M@hdi42
17th January 2014, 04:44 PM
ادامه محافظت حوضچه جوش :
بيشتر فلزات تمايل به ترکيب با اکسيژن و يا اکسيده شدن دارند که اين تمايل با بالا رفتن درجه حرارت به ويژه در حالت مذاب افزايش مي يابد . نرخ ايجاد اکسيد در فلزات مختلف متفاوت است . در فرآيندهاي جوشکاري مخصوصا روش هاي ذوبي منطقه فلز جوش مذاب بايد از تماس با اتمسفر دور نگه داشته شود ، چون اکسيده شدن مذاب و تشکيل لايه هاي اکسيد مشکلاتي را بوجود مي آورد که مهمترين آنها عبارتند از : 1) اکسيدها ضعيف ، ترد و شکننده هستند و محبوس شدن ذرات اکسيد در داخل فلز جوش باعث کاهش خواص مکانيکي از جمله استحکام کششي ، استحکام ضربه اي و خواص خوردگي مي شود . 2) در بعضي موارد لايه اکسيد مي تواند مانع عمليات اتصال دو قطعه گردد ( اکسيد آلومينيوم در جوشکاري آلومينيوم ) . اکسيده شدن منطقه مجاور مذاب بر روي قطعه کار نيز در بعضي موارد موجب پوسته پوسته شدن آن مي گردد که اغلب نا خواسته مي باشد . البته نبايد تاثير ازت را در تماس با مذاب ناديده انگاشت . ترکيب نيتريد ( محصول واکنش ازت با مذاب فلز ) محبوس شده در فلز جوش اکثرا نيز باعث تردي و کاهش خواص مکانيکي مي شود . از طرف ديگر نيتروژن حل شده در درجه حرارت هاي بالاي نقطه ذوب ضمن سرد شدن و انجماد مي تواند به صورت مولکولي تکامل يافته و اگر حباب هاي آن در مذاب محبوس شود ايجاد خلل و فرج يا تخلخل و مک Porosity در جوش مي کند . تدابير مختلفي در روش هاي جوشکاري پيش بيني شده است تا عمل محافظت نوک الکترود ، قطرات مذاب در حال انتقال از الکترود به حوضچه جوش و حوضچه جوش را از اتمسفر محافظت کند .سرباره يا فلاکس ( به صورت جداگانه يا پوشش يا هسته الکترود ) کنترل اتمسفر به کمک گازهاي خنثي ، کم اثر و احيائي و مواد اکسيژن زدا و تکنيک هاي خاص ديگر . در اين رابطه مسائل متالورژيکي زيادي پيش مي آيد که در اين جا به دو مورد مهم آن اشاره مي شود : 1) واکنش فلز – مذاب Gas – Metal reaction : در فرآيندهاي جوشکاري قوس الکتريکي با محافظت گاز نظير TIG و MIG يا جوشکاري با شعله ( اکسي استيلن يا جوش کاربيد ) فلز مذاب در نوک الکترود يا در حين انتقال و يا در حوضچه جوش در تماس با گاز و يا گازهايي است . حتي در جوشکاري هاي قوس الکتريکي با محافظت سرباره نيز نوک الکترود و قطرات مذاب در حين انتقال در تماس با فضاي گازي در ستون قوس قرار دارد .جذب گاز از قوس يا شعله و يا واکنش ها و محصولات حاصل از آنها با فلز مذاب يا با گازهاي ديگر نکته قابل توجهي مي باشد . البته اين موضوع در روش هاي قوس الکتريکي که درجه حرارت فلز و گاز بالا بوده و حلاليت گاز در مذاب زياد مي باشد اهميت بيشتري پيدا کرده است . واکنش هاي گاز – فلز ممکن است به دو صورت فيزيکي – شيميائي ( حرارت گير ) و شيميائي ( حرارت زا ) انجام شود . واکنش هاي حرارت زا خود مي تواند به سه دسته تقسيم شوند : آنهايي که محصول واکنش داراي حلاليت خوب هستند ، آنهايي که حلاليت متوسط در مذاب دارند و آنهايي که محصول واکنش غير محلول است . واکنش هاي فيزيکي حل شدني ممانعتي براي ايجاد حوضچه جوش نمي کنند ، اما معمولا باعث تردي و کاهش خواص مکانيکي اتصال مي شوند ، نظير حل شدن هيدروژن در بعضي فلزات نظير آلومينيوم ، آهن، روي ، نيکل ، موليبدن و غيره . از طرف ديگر فوق اشباع شدن حوضچه جوش با گازهاي خاص يا واکنش بين دو گاز سبب خلل و فرج پس از انجماد مي شود . در واکنش هاي ترکيب شيميائي يا حرارت زا آنهايي که محصول واکنش داراي حلاليت خوب يا متوسط هستند معمولا توليد سرباره يا پوسته هاي مختصري بر روي مذاب مي نمايند و تاثيرات کم فيزيکي در طول جوشکاري دارند . اما آندسته که محصول واکنش غير محلول هستند به صورت پوسته جامد بر روي مذاب جوش قرار مي گيرند که مي تواند مانع از انجام عمليات جوشکاري و اتصال شود . مثال اين نوع واکنش اثر اکسيژن با آلومينيوم و توليد اکسيد آلومينيوم با نقطه ذوب بالا است . در اين موارد بايد از طريق جلوگيري از نفوذ گاز به مذاب و يا حضور بعضي ترکيبات روانساز ( تبديل اکسيد به فرمولي با نقطه ذوب پايين تر ) اين پوسته را حل کرد . در فرآيند TIG با تغيير قطب ( الکترود مثبت ) مي توان اين پوسته جامد را شکسته و به اطراف منحرف کرد . در بعضي حالت ها محبوس شدن ذرات محصول اکسيداسيون در فلز جوش (inclusion ) نيز سبب کاهش خواص مکانيکي به ويژه استحکام ضربه اي و خواص خوردگي مي شوند . مکانيسم واکنش هاي گاز – فلز مذاب در جوشکاري شامل مراحل زير است : الف ) جذب absorbtion ب) واکنش reaction ج ) تکامل evolution و هر مرحله تابع قوانين ترموديناميکي خاص خود مي باشد . 2) واکنش هاي سرباره – فلز مذاب Slag – metal reaction : شرايط اين واکنش ها تا حدودي با آنچه در ذوب فلزات وجود دارد متفاوت است و اين به علت درجه حرارت بالاتر و زمان واکنش کوتاهتر در فرآيندهاي جوشکاري است . به همين علت تحقيقات پيشرفت زيادي در درک واکنش ها نشان نداده است و اغلب با ادامه دادن منحني هاي ترموديناميکي حاصل از واکنش ها در فولادسازي تا درجه حرارت هاي بالاتر و از طريق تئوريکي پيش بيني و تحليل هايي انجام مي شود . اين نکته لازم به تذکر است که در طول جوشکاري سه مرحله براي واکنش سرباره و مذاب وجود دارد که بر روي ترکيب شيميائي نهايي جوش تاثير مي گذارد : مرحله اول ) زمان توقف قطره مذاب بر روي نوک الکترود ، که در تماس با گاز ها و سرباره در درجه حرارت بالا مي باشد . مرحله دوم ) پريود عبور قطرات از ستون قوس ، زمان آن کوتاه ولي درجه حرارت بالاي 2000 درجه سانتيگراد مي باشد . مرحله سوم ) مرحله تماس مذاب فلز جوش و سرباره در حوضچه جو ش تا لحظه انجماد ،که زمان آن نسبتا طولاني و سطح تماس بيشتر اما درجه حرارت پايين تر از دو مرحله قبل است . مراحل اول و دوم و به ويژه مرحله اول از نظر واکنش ها مهمترين مي باشند ، اما آلودگي و ورود بعضي عناصر و اکسيدها به مذاب بيشتر در مرحله سوم انجام مي گيرد . با توجه به نکات بالا ، حالت هاي مختلف انتقال فلز از الکترود به مذاب ( انتقال ثقلي ، پرواز آزاد و ايجاد پل يا مداربسته ) بر روي زمان تماس سرباره و مذاب تاثير گذاشته و در نتيجه نوع واکنش شيميايي سرباره و مذاب را مي تواند تحت تاثير قرار دهد . به عنوان مثال در شدت جريان بالا قطرات کوچک با فرکانس و سرعت زياد از الکترود جدا شده و در قوسي که درجه حرارت بالايي دارد عبور مي کند . اما در شدت جريان هاي کم قطرات درشت تر شده و در بعضي مواقع حتي احتمال تماس آنها با اتمسفر وجود دارد و عمل محافظت سرباره به طور ناقص انجام مي گيرد و از طرف ديگر زمان واکنش زياد مي گردد . با فرض اينکه حالت تعادلي بين ترکيبات و عناصر در سرباره و مذاب وجود داشته باشد مي توان بعضي روابط تعادلي مفيد بين پتانسيل شيميايي يا اکتيويته عناصر و ترکيبات متشکله آنها در سه فاز ( سرباره – گاز – فلز ) نوشت . بنابر روابط موجود در منابع ، اکسيدهايي نظير MnO و SiO2 و FeO هستند که مي توانند نقش مهمي در واکنش هاي سرباره مذاب داشته باشند . به بيان ديگر درصد SiO2 در سرباره مي تواند بر روي درصد اکسيژن در مذاب جوش تاثير مستقيم داشته باشد . همچنين درصد SiO2 و MnO در سرباره درصد عناصر Si و Mn در مذاب را مي تواند تحت الشعاع قرار دهد . به عنوان مثال اگر در روش جوشکاري زير پودري (SAW ) دو نمونه جوش در شرايط کاملا يکسان ( از نظر پارامترهاي جوشکاري ، فلز و الکترود ) با دو نوع سرباره يا پودر ( فلاکس اسيدي با درصد بالاي SiO2 و MnO و فلاکس دوم بازي با درصد بالاي CaO و MgO ) انجام شود ، سپس آناليز شيميائي جوش مطالعه شود ، به طور واضح ملاحظه خواهد شد که درصد اکسيژن و Si و Mn در جوش با فلاکس اولي (اسيدي ) بيشتر از با سرباره بازي است . مشخص است که افزايش درصد اکسيژن در مذاب منجر به ازدياد ذرات اکسيدي (آخال) (Inclusion ) در جوش شده و خواص مکانيکي را به ويژه استحکام ضربه اي کاهش مي دهد . نکته ديگر در سرعت واکنش و نرخ بالا آمدن و جدايش ذرات اکسيدي و يا به طور کلي محصول واکنش هاي سرباره – فلز مذاب است ، چون سرعت جدايش و بالا آمدن ذرات به اندازه آنها ، جنس و شرايط مذاب بستگي داشته و در همه شرايط و براي انواع اکسيدها يا ترکيبات ديگر يکسان نيست . در اين واکنش ها تغييرات درصد عناصر در بعضي موارد که در حد بحراني آن عنصر باشد حائز اهميت است و مي تواند بر روي خواص مکانيکي جوش تاثير شديد بگذارد . به عنوان مثال غالبا تغييرات مقدار درصد منگنز در فلز جوش از فولاد کم کربن تا 8/1 – 5/1 درصد تاثير چنداني بر روي استحکام ضربه اي ندارد اما بعد از اين حد با افزايش درصد منگنز به طور سريع نرمي ( Ductility ) و استحکام ضربه اي کاهش مي يابد ، و کربن در فلز جوش نيز همين مشخصه را دارد .
بيشتر فلزات تمايل به ترکيب با اکسيژن و يا اکسيده شدن دارند که اين تمايل با بالا رفتن درجه حرارت به ويژه در حالت مذاب افزايش مي يابد . نرخ ايجاد اکسيد در فلزات مختلف متفاوت است . در فرآيندهاي جوشکاري مخصوصا روش هاي ذوبي منطقه فلز جوش مذاب بايد از تماس با اتمسفر دور نگه داشته شود ، چون اکسيده شدن مذاب و تشکيل لايه هاي اکسيد مشکلاتي را بوجود مي آورد که مهمترين آنها عبارتند از : 1) اکسيدها ضعيف ، ترد و شکننده هستند و محبوس شدن ذرات اکسيد در داخل فلز جوش باعث کاهش خواص مکانيکي از جمله استحکام کششي ، استحکام ضربه اي و خواص خوردگي مي شود . 2) در بعضي موارد لايه اکسيد مي تواند مانع عمليات اتصال دو قطعه گردد ( اکسيد آلومينيوم در جوشکاري آلومينيوم ) . اکسيده شدن منطقه مجاور مذاب بر روي قطعه کار نيز در بعضي موارد موجب پوسته پوسته شدن آن مي گردد که اغلب نا خواسته مي باشد . البته نبايد تاثير ازت را در تماس با مذاب ناديده انگاشت . ترکيب نيتريد ( محصول واکنش ازت با مذاب فلز ) محبوس شده در فلز جوش اکثرا نيز باعث تردي و کاهش خواص مکانيکي مي شود . از طرف ديگر نيتروژن حل شده در درجه حرارت هاي بالاي نقطه ذوب ضمن سرد شدن و انجماد مي تواند به صورت مولکولي تکامل يافته و اگر حباب هاي آن در مذاب محبوس شود ايجاد خلل و فرج يا تخلخل و مک Porosity در جوش مي کند . تدابير مختلفي در روش هاي جوشکاري پيش بيني شده است تا عمل محافظت نوک الکترود ، قطرات مذاب در حال انتقال از الکترود به حوضچه جوش و حوضچه جوش را از اتمسفر محافظت کند .سرباره يا فلاکس ( به صورت جداگانه يا پوشش يا هسته الکترود ) کنترل اتمسفر به کمک گازهاي خنثي ، کم اثر و احيائي و مواد اکسيژن زدا و تکنيک هاي خاص ديگر . در اين رابطه مسائل متالورژيکي زيادي پيش مي آيد که در اين جا به دو مورد مهم آن اشاره مي شود : 1) واکنش فلز – مذاب Gas – Metal reaction : در فرآيندهاي جوشکاري قوس الکتريکي با محافظت گاز نظير TIG و MIG يا جوشکاري با شعله ( اکسي استيلن يا جوش کاربيد ) فلز مذاب در نوک الکترود يا در حين انتقال و يا در حوضچه جوش در تماس با گاز و يا گازهايي است . حتي در جوشکاري هاي قوس الکتريکي با محافظت سرباره نيز نوک الکترود و قطرات مذاب در حين انتقال در تماس با فضاي گازي در ستون قوس قرار دارد .جذب گاز از قوس يا شعله و يا واکنش ها و محصولات حاصل از آنها با فلز مذاب يا با گازهاي ديگر نکته قابل توجهي مي باشد . البته اين موضوع در روش هاي قوس الکتريکي که درجه حرارت فلز و گاز بالا بوده و حلاليت گاز در مذاب زياد مي باشد اهميت بيشتري پيدا کرده است . واکنش هاي گاز – فلز ممکن است به دو صورت فيزيکي – شيميائي ( حرارت گير ) و شيميائي ( حرارت زا ) انجام شود . واکنش هاي حرارت زا خود مي تواند به سه دسته تقسيم شوند : آنهايي که محصول واکنش داراي حلاليت خوب هستند ، آنهايي که حلاليت متوسط در مذاب دارند و آنهايي که محصول واکنش غير محلول است . واکنش هاي فيزيکي حل شدني ممانعتي براي ايجاد حوضچه جوش نمي کنند ، اما معمولا باعث تردي و کاهش خواص مکانيکي اتصال مي شوند ، نظير حل شدن هيدروژن در بعضي فلزات نظير آلومينيوم ، آهن، روي ، نيکل ، موليبدن و غيره . از طرف ديگر فوق اشباع شدن حوضچه جوش با گازهاي خاص يا واکنش بين دو گاز سبب خلل و فرج پس از انجماد مي شود . در واکنش هاي ترکيب شيميائي يا حرارت زا آنهايي که محصول واکنش داراي حلاليت خوب يا متوسط هستند معمولا توليد سرباره يا پوسته هاي مختصري بر روي مذاب مي نمايند و تاثيرات کم فيزيکي در طول جوشکاري دارند . اما آندسته که محصول واکنش غير محلول هستند به صورت پوسته جامد بر روي مذاب جوش قرار مي گيرند که مي تواند مانع از انجام عمليات جوشکاري و اتصال شود . مثال اين نوع واکنش اثر اکسيژن با آلومينيوم و توليد اکسيد آلومينيوم با نقطه ذوب بالا است . در اين موارد بايد از طريق جلوگيري از نفوذ گاز به مذاب و يا حضور بعضي ترکيبات روانساز ( تبديل اکسيد به فرمولي با نقطه ذوب پايين تر ) اين پوسته را حل کرد . در فرآيند TIG با تغيير قطب ( الکترود مثبت ) مي توان اين پوسته جامد را شکسته و به اطراف منحرف کرد . در بعضي حالت ها محبوس شدن ذرات محصول اکسيداسيون در فلز جوش (inclusion ) نيز سبب کاهش خواص مکانيکي به ويژه استحکام ضربه اي و خواص خوردگي مي شوند . مکانيسم واکنش هاي گاز – فلز مذاب در جوشکاري شامل مراحل زير است : الف ) جذب absorbtion ب) واکنش reaction ج ) تکامل evolution و هر مرحله تابع قوانين ترموديناميکي خاص خود مي باشد . 2) واکنش هاي سرباره – فلز مذاب Slag – metal reaction : شرايط اين واکنش ها تا حدودي با آنچه در ذوب فلزات وجود دارد متفاوت است و اين به علت درجه حرارت بالاتر و زمان واکنش کوتاهتر در فرآيندهاي جوشکاري است . به همين علت تحقيقات پيشرفت زيادي در درک واکنش ها نشان نداده است و اغلب با ادامه دادن منحني هاي ترموديناميکي حاصل از واکنش ها در فولادسازي تا درجه حرارت هاي بالاتر و از طريق تئوريکي پيش بيني و تحليل هايي انجام مي شود . اين نکته لازم به تذکر است که در طول جوشکاري سه مرحله براي واکنش سرباره و مذاب وجود دارد که بر روي ترکيب شيميائي نهايي جوش تاثير مي گذارد : مرحله اول ) زمان توقف قطره مذاب بر روي نوک الکترود ، که در تماس با گاز ها و سرباره در درجه حرارت بالا مي باشد . مرحله دوم ) پريود عبور قطرات از ستون قوس ، زمان آن کوتاه ولي درجه حرارت بالاي 2000 درجه سانتيگراد مي باشد . مرحله سوم ) مرحله تماس مذاب فلز جوش و سرباره در حوضچه جو ش تا لحظه انجماد ،که زمان آن نسبتا طولاني و سطح تماس بيشتر اما درجه حرارت پايين تر از دو مرحله قبل است . مراحل اول و دوم و به ويژه مرحله اول از نظر واکنش ها مهمترين مي باشند ، اما آلودگي و ورود بعضي عناصر و اکسيدها به مذاب بيشتر در مرحله سوم انجام مي گيرد . با توجه به نکات بالا ، حالت هاي مختلف انتقال فلز از الکترود به مذاب ( انتقال ثقلي ، پرواز آزاد و ايجاد پل يا مداربسته ) بر روي زمان تماس سرباره و مذاب تاثير گذاشته و در نتيجه نوع واکنش شيميايي سرباره و مذاب را مي تواند تحت تاثير قرار دهد . به عنوان مثال در شدت جريان بالا قطرات کوچک با فرکانس و سرعت زياد از الکترود جدا شده و در قوسي که درجه حرارت بالايي دارد عبور مي کند . اما در شدت جريان هاي کم قطرات درشت تر شده و در بعضي مواقع حتي احتمال تماس آنها با اتمسفر وجود دارد و عمل محافظت سرباره به طور ناقص انجام مي گيرد و از طرف ديگر زمان واکنش زياد مي گردد . با فرض اينکه حالت تعادلي بين ترکيبات و عناصر در سرباره و مذاب وجود داشته باشد مي توان بعضي روابط تعادلي مفيد بين پتانسيل شيميايي يا اکتيويته عناصر و ترکيبات متشکله آنها در سه فاز ( سرباره – گاز – فلز ) نوشت . بنابر روابط موجود در منابع ، اکسيدهايي نظير MnO و SiO2 و FeO هستند که مي توانند نقش مهمي در واکنش هاي سرباره مذاب داشته باشند . به بيان ديگر درصد SiO2 در سرباره مي تواند بر روي درصد اکسيژن در مذاب جوش تاثير مستقيم داشته باشد . همچنين درصد SiO2 و MnO در سرباره درصد عناصر Si و Mn در مذاب را مي تواند تحت الشعاع قرار دهد . به عنوان مثال اگر در روش جوشکاري زير پودري (SAW ) دو نمونه جوش در شرايط کاملا يکسان ( از نظر پارامترهاي جوشکاري ، فلز و الکترود ) با دو نوع سرباره يا پودر ( فلاکس اسيدي با درصد بالاي SiO2 و MnO و فلاکس دوم بازي با درصد بالاي CaO و MgO ) انجام شود ، سپس آناليز شيميائي جوش مطالعه شود ، به طور واضح ملاحظه خواهد شد که درصد اکسيژن و Si و Mn در جوش با فلاکس اولي (اسيدي ) بيشتر از با سرباره بازي است . مشخص است که افزايش درصد اکسيژن در مذاب منجر به ازدياد ذرات اکسيدي (آخال) (Inclusion ) در جوش شده و خواص مکانيکي را به ويژه استحکام ضربه اي کاهش مي دهد . نکته ديگر در سرعت واکنش و نرخ بالا آمدن و جدايش ذرات اکسيدي و يا به طور کلي محصول واکنش هاي سرباره – فلز مذاب است ، چون سرعت جدايش و بالا آمدن ذرات به اندازه آنها ، جنس و شرايط مذاب بستگي داشته و در همه شرايط و براي انواع اکسيدها يا ترکيبات ديگر يکسان نيست . در اين واکنش ها تغييرات درصد عناصر در بعضي موارد که در حد بحراني آن عنصر باشد حائز اهميت است و مي تواند بر روي خواص مکانيکي جوش تاثير شديد بگذارد . به عنوان مثال غالبا تغييرات مقدار درصد منگنز در فلز جوش از فولاد کم کربن تا 8/1 – 5/1 درصد تاثير چنداني بر روي استحکام ضربه اي ندارد اما بعد از اين حد با افزايش درصد منگنز به طور سريع نرمي ( Ductility ) و استحکام ضربه اي کاهش مي يابد ، و کربن در فلز جوش نيز همين مشخصه را دارد .