موضوع :
جوشکاری A-TIG در فولادهای زنگ نزن آستنیتی
سپاسگزاری
به مصداق《لم یشکر المخلوق لم یشکرالخالق》بسی شایسته است از استادان فرهیخته و فرزانه دکتر …….. که با کرامتی چون خورشید، سرزمین دل را روشنی بخشیدند و گلشن سرای علم و دانش را با راهنمایی های کار سازو سازنده بارور نمودند، تقدیرو تشکر کنم.
تقدیم به پدر و مادرم:
که سایه مهربانی شان سایه سار زندگیم می باشد،
آنها که اسوه صبرو تحمل بوده
و مشکلات مسیر را برایم تسهیل نمود.
فهرست مطالب
فصل اول 7
مقدمه 8
فصل دوم 14
جوشکاری TIG 15
موارد استفاده از جوشکاری TIG 16
روش انجام جوشکاری TIG 16
مزایای جوشکاری TIG 17
نوع قطبیت مناسب در جوشکاری جوش آرگون TIG 17
منبع قدرت (Power Source) 18
رگولاتور و فلومتر 18
شیلنگ و بستهای گاز 18
تورچ جوشکاری 18
کابل های اتصال 19
الکترود تنگستن 19
طبقه بندی الکترودهای تنگستن با رنگهای یک سر 20
سیم جوش (Filer Metal) 21
انواع الکترودها در جوشکاری TIG 22
عیوب جوشکاری TIG 22
ناخالصی های اکسیدی (Oxide Inclusion) 24
عیوب ذوب (Lake Of Fusion) : 24
عدم ذوب کافی در دیواره های اتصال به علت 25
اثر فلاکس اکسیدی بر خواص کششی جوش 28
فصل سوم 30
جوشکار قوسی 30
تئوری simonik 33
تئوریRoper و Heilp 33
تئوری lucas house 34
تئوری Ushio و Tanaka ،Lowke 34
فصل چهارم 38
مطالعاتی پیرامون تکنیک های جوشکاریهای A-TiG 56
فهرست اشکال
Figure 1 11
بدون وجود فلاکس 26
عمق نفوذ جوشهای بدون فلاکس و حاوی فلاکس فعال کننده 27
سطحی 27
ستون قوس: الف) بدون فلاکس و ب) فلاکس اکسیدی 27
مقایسه استحکام کششی و استحکام تسلیم در نمونه بدون فلاکس وفلاکس سیلیس 28
شماتیکی از نحوه اعمال فلاکس فعال کننده سطحی قبل از انجام جوشکاری 32
اثر ضخامت فلاکس فعال کننده سطحی بر مورفولوژی جوش 35
اثر فلاکس اکسیدی بر روی خواص مکانیکی فلز جوش 36
منحنی پلاریزاسیون تافل فلز جوش فولاد زنگ نزن 37
نمودار شماتیکی از شرایط مرزی 49
خواص فیزیکی فولاد زنگنزن 52
الف( منطقه ی ذوبی ب( کانتور دمایی، در جوشکاری A-TIG 53
میزان عمق نفوذ در حالت جوشکاری الف( A-TIG ب( TIG 53
.میزان عمق نفوذ در جوشکاری A-TIG برای مقادیر الف( ppm200 ب( ppm100 اکسیژن حل شده. 54
تغییرات گرادیان کشش سطحی با دما در مقادیر مختلف اکسیژن 55
اثر انقباض قوس با تغییر پارامتر توزیع حرارتی قوس الف( mm0.0023 ب( mm 0.004 55
فصل اول:
تعریف و معرفی انواع فولادهای زنگ نزن آستنیتی
مقدمه
بدلیل وجود عناصر کرم ونیکل در ساختمان فولادهای آستـنیتی زنگ نزن این فولادها دارای قابلیت جوشکاری بسیار عالی می باشند . به هر حال بدلیل خواص مکانیکی مخصوص نظیر قابـلیت هدایت حرارتی کم و بالا بودن ضریـب انبساط حرارتی نیاز به دقت و کنترل حرارتی هنگام جوشکاری دارد. وجود مقدار کمی فریت در فلز جوش خواص آستنیتی را بهبود می بخشد و از ایجاد ترک گرم جلوگیری می کند . منحنی شفلر مشخص کننده ساختار میکروسکپی فلز جوش بر روی فلز پایه می باشد. این منحنی علاوه بر مشخص کردن نقش کرم ونیکل نقش عناصری نظیر کربن ، سیلیسیم ، منگنز ، مولیـبدن ، نیوبیم را مورد بررسی قرار می دهد . این منـحنی برای بـررسی ساخـتار میکروسـکپی در محدوده حرارتی مشخصی طراحی شده است.هدف اصـلی دیـاگرام محاسبه مقدار فریت در فلز است که این مقدار توسط عنـاصر فریت زا مانند مولیبدن ، سیلیسیم و کرم افزایش یافته و توسط عناصر آستـنیت زا مانند منگنز ، نیکل و کربن کاهش می یابد. بعلاوه این منحنی اطلاعات ارزشمندی را در زمینه ساختار میکروسکپی حاصل شده از جوشـکاری الکترود آستـنیتی بر روی فولاد کربنی ساده به دست می دهد که این اطـلاعـات در مورد جوشکاری دو فولاد غیر همنام با پوشش دادن فولادها حائز اهمیت است . این منحنی همچنین تمام نواحی بحرانی را برای فولادهای مقاوم ضد زنگ که در حین جوشکاری بوجود می آید مشخص می کند ؛ نظیر رشد دانه در دمای بالا تر از 1150 درجه سانتیگراد ، تمایل به ایجاد ترک در اثر افزایش سختی در زیر دمای 400 درجه سانتـیگراد ، تمایل به ترکهای گرم در بالاتر از1250 درجه سانتیگراد وشکنندگی فاز سیگما در دامنه حرارتی بین 500 تا 900 درجه سانتیگراد با انتخاب الکترودمناسب می توان مقاومت در برابر زنگ زدگی را کنترل کرد .
فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steel) اساسا آلیاژهای سه تایی Fe-Cr-Ni با 20-16% کروم و 20-7% نیکل می باشد. از آنجا که ساختار این فولادها در تمام دماهای عملیات حرارتی، آستنیت (آهن γ) باقی می ماند، به آن ها فولادهای زنگ نزن آستنیتی گویند. می توان مقداری از نیکل این آلیاژها را با منگنز جایگزین کرد در حالی که ساختار آن ها آستنیت باقی خواهد ماند.
در این گروه آلیاژهای CH-20 ،CK-20 ،CN-7M وجود دارد. دو آلیاژ CH-20 ، CK-20 دارای کروم و نیکل بالاتر بوده، ترکیبی تمام آستنیتی دارند و میزان کروم آنها از نیکل بیشتر است. این آلیاژها نسبت به آلیاژ CF-8 مقاومت بیشتری در برابر اسید سولفوریک داشته و دارای استحکام بهتری در دماهای بالا هستند. کاربرد اختصاصی آنها در صنایع شیمیایی و در مجاورت محلول های خمیر کاغد و اسید نیتریک است. برای انتقال اسید سولفوریک داغ با غلظت های مختلف، آلیاژ CN-7M با نیکل زیاد که حاوی مولیبدن و مس بوده وسیعا به کار می رود و نیز در برابر اسید هیدروکلریک رقیق و محلول های کلریدی داغ به خوبی مقاوم است. این آلیاژ در کارخانجات نورد فولاد در مجاورت مواد تمیز کننده از محلول های هیدروفلوریک نیتریک بکار می رود. همچنین در بسیاری موارد که آلیاژهای گروه CF با کروم بالا مناسب نیستند، این آلیاژ کاربرد خوبی دارد.
آلیاژ CH-20 با ترکیب 25%Cr-12%Ni حداکثر 0.2% کربن دارد. ریزساختار ریختگی آن،آستنیت با مقدار کمی فریت حاوی کاربید می باشد. با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نبوده و در مجاورت اسید سولفوریک رقیق با دمای بالا، کاربرد بیشتری دارد.
آلیاژ CK-20 با ترکیب 25%Cr-20%Ni حاوی حداکثر 0.2% کربن است. با اینکه ترکیب آن به CH-20 نزدیک می باشد ولی درصد نیکل بالاتر آن، مقاومت به خوردگی بیشتری در دماهای بالا به آن می دهد. ریزساختار قطعه ریختگی آن، آستنیت با رسوب پراکنده کاربید در زمینه است و با عملیات حرارتی قابل سخت کاری نمی باشد.
آلیاژ CN-7M با ترکیب 29%Ni-20%Cr حاوی مقادیر مس و مولیبدن و حداکثر 0.07% کربن است. تماما آستنیتی بوده و سختی آن با عملیات حرارتی افزایش نمی یابد. این آلیاژ کاربرد وسیعی در شرایط سخت خورنده در مجاورت موادی چون اسید سولفوریک، اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک رقیق، سود سوزآور، آب دریا و محلول های گرم نمک دار دارد.
حدود 65-70% فولادهای زنگ نزن تولیدی ایالات متحده امریکا را فولادهای زنگ نزن آستنیتی تشکیل می دهند. این فولادها به علت مقاومت به خوردگی و شکل پذیری مطلوب در این موقعیت قرار دارند، و از این رو برای بیشتر کاربردهای مهندسی خواص خوب و مطلوبی دارند. فولادهای زنگ نزن نوع 304 و 302 بیشترین کاربرد را هم در دماهای بالا و هم در دماهای پایین دارند. نوع 316، که2.5%Mo دارد، مقاومت به خوردگی بهتر و استحکام بیشتری در دماهای بالا دارد. آلیاژهایی با مقدار بیشتر کروم (23-25%) مثل نوع309 و 310 ترجیحا در دماهای بالا به کار می روند.
فولادهای زنگ نزن آستنیتی بعد از تابکاری در دماهای بالا به علت داشتن مقدار زیاد نیکل (پایدارکننده آستنیت) در دمای محیط نیز دارای ساختار آستنیت، FCC، می باشند. علاوه بر این، منگنز، کربن و نیتروژن نیز به پایداری ساختار آستنیت کمک می کنند. افزایش نیکل به آلیاژهای آهن – کروم منطقه آستنیت پایدار را وسیع تر می کند و دمای Ms را کاهش می دهد. در فولاد زنگ نزن18%Cr-8%Ni پس از سرد کردن از دمای تابکاری (مثلا 1050 درجه سانتی گراد) در دمای محیط ساختار آستنیتی به دست می آید. اما، در بعضی فولاهای زنگ نزن Fe-Cr-Ni (مثلا نوع 301) به علت کم بودن مقدار کروم و نیکل (نسبت به فولاد فوق الذکر)، آستنیت از نظر ترمودینامیکی در دمای اتاق ناپایدار است. اگر آلیاژی از این نوع در دمای اتاق یا کمی کمتر از آن تغییر شکل مومسان دهد، مقداری از آستنیت به مارتنزیت تغییر می یابد.
بیشتر فولادهای زنگ نزن متداول، مقدار چشمگیری کربن دارند. مثلاً در نوع 302 حدود 0.1%C و در نوع 304 حدود 0.6%C وجود دارد. از آنجا که حلالیت کربن در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، مثل آلیاژ 18%Cr-8%Ni ، با کاهش دما سریعا کاهش می یابد اگر این آلیاژها آهسته سرد شوند کاربیدهای کروم رسوب می کنند (شکل زیر). مثلا اگر آلیاژ 304 (19%Cr-9%Ni) از دمای1050 درجه سانتی گراد تا دمای محیط به آهستگی سرد شود، کاربیدهای کروم در گستره 850-400 درجه سانتی گراد در مرزدانه ها رسوب می کنند.
Figure 1
به هنگام سرد کردن آرام از گستره دمایی بحرانی یعنی 850-400 درجه سانتی گراد، تعداد ناکافی از اتم های کروم از زمینه دانه نفوذ می کند، تا جایگزین اتم هایی شود که به وسیله کاربیدهای کروم از مرزدانه ها خارج شده اند. در نتیجه، میزان کروم در مناطق نزدیک به مرزدانه ها کمتر از میزان بحرانی لازم، 12%، برای مقاومت به خوردگی است، و از این رو آلیاژ مستعد خوردگی بین دانه ای است. بنابراین، تابکاری این نوع فولادها باید در دمای زیاد انجام شود تا کاربیدهای کروم وارد محلول جامد شوند اما دما نباید به اندازه ای زیاد باشد که دانه ها خیلی رشد کنند. بیشتر فولادهای زنگ نزن در گستره 1050 تا 1120 درجه سانتی گراد تابکاری می شوند. بعد از تابکاری در دمای بالا، برای جلوگیری از رسوب کردن کاربیدهای کروم، فولادها باید سریعا سرد شوند.
ریزساختار فولاد زنگ نزن آستنیتی نوع 304 پس از تابکاری در دمای 1050 درجه سانتی گراد و سرد کردن در هوا در شکل الف آمده است. شکل ب تصویری از ورق نازک این آلیاژ را پس از 2 ساعت تابکاری در دمای 1060 درجه سانتی گراد و آبدهی در آب نشان می دهد. در این تصویر که با میکروسکوپ الکترونی عبوری گرفته شده است، در مرزدانه ها کاربید دیده نمی شود. اما، اگر این فولاد مجددا به مدت 2 ساعت در 600 درجه سانتی گراد گرم شود، که در گستره بحرانی رسوب دهی است، رسوب های کاربیدی که تقریبا پیوسته اند در مرزدانه ها دیده می شوند.
همیشه امکان سریع سرد کردن آلیاژی مثل فولاد زنگ نزن 304 پس از تابکاری در دماهای بالا وجود ندارد، و این کار می تواند مشکلاتی ناشی از خوردگی ایجاد کند. مثلا؛ جوشکاری فولادهای زنگ نزن در محل کار که به آهستگی سرد می شود بدین معنی است که عملیات حرارتی بعدی برای حل شدن مجدد کاربید کروم امکان پذیر نیست. برای جلوگیری از رسوب مرزدانه ای که بر اثر آهسته سرد کردن به وجود می آید، تغییراتی در ترکیب شیمیایی صورت گرفته است که در آن کربن با سایر عناصر ترکیب می شود.
در آلیاژ 321، تیتانیوم به میزان پنج برابر کربن به آلیاژ اضافه می شود. با گرما دادن این آلیاژ در 870 درجه سانتی گراد و به مدت زمان کافی، تیتانیم با کربن ترکیب می شود و کاربید تیتانیم (TiC) تشکیل می دهد. از آنجا که وقتی عملیات حرارتی با آهسته سرد کردن از گستره دماهای بحرانی همراه باشد از رسوب کردن کاربید کروم جلوگیری می شود به آن عملیات پایدارسازی گویند.
روش دیگری پایدار کردن فولاد زنگ نزن 8-18 اضافه کردن کلومبیوم (نیوبیوم) است که در آن به جای کاربیدهای کروم کاربیدهای کلومبیم (CbC) تشکیل می شود. در آلیاژ 347، به فولاد زنگ نزن 8-18 ده برابر مقدار کربن آن کلومبیم اضافه شده است. این آلیاژ برای ترکیب شدن کربن با کلومبیم باید در دمای 870 درجه سانتی گراد پایدار شود.روش دیگر برای جلوگیری از رسوب کاربید کروم در مرزدانه های فولادهای زنگ نزن آستنیتی این است که مقدار کربن به اندازه کافی کاهش یابد. در آلیاژهای 304L و 316L حداکثر 0.03%C مجاز است. برای کار در دماهای کمتر از 425 درجه سانتی گراد، این آلیاژها معمولا بر آلیاژهای دارای کاربیدهای تیتانیوم و کلومبیوم (نیوبیوم) ارجحیت دارند. کاربرد و هزینه است که مشخص می کند کدام آلیاژ برای جلوگیری از خوردگی بین دانه ای انتخاب شود.
فصل دوم:
معرفی جوشکاری A-TIG و مشتقات آن
جوشکاری TIG
جوشکاری TIG در میان صنعتکاران ایرانی به عنوان جوش آلومینیوم شناخته شده است. در این نوع جوشکاری، گاز آرگون محافظت شده است که با هلیم ترکیب می شود. هلیم موجب افزایش توان قوس می شود و به همین دلیل سرعت جوشکاری را افزایش می دهد. از سوی دیگر خروج گازها از محدوده جوش بهتر انجام می شود.
در جوشکاری TIG، برای ایجاد قوس جوشکاری از الکترود تنگستن استفاده می شود که این الکترود برخلاف دیگر فرایندهای جوشکاری حین عملیات جوشکاری مصرفی ندارند و گاز خنثی هوا را از ناحیه جوشکاری بیرون رانده و از اکسیده شدن الکترود جلوگیری می نماید. در جوشکاری TIG، الکترود تنها برای ایجاد قوس قابل استفاده است و در خود جوش کاربردی ندارد.
از دیگر ویژگی های جوشکاری TIG، می توان با استفاده از سیم جوش (Filler metal) بعنوان فلز پرکننده اشاره نمود که همچون شبیه جوشکاری با اشعه اکسی استیلن(MIG/MAG)، در جوش تغذیه می شود و یک قطب جریان، به قطعه کار وصل شده و قطب دیگر جریان به یک الکترود مصرف نشدنی که همان تنگستن است، متصل گردیده است. تنگستن یا ولفرام عبارت است از یک فلز سخت با دمای ذوب حدود 3800 درجه سانتیگراد که برای ذوب شدن به زمان زیادی نیاز دارد.
از آنجا که گاز خنثی با هیچ یک از عناصر میل ترکیبی ندارد و به محض جاری شدن، اکسیژن و هوای موجود در منطقه جوش را به کنار می زند، لذا قوس الکتریکی بین الکترود تنگستن و قطعه کار ارتباط برقرار می کند و فضای قوس و الکترود سرخ شده و حوضچه مذاب فلز پایه، بواسطه Inert Gas و یا گاز خنثی در مقابل عوامل اتمسفریک، بویژ ترکیب با اکسیژن حفظ می شود. گاز خنثی که در خنک کردن تنگستن و تورچ تاثیر زیادی دارد، از اطراف الکترود تنگستن و از داخل تورچ عبور می کند.
در بیشتر مواقع گاز خنثی از آرگون تشکیل شده اما گاهی نیز گازهای هلیوم و نیتروژن بسته به نوع کار مورد مصرف، استفاده می شود. در صورت نیاز به فلز پرکننده و یا Filer metal، بدون اینکه جریان برق از سیم عبور کند، می توان سیم یا Wire Soild فلزی را توسط دست و یا ماشین به حوضچه مذاب هدایت نمود. اگر Solid Wire در طول های کوتاه و مستقیم (برای مثال یک متری) بریده شوند، به آن Filer Rodگفته می شود که عموماً در جوشکاریهای Manual و یا دستی با سیستم TIG یا اکسی استیلن استفاده می شود و یا بعنوان مغزی کاربرد دارد. این روش جوشکاری می تواند بصورت دستی، ماشینی و یا اتوماتیک انجام شود.
موارد استفاده از جوشکاری TIG
1. ورقهای نازک زیر 1 میلیمتر
2. جوشکاری پاس ریشه در لوله ها و مخازن
3. فلزات رنگین از قبیل آلومینیوم…نیکل…مس و برنج (مس و روی)
روش انجام جوشکاری TIG
در جوشکاری TIG، گرمای مورد نیاز برای تولید مذاب در منطقه جوش، بوسیله الکترود مصرف نشدنی از جنس تنگستن تامین می گردد و یک گاز خنثی که (آرگـون یا هلیـوم)، جهت حفاظت منطقه مذاب در محل دمیده می شود. همچنین به منظور اتصال قطعات به یکدیگر، باید فلز پر کننده مورد نیاز در منطقه جوش همزمان با ایجاد قوس الکتریکی به این منطقه وارد شود.
مزایای جوشکاری TIG
1. قابلیت جوشکاری فلزات رنگین و ورقهای نازک
2. امکان استفاده در قطعات با ضخامت های مختلف
3. کیفیت جوشکاری مناسب برای اکثر فلزات و آلیاژها
4. حداقل نیاز به تمیزکاری پس از انجام عملیات جوشکاری
5. امکان استفاده در تمام موقعیت هایی که جوشکاری در آنها لازم است
6. عدم پاشش مذاب در منطقه جوش و جلوگیری از پهن شدگی منطقه جوش
7. بدلیل عدم وجود سرباره و دود و جرقه، منطقه قوس و حوضچه مذاب بوضوح قابل مشاهده است
8. به علت اینکه تزریق فلز پرکننده از خارج قوس انجام می شود، اغتشاش در جریان قوس پدید نمی آید. در نتیجه کیفیت فلز جوش بالاتر است.
نوع قطبیت مناسب در جوشکاری جوش آرگون TIG
1.تجهیزات مورد نیاز در جوشکاری TIG
2.جریان AC برای جوشکاری آلومینیوم، منیزیوم و ترکیبات آن
3.جریان DCEN برای جوشکاری چدن، مس، برنج، تیتانیوم و انواع فولادها
منبع قدرت (Power Source)
در فرایند جوشکاری TIG می توان از هر دو نوع مولد جریان برق به شکل مستقیم (DC) و یا متناوب (AC) استفاده کرد. منابع قدرت در این روش جوشکاری، عمدتا ترانسفورماتور ـ رکتیفایر و یا ژنراتور و سیلندر گاز محافظ، کپسول فلزی حاوی گاز محافظ می باشد. فشار گاز داخل کپسول در هنگام پر بودن حدود ۱۵۰ تا ۲۰۰ bar است.
رگولاتور و فلومتر
به منظور کاهش فشار خروجی گاز کپسول و تنظیم شدت خروجی گاز محافظ به تورچ، از رگولاتور و فلومتر استفاده می شود که می تواند فشار خروجی گاز را بین ۳ تا ۷ bar انجام دهد.
شیلنگ و بستهای گاز
به منظور هدایت گاز محافظ از سیلندر به تورچ، شیلنگ و بستهای گاز مورد استفاده قرار می گیرند.
تورچ جوشکاری
تورچ جوشکاری وظیفه هدایت جریان برق که از رکتیفایر بوسیله کابل می آید به الکترود تنگستن و گاز محافظ به محدوده قوس و حوضچه مذاب را بر عهده دارد. این ابزار بواسطه آب، گاز محافظ و یا هوا، خنک می شود و در شدت جریانهای کم (زیر ۲۰۰ آمپر) و کوتاه مدت استفاده می شود. برخی تورچ ها نیز در بلند مدت استفاده می شوند که سیستم خنک کننده آنها در آب در حال گرد است زیرا به علت گرمای بسیار زیاد که در جوشکاری با آمپراژ بالا پدید می آید، گاز محافظ به تنهایی قادر به خنک کردن تورچ نیست و باید در کنار آن آب نیز استفاده شود.
کابل های اتصال
الکترود تنگستن
الکترودهای تنگستن که در جوشکاری TIG استفاده می شود که در گروه الکترودهای ذوب نشدنی قرار می گیرند و براساس استاندارد AWS A۵٫۱۲، ترکیب شیمیایی آنها به شکل زیر می باشد:
EWP: الکترود تنگستن خالص
EWCE ـ۲: الکترود تنگستن ـ سریم (حاوی ۲ % اکسید سریم یا سریا)
EWTH : الکترود تنگستن ـ توریم (حاوی ۱ تا ۲ % اکسید توریم یا توریا )
EWLA ـ۱: الکترود تنگستن ـ لانتانیوم (حاوی ۱ % اکسید لانتیوم یا لانتیا)
EWZR : الکترود تنگستن ـ زیر کونیم (حاوی ۰٫۱۵ تا ۰٫۴ % اکسید زیرکونیوم یا زیرکونیا)
الکترودهای تنگستن معمولا با طول ۷۶ تا ۶۱۰ میلیمتری، در قطرهای ۰٫۲۵ تا ۶٫۳۵ میلیمتر ساخته می شوند که نوع خالص آنها، نسبت به سایر الکترودها ارزان قیمت تر است و ظرفیت حمل الکتریسیته کمتری را دارد. همچنین عمر آنها کوتاهتر بوده و فقط قابل استفاده با جریان AC هستند. این الکترودها در مواردی که حساسیت کار کمتر است، قابل استفاده می باشد. در صورتی که اگر الکترود تنگستن خالص در شدت جریانها بکار برده شود، ممکن است بصورت تدریجی به تحلیل رود.
الکترودهای تنگستن توریم دار، ظرفیت حمل الکتریسیته بالاتری دارند که شروع قوس با این الکترودها راحتتر بوده و ثبات قوس بیشتری را ایجاد می کنند چرا که خروج الکترونها بسهولت انجام می شود. الکترودها غالبا در جریان DC کاربرد دارند. الکترودهای زیر کونیوم دار به عنوان بهترین نوع الکترود برای جوشکاری آلومینیوم و منیزیم مورد استفاده قرار می گیرند که مزایای هر دو الکترود قبلی را دارا می باشند. زمانی که در جریان AC، از الکترودها استفاده می شود، پایداری قوس الکترودهای EWP در جریان AC، به همراه ظرفیت حمل جریان و شروع قوس خوب در الکترودهای EWTH، ایجاد می شود.
طبقه بندی الکترودهای تنگستن با رنگهای یک سر
سبز: تنگستن خالص = AWS Classification: EWP
خاکستری: غیر از عناصر بالا = AWS Classification: EWG
نارنجی: تنگستن با ۲ درصد سریم = AWS Classification: EWCEـ۲
سیاه: تنگستن با ۱ درصد لانتانیوم = AWS Classification: EWLAـ۱
زرد: تنگستن با ۱ درصد توریم = AWS Classification: EWTHـ۱
قرمز: تنگستن با ۲ درصد توریم = AWS Classification: EWTHـ۲
قهوه ای: تنگستن با ۱ درصد زیر کونیوم = AWS Classification: EWZRـ۱
در جوشکاری TIG انتخاب صحیح قطر الکترود، به شدت جریان و نوع جریان (AC or DC) بستگی دارد.
* مزایای الکتروهای تنگستن
1. افزایش طولعمر الکترود
2. شروع قوس راحت تر
3. افزایش ثبات و پایداری قوس
4. سهولت در خروج الکترونها در جریان DC
سیم جوش (Filer Metal)
انتخاب سیم جوش در جوشکاری TIG یکی از عمده ترین مسائل می باشد. سیم جوشهای مختلف در فرایندTIG مطابق با استاندارد AWS طبقه بندی می شوند. طول سیم جوشها معمولا ۶۱ یا ۹۱ سانتیمتر است و برای دستگاههای نیمه اتوماتیک و اتوماتیک به صورت کلافی موجود می باشد. در زیر برای هر گروه درAWS به طور کافی درباره طریقه کاربرد، ترکیب شیمیایی، نوع جریان و مقدار آن، قطر سیم جوش و … ارائه گردیده است.
سیم جوش
مشخصات
سیم جوش و الکترود مس و آلیاژهای مس
AWS Specification Number: A۵٫۷
برای فولادهای کرمی و کرم نیکلی مقاوم به خوردگی
AWS Spesification Number: A۵٫۹
سیم جوشهای مخصوص آلومینیوم و آلیاژ آلومینیوم
AWS Specification Number: A۵٫۱۰
سیم جوشهایی که برای عملیات سطحی به کار می روند
AWS Specification Number: A۵٫۱۳
سیم جوشهای مخصوص نیکل و آلیاژهای نیکل
AWS Specification Number: A۵٫۱۴
سیم جوشهای مخصوص تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم
AWS Specification Number: A۵٫۱۶
سیم جوش برای فولادهای کربنی
AWS Specification Number: A۵٫۱۸
سیم جوشهای مخصوص آلیاژهای منیزیم
AWS Specification Number: A۵٫۱۹
سیم جوشهای مخصوص آلیاژهای زیرکونیم
AWS Specification Number: A۵٫۲۴
انواع الکترودها در جوشکاری TIG
1. الکترود تنگستن سزیم دار: به رنگ طلایی است.
2. الکترود تنگستن لانتان دار: که مشکی رنگ است.
3. الکترود تنگستن زیرکونیم دار: که علامت اصلی آن رنگ سفید می باشد.
4. الکترود تنگستن توریم دار: دارای دو نوع 1% توریوم دار قرمز رنگ و 2% توریم دار زرد رنگ می باشد.
5. الکترود تنگستن خالص (سبز رنگ): که به منظور جوش آلومینیوم کاربرد دارد و حین جوشکاری پت پت می کند.
عیوب جوشکاری TIG
1. ناخالصی تنگستن (Tungestan Inclusion)
اگر در زمان جوشگاری TIG از تکنیک های نامناسب استفاده شود، احتمال حبس ذرات تنگستن در فلز جوش وجود دارد که علت آن:
محافظت نامناسب گاز
نامرغوب بودن الکترود تنگستن
تماس سیم جوش با الکترود تنگستن داغ
تماس نوک الکترود تنگستن با حوضچه مذاب
استفاده از گاز محافظ نامناسب مانند آرگون + CO2
عبور شدت جریان بیش از اندازه از الکترود تنگستن
آلوده شدن نوک الکترود از طریق جرقه های ساتع شده از حوضچه مذاب
اکسید شدن نوک الکترود به دلیل ناکافی بودن دبی گاز محافظ یا وزش باد در محیط جوشکاری
داغ شدن بیش از حد الکترود به دلیل زیاد بودن طول موثر الکترود (فاصله نوک الکترود تا کولت)
عیوبی ناشی از محافظت ناقص گاز از قبیل: ناخالصی تنگستن ـ خلل وفرج(Porocity) ـ فیلم های اکسیدی در نتیجه ذوب ناقص و حبس ناخالصی های اکسیدی. کلیه عیوب فوق موجب کاهش خواص مکانیکی از جمله کاهش استحکام کششی و مقاومت به ضربه می شوند.
1. بوجود آمدن Porocity در جوش
1.کم بودن دبی گاز محافظ
2.وزش باد در محیط جوشکاری و اختلال در محافظت گاز
3.زیاد بودن طول قوس یا زیاد بودن فاصله شعله پوش تا حوضچه مذاب
4.کوچک بودن دهانه شعله پوش (کمتر از 1.5 برابر پهنای سطح جوش)
5.زیاد بودن بیش از اندازه گاز محافظ در نتیجه جریان گاز از حالت آرام یا لمینار به متلاطم یا توربولانس
ناخالصی های اکسیدی (Oxide Inclusion)
ناخالصی های اکسیدی در بطن جوش، محل تمرکز تنش است که استحکام و مقاومت جوش را نسبت به ضربه کاهش می دهد. در فرایند جوشکاری TIG، قبل از شروع باید لایه های اکسیدی را از روی محل اتصال و سیم جوش برطرف نمود. این امر در آلومینیوم و آلیاژهای آن به علت نقطه ذوب بالای اکسید آلومینیوم (2050c ) اهمیت ویژه ای دارد. علل ناخالصی های اکسیدی را می توان در موارد زیر بررسی نمود:
1.تمیز نبودن درز جوش، وجود لایه های اکسید روی سیم جوش و عدم تمیز کاری بین پاسی
2.خارج کردن نوک داغ سیم جوش از محدوده حفاظتی گاز محافظ در زمان جوشکاری
3.اکسیداسیون از طرف ریشه جوش (محافظت از ریشه جوش هنگام جوشکاری فلزات حساس از قبیل فولادهای زنگ نزن ضرورت دارد) یعنی از طرف پشت قطعه کار هم باید بوسیله گاز محافظ، حفاظت شود.
عیوب ذوب (Lake Of Fusion) :
علل عیوب ذوب عبارتند از:
* عدم ذوب در ریشه اتصال به دلیل کوچک بودن زاویه قطعه کار
* نامناسب بودن توالی پاس های جوشکاری و ایجاد عدم ذوب بین پاسی
* زیاد بودن پاشنه جوش (Root Face) و ایجاد عدم ذوب در ریشه اتصال
* عدم ذوب در ریشه اتصال به دلیل کوچک بودن فاصله بین دو لبه در ریشه جوش
عدم ذوب کافی در دیواره های اتصال به علت
جوشکاری قوسی با الکترود تنگستنی تحت حفاظت گاز خنثی فرآیندی است که در آن ذوب و اتصال فلزات به هم از طریق (TIG) حرارت دادن آن ها به وسیله قوس ایجاد شده میان یک الکترود تنگستنی غیرمصرفی و فلز پایه، ایجاد می شود.
از مزایای این فرآیند می توان به کیفیت بالای متالورژیکی جوش و همچنین خواص مکانیکی مناسب اتصال اشاره نمود. در مقابل سرعت جوشکاری پایین، عمق نفوذ کم و همچنین نیاز به مهارت بالا برای انجام عملیات جوشکاری، جزء محدودیت های این فرآیند به شمار می آید.
یکی از روشهای مرسوم جهت بر طرف کردن مشکل سرعت پایین جوشکاری در این روش و رسیدن به عمق نفوذی بالاتر، افزایش شدت جریان جوشکاری است. با انجام این روش ممکن است الکترود تنگستنی ذوب شده و در نتیجه باعث ایجاد عیب آلودگی تنگستنی در فلز جوش گردد. علاوه بر این جریان های بالای جوشکاری باعث عریض تر شدن جوش خواهد شد.
اخیراً پیشرفتهای زیادی در زمینه توسعه روشهای دستیابی به نفوذ بیشتر در فرآیندهای جوشکاری ذوبی انجام گرفته است. یکی از قابل توجه ترین این روشها، استفاده از فلاکس های فعال کننده سطحی در فرآیند جوشکاری TIG می باشد؛ که به روش اکتیوتیگ (A-TIG) معروف است. روش اکتیو تیگ ابتدا توسط انستیتو جوشکاری پاتون در دهه 1960 میلادی ابداع شد. در این روش با استفاده از یک سری فلاکس های فعال کننده سطحی، شرایطی در ستون قوس و منطقه جوش حاصل می شود، که می توان قطعات ضخیم تری را با سرعت بالاتر جوشکاری نمود. آلومینیم با توجه به خواص ویژه از جمله نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت به خوردگی مناسب و وزن مخصوص پایین در صنایع مختلف نظیر هوافضا، دریایی و مخازن تحت فشار کاربرد فراوانی پیدا کرده است و در سالهای آتی، توجه به چالش های اقتصادی استفاده از روشهای رایج جوشکاری در این صنایع احساس میشود. در پژوهش حاضر ازپودر اکسیدیSiO2 به منظور بررسی اثر فلاکس های فعال کننده سطحی بر روی مورفولوژی، خواص مکانیکی آلومینیم استفاده شد.
نتیجه بررسی عمق نفوذ جوش حاصله بدون و با استفاده از فلاکس فعال کننده سطحی در شکل نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود با اعمال لایه فلاکس، تغییرات عمده ای در عمق نفوذ و پهنای جوش بوجود می آید. شکل مقایسه عمق نفوذ و پهنای جوش و نسبت عمق نفوذ به پهنای جوش را برای نمونه های بدون فلاکس و نمونه حاوی فلاکس نشان میدهد.
بدون وجود فلاکس
عمق نفوذ جوشهای بدون فلاکس و حاوی فلاکس فعال کننده
سطحی
علت افزایش عمق نفوذ جوش را میتوان ناشی از تمرکز ستون قوس و باریکتر شدن آن در اثر استفاده از فلاکسهای سطحی دانست. فلاکس بخار شده، قوس را با محدود کردن الکترون ها در ناحیه خارجی و سردتر قوس منقبض مینماید. برای همان میزان جریان جوشکاری هر چقدر منطقه بالای سطح حوضچه که میدان جریان از نمونه در آن همگرا میگردد کوچکتر است آنگاه قوس بیشتر منقبض خواهد شد و بنابراین نیروی لورنتز بیشتر و بزرگتر و در نتیجه جوش عمیق تر میگردد.
شکل عکسهایی از ستون قوس را در حالت بدون فلاکس و نشان میدهد. همانطور که در شکلها مشاهده SiO2 فلاکس اکسیدی میشود، در هنگام استفاده از فلاکس اکسیدی ستون قوس متمرکزتر شده وقوس منقبض شده است. همچنین علت کاهش پهنای جوش و همچنین تغییر در گرده جوش را میتوان ناشی از اثر فلاکسهای فعال کننده سطحی بر مکانیزم حرکت مذاب بر طبق تئوری جابجایی مارانگونی دانست. و عایق الکتریکی بودن فلاکس فعال کننده سطحی عمق نفوذ جوش را افزایش می دهد. این موضوع منجر به نفوذ قوس از سطح قطعه کار (بهمراه فلاکس اعمال شده بر روی آن) در یک منطقه باریکتر خواهد شد. با رخ دادن این مکانیزم تمرکز قوس افزایش می یابد و منجر به افزایش چگالی جریان در لکه قوس شده و در نهایت عمق نفوذ افزایش می یابد.
ستون قوس: الف) بدون فلاکس و ب) فلاکس اکسیدی
اثر فلاکس اکسیدی بر خواص کششی جوش
شکلها نتایج آزمون های کشش انجام شده بر روی نمونه جوشکاری شده فلاکس و نمونه بدون فلاکس را نشان می دهد . همانطور که مشاهده می گردد جوش حاوی فلاکس فعال کننده سطحی از استحکام کششی،استحکام تسلیم، درصد ازدیاد طول نسبی و سختی بالاتری نسبت به نمونه بدون فلاکس برخوردار است .، محل شکست در هردو حالت بدون فلاکس و حاوی فلاکس از ناحیه متاثر از حرارت رخ داده است . علت بهبود در خواص مکانیکی نمونه های فلاکس دار را باید در ریز شدن دانه ها دانست.
شکل ریز ساختار فلز جوش را برای نمونه بدون فلاکس و فلاکس ییلیس نشان میدهد. همانطور که مشاهده میگردد ریز ساختار جوش حاوی فلاکس ریز دانه تر از ریز ساختار جوش بدون فلاکس است.
مقایسه استحکام کششی و استحکام تسلیم در نمونه بدون فلاکس وفلاکس سیلیس
با به کار گیری فلاکس فعال کننده سطحی در فرایند TIG کاهش پهنا و افزایش عمق نفوذ جوش مستقیما اتفاق می افتد. استفاده از سیستم فلاکس فعال کننده سطحی با عث ارتقای خواص کششی ساختار جوش می شود.ریز دانه شدن ناحیه جوش در حین جوش کاری از مهم ترن دلایل در بهبود خواص ناحیه ی جوش می باشد. که این برجستگی در مقایسه با حالت بدون فلاکس می باشد.
فصل سوم:
برتری ها و مشخصه های برجسته فرایندTIG در مقایسه با ATIG
جوشکار قوسی
جوشکاری قوسی با الکترود تنگستنی تحت حفاظت گاز خنثیTIG فرآیندی است که در آن ذوب و اتصال فلزات به هم ازطریق حرارت دادن آن ها به وسیله قوس ایجاد شده میان یک الکترود تنگستنی غیرمصرفی و فلز پایه، ایجاد میشود.ازمزایای این فرآیند می توان به کیفیت بالای متالورژیکی جوش و همچنین خواص مکانیکی مناسب اتصال اشاره نمود. درمقابل سرعت جوشکاری پایین، عمق نفوذ کم و همچنین نیاز به مهارت بالا برای انجام عملیات جوشکاری، جزء محدودیت هایاین فرآیند به شمار می آید. یکی از روشهای مرسوم جهت بر طرف کردن مشکل سرعت پایین جوشکاری در این روش ورسیدن به عمق نفوذی بالاتر، افزایش شدت جریان جوشکاری است. با انجام این روش ممکن است الکترود تنگستنی ذوب شدهو در نتیجه باعث ایجاد عیب آلودگی تنگستنی در فلز جوش گردد. علاوه بر این جریا نهای بالای جوشکاری باعث عریض ترشدن جوش خواهد شد.
اخیراً پیشرفتهای زیادی در زمینه توسعه روشهای دستیابی به نفوذ بیشتر در فرآیندهای جوشکاری ذوبی انجام گرفته است. یکی از قابل توجه ترین این روشها، استفاده از فلاکسهای فعال کننده سطحی در فرآیند جوشکاری TIG می باشد؛ که به روش اکتیو تیگ(A-TIG) معروف است. روش اکتیو تیگ ابتدا توسط انستیتو جوشکاری پاتون در دهه 1960 میلادی ابداع شد. در این روش با استفاده از یک سری فلاکس های فعال کننده سطحی، شرایطی در ستون قوس و منطقه جوش حاصل می شود، که می توان قطعات ضخی متری را با سرعت بالاتر جوشکاری نمود. فلاکسهای فعال کننده سطحی، عمدتاً مخلوطی از مواد غیر آلی سوسپانسیون شده در یک حلال فرار میباشند. با استفاده از روش اکتیو تیگ هزینه های جوشکاری می تواند تا حد 50 % کاهش یابد که دلایل آن می تواند کاهش تجهیزات مورد نیاز برای پخ زنی و آماده سازی نمونه جوش، کاهش در تعداد پاس های جوش، کوتاه شدن زمان جوشکاری، صرفه جویی در میزان مصرف فلز پرکننده در مواقعی که نیاز به
پرکننده است، حذف شیار زنی و سنگ زنی و کاهش اعوجاج باشد. به همین دلیل امروزه از این روش در اتصال دهی لوله هایمورد استفاده در صنایع هسته ای، ساخت مخازن تحت فشار، اتصالات مورد نیاز در مبدل های حرارتی، سیلندرهای هیدرولیک وارابه های فرود در صنایع هوا فضا استفاده می شود . با توجه به متوسط نرخ رشد سالانه 5 تا 10 درصدی فولادهای زنگ نزن که ناشی از گسترش صنعت نفت و گاز در دنیا است و با توجه به سرمایه گذاری گسترده در صنعت نفت و گاز و نیاز به استفاده از فولادهای زنگ نزن در بخشهای مختلف اکتشاف و انتقال و فرآیند در کشورهای برخوردار از منابع انرژی نظیر ایران درسالهای آتی، توجه به چالش های اقتصادی استفاده از روشهای رایج جوشکاری در این صنایع احساس میشود.
آزمون های مربوطه در دو مرحله انجام شد؛ در مرحله اول اثر ضخامت فلاکس بر کیفیت ظاهری و میزان عمق نفوذ جوش حاصل، و در مرحله دوم اثر فلاکس بر خواص مکانیکی و میزان مقاومت به خوردگی مورد بررسی قرار گرفته شد. در مرحله اول، ابتدا خمیر حاصل از فلاکس فعال کننده سطحی، قبل از انجام جوشکاری بر روی سطح محل اتصال کشیده شد. شکل شماتیکی از نحوه اعمال فلاکس فعال کننده سطحی را نشان می دهد. ضخامت های بررسی شده در این مرحله 25/0 5/0 75/0 1 میلی متر است. بعد از انجام عملیات جوشکاری، به منظور ارزیابی میزان عمق نفوذ جوش از حاصل، نمونه ها توسط میکروسکوپ نوری مورد بررسی قرار گرفتند. آماده سازی نمونه های متالوگرافی توسط عملیات سنگ زنی، سنباده زنی و پولیش کاری با محلول خمیر الماسه 3/0 میکرون انجام شد. اچ کردن نمونه ها در محلول صورت گرفت.
شماتیکی از نحوه اعمال فلاکس فعال کننده سطحی قبل از انجام جوشکاری
مرحله دوم آزمایش بر اساس نتایج بدست آمده از مرحله اول آزمایش، که به منظور تعیین ضخامت لایه مناسب فلاکس برای رسیدن به جوشی با عمق نفوذی بالا طراحی شده بود، انجام گردید. کلیه آزمایش های مرحله دوم بر اساس همین ضخامت لایه فلاکس صورت گرفت. نحوه اعمال فلاکس و شرایط جوشکاری، مشابه حالت قبل است. بعد از انجام عملیات جوشکاری، برای بررسی خواص ناحیه جوش از آزمایشریزسختی سنجی ویکرز با دستگاه و برای آزمون کشش از دستگاه و به صورت اندازه کوچک 1 تهیه گردیدند. جهت دقت نتایج آزمون های کشش از هر نمونه جوشکاری 2 نمونه کشش تهیه گردید که متوسط نتایج آن ها به عنوان معیار خواص کششی درنظر گرفته شد. سختی ویکرز فلز جوش تحت بارگذاری 150gr.f به مدت 15 ثانیه اندازه گیری شد. علاوه بر این، به منظوربررسی رفتار خوردگی فلز جوش، آزمون پلاریزاسیون تافل با دستگاه پتانسیو استات انجام شد که در آن الکترود مرجع از نوع کلرید پتاسیم و الکترود خنثی به شکل از جنس پلاتین بود.
نتیجه بررسی عمق نفوذ جوش حاصله بدون و با استفاده از فلاکس فعال کننده سطحی در شکل 3 نشان داده شده است.
همانطور که مشاهده می شود با اعمال ضخامت های متفاوت از لایه فلاکس، تغییرات عمده ای در عمق نفوذ و پهنای جوش 5/0میلی متر در نظر گرفته شده است که علت انتخاب آن رسیدن به بیشترین / بوجود می آید. بهینه ترین ضخامت فلاکس نسبت عمق نفوذ به پهنای جوش می باشد. علاوه بر این مناسب ترین شکل ظاهری جوش، در استفاده از ضخامت فلاکس 5/0میلی متر حاصل می شود. افزایش عمق نفوذ ناشی از مکانیزم هایی است که بر اثر افزودن فلاکس فعال کننده سطحی، درحوضچه جوش صورت می گیرد. در مورد توضیح و تحلیل مکانیزم های حاکم اتفاق افتاده در حوضچه جوش با استفاده ازفلاکس های فعال کننده سطحی، اتفاق نظر یکسانی در بین محققین وجود ندارد. در طی 25 سال گذشته تا به حال چهارمکانیزم پیشنهاد گردیده است، که عبارت اند از :
تئوری simonik
مولکول های اکسیدی و فلوریدی در فلاکس به حلقه الکترون های آزاد اطراف قوس می پیوندند و یون هایی را تشکیل می دهند که موبیلیته کمتری دارند. در نتیجه این مکانیزم، چگالی جریان در مرکز قوس توسط الکترونهای آزاد با سرعت بالاتر افزایش می یابد و در نهایت منجر به افزایش عمق نفوذ می گردد .
تئوریRoper و Heilp
مکانیزم ماراگونی معکوس منجر به افزایش عمق نفوذ می گردد. هنگامی که یک ماده فعال کننده سطحی به مقدار کم ومشخص در فلز مذاب وجود دارد، م یتواند∂γ/∂T مذاب را از منفی به مثبت تغییر داده و در نتیجه، همرفتی ماراگونی را معکوس کند که در نتیجه این عمل حوضچه جوش عمیق تر می شود.
تئوری lucas house
انقباض قوس باعث کاهش لکه آندی شده و افزایش چگالی جریان را بهمراه دارد. با این مکانیزم میزان توانایی فشار قوس افزایش یافته و در نهایت قوس ایجاد شده نیروی بیشتری را بر روی حوضچه جوش وارد می کند. در نتیجه این عمل، سیال تغییر جهت داده و عمق نفوذ افزایش می یابد.
تئوری Ushio و Tanaka ،Lowke
عایق الکتریکی بودن فلاکس فعال کننده سطحی عمق نفوذ جوش را افزایش می دهد. این موضوع منجر به نفوذ قوس از سطحقطعه کار (بهمراه فلاکس اعمال شده بر روی آن) در یک منطقه باریکتر خواهد شد. با رخ دادن این مکانیزم تمرکز قوس افزایش می یابد و منجر به افزایش چگالی جریان در لکه قوس می شود و در نهایت عمق نفوذ افزایش می یابد.
اثر ضخامت فلاکس فعال کننده سطحی بر مورفولوژی جوش
شکل زیر نتایج آزمون های مکانیکی انجام شده بر روی نمونه جوشکاری شده با ضخامت5/0 میلی متر و نمونه بدون فلاکس را نشان می دهد. همانطور که مشاهده می گردد جوش حاوی فلاکس فعال کننده سطحی از استحکام کششی، استحکام تسلیم، درصد ازدیاد طول نسبی و سختی بالاتری نسبت به نمونه بدون فلاکس برخوردار است. علت بهبود در خواص مکانیکی نمونه های فلاکس دار را باید در ریز شدن دانه ها و افزایش میزان درصد فاز مارتنزیت دانست.
اثر فلاکس اکسیدی بر روی خواص مکانیکی فلز جوش
منحنی های پلاریزاسیون از فلز جوش نمونه بدون و با استفاده از فلاکس فعال کننده سطحی در شکل 5 آمده است.
با بررسی منحنی پلاریزاسیون مشاهده می شود که ناحیه فلز جوش در هر دو نمونه جوشکاری شده دارای چگالی جریان نسبتاً یکسانی هستند. این رفتار را می توان به حل شدن فازهای ثانویه در فلز جوش نسبت داد . از طرفی به علت سرعت نفوذ عناصر آلیاژی در حین جوشکاری متوقف خواهد شد و عناصر در فلز جوش ،TIG سرمایش بسیار بالا در جوشکاری بصورت یکنواخت پراکنده می شوند. در نتیجه فاز فریت و آستنیت دارای ترکیبی تقریباً یکسان خواهند بود .بنابراین فریت دلتای موجود در ریزساختار که مقدار آن بر اثر استفاده از فلاکس فعال کننده سطحی اندکی افزایش یافته است تاثیر مخربی در میزان مقاومت به خوردگی فلز جوش ندارد.
منحنی پلاریزاسیون تافل فلز جوش فولاد زنگ نزن
با استفاده از فلاکس های فعال کننده سطحی، عمق نفوذ جوش افزایش و پهنای جوش کاهش می یابد.
با اعمال لایهای به ضخامت 5/0 میلیمتر از فلاکس فعال کننده سطحی، بیشترین مقدار نسبت عمق نفوذ به پهنای جوش دست می آید.
با استفاده از فلاکس های فعال کننده سطحی، خواص مکانیکی فلز جوش بهبود می یابد.
با استفاده از فلاکسهای فعال کننده سطحی، میزان خوردگی فلز جوش تغییرات چندانی را از خود نشان نمی دهد.
فصل چهارم:
مطالعات مروری در پژوهش های صورت گرفته
در مطالعه مروری، به دو مسئله در جوشکاری الکترود تنگستن با گاز محافظ شa-TIG (پرداخته شده است. در مرحله اول، با استفاده از مدلسازی رگرسیونی، اثرات پارامترهای تنظیمی بر روی هندسه گرده جوش در جوشکاری TIG تعیین و تحلیل گردیده است. در این خصوص، اثرات ٥ پارامتر تنظیمی، شامل سرعت جوشکاری، نرخ تغذیه سیم جوش، درصد پالس تمیزکاری، فاصله بین الکترود‐ قطعه کار و شدت جریان الکتریکی، بر روی چهار مشخصه هندسه جوش (ارتفاع جلو، ارتفاع عقب، عرض جلو و عرض ) عقب ، مدلسازی و بررسی شده است. بمنظور مدلسازی فرآیند، توابع مختلف رگرسیونی بر داده های موجود برازش داده شده است. سپس با استفاده از رویکرد آنالیز واریانس، بهترین مدلها انتخاب شده و تاثی یر گذار هر پارامتر در آنها مشخص گردیده است. دومین مسئله بررسی شده، بهینهسازی پارامترهای تنظیمی فرآیند است. در این راستا، از الگوریتم تبرید تدریجی (SA (بمنظور تعیین سطوح بهینه پارامترهای جوشکاری، برای هر هندسه مطلوب جوش داده شده، استفاده شده است. نتایج محاسباتی نشان دهنده عملکرد بسیار خوب مدلها و الگوریتم پیشنهادی در بهینه سازی پارامترهای فرآیند جوشکاری TIG . است.
جوشکاری یکی از روشهای اتصال دائمی قطعات در صنعت میباشد که به دلیل قابلیت بالا در تولید انبوه، به طور گسترده مورد یکی از روشهای بسیار مهم جوشکاری است که به طور ٥ استفاده قرار میگیرد. جوشکاری الکترود تنگستن با گاز محافظ عمده برای جوشکاری فلزات سبک مانند آلومینیوم و تیتانیوم بکار میرود از دیگر کاربردهای این تکنیک، جوشکاری ورق های نازک و جوشکاری پاس ریشه در مخازن و لوله ها . است در جوش آرگون ی یا ت یگ برا ایجاد قـوس جوشـکاری از الکتـرود غیـر مـصرفی تنگـستن اسـتفاده مـیشـود. حــین جوشـکار گـاز خنثـی هـوا را از ناحیـ بیه جوشـکار یـرون رانـده و از اکسیده شدن الکترود جلوگیری می کند . گاز محافظ معمولا آرگون یا ترکیبی از این گاز با هلـیم اسـت. در جوشـکاری تیـگ بعنوان فلز پرکننده استفاده میگردد. ١ الکترود فقط برا ای یجاد قوس بکار برده میشود و در صورت نیاز از سیم جوش به عنوان فلز پرکننده استفاده می شود.
مانند سایر روشهای جوشکاری، کیفیت جوش TIG بشدت تحت تاثیر پارامترهـای تظیمـی آنـست. پارامترهـای مختلفـی در جوشکاری الکترود تنگستن به عنوان متغیرهای ورودی از سوی اپراتور میبایست تنظیم شوند . پارامترهایی مهـم در ایـن روش شامل شدت جریان الکتریکی، فاصله بین قطعه و الکترود، سرعت جوشکاری، نرخ تغذیه سیم جوش و درصد پالس تمیز کـاری هستند این پارامترها برروی هندسه گرده جوش، و در نتیجه کیفیت اتصال ایجاد شده، تاثیر گذارند . شناختِ نحوه تاثیر هر یک از این پارامترها و انتخاب مناسب مقادیر آنها، نقش مهمی در افزایش راندمان فرآیند و بهبود کیفیت هندسـه جـوش دارد. بنابراین، هدف از این تحقیق یـافتن رابطـه منطقـی ریاضـی بـین ورودیهـا و خروجـیهـای جوشـکاری TIG اسـت. از میـان ٢ پارامترهای ورودی ذکر شده سرعت جوشکاری نرخ تغذیه سیم، درصد پالس تمیزکاری ، فاصله بین قطعـه و ابزارو شدت جریان الکتریکی انتخاب شده اند . به علت کاربردهای خاص و حساسِ این روش جوشکاری، شـکل هندسـه جوش نقش بسیار مهمی در خواص مکانیکی اتصال . خواهد داشت به همین دلیل هندسـه گـرده جـوش، بـه عنـوان مشخـصه خروجی فرآیند، در نظر گرفته شده است . بطوری که در شکل دیده میشود نـوع جـوش، از نـوع جـوش لـب بـه لـب اسـت وپارامترها مهم هندسه جوش شامل ارتفاع جلو، ،ارتفاع عقب، عرض جلو، و عرض عقب، هستند
بمنظور تعیین ارتباط بین متغییرهای ورودی و مشخصات هندسه گرده جوش، انواع توابع رگرسیونی بر دادههای موجود برازش داده شده است. سپس با انجام تحلیلهای آماری لازم، بهترین مدل پیشنهاد میشود. نتایج این تحقیق، نیاز به انجام آزمایشات مجدد را برای بررسی تاثیر پارامترهای تنظیمی بر هندسه گرده جوش، مرتفع میسازد. در نهایت توابع پیشنهاد ،ی بعنوان مدل اصلی در فرآیند بهی ینه ساز استفاده خواهد شد.
تا به امروز تحقیقات و آزمایشات بسیاری در زمینه شناسایی اثر پارامتر های مختلف جوشکاری با الکترود تنگستن صورت گرفته است. در اکثر قریب به اتفاق این پژوهش ها ابتدا سعی در شناسایی و استخراج یک رابطه منطقی ریاضی بین ورودیهای سیستم با خروجی های آن شده است. برای این منظور اغلب از روشهای رگرسیونی یا شبکه های عصبی استفاده گردیده است . به همین دلیل در تحقیق حاضر از نتایج تجربی دوتا و همکاران ،که با طراحی آزمایش برروی پارامتر های جوشکاری TIG انجام داده اند، استفاده شده است . آنها برای هر یک از پنج پارامتر تنظیمی ورودی، دو سطح آزمایش در نظر آزمایش میشود . نتایج آزمایشات تجربی انجام شده در جدول نشان گرفته اند. تعداد آزمایشات بدین ترتیب برابر با 32 داده شده است. سطوح پارامترهای تنظیمی در پنج ستون اول جدول، و مقادیر خروج های اندازه گیری شده در سه ستون آخر جدول آمده اند.
حال با توجه به نتایج آزمایشات، میتوان با استفاده از مدلهای ریاض ،ی ارتباط معنیداری را بین پارامتر های ورودی و خروجی برقرار نمود. در این تحقیق منظور مدلسازی فرآیند، سه نوع تابع رگرسیونی شامل توابع خطی، درجه دو و لگاریتمی بر داده هـا برازش داده شدند
پس از انجام تحلیل های آماری و آنالیز واریانس (ANOVA)بر روی هر سه مدل، بر اساس معیـار ضـریب همبـستگی ، مـدل درجه دو بهترین و مناسب ترین نتیجه را حاصل کرد. ایـن نـوع مـدل دارای بـالاترین ضـرایب همبـستگی اسـت و بهترین تخمین را از فرآیند واقعی ارائه میدهد.
در مرحله بعد بمنظور انطباق هر جه بیشتر مدل مزبور، با استفاده از روش آماریِ " حذفی بازگشتی " متغییرهـای غیـر مـوثر از ٢ مدل حذف شدند. این مدلهای اصلاح شده درجه دو،برای چهار پارامتر خروجی بصورت زیر است:
مدلهای ریاضی فوق مقایر خروجیها را بر اساس هر مجموعـه از پارامترهـای تنظیمـی نـشان میدهنـد. بـا اینحـال، در اکثـر کاربردهای عملی هدف رسیدن به هندسه جوش مورد نظر از طریق تعیین بهینه سطوح پارامترهای تنظیمی است. با توجه بـه شکل پیچیده روابط ریاضی فوق، تعیین بهینه پارامترهای تنظیمی بصورت حل مستقیم بسیار دشوار است. بنابراین در ادامـه ازالگوریتم فراابتکاری تبرید تدریجی برای حل عددی مدل پیشنهادی استفاده میشود.
در این مقاله با رویکرد حل معادلات معکوس به مسئله بهینه سازی پارامترهای جوشکاری TIG پرداخته شـده اسـت. بـه بیـان دیگر، با استفاده از روش بهینه سازی الگوریتم تبرید تدریجی یک تاب یع خطا بنحو کمینه مـیگـردد تـا مقـادیر بهینـه پارامترهای ورودی برای هر خروجی مورد نظر تعیین شوند. رویکرد این مقاله، بدست آوردن متغیرهای تنظیمی مناسب بـرای کیفیت تعریف شده مورد نظر است. بنابراین می توان مسئله جدیدی به این شرح مطرح کرد که "چگونه میتوان مقادیر پـارامتر ورودی را تنظیم کرد تا به هندسه مطلوب گرده جوش رسید؟"
پس مسئله یافتن روشی است تا با توجه به خروجیهای مورد نظر، پارامترهای تنظیمی مناسب را برای دستیابی به آنها تعـین نماید. برای مقایسه جوابها از معیار مجموع مربعات خطاها استفاده میشود. در این روش با دریافت خروجیهای مطلوب، آنهـا را با مقادیر به دست آمده از مدل مقایسه کرده و سعی در مینیمم کردن اختلاف این دو مقدار ، به کمک تابع خطـا، مـیشـود . این مینیمم سازی به کمک الگوریتم تبرید تدریجی و کد نویسی در نرم افزار مطلب صورت گرفته است. تـابع مجمـوع مربعـات خطاها به این صورت تعریف میشود
در تابع فوق، پارامترهایی که با اندیس (d (مشخص شده مقدار محاسبه شده توسط الگوریتم و پارامترهای بدون اندیس در هـر جمله بیانگر مقدار حاصل از مدل میباشند . در بخش بعد به کمک الگوریتم یتبرید تـدریج بـه مینـیمم سازی تابع فوق می پردازیم.
الگوریتم تبرید تدریج یک تکنیک جستجوی تصادفی میباشد که تشابه بین فرآیندی که فلز سرد میشود تـا بـه یـک ساختار کریستالی با حداقل انرژی برسد (پروسه آنیلینگ) و جستجو برای یـافتن مینـیمم در یـک سیـستم را برقـرار مـیکنـد . الگوریتم تبرید تدریجی در سال ۱۹۸۳ برای حل مسائل غیـر خطـی شـکل گرفـت [۸ [. ایـن الگـوریتم قـادر بـه یـافتن مقـدار مینیمم (یا ماکسیمم)یک مسئله ، مشابه با توپ جهندهای که می تواند بین کوهها از دره ای به دره دیگر بجهد، میباشد. فرآیند با یک دمای بالا آغاز میشود که توپ را قادر میسازد جهشهای بزرگی انجام دهد و از روی هر قله ای بپرد . به مرور با کـاهش دما توپ قادر به انجام جهشهای بلند نمیباشد و حتی ممکن است در درههای همسایگی خود گرفتار شود. ثابت شده است که با کنترل دقیق و مناسب دما ، الگوریتم یتبرید تدریج میتواند اکسترمم مطلق را به دست آورد[۷ [. این مزیت مهـم الگـوریتم یتبرید تدریج است که امکان حبس آنرا در مینیمم هـای محلـی بـه حـداقل مـیرسـاند . جزئیـات ایـن الگـوریتم و برخـی از کاربردهای آن را میتوان در ادبیات موضوع یافت [
برای تعیین سطوح بهینه پارامترهای تنظیمی، تابع خطای ذکر شده در قسمت پیشین ( رابطه شـماره ۵ ( بـه کمـک الگـوریتم تبرید تدریج کمینه شده است. برای نشان دادن عملکرد الگوریتم، بطور نمونه سه مورد از خروجـیهـای آزمـایشهـا بعنـوان ورودی (مقادیر مطلوب هندسه جوش) به الگوریتم SA داده شدهاند . پس از جند اجـرای مکـرر، جـوابهـای نهـایی حاصـل از الگوریتم با مقادیر حقیقی پارامترهای تنظیمی مقایسه شدند. نتایج این مقایسهها و خطاهـای محاسـبات در جـدول نشان داده شده اند.
نتایج محاسباتی فوق نشان میدهند که روش بهینه سازی پیشنهادی قادر است با دقت بالایی سطوح پارامترهـای تنظیمـی را، برای هر هندسه مورد نظر، تعیین نماید. میزان خطا در اکثر موارد کمتر از ۱ %است. با توجـه بـه پیچیـدگی مـدلهـا و روابـط متقابل پارامترها، این میزان خطا قابل قبول بنظر میرسد.
جوشکاری الکترود تنگستن با گاز خنثی، یکی از روشهای مهم در ایجاد اتصالات دائمی فلزی است. همانند سایر فرآیند تولیدی، کیفیت محصول در اتصالات جوشکاری شده توسط جوشکاری TIG ،تا حد زیادی به نحوه انتخاب مقادیر پارامترهای تنظیمی آن وابسته است . در این تحقیق دو هدف مهم مد نظر بوده است. در مرحله اول، مدلهای ریاض بی که رابطه ین پارامترهای جوشکا یر و هندسه جوش را بخوب بی یان نماید، طراحی و صحه گذاری شدهاند. در مرحله بعد، یک روش بهینه سازی مناسب بسط و ارائه گردید. با بکارگیری این رویکرد میتوان سطوح بهینه پارامترهای تنظیمی را برای رسیدن به هندسه جوش مورد نظر پیشبینی و تعیین نمود. برا ای ین منظور ابتدا با استفاده از روش میانیابی، مدلها ری یاضی دقیقی برای برقراری ارتباط بین پارامترهای ورودی و خروجی جوشکاری TIG استخراج شده و توسط تحلی یل وار انس، صحه گذاری گردیدند. آزمونهای آمار می نشان یدهند که مدل درجه دو ارائه شده در این تحقیق، نسبت به دیگر مدلها، از انطباق بیشتری بر فرآیند جوشکاری برخوردارند. در مرحله بعد، از الگوریتم تبری ید تدریج بمنظور پیشبینی و تعیین سطوح بهینه پارامترهای تنظیمی ی، برا رسیدن به هندسه جوش مورد نظر، استفاده شد. رویکرد پیشنهادی قادر است، با کمینه سازی یک تابع خطا، مقادیر مناسب پارمترهای جوشکاری را بنحوی تعیین نماید تا خروجیهای مطلوب مربوط به هندسه جوش شوندتامین . همانگونه که از نتایج محاسباتی (جدول۳ ( مشاهده گردید، خطاهای حاصل از الگوریتم ناچیز میباشند. بطوریکه بیشترین خطا در حد ۴ درصد و اکثر خطاها کمتر از یک درصد میباشند. نتایج محاسباتی حاکی از عملکرد خوب الگوریتم یتبرید تدریج در حل اینگونه مسائل است.
شبیه سازی انتقال حرارت و جریان سیال در حوضچه جوش فرایند TIG-A فوالد زنگ نزن L316
اکنون به خوبی ثابت شده است که جریان سیال و انتقال حرارت در تعیین اندازه و شکل حوضچه جوش و درشت ساختار و ریزساختار جوش مهم هستند. در این پژوهش، انتقال حرارت و جریان سیال در فرآیند جوشکاری اکتیو تیگ A-TIGبرای فولاد زنگ نزن 316L مورد بررسی قرار می گیرد. برای این منظور معادالت بقای جرم، انرژی و ممنتوم با استفاده از مدلی سه بعدی توسط نرم افزار فلوئنت حل شد. در حل این مسئله، نیروهای محرکه جریان سیال شامل الکترو مغناطیس، کشش سطحی و نیروی شناوری در نظر گرفته شد. اثرات فلاکس فعال کننده و انقباض قوس روی حوضچه جوش مورد بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که انقباض قوس و افزایش مقادیر اکسیژن می تواند باعث عرض جوش باریک تر و نفوذ عمیق تر شود. مکانیسم اصلی برای افزایش عمق نفوذ در جوشکاری TIG-A ،انقباض قوس و تغییر در شیب کشش سطحی در حوضچه مذاب توسط اکسیژن حل شده با استفاده از فالکس های فعال کننده در حوضچه جوش در نظر گرفته می شود.
جوشکاری TIG به کمک فلاکس و یا فرایند TIG-A در موسسه جوش پاتون در سال 1960 ابداع شد. با وجود نفوذ 5 تا 6 میلی متر در یک جوش تک پاس، اما عمدتا به دلیل چند ویژگی ذاتی نامطلوب به اندازه کافی در صنعت جایگاهی پیدا نکرد: (الف)دو مرحله ای بودن ماهیت فرآیند و (ب)ضعیف بودن جوش مهره (ج) عمر الکترود ضعیف. قابلیت نفوذ بالای فرایند TIG-A محققان را مجذوب و موجب تجدید پژوهش ها در این دهه شده است. در جوشکاری TIG-A یک لایه نازک از فلاکس فعال که از پودرهای معدنی تشکیل شده است، بر روی ورق فولاد قبل از جوشکاری اضافه می شود.
بسیاری از تحقیقات بر روی مکانیسم و تکنولوژی کاربرد فرآیند TIG-A انجام شده است و دو نظریه انقباض قوس و همرفت مارانگونی معکوس در حوضچه جوش نمونه های از آنها هستند. با این حال، هنوز هم هیچ مکانیسم مورد توافقی برای افزایش عمق نفوذ وجود ندارد، با وجود اینکه چندین مکانیسم پیشنهادی در مقالات آمده است
با استفاده از فرایند جوشکاری TIG ،گرادیان کشش سطحی منفی است و جنبش های همرفتی گریز از مرکز می باشند ولی در جوشکاری TIG-A فالکس های فعال باعث جریان انتقالی وارونه به دلیل حضور اکسیژن در سطح منطقه ذوبی می شوند. در این حالت گرادیان کشش سطحی مثبت است که ناشی اکسیدهای موجود در فلاکس فعال و افزایش کشش سطحی فعال است. بنابراین جوشکاری TIG-A منجر به افزایش عمق نفوذ و کاهش در عرض حوضچه جوش می شود.
شبیه سازی جریان سیال، انتقال حرارت و سایر پدیده های فیزیکی مرتبط، نیازمند توصیف آن پدیده ی فیزیکی به کمک جملات ریاضی است که این اصول توسط معادلات دیفرانسیل جزئی بیان می شوند. به منظور ساده سازی مدل های ریاضی، پیش فرض های زیر درنظر گرفته شده است:
1-جریان نیوتنی و تراکم ناپذیر است که با توجه به اندازه نسبتا کوچک حوضچه ی جوش مورد انتظار است.
2-شارهای جریان و حرارتی که بطور فضایی در سطح آزاد توزیع می شوند مشخصه ای گوسی دارند.
3-سطح حوضچه تخت در نظر گرفته میشود.
4-نیروهای محرکه در حوضچه جوش الکترومغناطیس، گرادیان کشش سطحی و شناوری برای محاسبه جابجایی
در نظر گرفته می شود. مرز حوضچه با استفاده از تکنیک آنتالپی تخلخل در دستگاه مختصات کارتزین ردیابی
می شود.
از این پس نمادگذاری تانسوری برای توصیف معادلات پیوستگی دنبال می شود:
با استفاده از فرضیات بیان شده در بالا می توان چرخش فلز مذاب در حوضچه جوش را به وسیله معادله ممنتوم
خطی زیر برای جهت j ام نشان داد:
که ρ چگالی، 𝑥𝑖 فاصله در امتداد جهت های i= 1, 2, 3 ، uj مولفه سرعت در امتداد j ام، μ ویسکوزیته و Sj
عبارت منبع برای معادله J ام ممنتوم است:
میدان فشار بوسیله حل معادله پیوستگی زیر بطور همزمان با معادله ممنتوم بدست می آید:
به منظور ردیابی فصل مشترک جامد مایع حوضچه جوش یعنی تغییر فاز، آنتاالپی کلای – H مجموع حرارت
محسوس h و مقدار گرمای نهان ΔH ، یعنی H =h+ ΔH در نظر گرفته مای شاود، که h= ∫Cp dT ،
CP گرمای ویژه و T درجه حرارت است. مقدار گرمای نهان ΔH بصورت ΔH= fl L محسوب می شود که
L گرمای نهان ذوب است و فرض می شود که کسر مایع fl بطور خطی با درجه حرارت در منطقه خمیری تغییر
می کند.
که 𝑇𝐿 و 𝑇𝑆 به ترتیب دماهای لیکویدوس و سالیدوس هستند. بنابرین انتقال انرژی حرارتی در قطعه کار، بوسیله معادله انرژی اصلاح شده زیر بیان می شود:
که k ضریب هدایت حرارتی و 𝑆ℎ عبارت منبع است که از گرمای نهان ناشی می شود:
دستگاه مختصات کارتزین سه بعدی در محاسبات استفاده می شود اما تنها نصف قطعه کار در نظار گرفتاه مای
شود زیرا جوش در راستای خط مرکزی جوش متقارن است. شکل زیر نمودار شماتیکی از شرایط مارزی را نشاان
می دهد.
نمودار شماتیکی از شرایط مرزی
سطح بالایی: در سطح آزاد تنش برشی ناشی از اثر مارانگونی جریانی ایجاد می کناد کاه شارایط مارزی معادلات ممنتوم را شامل می شود:
که 𝑢1 و 𝑢2 و 𝑢3 به ترتیب مولفه های سرعت در امتاداد جهات هاای x ، y و z هساتند، و 𝑑𝛾/𝑑𝑇 ضرایب
دمایی کشش سطحی است. همانطوری که در معادلات نشان داده شده، سرعت های 𝑢1 و 𝑢2 از اثار مارانگونی
تعیین می شوند و سرعت 𝑢3 برابر با صفر است چونکه هیچ جریانی از فلز مذاب عمود بر سطح فوقانی حوضچه
وجود ندارد.
شار حرارتی در سطح بالایی به صورت زیر است:
که 𝑟𝑏 پارامتر توزیع حرارتی، f فاکتور توزیع توان، Q توان کلی قوس، ƞ بازده توان، h ضریب انتقاال حارارت و
𝑇𝑎 دمای محیط است. اولین عبارت از سمت راست معادله بالا حرارت ورودی از منبع حرارتی است که به وسیله
توزیع گوسی تعریف می شود. فاکتور توزیع توان f طبیعت الگوی توزیع حرارت گوسی را تعیین می کند. دومین
عبارت از سمت راست معادله بالا اتلاف حرارتی توسط جابجایی )همرفت( را نشان می دهد.
کشش سطحی در سطح بالایی که تابعی از دما و غلظت اکسیژن است به صورت زیر بیان میشود:
که 𝑎𝑠 مقدار سولفور فلز پایه، 𝐴𝛾 یک مقدار ثابت ، Γ𝑠 سطح بیش از حد در حالت، 𝑅𝑔 ثابت گارها، 𝑘1 فاکتور انتروپی و Δ𝐻0 حرارت استاندارد جذب است که توسط یک تابع تجربی از تفاوت الکترونگاتیویته بین حل شونده و اتم های حلال تخمین زده می شود.
سطح تقارن: شرایط مرزی در سطح تقارن به صورت زیر می باشد:
سطوح دیگر: در کلیه سطوح دیگر حرارت به وسیله جابجایی اتلاف می شود و سرعت هاا برابار باا صافر در نظار
گرفته می شود.
مدل هندسی و مش بندی: برای شبیه سازی فرایند جوشاکاری بار روی فاولاد 316L به صورت سه بعدی باید هندسه نمونه ها ترسیم و فرایند مش بندی بر روی آنها صورت گیرد که خواص فیزیکی مربوط به این فولاد در جدول آورده شده است. به دلیل وجود تقارن نمونه در فرایند جوشکاری، نیمی از قطعه ترسیم و مش بندی شد. نمونه ی ترسیم شده دارای ابعاد 70 × 20 × 8.5 میلی متر می باشد. مش ترسیم شده را وارد نرم افزار"Fluent" کرده و معادلات مطرح شده در بخش قبل را بر روی آن فعال می کنیم.
خواص فیزیکی فولاد زنگنزن
مقایسه جوشکاری بدون اعمال فلاکس (TIG) و با اعمال فلاکس (A-TIG) : در مورد جوشکاری بدون اعمال فلاکس (TIG) ، ضریب دمایی کشش سطحی منفی باعث می شود جریان سیال ناشی از همرفت مارانگونی در حوضچه جوش به سمت بیرون شود و گرمای ورودی از قوس الکتریکی از مرکز به سمت لبه ها در سطح حوضچه جوش انتقال مییابد. در واقع جنبش های همرفتی گریز از مرکز میباشند که به این جریان، جریان مارانگونی می گویند. این انتقال حرارت منجر به گرادیان تدریجی از دمای سطحی حوضچه جوش می شود. حداکثر سرعت شعاعی سطح در نزدیکی لبه حوضچه جوش می باشد. در جوشکاری A-TIG فولاد های زنگ نزن بیشتر از اکسیدهای 𝐴𝑙2𝑂3 ، 𝐹𝑒2𝑂3 ، 𝑆𝑖𝑂2 ، 𝐶𝑟2𝑂3 ، 𝑇𝑖𝑂2 ، 𝑀𝑛𝑂 و 𝐵2𝑂3 استفاده می شود. کانتور دمایی و منطقه ذوبی سه بعدی در این حالت در شکل زیر آمده است. با اعمال فلاکس فعال محلول درحوضچه جوش، جریان انتقالی معکوس به دلیل حضور اکسیژن در سطح منطقه ذوبی اتفاق میافتد. اتم های اکسیژن به حوضچه مذاب می آیند و در سطح حوضچه جوش برای تولید یک ضریب دمای کشش سطحی مثبت از یکدیگر جدا میشوند که به این جریان، جریان مارانگونی معکوس گفته میشود. در شکل ادامه به ترتیب میزان عمق نفوذ و جریان سیال جوشکاری TIG و A-TIG نشان داده شده است.
الف( منطقه ی ذوبی ب( کانتور دمایی، در جوشکاری A-TIG
میزان عمق نفوذ در حالت جوشکاری الف( A-TIG ب( TIG
از شکل مشخص است هر چه میزان اکسیژن حل شده در حوضچه جوش ناشی از فلاکس افزایش یابد میزان عمق نفوذ جوش هم افزایش مییابد. بنابرین اکسیژن دارای اثری مثبت روی نفوذ جوش است و می تواند گرادیان کشش سطحی را از منفی به مثبت تغییر دهد. منطقی است که غلطت اکسیژن بالاتر سبب تسهیل نفوذ جوش عمیق تر میشود اما تنها تا سطح خاصی تاثیرات آن چشمگیر است با توجه به نموداری که از رابطه ی ساهو و همکاران در سیستم Fe-O برای مقادیر مختلف غلظت اکسیژن بدست آمده است، میتوان نتیجه گرفت حد بحرانی برای تاثیر مقادیر مختلف اکسیژن در نفوذ جوش وجود دارد و با افزایش مقادیر اکسیژن از ppm200به بالا تاثیرات کمتر میشود.
اثر انقباض قوس . در طول جوشکاری TIG زمانی که تورچ به سمت سطح پوشش داده شده با فلاکس حرکت می کند، قطر ستون قوس پلاسما کاهش می یابد. این پدیده تحت عنوان انقباض قوس الکتریکی در فرآیند جوشکاری A-TIG بیان می شود . اثر انقباض قوس بر روی نفوذ جوش را میتوان در مدل شبیهسازی با تغییر پارامتر توزیع شار حرارتی قوس، 𝑟𝑏 ، در قسمت منبع حرارتی گوسی اعمال کرد. هنگامی که پارامتر توزیع
.میزان عمق نفوذ در جوشکاری A-TIG برای مقادیر الف( ppm200 ب( ppm100 اکسیژن حل شده.
تغییرات گرادیان کشش سطحی با دما در مقادیر مختلف اکسیژن
اثر انقباض قوس با تغییر پارامتر توزیع حرارتی قوس الف( mm0.0023 ب( mm 0.004
قوس از 0.004 به 0.0023 تغییر میکند کاهش منطقه قوس یا ریشه آناد منجار باه افازایش چگالی جریان میشود که این امر خود باعث افزایش چگالی حرارت و درنهایت جوش عمیقتر می شود.
مطالعاتی پیرامون تکنیک های جوشکاریهای A-TiG
در پژوهشی که توسط داناردان و همکاران انجام پذیرفت ، جوش پذیری فولاد ضد زنگ فربتی با گاز خنثی تنگستن در وجود و عدم وجود فلاکس فعال مورد بررسی قرار گرفت.
در فرایند فلاکس فعال شده A-TIG دو طیف متفاوت فلاکس دارای Fe3O4و SiO2مورد ارزیابی قرار گرفتند. ارزیابی ها برای بررسی مشخصه های متالورژیکی و شاخصه های مهره های جوش آلیاژ انجام پذیرفت.
با توجه به ارزیابی ها نشان داده شده که عرض و عمق نفوذ مهره های جوش با تغییرات در جریان جوش کاری دستخوش تغییر می شود.
ارزیابی های میکروساختاری وجود دو طیف فازی یکی شامل فریت درون دانه ای در مارتنزیت می باشد و ناحیه ی آزاد رسوب یافته که مرزدانه های مارتنزیت را احاطه کرده می باشد. (در اطراف ناحیه ی ذوبی جوش)
شکست کششی در اطراف فلز پایه زمانی که از فلاکس سیلیس و یا بدون فلاکس انجام پدیرفت مشاهده شد.
در محل ذوبی در سیستم استفاده از فلاکس Fe3O4 به کمک فلزپایه می آید. ارتباطات مشخص ریزساختاری در استفاده و عدم استفاده از فلاکس در مشاهدات متالوگرافی مبین می باشد.
درپژوهش دیگری که توسط ساکتیول و همکارانش انجام پذیرفت جوش پذیری در سیستم A-TIG برای فولاد 316L مورد ارزیابی قرار گرفت.
رفتار شکست خزشی پایه فلز 316L و محل اتصال به کمک روش A-TIG اتصال یافته بودند مورد ارزیابی قرار گرفتند.
فرایندخزشیدر TIG در دمای 923 درجه سانتی گراد و در گستره تنشی 160-280 مگاپاسکال مورد انجام قرار گرفت.
آزمایش فوق نشان داد اتصالات جوشی که به کمک روش A-TIG شکل گرفتند در مقایسه با اتصالات شکل گرفته با روش TIG استحکام خزشی بالاتری را دارا می باشند.(شکست در هر دو حالت در محل اتصال جوشی ایجاد شده است)
مشاهدات میکروساختاری میزان فریت دلتای کمتری را نشان داد و جهت گیری دانه های ستونی با فریت های دلتا در راستای اعمال تنش و اضمحلال و تفاوتهای استحکامی مابین دانه های هم محور و ستونی از فلز جوش در نمونه ی A-TIG کمتر از TIG می باشد.
این امر میتواند رهنمون این مهم باشد که آغاز حفره زایی خزشی در سیستم جوشی A-TIG به مراتب کندتر از سیستم جوشی TIG رخ میدهد.
توانمندی های جوشی در فرایند TIG به سبب سایه های نفوذی جوشی اندکی کمتر می باشد درسیستم A_TIG ساختار لایه ای متشکل از اکسیدهاو فلورایدهای و کلراید ها منجر به افزایش دو تا سه برابری نفوذ به داخل ناحیه ی جوشی می شود.
در پژوهش وناتسان و همکاران فلاکسهایی از اجزای اکسید کروم و تیتانیوم و سیلیس برای جوشکاری فولاد مقاوم به زنگ فریتی مورد استفاده قرار گرفت.
سیستم های آزمایشگاهی بری تهیه فلاکس های سه گانه مورد طراحی قرار گرفت. با کمک سیستم متلب و نرم افزاری مینی تب درصد ترکیبی آلیاژ ها برای دستیابی به عمق نفوذ بهینه معرفی شده که با واقعیت تطبیق قابل قبولی داشت.
در پژوهشی که توسط کانگ و همکارانش انجام پدیرفت اثر فلاکس متاثر از اکسیدهای آلیاژی اکسید تیتانیوم اکسید سیلیسیم اکسید منگنز و اکسید آلومینیم بر سامانه مهره های جوشی A-TIG فولاد 316L مورد بررسی قرار گرفت.
سختی و موفولوژی و زاویه یابی فریت دلتا در سامانه جوشی مورد ارزیابی قرار گرفت. اکسیدهای فلاکسی مورد اشاره در فرم پودر مورد استفاده قرار گرفتند.
اتصال TIG فعال شده منجر به افزایش عمق نفوذ و افزایش آن نسبت به ضخامت و عرض گردید. فلاکس سیلیسی بیشترین مق نفوذی و فلاکس آلومینایی تخریب نفوذی عمقی را نشان داد.
Refrence:
Berthier, P. Paillard, M. Carin, F. Valensi .and S. Pellerin, "TIG and A-TIG welding experimental investigations and comparison to simulation: Part 1: Identification of Marangoni effect," Science and Technology of Welding and Joining, vol. 17, pp. 609-615, 2012
R. Zhang and D. Fan, "Numerical simulation of effects of activating flux on flow patterns and weld penetration in A-TIG welding," Science and Technology of Welding & Joining, vol. 12, pp. 15-23, 2007.
A. Farzadi, S. Serajzadeh, and A. Kokabi, "Modeling of heat transfer and fluid flow during gas tungsten arc welding of commercial pure aluminum," The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 38, pp. 258-267 .2008.
K. Suresh Kumar, "Numerical Modeling and Simulation of a Butt Joint Welding Of AISI 316L Stainless Steels Using a Pulsed Laser Beam", 4th International Conference on Materials Processing and Characterization, ( 2015 ) 2256 – 2266.
S. Kou, Welding metallurgy: Cambridge Univ Press, 1987.
Sindo.Kou, "Welding Metallurgy", Second Edition, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
C. Dong, S.Katayama, "Basic Understanding of A-TIG Welding Process", IIW (International Welding Institute),Commission XII and Study Group 212, Osaka, Doc. XII-1802-04 and 212-1055-04, 2004.
Y.V.Kazakov, K.B.Koryagin, "The Efficiency of Activating Fluxes in Manual Argon-Arc Welding", Welding International, Vol. 6, No. 11, pp. 886-889, 2002.
S. Leconte, S. Paillard, J. Saindrenan, "Effect of Fluxes Containing Oxides on Tungsten Inert Gas Welding", Science and Technology of Welding & Joining, Vol. 11, No. 1, pp. 43-47, 2006.
D.S. Howse, W. Lucas, "Investigation into Arc Constriction by Active Fluxes for Tungsten Inert Gas Welding", Science and Technology of Welding & Joining, Vol. 5, No. 3, pp. 189-193, 2000.
S.W. Shyu, H.Y. Huang, K.H. Tseng, and C.P. Chou, "Study of the Performance of Stainless Steel A-TIG Welds", Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 17, No. 2, pp. 193-201, 2008.
Sándor T, "A-TIG Process for Increasing the Effectiveness of the Conventional TIG Welding", XII. National Welding Conference, Hungary, Budapest, 14-16. Sept. 2006.
G. Simonik, " The Effect of contraction of the Arc Discharge upon the Introduction of Electro-Negative Elements", Welding Production, Vol. 3, pp. 49-51, 1976.
C. R. Heilpe and J. R. Roper, " Mechanism for Minor Element Effect on GTA Fusion Zone Geometry", Welding Journal, Vol. 6(4), pp. 97-102, 1982.
D. S. Howes and W. Lucas, " Activating Flux – Increasing the Performance and Productivity of TIG and Plasma Processes", Welding and Metal Fabrication, January, pp. 11-17, 1996.
J. J. Lowke, M. Tanaka, M. Ushio, " Mechanisms Giving Increased Weld Depth due to a Flux", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 38, No. 18, pp. 3438-3445, 2005.
B. T. Lu, Z. K. Chen, L. Luo, B. M. Patchett, Z. H. Xu, "Pitting and Stress Corrosion Cracking Behavior in Welded Austenitic Stainless Stell", Electrochemical Acta, Vol. 50, pp. 1391-1403, 2005.
M. Dadfar, M. H. Fathi, F. Karimzadeh, M. R. Dadfar, A. Saatchi, "Effect of TIG Welding on Corrosion Behvior of 316L Stainless Steel", Materials Letters, Vol. 61, No. 11-12, pp. 2343-2346, 2007.
Sindo.Kou, "Welding Metallurgy", Second Edition, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey.
C. Dong, S.Katayama, "Basic Understanding of ATIG Welding Process", IIW (International Welding Institute), Commission XII and Study Group 212, Osaka, Doc, 2004. XII-1802-04 and 212-1055-04.
Y.V.Kazakov, K.B.Koryagin, "The Efficiency of Activating Fluxes in Manual Argon-Arc Welding", Welding International, Vol. 6, No. 11 , 2002, pp. 886-889.
S. Leconte, S. Paillard, J. Saindrenan, "Effect of Fluxes Containing Oxides on Tungsten Inert Gas Welding", Science and Technology of Welding & Joining, Vol. 11, No. 1, 2006, pp. 43-47.
S.W. Shyu, H.Y. Huang, K.H. Tseng, and C.P. Chou, "Study of the Performance of Stainless Steel A-TIG Welds", Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 17, No. 2,2008, pp. 193-201.
B.E.Paton,V.N.Zamkov,V.Prilutsky,P.V.Provitsk"Contraction of the Welding Arc caused by the flux in TIG process", The Paton Welding Journal, 2000, pp. 20-26.
Y.L.Xu, Z.B.Dong, Y.H.Wei, C.L.Yang " Marangoni Convection and Weld Shape Varition in A-Tig Welding Process", Applied Facture Mechanics, 2007, pp178-186.
Lu.S,Fujii.H,T.M,N.K. " Oxide flux quantity and size effects on the penetration depth in A-TIG welding". Trans.JWRI,Vol31,2002,No2,pp187- 192.
J. J. Lowke, M. Tanaka, M. Ushio, " Mechanisms Giving Increased Weld Depth due to a Flux", Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 38, No. 18 , 2005, pp. 3438-3445.
ا