جوشكاری چدن خاكستری

[Peyman 16150]

مقدمه

چدنها در مقایسه با فولادهای كربنی دارای قابلیت جوشكاری كم و محدود تری هستند . در میان چدن ها ، چدن با گرافیت كروی بهترین جوشپذیری را دارا است و بعد از آن چدن چكش خوار قرار دارد . جوشكاری چدن خاكستری به مهارت و توجه ویژه نیاز دارد و چدن خاكستری را به دشواری زیاد می توان جوشكاری كرد. با این ملاحظات دامنه جوشكاری چدنها بسیار محدود می شود و صرفا به تعمیر و اصلاح قطعات ریخته شده و قطعات فرسوده و شكسته شده منحصر می گردد .

 

 

 

 

علت های جوش پذیری محدود چدن ها

به علت زیادی كربن در فلز مبنا ، سیكل جوشكاری باعث ایجاد كاربیدهایی در منطقه فلز جوش و تشكیل فاز مارتنزیت پركربن در HAZ منطقه متاثر از حرارت می شود . هر دوی این ریز ساختار ها شكننده بوده و باعث ایجاد ترك در حین جوشكاری و یا بعد از آن می شود . این مطلب در مورد تمامی چدن ها مصداق دارد. همچنین به علت ضعف چقرمگی، چدن ها قابلیت تغییر شكل پلاستیكی را ندارند و از این رو نمی توانند تنش های حرارتی ایجاد شده جوشكاری را تحمل كنند. هر چه نرمی چدن بهبود یافته باشد احتمال ترك خوردگی آن كاهش می یابد . لذا چدن چكش خوار و چدن با گرافیت كروی كمتر از چدن خاكستری ترك خواهند خورد.

 

شكنندگی منطقه HAZ به میزان و سهولت حل شدن گرافیت در آستنیت در حین جوشكاری بستگی پیدا میكند . در مورد چدن خاكستری كه دارای پولك های گرافیتی با سطح رویه نسبتا وسیعی می باشند ، انحلال این نوع گرافیت در آستنیت به سهولت انجام می شود . در حالیكه در مورد چدن با گرافیت كروی ، چون نسبت حجم رویه به حجم كره گرافیت كم می باشد بنابراین مقدار گرافیت كمتری در آستنیت حل میگردد و در نتیجه كاربید های درشت كمتری و مارتنزیت كم كربن تری در منطقه HAZ تشكیل میشود . این مطلب گواه دیگری بر قابلیت بهتر جوش پذیری چدن با گرافیت كروی در مقایسه با سایر انواع چدن هاست. برای اجتناب از تمایل منطقه حرارت پذیرفته به ترك خوردن لازم است كه قطعه چدنی را در موقع جوشكاری با قوس برقی با انرژی حرارتی كم جوشكاری نمود . زیرا این روش باعث كاهش پهنای منطقه سخت و شكننده كنار فلز جوش می شود . برای غلبه بر سختی و تردی منطقه حرارت پذیرفته اعمال تدابیری نظیر پیش گرمایش و خنك كردن تدریجی قطعه جوشكاری شده ضرورت دارد.

 

در مورد جوشكاری چدن با قوس برقی دامنه درجه حرارت پیش گرم از درجه حرارت محیط كارگاه تا 300 درجه سانتی گراد توصیه میشود . این حرارت برای جوشكاری با استیلن در محدوده 450-650 درجه سانتی گراد قرار دارد . چدن خاكستری به حرارت پیش گرم بیشتری زیادتری و چدن با گرافیت كروی و چدن چكش خوار به درجه حرارت پیشگرم كمتری نیاز دارند. درجه حرارت پیش گرم و محدوده آن به نوع چدن ، اندازه قطعه ، روش جوشكاری ، نوع الكترود و مقدار فلز جوشی كه باید رسوب داده شود بستگی پیدا می كند. در مورد قطعات حساس ریختگری چدنی ، درست پس از خاتمه جوشكاری عملیات تنش زدایی از طریق حرارت دهی قطعه تا حدود 600 درجه سانتی گراد و نگهداری در این حرارت بمدت كافی صورت می پذیرد

 

 

جوشكاری چدن خاكستری

قطعات ریختگی چدن خاكستری به منظور اتصال به یكدیگر، تصحیح عیوب ریخته گری و انجام تعمیرات جوشكاری می شوند. جوشكاری همچنین برای ایجاد سطوح مقاوم به خوردگی یا سایش، در قطعات ریختگی چدنی و نیز برای بازسازی سطوح خورده شده به كار می رود.به دلیل وجود كربن زیاد در چدن، انجماد سریع چدن مذاب حین جوشكاری می تواند سبب تشكیل كاربیدهای سخت آهن و استحاله فازی شود. كاربرد فنون صحیح جوشكاری می تواند هر دو این مشكلات را یا به حداقل رسانیده یا حذف كند.

 

فرآیندهای جوشكاری بسته به اینكه فلز زمینه در فرآیند جوش ذوب شود یا نه به دو دسته ی جوشكاری ذوبی (Fusion Welding) و غیر ذوبی طبقه بندی می شوند. منبع حرارتی در فرآیند ذوبی یك مشعل اُكسی استیلن و ماده پركننده آلیاژی با مبنای نیكل و آهن است. بعضی قطعات ریختگی چدنی در برخورد با ماده پركننده ذوب می شوند و در این محل بین فلز ریختگی و ماده پركننده تداخل ایجاد می شود. در جوشكاری غیر ذوبی قطعه ی ریختگی ذوب نمی شود. در دمایی كمتر از دمای ذوب چدن فلز پركننده ذوب می شود و توسط نفوذ، با چدن جامد داغ مخلوط می شود.آلیاژهای برنز و برنج با مبنای مس، و سایر آلیاژهای غیر آهنی به عنوان فلز پركننده به كار برده می شوند. حرارت لازم برای جوشكاری غیر ذوبی توسط یك مشعل و یا كوره ایجاد می شود. برای روشهای جوشكاری ذوبی و غیر ذوبی چدنها، دامنه وسیعی از مواد پركننده آهنی و غیر آهنی وجود دارد. مواد پركننده ی مخصوص مورد مصرف در جوشكاری چدنها در جدول زیر ذكر شده اند.

 

 

 

 

عوامل موثر بر كیفیت جوش

فرآیندهای جوش شامل بردن جوش و فلز مجاور آن به یك فرآیند گرم و سرد شدن است كه به نحو مشهودی بر ساختار و خواص اتصالات جوش داده شده تأثیر می گذارند. قسمتهایی از جوش كه توسط این فرآیند سرد و گرم شدن تغییر می كنند به طور معمول به حوضچه ذوب، ناحیه ذوب جزئی و ناحیه تحت تأثیر حرارت موسومند. ممكن است دربعضی فرآیندهای جوشكاری هر سه ناحیه مشاهده شوند در صورتی كه در یك فرآیند دیگر ممكن است فقط یك ناحیه مشاهده شود.

 

 

 

 

 

[Peyman 16150]

حوضچه ذوب

 

حوضچه ذوب از ماده ی اصلی كه حین عملیات جوشكاری ذوب می شود و آن قسمت از ماده ی پركننده كه ممكن است حین فرآیند ذوب شده باشد، تشكیل شده است. اختلاطِ به حد كافی ماده ی اصلی ذوب شده و فلز پركننده معمولاً طوری انجام می شود كه حوضچه ی ذوب حاصل، تركیب شیمیایی نسبتاً یكنواختی داشته باشد. مقدار فلز اصلی در حوضچه ی ذوب به نفوذ حوضچه ی ذوب در درون ماده اصلی مربوط است. بنابراین در آن عملیات جوشكاری كه نفوذ كم است حوضچه ذوبی تشكیل می شود كه تركیب اولیه آن از ماده پركننده است، درصورتی كه در فرآیندی با نفوذ عمیق، تركیب خط جوش به تركیب فلز اصلی نزدیك تر است. مقدار نفوذ به فرآیند منتخب جوشكاری و پارامترهای به كار رفته در جوشكاری بستگی دارد.

 

وقتی چدنها به سرعت از حالت مذاب سرد شوند، كربن موجود زمان كافی برای تشكیل گرافیت نخواهد داشت. در نتیجه كربن معمولاً به شكل تركیبی مانند كاربید آهن ظاهر می شود. اگر مقدار كاربید تشكیل شده نسبتاً زیاد باشد در چدن، شكست سفید یا خالدار پدید خواهد آمد. چون كاربیدها سخت و ترد هستند، چدن حاوی مقادیر زیاد كاربید آهن سخت بوده و به سادگی ماشینكاری نمی شود. تمایل به تشكیل كاربید در چدن هنگامی كه از حالت مذاب سرد می شود نه تنها به آهنگ سرد شدن بلكه به تركیب شیمیایی چدن مذاب از نظر مقدار كربن و سیلیسیم موجود در آن، بستگی دارد. اگر در حوضچه ذوب به جای گرافیت كاربید آهن تشكیل شود،

 

جوش با ساختاری ترد، جامد می شود. تشكیل گرافیت در جوشهای چدن به وجود كربن و سیلیسیم كافی و همچنین به آهنگ سرد شدن آهسته بستگی دارد. چون در بسیاری از فرآیندهای جوشكاری، سیلیسیم به راحتی اكسید می شود، همیشه فلزات پركننده دارای مقداری سیلیسیم اضافی به منظور جایگزین شدن با سیلیسیم اكسید شده در چدن، در حین عملیات جوشكاری هستند.

 

 

 

 

نواحی ذوب جزئی و تحت تأثیر حرارت

 

در ناحیه ی ذوب جزئی، فقط بخشی از ماده اصلی ذوب می شود. معمولاً ذوب در مرز بین گرافیت و آهن در ساختار شروع می شود. به علت سرعت سرد شدن زیاد كه مشخصه ی جوشكاری برقی است، در این نواحی ذوب شده، كاربید تشكیل می شود. ناحیه ی تحت تأثیر حرارت، قسمتی از جوش است كه حرارت آن تا حدی كه سبب ذوب شود زیاد نیست، ولی دما به قدری زیاد است كه از دمای بحرانی تجاوز كرده و آستنیت در ساختار تشكیل می شود.در ناحیه ی تحت تأثیر حرارت، گرافیت تغییر مشهودی نمی كند. در چدنهای خاكستری نوع فریتی تقریباً تمام كربن موجود به شكل گرافیت ظاهر می شود و مقدار كربن تركیبی موجود در فلز زمینه كمتر از آن است كه مارتنزیت تشكیل شود. وقتی چدن مدت زمان زیادتری در دمای بالای دمای بحرانی نگهداشته شود، كربن از گرافیت به داخل آستنیت نفوذ كرده و در سرعتهای زیاد سرد شدن تمایل به تشكیل مارتنزیت افزایش می یابد. چدنهای خاكستری نوع پرلیتی معمولی، در اثر سریع سرد شدن از بالای دمای بحرانی به راحتی مارتنزیت تشكیل می دهند.

 

 

تنش ها

 

با حرارت دادن و سرد كردن پی در پی كه مشخصه فرآیندهای جوشكاری است، در قطعه ریختگی تنشهای حرارتی ایجاد می شود. مقدار این تنشها تحت بعضی شرایط زیاد می شود. در حین جوشكاری، چدن اصلی اطراف جوش گرم شده و به سرعت منبسط می شود. قید مكانیكی كه توسط قطعه ریختگی اعمال می شود ممكن است به برآمده شدن یا پیچیده شدن فلز منبسط شده ی داغ در ناحیه جوش منجر شود. این قطعه پس از سرد شدن به ابعاد اصلی خود برنخواهد گشت و در نتیجه تنشهای داخلی بزرگی ایجاد شده و قطعه تاب برمی دارد یا حتی ممكن است بشكند. حفره انقباض فلز جوش نیز ممكن است در ایجاد تنش ها سهیم باشد.حتی تنشهای داخلی نسبتاً كم ممكن است موجب ایجاد ترك در فلزِ حوضچه ذوب، هنگامی كه در دمای زیادی قرار دارد و قادر به مقاومت در برابر نیروهای انبساطی نیست، شود.

 

 

 

 

این نوع وقوع ترك یا پارگی داغ در دماهای بالای دمایی كه در آن انجماد تكمیل می شود رخ می دهد. وجود هر دو نوع ساختار مارتنزیتی و كاربیدی، ایجاد ترك سرد در حوضچه ی ذوب و ناحیه ی تحت تأثیر حرارت را تشدید می كنند. غالباً برای اجتناب از مشكلات ذكر شده به وسیله ی انجام عملیات پیش گرم كامل قطعه، یا ورودی حرارتی كمتر به جوشكاری، یا تنش زدایی، فرآیندهای جوشكاری را اصلاح می كنند. چون چدنهای خاكستری ترد هستند، حین جوشكاری تمایل بیشتری به ایجاد ترك دارند.

 

 

تخلخل

 

گاهی به دلیل وجود گاز محبوس شده در جوشهای چدن خاكستری، تخلخل گازی بوجود می آید. ممكن است این گازها توسط اتمسفر اطراف فلز مذاب، توسط گاز یا رطوبت موجود در مواد كمك ذوب، یا روغن موجود روی سطح جوشكاری و یا واكنش فلز جوش با زنگ و یا سرباره ایجاد شوند. دقت درجوشكاری تشكیل تخلخل را به حداقل می رساند.

 

 

آماده سازی جوش

 

موفقیت در امر جوشكاری به آماده سازی و تمیز كردن سطح قبل از جوشكاری بستگی دارد. هر نوع آلودگی مانند سرباره، زنگ، رنگ، اكسید، ماسه و روغن باید از سطح زدوده شود. باید شیارها و حفره های اتصالات جوش، شكل داده شوند تا مشعل یا الكترودجوشكاری به سهولت به كار برده شود. توصیه می شود از اتصال v شكل دوبله، برای به حداقل رساندن پیچیدگی در جوشكاری قطعات سنگین استفاده شود. در فرآیندهای جوشكاری ذوبی توصیه می شود از حداقل درز در ریشه استفاده شود تا حداقل فلز اصلی ذوب شده و متعاقباً تشكیل كاربید به حداقل برسد.

 

 

پیش گرم كردن

 

پیش گرم كردن در جلوگیری از ایجاد عیوب جوش موثر است، زیرا تغییرات دمایی درون قطعه را به حداقل رسانده و آهنگ سرد شدن پس از جوشكاری را كاهش می دهد. كم شدن اختلاف دما سبب آهسته تر سرد شدن می شود و امكان تشكیل مارتنزیت را به حداقل می رساند. تنشهای منتج از جوشكاری نیز به دلیل اُفت اختلاف دما، كم می شوند. انجام عملیات پیش گرم موجب كاهش ایجاد ترك سرد، كاهش تنشهای باقیمانده و در نتیجه مانع پیچیدگی قطعه می شود. ممكن است عملیات پیش گرم بر روی تمام قطعه یا به صورت موضعی انجام شود.دمای بهینه ی پیش گرم به مقدار قیدی كه از ناحیه ی اندازه و شكل قطعه ی ریختگی ارائه می شود، مشخصات ساختارهای قطعه ی ریختگی، فرآیند به كار برده شده جوشكاری و نوع ماده ی پركننده ی مصرفی بستگی دارد. قطعات ریختگی ضخیم قابلیت بیشتری برای جذب حرارت از ناحیه جوش دارند و بنابراین جوش را سریعتر از قطعات ریختگی نازكتر سرد می كنند. هر چه قطعه ی ریختگی سنگینتر باشد،دمای پیش گرم بیشتر خواهد بود. قطعات ریختگی با اشكال پیچیده نیز به دلیل ضخامت های مختلف مقاطع آن و به طور كلی آهنگهای سرد شدن نامناسب، به منظور جلوگیری از ایجاد تنشهای داخلی به دماهای پیش گرم بالاتری نیاز دارند. اندازه ته نشست جوش نیز بر انتخاب دمای پیش گرم تأثیر می گذارد.

 

 

 

 

[Peyman 16150]

ورودی حرارت

 

ورودی حرارتی كه در فرآیند جوشكاری به كار می رود از نظر كیفیت جوش حائز اهمیت است. ضمن اینكه ورودیهای حرارتی بیشتر سبب كاهش آهنگ سرد شدن جوش می شوند، ولی نفوذ اصلی را افزایش می دهند. به منظور حصول بهترین نتیجه، باید به توصیه ی سازندگان از ماده پركننده مناسب، استفاده شود. دمایی كه بین پاسهای مختلف در جوش ایجاد می شود نیز باید در نظر قرار گیرد. برای اینكه آثار دمای پیش گرم مورد نیاز نگهداری شود، دمای بین پاسها هرگز نباید كمتر از دمای پیش گرم باشد. تمایل قطعات بزرگ با اشكال پیچیده به سرد شدن بیشتراز قطعات كوچكتر است. در این موارد ممكن است ایجاد حرارت اضافی درناحیه جوشكاری حین انجام جوشكاری به منظور نگهداری دمای پیش گرم و جلوگیری ازسرد شدن نامناسب حین و بعد از جوشكاری، ضروری باشد.

 

 

فن ته نشست كردن

 

فنی كه برای ته نشست كردن فلز جوش به كار می رود به طور مشهود بر آثار حرارتی جوش تأثیر می گذارد. با ازدیاد سرعت جوشكاری آهنگ سرد شدن جوش نیز سریعتر می شود. سریع شدن آهنگ سرد شدن تمایل به ایجاد ترك سرد ناشی از تشكیل كاربید و مارتنزیت را افزایش می دهد، ولی میزان تاب برداشتن قطعه را كاهش می دهد. طرح انتخابی خط جوش نیز در گرم و سرد شدن جوش موثر است. متداولترین طرح، جوش پیوسته است كه می تواند در لایه های تك و دوتایی به كار رود. كلیه ی خطها باید در یك جهت ته نشست شوند.

 

 

سرباره ها، كمك ذوبها و گازهای محافظ

 

فلز پركننده، حین فرآیند جوش به دماهای خیلی زیادی می رسد. در حالت جوشكاری برقی این دماها ممكن است به تبخیر فلز پركننده منجر شوند. در چنین دماهای بالایی فلز مستعد انجام واكنش می باشد و عناصر ویژه به سهولت اكسید می شوند. این اكسید شدن فلز داغ حین جوشكاری ممكن است سبب تشكیل سرباره در جوش شود. اكسیدها توسط كمك ذوب كه سرباره ای روی سطح فلز مذاب تشكیل می دهد، از روی جوش زدوده می شوند. اكسیژن و نیتروژن هوا ممكن است با فلز مذاب واكنش انجام دهند. می توان توسط منبع حرارتی اتمسفری محافظ ایجاد كرد، مانند جوشكاری اُكسی استیلن، و یا توسط كمك ذوب موجود در فلز پركننده این محافظت را انجام داد. كمك ذوبها را می توانند به منظور محدود كردن ضایعات عناصر فرار در فلز پركننده یا افزودن عناصر ویژه به فلز پركننده طراحی كنند.

 

 

 

 

عملیات حرارتی بعد از جوشكاری

 

حرارت دادن ناحیه ی جوشكاری شده و یا حرارت دادن قطعه ی كامل بعداز عمل جوشكاری سبب از بین بردن تنشهای باقیمانده ای می شود كه حین جوشكاری به وجود آمده اند. چدنهای خاكستری تقریباً همگی فاقد نرمی هستند، بنابراین باید به تدریج از دمای جوشكاری سرد شوند تا تركهای ناشی از تنشهای باقیمانده در آنها به وجود نیاید. در بعضی موارد ممكن است این كار با پوشانیدن قطعه ی ریختگی با ماسه بعد از جوشكاری انجام شود ولی لازم است بلافاصله بعد از جوش قطعات مجدداً به كوره ی پیش گرم برگردانده و در آن گذاشته تا به طور یكنواخت تری تا دمای اتاق سرد شوند. هنگامی كه دقت ابعادی در ماشینكاری حائز اهمیت است، تنش زدایی پس از جوشكاری توصیه می شود. در این عملیات حرارتی باید قطعه حداقل تا oC 600 حرارت داده شده و پس از آن به طور یكنواخت در كوره سرد شود. این عملیات تنش زدایی باید بلافاصله پس از جوشكاری انجام شود.

 

 

فرآیند جوشكاری برقی

 

امتیازهای فرآیندهای جوشكاری برقی انجام سریعتر جوشكاری، در دسترس بودن دستگاهها و وجود جوشكارهای ماهر، و بالاخره كوچكتر بودن ناحیه ی تحت تأثیرحرارت می باشد و بنا به دلایلی كه ذكرشد این فرآیندها در جوشكاری چدن خاكستری خیلی زیاد به كار می روند. انواع آستنیتی چدن حین جوشكاری برقی درناحیه تحت تأثیر حرارت، مستعد به ایجاد ترك هستند. به این دلیل كاربرد جوشكاری برقی به طور كلی برای جوشكاری قطعات ریختگی چدن خاكستری آستنیتی توصیه نمی شود.

 

 

 

در بیشتر روشهای متداول جوشكاری برقی قطعات چدنی، الكترود، كار فلز پركننده را نیز انجام می دهد. حرارت زیاد علاوه بر ناحیه كوچكِ قطعه ریختگیِ زیر قوس، فلزپركننده را نیز ذوب می كند. بنابراین فلز جوش از مخلوط پركننده ی الكترود با فلزِ قطعه ی کار ریختگی تشكیل می شود. به طور كلی با انتخاب صحیح مشخصات قوس الكتریك فلز الكترود، پوششهای الكترود و دمای قطعه، می توان از پیچیدگی قطعه و تشكیل ناخواسته ی كاربیدها جلوگیری كرد.

 

 

 

منبع : سیمرغ سعادت