جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن



مقدمه 4
فصل اول 5
تیتانیوم 5
معرفی تیتانیوم 5
آلیاژهای تیتانیوم 8
تیتانیوم خالص تجاری یا تیتانیوم غیرآلیاژی: 10
آلیاژهای تیتانیوم آلفا: 11
آلیاژهای تیتانیوم نزدیک آلفا: 12
آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا: 12
آلیاژهای تیتانیوم بتا: 13
میکرو ساختار تیتانیوم 14
خواص تیتانیوم 16
عملیات حرراتی 17
کارگرم 22
کار سرد 22
کاربرد های تیتانیوم 23
فصل دوم 25
مروری بر روش های جوشکاری 25
طبقه بندی روشهای اتصال و انواع جوش 25
اصول جوشکاری قوس تنگستن تحت پوشش گاز محافظ 27
قوس الکتریکی: 29
تجهیزات مورد نیاز در جوشکاری TIG: 30
عیوب متداول در جوشکاری TIG 35
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی 37
پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی 42
مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی 49
محدودیت ها 51
پیشرفتهای جوشکاری FSW 51
فصل سوم 54
جوشکاری تیتانیوم 54
روش های جوشکاری تیتا نیوم 54
– جوشکاری قوس پلاسما : 54
جوشکاری پرتو الکترونی: 55
جوشکاری با پرتو لیزر: 56
جوشکاری قوس تنگستی یا گاز : 57
جوشکاری در اتاقک : 57
– جوشکاری قوس فلزی گازی : 58
– حفاظت اولیه ی گازی: 59 عملیات ایمنی : 63
– تمیز کاری : 63
جوشکاری با حفاظت رو باز : 64
جوشکاری در محفظه: 66
چمبر های جوشکاری: 68
بررسی جوش نفوذی : 71 عوامل موثر بر مشخصه های ریز ساختاری منطقه جوش تیتانیم 73
– اندازه دانه های B اولیه در ناحیه ذوب : 73
محصولات تغییر حالت: 74
عملیات حرارتی پس از جوشکاری: 75
انتخاب سیم جوش برای جوشکاری تیتانیوم 75
جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم : 76
– جوشکاری تیتانوم: 76
– جوش پذیری نسبی : 77 خواص مکانیکی در حین جوشکاری تیتانیوم: 78 حفاظت اتصال در حین جوشکاری : 81
طراحی و طرح اتصال: 82
9-1-ضوابط ( میعار) و محدودیت ها : 82
9-2-طرح اتصال: 83
9-3-تمیزکاری سطح ودرجه پاکی: 87
9-4-تمیز کاری درز اتصال : 88
9-5-حفاظت اتصال در حین جوشکاری: 89
9-6-خلل و فرج: 92
9-7-عملیات حرارتی پس از جوشکاری : 93
فصل چهارم 94
کار بردها 94
– تولید قطعات : 94
کاربرد جوشکاری تیتانیوم در صنایع هوا فضا: 95
فصل پنجم 98
نتیجه گیری و بحث 98
منابع و مراجع 101

مقدمه
به دلیل خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مناسبی که فلز تیتانیوم و آلیاژهای آن دارد جایگاهی ویژه را در تولید فلزات به خود اختصاص داده است به طورس که با گذشت تنها 70 سال از ورود آن به صنعت پس از فولاد و آلومینیوم بیشترین حجم تولید را دارد. اگرچه کاربردهای آن در محصولات مصرفی مثل چوب گلف، دوچرخه و کامپیوترهای laptop نیز در حال رواج است. تیتانیم بیشتر با آلومینیوم، آهن، منگنز، مولیبدن و مواد دیگر آلیاژ می سازد. تیتانیوم خالص تجار و بیشتر آلیاژهای تیتانیوم قابلیت جوشکاری با استفاده از روش های مختلف جوشکاری را دارند. متداول ترین روش های جوشکاری مورد استفاده برای آلیاژهای تیتانیوم GTAW و GMAW و FSW می باشند. از دیگر روش های مورد استفاده می توان به الکترون بیم، جوشکاری لیزر و جوشکاری مقاومتی اشاره نمود.
مذاب تیتانیوم به آسانی با اکسیژن و هیدروژن واکنش می دهد، که این عناصر از طریق تماس با هوا و یا سطح آلوده می تواند جذب مذاب تیتانیوم شوند و اثرات نامطلوبی را بر روی خواص فلز جوش گذارند. به همین علت فرایندهای جوشکاری همچون SAW برای جوشکاری تیتانیوم مناسب نیستند. همچنین عمدتا تیتانیوم را نمی توان به فلزات دیگر جوش داد زیرا امکان تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد در ناحیه جوش وجود دارد که میتوانند سبب ایجاد ترک در ناحیه جوش شوند.
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی از جدیدترین روش های جوشکاری حالت جامد، برای اتصال فلزات و آلیاژها (بویژه گروه جوش ناپذیر آلومینیوم) می باشد. در این روش یک ابزار با سرعت چرخشی معینی وارد لبه های محل اتصال گشته و با سرعتی ثابت در طول خط اتصال پیش می رود، که نتیجه آن ایجاد حرارت، تغییر فرم شدید پلاستیکی و جابجایی ماده در محل اتصال بوده و منجر به اتصال کامل لبه ها می گردد. در این تحقیق سعی بر آن است که اطلاعات مفیدی از نحوه جوشکاری تیتانیوم مطرح گردد و در نهایت به روش خاص جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی تیتانیوم خواهیم پرداخت. امید است مطالب پیشرو مورد قبول قرار گرفته و گامی در جهت کسب اطلاعات وسیع تر در زمینه مذکور باشد.
فصل اول
تیتانیوم
1- معرفی تیتانیوم
تیتانیوم واژه لاتین Titans، اولین فرزند پسر Gaia در سال 1791 در انگلستان توسطWilliam Gregor که متوجه وجود عنصرجدیدی در ایلمنیت شده بود، کشف شد. این عنصر چند سال بعد توسط Heinrich Klaproth شیمیدان آلمانی در کانی روتیل دوباره کشف گردید. در سال 1795، Klaproth این عنصر جدید را بر اساس Titan در اساطیر یونان نامگذاری نمود.
Matthew A. Hunter در سال 1910 بوسیله حرارت دادن TiCl4 با سدیم در محفظه فولادی در دمای 800-700 درجه سانتی گراد برای اولین بار تیتانیوم فلزی خالص ( 9/99 درصد) تهیه کرد. فلز تیتانیوم تا سال 1946 خارج از آزمایشگاه کاربردی نداشت. در این سال، William Justin Kroll اثبات نمود که می توان تیتانیوم را بوسیله کاهش تتراکلرید تیتانیوم با منیزیم بصورت تجاری تولید کرد؛ ( این روش امروزه همچنان مورد استفاده است).
تیتانیوم عنصری است فلزی با عدد اتمی ۲۲، در گروه IVB که در دورهٔ چهارم جدول تناوبی جای دارد. جرم اتمی ۴۷٫۹۰، ظرفیت ها ۲٬۳٬۴. دارای پنج ایزوتوپ است. بسیار کمیاب است، به طوری که فقط ۰٫۶ درصد قشر زمین را تشکیل می دهد. ترکیب های آن پراکنده و استخراج آن دشوار است. فلز تیتانیوم در طبیعت به صورت ترکیب با سایر عناصر وجود دارد و این عنصر، نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین محسوب می شود ( 06/0% کل جرم ) و در بیشتر سنگهای آذرین و رسوبات آنها یافت می شود. منابع مهم تیتانیوم در استرالیا، اسکاندیناوی، آمریکای شمالی و مالزی قرار دارند. این فلز در شهاب سنگها یافت شده و حضور آن در خورشید و ستارگان M-type نیز شناسایی شده است. سنگهایی که در ماموریت آپولو 17 از ماه آورده شده اند، حاوی12.1% TiO2 هستند. بعلاوه تیتانیوم در خاکستر ذغال سنگ ، گیاهان و حتی بدن انسان یافت شده است.
تجربیات نشان داده است که تیتانیوم بعد از بمباران با دوترون، بسیار رادیواکتیو شده و عمدتا ارسال پوزیترون اشعه های نیرومند گاما می کند. این عنصر دارای دو گونه است؛ شکل آلفا چهار ضلعی که در دمای 880 درجه سانتی گراد به آرامی به شکل بتا مکعبی تغییر می کند. اگر در اثر حرارت سرخ شود، با اکسیژن ترکیب شده و در حرارت 550 درجه سانتی گراد با کلر ترکیب می گردد.
تیتانیم بطور طبیعی دارای 5 ایزوتوپ پایدار تیتانیوم 46 ، تیتانیوم47 ، تیتانیوم48 ، تیتانیوم49 و تیتانیوم50 است که فراوانترین آنها تیتانیوم 48( فراوانی طبیعی 8/73% ) می باشد. 11 رادیوایزوتوپ هم برای این عنصر شناسایی شده است که پایدارترین آنها تیتانیوم 44 بانیمه عمر 63 سال، تیتانیوم 45 با نیمه عمر8/184دقیقه، تیتانیوم 51 با نیمه عمر 5,76 دقیقه و تیتانیوم 52 با نیمه عمر 7/1 دقیقه هستند.
سایر ایزوتوپ های رادیواکتیو، نیمه عمری کمتر از 33 ثانیه دارند که نیمه عمر اکثر آنها کمتر از نیم ثانیه می باشد. حالت فروپاشی اولیه قبل از فراوانترین ایزوتوپ (تیتانیوم 48)، جذب الکترون و حالت اولیه پس از آن، ارسال بتا می باشد. محصول فروپاشی اولیه قبل از تیتانیم 48، ایزوتوپهای عنصر21 اسکاندیم و محصول اولیه پس از آن، ایزوتوپهای عنصر 23 ( وانادیم ) می باشد .
تقریبا 95% تیتانیوم به شکل دی اکسید تیتانیوم (TiO2) مصرف می شود که رنگ دانه سفید ثابتی است با قدرت پوشش خوب در رنگ ها، کاغذ و پلاستیک ها رنگ هایی که با دی اکسید تیتانیوم ساخته می شوند، منعکس کننده های بسیار خوب پرتو مادون قرمز هستند. آلیاژهای تیتانیوم به علت استحکام، سبکی، مقاومت بسیار زیاد در برابر فرسودگی و توانایی تحمل حرارتهای بسیار زیاد در هواپیما و موشک مورد استفاده قرار می گیرند.

شکل 1- 1-نمونه ای از تیتانیوم استخراج شده
فلز تیتانیوم بصورت تجاری بوسیله کاهش TiCl4 با منیزیم تولید می شود. این فرآیند را William Justin Kroll در سال 1946 ابداع کرد. این فرآیند گروهی، گران و پیچیده است، اما ممکن است فرآیند جدیدتری که روش "FFC-Cambridge" نامیده می شود، جایگزین روش قدیمی گردد. در این روش از ماده خام پودر دی اکسید تیتانیوم ( که شکل تصفیه شده روتیل است) برای تولید نهایی که جریان مداومی از تیتانیوم مذاب است استفاده می شود. از این محصول بلافاصله در ساخت آلیاژهای تجاری بهره می برند.
امید است با استفاده از روش FFC-Cambridge مقدار بیشتری تیتانیوم و با هزینه ای کمتر برای صنعت هوافضا و بازار کالاهای زینتی تهیه شود و شاهد استفاده از این فلز در محصولاتی که در حال حاضر از آلومینیم و انواع خاص فولاد استفاده می کنند، باشیم.
این فلز که اگر در هوا گرم شود، شروع به سوختن می کند، تنها عنصری است که می تواند در گاز نیتروژن خالص بسوزد. تیتانیوم در مقابل اسید سولفوریک رقیق، اسید هیدروکلریک، گاز کلر، محلولهای کلرید و بیشتر اسیدهای آلی مقاوم است.
تیتانیوم فلزی قوی با چگالی کم و کاملاً انعطاف پذیر (به خصوص درحضور اکسیژن محیط) است. از لحاظ مغناطیسی پارامگنتیک بوده و رسانایی الکتریکی و حرارتی نسبتاً کمی دارد.آمریکا و چین بزرگترین تولید کنندگان تیتانیوم در جهان محسوب می شوند. مصرف این ماده در کشورهای پیشرفته تقریباً ۱۰ برابرکشورهای درحال توسعه می باشد. باوجود کاربرد های فراوان و قیمت ارزان این ماده متاسفانه ایران تا به حال موفق به تولید تیتانیوم نشده است زیرا هزینه فرآوری و تولید این ماده بسیار بالا است و همین موضوع باعث شده نیاز فعلی کشور به تیتانیوم از طریق واردات تامین شود. به گفته کارشناس معدن تیتانیوم در صنعت رنگسازی بیشترین کاربرد را داشته و در حال حاضر کارخانه های تولیدی رنگ اصلی ترین مشتریان این ماده به حساب می آیند. با این حال تقاضای داخلی و نبود تکنولوژی سال به سال واردات این محصول را افزایش می دهد. تیتانیم ماده ای غیر سمی است و حتی در مقادیر زیاد، سمی محسوب نمی شود. همچنین این ماده هیچ نقشی در سیستم طبیعی بدن انسان ایفا نمی کند. بطور تخمینی روزانه ۸/۰ میلی گرم تیتانیم وارد بدن انسان می شود. اگرچه تقریباً بدون جذب شدن، از بدن دفع می شود.

2- آلیاژهای تیتانیوم
تیتانیوم چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است و هزینه استخراج آن بدلیل نقطه ذوب بالا و واکنش پذیری فوق العاده بالای آن بسیار بالا است. با این وجود تیتانیوم و آلیاژهای آن بدلیل استحکام بالا، دانسیته کم و مقاومت به خوردگی عالی بسیار مورد توجه می باشند. ویژگی های برتر تیتانیوم به شرح زیر است:
نسبت وزن به استحکام بالا که سبب می شود در بسیاری از کاربردها که استحکام و تافنس شکست بالایی مورد نیاز است آلیاژهای این فلز جایگزین فولاد شوند. تیتانیوم دارای دانسیته 35,4 g/cmاست و آلیاژهای آن دارای نصف وزن فولاد و سوپرآلیاژ و نسبت استحکام به وزن عالی می باشند.
آلیاژهای تیتانیوم استحکام خستگی بسیار بهتری نسبت به آلیاژهای سبک وزن از قبیل آلومینیوم و منیزیم را دارند. آلیاژهای تیتانیوم قابلیت کاربرد در دماهای بالا حدود 370 تا 590 درجه را دارند.
مقاومت به خوردگی آلیاژهای تیتانیوم بالاتر از فولاد و آلومینیوم است.

شکل 1- 2 کارکتر های اصلی گروههای مختلف خانواده تیتانیم

شکل 1- 3-نمودار دوفازی تیتانیوم-آلومینیوم
تیتانیوم خالص در دمای اتاق دارای ساختار کریستالی HCP و یا آلفا است که در دمای نزدیک 885 درجه سانتی گراد به ساختار کریستالی BCC و یا بتا تغییر فاز می یابد. دمای انتقال بتا بسته به نوع و مقدار عناصر آلیاژی یا مواد ناخالصی می تواند افزایش و یا کاهش یابد. عناصر آلیاژی که دمای تبدیل آلفا به بتا را افزایش می دهند همچون آلومینیوم، گالیوم، ژرمانیوم، کربن، اکسیژن و نیتروژن بعنوان پایدارکننده های فاز آلفا و عناصری که دمای انتقال را کاهش می دهند بعنوان پایدار کننده های فاز بتا نامیده می شوند که عناصری همچون مولیبدن، وانادیوم، تانتالیوم، نیوبیوم، آهن، کروم، منگنز، کبالت، نیکل و مس از این گروه می باشند.
آلیاژهای تیتانیوم بر اساس میزان فازهای آلفا و بتای موجود در ساختار در دمای اتاق به 5 دسته اصلی شامل تیتانیوم خالص تجاری، آلفا، نزدیک آلفا، آلفا-بتا و بتا تقسیم بندی می شوند.
2-1- تیتانیوم خالص تجاری یا تیتانیوم غیرآلیاژی:
عموما شامل 99 تا 5/99 درصد تیتانیوم با مقادیری آهن و عناصر هیدروژن، نیتروژن، کربن و اکسیژن بعنوان ناخالصی می باشند. میکروساختار تیتانیوم غیرآلیاژی بصورت فاز آلفا با ساختار HCP و مقادیر بسیار کمی از فاز بتا است. تیتانیوم خالص تجاری نسبت به آلیاژهای تیتانیوم ارزان تر و دارای مقاومت به خوردگی بالاتر و استحکام پایین تر است. ضمن آنکه غیر قابل عملیات حرارتی، اما دارای قابلیت جوشکاری و شکل پذیری بالایی هستند و در دمای بالا مقاومت به خزش خوبی از خود نشان می دهند. لذا این آلیاژها عموما در کاربردهایی که مقاومت به خوردگی و انعطاف پذیری بالایی نیاز دارند و استحکام چندان مورد توجه نیست مورد استفاده قرار می گیرند.
آلیاژهای تیتانیم برحسب فازهای موجود در ساختار آنها طبقه بندی می شوند. آلیاژهایی که بیشتر از فاز a تشکیل شده اند، آلیاژهای aنامیده می شوند. در حالی که آلیاژهایی که اساساً دارای فاز a با مقدار کمی عناصر پایدارکننده B باشند به نام آلیاژهای نزدیک به تیتانیم a نامیده می شوند. آلیاژهایی که شامل مخلوط فاز a و B می باشند. به عنوان آلیاژ B + a نامیده می شوند. بالاخره آلیاژهای تیانیم که فاز B بعد از سرکردن از دمای عملیات حل سازی در دمای اتاق پایدار شده است به عنوان آلیاژ B طبقه بندی می شوند. آلیاژهای تیتانیم a به طور کلی بر روی آلیاژهای a و نزدیک a نمی توان عملیات گرمایی وجوشکاری انجام داد. این آلیاژها دارای استحکام متوسط، چقرمگی خوب و مقاومت خزشی خوب در دمای بالا می باشند. آلیاژهای تیتانیم B + aبا عملیات گرمایی می توان استحکام اغلب آلیاژهای a + B را تا حد متوسطی افزایش داد. سطح استحکام آنها متوسط به بالاست، آنها خواص شکل پذیری خوبی نیز دارند ولی در دماهای زیاد مقاومت خزشی مطلوبی مثل مقاومت خزشی آلیاژهای a و نزدیک a ندارند. آلیاژهای B با عملیات گرمایی می توان استحکام آلیاژهای غنی از B را تا حد خیلی زیادی افزایش داد و نیزتا حدودی این آلیاژها راشکل پذیرکرد. اما، چگالی نسبتاً زیادی دارند و وقتی استحکام زیادی داشته باشند شکل پذیری آنها کم است. براثر این معایب، در حال حاضر کاربرد زیادی ندارند.

شکل 1- 4- نمودار فازی شبه دوتایی آلیاژ Ti-6%Al با افزایش وانادیم

2-2- آلیاژهای تیتانیوم آلفا:
دارای عناصر آلیاژی پایدارکننده های آلفا (نظیر آلومینیوم یا اکسیژن) و ساختار کاملا آلفا می باشند. عناصر پایدارکننده آلفا همچنین بعنوان استحکام دهنده های محلول جامد عمل می کنند. در این آلیاژها اکسیژن و نیتروژن موجود بعنوان ناخالصی همچنین سبب سختی آلیاژ می شوند و افزودن قلع سبب بهبود انعطاف پذیری و وجود مقادیر کم زیرکونیوم سبب استحکام این آلیاژها می شوند. مقدار عناصر پایدار کننده آلفا که بصورت آلومینیوم معادل سنجیده می شوند بعلت جلوگیری از تردی آلیاژ نبایستی از 9 درصد تجاوز کند. این گروه از آلیاژها دارای استحکام بالاتر و مقاومت به خوردگی بسیار کم نسبت به تیتانیوم غیر آلیاژی می باشند. همچنین این گروه از آلیاژهای تیتانیوم قابل جوشکاری و غیر قابل عملیات حرارتی می باشند.

شکل 1- 5- نمودار فازی تیتانیوم آلفا
2-3- آلیاژهای تیتانیوم نزدیک آلفا:
شامل مقدار کمی فاز بتا انعطاف پذیر می باشند. در کنار پایدارکننده های فاز آلفا، آلیاژهای نزدیک آلفا با 1 تا 2 درصد پایدارکننده فاز بتا از قبیل مولیبدن، وانادیوم و سیلیکون آلیاژی می شوند. این آلیاژها دارای استحکام خزشی بهتر نسبت به آلیاژهای کاملا آلفا تا دمای نزدیک 400 درجه سانتی گراد، استحکام نسبتا بالا در دمای اتاق، انعطاف پذیری نسبتا خوب، تافنس بالا، قابلیت جوشکاری خوب و مقاومت خوب نسبت به محیط های آب شور می باشند.
2-4- آلیاژهای تیتانیوم آلفا-بتا:
آلیاژهای شبه پایداری می باشند که شامل ترکیبی از عناصر پایدار کننده هر دو فاز آلفا و بتا می باشند. این آلیاژها قابل عملیات حرارتی و جوشکاری بوده و خواص شکل پذیری خوبی دارند ضمن آنکه دارای ترکیب عالی از استحکام، تافنس و مقاومت به خوردگی می باشند.
2-5- آلیاژهای تیتانیوم بتا:
این گروه آلیاژهای شبه پایدار بوده و شامل عناصر پایدارکننده فاز بتا نظیر مولیبدن، سیلیکون و وانادیوم به اندازه کافی می باشند. به این ترتیب فاز بتا در هنگام عملیات کوئنچ پایدار باقی می ماند. این آلیاژها قابل عملیات حرارتی و شکل پذیری آسان می باشند و استحکام شکست بالاتری نسبت به آلیاژهای آلفا-بتا دارند.
آلومینیم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی برای تیتانیم به شمار می رود زیرا استحکام آن را با تشکیل محلول جامد افزایش داده (Ti-%5Al-%2/5Sn) و چگالی آن را نیز کاهش می دهد.
جدول 1- 1- ترکیبات مختلف آلیاژهای آلفا – بتای تیتانیوم

به آلیاژ قلع می افزایند زیرا با ایجاد محلول جامد موجب افزایش استحکام می شود. اکسیژن، که تا حدودی در تمام آلیاژهای تیتانیم وجود دارد، نیز مثل آلومینیم پایدارکننده قوی a است و استحکام تیتانیم را افزایش می دهد. با وجود این، مثل تمام عناصر بین نشین در تیتانیم، اکسیژن شکل پذیری آن را کاهش می دهد و بنابراین یک آلیاژ مخصوص کم اکسیژن (Ti%5Al-%2/5Sn) برای کاربردهایی بوجود آمد که نیاز به شکل پذیری خوب در دمای پایین دارند. آلیاژ قابل جوشکاری است و پایداری و مقاومت به اکسایش خوبی در دمای بالا دارد. با وجود این، استحکام آن متوسط است.

شکل 1- 6- نمودار فازی آلیاژ بتا
3- میکرو ساختار تیتانیوم
میکروساختار در تیتانیوم و آلیاژهای آ ن می تواند خیلی پیچیده باشد، زیرا تیتانیوم در دمای 882 درجه سانتی گراد فاز آلوتروپیک متحمل می شود. که فاز α (HCP) به β (BCC) انتقال می یابد که مشابه انتقال فاز فریت به آستنیت در فولادهاست.
بنابراین میکرو ساختار تیتانیوم می تواند خیلی گسترده باشد که این به فرایند و پارامترهای دیگر وابسته است. مثلا تیتانیوم آنیل شده می تواند شامل تعادل میکرو ساختار با دانه های equi-axed (هم محورشده) باشد. از آنجایی که تیتانیوم به سرعت سرد می شود فازهای شبه پایدار، از قبیل مارتنزیت یا بینیت که دارای فازهای ویدمن اشتاتن یا میکرو ساختار سوزنی است، تشکیل می شود. در طی جوشکاری قسمت کوچکی از فلز تیتانیوم ذوب شده و به سرعت سرد می شود. میکرو ساختار نهایی با تشکیل ناخالصی های محیطی اطراف محدوده جوش همانند نیتروژن و اکسیژن می تواند، ترکیبی از آلودگی ها را در خود داشته باشد.
مقادیر جزیی این عناصر در ساختار HCP تاثیری نمی گذارد، و با توجه به کوچکی اندازه اتم های این عناصر در درون شبکه قرار گرفته و از جنبش و جابجا شدگی اتم ها جلوگیری می کنند و به همین دلیل افزایش قابل توجهی در سختی و استحکام به وجود می آید و باعث تردشدگی درز جوش می شوند. و به همین دلیل در زمان جوشکاری تیتانیوم باید حفاظت کاملی از ناحیه جوش صورت گیرد.

شکل 1- 7- ریز ساختار نشان داده شده تغییر ساختار از دماهای متوسط با سرعت سرد کردن آهسته تا دمای بالای استحاله بتا. ساختار نهایی شامل فاز آلفا (α) (سفید)، جدا شده توسط فاز بتا (β) (تیره). شماتیک گسترش ساختار ویدمنشتاتن در آلیاژ آلفا- بتای Ti-6Al-4V

شکل 1- 8- ریز ساختار آلیاژ آلفا – بتای (Ti-6Al-4V)- (a) آلفای هم محور شده و مقدار کمی بتای دانه ای(دانه دانه)- (b) آلفای سوزنی و هم محور شده و یک مقدار کم از بتای دانه ای- (c) آلفای هم محور شده در یک زمینه آلفای سوزنی(بتای استحاله یافته)- (d) مقدار کمی از آلفای هم محور شده در زمینه آلفای سوزنی(بتای استحاله یافته)- (e) صفحات شبه سوزنی آلفا(بتای استحاله یافته);آلفا در مرز دانه های بتای قبلی- (f) آلفای بلوکی (چهار گوش) و شبه صفحه ای سوزنی(بتای استحاله یافته);آلفا در مرز دانه های بتای قبلی

4- خواص تیتانیوم
خواص تیتانویم ترکیبی از استحکام بالا، چقرمگی، چگالی پایین و مقاومت به خوردگی در دماهای بسیار پایین تا دمای بالا است. این خواص در صنایع هوافضا و کاربردهای ویژه دیگر به طور گسترده به کار میرود.
وزن اتمی تیتانیوم 47.88 است. تیتانیوم سبک، محکم، مقاوم به خوردگی و در طبیعت فراوان است. تیتانیوم و آلیاژهایش استحکام کششی از 30000 تا 200000 Psi یا 210-1380 MPa دارند که این استحکام با بسیاری از فولادهای آلیاژی برابری می کند.
تیتانیوم عنصری با چگالی پایین است (چگالی آن %60 چگالی آهن است). این فلز می تواند با آلیاژسازی یا پروسه های تغییر شکل استحکام یابد. تیتانیوم غیر مغناطیسی است و خواص انتقال حرارت خوبی دارد. ضریب انبساط حرارتی تیتانیوم کمتر از فولاد و کمتر از نصف آلومینیوم است.
یکی از خواص مفید تیتانیوم، نقطه ذوب بالای 1725 درجه سانتی گراد آن است. این نقطه ذوب 400 درجه فارنهایت بالاتر از دمای ذوب فولاد و 2000 درجه فارنهایت بالاتر از دمای ذوب آلومینیوم است.
تیتانیوم می تواند پسیو (روئین) باشد. در نتیجه درجه بالایی از مقاومت در برابر حملات اسید های معدنی و کلراید از خود نشان می دهد. تیتانیوم غیر سمی است و به طور کلی با بافت ها و استخوان های بدن سازگاری دارد. مقاومت به خوردگی عالی و سازگاری با بدن انسان در کنار استحکام بالا، تیتانیوم و آلیاژهایش را در صنایع پتروشیمی، شیمیایی، محیط های دریایی و کاربرد های ایمپلنت انسانی پر کاربرد کرده است.
تیتانیوم هادی الکتریسیته خوبی نیست. اگر هدایت الکتریکی مس 100% فرض شود، هدایت الکتریکی تیتانیوم حدود 3.1% است. به همین دلیل تیتانیوم در جاهایی که هدایت الکتریکی نیاز است استفاده نمی شود. برای مقایسه، فولاد ضد زنگ هدایت الکتریکی 3.5% و آلومینیوم 30% هدایت الکتریکی دارد. مقاومت الکتریکی در مقابل هدایت الکتریکی است. در نتیجه می توان گفت، تیتانیوم دارای مقاومت الکتریکی خوب است.
5- عملیات حرراتی
عملیات حرارتی آلیاژهای تیتانیوم شامل تنش زدایی، آنیل، آنیل انحالی و پیرسازی می باشد. عملیات تنش زدایی به منظور کاهش تنش های ایجاد شده در حین پروسه ساخت، عملیات آنیل به منظور بهینه کردن انعطاف پذیری، قابلیت ماشینکاری و پایداری ابعادی و ساختار انجام می گیرند و انجام عملیات آنیل انحلالی و پیرسازی سبب افزایش استحکام، و بهینه کردن ویژگی هایی از قبیل تافنس شکست، استحکام خستگی و استحکام خزش در دمای بالا می گردد. حرارت دهی تیتانیوم و آلیاژهای آن در کوره های معمولی می تواند سبب آلودگی سطح و جذب اکسیژن و هیدروژن و در نتیجه ایجاد تردی در آلیاژ گردد.
رنج دمای عملیات آنیل کردن برای تیتانیوم خالص تجاری1200 درجه فارنهایت و برای آلیاژهای آلفا1650درجه فارنهایت، که این دما به مقدار عناصر آلیاژی رسوب داده شده بستگی دارد. عملیات حرارتی می تواند اندازه دانه ها را افزایش دهد و عملیاتی وجود ندارد که بتواند دانه های تیتانیوم را تصفیه کند و تصفیه دانه ها به وسیله سرد کاری انجام می شود.

شکل 1- 9- عملیات حرارتی آلیاژ Ti-6Al-4V با 3 سرعت سرد کردن مختلف

انتقال فاز بتا در دمای بالای تیتانیوم خالص به فاز آلفا در سرد کردن از دمای حدود1620درجه فارنهایت، از نرخ سرد شدن خیلی بالا نمی توان جلوگیری کرد. اگر چه می توان دمایی که انتقال در آن صورت می گیرد را تا حدی پایین آورد در نتیجه می توان گفت تیتانیوم غیر آلیاژی به معنای واقعی کلمه قابل عملیات حرارتی نیست. اگر چه شکل میکروسکپی متفاوت و آرایش فاز آلفا با نرخ سرد شدن های متفاوت از دمای بالای بتا تولید می شود.
.
شکل 1- 10- ریز ساختار آنیل شده آلیاژنزدیک آلفا (Ti-8Al-1Mo) پس از سرد کردن نواحی مختلف زمینه های فازی (a) آلفای سوزنی- (b) آلفای هم محور شده و بتای بین دانه ای – (c) سا ختار آلفا- بتای ریز

نرخ سرد شدن سریع باعث می شود میکرو ساختار به آلفا سوزنی ارجاع داده شود و سرد کردن آهسته یک ساختار معروف به نام equixed (هم محور شده) مشابه ظاهر فولاد کم کربن آنیل شده، تولید می کند.
سیستم های آلفا پایدار معمولاً غیر قابل عملیات حرارتی اند زیرا فقط تغییرات اندک فازی به طور معمول با حرارت دهی متعاقب در ناحیه فازی کم دما ایجاد می شود. پایین بودن دمای انتقال به دلیل عناصر پایدار کننده فاز بتا و سرعت های نفوذ آهسته، باعث به تاخیر انداختن انتقال فاز بتا در سرد شدن می شود و موازنه فازها فراهم نمی شود.

شکل 1- 11- تاثیرات سرعت سرد کردن روی ریز ساختار آلیاژ آلفا- بتای Ti-6Al-4V اچ شده با10 HF,5HNO3,85H2O- 250X (a)´α+β ;مرز دانه های قبلی – (b) آلفای اولیه و ´α+β- (c) آلفای اولیه و ´α+β- (d)آلفای اولیه و بتای نیمه پایدار- (e) αسوزنی+β; مرز دانه های بتای قبلی- (f)آلفای اولیه و αسوزنی+β- (g) آلفای اولیه و αسوزنی+β – (h) آلفای اولیه و β- (i) αشبه صفحه;مرز دانه های قبلی-(j) αشبه صفحه;مرز دانه ها- (k) α هم محور شده و β دانه ای- (l )α هم محور شده و β دانه ای.

شکل 1- 12- شبه دیاگرام فازی به اضافه ریز ساختارهای آلفا- بتای آنیل شده آلیاژ( (Ti-6Al-4Vپس از سرد کردن نواحی مختلف زمینه فازی]2[ (a)دیاگرام Ti-6Al-4V با ترکیبات نشان داده شده – (b) آلفای سوزنی (بتای استحاله یاقته) همراه مرز دانه های بتای اولیه – (c) زمینه آلفای اولیه (مارتنزیت) همراه بتا(تیره) و مرز دانه های بتای قبلی – (d) دانه های آلفای اولیه (روشن)در زمینه بتای استحاله یافته محتوی آلفای سوزنی – (e) آلفای اولیه هم محور شده در زمینه آلفای اولیه (مارتنزیت)

شکل 1- 13- ساختار آلیاژ آلفا بتای Ti-6Al-4V آنیل نورد شده. ساختار ذرات کروی بتا در زمینه آلفا می باشد]2[ تصویر میکروسکپی ~500x
5-1- کارگرم
آهنگری پرسی و چکشی تیتانیوم اصولا مشابه فولادهای کم آلیاژ است. بدلیل سرد کنندگی سریع و محدوده کار گرم نسبتا باریک، اثر سردکنندگی ابزار بایستی توسط کاهش زمان تماس تا حد امکان کاهش یابد، که در این میان پیش گرم ابزار نیز موثر است. ادامه آهنگری در دمای بسیار پایین ممکن است سبب گسترش ترک های داخلی شود، که بایستی از این عمل اجتناب نمود. علاوه بر آن انجام پیش گرم های متعدد همراه با انجام تغییر فرم های اندک در هر مرحله نیز مضر می باشد زیرا این مسئله سبب درشت شدن ساختار دانه ها و خشن شدن میکروساختار و کاهش خواص مکانیکی می شود. در چکش کاری سقوطی لبه های قالب بایستی دارای انحنا بزرگتر نسبت به فولاد باشند زیرا انقباض حرارتی تیتانیوم کمتر از فولاد بوده و لذا انقباض مجاز کوچکتری را شامل می شود. حذف زائده ها بایستی در شرایطی که دمای قطعه بالا است انجام گیرد. لذا به منظور کمتر کردن پیش گرمایش و جلوگیری از اتلاف زمان و حرارت بایستی چکش کاری و حذف زائده ها با کمترین فاصله زمانی از یکدیگر انجام گیرند و پس از آن عملیات تنش زدایی توصیه می شود.
5-2- کار سرد
ورقی که آنیل انحلالی شده است می تواند تحت عملیات کشش، پرس و غیره قرار گیرد ولی ماکزیمم مقدار تغییرفرم به مقدار بار اعمالی بستگی دارد. استفاده از پرس هیدرولیک نتایج خوبی بهمراه دارد. برای تولید قطعات با طرح های پیچیده از ورق های تیتانیوم، عمدتا از روش شکل دهی چکش سقوطی استفاده می شود، که ورق ها پیش از شکل دهی پیش گرم شده اند. لقمه های مورد استفاده در شکل دهی سرد را می توان توسط فرایند برش یا اره کردن با سرعت های برش پایین آماده نمود. شرایط لبه لقمه ها از اهمیت بالایی برخوردار است و با استفاده از تیغه های برش تیز و محکم نگه داشتن لقمه توسط ابزار در حین برش یا پیش گرم قطعه می توان ایجاد ترک در لبه ها را به حداقل رساند. کلیه برآمدگی های تیز بایستی زدوده شوند و برای فرایندهای شکل دهی پیچیده لبه های برش بایستی سوهان کاری یا پولیش شوند.
شکل های ساده را می توان در دمای اتاق فرم دهی نمود. تغییرفرم به استحکام و خاصیت ارتجاعی ماده بستگی دارد. روانکارهای جامد همچون صابون، دی سولفید مولیبدن یا گرافیت نسبت به روغن های معدنی و گریس ارجحیت دارند.
در شکل دهی قطعات با طرح های پیچیده، قطعه و قالب بایستی به منظور تسهیل فرایند شکل دهی، تحت عملیات پیش گرم قرار گیرند.
6- کاربرد های تیتانیوم
صنعت
مهمترین کاربرد تیتانیوم در صنایع برای ساخت هواپیماها، موشک ها، جت ها، ماشین های نساجی، وسایل شیمیایی، وسایل جراحی، وسایل نمک زدایی، وسایل ارتوپدی، وسایل غذاسازی، هدف های لوله های اشعه ایکس، وسایل ساینده، لوله های رآکتورها، قاب یا فریم عینک و… می باشد.
پزشکی
غیر سمی بودن و شرایط پذیر بودن تیتانیم باعث شده است تا این ماده در پزشکی و در درون بدن انسان مورد استفاده قرار گیرد. ایمپلنت ها، ابزارهای نگه دارنده شکستگی که در بدن بیمار کار گذاشته می شوند و… معمولاً از تیتانیم تشکیل شده اند. در اینگونه موارد تیتانیم با حدود ۴ تا ۶ درصد آلومینیم تشکیل آلیاژ می دهد.
جواهرسازی
به دلیل دوام و ماندگاری بالا، تیتانیم به یکی از فلزات محبوب جواهرسازان بدل گشته است. همچنین به علت عدم تحریک آلرژیک، جواهرات تیتانیم گزینه بسیار مناسب برای افرادی است که به فلزات زینتی آلرژی دارند. تیتانیم همچنین با طلای ۲۴ عیار تشکیل آلیاژ می دهد.

فصل دوم
مروری بر روش های جوشکاری
در یک نگاه می توان فرآیندهای جوشکاری را به ترتیب زیر معرفی نمود:
1- جوشکاری قوسی با حفاظت سرباره شامل سه روش MMA، SMAWو SAW زیر پودری.
2- جوشکاری قوسی با حفاظت گازشامل:
2-1- GTAW جوشکاری قوسی تنگستن-گاز
2-2- TIG (جوش کاری آرگون)
2-3- MIG-MAG-CO2
2-4- PAW (جوشکاری قوسی پلاسما)
2-5- GMAW (جوشکاری قوسی فلز-گاز)
3- فرایند های جوشکاری مقاومتی
4- جوشکاری گاز سوختنی به روش های با شعله (مانند اکسی استیلن، اکسی بوتان، اکسی پروپان و …) و بدون شعله مانند جوش ترمیت (ریلی)
5- جوشکاری اصطکاکی
6- جوشکاری نفوذی
1- طبقه بندی روشهای اتصال و انواع جوش
طبقه بندی روشهای اتصال قطعات به دو دسته زیر انجام می شود:
* براساس نحوه اتصال:
o روش مکانیکی ( مانند پیچ ، پرچ ، میخ)
o روش متالوژریکی ( مانند جوشکاری ، لحیم کاری و …)
o روش شیمیایی ( مانند چسب)
* براساس نوع اتصال:
o دائم ( مانند جوشکاری)
o نیمه وقت ( مانند پرچ)
o موقت ( مانند پیچ و مهره)
جوش به عنوان یکی از روشهای اتصال ( دائم ): در شرایطی یک جوش به عنوان یک اتصال ایده ال انتخاب می شـود کـه جوش از نظر 1. ترکیب شیمایی 2. ساختار میکروسکوپی و 3. خواص مکانیکی قابل تشخیص از فلز پایه و یا زمینه نباشد، یعنی تفاوت چندانی با فلز پایه نداشته باشد.
فرآیندهای جوشکاری از جنبه های متعددی تقسیم بندی می شود:
1- از نظر جوشکاری:
1-1- جوشکاری ذوبی
1-1-1. با قوس الکتریکی
1-1-1.1. TIG
1-1-1.2. MIG
1-1-1.3. SAMW
1-1-1.4. SAW
1-1-2. شیمایی- حرارتی
1-2- جوشکاری فشاری
1-2-1. مقاومتی
1-2-2. اصطکاکی
1-2-3. فشاری
1-2-4. انفجاری
2- از نظر منابع انرژی که شامل:
2-1- منبع مکانیکی مانند جوشکاری اصطکاکی
2-2- منبع الکتریکی مانند قوس دستی
2-3- منبع انرژی تششع مانند جوشکاری پرتو الکترون
2-4- منبع شیمیایی مانند اکسی استیلن
3- از نظر حفاظتی که شامل:
3-1- حفاظت توسط سرباره (جوشکاری قوس دستی)
3-2- حفاظت توسط گاز (جوشکاری قوس تنگستن – گاز)
3-3- حفاظت توسط خلا ء (جوشکاری پرتو الکترون)
در اینجا به طور مختصر چند روش جوشکاری نامبرده شده در بالا را شرح خواهیم داد.
2- اصول جوشکاری قوس تنگستن تحت پوشش گاز محافظ
جوشکاری تیگ (Tungsten Inert Gas) یا همان جوشکاری قوس تنگستن تحت پوشش گاز محافظ، یکی از مهمترین روشهای جوشکاری در صنایع مختلف کوچک و بزرگ پتروشیمی، نظامی، دریایی، هوایی، نیروگاههای برق و … می باشد. در ایران بیشتر با نام اختصاری و متداول جوش آرگون شناخته می شود. دلیل این نامگذاری بیشتر به خاطر استفاده از گاز آرگون در این فرایند جوشکاری است.
از فرایند جوشکاری TIG می توان برای جوشکاری فلزات سخت و غیر سخت، آهنی و غیر آهنیدر تمام ضخامتها استفاده کرد. با استفاده از این نوع جوشکاری می توان جوشکاری صفحات نازک و ظریف (به عنوان مثال:آلومینیومی) تا لوله های تحت فشار را انجام داد. در این روش قوس و حوضچه مذاب کاملاً آشکار و قابل مشاهده می باشد. در دهه ۱۹۲۰ کوشش شد تا قوس و حوضچه مذاب را در مقابل اتمسفر محافظت کنند تا جوشکاری کاملاً ایده آل انجام گیرد. ظهور الکترودهای روپوش دار در آن دهه مسئله محافظت را منتفی کرد. اما بدلیل بوجود آمدن برخی مشکلات در دهه ۱۹۳۰، جوشکاری با گاز خنثی و الکترود تنگستن (TIG)ابداع شد که شروع روش جوشکاری با محافظت گاز بود.این روش با وجود اینکه بسیار کند پیشرفت کرد ولی در دهه ۱۹۴۰ توسعه پیدا نمود.
درمیان انواع فرایندهای اتصال فلزات، فناوری جوشکاری و روشهای مختلف آن به دلیل قابلیتهای خاص و تنوع در عملکرد، جایگاه خاصی را به خود اختصاص داده است. در استانداردهای مطرح و مرتبط این رشته، از فرایند جوشکاری تحت عنوان فرایند خاص یاد شده است. فرایند خاص به فرایندی اطلاق می شود که کیفیت و نتیجه آن وابستگی بسیاری به مهارت اپراتور آن داشته و جهت اجرای آن به دستورالعمل های تایید شده نیاز باشد.

شکل 2- 1- طرحواره جوشکاری TIG

شکل 2- 2- نمونه جوشکاری به روش TIG
در این فرایند عمل جوشکاری توسط حرارت ناشی از قوس الکتریکی ما بین یک الکترود مصرف نشدنی از جنس تنگستن (یا آلیاژ آن) و قطعه کار صورت می پذیرد. الکترود، قوس الکتریکی و منطقه حوضچه مذاب توسط یک گاز محافظ (آرگون،هلیم، مخلوط هر دو گاز و یا مخلوط هر یک از دو گاز با گاز هیدروژن) در برابر اتمسفر محافظت می شود. استفاده از گازهای آرگون و هلیم به علت خاصیت خنثی بودن این گازها می باشد. گازهای خنثی با عناصر دیگر قابلیت واکنش ندارند پس به منظور حذف گازهای فعال مانند اکسیژن و نیتروژن از اطراف قوس و حوضچه مذاب، اکسیدها و نیتریدهای فلزی (Porosity)ایده آل می باشند بدین ترتیب می توان از شکل گرفتن تخلخلهای گازی جلوگیری نمود. تخلخلهای گازی، اکسیدها و نیتریدهای فلزی، عیوبی هستند که باعث کاهش خواص مکانیکی جوش از جمله مقاومت به ضربه و استحکام کششی می شوند.
2-1- قوس الکتریکی:
قوس الکتریکی یک منبع حرارتی است که در اکثر فرایندهای جوشکاری از آن استفاده می شود. به دلیل اینکه تولید آن ساده و ارزان بوده و انرژی حرارتی آن نسبت به سایر منابع دیگر بالاتر است، کاربرد گسترده ای دارد.
قوس، تخلیه بار الکتریکی بین دو الکترود در توده ای از گاز یونیزه شده است. این توده گاز، هادی جریان الکتریسیته می باشد یعنی جریان الکتریکیبوسیله این گاز هادی شده، عبور می کتد و یک حوزه حرارتی را تشکیل می دهد. در جوشکاری با الکترودهای پوشش دار ایجاد توده گاز یا پلاسما ممکن است در اثر تجزیه عناصر موجود در پوشش الکترود باشد . در پوشش الکترودها عناصری وجود دارد از قبیل سدیم و پتاسیم که ولتاژ یونیزاسیون این عناصر پایین است به عبارت دیگر با انرژی کمتری یونیزه می شوند.هنگام تماس الکترود با قطعه کار یک اتصال کوتاه رخ داده و مقداری انرژی حرارتی تولید نی گردد بنابراین جزئی از سدیم یا پتاسیم موجود در پوشش الکترود یونیزه شده و با دور کردن الکترود از قطعه کار به ترتیب اولین، دومین، سومین وn امین اتم سدیم یا پتاسیم یونیزه می شوند.
در این حالت مقدار بیشتری انرژی حرارتی تولید می گردد که می تواند گازهای موجود در اتمسفر مثل اکسیژن و ازت را نیز تجزیه کرده و بعد یونیزه کند . بدین ترتیب می توان گفت در یک لحظه معین، در این محیط کوچک، احتمال وجود هر چهار شکل ذره (مولکول، اتم، یون و الکترون ) وجود دارد که جهت حرکت الکترونها از قطب منفی به قطب مثبت و جهت حرکت یونها از قطب مثبت به قطب منفی است.
مولکولها و اتمها نیز جهت حرکت مشخصی ندارند ولی بدلیل اینکه در یک محیط پر انرژی قرار دارند، تحرک و شتاب زیادی دارند در نتیجه انرژی حرارتی تولید شده در قوس در اثر دو عامل است : اول اینکه الکترونها در هنگام حرکت، انرژی خود را به انرژی حرارتی تبدیل می کنند و دوم اینکه در اثر تصادم این ذرات با یکدیگر مقداری انرژی تولید می گردد و در نهایت در قوس الکتریکی در فشار یک اتمسفر درجه حرارتی حدود ۶۰۰۰ درجه سانتیگراد (در بخار آهن) تا ۲۰۰۰۰ درجه سانتیگراد (برای قوس تنگستن) ایجاد می شود.
2-2- تجهیزات مورد نیاز در جوشکاری TIG:
منبع تغذیه(Power Source): در فرایند جوشکاری TIG می توان از هر دو نوع مولد جریان برق مستقیم (DC) و متناوب (AC) بهره جست. منابع قدرت عمدتاً ترانسفورماتور، یکسوساز و یا ژنراتور هستند .
سیلندر گاز محافظ: کپسول فلزی حاوی گاز محافظ است . فشار گاز داخل کپسول در هنگام پر بودن حدود ۱۵۰ تا ۲۰۰ bar می باشد.
رگولاتور ها (فلومتر و مانومتر): برای کاستن از فشار خروجی گاز از کپسول و تنظیم شدت خروجی گاز محافظ از مشعل مورد استفاده قرار می گیرد. معمولاً میزان دبی گاز مصرفی بستگی به نوع طرح اتصال، زاویه مشعل، نوع نازل و شماره سرامیکی(nozzele) بوده وبین محدوده 3 الی 8 لیتر بر دقیقه می باشد.
شیلنگ و بستهای گاز: برای هدایت گاز محافظ از سیلندر به مشعل مورد استفاده قرار می گیرد.
مشعل مخصوص جوشکاری(Torch): مشعل جوشکاری در واقع جریان برق را که از رکتیفایر بوسیله کابل می آید را به الکترود تنگستن و گاز محافظ را به محدوده قوس و حوضچه مذاب هدایت می کند.مشعل ها عموماً بوسیله آب و یا بوسیله هوا خنک می شوند. مشعل هایی که کاربرد آنها در شدت جریانهای کم (زیر ۲۰۰ آمپر) و کوتاه مدت است، بوسیله هوا و جریان گاز محافظ خنک می شوند.ولی مشعل هایی که درجریانهای بالا و بلند مدت مورد استفاده قرار می گیرد، سیستم خنک کننده آنها گردش آب می باشد زیرا به علت گرمای بسیار زیاد که در جوشکاری با آمپراژ بالا پدید می آید، گاز محافظ به تنهایی قادر به خنک کردن مشعل نیست.

شکل 2- 3- مشعل مخصوص جوشکاری
الکترود تنگستن: الکترودهای تنگستن که در فرایندTIG به کار می روند، در گروه الکترودهای ذوب نشدنی قرار دارند و طبق استاندار ASWA ۵٫۱۲، ترکیب شیمیایی آنها به صورت زیر است:
* EWP: الکترود تنگستن خالص
* EWTH: الکترود تنگستن – توریم (حاوی ۱ تا ۲ درصد اکسید توریم یا توریا)
* EWZR: الکترود تنگستن – زیر کونیم (حاوی ۰٫۱۵ تا ۰٫۴ درصد اکسید زیرکونیوم یا زیرکونیا)
* EWLA-1: الکترود تنگستن – لانتانیوم (حاوی ۱ درصد اکسید لانتیوم یا لانتیا)
* EWCE-2: الکترود تنگستن – سریم (حاوی ۲ درصد اکسید سریم یا سریا)

شکل 2- 4- انواع الکترودهای تنگستنی
الکترودهای تنگستن معمولاً در قطرهای ۰٫۲۵ تا ۶٫۳۵ میلیمتر و طول ۷۶ تا ۶۱۰ میلیمتر ساخته می شوند. الکترودهای تنگستن خالص نسبت به سایر الکترودها ارزانتر بوده، ظرفیت حمل الکتریسیته کمتری می دارند، عمر آنها کوتاهتر بوده و فقط قابل استفاده با جریان AC باشند.از این الکترودها در مواردی که حساسیت کار کمتر است استفاده می شود. اگر از الکترود تنگستن خالص در شدت جریانهای بالااستفاده شود امکان تحلیل رفتن تدریجی آن وجود دارد.
الکترودهای تنگستن توریم دار، ظرفیت حمل الکتریسیته بالاتری دارند و عمر آنها طولانی می باشد. شروع قوس با این الکترودها راحتتر بوده و ثبات قوس بیشتری ایجاد می کنند (چون خروج الکترونهاراحتتر صورت می گیرد). از این الکترودها غالباً در جریان DC استفاده می شود.
الکترودهای زیرکونیوم دار بهترین نوع الکترود برای جوشکاری آلومینیوم و منیزیم هستند.این الکترودها تقریباً مزایای هر دو الکترود قبلی را دارا هستند. زمانی که از این الکترودها در جریان AC استفاده می شود، پایداری قوس الکترودهای EWP در جریان AC، به همراه ظرفیت حمل جریان و شروع قوس خوب در الکترودهای EWTH مشترکاً فراهم می آید .

جدول 2- 1- الکترود های تنگستن با رنگهای یک سر آنها طبق طبقه بندی زیر شناخته می شوند:
سبز : تنگستن خالص
AWS Classification: EWP
نارنجی : تنگستن با ۲ درصد سریم
AWS Classification: EWCE-2
سیاه : تنگستن با ۱ درصد لانتانیوم
AWS Classification: EWLA-1
زرد : تنگستن با ۱ درصد توریم
AWS Classification: EWTH-1
قرمز : تنگستن با ۲ درصد توریم
AWS Classification: EWTH-2
قهوه ای : تنگستن با ۱ درصد زیر کونیوم
AWS Classification: EWZR-1
خاکستری : غیر از عناصر بالا
AWS Classification: EWG

در جوشکاری TIG انتخاب صحیح قطر الکترود، بستگی کامل به شدت جریان و نوع جریان (AC یا DC) خواهد داشت.
سیم جوش (Filer Metal): اکثر فلزات و آلیاژها را می توان با روش TIG جوشکاری نمود بنابراین انتخاب سیم جوش یکی از عمده ترین مسائل می باشد. در زیر سیم جوشهای مختلف در فرایند TIG مطابق با استاندارد AWS طبقه بندی شده اند. برای هر گروه در AWS به طور کافی درباره طریقه کاربرد، ترکیب شیمیایی، نوع جریان و مقدار آن، قطر سیم جوش و غیره داده شده است . طول سیم جوشها معمولاً ۶۱ سانتی متر یا ۹۱ سانتی متر است و برای دستگاههای نیمه اتوماتیک و اتوماتیک به صورت کلافی موجود می باشد.

جدول 2- 2- طبقه بندی انواع سیم جوش مطابق استانداردAWS در فرایند TIG
نوع سیم جوش
AWS Specification Number
سیم جوش و الکترود مس و آلیاژهای مس
A 5.7
برای فولادهای کرمی و کرم نیکلی مقاوم به خوردگی
A 5.9
سیم جوشهای مخصوص آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم
A 5.10
سیم جوشهایی که برای عملیات سطحی به کار می روند
A 5.13
سیم جوشهای مخصوص نیکل و آلیاژهای نیکل
A 5.14
سیم جوشهای مخصوص تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم
A 5.16
سیم جوش برای فولادهای کربنی
A 5.18
سیم جوشهای مخصوص آلیاژهای منیزیم
A 5.19
سیم جوشهای مخصوص آلیاژهای زیرکونیم
A 5.24

2-3- عیوب متداول در جوشکاری TIG
ناخالصی تنگستن (Tungestan Inclusion): زمانی که از تکنیکهای نا مناسب جوشکاری استفاده شود احتمال حبس ذرات تنگستن در فلز جوش وجود دارد. علل اصلی بوجود آمدن این عیب عبارتند از:
* تماس نوک الکترود تنگستن با حوضچه مذاب
* تماس سیم جوش با الکترود تنگستن داغ
* عبور شدت جریان بیش از اندازه از الکترود تنگستن
* آلوده شدن نوک الکترود از طریق جرقه های ساطع شده از حوضچه مذاب
* زیاد بودن طول موثر الکترود (فاصله نوک الکترود تا کولت) که موجب داغ شدن بیش از حد الکترود می شود
* ناکافی بودن دبی گاز محافظ یا وزش باد در محیط جوشکاری و در نتیجه اکسید شدن نوک الکترود
* نامرغوب بودن الکترود تنگستن
* استفاده از گاز محافظ نامناسب مانند آرگون+کربن دی اکسید
عیوبی که ناشی از محافظت نامناسب گاز بوجود می آید:
* ناخالصی تنگستن
* خلل وفرج (Porosity)
* فیلمهای اکسیدی در نتیجه ذوب ناقص و حبس ناخالصیهای اکسیدی
کلیه عیوب فوق موجب کاهش خواص مکانیکی از جمله کاهش استحکام کششی و مقاومت به ضربه می شوند.
برخی از علل بوجود آمدن خلل وفرج در جوش عبارتند از:
* کم بودن دبی گاز محافظ
* زیاد بودن بیش از اندازه گاز محافظ، در نتیجه جریان گاز از حالت آرام یا لمینار به متلاطم یا توربولانس تبدیل می شود
* وزش باد در محیط جوشکاری و اختلال در محافظت گاز
* کوچک بودن دهانه شعله پوش.(قطر شعله پوش باید حداقل 1.5 برابر پهنای سطح جوش باشد)
* زیاد بودن طول قوس یا زیاد بودن فاصله شعله پوش تا حوضچه مذاب

ناخالصی های اکسیدی: ناخالصی های اکسیدی در بطن جوش، محل تمرکز تنش بوده و موجب کاهش استحکام و مقاومت به ضربه جوش می شوند . در فرایند TIG قبل از شروع به جوشکاری باید لایه های اکسیدی را از روی محل اتصال و سیم جوش برطرف کرد . این امر مخصوصا در آلومینیوم و آلیاژهای آن به علت نقطه ذوب بالای اکسید آلومینیوم (2050 درجه سانتی گراد) از اهمیت ویژه ای بر خوردار است .
تمیز نبودن درز جوش، وجود لایه های اکسید روی سیم جوش و عدم تمیز کاری بین مرحله ای.
خارج نمودن نوک داغ سیم جوش از محدوده حفاظتی گاز محافظ در هنگام جوشکاری .
اکسیداسیون از طرف ریشه جوش ( محافظت از ریشه جوش هنگام جوشکاری فلزات حساس مانند فولادهای زنگ نزن الزامی است) یعنی از طرف پشت قطعه کار هم باید بوسیله گاز محافظ، حفاظت شود.
عدم ذوب (Lack Of Fusion): برخی از علل عیوب کمبود ذوب عبارتند از:
* کوچک بودن زاویه پخ قطعه کار که موجب عدم ذوب در ریشه اتصال می شود (Lack Of Root Fusion)
* زیاد بودن پاشنه جوش (Root Face) وایجاد عدم ذوب در ریشه اتصال .
* کوچک بودن فاصله بین دو لبه در ریشه جوش که موجب عدم ذوب در ریشه اتصال می شود .
* عدم ذوب کافی در دیواره های اتصال به علت سرعت جوشکاری بالا و عدم تمرکز قوس در مرکز اتصال.
* نامناسب بودن توالی پاس های جوشکاری و ایجاد عدم ذوب بین پاسی (Lack Of Inter Run Fusion)

3- جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
یک روش جدید حالت جامد جوشکاری است. این روش، بازدهی انرژی بالا و سازگاری خوبی با محیط زیست دارد. همچنین، در صنایع هوافضا و سایر صنایع حساس، می تواند برای اتصال آلیاژهای پایه ی آلومینیوم استحکام بالا که با روش های معمولی، به راحتی جوشکاری نمی شوند، به کار رود. در دهه ی گذشته، جوشکاریِ اصطکاکی اغتشاشی، بیشترین توسعه را در اتصالات داشته است. فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، برای ایجاد تغییرات میکروساختاری در مواد نیز، به کار می رود.

شکل 2- 5- نمونه ای از دستگاه جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، فرایندی نوین جهت اتصال دهی آلیاژهای فلزی در حالت جامد می باشد، که بدلیل انجام اتصال در فاز جامد نسبت به فرایندهای حالت ذوبی برتری داشته است. تیتانیم و آلیاژهای آن به علت فعالیت شیمیایی بالا و حساسیت به ایجاد عیوبی همچون حفرات گازی، لایه ها و آخالهای اکسیدی در جوشکاری ذوبی، جوش پذیری ضعیفی دارند. در این تحقیق امکان اتصال دهی تیتانیم خالص توسط فرایند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) بعنوان فرایندی بدون عیب بررسی شده است. نتایج این تحقیق بیانگر، اتصالی عاری از عیوب جوشکاری توسط ابزار دو تکه شامل پین از جنس تنگستن کارباید (بدون ایجاد رزوه) و شانه ابزار از جنس تنگستن و با بکارگیری سیستم خنک کننده هوای فشرده می باشد بررسی خواص مکانیکی نشان می دهد، استحکام اتصال ایجاد شده در این حالت بیش از 87 درصد استحکام فلز پایه بوده است، اگرچه این استحکام در محدوده الاستیک 98 درصد فلز پایه می باشد.. بررسی میکرو سختی از مقاطع عرضی اتصال، نشان دهنده افزایش چشمگیر سختی ناحیه جوش نسبت به فلز پایه، بدلیل اصلاح ریز ساختار انجمادی می باشد. بطوریکه میانگین سختی در ناحیه SZ و در قسمت AS، 60% بیش از سختی فلز پایه و در قسمت RS، 37% بیش از سختی فلز پایه می باشد.

روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، اولین بار، در موسسه ی جوشکاری بریتانیا، به عنوان روش اتصال حالت جامد، ابداع شد و برای جوشکاری آلیاژهای آلومینیوم، به کار گرفته شد. اساس کار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، بسیار ساده است. همان طور که در شکل زیر میتوان دید، یک ابزار غیرمصرفی چرخان، با یک پین با طراحی مشخص و یک شانه، به لبه های مجاور صفحات متصل شونده وارد می شود و در امتداد خط اتصال، پیشروی می کند.
این نوع جوشکاری در زمره پروسه های جوش حالت جامد می باشد روش های جوشکاری حالت جامد که بیشتر متداول هستند عبارتند از:
* جوشکاری اصطکاکی Friction welding
* جوشکاری فشاری Pressure welding
* جوشکاری آهنگری یا پتکه ای Forge welding
* جوشکاری با امواج صوتی Ultrasonic welding
در جوش های حالت جامد برخلاف فرآیندهای حالت ذوبی که محل اتصال در نتیجه ذوب موضعی دو قطعه و تداخل آنها و عمل انجماد انجام می شد، اتصال بدون تشکیل مذاب انجام می شود. ولی ممکن است فیلمی از فلز مذاب در یک مرحله میانی از عملیات بین سطوح اتصال ایجاد گردد اگرچه فلز مذاب معمولاً به طور کامل از جوش جدا می شود، ولی در حضور کوتاه خود نقش مفیدی را در انجام جوش ایفا می کند.
به طور کلی جوشکاری اصطکاکی بر اساس تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی گرمایی استوار است که دو قسمت مورد اتصال را به هم نزدیک کرده و با ایجاد حرکت دورانی سریع یکی از آنها بر روی دیگری و مالش و اصطکاک دو قطعه، گرمای زیادی تولید شده و موجب حالت پلاستیسیته در لبه های اتصال می شود با فشار اعمال شده نهایی قطعات در هم فرو می روند و اتصال ایجاد می شود.

شکل 2- 6-شماتیکی از نحوه کار دستگاه جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، نسبت به سایر روش های جوشکاری، انرژی کمتری مصرف می کند؛ به گاز محافظ و فلاکس نیازی ندارد و سازگار با محیط زیست است. همچنین، نیازی به فلز پرکننده ندارد. لذا، هر آلیاژ آلومینیوم را می توان بدون نگرانی از بر هم خوردن ترکیب شیمیایی آن، جوشکاری کرد. حتی می توان آلیاژهایی با ترکیب متفاوت را نیز، جوشکاری نمود. علاوه بر این، این روش جوشکاری، برای وضعیت های مختلف جوشکاری، نظیر جوش لب به لب، T شکل و فیلت، قابل کاربرد است.
می دانیم که سطوح در مقیاس میکروسکوپی دارای برآمدگی ها و فرورفتگی هایی هستند و علاوه بر آن لایه اکسیدی نازک و یا ناخالصی های دیگر بر روی سطح پوشیده شده است . هرگاه سطوح به طور کامل در کنار هم قرار نگیرند نیروی چسبندگی بین مولکولی بین آنها برقرار نشده و در نتیجه اتصال انجام نمی گیرد هدف اصلی در جوشکاری اصطکاکی برطرف نمودن این ناهمواری ها و ناخالصی ها و اعمال فشار برای اتصال دو سطح است.
هنگامی که دو سطح با فشار معین بر روی هم مالیده می شوند نقاط بلند بهم برخورد کرده و از بین می روند، همزمان لایه اکسیدی برداشته شده و دو سطح فلز در تماس با یکدیگر قرار می گیرند و بدین ترتیب یک باند یا چسبندگی موقت (Seizures)به وجود می آید با ادامه حرکت ،این چسبندگی بریده شده و یک باند تازه تر به وجود می آید بدین ترتیب انرژی مکانیکی به حرارتی تبدیل شده و به تدریج درجه حرارت سطح افزایش می یابد. بنابراین استحکام فشاری کاهش یافته و تغییر فرم پذیری راحت تر انجام می گیرد، نقاط برآمده به سرعت محو شده و سطوح در حالت چسبندگی کامل قرار می گیرند با فرض این که نرخ حرارت تولیدی بیشتر از حرارت فروکشی باشد درجه حرارت بالاتر رفته و حالت پلاستیکی نیز بیشتر می شود تا جایی که استحکام فشاری قادر به تحمل نیروی فشاری نیست و سطح زیر فشار گسترده تر شده و لبه ها در هم فرو می روند و حتی کمی به بیرون بر می گردند.
به خاطر حرکت چرخشی دسته کم یکی از دو قطعه در محل اتصال می بایست سطح مقطع دایره ای داشته باشد.
جوشکاری اصطکاکی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شود:
الف) جوشکاری اصطکاکی لحظه ای Inertia friction
ب( جوشکاری اصطکاکی مداوم Continuous drive friction
البته امروز روش های پیشرفته که ترکیبی از دو تکنیک بالاست به کار می رود هر دو نوع جوشکاری می تواند بدون توقف و به طور کامل به صورت ماشینی انجام شود و می توان پارامترهای عملیاتی را از قبل برنامه ریزی نمود. FSW برای قطعاتی که بتوان آنها را از نظر اندازه و شکل با ماشین جوش اصطکاکی تطبیق داد پروسه ای جالب می باشد زیرا هیچ ماده filler یا پر کننده لازم ندارد و مثلاً برای جوشکاری فولاد کربنی ساده و آلیاژی حفاظت با گاز لازم نمی باشد. جوش بدست آمده از این روش کیفیت بالایی دارد و برای تولیدات انبوه مقرون به صرفه است.
با پیشرفت های انجام شده می توان جوشکاری اصطکاکی را به جای چرخش با حرکت انجام داد که باعث گسترش این پروسه و تطبیق قطعات متنوع با این پروسه شده است.
2-1- پارامترهای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
برای تولید یک جوش قابل قبول پارامترهای عملیاتی از قبیل نیروی اعمالی، سرعت چرخش و زمان می تواند در رنج گسترده ای تغییر کند نیروی اعمالی باید به مقدار کافی بزرگ باشد تا سطوح را در تماس با یکدیگر نگه دارد زمان عملیات هم باید به گونه ای باشد که اکسیداسیون سطوح به حداقل برسد. نیروی ناکافی حرارت کمتری ایجاد می کند که منجر به عدم اتصال مناسب سطوح می گردد از طرف دیگر نیروی بیش از اندازه حرارت زیادی تولید می کند که منجر به ذوب شدن دو فلز می شود. به عنوان مثال برای جوشکاری فولاد نیرو در محدوده30-60 MPa و سرعت زاویه ای حداقل 90 m/min می باشد. زمان گرمادهی برای قطعات کوچک از 5 تا 10 ثانیه می باشد. زمان باید به اندازه کافی باشد تا اجازه رسانش گرمایی به بخش های مرکزی سطوح که دارای حرکت نسبی کمتری برای تولید حرارت می باشند را بدهد از طرف دیگر افزایش زمان گرمادهی منجر به افزایش سطح مقطع اتصال و گسترش منطقه HAZ در دو طرف جوش به طور غیرعادی می شود.
فرآیند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، همراه با جابه جایی پیچیده و تغییرشکل پلاستیک است. "پارامترهای جوشکاری"، "هندسه ی ابزار" و "طراحی اتصال"، بر الگوی سیلان ماده و توزیع دما موثر هستند. همچنین، تغییر شکل ریزساختاری ماده نیز، تابع این عوامل است.
سطح مقطع منطقه جوش در این روش مطابق شکل زیر به چهار قسمت تقسیم می شود:

شکل 2- 7-شماتیکی از سطح مقطع جوش در روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
ناحیه A: منطقه ای که فقط گرم می شود و ریزساختار و خواص مکانیکی آن دستخوش تغییر نمی شود.
ناحیه B: ناحیه متاثر از حرارت یا HAZ نامیده می شود که هیچگونه تغییر فرم پلاستیکی در ناحیه اتفاق نمی افتد.
ناحیه C: این ناحیه هم تحت تاثیر حرارت قرار دارد و هم تغییر فرم پلاستیکی در آن اتفاق می افتد و با عنوان (TMAZ : Thermomechanically Affected Zone) شناخته می شود. در دیگر فرآیندهای جوشکاری این ناحیه وجود ندارد. ندرتاً در برخی از جوشکاری های فشاری سرد، ممکن است TMAZ وجود داشته باشد. مثلاً؛ در مورد فلز آلومینیوم در ناحیه C، مرزدانه ها از بین رفته و تغییرفرم در داخل ماده ایجاد می شود.
ناحیه D: در این قسمت تبلورمجدد بطور کامل اتفاق می افتد. این ناحیه بیشترین تغییر شکل و دما را نسبت به سایر قسمت ها داشته و همین باعث می شود که دمای تبلورمجدد پایین تر آمده و آسان تر رخ دهد.

2-1-1. هندسه ی ابزار:
هندسه ی ابزار، مهم ترین عامل تاثیرگذار روی این فرآیند است و مهم ترین نقش را در سیلان ماده بازی می کند. یک ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، دو قسمت دارد: "پین" و "شانه". همچنین، ابزار، دو عملکرد دارد: ایجاد گرمای موضعی و سیلان ماده.
در وهله ی اول و در ابتدای تماس پین با ماده، در اثر اصطکاک، گرما ایجاد می شود. مقداری از گرما نیز، در اثر تغییر شکل پلاستیک ماده به وجود می آید. پین تا جایی که شانه روی سطح قطعه کار بنشیند، فرو می رود. اصطکاک بین شانه و قطعه کار در این مرحله، قسمت اعظم گرمای فرآیند را تولید می کند. از جنبه ی تولید گرما، نسبت اندازه ی پین و شانه نیز مهم است؛ اما، سایر پارامترهای طراحی، تاثیر چندانی روی گرمای تولیدی ندارند. شانه همچنین، محدوده ی گرم شدن قطعه را نیز، تعیین می کند.

شکل 2- 8-نمونه ای از پین های اتصال برای روش FSW
عملکرد دوم ابزار، گرداندن و حرکت ماده است. شکل گیری ریزساختار و خواص حاصل، بستگی به هندسه ی ابزار دارد. معمولاً، از شانه ی مقعر و پین استوانه ای رزوه دار استفاده می شود.
شکل زیر، دو نمونه از ابزار جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی را نشان می دهد. در ابزار مارپیچی، حجم جابه جاشونده ی ماده، تا 60% و در ابزار سه شیاری، تا 70% کاهش می یابد. مزیت این نوع طراحی ها، کاهش نیروی اصطکاکی، امکان سیلان قسمتی از ماده که تغییر شکل پلاستیک داده، تسهیل حرکت فرورونده ی ابزار و افزایش فصل مشترک بین پین و ماده ی تغییر شکل پلاستیک داده، همزمان با تولید گرمای بیشتر می باشد.

شکل 2- 9- تصویر نمادین پینی در جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی که از نظر هندسی، بهینه سازی شده است

عامل اصلی برتری این نوع پین ها نسبت به پین های ساده، نسبت حجم پیچیده شده هنگام چرخش به حجم خود پین است؛ یعنی، نسبت حجم دینامیک به استاتیک که برای ایجاد یک مسیر مناسب برای سیلان ماده، حائز اهمیت است.
با درنظرگرفتن تاثیر مهم هندسه ی ابزار روی سیلان فلز، ریزساختار حاصل که رابطه ی مستقیمی با نحوه ی سیلان دارد، برای هر ابزار، متفاوت خواهد بود. از شبیه سازی، برای بررسی نحوه ی سیلان و محاسبه ی نیروی محوری و در نتیجه طراحی ابزار مناسب، استفاده می شود.

2-1-2. متغیرهای فرآیند:
برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، دو پارامتر، بسیار مهم اند:
1- نرخ چرخش ابزار در جهت ساعتگرد یا پادساعتگرد (CW,rpm)
2- سرعت پیشروی ابزار در طول خط اتصال (V, mm/min).
چرخش ابزار، باعث هم خوردن و اختلاط ماده حول پین چرخان شده و پیشروی ابزار، ماده ی هم خورده را از جلو به عقب پین منتقل می کند و در نهایت، فرآیند جوشکاری خاتمه می یابد. نرخ چرخش بالاتر، باعث ایجاد گرمای بیشتر، به دلیل اصطکاک بیشتر و در نتیجه، هم خوردن و اختلاط بیشتر ماده خواهد شد.
علاوه بر W و V، پارامتر مهم دیگر، زاویه ی محور یا کجی ابزار نسبت به سطح قطعه کار است. کجی مناسب محور در امتداد جهت پیشروی، این اطمینان را می دهد که شانه ی ابزار، ماده ی هم خورده با پین رزوه دار را به طور مناسبی از جلو به عقب حرکت می دهد. همچنین، عمق فروروندگی پین در قطعه کار، برای ایجاد جوش مناسب، مهم است. عمق فروروندگی پین، بستگی به ارتفاع پین دارد. وقتی که این عمق کم باشد، شانه ی ابزار، با قطعه کار تماس پیدا نمی کند. بنابراین، شانه ی چرخان، نمی تواند ماده ی هم خورده را حرکت دهد. وقتی که این عمق زیاد باشد، باعث ایجاد تشعشع زیاد جوش می شود و جوش مقعر ایجاد می شود که باعث نازکی موضعی ورق جوش می گردد.

2-1-3. طراحی اتصال:
رایج ترین شکل های طراحی جوش برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی، اتصالات لب به لب(Butt Joint) و روی هم (Lap Joint) هستند. انواع این اتصالات در شکل زیر نشان داده شده اند.

شکل 2- 10- اتصالات مختلف برای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
a) لب به لب مربعی b) لب به لب کناری c) لب به لب T شکل d) روی هم
e) روی هم چندگانه f) روی هم T شکل g) اتصال فیلت

در شکل a دو ورق با ضخامت یکسان، روی یک صفحه ی پشتیبان قرار گرفته اند. در فرورفتن اولیه ی ابزار، نیروها بسیار بزرگ هستند و مراقبت زیادی برای اطمینان از عدم جدایش دو طرف جوش، باید صورت گیرد. ابزار چرخان در خط اتصال فرو می رود و طول خط را می پیماید و هم زمان، شانه ی ابزار، در تماس کامل با سطح صفحات است که باعث ایجاد خط جوش می شود. از طرفی دیگر، برای اتصال روی هم ساده، یک ابزار چرخان، به طور عمودی روی صفحه ی بالایی و پایینی فرو می رود و در جهت مورد نظر، در خط طولی پیشروی می کند و دو صفحه را جوش می دهد.

2-1-4. تنش های پسماند:
تنش های پسماند، تنش هایی هستند که در اثر کرنش های غیر یکنواخت مکانیکی و حرارتی، هم زمان با سیلان پلاستیک یک ماده، به وجود می آیند و پس از برداشته شدن مهار خارجی، در آن باقی می مانند. طی یک فرآیند جوشکاری، تغییرات دما، باعث ایجاد تنش های حرارتی ناپایدار و کرنش های الاستیک غیریکسان و پراکنده در جوش و ناحیه ی نزدیک به آن می شود که این امر، باعث ایجاد اعوجاج (Distortion) و تنش های پسماند می شود. این تنش ها به طور طبیعی، الاستیک هستند و در یک جسم بدون اعمال نیروی خارجی در حالت تعادل، وجود دارند؛ یعنی برآیند نیروهای داخلی در هر نقطه از ماده، صفر خواهد بود.
عوامل موثر بر تنش های پسماند نیز، عبارتند از:
1- ویژگی های ماده
2- نوع فرآیندهای جوشکاری
3- تعداد پاس های جوشکاری

جدول 2- 3-تاثیر پارامتر های مختلف در FSW
تاثیر
پارامتر
ایجاد حرارت اصطکاکی
مخلوط کردن مواد
شکستن لایه اکسیدی مورد بر روی سطوح
سرعت چرخش پین
ظاهر جوش
کنترل حرارت
سرعت جوشکاری
حرارت اصطکاکی
ثابت نگه داشتن وضعیت پن نسبت به قطعه
نیروی عمودی

2-2- مزایای جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی
FSW به عنوان مهم ترین پیشرفت در اتصال فلزات در دهه ی اخیر مطرح بوده است و تکنولوژی "سبز" است که بازده انرژی بالا دارد و در مقام مقایسه با سایر روش های جوشکاری متداول FSW انرژی بسیار کمتری مصرف می کند و هیچ گاز محافظ یا سرباره ای استفاده نمی شود به همین علت دوست محیط زیست نامیده می شود و اتصال شامل هیچگونه فلز پر کننده ای نمی باشد و همچنین هر نوع آلومینیومی بدون دلواپسی از سازش پذیری ساختارش می توان به کار برد و هر نوع آلومینیومی و کامپوزیتی می توانند به یکدیگر با سهولت وصل شوند و در مقایسه با روش جوش کاری اصطکاکی قدیمی، که معمولا بر روی قطعات قرینه و کوچک که می چرخیدند و فشار داده می شدند تا جوش بخورند، جوش کاری اصطکاکی فعلی در انواع مختلف اتصالات مانند اتصال زیر، اتصال لب به لب ، اتصال Tو اتصالات فیلت به کار می رود.
اخیرا به وسیله Mishra روش (FSP) Friction Stir Process ابداع شده است به عنوان وسیله ای که ساختار میکروسکوپی را اصلاح می کند و بر پایه قوانین FSW بنا شده است برای مثال میزان ابر پلاستیکی در نرخ تنش های بالا در AL7075مشاهده شده است، علاوه بر این از FSPبرای تولید سطح کامپوزیتی روی آلومینیوم و هموژن کردن پودرهای آلومینیوم و اصلاح ساختار کامپوزیتهای فلزی و بهبود خواص در آلیاژهای ریخته گری کاربرد دارد.
اعوجاج در این روش مخصوصاً در طول های بسیار زیاد، ناچیز است. زیرا فلزات وارد منطقه مذاب نمی شوند. در صورتی که مذاب ایجاد شود بدلیل انبساط و انقباض حین ذوب و انجماد، اعوجاج در ساختار بوجود می آید.
چون ذوب شدن مطرح نیست، لذا جذب گاز نیز صورت نمی گیرد. بنابراین تخلخل در ساختار جوش بوجود نمی آید.
به لحاظ عدم ایجاد ذوب، دود و آلودگی هایی که در دیگر فرآیندهای ذوبی وجود دارد، در این روش ایجاد نمی شود. این مسئله هم از نقطه نظر بهبود دید جوشکار و هم از نقطه نظر مباحث زیست محیطی بسیار حائز اهمیت است. پاشش مذاب در این روش وجود ندارد. در صورت وجود پاشش در فرآیندهای جوشکاری، ظاهر جوش کثیف شده و نیازمند تمیزی کازی است. خود این نکته هزینه اضافی بر فرآیند تحمیل می کند. تنش های پسماند بسیار کمی در این روش ایجاد می شود. این فرآیند در همه موقعیت ها قابل اجراست، چه خطی، چه صفحه ای، چه حجمی. ابزار و تجهیزات پیچیده ای نیاز ندارد.
به طور خلاصه ازمزایای جوشکاری اصطکاکی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

2-2-1- مزایای متالورژیکی
* فرآیند حالت جامد
* اعوجاج کم قطعه کار
* پایداری ابعادی مناسب
* از دست نرفتن عناصر آلیاژی
* خواص متالورژیکی بسیار خوب در اطراف اتصال
* ریزساختار مناسب
* عدم وجود ترک
* جایگزینی اتصال های چندگانه با بست ها
2-2-2- مزایای زیست محیطی
* عدم نیاز به گاز محافظ
* عدم نیاز به تمیزکاری سطحی
* حذف تلفات سایشی
* حذف حلال ها
* حفظ مواد مصرفی مثل سیم، گاز و غیره
2-2-3- مزایای انرژی
* امکان استفاده از مواد بهتر که باعث کاهش وزن می شود
* فقط 5/2 درصد انرژی مورد نیاز یک جوش لیزر را نیاز دارد
* در کاربردهای کشتی سازی و هواپیماسازی، سوخت کمتری مصرف می شود

2-3- محدودیت ها
* سرعت جوشکاری در این روش نسبت به سایر روش های جوشکاری ذوبی پایین تر است. این امر به ضخامت قطعه هم بستگی دارد. در ضخامت های بالا می بایست از پاس جوش های بیشتری برای اتصال استفاده کرد.
* دو قطعه ای که قرار است به هم جوش داده شوند باید با نیروی زیادی در کنار هم نگه داشته شوند.
* وقتی از روی قطعه جوشکاری انجام می شود می بایست پشت بند وجود داشته باشد.
* در انتهای فرآیند یک سوراخ ایجاد می شود، البته امروزه با استفاده از برخی تکنیک های ذوبی این سوراخ پر می شود.
* از جمله معایب این روش ایجاد زائده ای روی ناحیه جوش است.

2-4- پیشرفتهای جوشکاری FSW
امروزه باتوجه استفاده گسترده از این روش جوشکاری در دنیا پیشرفتهای گسترده ای در آن به وقوع پیوسته است از جمله استفاده از سیستمهای رباتیک برای انجام این نوع جوشکاری که سرعت انجام این نوع جوشکاری را بالا برده است. کاربرد جدید دیگر از این نوع جوشکاری در صنایع خودرو سازی است که امروزه از این نوع جوشکاری در این صنایع استفاده گسترده می شود.
پوشش کاری بوسیله جوشکاری اصطکاکی هم اکنون تحت مطالعات زیادی قرار دارد زیرا به قلمرو فلزات، آلیاژها و همچنین کامپوزیت ها قدم گذاشته است و یک لایه کاملاً مجزا از پوشش را روی ماده زیری اعمال می کند یکی از امتیازات و مزیت های این روش نسبت به سایر روش های پوشش کاری این است که محلول پس زده شده و فلز مذاب پایه ندارد.
پوشش دهی اصطکاکی از مشکل ناشی از ذوب ماده مصرف شدنی در هوا به وسیله مکانیزم پیچیده انجماد رسوب به همراه هیدروژن بدست آمده و ترک های سرد و شرایط نامطلوب سطحی همراه با دانه های حاصل از جوشکاری(beads) جلوگیری می کند در پوشش کاری اصطکاکی از یک ماده مصرف شدنی دوار که می توان یک شمش جامد فلزی با سطح مقطع گرد و با یک تیوپ فلزی پر شده از یک ماده انتخابی استفاده می شود انتهای آزاد ماده مصرف شدنی با اعمال یک فشار بر روی سطح زیر لایه)سطح قطعه کار) آورده می شود و به دلیل این که ماده مصرفی دوار دارای مقاطع کوچکتراست دمای آن سریع تر بالا می رود بدین سان قطعه کار با یک حوزه گرمایی و یک منطقه HAZ مینیمم روبرو می شود هنگامی که انتهای گرم ماده مصرف شدنی در حال چرخش، پلاستیسیته می شود ماده مصرف شدنی زیر یک فشار به سطح فلز پایه جوش می خورد. شکل ٦ ضرورت تکنیک پوشش کاری اعمالی و یک ماشین در حال کار را نشان می دهد. راهنمای عملیات و پارامترهای مورد نیاز پروسه استخراج و فهرست شده اند ماده مصرف شدنی در شکل 6 یک شمش با سطح مقطع گرد با قطر 25 میلیمتر است که یک لایه با ضخامت حدودی ٢ میلی متر با نرخ تقریبی 4.5 گرم بر ساعت با سرعت دوران 975 rpm در زیر فشار عمودی ٢٨ کیلو نیوتن با سرعت سیر 4.9 میلی متر بر ثانیه نشان می دهد سرعت دوران های بالاتر منجر به لایه رسوب نازکتر می شود و کیفیت جوش در فصل مشترک با قطعه بهبود می یابد نیروی محوری کمتر ضخامت لایه رسوب را افزایش می دهد اما پهنای باند موثر را کاهش می دهد.

جدول 2- 4- محدوده دمای جوشکاری برای آلیاژ های مختلف
محدوده دمایی (درجه سانتیگراد)
گروه آلیاژی
400-500
آلیاژهای آلومینیوم
250-350
آلیاژهای منیزیم
600-900
آلیاژهای مس
650-800
فولاد های کربنی و کم آلیاژ
700-950
آلیاژهای تیتانیوم

فصل سوم
جوشکاری تیتانیوم
1- روش های جوشکاری تیتا نیوم
برای جوشکاری ذوبی تیتا نیوم از روش های زیر استفاده می شود:
* جوشکاری قوسی با الکترود تنگستنی تحت حفاظت گاز خنثی(GTAW)؛
* جوشکاری قوسی با الکترود از جنس فلز پر کننده تحت حفاظت گاز خنثی (GTAW)؛
* جوشکاری قوس پلاسما(PAW)؛
* جوشکاری با پرتو الکترونی(EBW)؛
* جوشکاری پرتو لیزری(LBW)؛
* جوشکاری اصطکاکی(FRW),
* جوشکاری مقاومتی(RW)؛
سه روش اول به عنوان روش های تحت حفاظت گاز خنثی می باشند و از جمله عمومی ترین روش های جوشکاری تیتانیوم می باشند که در آنها نحوه حفاظت اتصال اهمیت زیادی دارد.جوشکاری می تواند به صورت دستی، نیمه اتوماتیک و یا تمام اتوماتیک انجام شود. روش های اتوماتیک و دستی به دو صورت روباز و یا در داخل محفظه ای پر از گاز خنثی انجام می شود ولی روش نیمه اتوماتیک عمدتاً به صورت روباز انجام می شود.
1-1- جوشکاری قوس پلاسما :
جوشکاری قوس پلاسما (PAW) توسعه ی جوشکاری قوس تنگستنی گازی است، به علت اینکه قوس پلاسما از درون افشانکی تنگ کننده عبور می کند. حفاظت گاز خنثی جوش توسط افشانک گاز محافظ و حفاظت فرعی پاندولی شبیه آن که در GMAW , GTAW به کار می رود، تدارک دیده شده است. جوشکاری با قوس منتقل شده با کاربرد جریان یکنواخت، الکترود منفی که توسط یک منبع نیروی جریان ثابت تامین شده، صورت می گیرد. آرگون، با نقطه شبنم 60- درجه سانتی گراد یا کمتر، معمولاً به عنوان گاز روزنه ای و گاز محافظ به کار می رود، ولی مخلوط های هلیم-آرگون، گاهی اوقات، برای حفاظت به کار برده می شوند. هیدروژن به مناسبت اثرات ترد کنندگی آن روی تیتانیم نباید اضافه شود. جوشکاری قوس پلاسما را با کاربرد دو تکنیک می توان به کار برد: ذوبی (melt-in) و سوراخ کلیدی، تکنیک ذوبی مشابه GTAW است. تکنیک سوراخ کلیدی نفوذ عمیق اتصال را برای اتصالات شیاری گونیایی در یک پاس فراهم می کند. این دو تکنیک را می توان برای جوشکاری اتصالات شیاری مقاطع ضخیم ترکیب کرد. اتصالات شیاری گونیایی در آلیاژهای تیتانیم به ضخامت 6/1 الی 7/12 میلی متر (062/0 الی 50/0 اینچ) را می توان با یک پاس توسط تکنیک سوراخ کلیدی جوشکاری کرد. جوش های قوس پلاسما گرایش به سوختگی کناره و رویه های محدب در امتداد لبه های فوقانی دارند، مگر این که در جریان جوشکاری فلز پر کننده اضافه شود، یا این که پاس ثانوی به عنوان پاس زینتی به کار برده شود.
1-2- جوشکاری پرتو الکترونی:
جوشکاری پرتو الکترونی (EBW) در خلا زیاد برای جوشکاری تیتان کاملاً مناسب است. آلودگی اکسیژنی و نیتروژنی جوش در سطح قابل قبولی نگاه داشته شده است. هنگامی که جوش های پرتو الکترونی در خلا یا بدون خلا انجام می شود، نیازهای حفاظت گاز خنثی عیناً همان نیازهای جوشکاری قوسی است. متغیرهای فرایند عبارتند از ولتاژ شتاب دهنده جریان پرتو، قطر پرتو و سرعت حرکت پاشیدگی پرتو، چگالی جوی، فشار، یا هر دو را، افزایش می دهد. نفوذ عمیق اتصال در جوش های شیاری گونیایی، با چگالی زیاد نیروی پرتو و یک سوراخ کلید در فلز جوش به دست می آید.
1-3- جوشکاری با پرتو لیزر:
جوش های پرتو لیزری را می توان در تیتانیوم توسط تکنیک ذوبی سنتی یا توسط تکنیک سوراخ کلیدی تولید کرد. در تکنیک سوراخ کیدی، به میزان 90 درصد انرژی پرتو لیزر را می توان جذب کرد، که به فلز بستگی دارد. بازده ی جذب به میزان قابل توجهی با تکنیک ذوبی کمتر است. با سطح انرژی 15KW، حداکثر ضخامت آلیاژ حفاظت کافی گاز توسط مشعل جوشکاری و حفاظت ثانویه را اعمال کرد. افزاره های خاص برای حفاظت ثانویه مورد لزوم در حالاتی غیر از تخت باید طراحی گردد. جوشکاری در حالاتی غیر از تخت ممکن است همراه با تخلخل در فلز جوش انجام گیرد. جریان یکنواخت الکترود منفی (DCEN) معمولاً با الکترودهای نوع EWTh-2 با اندازه ی لازم به کار می رود. از آلودگی جوش با تنگستن باید جلوگیری کرد، زیرا تیتانیوم را ترد می کند. بیرون زدگی الکترود از افشانک گازی باید محدود به مقدار لازم جهت قابل رویت بودن مناسب حوضچه ی جوش باشد. بیرون زدگی اضافی، احتمالاً باعث آلودگی فلز جوش می گردد. هنگامی که در فضای باز جوشکاری می شود، جوشکاری باید با یک تکه ای اضافی انتهایی ختم یا مشعل جوشکاری باید روی جوش، با یک پس جریان گاز محافظ، پس از بستن جریان جوشکاری، توقف کند. وقتی فلز پر کننده به کار برده می شود، انتهای گرم شده ی مفتول جوشکاری باید زیر افشانک گاز در تمامی وقت، برای جلوگیری ازآلودگی، نگاه داشته شود. در صورتی که نوک مفتول آلوده گردد، باید قبل از ادامه ی کار بریده شود. شرایط جوشکاری برای کاربردی خاص به ضخامت اتصال، طرح اتصال، طرح شکل دهی جوش و روش جوشکاری (دستی یا ماشینی) بستگی دارد. برای کلیه ی ضخامت های مقاطع و طرح اتصال، ترکیبات مختلفی از آمپراژ، ولتاژ، سرعت جوشکاری و نرخ تغذیه ی فلز پر کننده ای برای ایجاد جوشی رضایت بخش به کار می رود. شرایط جوشکاری معمولاً نباید اصولاً با هر نوع آلیاژ تیتانیوم تطابق داشته باشد. به هر صورت، بعضی تنظیمات، اغلب برای کنترل تخلخل جوش صورت می گیرد.
1-4- جوشکاری قوس تنگستی یا گاز :
جوشکاری قوس تنگستی با گاز (GTAW) معمولا برای تیتانیوم و آلیاژهای آن به کار می رود، به خصوص برای ورق هایی به ضخامت تا3 میلی متر (125/0اینچ ). جوشکاری در فضای باز بهتر است در حالت تخت صورت گیرد که بتوان لوله های قطور و نازک داخل لوله که باید توسط گازی خنثی از هوا تمیز گردد، جوش داد. معمولاحجم گاز خنیس باید اقلاً شش برابر حجم داخل لوله برای جانشینی هوا باشد. در سیستم های بزرگ، سد هایی در داخل لوله در دو طرف اتصال برای محدود کردن پشت بندی گاز در مجاورت اتصال جوش قرار داده می شود. این سدهای داخلی دارای یک ورودی برای گاز خنثی و یک خروجی برای هوای جابه جایی توسط گاز خنثی است. فشار داخلی گاز خنثی کمتر از 8/50تا 2/67میلی متر (2یا 3 اینچ ) جیوه است. سد های مناسب در بازار وجود دارد.
1-5- جوشکاری در اتاقک :
بسیاری از طراحی های جوش های تیتانیوم برای جوشکاری در فضای باز قابل قبول نبوده، زیرا تامین حفظت گازی خنثی به قدر کفایت برای اتصال جوش ها مشکل است. رویه ی قابل قبول برای جوشکاری چنین مجموعه هایی، جوشکاری در اتاقکی پر شده با گازی خنثی است. دو نوع اتاقک برای جوشکاری به کار برده می شود: پاکسازی شده ی جریانی با جریان دادن گاز خنثی به اتاقک برای بیرون راندن هوا است. حجم گاز خنثی لازم جهت تحصیل جو جوشکاری با خلوص کافی در اتاقک حدود شش برابر حجم اتاقک است. نرخ جریان گاز خنثی مربوطه و زمان جابه جایی هوا برای اتاقکی خاص باید با آزمایش های جوشکاری تعیین گردد. گاز خنثی، در جریان جوشکاری از درون مشعل جوشکاری برای تامین حفاظت کافی حوضچه ی مذاب جوش، جریان می یابد. همیشه گاز با فشاری کم در اتاقک برای جلوگیری از ورود هوا به آن، حفظ می شود. جو جوشکاری باید در جریان عملیات جوشکاری، با انجام آزمایش هایی روی نمونه های آزمایشی، قبل، ضمن و بعد از جوشکاری معلوم گردد. نمونه های آزمایشی نشان می دهند که آیا جو اتاقک رضایت بخش بوده است یا نه.
هنگامی که آلودگی تیتانیوم در جریان جوشکاری باید مطلقاً جلوگیری شود، جوشکاری در اتاقک پاکسازی شده ی خلایی صورت می گیرد. هوا از درون اتاقک توسط تلمبه با فشاری معمولا 013/0 پاسکال ( torr4- 10) یا کمتر تخلیه می گردد. سپس، اتاقک با گاز خنثی با نقطه شبنم 60- درجه سانتی گراد پر می شود. دسترسی به قطعه ی کار از درون دریچه های آب بندی شده (دریچه ی دستکشی ، glove port) در اتاقک صورت نازک در کلیه ی حالات به کار برد. هنگام جوشکاری مقاطع ضخیم، در حالاتی غیر از تخت، گداز ناقص به مناسبت ورودی حرارتی کم ذاتی آن مشکل ساز خواهد بود. هنگام جوشکاری مقاطع ضخیم در حالت های تخت و افقی، انتقال پاششی، به علت ورودی حرارتی زیاد و نرخ های رسوب زیاد آن، ترجیح دارد. جوشکاری پاششی ضربانی، انتقال پاششی با ورودی های حرارتی کمتر را برای جوشکاری مقاطع نازک تر و حالت هایی غیر از تخت، تامین می کند.
1-6- جوشکاری قوس فلزی گازی :
جوشکاری قوس فلزی گازی (GMAW) را می توان برای اتصال تیتانیوم به کار برد. از جوشکاری قوس تنگستنی گازی به مناسبت نرخ های رسوب آن به ویژه در مقاطع ضخیم، با صرفه تر است. با انتخاب شرایط صحیح جوشکاری، جوش هایی با نمایی صاف درهم با فلز پایه به دست می آید. قطرات فلز پر کننده در GMAW، که در امتداد قوس منتقل می شوند، در معرض درجات حرارتی بیشتری نسبت به جوشکاری نوع GTAW در حوضچه ی مذاب جوش قرار می گیرند. ترکیب درجات حرارتی زیاد و اندازه ی ریز ذره، فلز پر کننده را شدیدا در معرض آلودگی توسط ناخالصی های جو قوس قرار می دهد. در نتیجه، طپانچه ی جوشکاری و حفاظت گازی فرعی باید به دقت طراحی شود تا از آلودگی گاز خنثی جو جوشکاری جلوگیری شود.
منابع نیروی GMAW سنتی و سیستم های کنترل آن برای جوشکاری تیتانیوم رضایت بخش اند. طپانچه های GMAW سنتی برای تامین گاز حفاظتی فرعی لازم مورد نیاز تیتانیوم بهبود داده شده اند .
2- حفاظت اولیه ی گازی:
حفاظت اولیه گازی توسط مشعل جوشکاری قوسی یا افشانک طپانچه جوشکاری قوسی صورت می گیرد. اندازه ی افشانک معمولاَ در گستره یی از 7/12 تا 19 میلی متر (5/0 تا 75/0 اینچ) است. به طور کلی، بزرگ ترین افشانک را به جهت سازگاری و درجه حرارت حدود 290درجه سانتی گراد(550 درجه فارنهایت) در جریان جوشکاری، لحیم کاری سخت یا عملیات حرارتی گرم شوند، باعث ترک خوری خوردگی- تنشی گردند. پسماندهای هیدروکربن ممکن است باعث آلودگی و تردایی تیتانیوم گردند. قطعات مورد جوشکاری، لحیم کاری سخت معمولاً دارای پوشش نازکی از اکسید در مجاورت اتصال هستند. این پوشش را می توان با اسیدشویی در محلول آبی از 2 الی 4 درصد اسید فلوئوریدریک (که با دقت باید بکار برده شود) و 30 الی 40 درصد اسید نیتریک، متعاقباً با شستن با آب و خشک کردن، زدود. جذب هیدروژن توسط آلیاژهای تیتانیوم معمولاً در درجات حرارتی تا60 درجه سانتی گراد (140 درجه فارنهایت) مشکلی نیست. قطعه، پس از اسید شویی و شستن، باید برای نصب در گیره ها جهت جوشکاری با لحیم کاری سخت با دستکشی تمیز و عاری از گریس باشد. زدودن پوسته ی اکسید که در درجه حرارتی بیش از 595 درجه سانتی گراد (1100 درجه فارنهایت) تشکیل می شود، با روش شیمایی مشکل است. روش های مکانیکی، از قبیل دمش بخار و زبره پاشی باید برای زدودن پوسته به کار برد. عملیات مکانیکی معمولا با عملیات اسید شویی جهت حصول اطمینان از زدودن آلودگی سطحی دنبال می شود. برای کنترل تخلخل درعملیات جوشکاری، سطوح اتصال باید اغلب مورد عملیاتی خاص قرار گیرند، شامل سوهان کاری دو جهته، برس زنی سیمی، خراشیدن اتصال و سطوح مجاور قبل از نصب و تمیز کاری نهایی. لبه های اتصال پاره شده اغلب به عملیات خاصی برای زدودن گرد و خاک وارده در آنها، تراشه های فلزی، و ترک های ریز نیاز دارد، زیرا این گسستگی ها تخلخل جوش را بیشتر می کنند. عملیات تمیز کاری قبل از جوش باید بلافاصله قبل از جوشکاری صورت گیرد. در صورتی که این کار عملی نباشد، قطعات باید در جایی خشک، کیسه های سر بسته یا انباری با کنترل رطوبت نگه داری شوند متعاقبا، گریس زدایی و اسید شویی سبک کامل قطعات قبل از جوشکاری یا لحیم کاری سخت توصیه می شود. ساییدگی مکانیکی سطوح تماس و به دنبال لحیم کاری سخت توصیه می شود. ساییدگی مکانیکی سطوح تماس و به دنبال آن شستن با حلالی مناسب به جای عملیات اسید شویی به کار برده می شود.

2-1- حفاظت در جریان اتصال
به مناسبت حساسیت تیتانیوم به تردایی توسط اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، تمامی مولفه یا آن قسمتی که بیش از حد حرارت می بیند باید از آلودگی جوی محافظت شود. حفاظت معمولاً توسط پوشش گازی خنثی با خلوص عالی در فضای آزاد یا در یک اطاق، یا توسط خلایی به میزان یا کمتر صورت می گیرد. تیتانیوم، در جریان جوشکاری بایستی از جو محافظت شود تا این که تا کمتر از سرد شود. حفاظت کافی توسط گاز خنثی فرعی، هنگام جوشکاری در فضای آزاد، باید صورت گیرد. جوشکاری در کاربردهای در کاربردهای اضطراری باید در اطاقی مسدود که کاملاً از هوا با پر کردن توسط آرگون، هلیم، یا مخلوط این ها، تصفیه و تمیز شده باشد صورت گیرد. خلوص گاز محاف بر خواص مکانیکی اتصال جوشکاری شده تاثیر می گذارد. هم هوا و هم بخار آب به خصوص مضراند. خلوص گاز خنثی تجاری که برای جوشکاری به کار برده می شود.
2-2- پشت بندی گاز محافظ:
گاز محافظ خنثی لازم است که ریشه ی جوش و فلز پایه ی مجاور را نیز از آلودگی جوی در جریان جوشکاری محافظت کند. این امر با برقراری گذرگاه هایی برای گاز به صورت پشت بندی که با لوازم نصب یکپارچه شده صورت می گیرد و پشت بندی با لوازم نصب یکپارچه شده است و محتوی شیاری در زیر اتصال است که قبل از جوشکاری با گاز خنثی پر می شود. فشار گاز خنثی در این شیار باید در حد کم نگاه داشته شود تا از تقعر سطح ریشه جلوگیری شود. پشت بندی باید در تمامی طول به نحوی محکم نصب گردد تا کیفیت همگنی برای جوش فراهم شود. پشت بندی که اغلب با آبگردی مسی ساخته شده برای زدودن گرما از جوش و تسریع در سرد کردن آن نیز به کار می رود. پشت بندی از فولاد زنگ نزن نیز هنگامی که نرخ سرد کردن آهسته تر مورد قبول است ، به کار می رود. دهانه ی ریشه ی اتصال باید تقریباً صفر باشد که از برخورد و گداز جوش تیتان به قطعه پشت بندی جلوگیری شود. آلودگی جوش تیتان ممکن است آن را ترد کرده باعث ترک خوردن جوش گردد. هنگام جوشکاری دسترسی و قابل رویت بودن باید به کار برد. افشانک هایی که جریانی لایه ای از حفاظت گازی را به وجود می آورند، به علت امکان تراکم کمتر گاز ، در جایی که جریان گاز با هوا مخلوط می شود، مطلوب است. حفاظت صحیح حوضچه مذاب جوش ضروری است.
2-3- حفاظت ثانویه ی گازی :
با پیشروی حفاظت اولیه ی گازی با طپانچه ی جوشکاری قوسی ، حفاظت ثانویه با گاز محافظ خنثی برای مهره جوش و منطقه ی تقتیده ی در حال سرد شدن ضروری است. منطقه ی جوش داغ باید از جو محافظت شود تا این که تا درجه حرارتی کم و سرد کردن آهسته ی بعدی ، حفاظت جوش داغ را برای مدتی طولانی ، بیش از آن که آخسته ی بعدی ، معمولا ً توسط جریان گاز توسط طپانچه جوشکاری قوس صورت می گیرد ، الزام آور می کند . حفاظت ثانویه ، حفاظی پاندولی است ، که شامل یک اتاقک فلز مجهز به افشانک مشعل که توسط گیره ای نگاه داشته شده است گاز خنثی از درون پرده ی فلزی متخلخل نفوذی روی منطقه ی تقتیده در هر طرف مهره جوش، پهن باشد. حفاظ پاندولی برای جوشکاری ماشینی و خودکار نیز به کار می رود که در ان سرعت های حرکت بیشتر است . در کاربردی مهم ، حفاظ پاندولی ، برای جوشکاری لوله ای در موقعیت افقی ، برای پوشش سطح لوله ، به شکل منحنی است . برای جوشکاری دستی افشانک گازی بزرگ یا افشانک به شکل منحنی است . برای جوشکاری دستی ، افشانک گازی بزرگ یا افشانک گازی حلقوی فرعی با سرعت های کم می توان به کار برد . حفاظت گازی پاندولی ممکن است مزاحم دید حوضچه ی مذاب و کار دستی با مشعل جوشکاری قوسی دستی باشد . حفاظت ثانویه می تواند با لوازم نصب یکارچه گردد ، گذر گاه های گاز خنثی در قطعات حایل ، در دو طرف درز جوش ، تعبیه شده است . گاز محافظ از مشعل جوشکاری قوسی و قطعات حایل از داخل مجرایی که در قطعات حایل ایجاد شده عبور و جای هوای روی جوش را می گیرد .دستکش ها ، مشعل سا طپانچه جوشکاری ، نگه دارنده ها (وسایل نصب) و سایر مواد اتاقک باید بدون هوا و آب و سوراخ و حفر ه ای که بتواند تیتانیوم را آلوده کند، باشند.
2-4- پیش گرم کردن و درجه حرارت میان پاس :
پیش گرم کردن و درجات حرارتی میان پاس برای جوشکاری در فضای باز ، برای حجلوگیری از اکسایش سطحی ، در حد کم نگاه داشته شود . اکسیدهای سطحی حل شده در فلز جوش مذاب می توانند هنگام انجماد جوش مشکلاتی فراهم آورند . معمولا ً یک پیش گرم کردن کم حرارتی برای بیرون کشیدن رطوبت سطحی جذب شده قبل از جوشکاری به کار گرفته می شود . پیش گرم کردن و درجات حرارتی میان پاس نباید از 120 درجه سانتی گراد (250) تجاوز کند. رخنمون طولانی در هوا در درجات بیش از120 درجه سانتی گراد (250 درجه فارنهایت) می تواند باعث ایجاد لایه ای اکسید ی روی سطوح قابل تماس گردد. این لایه ی اکسیدی باید با برس سیمی از فولاد زنگ نزن یا برقوهای گردان کربوری از جوشکاری ، زدوده شود.
2-5- سایر فرایندها :
تیتانیوم را می توان با فرایندهای جوشکاری نفوذی، اصطکاکی، مقاومتی و جرقه ای نیز جوشکاری کرد.
برشکاری حرارتی: تیتانیوم را می توان با برشکاری گازی اکسی سوخت (OFC) با سرعت هایی تقریباً سه برابر ضخامت فولاد معادل برش داد، به هر صورت ، برش های حاصله در سطحی آلوده و سخت شده به نوعی آماده سازی لبه ای قبل از جوشکاری نیاز دارند. عمق سخت کاری در تیتان بعد ازOFC کمتر از 3/0 میلی متر (010/0 اینچ) بوده، ولی منطقه سخت شده ی کلی می تواند تا عمق 6/1 میلی متر (60/0 اینچ) ادامه داشته باشد. تیتانیوم را می توان با کاربرد فرایند برشکاری قوس پلاسما (PAC) نیز برش داد. رویه ی جوش به مناسبت رخنمون تیتانیوم داغ با جو تا حدی آلوده خواهد شد.
3- عملیات ایمنی :
امکان آتش گیری ناگهانی تیتان و آلیاژهای تیتان ، فوق العاده دور از انتظار است. مانند مورد منیزیم و آلومینیوم ، وقوع آتش معمولاً در نقاط تجمع گرد سنگ زنی یا براده های ماشین کاری، محتمل است. تجمع ذرات تمیز تیتان حتی با نسبت های زیاد سطح به حجم، در هر درجه حرارتی کمتر از حتی در مراحل ابتدایی درجه حرارت گداز هواف آتش نمی گیرند. به هر صورت آتش گیری ناگهاانی گردهای ریز سنگ زنی یا براده های تراشکاری اشباع شده با روغن تحت شرایط گرمایی ، رطوبت گزارش شده است. خنک کننده های آبی یا بر مبنای آبی (آبگرد) برای کلیه عملیات ماشین کاری به کار برده می شود. گاز کربنیک نیز یک خنک کننده ی رضایت بخشی است. تجمع زیاد براده ها ، تراشه ها و سایر گردها باید زدوده شده و در مخازنی فلزی جمع شود. سنگ زنی خشک نیز باید به صورتی انجام شود که پخش صحیح حرارت صورت گیرد. مواد آتش نشانی خشک یا ماسه ی خشک برای آتش های تیتان موثراند. مواد آتش نشانی معمولی مانند آب، تتراکلرورکربن و کف گاز کربنیک موثر نبوده و نباید به کار برده شوند. واکنش شدید اکسایش( انفجار) بین تیتان و اکسیژن مایع یا اسید نیتریک دود کننده صورت می گیرد.
3-1- تمیز کاری :
سطح مولفه های تیتان قبل از جوشکاری، لحیم کاری سخت یا عملیات حرارتی باید تمیز، از آلودگی ها شسته و خشک شود. روغن، اثرات انگشت، گریس، رنگ و سایر مواد خارجی با کاربرد روش های تمییز کاری حلالی زدوده شود. آب معمولی شیر نباید برای شستن قطعات تیتان به کار برده شود. کلرورها و سایر پسماندهای تمییز کاری باقی مانده روی تیتان ممکن است باعث ایجاد خلل و فرج می شود.
3-2- جوشکاری با حفاظت رو باز :
اهداف حفاظت جوشکار به طریق روز باز عبارت است از:
1- حفاظت حوضچه مذاب و فلز پایه نزدیک آن ( حفاظت اولیه )
2- حفاظت از فلز جوش منجمد شده و haz ( حفاظت ثانویه )
3- حفاظت از پشت اتصال جوش( پشت بندی)
گاز حفاظت کننده اولیه : این گاز توسط نازل گاز تامین می شود اندازه متداول نازل از 7/12 تا 19 میلی متر است، عموماً از بزرگترین نازلی که قابلیت بازرسی و دسترسی به ناحیه جوش را ایجاد می کند استفاده می شود. نازل بایستی گاز محافظ با جریان آرام ایجاد کند تا کمترین اغتشاش را داشته باشد و امکان مخلوط شدن با هوا را کاهش دهد. شرط حفاظت صحیح و مناسب از حوضچه جوش از شرایط بسیار مهم جوشکاری تیتانیوم است.
گاز حفاظت کننده ثانویه: برای حفاظت از فلز منجمد شده و HAZ بایستی از گاز حفاظت کننده ثانویه استفاده کرد. گاز حفاظت کننده اولیه به همراه حوضچه مذاب در حرکت است و لذا حفاظت آن به قدری نیست که بتواند فلز جوش منجمد شده را محافظت کند.
ناحیه داغ جوش باید تا زمانی که دمایش به زیر دمای اکسیداسیون برسد حفاظت شود. ضریب انتقال حرارت کم باعث کاهش سرعت سرد شدن می شود و لذا باعث می شود که طول تحت حفاظت توسط سیلان گاز، بیشتر از طول ناحیه حفاظت شده توسط نازل گاز شود. رایج ترین شکل حفاظت ثانویه نوع دنبال کننده Traling) )است.
گاز خنثی از میان منافذ ایجاد شده در زیر محفظه خارج شده و سطح جوش را حفاظت می کند. طول آن بستگی به گرمای ورودی جوشکاری دارد عرض حفاظت HAZ به اندازه ای است که HAZ طرفین گروه جوش را در برگیرد.
حفاظت دنبال شونده اغلب برای جوشکاری ماشینی یا اتوماتیک که سرعت جوشکاری در آنها بالاست استفاده می شود. کاربرد این حفاظت جوشکاری شیار لوله های رول و جوش شده است. در این حالت دنبال کننده باید انحنایی معادل لوله داشته باشد.
برای جوشکاری دستی می توان از نازل بزرگ یا نازل حلقوی محوری با سرعت کم استفاده کرد و حفاظت ثانویه می تواند روی فیکسچر در نظر گرفته شود. روی بازوهای نگهدارنده موجود در طرفین درز جوش مسیر های گاز خنثی قرار دارند و جریان گاز محافظ، هوا رااز جوش دور می کند.
گاز حفاظت کننده پشت بند: برای حفاظت ریشه جوش و فلز پایه نیاز به گاز خنثی می باشد. این کار معمولا توسط مسیر های گازی که در قسمت پایین نگهدارنده قرار دارند انجام می شود. این گاز پشت و فاصله بین درزهای جوش را قبل از جوشکاری عاری از هوا می سازد. باید فشار گاز در شیار کم باشد تا شکل ریشه تحت تاثیر فرار نگیرد.
میله پشت بند می تواند گرما را خارج ساخته و سرعت سرد کردن جوش افزایش یابد. با این کار میزان گاز مصرفی کاهش می یابد. میله پشت بند اغلب از مس ساخته می شود و با آب سرد می شود. زمانی که سرعت سرد کردن کمتر است می توان از فولادزنگ نزن استفاده کرد.باید درز شیار در حد صفر باشد تا از رسیدن گرده جوش تیتانیوم به آن اجتناب شود . هنگام جوشکاری باید داخل لوله ها یا تیوب ها از گاز خنثی پر شود. معمولاً حجم گاز خنثی مورد استفاده 6 برابر حجمی است که باید عاری از هوا شود. در قطعات بزرگ، سد بندی داخلی انجام می شود و دارای یک ورودی و یک خروجی گاز خنثی و هوا می باشد. فشار گاز خروجی پشت بند باید بین 2 تا 3 اینچ ستون آب باشد.

3-3- جوشکاری در محفظه:
شکل هندسی برخی قطعات تیتانیومی و همچنین حساسیت این قطعات به گونه ای است که نمی توان آنها را به صورت باز جوشکاری کرد و یا جوشکاری به روش باز در مورد آنها بسیار مشکل است. روشی که برای این گونه قطعات استفاده می شود، جوشکاری قطعه در محفظه پر شده از گاز خنثی (Chamber) است.
با پر کردن محفظه توسط گاز خنثی هوا از طرف دیگر خارج می شود و اتمسفر جوشکاری گاز خنثی خواهد شد حجم گاز لازم برای ایجاد اتمسفر با خلوص مناسب حدود 5 تا 10 برابر حجم محفظه است.
با آزمایشات جوشکاری سرعت و زمان سیلان مناسب استخراج می شود. در طول جوشکاری به کمک تورچ جوشکاری حوضچه مذاب جوش محافظت می شود تا حفاظت از آن قابل اطمینان باشد. فشار گاز موجود درمحفظه کمی بیشتر از فشار محیط است تا هوا وارد آن نشود درطول جوشکاری باید اتمسفر جوشکاری تحت کنترل کامل باشد که این کار با آزمایش جوشکاری نمونه آزمون که درمحفظه قرار دارند در شروع و پایان جوشکاری انجام می شود. باید نمونه ها به صورت چشمی بررسی و سپس به طور مکانیکی تعیین شود.
در مواردی که باید از آلودگی تیتانیوم جلوگیری شود بهترین روش جوشکاری در محفظه خلا است.
در این سیستم با استفاده از پمپ خلاء هوای محفظه خارج و فشار آن به 10-4torr یا کمتر کاهش می یابد. محفظه به سیستم جانبی که به طور اتوماتیک همیشه یک فشار مثبت و ثابت را برای جوشکاری ایجاد می کند اتصال دارد. در این حالت از داخل مشعل جوشکاری گاز عبور نمی کند و لذا باید طراحی آن به صورت خنک شونده با آب باشد.
دسترسی به قطعه کار از طریق دستکش هایی است که روی محفظه قرار گرفته اند. باید دستکش ها، تورچ جوشکاری، قید و بندها و کلیه مواد در تماس با قطعه کار عاری از آب و سایر اجزاء آلوده کننده باشد با استفاده از نمونه های آزمایش وضعیت اتمسفر محفظه کنترل می شود.
از نظر جنس محفظه های جوشکاری (welding chambers) به دو نوع کلی تقسیم می شوند.
3-3-1- محفظه فلزی:
داخل این محفظه های فلزی به وسیله گازهای محافظ آرگون یا هلیوم محافظت شده و از ورود هوا به داخل آن ها جلوگیری می شود. جوشکار می تواند در داخل محفظه وارد شده، یا دست های خود را به همراه تورچ و مفتول وارد آن نماید، بدون آن که هوا وارد شود. این نوع محفظه های فلزی بیشتر در صنایع هوا فضا کاربرد دارند. در این محفظه ها همراه بودن گاز محافظ با تورچ مفید است از روی رنگ حوضچه جوش می توان به زمان انجماد یا شرایط جوش پی برد که به ترتیب عبارتند از: نقره ای روشن، حصیری روشن، حصیری تیره، آبی روشن، آبی تیره، آبی و خاکستری که نشان از انجماد نهایی دارد.
3-3-2- محفظه پلاستیکی:
از انواع پلاستیک های نرم یا خشک نیز می توان به عنوان محفظه ای برای جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن استفاده کرد. پلاستیک های خشک را با گاز آرگون یا هلیومی به حجمی تقریباً 5 تا 10 برابر محفظه پر می نماید. اما پلاستیک های نرم تر حجم گاز کمتری نیاز دارند. از مزایای مهم محفظه های پلاستیکی نسبت به محفظه های فلزی قیمت کمتر و امکان رویت بهتر عملیات جوشکاری است.
3-4- چمبر های جوشکاری:
چمبر های جوشکاری استاندارد، گاز حفاظتی خنثی بدون رطوبت را برای جوشکاری نفوذی فلزات رنگین فراهم می کنند.
اتمسفر آرگون فراوان و قابل کنترل دقیق برای اجرای تکنیک های پیشرفته جوشکاری تیتانیوم و دیگر فلزات مقاوم در برابر حرارت (نسوز) می باشد که در چمبر ها مورد استفاده قرار می گیرد.
چمبر ها دارای یک محفظه بالایی گنبد مانند می باشد که از جنس (plexiglass) که یک شبه شیشه است می باشند که دارای نرمی و قابلیت انعطاف بالایی می باشد. این گنبد دید عالی برای اپراتور جوشکار فراهم می کند.
لولا دار بودن محفظه گنبدی شکل امکان دستیابی سریع و آسان را به داخل محفظه فراهم می کند. وظیفه اصلی گنبد plexiglass امکان رویت تشعشعات داخل محفظه برای کنترل مسیر جوشکاری و… است ولی برای رویت بهتر و محافظت بهتر از چشمان اپراتور روی چمبر منظری((weld viewer قرار گرفته است.
چمبر دارای قسمتی به نام fitting می باشد که شامل ورودی دستگاه برای تورچ، شیلنگ گاز و آب، قسمت تخلیه گاز و 115 ولت توان ورودی می باشد.
چمبر دارای ورودی های دستکش می باشد که به صورت استاندارد روی چمبر وجود دارد و تعداد دستکش ها متغیرمی باشد، ورودی های اضافی برای مواقع نیاز در دسترس می باشند. دستکش های چمبر از یک دستکش و یک آستین آکوردﺌون مانند تشکیل شده اندکه با هم ترکیب شده اند. جنس این دستکش ها از neoprene (نوعی لاستیک) می باشد که خیلی سبک می باشند.
دستکش ها قابلیت تعویض دارند و میتوان از سایز های مختلف آن بهره برد.
چمبر با دستگاه تنظیم کننده فشار جریان سنج (فلو متر) و حدود 10فوت شیلنگ برای اتصال داخلی به منظورانتقال گاز آرگون تجهیز شده است و یک ورودی برامده به سمت زمین وجود دارد که برای اتصالات منبع قدرت استفاده می شود.
آنالیزگر گاز در چمبر، اثرمقدار اکسیژن در اتمسفرآرگون را اندازه گیری می کند. اگر اکسیژن حضور داشته باشد قطعه تنگستنی داغ در یک لامپ شیشه ای با اکسیژن واکنش می دهد و میزان اکسیزن اتمسفرحفاظتی را نشان می دهد.
آنالیزگر میزان حساسیتی در حدود 7 قسمت در میلیون دارد و می تواند دیگر ناخالصی ها را آشکار کند .
مدخل چمبر به گنبد متصل می باشد و برای فراهم کردن یک تزریق با کمترین ضایعات اتمسفرگازی از ان استفاده می شود که این مدخل به صورت راهرو می باشد و دارای سیستم تخلیه می باشد.

شکل 2- 11- چمبر و قسمتهای مربوطه 1:چمبر 2:دستکش 3:آنالیزگر گاز 4:مدخل چمبر 5:چرخ مورد استفاده در چمبرهای غیر ثابت

اتمسفر جوشکاری باید در شرایط اتاقک خیلی تمیز قرار گیرد تا از اثرات بد آلودگی در جوش جلوگیری شود.
اتمسفر باید تحت کنترل باشد و برای دستیابی به مرحله مناسبی از خشکی (بدون رطوبت) چمبر در مرحله اول باید محفظه خالی شود (خلا کامل) سپس پشت سر آن با ورود گاز آرگون بقیه آلودگی ها و رطوبت های نامرئی خارج شوند.
تخلیه سریع کار را آسانتر می کند و مصرف گاز خنثی را در ایجاد جوش نهایی بدون آلودگی مقرون به صرفه می کند .
برای قابل انتقال بودن چمبر جوشکاری از چرخهای کوچک با قابلیت چرخش 360 درجه استفاده شده است.
اجزای اساسی چمبر بدین صورت است:
یک صفحه فولادی به عنوان میز کار در داخل چمبر برای اجرای عملیات که به صورت تخت می باشد و از صافی سطح خوبی برخوردار است.
یک بلند شونده فولادی که دریچه ورودی دستکش خلا روی آن قرار دارد.
گنبدی از جنس plexiglass (شبه شیشه) که دارای ورودی هایی است.
پمپ خلا شیرهای کنترل گاز برای پر کردن سریع پس از تخلیه،یک اندازه گیر خلاء حساس و شار سنج(فلو متر) گاز خنثی و یک تعدیل کننده فشار.

شکل 2- 12- شکل شماتیک چمبر و اجزای آن

4- بررسی جوش نفوذی :
جوشکاری نفوذی یک فرایند اتصال حالت جامد است که کاربرد فراینده ای در ساخت اجزاء ترکیبی Ti-6AL-4 V پیدا کرده است . جوشکاری نفوذی نفوذی تیتانیوم شامل 4 مرحله اساسی است :
1- افزایش سهولت تماس فیزیکی بین سطوح صاف
2- تشکیل پیوندهای متالوژیکی
3- نفوذ عرضی و پاک کردن سطح
4- رشد عرضی دانه های جوش بین سطحی
لازمه اتمام این مرحله شامل صاف و تمیزکردن سطح و استفاده ازیک فشار کم برای ارتقاء مراحل 2و1 و استفاده از دمای کم به زیاد برای پیشرفت مراحل 4و3 .
آلیاژهای تیتانیوم با جوشکاری ذوبی سازگارند ولی یک قابلیت انحلال اکسیژن در دماهای بالا بروز می کند که باعث خرابی سطح می شود به علاوه استحکام تسلیم و استحکام خزشی تیتانیوم در دمای کاری کم می شود بنابراین مرحله ی 1و2 از فرایند جوشکاری نفوذی بیشتر مد نظر قرار می گیرند .جوشکاری نفوذی Ti-6AL-4 V عموماً در محدوده ی دمائی حدود 900تا950 در جه سانتی گراد (1650تا 1740 درجه فارنهایت ) و محدوده ی فشار 38/1 تا 8/13 mpa (200تا 2000 psi) و محدوده ی زمانی حدود 1تا 6 ساعت انجام می شود . در ترکیب با حالت سوپر پلاستیک ،جوشکار ی نفوذی برای تولید محدوده وسیعی از ترکیبات مختلف از اشکال Ti-6AL-4 V از قبیل لانه زنبوری برای کاربردهای های هوا و فضا استفاده می شود .
در جوشکاری ذوبی آلیاژهای تیتانیم، تیتانیم غیرآلیاژی و آلیاژهای تیتانیم آلفا از قابلیت جوش پذیری مناسبی برخوردار هستند. یعنی آنکه تفاوت قابل توجهی از نظر ریز ساختار و خواص مکانیکی بین منطقه جوش، مجاور جوش و فلز پایه وجود ندارد و جوش حاصله دارای استحکام کافی همراه با انعطاف پذیری مناسب است. این گروه از آلیاژهای تیتانیم را در شرایط آنیل شده جوشکاری می کنند.
تیتانیوم عنصر شیمیائی است که در جدول تناوبی دارای نشان Ti وعدد اتمی22 است. تیتانیوم عنصری است نرم، سبک، نقره ای براق، درخشان و فلزی مقاوم در برابر فرسایش است و در آلیاژهای محکم و سبک و رنگدانه های سفید کاربرد دارد. این عنصر در مواد معدنی متعددی وجود دارد، ولی منابع اصلی آن، روتیل و ایلمنیت هستند.
دسته بندی آلیاژهای تیتانیوم بر اساس ساختار کریستالی آن آلیاژ در دمای محیط به سه دسته آلفا ، بتا و آلفا، بتا تقسیم می شوند.
در جوشکاری ذوبی آلیاژهای تیتانیم، تیتانیم غیرآلیاژی و آلیاژهای تیتانیم آلفا از قابلیت جوش پذیری مناسبی برخوردار هستند. یعنی آنکه تفاوت قابل توجهی از نظر ریز ساختار و خواص مکانیکی بین منطقه جوش، مجاور جوش و فلز پایه وجود ندارد و جوش حاصله دارای استحکام کافی همراه با انعطاف پذیری مناسب است. این گروه از آلیاژهای تیتانیم را در شرایط آنیل شده جوشکاری می کنند.
آلیاژهای تیتانیم حاوی یک یا چند عنصر پایدار کننده فاز بوده و جوشکاری آنها می تواند بطور موثری سبب تغییر استحکام، انعطاف پذیری و چقرمگی فلزجوش و منطقه مجاور جوش گردد. معمولاً اگر این آلیاژها حاوی بیشتر از 20 درصد فاز باشند جوش پذیری آنها ضعیف تلقی می گردداین گروه از آلیاژها را در شرایط آنیل شده و یا آنیل انحلای همراه با پیر کردن جزئی جوشکاری می کنند.
آلیاژهای تیتانیم بتا دارای مقادیر کافی از عناصر پایدار کننده فاز بتا می باشند. این گروه از آلیاژهای تیتانیم نیز قابلیت جوش پذیری داشته اما آن دسته از آلیاژهای تیتانیم نوع بتا که دارای مقادیر بالائی از عناصر پایدار کننده فاز باشند، از جوش پذیری ضعیفی برخوردارند زیرا فلز جوش از تردی بالائی برخورداراست. این گروه از آلیاژها در شرایط آنیل شده و یا آنیل محلولی جوشکاری می شوند. برای بدست آوردن جوشی با استحکام و انعطاف پذیری کافی، آلیاژ در شرایط آنیل شده جوشکاری می گردد و سپس با عملیات ساچمه زنی منطقه جوش کار سردشده و به دنبال آن عملیات انحلالی و پیرکردن صورت می گیرد.
5- عوامل موثر بر مشخصه های ریز ساختاری منطقه جوش تیتانیم
خواص مکانیکی منطقه جوش آلیاژهای تیتانیم بستگی به ریزساختارهای نواحی FZ و HAZ دارد و تنوع این ریزساختار تابعی از سیکل حرارتی و نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری است. جمع بندی مطالعات انجام گرفته نشان می دهد عوامل موثر بر خواص مکانیکی منطقه جوش که در حقیقت منتج از ساختارهای حاصله در منطقه جوش است عبارتند از :
* اندازه دانه های b اولیه در ناحیه ذوب
* نحوه تغییر حالت فاز b حین سرد شدن از دمای بالا
* نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری
5-1- اندازه دانه های b اولیه در ناحیه ذوب :
همانطور که بیان شد از مشخصه های ویژه منطقه جوش تیتانیم حضور دانه های بزرگ حین انجماد فلزجوش در ناحیه حوضچه مذاب است که موجب کاهش شدید انعطاف پذیری آن می گردد. اندازه و مورفولوژی این دانه ها به نحوه انتقال حرارت حین انجماد بستگی دارد. اولین پارامتر تعیین کننده اندازه دانه های، گرمای ورودی جوش است. به این ترتیب که در صورت استفاده از گرمای ورودی بالاتر، اندازه دانه های بزرگتر خواهد شد .
دانه های جزئی ذوب شده در فصل مشترک جامد – مذاب محلهای مناسبی برای رشد فاز جامد به داخل حوضچه مذاب هستند. دانه ها به صورت رونشستی از فصل مشترک جامد – مذاب به سمت خط المرکزین جوش رشد می کنند. چون خواص مکانیکی جوش بویژه انعطاف پذیری آن وابسته به اندازه دانه است، لذا برای ریز نگهداشتن اندازه دانه ها سعی می شود تا حد امکان گرمای ورودی در حداقل ممکن حفظ و نگهداری شود و یا به طریقی ارتباط Epitaxy بین FZ و HAZ کاهش یابد.
5-2- محصولات تغییر حالت:
خواص مکانیکی ناحیه ذوب جوش تیتانیم علاوه بر اندازه دانه اولیه، بستگی به نحوه تغییر حالت فاز در حین سرد شدن در محدوده دمای پایداری فاز دارد. ریز ساختار نهائی بستگی به سرعت سرد شدن از بالای دمای تغییر حالت دارد که خود تابعی از نوع فرآیند جوشکاری، پارامترها فرآیند و سایر شرایط جوشکاری نظیر شکل هندسی قطعه و نحوه قید و بندسازی قطعه دارد. در نرخ های سرمایشی ناشی فرآیندهای جوشکاری EBW و LBW ، در نواحی FZو HAZ ، تغییر حالت فاز b به a' اتفاق می افتد. ریز ساختار حاصله بسیار ریز و سوزنی است و مشخصه مکانیکی آن استحکام و سختی زیاد در مقابل انعطاف پذیری کم است. در نرخ های سرمایشی مربوط به فرآیند های جوشکاری GTAW وPAW، ریز ساختار حاصله از نوع ویدمن اشتاتن بهمراه باقیمانده و یا مخلوطی از آنها با مارتنزیت است. منتهی در فرآیندهای قوسی با حرارت ورودی زیاد نظیر GTAW رشد دانه های بسیار زیاد است.
5-3- عملیات حرارتی پس از جوشکاری:
همانطور که بیان شد ضمن جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن مجموعه ای از تغییر و تحولات ساختاری در منطقه جوش و مجاور جوش رخ می دهد . لذا بایستی با مطالعه دقیق و بررسی مناطق مذکور و اعمال شرایط مناسب در طی جوشکاری و پس از آن خواص مطلوبی را در این مناطق به دست آورد. هدف از عملیات حرارتی پس از جوشکاری آلیاژهای تیتانیم عبارت است از:
* آزادسازی تنش های پسماند حرارتی ناشی از جوشکاری
* بهبود ریزساختار ایجاد شده در نواحی ذو ب و متاثر از حرارت
* تکمیل مرحله دوم در یک عملیات حرارتی دو مرحله ای بر روی فلز پایه
* پایدارسازی ریزساختار فلز جوش جهت استفاده در دمای بالا

انتخاب دما و زمان لازم جهت عملیات حرارتی پس گرم بستگی به نوع آلیاژ، ساختار جوش و منطقه مجاور جوش و کاربرد قطعه دارد. در عمل این عملیات مشکل و دارای هزینه بالائی می باشد، زیرا نیاز به اتمسفر خنثی در دماهای بالاتر از °c500 می باشد. علاوه بر آن احتمال کاهش استحکام جوش در دماهای بالا وجود دارد . به همین دلیل نزدیک سازی هر چه بیشتر خواص نواحی مختلف جوش و فلز پایه در کنار مسایل اقتصادی وصنعتی بدون انجام فرآیند عملیات حرارتی همواره موردنظر محققین بوده است.
5-4- انتخاب سیم جوش برای جوشکاری تیتانیوم
عنصر تیتانیوم، در روپوش الکترودهای جوشکاری به منظورهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. در روپوش الکترود های جوشکاری فولادهای معمولی ، از وظایف اصلی اکسید تیتانیوم، پایدار کنندگی قوس و تشکیل سرباره برای حفاظت فلز جوش شونده از ترکیب شدن با اکسیژن و نیتروژن موجود در جو و همچنین دادن سیالیت به سرباره برای سهولت در جوشکاری می باشد.ناگفته نماند که اکسید تیتانیوم به سرباره ، خاصیت اسیدی می دهد. در جوشکاری فولادهای معمولی با الکترود دستی؛ الکترود ممکن است دارای روپوش های : اسیدی؛ قلیایی؛ سلولزی؛ اکسیدی و روتیلی باشد. یکی از مواد معتبر برای روپوش روتیلی ، اکسید تیتانیوم است. در جوشکاری فولادهای زنگ نزن نیز یکی از روپوش های متداول برای الکترود، روپوش روتیلی است که به روپوش ((-16)) معروف می باشد. الکترود روپوش روتیلی دارای بیش از 20 درصد اکسید تیتانیوم می باشد. الکترود روپوش روتیلی در همه حالت ها (تخت، عمودی، افقی، سقفی) جوش های مرغوب تولید می کند. این الکترود ها به دلیل یکنواختی عمل قوس ، ظرافت ظاهر جوش و خیلی آسان بودن پاک کردن سرباره، جوشکار پسند است و به روپوش نوع آهکی ترجیح داده می شود. از تیتانیوم برای جلوگیری از تشکیل کاربید کُرُم در جوشکاری فولادهای زنگ نزن نیز می توان استفاده نمود؛ ولی چون تیتانیوم تا حدود زیادی در قوس می سوزد و هدر می رود ، از نیوبیوم برای جلوگیری از تشکیل کاربید کرم استفاده می کنند.

6- جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم :
6-1- جوشکاری تیتانوم:
تیتان، موقعی که بیش از حد در هوا حرارت داده شود، سریعاً اکسید می شود. در درجات عالی حرارتی گرایش طبیعی به حل مقادیری مشخص از اکسید خود در محلول را دارد. به این علل جوشکاری تیتان به محافظت در جوی از گازی خنثی ، برای جلوگیری از آلودگی و تردی ناشی ار اکسیژن و نیتروژن نیاز دارد. ضریب انبساط حرارتی و رسانایی حرارتی نسبتاً کم ، امکان پیچیدگی آن را به علت ناخالصی ها عاری باشند. برای موثر بودن جوشکاری ، با تجهیزات و رویه هایی باید جوشکاری شود که از آلودگی فلز جوش با کربن ، اکسیژن، نیتروژن یا هیدروژن جلوگیری کند. کیفیت و تمییزی فلز پر کننده حائز اهمیت است. فلز پر کنند ه می تواند منبع جدی آلودگی های فلز جوش از آخال ها ، گرد و خاک ، روغن و ترکیبات روانکاوی مفتول کشی روی سطوح فلز پر کننده باشد. نسبت نسبتاً زیاد سطح منطقه به حجم سیم یا مفتول به کار برده شده اهمیت تمییزی را بسیار مهم می کند . نواقص فیزیکی در سیم جوش،مانند ترک ها، درزها یا روی هم افتادگی ها، ممکن است باعث آلودگی سطحی شده و زدودن آن ها را غیر ممکن سازد.مفتول یا سیم پر کننده به دقت مورد بازرسی معایب مکانیکی قرار گرفته و کاملاً نمییز به خوبی ذخیره، بسته بندی و حمل و نقل شود که از آلودگی جلوگیری شود.
تیتانیم از دو جهت مشابه عناصر زیرکونیم ، تانتالیم و کلمبیم است. اول اینکه سریعاً با اکسیژن واکنش داده و اکسیدهای بسیار پایداری را ایجاد می کند و دوم اینکه حلالیت اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن در آنها در دماهای بالا نسبتاً زیاد است . این عناصر به صورت بین نشینی در این فلزات حل می شوند . حتی حل شدن این عناصر (اکسیژن و نیتروژن) در حد کم ، سختی این فلزات را افزایش می دهد . ولی وجود هیدروژن باعث کاهش چقرمگی و افزایش حساسیت آنها به ترک می شود . به همین دلیل بایستی این فلزات را تحت محافظت گاز خنثی با خلوص زیاد و یا در خلاء جوشکاری نمود تا ترد نشوند . علاوه بر موارد فوق این فلزات در دماهای بالا با کربن ترکیب شده و کاربید ایجاد می کنند . لذا گاهی اوقات برای افزایش سختی و استحکام به این فلزات ، کربن اضافه می شود ولی افزودن بیش از حد کربن باعث تردی قطعات می شود . لذا بایستی قبل از جوشکاری این فلزات آنها را کاملاً از هر گونه روغن ، گریس یا هیدروکربن ها مبرا نمود در جوشکاری آنها نباید از قید و بندهای گرافیتی استفاده نمود .
6-2- جوش پذیری نسبی :
تیتانیم غیرآلیاژی و بیشتر آلیاژهای آن به راحتی با فرایندها و تجهیزات مورد استفاده در جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی یا آلیاژهای پایه نیکل قابل جوشکاری هستند . براساس توانایی ایجاد جوش های چقرمه و داکتیل تقسیم بندی آلیاژها از نظر جوش پذیری قابل انجام است . در صورتی که فلز پایه در وضعیت آنیل باشد راندمان اتصالات جوشکاری این آلیاژها نزدیک به 100% است . در مورد آلیاژهای با جوش پذیری محدود برای بهبود انعطاف پذیری عملیات حرارتی آنیل توصیه می شود . شرط اصلی جوش پذیری ایجاد جوش های خالی از عیب است تا بازده قطعه جوشکاری شده در زمان سرویس دهی مناسب باشد . یکی از عواملی که روی مقاومت به ترکیدگی جوش اثر دارد میزان مهار قطعه جوش است که تحت تاثیر استحکام و چقرمگی آلیاژ است . آلیاژهای دارای استحکام کششی بیش از ksi 100 و تافنس ضربه ft.1bs 15 در مقابل ترکیدگی جوش حساسند . آلیاژهای با استحکام بالایی مثل Sn 2-V 6-Al 6-Ti و Mo 4-Al 7-Ti چون در شرایط مهار زیاد و پیوستگی ناقص فلز جوش یا HAZ تمایل به ترکیدگی دارند جوش پذیریشان محدود است . آلیاژهای نزدیک آلفا نظیر Ti-8 Mn جوش پذیر گفته نمی شوند زیرا تحت مهار متوسط و ناپیوستگی های کم در ناحیه جوش ترک می خورند . با عملیات پیش گرم در دمای 150 تا 175 درجه سانتیگراد و تنش زدائی فوری پس از جوشکاری می توان مقاومت به ترکیدگی آلیاژهای مستحکم با چقرمگی کم را بهبود بخشید .
7- خواص مکانیکی در حین جوشکاری تیتانیوم:
چون این فلز و آلیاژهای آن در مقابل خوردگی(Corrosion) و فرسایش (Erosion) مقاوم می باشد ، در صنایع هوایی و فضایی و نیروگاههای هسته ای و کشتی سازی و صنایع دریایی و پتروشیمی کاربرد دارد .
بعلت مقاومت در مقابل آب دریا امروزه جایگزین آلیاژهای نیکل و مس از نوع 70% نیکل (Ni) و 30% مس (Cu) شده است .
محصولات تولیدی فلز مزبور و آلیاژهای آن بصورت لوله (Pipe) و ورق (Plate) می باشد که پلیت یا ورق جهت ساخت و تولید مخازن مواد شیمیایی و لوله در داخل دریا جهت انتقال مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد .
جهت اتصال لوله ها بهم دیگر و همچنین ساخت مخازن نیاز به جوشکاری می باشد .
این فلز در هنگام گرم شدن از درجه حرارت محیط تا 880 درجه سانتی گراد دارای ساختار کریستالی از نوع هگزا گونال (H .C. P) که بنام فاز a می باشد و از 880 درجه سانتی گراد تا نقطه ذوب دارای ساختار کریستالی مکعبی (B.C.C) است و موقع سرد شدن این فلز باز همان ساختارهای کریستالی را پیدا خواهد کرد .
فلز تیتانیوم خالص (Commerically Pure Titanium) جز مواد آلتروپ (Allotrope) می باشد .
در هنگام جوشکاری تیتانیوم منطقه ذوب (Fusion Weld) و قسمتی از منطقه تاثیر حرارتی (H.A.Z) و فلز مبنا تا درجه حرارت تبدیل فازها یعنی تبدیل فاز a حرارت می بینند .
پس از سرد شدن ساختار میکروسکوپی مناطق یاد شده سخت شده و نیاز به عملیات حرارتی جهت بهینه نمودن خواص مکانیکی خواهند داشت .
چون در هنگام جوشکاری درجه حرارت فلز مبنا و فلز جوش بالا می رود ، بنابراین گازهای مضره موجود در هوا (N2 , H2 , O2) را جذب نموده و این گازها پس از جوشکاری باعث تغییرات در ساختار میکروسکوپی آن خواهد شد که ساختار آن را ترد و شکننده خواهد کرد .
برای جلوگیری ازاین حالت جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن بروش (Tungsten Inert Gas) از نوع ذوب یا فرآیند جوشکاری اشعه الکترونی (Electron Beam Welding) و یا جوشکاری فشاری (Pressure Welding) بروش فرآیند اولتراسونیک (Ultrasonic Welding) انجام
می شود.
در این روشها پس از جوشکاری مشکلات ناشی از جذب گازهای مضره از هوا از بین می رود .
با مقایسه این روشها بهترین روش جوشکاری روش تیگ (TIG) جهت جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن می باشد که در هنگام جوشهای علاوه بر آن که گاز آرگون از طریق مشعل جوشکاری خارج می شود از کناره های قطعات جوشکاری شده ، گاز آرگون به محوطه جوش دمیده می شود .
روش دیگر آن است که در داخل اطاقک که در آن کاملاً گاز آرگون وجود دارد، جوشکاری قطعات مزبور انجام می شود .
دلیل اینکه جوشکاری تیتانیوم در داخل گاز آرگون که محافظت کننده جوش است انجام می شود این است که چنانچه در محیط هوا بوسیله الکترودهای روپوشدار انجام شود ، گازهای مضر پس از جوشکاری باعث افزایش سختی منطقه فلز جوش (Weld Metal) و منطقه تاثیر حرارتی (Heat Affected Zone) و همچنین کاهش داکتیلیتی (Ductility) خواهد شد. در این حالت استحکام ضربه ای نیز پائین خواهد آمد یعنی در حقیقت فلز ترد و شکننده خواهد شد. داکتیلیتی (Ductility) و استحکام ضربه ای وقتی خوب خواهد شد که بحد کافی از وجود گاز خنثی (Argon) استفاده نمود.
همچنین عوامل دیگر نیز باعث تغییر ساختار میکروسکوپی جوش و منطقه تاثیر حرارتی (Heat Affected Zone) خواهد شد که آن عدم تمییزی قطعه جوشکاری می باشد. معایب بوجود آمده بر اثر عدم تمیزی فلز مورد بحث پروسیتی یا تخلخل (Porosity) خواهد بود. یکی از آلیاژهای فلز تیتانیوم با 4% آلومینیوم (Al) ، 4% منگنز (Mn) و 92% تیتانیوم (Ti) است.
این آلیاژ پس از جوشکاری استحکام بالایی را پیدا نموده ولی استحکام ضربه ای و همچنین داکتیلیتی آن کاهش می یابد.
برای یکنواخت شدن ساختار میکروسکوپی و داکتیلیتی مناسب و استحکام ضربه ای (Toughness) باید جوش را تنش زدایی کرد.
Stress relief = Post weld heat treatment
عنصری که در فازهای بتا () و آلفا () حل شده و باعث آلیاژی شدن تیتانیوم می گردد ، زیرکونیوم(Zirconium) می باشد. از آلیاژهای دیگر تیتانیوم فلز مولیبدن (Mo) ، آهن (Fe) ،کرم(Cr) ، منگنز (Mn) ، قلع (Sn) ، نیتروژن(N2) و اکسیژن(O) می باشد.
آلیاژهای مذکور را جهت بهینه نمودن خواص مکانیکی پس از جوشکاری باید تنش زدایی کرد تا از ایجاد ساختار میکروسکوپی سخت جلوگیری بعمل آورد.
برای جلوگیری از تشکیل ساختارهای میکروسکوپی سخت در جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم باید از سیم جوش تیتانیوم با روش تیگ استفاده نمود. در این حالت احتیاجی به تنش زدایی نخواهد بود.
فلز تیتانیوم خالص (Commerically Pure Titanium) باعث رقیق شدن ساختار جوش از داکتیلیتی خوبی برخوردار خواهد بود.
جهت کنترل کیفیت جوش و همچنین تغییر سختی منطقه جوش و منطقه تاثیر حرارتی (Heat Affected Zone) از سختی سنج استفاده می کنند.
از روش (Non Destructive Examination) NDE از نوع جریانهای گردابی (Eddy Current) پس از جوشکاری جهت کنترل کیفیت جوش استفاده می نمایند.
8- حفاظت اتصال در حین جوشکاری :
تیتانیم در دماهای بالاتر از 260 درجه سانتیگراد در مقابل تردی ناشی از اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن حساس است و لذا بایستی از عناصر فوق محافظت شود . حفاظت معمولاً توسط گاز خنثی با خلوص بالا که در سطح قطعه جریان دارد و یا در محفظه ای با خلائی حدود 0001/0 میلیمتر جیوه یا کمتر انجام می شود . در طول جوشکاری قوسی بایستی ناحیه جوشکاری شده تا زیر دمای 430 درجه سانتیگراد ، تحت حفاظت گاز خنثی باشد . این کار با تزریق گاز خنثی و حفاظت محل اتصال به طور مداوم انجام می پذیرد . در کاربردهای بحرانی جوشکاری در محفظه ای پر از گاز خنثی و خالی از هوا انجام می شود . به طور کلی خواص مکانیکی قطعات جوشکاری شده تیتانیم تحت تاثیر درجه خلوص گاز محافظ است در این خصوص هوا و بخار آب اثر نسبتاً زیادی دارند . لذا کپسول های گازهای خنثی باید فاقد هرگونه منفذی برای ورودی هوا و رطوبت باشند . همچنین گاز خنثی مورد استفاده بایستی کاملاً خشک باشد تا در صورت جذب مقداری رطوبت مشکلی ایجاد نشود . یکی از روش های ساده برای تشخیص درجه خلوص گاز ، جوش دادن تراشه ای از جنس تیتانیم و خم کردن آن است . ظاهر سطح جوش و میزان خم شدن آن معیار خوبی برای میزان درجه خلوص گاز است . در پایان جوشکاری نیز بایستی نمونه دیگری جوشکاری و خم شود تا از حفاظت کامل ناحیه جوش اطمینان حاصل شود . اغلب از رنگ گرده جوش به عنوان معیاری از میزان آلودگی موجود در جوش یا درجه خلوص گاز محافظ استفاده می شود . رنگ برنزی روشن نشان دهنده آلودگی سطحی کم است ، ولی رنگ آبی درخشان نشان دهنده آلودگی سطحی زیاد است و هر دو حالت نامناسبند ولی زمانی که به عنوان پاس اول یا آخراستفاده شوند و قبل از سرویس دهی قطعه از سطح آن جداو سنگ زده شوند قابل قبول خواهند بود ایجاد یک لایه سفید روی گرده جوش نشان دهنده ناخالصی زیاد است که در این حالت آلودگی جوش بیش از حد است ، اگر برای ایجاد اتصال چندین پاس لازم باشد باید در ابتدای هر پاس محل جوشکاری کاملاً تمیز شود . اگر لایه اکسیدی خاکستری یا سفید باشد سیستم گاز محافظ ، بازرسی و علت آلودگی را مشخص نمود . همچنین هنگام استفاده از جوشکاری نفوذی یا بریزینگ برای اتصال دادن قطعات تیتانیمی بایستی قطعات را توسط گاز خنثی و یا خلاء محافظت نمود زمان قرار گرفتن قطعات در دمای بالا باید بسیار کوتاه باشد زیرا تیتانیم داغ در چنین شرایطی پس از چند دقیقه گازهای نیتروژن ، اکسیژن و هیدروژن را جذف می نماید .
9- طراحی و طرح اتصال:
9-1- ضوابط ( میعار) و محدودیت ها :
طراحان سازه های ساخته شده باید هر دوی قابل اجرا بودن فرایند اتصال و مشخصه های فیزیکی اتصال را ملاحظه کنند. از نقطه نظر فرایند اتصال کاربردی بودن یک طراحی موثر، انتخاب بهینه فرایند برای شکل اتصال و ضخامت از موارد خاص می باشند. فرایند مناسب باید از نظر شکل اجزا و اندازه ملاحظه شود .
برای مثال آماده سازی اجزا در محفظه جوشکاری اشعه الکترونی دردسترس تراست یا لحیم کاری به وسیله حرارت ؟ هزینه ایجاد کردن اتصال چقدر است ( شامل هر دو تجهیزات اصلی و هزینه های عملکرد) و احتیاجات فرایند پس از اتصال چقدر است؟ سازه های ساخته شده تیتانیوم اغلب تحت تاثیر مشخصه ها و خواص مکانیکی اتصال تولید شده با فرایند اتصال خاص می باشد .
مشخصه های فیزیکی جوش شامل زیر برش ها ، یا نفوذ ناقص( پر شدن ناقص) در جوشهای ذوبی ، آشفتگی در مرحله انجماد و اعوجاج جوش مهم و قابل ملاحظه اند.
این تاثیر گذاری مشخصه ها فقط در بعد فیزیکی ترکیبات نیست اما اغلب در خواص مکانیکی اتصال است .
به طور اشکار خواص مکانیکی اتصال تحت تاثیر بی عیب بودن ساختار متالوژیکی اتصال و ملاحظات اصلی در طراحی اتصال می باشد .
رفتاری شبیه داکتیلیتی ( نرمی) پائین منطقه جوش، پائین در جوش سریع سرد شده یا رفتار خستگی محور ضعیف موقعی که عیوب ایجاد می شوند مشخصه های مهم اتصال می باشند که باید زیر نظر طراحی اجزا قرار گیرد .
9-2- طرح اتصال:
طرح اتصال مورد استفاده در جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای آن مشابه فولادها است. در عمل انتخاب نوع اتصال چند فاکتور که عبارتند از نوع فرایند دستی یا ماشینی بودن فرایند ، میزان دسترسی به اتصال بستگی دارد و باید لبه سازی به وسیله ماشین تراش انجام شود و هیچ گونه آلودگی و ذرات اضافی روی سطح باقی نماند . میزان باز بودن درز ریشه از اهمیت زیادی برخوردار است باید برای یکنواخت نگه داشتن فاصله ریشه از قید و بند و یا از خال جوش استفاده کرد . در طراحی درز اتصال باید به ضرورت حفاظت کامل جوش توجه داشت .
زمانی که جوشکاری در محفظه انجام می شود باید در مرحله طراحی نحوه قرار گیری قطعات مورد توجه قرار گیرد.

شکل 2- 13- ابعاد در انواع اتصالات تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم

9-3- تمیزکاری سطح ودرجه پاکی:
در ورقها و ضخامت های آنیل نورد شده تیتانیوم عموماً شرایطی فراهم می شود که گریس روغن و کثیفی از سطح زدوده شود . فرایند تمیز کردن به این وابسته است که لایه اکسیدی ناحیه اتصال سبک است یا سنگین.
اکسید سبک معمولاً با یک حلال غیر کلری از قبیل استون یا متیل اتیل کتون(MEK) تمیز می شود .
حلال کرینه، از قبیل تری کلراتیلن نباید برای چربی زدائی آلیاژهای تیتانیوم استفاده شود . زیرا کلرین باعث حمله بین دانه ای در کاربرد های حرارتی بعدی می شود . همه تمیز کاری ها باید با دستکش انجام شود .
برای اکسیدهای سطحی پوسته شده آلیاژهای تیتانیوم می توان به این صورت عمل کرد که آن را در حمام نمک مذاب قرار داد یا به وسیله پاشش ذرات ساینده ، خصوصاً اگر پوسته ها سنگین بودند از قبیل پوسته های بوجود آمده از عملیات حرارتی یا فرایند های ترمومتالوژیکی موادی که پوسته اکسید سبک در آنها به وجودآمده از عملیات حرارتی یا فرایند های ترمومتالوژیکی موادی که پوسته اکسید سبک در آنها به وجود می آید که نتیجه عملیات حرارتی زیر محدوده تا 600 درجه سانتی گراد (1110 درجه فارنهایت) یا حاوی روغن به دام افتاده از عملیات ماشینکاری باید برای مدت 5 تا 10 دقیقه در محلول 30 تا 40 درصد اسید نیتریک و 4 تا 5 درصد اسید هیدروفلوریک در آب در دمای بین 20 تا 70 درجه سانتی گراد(160 تا 68 درجه فارنهایت) اسید شوئی می شود .
یک پروسه دیگر که پیشنهاد می شود این است که تمیز کاری شیمیائی می تواند برای 1 تا 20 دقیقه در محلول حاوی 20 تا 47 درصد اسید نیتریک به اضافه 2 تا 4 درصد اسید هیدروفلوریک در آب یا حدود نسبت 10 به 1 اسید نیتریک در اسید هیدروفلوریک اجرا شود . دمای شستشو باید 27 تا 71 درجه سانتی گراد (160-80 درجه فارنهایت) باشد . قطعه اسید شوئی شده باید با آب شستشو داده شود .
و بعد خشک شود و تا تکمیل جوشکاری در یک پلاستیک تمیز پیچیده شود . تمیز کاری اغلب ممکن است برای فلز پر کننده کثیف شده نیاز باشد . چربی زدائی فلز پر کننده میله یا سیم برای از بین بردن مسائل آلودگی جوش که از چنین منابعی منشاء می شود لازم است .
9-4- تمیز کاری درز اتصال :
قبل از جوشکاری، لحیم کاری یا عملیات حرارتی تیتانیوم و آلیاژهای آن،باید به وسیله تمیز کاری،سطح اتصال از هر گونه آلودگی مبرا گردد . مواد نفتی گریس، رنگ و مواد بیگانه باید به وسیله کاربرد حلال مناسب بر طرف گردد . و به طور کلی باید توجه داشت که آب نباید در شستشوی تیتانیوم به کار رود . کلریدها و دیگر تمیز کننده ها در صورتی که بر روی سطح درز اتصال باقی بمانند می توانند باعث ایجاد ترک ناشی از خوردگی تنشی (SCC) قرار گیرند مخصوصاً در زمانی که در طی جوشکاری ، عملیات حرارتی در حرارتی بالاتر از F 550 درجه قرار می گیرند .
جلوگیری از آلودگی های هیدرو کربنی می تواند تردی تیتانیوم را کاهش دهد . اگر در قسمت هایی از خط جوش لایه اکسید داشته باشیم می توان این لایه اکسید را با استفاده از محلول آبی با 2 تا 4 درصد اسید هیدروفلوریک و 30 تا 40 درصد اسید نیتریک ، قطعه شویی را انجام داد و لایه اکسید را زدود.

شکل 2- 14- فلوچارت تمیز کاری تولیدات آلیاژی تیتانیوم

9-5- حفاظت اتصال در حین جوشکاری:
حفاظت سطح:
تاثیر محافظت منطقه جوش از اتمسفر طی جوشکاری در بدست آوردن نهایت داکتیلیتی و تافنس و کاهش پتانسیل ترک حالت جامد جوش خیلی مهم است .
شرایط بهینه محافظت با پلاستیک تمیز ثابت یا جمع شدنی به صورت چهار دیواری که هوای درونش تخلیه شده و گاز آرگون با نقطه شبنم 24- درجه سانتی گراد (75- درجه فارنهایت) به درون آن وارد می کنیم فراهم می شود .
خصوصاً در جوشکاری اتوماتیک اتصالات ساده قرار دادن پشت بند می تواند مورد استفاده قرار گیرد . اجزای پیچیده اگر چه شدنی است ولی قطعات خاصی برای نگه داشتن آنها نیاز است و اجرا نمی شود ، خوشبختانه آلودگی سطح جوش در تیتانیوم به صورت تغییر رنگ در آن ظاهر می شود . از رنگ نقره ای روشن تا کاهی تا سرخ و سپس آبی با یک افزایش تدریجی در مرحله آلودگی چندین آلودگی ممکن است روی سطح جوش به صورت پودر سفید یا خاکستری که اغلب همراه با ترک مرحله انجماد در فلز جوش است ظاهر شود .
در خیلی کاربردهای مهم رنگ نقره ای روشن مورد قبول نیست اگر چه رنگ سرخ روشن ممکن است که در کاربرد های غیر بحرانی قبول باشد .
تیتانیوم در دماهای بالاتر از 427 درجه سانتی گراد در برابر تردی ناشی از اکسیژن، نیتروژن، و هیدروژن حساس می باشد و به همین دلیل بایستی از این گونه آلودگیها ناحیه جوش را محافظت کرد .حفاظت معمولاً توسط گاز خنثی با خلوص بالا که سطح قطعه را می پوشاند و یا درمحفظه با خلا حدود torr 4- 10 یا کمتر انجام می شود .
در طی جوشکاری قوسی بایستی ناحیه جوشکاری شده تا زیر دمای427 درجه سانتی گراد تحت حفاظت گاز خنثی باشد . با تزریق گاز خنثی و محافظت محل اتصال به طور مداوم این کار انجام پذیر است در کاربردهای بحرانی، جوشکاری در محفظه ای پر از گاز خنثی و خالی از هوا انجام می شود .
خواص مکانیکی اتصال جوشکاری تحت تاثیر خلوص گاز محافظ است هوا و بخار آب اثر زیادی دارند کپسول های گاز خنثی نباید دارای هیچ منفذی برای ورود هوا و رطوبت باشد و بایستی تحت شرایط جوشکاری، نقطه شبنم اندازه گیری شود . نقطه شبنم گاز محافظ آرگون، روی سختی و انعطاف پذیری آلیاژ جوشکاری شده به روش TIG تاثیر دارد و در گاز خنثی مورد استفاده بایستی کاملا ً خشک بودن گاز محافظ مد نظر باشد تا در صورت اضافه شدن مقداری رطوبت به دلیل وجود تجهیزات درجوار منطقه جوشکاری، مشکلی ایجاد نشود .
یکی از روش های ساده جهت تشخیص خلوص گاز، جوش دادن تراشه ای ازجنس تیتانیوم و انجام تست خمش بر روی آن است .ظاهر سطح ومیزان خم شدن آن معیار خوبی برای میزان خلوص گاز است.
می توان از رنگ گرده جوش به عنوان معیاری از میزان آلودگی موجود در جوش با خلوص گاز محافظ استفاده کرد . رنگ برنزی نشان دهنده آلودگی سطحی کم می باشد ولی رنگ آبی درخشان نشان دهنده آلودگی سطحی بیشتر است.هر دو رنگ فوق نشان دهنده نفوذ آلودگی به ناحیه جوش است ولی می توان این آلودگی سطحی ناحیه جوش را زمانی که به عنوان پاس اول یا نهایی استفاده می شوند، قبل از سرویس قطعه از سطح آن جدا و سنگ زده شوند .
ایجاد یک لایه سفید پوسته پوسته(Flaky) روی گرده جوش نشان دهنده ناخالصی زیاد و آلودگی بیش از حد جوش است . اگر جوشکاری به صورت چند پاسی انجام می شود قبل از دادن پاس بعدی نباید هیچ گونه آلودگی در پاس قبل وجود داشته باشد.
اگر لایه اکسیدی پوسته ای، خاکستری یا سفید باشد باید سیستم حفاظت گاز محافظ را تحت بازرسی قرار دهیم و علت آلودگی را مشخص کنیم . همان طور که قبلاً اشاره شد فلز جوش آلوده دارای تردی بالایی می باشد و باید آن ناحیه را برداشت و دوباره جوشکاری کرد .
طراحی اتصال مورد استفاده در جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن مشابه فولادها است . در عمل انتخاب نوع طرح اتصال بستگی به چندین فاکتور دارد که عبارتند از : نوع فرایند ، نحوه عملکرد (دستی یا ماشینی) ، میزان دسترسی به اتصال و بازرسی های لازم باید لبه سازی از طریق ماشین کاری ایجاد شود به طوری که هیچ گونه آلودگی و ذرات اضافی روی سطح باقی نماند . زمانی که از پشت بند استفاده می شود میزان باز بودن ریشه از اهمیت زیادی برخوردار است باید برای یکنواخت نگهداشتن فاصله ریشه از قید و بند از خال جوش استفاده شود . ضرورت حفاظت کامل جوش باعث می شود که طراحی قطعه ، نوع اتصالات و محل آنها محدودیت پیدا کند . زمانی که جوشکاری در محفظه انجام می شود باید در مرحله طراحی نحوه قرارگیری قطعات مورد توجه قرار گیرد .
9-6- خلل و فرج:
در جوشکاری تیتانیم ایجاد خلل و فرج از مشکلات رایج است . اغلب این مشکل در اثر ایجاد حباب های گازی در حین انجماد فلز جوش به وجود می آید و تحت تاثیر نوع فرایند است . به طور کلی اگر مقدار هیدروژن موجود در فلز جوش از حد متداول آن بیشتر نباشد نمی تواند باعث ایجاد خلل و فرج شود . مقدار هیدروژن قابل قبول در تیتانیم ppm 150 یا کمتر است ولی معمولاً این حد ppm 100 در نظر گرفته می شود . در صورتی که مقدار آن کمتر از حد یاد شده باشد می توان جوش هایی عاری از حفره ایجاد نمود . دیگر منبع جذب هیدروژن رطوبت محیط است با پیش گرم کردن فلز تا دمای c 120 می توان رطوبت را تبخیر نمود . وجود رطوبت گذشته از حفره باعث کاهش شدید خواص مکانیکی قطعات نیز می گردد . تمیزکاری محل اتصال و نواحی اطراف آن اثر زیادی بر کیفیت جوش از نظر وجود حفره دارد . تمیزکاری نامناسب خود می تواند منشاء ایجاد حفره های متعددی باشند . همچنین نحوه جوشکاری و نوع فرایند آن بر میزان حفره ها تاثیر می گذارد . پارامترهایی نظیر گرمای ورودی ، سرعت سرد شدن ، سرعت جوشکاری ، ولتاژ جوشکاری و سرعت سیلان گاز محافظ بر میزان خلل و فرج جوش اثر می گذارند . اگرچه در مورد اثر دمای حوضچه جوش و سرعت سرد شدن آن اختلاف نظرهایی وجود دارد ولی این عامل نیز می تواند فاکتور مهمی در میزان حفره دار شدن قطعات تیتانیمی باشد . با کاهش سرعت سرد شدن احتمال ایجاد حفره کاهش می یابد زیرا زمان بیشتری برای خروج گازها از سطح فلز وجود خواهد داشت . گاهی اوقات ممکن است با کاهش سرعت جوشکاری حفره ها زیاد شوند چنین حالتی زمانی به وجود می آید که برای ثابت ماندن عمق نفوذ گرمای ورودی کاهش یافته است . این امر باعث کاهش دمای حوضچه مذاب شده ولی عموماً کاهش سرعت جوشکاری ، کاهش خلل و فرج را در پی خواهد داشت زیرا با کاهش سرعت جوشکاری سرعت سرد شدن حوضچه جوش کاهش یافته و زمان بیشتری برای خروج حباب ها وجود خواهد داشت . اغلب با استفاده از خنک کننده های مسی در کنار اتصال جوشکاری می توان حفره ها را کاهش داد . تعبیه مبرد باعث افزایش گرمای ورودی لازم برای جوشکاری و به تبع آن سیلان بیشتر حوضچه جوش و افزایش سرعت خروج گازها می شود . خال جوش های کوچک ، جوش های نبشی و لب به لب دارای نفوذ جزئی که گرمای ورودی کم دارند عموماً محتوی خلل و فرج هستند . تنها راه کاهش این عیوب افزایش گرمای ورودی است .
9-7- عملیات حرارتی پس از جوشکاری :
برای جوشکاری قطعات پیچیده جهت جلوگیری از ترکیدگی و اثرات منفی وجود تنش های پسماند باید عملیات تنش زدائی پسماند باید عملیات تنش زدائی روی آنها انجام گیرد . مقدار تنش های پس ماند حاصل از جوشکاری می تواند آنقدر زیاد باشد که آلیاژ به ترک های ناشی از تنش (SCC) حساس شود . تنش های پسماند باعث کاهش حد دوام قطعه تحت خستگی سیکل کم ( LCF) می شود . زمانی که به نظر می رسد تنش های پسماند می تواند مشکل ایجاد کنند باید قطعه تا دمای مناسبی حرارت داده شود و به مدت زمان مناسب در آن دما نگهداری شود تا تنش ها خارج شوند و از بین بروند در موردی که مدت نگهداری قطعه کوتاه است از حداقل دمای آنیل (540 تا 710 درجه سانتیگراد) استفاده می شود قبل از انتخاب دما و زمان بایستی خواص مکانیکی مطلوب را شناخت زیرادر طول عملیات تنش زدائی ، امکان پیر شدن آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر وجود دارد . قبل از گرم کردن قطعه بایستی کاملاً آن را تمیز نمود تا از آلودگی آن و ترکیدگی ناشی از Scc اجتناب شود . همچنین باید پس از عملیات حرارتی به روش شیمیائی هر گونه تغییر رنگ ایجاد شده در فلز را از بین برد .

فصل چهارم
کار بردها
1- تولید قطعات :
علاوه برتولید قطعاتی مانند دیسک های توربین کمپر سور گازی به روش ترمومکانیکال کنترل شده دو فرایند دیگر تولید قطعات ، کاربرد فراگیر پیدا کرده اند . این روش ها شکل دهی ابر موم سان -اتصال نفوذی (SPF-DB)و ریخته گری هستند . Ti6-4به خاطر زیر ساخته ریزدانه ی دوتایی (a+B)، ویژگی های ابر موم رسانی از خود نشان می دهد .ماده ی ورقه ای شکل را می توان در تنش های سیلان پایین دردمای حدود c900 به روش شکل دادن با گاز با فشار های میانه ی گاز تولید کرد . شکل دهی ابر موم سان را می توان با پیوند نفوذی در فرایند SPF-DBتلفیق کرد. سطوح تمیز بدون اکسید باقی می مانند ، زیرا دردماهای حدودC900اکسیژن درتیتانیوم حل می شود و استحکام فلز اولیه درماده پیوند داده شده تحت فشارهای 500تا psi1000می تواند به دست آید (15) . فرایند SPF-DBدرمقایسه با فرایند های جایگزین قابلیت کاهش چشم گیری درهزینه ها دارد. تدعا شده است که به کارگیری فرایند SPF-DBدر ساخت کانال مبادله کن گرما درهواپیما ی تورنیدو موجب 36درصد صرفه جویی در وزن و هزینه در مقایسه با روش های تولید متداول گردیده است . معمولا پر ه های توربین گاز – هوایی را به روش SPF-DBمی سازند و به این ترتیب سازه ای با هسته ی لانه زنبوری تولید می کنند (16) . امروزه مبادله کن های گرمای بزرگ برای کاربردهای غیر هوا -فضا را به روش SPF-DBتز آلیاژTi6-4می سازند . آلیاژهای با توانایی دمایی بالاتر از Ti6-4مانند IMI834وimi829رفتار ابر موم سانی نشان داده اند و قابلیت تیتانیم را برای جایگزینی نیکل و فولاد زنگ نزن در سازه های ساخته شده بالاتر برده اند . از مدت ها پیش قطعات ریختگی Ti6-4درکاربردهای کم تنش دمای پایین مانند قاب پر ه های توربین های گاز هوایی مصرف می شده اند . وزن این قطعات ریختگی به 150کیلوگرم می رسیده است . به تازگی چند فناوری پیشرفته در ترکیب با هم قابلیت قطعات ریختگی تیتانیم درکاربردهای سازه ای حساس را افزایش داده اند (17). این فناوری ها عبارتند از : ذوب مجدد قوسی در خلا و ذوب مجدد القایی پوسته ای به منظور کمینه کردن آلودگی در تیتانیم ریختگی ، توسعه ی مواد قالب گیری سرامیکی و فلزی که می توانند تیتانیم مذاب را با کم ترین واکنش درخود نگه دارند و به کارگیری فشردن ایزو استاتیک گرم (HIP)به منظور بهبود کیفیت محصول از طریق حذف ریز انقباض و عیب های گازی داخلی است . مدل سازی فرایند ، عنصر کلیدی در توانایی این فناوری است . آلیاژهای با قابلیت منایی بالاتر از Ti6-4درزمینه های ریخته گری پیشرفت خای نوید بخشی داشته اند.
2- کاربرد جوشکاری تیتانیوم در صنایع هوا فضا:
ویژگی منحصر به فرد آلیاژهای تیتانیوم که همان نسبت بالای استحکام به وزن آنها می باشد کاربرد آنها را در صنایع هوا فضا بسیار گسترده کرده است .
اگر چه ابداع آلیاژهای تیتانیوم از اواخر دهه 1940 آغاز گردید ولی معرفی آنها در توربین های گازی هواپیما در سال 1952 صورت گرفت و از این آلیاژها برای ساخت پره های دیسکهای کمپرسور در موتور معروفJ57 پرات و ویتنی استفاده شد. با کاربرد این آلیاژها حدود 200 کیلوگرم در وزن موتورصرفه جویی شد.درانگلستان آلیاژ Ti-2AL-2Mn برای موتور معروف Avon رولزرویس که در هواپیماهای پر قدرت مانند Coment و Canberra بکار می رفت استفاده شد . ازآن زمان توربین های گازی هواپیما به عنوان اصلی ترین کاربرد آلیاژهای تیتانیوم که امروزه حدود 30 -25 درصد وزن اغلب موتورهای مدرن را تشکیل می دهند، مطرح گردید . این آلیاژ در موتورهای جتی که دارای پروانه های بسیار بزرگ در جلو دهانه موتور بودند نقشی اساسی داشت .
برخی از این پروانه ها دارای قطری بیش از 2 متر بوده و پره های آنها ممکن است تا 6 کیلوگرم وزن داشته باشند که این بدان معنی است که وقتی این پروانه ها در حال کارند هر یک از پرها کششی در حدود 75 تن بر روی دیسک وچرخهای توربین وارد می کنند . این امر باعث ابداعات جدیدی در طراحی پرها شده و برای کاهش وزن پره های توخالی به نام پره های کمان بزرگ بکار گرفته شد . این پره ها از یک مغزی با ساختمان لانه زنبوری و یک پوسته از جنس آلیاژ تیتانیوم که بر روی مغزی به صورت اتصال نفوذی جوش شده تشکیل یافته و به این ترتیب یک ساختمان یک پارچه ایجاد گردیده است . آلیاژهای تیتانیوم علاوه بر پروانه در اغلب پره ها و دیسک های منطقه فشار و کمپرسورهای موتورهای جت مدرن استفاده می شود . انتخاب آلیاژ مورد استفاده برای ساخت دیسک بسیار با اهمیت است .زیرا این قطعه علاوه بر اینکه تحت تاثیر تنش های حرارتی ناشی از اختلاف دمای بین قسمت داغ تر و مغز خنک تر است توسط پره های چرخان نیز تحت بار زیادی قرار می گیرد .
به طور کلی آلیاژ تیتانیوم آلفا- بتا از جنس Ti-6AL-4V که از آلیاژهای پر استحکام تیتانیوم می باشد، جهت ساخت قطعات پروانه و کمپرسورها استفاده می شود.آلیاژهای نزدیک به آلفا برای موارد مصرفی که نیاز به استحکام بالاتر و مقاومت به خوردگی بهتری دارند استفاده می شوند. از موارد دیگر مصرف تیتانیوم در موتور، استفاده از ورق تیتانیوم cp برای پوسته وکانال را می توان نام برد .
به علت قیمت بالاتر تیتانیوم درمقایسه با آلومینیوم، استفاده از آلیاژهای تیتانیوم برای ساخت اجزاء ساختمانی هواپیما به کندی صورت گرفته است .اولین استفاده اصلی از فلز تیتانیوم به صورت ورق برای ساخت بدنه پوسته و دیواره های آتش خوار اگزوز که حرارت قابل توجه می بیند بوده است.
یک مورد استفاده امروزی از قطعات آهنگری تیتانیوم در ساخت قسمت های کاملاً بحرانی مانند قطعات متحرک بال و اتصالات و موتور است . یک نمونه از کاربرد این فلز در صنایع هوا فضا ، استفاده از آن در هواپیمای بوئینگ بوده است .هواپیمای بوئینگ 707 که برای اولین بار در سال 1958 ساخته شد دارای فقط 80 کیلوگرم از اجزا ساخته شده با آلیاژهای تیتانیوم بود و این در حالی است که ساختمان بوئینگ 727 در سال 1963 حاوی 290 کیلوگرم و ساختمان 747 در سال 1969 حاوی 3850 کیلوگرم و بوئینگ 10DC سال 1970 حاوی 5500 کیلوگرم آلیاژها تیتانیوم است که تقریباً 10% وزن کل ساختمان هواپیما را تشکیل می دهد .قسمت اصلی ساختمان پیچیده جعبه بال تا شونده هواپیمای جنگنده Panavia Tornado ، از صفحات جوش شده و ماشین شده آلیاژ تیتانیوم ساخته شده است و دسته محور بال حساس این هواپیما نیز از قطعات آهنگری شده آلیاژ Ti- 6Al-4v ساخته شده است .
از آلیاژهای پر استحکام تیتانیوم در ساخت بست های اتصالی نیز استفاده گسترده ای می شود به طوری که در هواپیمای بزرگ حمل و نقل نظامی امریکا به نام Lockheed C5A ، تعداد 5/1 میلیون از کل 2/2 میلیون عدد این قطعات از این آلیاژها ساخته می شود . و با استفاده از آنها یک کاهش وزن مستقیم یک تنی و 5/3 تن صرفه جویی در وزن به دلیل تغییر ناشی از طراحی در بکارگیری متصل کننده های تیتانیومی حاصل شده است .
ساختمان هواپیمای جنگی McDonnell – DouglasF15 هم اکنون حاوی 700 کیلوگرم آلیاژهای تیتانیوم است که 34% وزن ساختمان آن را تشکیل می دهد و قابل مقایسه با 48/0 آلیاژهای آلومینیوم به کار رفته در این هواپیما ست .البته باید توجه داشت که قسمت های حساس هواپیما به دلیل ویژگی های منحصر به فرد آلیاژهای تیتانیوم از این آلیاژها ساخته شده است .
در هواپیمای بمب افکن جدید B1 امریکایی به دلیل اینکه به سرعت هائی می رسد که گرمای ایرودینامیکی ایجاد می شود قسمت اصلی پوسته و سازه از آلیاژهای تیتانیوم ساخته شده.

فصل پنجم
نتیجه گیری و بحث
در این تحقیق از فرایند جوشکاری قوسی با الکترود تنگستن (GTAW) بمنظور جوشکاری لوله های تیتانیومی استفاده گردید. آماده سازی درز جوش با شیار V شکل انجام گرفت و برای ایجاد محافظت کامل در حین جوشکاری از گاز محافظ حوضچه مذاب، گاز محافظ ثانویه و گاز محافظ پشتی استفاده شد. در ابتدا فرایند جوشکاری با استفاده از دنباله تورچ با طول 20cm انجام شد. سپس نمونه های PQP بر اساس استاندارد ASMEM sec IX تهیه گردید و آزمایشهای کشش ، خمش و سختی سنجی بر روی آنها صورت گرفت. ترکهای ایجاد شده در جوش و منطقه HAZ در نمونه خمش دلالت بر حضور ناخالصیها و عدم محافظت مناسب حوضچه مذاب و مناطق متاثر از حرارت در طی فرایند جوشکاری داشت که همگی حاکی از کیفیت نامناسب جوش در جوشکاری انجام شده با دنباله تورچ 20cm بودند. در بررسیهای بعمل آمده توسط میکروسکوپ الکترونی از مقطع شکست نمونه کشش، ذرات ناخالصی اکسید آهن نیز مشاهده گردید. همچنین استحکام کششی معادل 212 Mpa و میزان سختی فلز جوش معادل 300 ویکرز بدست امد. در فرایند جوشکاری بر روی نمونه های بعدی سعی شد تا با افزایش طول محفظه گاز محافظ ثانویه از 20cm به 28 cm مشکل جذب ناخالصیها از محیط اطراف بر طرف گردید. با آماده سازی مجدد نمونه های PQR و انجام آزمایشهای کشش، خمش و سختی سنجی بر روی آنها مشخص شد که میزان استحکام کششی از 212Mpa به 377Mpa افزایش یافته و مقدار سختی فلز جوش از 300 ویکرز به 230 میکرز کاهش یافته است. همچنین عدم وجود ترک در جوش و مناطق اطراف آن در نمونه خمش همگی نشان از کیفیت بالای جوش داشت.

جوشکاری اصطکاکی نیاز به گاز محافظ را حذف می کند. چون این روش غیر زوبی است مشکلاتی از قبیل محدودیت های هندسی، مسائل مربوط به ذوب شدن فلز پایه، تنش های پسماند چشمگیر و … را نداریم. این روش امکان اتصال غیر هم جنس را نیز فراهم کرده است.
جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW) یک روش اتصال جدید است که در سال 1991 ابداع شده است. مزیت اصلی این روش، حالت جامد بودن آن است. و به همین دلیل این روش مشکلات ناشی از انجماد را کم کرده و یا حذف می کند که این مشکلات در روش های ذوبی بسیار مسئله سازند. این روش ابتدا برای آلیاژهای آلومینیوم استفاده شد. بعدا برای آلیاژ های دیگر نیز کاربرد وسیعی پیدا کرد مانند Mg و Ti و فولاد. یکی دیگر از مزایای این روش کنترل دقیق پارامتر های جوشکاری است. در سالهای اخیر مطالعات زیادی در راستای بهبود ساختار دانه در فرآیند FSW انجام شده که این مطالعات برای فلزات FCC و BCC بوده است. نتایج نشان می دهد که ساختار دانه طی یک فرآیند پیچیده ناشی از تبلور مجدد هندسی، تبلور مجدد پیوسته و تقسیم دانه هاست، قرار می گیرد. از طرفی مطالعات کمی درباره فلزات HCP با این روش انجام شه است. برای مثال تحقیق در مورد ریز ساختار تیتانیوم α ناشی از FSW چالش برانگیز است. به علت فعالیت بالای تیتانیوم و نیاز به تجهیزات پیچیده در حین FSW این آلیاژ دشوارتر است.
به همین دلیل بررسی ریز ساختار حاصل از FSW برای آلیاژ های تیتانیوم محدود شده است.
با توجه به مطالعات، ساختار دانه در ناحیه اغتشاش (SZ) جوشکاری تیتانیوم α وابسته به دوقلویی ها بوده و مقدار دوقلویی ها در قسمت های بالایی جوش بیشتر است. ریز ساختار ظاهرا دچار تبلور مجدد شده و دانه ها حاوی نابجایی های با چگالی بالا و مرزهای فرعی است. مطالعه دیگری نشان دهنده اصلاح دانه محسوس در ناحیه اغتشاش و در نتیجه تبلور مجدد دینامیکی است.
شکل زیر ویژگی های ریزساختاری مواد پایه از جنس Ti4Al6V برای a الگو پراش الکترون ها بازگشتی که نشان دهنده مرز های زاویه کوچک و زاویه بزرگ است و b توزیع انحراق در جهت گیری می باشد.

این شکل نشان دهنده ویژگی های ریز ساختاری تیتانیوم α هم محور با میانگین اندازه دانه 24 میکرون است. بسیاری از مرزدانه ها بزرگ زاویه اند.
در شکل زیر یک تصویر کلی از سطح مقطع عرضی جوش اصطکاکی اغتشاشی مشاهده می شود. 3 ناحیه مشخص در این شکل وجود دارد. ناحیه SZ، BM و TMAZ. ناحیه SZ مرتبط است با تاثیر قوی شانه ابزار بر روی سیالیت مواد در طی FSW. این ناحیه نسبت به خط جوش الزاما متقارن نیست.

طبیعت انتقال ریز ساختار TMAZ نکته کلیدی برای دزک این قضیه است که چگونه ساختار اولیه به ساختار SZ در حین FSW تبدیل می شود.
منابع و مراجع
1. متالورژی جوشکاری/جلد اول و دوم/Sindo ku/ا.ح کوکبی/دانشگاه صنعتی شریف/1388
2. مروری بر روش های جوشکاری حالت جامد/مرتضی رجبی/دانشگاه علم و صنعت/1392
3. آشنایی با فرآیند های جوشکاری در ساختمان/ح. طبیبیان/شهرداری اصفهان/1386
4. بررسی خواص مکانیکی و فیزیکی جوشکاری لیزر و قوس الکتریکی تیتانیم خالص تجاری/سید غلامرضا رضوی/مجله مواد نوین/جلد 4/شماره 4/تابستان 1393
5. بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی آلیاژ تیتانیوم Ti-3Al-2.5V تحت فرایند جوش کاری میکروپلاسما/مجله مهندسی مکانیک مدرس/فوق الغاده اسفند 1392/شماره 14/ص ص199-209
6. "ASM Handbook" , Volume 6,Welding, brazing and soldering,1981
7. K. Szymlek, "Review of tanium and steel welding methods
8. Development of grain structure during friction stir welding of pure titanium/S. Mironov, Y.S. Sato, H. Kokawa/Acta Materialia 57 (2009) 4519-4528
9. Friction stir welding of titanium alloy TiAl6V4 to aluminium alloy AA2024-T3/Ulrike Dressler/material Sience and engineering A526 (2009) 113-117
10. Joining aluminum to titanium alloy by friction stir lap welding with cutting pin/Yanni Wei et al/Material charactrization 71 (2012) 1-5
11. P. Edwards, M. Ramulu," Identification of Process arameters for Friction Stir Welding Ti-6Al-4V", Journal of Engineering Materials and Technology, July 2010,Volume. 132
12. WWW.WikiPG.com
13. AWS WHB-4 "titanium, zirconium, hafnium, and columbium" 1997
14. Matthew J.Donachie,jr " Titanium a Technical Guide'' second edition
15. Dr .William W.Scott,Jr . "Materials Properties Handbook : Titanum Alloys"
16. ASNT/AWS A5.16-90 An American National Standard
17. polmear,I.J "Light Alloys; Metallurgyof the Light Metals"
18. سایت اینترنتی : http://felezat.com
19. سایت اینترنتی: www.jetline.com
20. سایت اینترنتی: www.llnl.gov/str/november01/elmer.htm
4