکاری و رده بندی فرآیندهای جوشکاری : جوش ایده آل را می توان به محل اتصالی اطلاق نمود که نتوان آن موضع را از قسمت های دیگر قطعات جوش داده شده تشخیص داد .با وجود دست نیافتن به اینچنین مشخصات ، می توان خواص محل اتصال را چنان بالا برد که در عمل کاملا رضایتبخش باشد .نکته حائز اهمیت از نظر کارشناسی تشخیص نوع فلزی است که جوشکاری بر روی آن انجام می گیرد

نوع اتصال و کاربرد قطعه نیز به منظور انتخاب روش جوشکاری ، مواد لازم و نکات جانبی دیگر نیز از اهمیت زیادی برخوردار هستند . زیرا هر نوع جوش نمی تواند در تمام شرایط خواص مورد نظر را تامین نماید . انرژی مهمترین عامل در روش های جوشکاری برای اتصال دو قطعه است که می تواند از منابع شعله ای ، قوس الکتریکی ، مقاومت الکتریکی ، تشعشعی و یا مکانیکی تامین شده و به کار برده شود . به جز مواردی نظیر جوشکاری حالت جامد ، محل جوش از طریق ذوب شدن موضعی قطعات مورد جوش و اغلب همراه با ماده اضافی ( سیم جوش ) ، بوجود می آید . نکته حائز اهمیت دیگر تمیزی و عدم آلودگی سطح موضعی جوش است که باید عاری از هر گونه مواد اکسیدی و ناخالصی های دیگر باشد . این آلودگی ها می توانند بقایای مواد آلی ، گازهای جذب شده و یا ترکیباتی نظیر اکسید فلز باشند ، که رسیدن به خواص خوب اتصال مستلزم تمیز کردن این نوع آلودگی ها است . این پدیده که معمولا در هر نوع فرآیند جوشکاری پیش بینی می شود از طرق واکنش های شیمیایی ( سرباره ) ، پراندن ( از طریق قوس الکتریکی با جریان دائم و الکترود مثبت ) یا مکانیکی ( سائیدن یا مالیدن ) انجام یافته و ناخالصی ها از محل جوش زدوده می شوند . پس از حذف آلودگی های محل جوش ، این موضع باید در هنگام جوشکاری نیز از اکسیژن و ازت هوا دور نگهداشته شود چون هر کدام از این دو گاز می توانند تولید اکسید و نیترید در مذاب کرده و خواص جوش را به خطر بیاندازد . دور نگه داشتن محل جوش از هوا می تواند با استفاده از مواد پوششی نظیر فلاکس یا گازهای خنثی نظیر آرگون و یا گازهایی که نسبت به مذاب بی اثر هستند ، انجام گیرد .

همچنین می توان از طریق تماس نزدیک دو سطح یا لبه ها و کاهش نسبی هوای محبوس در آنها نیز این عمل را انجام داد و یا اینکه به طور کلی جوشکاری در خلا انجام پذیرد . در بعضی فرآیندها سرعت جوشکاری آنقدر سریع و حرارت محدود است که فرصتی برای انجام واکنش های اکسیدی وجود ندارد و ممکن است محافظت محل جوش از هوا ضرورتی نداشته باشد . در برخی موارد و روش ها از مواد اکسیژن زدا نیز استفاده می شود تا اکسیژن و مواد اکسیدی جذب شده توسط مذاب را نیز بتوان از آن خارج نمود . ترکیب شیمیائی محل جوش نیز برای رسیدن به جوش با خواص رضایتبخش از عوامل اصلی محسوب می شود که در بعضی مواقع مانند ریخته گری لازم است که مواد اکسیژن زدا یا آلیاژی به جوش اضافه شود ، چون برخی آلیاژها در یک حد معین از ترکیب شیمیائی قابلیت جوشکاری دارند . بحث در این زمینه یعنی رابطه شرایط جوشکاری ، ترکیب شیمیائی تعیین کننده در ساختار مکانیکی و خواص مکانیکی و همچنین حساسیت جوش و منطقه جوش ، ساختار میکروسکوپی و خواص مهندسی آن موضوع متالورژی جوشکاری است که در مباحث بعدی بررسی خواهد شد . به طور خلاصه هر روش جوشکاری با چهار عامل ضروری زیر روبرو است و معمولا رده بندی روش ها بر مبنای این چهار عامل انجام می گیرد : 1- انرژی لازم 2- حذف و زدودن آلودگی ها از سطح جوش 3- محافظت سطح جوش در هنگام جوشکاری 4- خواص متالورژیکی جوش و کنترل های لازم ساده ترین روش جوشکاری که می توان در نظر گرفت آنست که سطح قسمت های مورد جوش بسیار صاف و قابل تطبیق باشند به طوریکه بعد از قرار دادن این دو سطح در خلا الکترونها بین اتمهای مجاور دو سطح حالت اشتراکی داشته باشند . هر چند این نوع اتصال در فضا نیز قابل اجراست اما در عمل آماده کردن آنچنان سطح یا خلا برای اتصال امکان پذیر نیست .در عمل دو راه برای اتصال و رسیدن به تماس اتمی بین دو سطح وجود دارد : اول : از طریق فشار ، که دو سطح تحت فشار در حالت پلاستیکی تماس لازم را پیدا می کنند .این عمل گاهی هم با حرارت اولیه برای نرم کردن فلز همراه است . دوم : دو قطعه توسط پلی از فلز مذاب به همدیگر متصل شوند . این تفاوت پایه اولیه تقسیم بندی در روش های جوشکاری است که در دو گروه فرآیندهای جوشکاری حالت جامد (Solid State Welding ) و گروه فرآیندهای جوشکاری ذوبی یا حالت مایع تفکیک می شوند . لحیم کاری سخت ( Brazing) و لحیم کاری نرم ( Soldering ) در بعضی منابع جزو فرآیندهای جوشکاری محسوب نمی شوند . در لحیم کاری معمولا اتصال توسط پلی از مذاب فلز پرکننده با نقطه ذوب پائین تر از فلز اصلی ، برقرار می شود و بر اساس خاصیت موئینگی انجام می گیرد . جوش برنج ( Braze Welding ) یا زرجوش فرآیندی است در میانه فرآیندهای جوشکاری ذوبی و لحیم کاری . فرآیند اتصال از طریق نفوذ سطحی یا نفوذ زنجیره ای نوع خاصی از اتصال در حالت جامد است دو سطح در خلا حرارت داده و بهم دیگر فشرده می شوند .

در این شرایط دیفوزیون ( نفوذ) در سطح مشترک به سهولت انجام می گیرد . گاهی هم برای تسریع در عمل نفوذ ، از لایه نازک فلز واسطه ای که آسانتر در دو سطح مورد جوش نفوذ کند ، استفاده می شود . همانطور که اشاره شد یکی از پایه های تقسیم بندی روش های جوشکاری نوع و نحوه انتقال انرژی به موضع مورد جوش می باشد . حرارت لازم به وسیله یکی از طرق زیر تولید می شود : 1) مکانیکی ، که می تواند در اثر ضربه یا مالش تولید شده و یا با تغییر فرم پلاستیکی و الاستیکی آزاد شود . 2) شیمیائی – حرارتی ، واکنش های حرارت زا در شعله و یا قوس پلاسما ( در قوس پلاسما واکنش شیمیائی انجام نمی شود اما نحوه انتقال حرارت شبیه سوختن گاز می باشد و بدین علت گاهی شعله پلاسما هم نامیده می شود ) 3) مقاومت الکتریکی ، حرارت در این روش می تواند مستقیماﹰ از طریق عبور جریان الکتریکی به فلزی که باید جوش داده شود بوجود آید و یا توسط جریانی که به داخل قطعه القا می شود تولید گردد . 4) قوس الکتریکی ، عبور جریان یکنواخت یا متناوب می تواند قوس الکتریکی بین الکترود و کار بوجود آورد . الکترود ممکن است ذوب شونده و یا ذوب نشدنی باشد . 5) انرژی تشعشعی ، این نوع انرژی شامل لیزر یا اشعه الکترونی و یا روش های مدرن دیگر است .

با در نظر گرفتن تولید حرارت و نحوه محافظت محل جوش از اتمسفر و سایر نکات گفته شده دیگر ، می توان هفت گروه زیر را در فرآیندهای جوشکاری مجزا نمود : 1) فرآیندهای جوشکاری حالت جامد نظیر : فرآیند جوشکاری اصطکاکی Friction Welding ، فرآیند جوشکاری پتکه ای Forge Welding ، فرآیند جوشکاری فشاری Pressure Welding . 2) فرآیندهای جوشکاری شیمیائی – حرارتی ، نظیر : فرآیند جوشکاری با شعله یا گاز Gas Welding و فرآیند جوشکاری ترمیت Thermit Welding . 3) فرآیندهای جوشکاری مقاومتی ، نظیر : فرآیند جوشکاری مقاومتی نقطه ای Spot Resistance Welding ، فرآیند جوشکاری مقاومتی نواری Seam Resistance Welding ، فرآیند جوشکاری جرقه ای Flash Welding . 4) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی نپوشیده ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس الکترود دستی Manual Metal – Arc Welding (MMAW) ، فرآیند جوشکاری الکترود مداوم Automatic Metal – Arc Welding . 5) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی پوششی زیر لایه سرباره ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس مخفی ( زیر پودری ) Submerged Welding . 6) فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی پوشیده شده با گاز ، نظیر : فرآیند جوشکاری قوس الکترود تنگستن TIG ، فرآیند جوشکاری قوس – الکترود فلزی محفوظ در گاز MIG یا جوش CO2 . 7) فرآیندهای جوشکاری با انرژی تشعشعی ، نظیر : فرآیند جوشکاری با پرتو لیزر Laser Welding و فرآیند جوشکاری با پرتو الکترونی Electron Beam Welding .

به طور کلی عملیات جوشکاری شامل مراحل زیر است : الف ) نگهداشتن طول مناسب قوس الکتریکی یا شعله و متناسب رساندن الکترود یا مفتول برای ذوب و مخلوط شدن در جوش ب ) حرکت و هدایت نوک الکترود ، مفتول و یا مشعل در سرتاسر جوش ج ) انتقال و حاضر کردن قطعاتی که باید بر روی آن جوشکاری شود . متالورژی جوشکاری : جوشکاری تلفیقی از علم و تجربه می باشد که با تنوع روزافزون در مصارف آلیاژی ، مسائل و مشکلات ناشی از آن نیز پیچیده تر و بیشتر است . اطلاع از دلایل وقوع این مشکلات و عیوب و تدابیر برای رفع و یا کاهش دادن آنها نیاز به دانستن متالورژی فرآیندهای جوشکاری دارد .

به طور کلی متالورژی شامل دو قسمت است : 1) فرآیندهای احیا و استخراج فلزات از سنگ معدن ، تصفیه و تهیه آلیاژهای مختلف از آنها ، ریخته گری و شکل دادن فلزات برای تولید قطعات مختلف صنعتی و غیر صنعتی . 2) متالورژی فیزیکی یعنی شناسایی ساختمان فلزات و آلیاژها و خواص آنها و ارتباط ترکیب شیمیایی ، نحوه تولید ، ساختمان میکروسکوپی و خواص آنها به یکدیگر می باشد . متالورژی جوشکاری ارتباط به هر دو قسمت متالورژی دارد ، به عنوان مثال در فرآیندهای جوشکاری ذوبی که فلاکس یا سرباره ( شامل ترکیبات آهک ، سیلیس ، فلراسپار ، آلومینا و غیره ) بر روی فلز جوش مذاب حضور دارد . واکنش ها و تعادل های سرباره و فلز مذاب شبیه فولادسازی است . فقط زمان واکنش کوتاه تر ، حجم مذاب و سرباره کم تر و درجه حرارت بالاتر می باشد . همچنین در اغلب پوشش الکترودها ترکیبات آلیاژی نظیر فرومنگنز و فروسیلیسیم وجود دارد که ضمن عملیات جوشکاری قسمتی وارد مذاب فلز جوش شده و آلیاژ مورد نظر را بوجود می آورد و قسمت دیگر صرف اکسیژن زدایی مذاب می گردد که تا حدودی به عملیات تصفیه و آلیاژسازی شباهت دارد . مثال دیگر نحوه انجماد و رشد کریستال های جامد و تغییر فازها ضمن سرد شدن در حوضچه جوش و منطقه مجاور آن می باشد که شباهت بزدیکی با آنچه در ریخته گری فولاد یا قطعات دیگر اتفاق می افتد دارد ، با این تفاوت که حجم مذاب کم و سرعت سرد شدن سریع تر بوده و انجماد از دیواره های قالب ( ماسه ، گچ و مواد دیگر ....) انجام نمی گیرد بلکه از روی کریستال های جامد فلز قطعه کار شروع می شود.

تاثیر عناصر آلیاژی و نحوه سرد شدن یا عملیات حرارتی پس از انجماد بر روی ساختمان میکروسکوپی و خواص مکانیکی فلز جوش با آنچه که در متالورژی فیزیکی و مکانیکی بحث می شود تفاوت چندانی ندارد . واضح است در جوشکاری فلزات و آلیاژهای آنها علاوه بر انتخاب صحیح فرآیند جوشکاری و طرح مناسب ، باید شناخت کامل از مسائل متالورژیکی مربوط داشت تا بتوان الکترود و فلاکس مناسب را انتخاب کرده و شرایط عملیات جوشکاری ، سرد شدن و احتمالا عملیات حرارتی پس از جوشکاری را به طریقی پیش بینی نمود تا جوش حاصله پاسخگوی نیاز و کاربرد قطعه باشد .