ساخت و تولید

معرفی ونمایش مطالب ومقالات علمی ونمونه سوال در زمینه رشته ساخت وتولید

جوش‌پذیری فولادهای پرکربن؛ مشکلات و راهکارها

اشاره

فولادهای ساختمانی به‌هنگام جوشکاری، در ناحیه حرارت‌دیده تمایل به سخت‌شدن دارند زیرا سرعت سردشدن اتصالات جوشی، اثراتی مشابه تبرید در عملیات حرارتی ایجاد می‌کند. در گام اول، میزان سخت‌شوندگی به ترکیب فولاد بستگی دارد. فولادهای ساختمانی، مقداری عناصر آلیاژی دارند و برای سهولت بحث در زمینه بازتاب اثر آنها در جوشکاری، از واژه کربن معادل1 استفاده می‌شود (شکل 1). فولادهای پرکربن و کربن متوسط به‌دلیل برخورداری از مقادیر بیشتری کربن، به‌هنگام جوشکاری مشکلاتی را ایجاد می‌کنند. این فولادها شامل 40% درصد کربن به بالا هستند و جوش‌پذیری پایینی دارند. علت این خاصیت، امکان تشکیل ساختاری ترد به محض انجام فرایند جوشکاری است. اگر بخواهیم از ایجاد ترک سرد2 جلوگیری شود، مواد مصرفی کم هیدروژن و روش‌هایی همچون پیش‌گرم، پس‌گرم، کنترل دمای بین پاسی و آزادسازی تنش، ضروری است. در برخی مواقع از الکترودهای نیکلی در جوشکاری فولادهای پرکربن و کربن متوسط استفاده می‌شود.


 

 

ترک سرد یکی از معضلات جوشکاری است که باعث شکست قطعه از ناحیه جوش می‌شود. ترک سرد در فولادهای پرکربن بویژه در ضخامت‌های بالا، به‌شرط وجود سه عامل پدید می‌آید:

1. وجود هیدروژن در محیط جوشکاری و جذب آن به داخل قطعه

2. وجود ساختارهای ترد در قطعه

3. وجود تنش پسماند در قطعه یا اعمال تنش در قطعه در حین کار

با کنترل یکی از شرایط یادشده می‌توان از ایجاد ترک سرد جلوگیری کرد. برای کنترل عوامل فوق ، روش‌های گوناگونی وجود دارد که ابتدا به بررسی معایب هرکدام پرداخته، سپس روش‌های کنترل هریک را به اختصار توضیح می‌دهیم.

هیدروژن

تاثیر اصلی هیدروژن بالا رفتن سختی در ناحیه حرارت‌دیده و تشکیل ترک است که استحکام اتصال را به‌نحو موثری کاهش می‌دهد. اگر هیدروژن به‌صورت محلول در امتداد خط ذوب وجود داشته باشد، هنگامی که سختی از حدود 300 ویکرز بیشتر باشد، احتمال تشکیل ترک بسیار زیاد خواهدبود. این میزان سختی به وسیله تغییرات متالورژیکی در ناحیه حرارت‌دیده بیان و با ترکیب قطعه و سرعت سردشدن آن کنترل می‌شود. این امر در جوشکاری مشکل بزرگی ایجاد می‌کند، زیرا فولادهای با استحکام بالا الزاماً مقدار کربن معادل بیشتری از فولادهای کم کربن دارند. زمانی‌که فولادهایی با کربن معادل بیشتر از 4% درصد جوشکاری می‌شوند، نه‌تنها سرعت تبرید باید کاهش یابد بلکه میزان هیدروژن نیز باید در کمترین مقدار ممکن باشد.

هیدروژن موجود در حوضچه جوش از منابع مختلف، از جمله پوشش الکترود، رطوبت گاز، چربی موجود روی سیم پرکننده3 و قطعه کار ناشی می‌شود. هیدروژن در فلز مذاب محلول است و به‌سمت فلز پایه4 جریان یافته و در ناحیه حرارت‌دیده متمرکز می‌شود. نفوذ هیدروژن به درون فولاد، استحکام نهایی آن را کاهش می‌دهد. یکی از ویژگی‌های نفوذ هیدروژن در فولادهای با استحکام بالا، اثر آن بر زمان موردنیاز شکست است. هرچه مقدار هیدروژن موجود در فولاد بیشتر باشد، تنش لازم برای شکست کمتر بوده و زمان لازم برای شکست در تنش ثابت نیز کوتاهتر است. توزیع واقعی هیدروژن در یک اتصال جوشی تا حدودی به درجه حرارت فلز پایه بستگی دارد. هیدروژن در فلزات گرم سریعاً منتشر می‌شود، اما در دمای اتاق بسیار به‌کندی حرکت می‌کند.


 

راهنمای جوش فلزات کربنی کم آلیاژ

 

جدول (1) راهنمای جوش فلزات کربنی کم آلیاژ

 

بنابراین هنگام جوشکاری، به آسانی به‌طرف ناحیه حرارت دیده جریان یافته، اما بعد از جوشکاری امکان خروج از این ناحیه را ندارد و پیش‌گرم کردن قطعه کار، هیدروژن را قادر می‌سازد که در محدوده وسیع‌تری منتشر شود و به‌این ترتیب تمرکز آن در ناحیه سخت‌شده کاهش می‌یابد و پیش‌گرم کردن، سرعت سردشدن را نیز کاهش داده و حداکثر سختی را پایین می‌آورد.

 

عوامل موثر در ترک‌خوردگی ناحیه حرارت‌دیده در یک اتصال جوشی در فولادهای ساختمانی:

 

1.سختی در ناحیه حرارت‌دیده به سرعت سرد شدن و مقدار کربن معادل بستگی دارد.

 

2. اگر مقدار سختی ناحیه حرارت‌دیده از مقدار بحرانی بیشتر شود، احتمال ترک‌خوردگی وجود دارد.

 

3. در عمل، سرعت تبرید به وسیله گرمای ورودی، پیش‌گرم کردن و ضخامت کنترل می‌شود.

 

الکترودهای مناسب در جوشکاری فولادهای پرکربن

 

  تاثیر کربن معادل و سرعت سردشدن در ایجاد احتمالی ترک

 

شکل1: تاثیر کربن معادل و سرعت سردشدن در ایجاد احتمالی ترک

 

 

 

الکترودهای جوش معرفی شده در جدول1، براساس استاندارد AWS A5.5 به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

 

E-XXXX-X

 

E نشانگر الکترود، دو عامل اول XX نشانگر استحکام فلز جوش ( بر اساس Ksi)، عامل سوم x نشانگر موقعیت جوشکاری، عامل چهارم x نشانگر نوع پوشش الکترود و آخر x نشانگر پسوند الکترود است. پوشش‌های سلولزی بالا با اعداد 0 و1 نشان داده می‌شوند. پوشش‌های روتیلی با عدد 4 نشان داده می‌شوند. پوشش‌های قلیایی (کم هیدروژن) با اعداد 5 و 6 و8 نشان داده می‌شود. الکترودهای آستنیتی در استاندارد AWS-A.5.4 بررسی می‌شوند. در مورد این نوع الکترودها باید گفت الکترودهای آستنیتی مقدار قابل‌توجهی هیدروژن را می‌توانند در حالت جامد در خود حل کرده و از ترک هیدروژنی پیشگیری کنند. به‌بیان دیگر الکترودهای آستنیتی حد حلالیت هیدروژن در فولادهای کربنی (در حالت جامد) را افزایش می‌دهند. این امر سبب پیشگیری از تجمع هیدروژن از حالت محلول در مذاب به غیر محلول در جامد می‌شود و شکست هیدروژنی اتفاق نمی افتد، اما در استفاده از این نوع الکترودها گفته می‌شود که باید در جوش هایی به کار روند که فلز پایه، خود، آستنیتی باشد تا در مجموع، ساختار آستنیتی بتواند ویژگی‌های گفته شده را نشان دهد. اگر زمینه (فلز پایه) فریتی باشد، این نوع الکترود نمی تواند موثر باشد با توجه به درصد کربن در فولادهای پرکربن (بیش از 0.6 درصد) و جدول 1 روش الکترود کم‌هیدروژن همراه پیش‌گرم کردن زیاد یا الکترود آستنیتی یا جوشکاری TIG برای جوشکاری این نوع فولادها توصیه می‌شود.

 

وجود ساختار ترد و تنش پسماند در قطعه

 

ساختار ترد فولادهای پرکربن که ناشی از تشکیل فاز مارتنزیت و همچنین تنش‌های پسماند ناشی از انبساط و انقباض فولادهای پرکربن در حین جوشکاری می‌باشد، از عوامل مهم ایجاد ترک سرد در این نوع فولادها است. به‌منظور پیشگیری از این نوع ترک روش‌های زیر توصیه می‌شود:

 

-          پیشگرمی5جوش

 

بالا بردن حرارت یک قطعه را قبل از شروع جوشکاری پیش گرمی می‌گویند. این فرایند به‌دلایل گوناگون بکار می‌رود که مهم‌ترین آنها عبارتند از:

 

1. جلوگیری از ایجاد ترک سرد در ناحیه حرارت‌دیده جوش در فولادهای سخت‌شونده

 

2. جلوگیری از تاثیر هیدروژن که به ناحیه حرارت‌دیده نفوذ می‌کند.

 

3. کم‌کردن تنش‌های باقیمانده

 

دمای پیشگرمی به ترکیب فولاد، یکپارچگی قطعاتی که به یکدیگر جوش می‌شوند و فرایند جوشکاری بستگی دارد. دمای پیشگرمی مناسب از 310 کلوین تا 922 کلوین تغییر می‌کند.

 

با مقایسه پیش‌گرمی و پس‌گرمی می‌توان گفت که پس‌گرمی ترک‌های ایجادشده در حین جوشکاری را علاج نمی‌کند بلکه می‌تواند نواحی سخت شده را نرم کرده و تنش‌های انقباضی را کاهش دهد. عملیات پس گرمی جوش معمولاً به‌معنای گرم کردن جوش پس از تمام شدن کل آن یا قسمتی از جوش تا دمای نسبتاً زیاد است.

 

پیش‌گرمی سرعت سرد شدن بعد از جوشکاری را کاهش می‌دهد. هرچه دمای پیش‌گرمی زیادتر باشد سرعت سردشدن بعد از جوشکاری به‌همان اندازه پایین‌تر خواهدبود. منطقه متاثر از حرارت برای مدت زمان طولانی‌تری در محدوده درجه حرارت تبدیل باقی می‌ماند و امکان تبدیل آستنیت به فریت و پرلیت یا بینیت (به جای تبدیل به مارتنزیت) افزایش می‌یابد.

 

اگر دمای پیش‌گرمی نسبتاً کم باشد (B در شکل‌2) احتمال دارد ناحیه حرارت‌دیده جوش به مارتنزیت تبدیل شود. به‌نظر می‌رسد یکی از مشخصه‌های تشکیل مارتنزیت در فولادهای پرکربن (0.60 درصد کربن یا بیشتر) یا کم‌کربن آنست که درصد آستنیت که به مارتنزیت تبدیل می‌شود با کاهش دما، افزایش پیدا می‌کند، البته با فرض اینکه سرعت سرد شدن از حد بحرانی گذشته باشد. بااین‌حال در دمای M احتمالاً فقط درصد ناچیزی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود. با پایین‌آوردن دما به B مقدار زیادتری از آستنیت به مارتنزیت تبدیل شده و واکنش هنگامی متوقف می‌شود که درصد معینی از آستنیت به مارتنزیت تبدیل شده باشد. در طول سرد شدن تا دمای محیط، A، تقریباً تمامی آستنیت به مارتنزیت تبدیل می‌شود.

 

  نمودار TT مربوط به فولادهای کربنی

 

شکل 2: نمودار TT مربوط به فولادهای کربنی

 

روش پیش‌گرم کردن

 

انبساط و انقباض غیریکنواخت در جوشکاری، مشکل‌ساز است.در نتیجه باید پیش‌گرم کردن حتی‌الامقدور به‌طور یکنواخت انجام شود. مطلوب‌ترین حالت، پیش‌گرم‌کردن کل قطعه است. پیش‌گرم‌کردن کل قطعه برای قطعات کوچک بااستفاده از کوره یا شعله گاز دشوار نیست، اما پیش‌گرم کردن کل قطعات بزرگ مشکل است. پیش‌گرم‌کردن فلز پایه باید کنترل شده باشد. بهترین روش پیش‌گرم‌کردن، گرم کردن کل قطعه در داخل کوره یا استفاده از سیم‌پیچ‌های القای الکتریکی یا به‌وسیله پتوهای گرمکن مقاومت الکتریکی است. برای ضخامت‌های کم لامپ‌های تشعشعی یا دمش هوای داغ نیز کفایت دارد.

محدوده دمای پیش‌گرم‌کردن


دمای پیش‌گرم‌کردن به نوع اتصال، ضخامت فلز، جنس قطعه و ورودی حرارت هر پاس جوش بستگی دارد. دمای پیش‌گرم کردن محدوده وسیعی دارد. دماهای پیش‌گرمی پیشنهادشده برای کربن مطابق جدول 2 است.

 

محدوده دمای پیش‌گرم‌کردن

 

جدول (2) محدوده دمای پیش‌گرم‌کردن

 

در فولادهای سخت‌شونده وابستگی تبدیل آستنیت مارتنزیت به دما تا اندازه‌ای مدیون تاثیر مفید پیش‌گرمی در 366°K تا 477?K برای جلوگیری از ترک در ضمن جوشکاری است.

 

قبل از بررسی تاثیر پیش‌گرمی بر روی تنش‌های باقیمانده یادآوری یک نکته مهم ضروری است. می‌دانیم که اغلب در نواحی حرارت‌دیده جوش فولادهای پرکربن و با کربن متوسط نقاط سخت ایجاد می‌شود و می‌دانیم که اگر ناحیه‌ای سخت وجود داشته باشد در مراحل نهایی سرد شدن، احتمال ایجاد ترک سرد وجود دارد. به‌این صورت تنش‌های انقباضی و همچنین انبساط ناشی از تبدیل آستنیت با مارتنزیت، ناحیه مارتنزیت را که هم سخت بوده و هم فاقد خاصیت چکش‌خواری است، می‌ترکاند. انجام پیش‌گرمی تا دمای بالاتر588?K تا 699?K که اغلب برای فولادهای با کربن بیشتر از 30% لازم است از تشکیل مارتنزیت در حین جوشکاری جلوگیری می‌کند، به‌شرطی که:

 

1. فولاد پس از جوشکاری به‌مدت طولانی و کافی در دمای پیش‌گرمی نگهداشته شود تا انتقال فاز به یک ساختار نرم منتهی شود.

 

2. یا سرعت سردشدن از دمای پیش گرمی به اندازه کافی کند و آرام باشد تا ساختاری غیر از ماتنزیت بوجود آید.

 

در هر حال، هنگام جوشکاری فولادهای سخت‌شونده این سوال مطرح می‌شود که پیش‌گرمی لازم است یا نه. اگر بدون پیش‌گرمی، مارتنزیت سخت تشکیل شود، احتمال ایجاد ترک در فولادهای با کربن متوسط و بالاتر وجود دارد که پس گرمی، این ترک‌ها را اصلاح نخواهد کرد. پس در این نوع فولادها پیش‌گرم به‌صورت اکید توصیه می‌شود.

 

-         پس‌گرمی

 

پس‌گرمی کل جوش و یا فقط یک قسمت از آن برای به‌دست آوردن یک یا تمامی اهداف زیر انجام می‌شود:

 

1. تنش‌زدایی

 

2. افزایش چقرمگی

 

3. افزایش استحکام

 

4. افزایش مقاومت به خوردگی

 

5. از بین بردن کار سرد.

 

می‌توان گفت تنش‌زدایی6 در عملیات پس‌گرمی از مهم‌ترین و اصلی‌ترین فرایندها محسوب می‌شود.

 

جوشکاری،عملیاتی است که ممکن است باعث ایجاد تنش‌های کششی در قطعه شود. در اینجا نیز ناحیه جوش که به حالت مذاب در آمده در ضمن انجماد منقبض می‌شود. از آنجا که فلز پایه سرد بوده و انعطاف‌پذیری نسبتاً کمی دارد (در مقایسه با فلز ناحیه جوش که در دمای بالاتری قرار دارد) در برابر تغییر شکل ناشی از انقباض ناحیه جوش مقاومت کرده و ناحیه جوش تا حدودی نواحی مجاور آن را تحت تنش کششی قرار می‌دهد از این‌رو توصیه می‌شود که در صورت امکان قطعات جوشکاری شده را تنش‌زدایی کنند. عملیات حرارتی تنش‌زدایی عبارت از گرم کردن یکنواخت یک سازه تا دمای زیر حد بحرانی و سپس سرد کردن یکنواخت آن است. معمولاً تنش‌زدایی در دمای زیر حد بحرانی فولاد انجام می‌گیرد. تاثیرات عمومی عملیات حرارتی تنش‌زدایی موارد زیر می‌باشد:

 

بازیابی7، تمپر کردن8 (از بین بردن نواحی سخت)، تبلور مجدد9 و کروی کردن10

 

نتیجه‌گیری

 

فولادهای پرکربن به‌جهت مشکلی که در فرایند جوشکاری دارند، در صنعت کمتر برای جوشکاری بررسی می‌شوند، اما در عین حال در شرایطی که جوشکاری این نوع فلزات ضروری باشد. باید راهکارهایی چون پیش‌گرمی، استفاده از الکترودهای کم‌هیدروژن (قلیایی) یا الکترودهای آستنیتی (در صورت امکان)، استفاده از جوشکاری به‌روش TIG و پس‌گرمی را به‌کار برد.

 

 محمد فرخ‌زاد،  ندا مندکاریان (نشریه صنعت خودرو، شماره یکصد و بیست و ششم)

 

 

 

  پی نوشت

 

  1. Carbon equivalent
  2. Cold crack
  3. Filler metal
  4. Base metal
  5. Preheating
  6. Stress relieving
  7. Recovery
  8. Tempering
  9. Recrystallization
  10. Spheroidizing

 

 

 

 

 

[ ۱۸ آذر ۱۳٩٠ ] [ ۱٠:۳٥ ‎ب.ظ ] [ مجید غفاری ] [ نظرات () ]
مجله اینترنتی دانستنی ها ، عکس عاشقانه جدید ، اس ام اس های عاشقانه