مقدمه اي بر جوشکاري و متالوژي جوشکاري
مقدمه اي بر جوشکاري و متالوژي جوشکاري
مقدمه اي بر جوشکاري و متالورژي جوشکاري : بيشتر سازه ها در صنعت از قطعات مختلف ( ريختگي ، آهنگري شده ، نوردي و ... ) تشکيل شده اند که با روش هاي گوناگوني بر يکديگر متصل مي شوند . روش هاي متفاوت اتصال فلزات به يکديگر را برحسب نوع فرآيند و يا بنيان علمي آنها به دسته هاي مختلفي طبقه بندي نموده اند : الف ) روش هاي مکانيکي (پيچ ، پرچ ، پين ، خار و... ) ب) روش هاي متالورژيکي ( جوشکاري ، لحيم کاري و غيره ) ج) روش هاي شيميائي ( چسب هاي معدني و آلي ) و يا رده بندي بر اساس نوع اتصال : الف : روش هاي اتصال موقت ( پيچ و مهره ، پين و خار و....) ب : روش هاي اتصال نيمه موقت ( پرچ ، احتمالا لحيم کاري نرم و بعضي چسب ها ) ج : روش هاي اتصال دائم ( فرآيند جوشکاري و......) جوشکاري و رده بندي فرآيندهاي جوشکاري : جوش ايده آل را مي توان به محل اتصالي اطلاق نمود که نتوان آن موضع را از قسمت هاي ديگر قطعات جوش داده شده تشخيص داد .با وجود دست نيافتن به اينچنين مشخصات ، مي توان خواص محل اتصال را چنان بالا برد که در عمل کاملا رضايتبخش باشد .نکته حائز اهميت از نظر کارشناسي تشخيص نوع فلزي است که جوشکاري بر روي آن انجام مي گيرد
نوع اتصال و کاربرد قطعه نيز به منظور انتخاب روش جوشکاري ، مواد لازم و نکات جانبي ديگر نيز از اهميت زيادي برخوردار هستند . زيرا هر نوع جوش نمي تواند در تمام شرايط خواص مورد نظر را تامين نمايد . انرژي مهمترين عامل در روش هاي جوشکاري براي اتصال دو قطعه است که مي تواند از منابع شعله اي ، قوس الکتريکي ، مقاومت الکتريکي ، تشعشعي و يا مکانيکي تامين شده و به کار برده شود . به جز مواردي نظير جوشکاري حالت جامد ، محل جوش از طريق ذوب شدن موضعي قطعات مورد جوش و اغلب همراه با ماده اضافي ( سيم جوش ) ، بوجود مي آيد . نکته حائز اهميت ديگر تميزي و عدم آلودگي سطح موضعي جوش است که بايد عاري از هر گونه مواد اکسيدي و ناخالصي هاي ديگر باشد . اين آلودگي ها مي توانند بقاياي مواد آلي ، گازهاي جذب شده و يا ترکيباتي نظير اکسيد فلز باشند ، که رسيدن به خواص خوب اتصال مستلزم تميز کردن اين نوع آلودگي ها است . اين پديده که معمولا در هر نوع فرآيند جوشکاري پيش بيني مي شود از طرق واکنش هاي شيميايي ( سرباره ) ، پراندن ( از طريق قوس الکتريکي با جريان دائم و الکترود مثبت ) يا مکانيکي ( سائيدن يا ماليدن ) انجام يافته و ناخالصي ها از محل جوش زدوده مي شوند . پس از حذف آلودگي هاي محل جوش ، اين موضع بايد در هنگام جوشکاري نيز از اکسيژن و ازت هوا دور نگهداشته شود چون هر کدام از اين دو گاز مي توانند توليد اکسيد و نيتريد در مذاب کرده و خواص جوش را به خطر بياندازد . دور نگه داشتن محل جوش از هوا مي تواند با استفاده از مواد پوششي نظير فلاکس يا گازهاي خنثي نظير آرگون و يا گازهايي که نسبت به مذاب بي اثر هستند ، انجام گيرد .
همچنين مي توان از طريق تماس نزديک دو سطح يا لبه ها و کاهش نسبي هواي محبوس در آنها نيز اين عمل را انجام داد و يا اينکه به طور کلي جوشکاري در خلا انجام پذيرد . در بعضي فرآيندها سرعت جوشکاري آنقدر سريع و حرارت محدود است که فرصتي براي انجام واکنش هاي اکسيدي وجود ندارد و ممکن است محافظت محل جوش از هوا ضرورتي نداشته باشد . در برخي موارد و روش ها از مواد اکسيژن زدا نيز استفاده مي شود تا اکسيژن و مواد اکسيدي جذب شده توسط مذاب را نيز بتوان از آن خارج نمود . ترکيب شيميائي محل جوش نيز براي رسيدن به جوش با خواص رضايتبخش از عوامل اصلي محسوب مي شود که در بعضي مواقع مانند ريخته گري لازم است که مواد اکسيژن زدا يا آلياژي به جوش اضافه شود ، چون برخي آلياژها در يک حد معين از ترکيب شيميائي قابليت جوشکاري دارند . بحث در اين زمينه يعني رابطه شرايط جوشکاري ، ترکيب شيميائي تعيين کننده در ساختار مکانيکي و خواص مکانيکي و همچنين حساسيت جوش و منطقه جوش ، ساختار ميکروسکوپي و خواص مهندسي آن موضوع متالورژي جوشکاري است که در مباحث بعدي بررسي خواهد شد . به طور خلاصه هر روش جوشکاري با چهار عامل ضروري زير روبرو است و معمولا رده بندي روش ها بر مبناي اين چهار عامل انجام مي گيرد : 1- انرژي لازم 2- حذف و زدودن آلودگي ها از سطح جوش 3- محافظت سطح جوش در هنگام جوشکاري 4- خواص متالورژيکي جوش و کنترل هاي لازم ساده ترين روش جوشکاري که مي توان در نظر گرفت آنست که سطح قسمت هاي مورد جوش بسيار صاف و قابل تطبيق باشند به طوريکه بعد از قرار دادن اين دو سطح در خلا الکترونها بين اتمهاي مجاور دو سطح حالت اشتراکي داشته باشند . هر چند اين نوع اتصال در فضا نيز قابل اجراست اما در عمل آماده کردن آنچنان سطح يا خلا براي اتصال امکان پذير نيست .در عمل دو راه براي اتصال و رسيدن به تماس اتمي بين دو سطح وجود دارد : اول : از طريق فشار ، که دو سطح تحت فشار در حالت پلاستيکي تماس لازم را پيدا مي کنند .اين عمل گاهي هم با حرارت اوليه براي نرم کردن فلز همراه است . دوم : دو قطعه توسط پلي از فلز مذاب به همديگر متصل شوند . اين تفاوت پايه اوليه تقسيم بندي در روش هاي جوشکاري است که در دو گروه فرآيندهاي جوشکاري حالت جامد (Solid State Welding ) و گروه فرآيندهاي جوشکاري ذوبي يا حالت مايع تفکيک مي شوند . لحيم کاري سخت ( Brazing) و لحيم کاري نرم ( Soldering ) در بعضي منابع جزو فرآيندهاي جوشکاري محسوب نمي شوند . در لحيم کاري معمولا اتصال توسط پلي از مذاب فلز پرکننده با نقطه ذوب پائين تر از فلز اصلي ، برقرار مي شود و بر اساس خاصيت موئينگي انجام مي گيرد . جوش برنج ( Braze Welding ) يا زرجوش فرآيندي است در ميانه فرآيندهاي جوشکاري ذوبي و لحيم کاري . فرآيند اتصال از طريق نفوذ سطحي يا نفوذ زنجيره اي نوع خاصي از اتصال در حالت جامد است دو سطح در خلا حرارت داده و بهم ديگر فشرده مي شوند . در اين شرايط ديفوزيون ( نفوذ) در سطح مشترک به سهولت انجام مي گيرد . گاهي هم براي تسريع در عمل نفوذ ، از لايه نازک فلز واسطه اي که آسانتر در دو سطح مورد جوش نفوذ کند ، استفاده مي شود . همانطور که اشاره شد يکي از پايه هاي تقسيم بندي روش هاي جوشکاري نوع و نحوه انتقال انرژي به موضع مورد جوش مي باشد . حرارت لازم به وسيله يکي از طرق زير توليد مي شود : 1) مکانيکي ، که مي تواند در اثر ضربه يا مالش توليد شده و يا با تغيير فرم پلاستيکي و الاستيکي آزاد شود . 2) شيميائي – حرارتي ، واکنش هاي حرارت زا در شعله و يا قوس پلاسما ( در قوس پلاسما واکنش شيميائي انجام نمي شود اما نحوه انتقال حرارت شبيه سوختن گاز مي باشد و بدين علت گاهي شعله پلاسما هم ناميده مي شود ) 3) مقاومت الکتريکي ، حرارت در اين روش مي تواند مستقيماﹰ از طريق عبور جريان الکتريکي به فلزي که بايد جوش داده شود بوجود آيد و يا توسط جرياني که به داخل قطعه القا مي شود توليد گردد . 4) قوس الکتريکي ، عبور جريان يکنواخت يا متناوب مي تواند قوس الکتريکي بين الکترود و کار بوجود آورد . الکترود ممکن است ذوب شونده و يا ذوب نشدني باشد . 5) انرژي تشعشعي ، اين نوع انرژي شامل ليزر يا اشعه الکتروني و يا روش هاي مدرن ديگر است . با در نظر گرفتن توليد حرارت و نحوه محافظت محل جوش از اتمسفر و ساير نکات گفته شده ديگر ، مي توان هفت گروه زير را در فرآيندهاي جوشکاري مجزا نمود : 1) فرآيندهاي جوشکاري حالت جامد نظير : فرآيند جوشکاري اصطکاکي Friction Welding ، فرآيند جوشکاري پتکه اي Forge Welding ، فرآيند جوشکاري فشاري Pressure Welding . 2) فرآيندهاي جوشکاري شيميائي – حرارتي ، نظير : فرآيند جوشکاري با شعله يا گاز Gas Welding و فرآيند جوشکاري ترميت Thermit Welding . 3) فرآيندهاي جوشکاري مقاومتي ، نظير : فرآيند جوشکاري مقاومتي نقطه اي Spot Resistance Welding ، فرآيند جوشکاري مقاومتي نواري Seam Resistance Welding ، فرآيند جوشکاري جرقه اي Flash Welding . 4) فرآيندهاي جوشکاري قوس الکتريکي نپوشيده ، نظير : فرآيند جوشکاري قوس الکترود دستي Manual Metal – Arc Welding (MMAW) ، فرآيند جوشکاري الکترود مداوم Automatic Metal – Arc Welding . 5) فرآيندهاي جوشکاري قوس الکتريکي پوششي زير لايه سرباره ، نظير : فرآيند جوشکاري قوس مخفي ( زير پودري ) Submerged Welding . 6) فرآيندهاي جوشکاري قوس الکتريکي پوشيده شده با گاز ، نظير : فرآيند جوشکاري قوس الکترود تنگستن TIG ، فرآيند جوشکاري قوس – الکترود فلزي محفوظ در گاز MIG يا جوش CO2 . 7) فرآيندهاي جوشکاري با انرژي تشعشعي ، نظير : فرآيند جوشکاري با پرتو ليزر Laser Welding و فرآيند جوشکاري با پرتو الکتروني Electron Beam Welding . به طور کلي عمليات جوشکاري شامل مراحل زير است : الف ) نگهداشتن طول مناسب قوس الکتريکي يا شعله و متناسب رساندن الکترود يا مفتول براي ذوب و مخلوط شدن در جوش ب ) حرکت و هدايت نوک الکترود ، مفتول و يا مشعل در سرتاسر جوش ج ) انتقال و حاضر کردن قطعاتي که بايد بر روي آن جوشکاري شود . متالورژي جوشکاري : جوشکاري تلفيقي از علم و تجربه مي باشد که با تنوع روزافزون در مصارف آلياژي ، مسائل و مشکلات ناشي از آن نيز پيچيده تر و بيشتر است . اطلاع از دلايل وقوع اين مشکلات و عيوب و تدابير براي رفع و يا کاهش دادن آنها نياز به دانستن متالورژي فرآيندهاي جوشکاري دارد .
به طور کلي متالورژي شامل دو قسمت است : 1) فرآيندهاي احيا و استخراج فلزات از سنگ معدن ، تصفيه و تهيه آلياژهاي مختلف از آنها ، ريخته گري و شکل دادن فلزات براي توليد قطعات مختلف صنعتي و غير صنعتي . 2) متالورژي فيزيکي يعني شناسايي ساختمان فلزات و آلياژها و خواص آنها و ارتباط ترکيب شيميايي ، نحوه توليد ، ساختمان ميکروسکوپي و خواص آنها به يکديگر مي باشد . متالورژي جوشکاري ارتباط به هر دو قسمت متالورژي دارد ، به عنوان مثال در فرآيندهاي جوشکاري ذوبي که فلاکس يا سرباره ( شامل ترکيبات آهک ، سيليس ، فلراسپار ، آلومينا و غيره ) بر روي فلز جوش مذاب حضور دارد . واکنش ها و تعادل هاي سرباره و فلز مذاب شبيه فولادسازي است . فقط زمان واکنش کوتاه تر ، حجم مذاب و سرباره کم تر و درجه حرارت بالاتر مي باشد . همچنين در اغلب پوشش الکترودها ترکيبات آلياژي نظير فرومنگنز و فروسيليسيم وجود دارد که ضمن عمليات جوشکاري قسمتي وارد مذاب فلز جوش شده و آلياژ مورد نظر را بوجود مي آورد و قسمت ديگر صرف اکسيژن زدايي مذاب مي گردد که تا حدودي به عمليات تصفيه و آلياژسازي شباهت دارد . مثال ديگر نحوه انجماد و رشد کريستال هاي جامد و تغيير فازها ضمن سرد شدن در حوضچه جوش و منطقه مجاور آن مي باشد که شباهت بزديکي با آنچه در ريخته گري فولاد يا قطعات ديگر اتفاق مي افتد دارد ، با اين تفاوت که حجم مذاب کم و سرعت سرد شدن سريع تر بوده و انجماد از ديواره هاي قالب ( ماسه ، گچ و مواد ديگر ....) انجام نمي گيرد بلکه از روي کريستال هاي جامد فلز قطعه کار شروع مي شود . تاثير عناصر آلياژي و نحوه سرد شدن يا عمليات حرارتي پس از انجماد بر روي ساختمان ميکروسکوپي و خواص مکانيکي فلز جوش با آنچه که در متالورژي فيزيکي و مکانيکي بحث مي شود تفاوت چنداني ندارد . واضح است در جوشکاري فلزات و آلياژهاي آنها علاوه بر انتخاب صحيح فرآيند جوشکاري و طرح مناسب ، بايد شناخت کامل از مسائل متالورژيکي مربوط داشت تا بتوان الکترود و فلاکس مناسب را انتخاب کرده و شرايط عمليات جوشکاري ، سرد شدن و احتمالا عمليات حرارتي پس از جوشکاري را به طريقي پيش بيني نمود تا جوش حاصله پاسخگوي نياز و کاربرد قطعه باشد .
