متالورژی جوشکاری چدن خاکستری

پیشگرم کردن برای جوشکاری انواع چدن خاکستری
از آنجایی که تنش تسلیم چدن های خاکستری با افزایش محدود دما کاهش می یابد، با پیشگرم کردن چدن های خاکستری قبل از جوشکاری می توان مقادیر قابل توجهی از تنش های پسماند را در قطعه کار از میان برداشت.

مهمترین مزایای پیشگرمایی در چدن های خاکستری به قرار زیرند؛
۱-کاهش تنش های پسماند در قطعه با کاهش نسبی تنش تسلیم در اثر پیشگرمایی تا حدود ۴۵۰ درجه سانتیگراد.
۲-ترک های ناشی ار تنش های انقباضی جوشکاری یکی از مشکلات همیشگی موجود در چدن های خاکستری است.برای برطرف کردن تنش های انقباضی باید به وسیله پیشگرم کردن، حجم قطعه چدنی را منبسط کرد. این نوع پیشگرمایی را اصطلاحاً پیشگرمایی غیر مستقیم می گویند.در این روش ابتدا سطح بیشتری از قطعه چدنی را با دمای کمتر و سپس سطح کمتری از قطعه را با دمای بیشتر پیشگرم می کنند. البته در هر حال، پیشگرمایی موضعی در محل

اتصال باید با دمای بالاتری انجام شود تا این محل از انعطاف پذیری بالاتری برخوردار شده و ترد و شکننده نشوند. در زمان جوشکاری قطعات چدنی که شکل پیچیده ای دارند، دمای پیشگرمایی باید تقریباً کمتر ازدمای سرخ شدن باشد. برای چدن های خاکستری این درجه حرارت تقریباً برابر ۶۰۰ درجه سانتیگراد در کوره های گاز یا زغال سوز است. هر اندازه شکل قطعه پیچیده تر باشد، به پیشگرمایی یکنواخت تری نیاز خواهد بود.
۳-برای جلوگیری از وسیع شدن منطقه HAZ که خود سبب افزایش خطر ترکیدن کناره های جوش می شود، پیشگرم کردن تا دمای ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه پیشنهاد شده و مناسب خواهد بود.

۴-همچنین پیشگرم کردن در حدود ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد و سرد کردن آهسته از پدیده جذب کربن موجود در چدن توسط فلز جوش که در کلیه چدن های خاکستری در حین جوشکاری اتفاق می افتد، جلوگیری نموده و یا آن را تقلیل می دهد.
۵- دیگر مزیت پیشگرم کردن چدن ها قبل از آغاز جوشکاری، زدودن روغن و چربی های سطحی و تبخیر روغن و چربی جذب شده و نفوذ کرده در عمق قطعه می باشد که با نگهداری قطعه برای زمان ۴ تا ۸ ساعت در ۵۰۰ درجه سانتیگراد تحقق می یابد.

۶-پیشگرم کردن قطعه چدن خاکستری مورد جوش و کنترل درجه حرارت بین پاسی، موجب کاهش شیب حرارتی و در نتیجه باعث کاهش سرعت سرد شدن جوش می گردد. در نتیجه احتمال ایجاد کاربید را در فلز جوش و مارتنزیت در ناحیه HAZ کاهش می دهد.

روش های پیشگرم کردن و کنترل درجه حرارت بین پاسی در چدن های خاکستری
الف) پیشگرم کردن موضعی توسط شعله یا المنت، برای کاهش نرخ سرد شدن جوش بسیار موثر است. برای این منظور باید قطعه کار را به گونه ای قرار داد که مسیر پیشگرم کردن باعث تمرکز تنش در موضع خاصی نشود.

ب) پیشگرمایی عمومی به علت عدم احتمال ایجاد تنش های داخلی در مواضع دیگر قطعه نسبت به پیشگرمایی موضعی ترجیح داده مشود. افزایش دمای پیشگرمایی در نواحی سه گانه جوش HAZ و فلز پایه سبب کاهش سختی می شود. جدول ۱ تاثیر پیشگرمایی را بر سختی یک چدن خاکستری کلاس ۲۰ که با الکترود ENi Fe-Cl و قطر mm 5 جوشکاری شده، نشان می دهد.

(HB)سختی دمای پیشگرمایی
(درجه سانتیگراد)
فلز پایه HAZ جوش
۱۶۹-۱۶۵ ۴۸۰-۴۲۶ ۳۶۲-۳۴۲ بدون پیشگرم
۱۶۹-۱۶۵ ۴۲۶-۴۰۴ ۳۶۲-۲۹۷ ۱۱۰
۱۶۹ ۴۰۴-۳۶۳ ۳۴۰-۳۰۵ ۲۳۰
۱۷۶-۱۶۹ ۳۲۲-۲۵۵ ۲۲۸-۱۸۵ ۳۱۵

جدول۱- تاثیر درجه حرارت پیشگرمایی بر مقدار سختی یک چدن خاکستری GG20

همان طور که ملاحظه می شود، انتخاب صحیح دمای پیشگرمایی عمومی می تواند اطلاعات مفیدی در خصوص پیش بینی ساختار کریستالی منطقه HAZ جوش در اختیار قرار دهد.جدول ۲ اطلاعاتی در این زمینه ارائه می دهد.
دمای پیشگرمایی ساختار کریستالی منطقه HAZ چدن خاکستری
۲۵ مارتنزیت
۱۰۰ استحاله پرلیتی اتفاق می افتد

۲۰۰ مقدار زیادی از مارتنزیت و کاربید توسط پرلیت جایگزین می گردد
۳۰۰ تقریباً تمامی مارتنزیت توسط پرلیت جایگزین می گردد
۴۰۰ مارتنزیت ایجاد نمی شود و اصلاً در ترکیب وجود ندارد

جدول۲-پیش بینی ساختار کریستالی منطقه HAZ بر اساس انتخاب دمای پیشگرم چدن خاکستری

اگرچه دمای پیشگرمایی عمومی برای چدن های خاکستری در حدود درجه حرارت تشکیل مارتنزیت توصیه می شود، اما برای اطمینان از عدم حضور مارتنزیت در ترکیب، استفاده از دمای ۳۷۰ تا ۳۸۰ درجه سانتیگراد برای قطعات چدنی معمولی و دمای پیشگرمایی بیش از این، معمولاً برای چدن های خاکستری کاربردی ندارد و فقط در مورد چدن های پر آلیاژ ممکن است به دمای بیش از ۸۷۰ درجه سانتیگراد نیاز می باشد.

توجه به این نکته نیز ضروری است که درجه حرات بین پاسی هم هرگز نباید کمتر یا بیشتر از درجه حرارت پیشگرمایی اولیه باشد و حداکثر می تواند ۳۵ تا ۴۰ درجه سانتیگراد بیش از دمای پیشگرم کردن اولیه انتخاب شود، تا در مجموع از استحاله مارتنزیتی جلوگیری نموده و تأثیرات تمپر شدن را روی رسوبات قبلی اعمال نماید.

نکته آخر اینکه قطعات سنگین و ضخیم به دلیل قابلیت جذب حرارت بیشتری که دارند و موجب سریع تر سرد شدن منطقه جوش می شوند، به درجه حرارت پیشگرم کردن بالاتری نیاز دارند. فلزات حجیم نیز چون کندتر سرد می شوند، به درجه حرارت پیشگرمایی پایین تری نیاز دارند.

پ)پیشگرمایی غیر مستقیم : همانطور که در شرح مزایای پیشگرمایی چدن های خاکستری گفته شد، با پیشگرمایی غیر مستقیم، قطعه قبل از جوشکاری منبسط می شود، بنابراین ترک ها باز شده و امکان نفوذ جوش به داخل آن ها فراهم گردیده و پس از جوشکاری، مجدداً متراکم و به هم فشرده می شوند. بنابراین از بروز تنش ها و ترک های انقباضی جلوگیری به عمل می آید. درجه حرارت ۵۰۰ تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد مشروط بودن بر آن که سرعت گرم و سرد کردن آهسته باشد، برای این منظور بسیار مناسب است.

نکته دیگری که در مورد پیشگرم کرد ن چدن های خاکستری باید در نظر داشت، انتخاب درجه حرادت پیشگرمایی با در نظر گرفتن الکترود یا سیم جوش مصرفی است.

فرآیند جوشکاری ماده مصرفی جوشکاری درجه حرارت پیشگرمایی توضیحات
جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی
(SMAW) الکترود چدنی ECI 1500-1700 بر اساس ضخامت و پیچیدگی شکل قطعه
الکترودهای فولاد کربنی نظیر
E7015,E7016,E7018,E7028 150-450 بر اساس ضخامت قطعه، مقدار پودر آهن موجود در الکترود و میزان کنترل هیدروژن
الکترود های فولاد زنگ نزن نظیر
E308,E309,E310,E312
الکترودهای نیکل ENi-CI
الکترودهای نیکل-آهن ۱۵۰-۴۵۰

۲۰۰-۵۰۰
۱۵۰-۴۰۰ بر اساس ضخامت قطعه و پیچیدگی شکل ظاهری قطعه
ENi Fe – CI
الکترود نیکل-مس-آهن
DIN; ENi CU – BG31 150-400 بر اساس ضخامت قطعه و پیچیدگی شکل ظاهری قطعه
جوشکاری قوس الکتریکی با فرآیندهای
GMAW(MIG/MAG)
GTAW(TIG)
FCAW سیم جوش نیکل نظیرERNi-1 250-600 براساس ضخامت وپیچیدگی شکل ظاهری قطعه وجنس وفشارگاز مصرفی
سیم جوش نیکل-آهن یا نیکل-
آهن- منگنز ۲۰۰-۴۵۰ براساس ضخامت وپیچیدگی شکل ظاهری قطعه وجنس وفشارگاز مصرفی
سیم جوش تو پودری نیکل-
آهن- منگنز ۲۰۰-۴۰۰ براساس ضخامت وپیچیدگی شکل ظاهری قطعه وجنس وفشارگاز مصرفی
سیم جوش تو پودری نیکل- آهن ۲۰۰-۴۰۰ براساس ضخامت وپیچیدگی شکل ظاهری قطعه وجنس وفشارگاز مصرفی
جوشکاری اکسی استیلن سیم جوش مفتولی RCI-A,RCI 600-650
جدول۳-انتخاب درجه حرارت پیشگرمایی بر اساس فرآیند و مواد مصرفی جوشکاری چدن های خاکستری

جوشکاری چدن ها
چدن به گروه وسیعی از مواد با عنصر اصلی آهن با عناصر کربن بیش از ۰٫۲% ، ۳-۱% سیلسیم ،۱-۰٫۲ % منگنز و مقادیر ناچیزی فسفر و گوگرد دارد و در پاره ای مواقع عناصر آلیاژی مثل کروم، نیکل و… دارا می باشد.
اولین مشکل جوشکاری چدنها این است که هنگامیکه چدن تحت سیکل حرارتی جوشکاری قرار گیرد، امکان دارد در درجه حرارت بالا، زمینه از کربن غنی شده و هنگام سریع سرد شدن کربن ترکیبی با فاز سخت و ترد نظیر سمانتیت یا کاربیدهای دیگر تولید شود و بدین ترتیب فلز جوش و یا منطقه مجاور آن اصطلاحاً الماسه شود.

گاه فاز سخت و ترد تحت تأثیر تنش های حرارتی ناشی از جوشکاری یا تنش های دیگر پسماند مقاومت نکرده و برروی آن ترکهایی ایجاد می گردد.این حادثه ممکن است در فلز جوش یا منطقه مجاور خط جوش به وجود آید. بنابراین دومین مشکل در عملیات جوشکاری چدن ها، احتمال وقوع ترکیدگی در جوش یا منطقه مجاور آن می باشد.

عیب یا مشکل سومی که اغلب در جوشکاری چدن حاصل می شود، حفره ها و خلل و فرج است که باعث کاهش استحکام جوش و یا عدم موفقیت در آب بندی یک مخزن یا انباره چدنی می گردد. کربن آزاد یا گرافیت در زمینه به طور فراوان وجود دارد. اگر این کربن در حین عملیات ذوب در جوشکاری با اکسیژن هوا تماس حاصل نماید و حتی در برخی مواقع، بعضی اکسیدها را احیا کند، حبابهای گاز CO2 یا CO تولید می کند که می توانند از مذاب خارج شده و یا احیانا حین انجماد در فلز جوش محبوس شده و خلل و فرج را به وجود می آورند.

بعد از توضیحات مقدماتی فوق به نحوه جوشکاری قطعات چدنی پرداخته می شود، ولی قبلاً لازم است که ضرورت های عملیات جوشکاری بر روی قطعات چدنی بررسی شود.

موارد مهم کاربرد عبارتند از:
الف- برطرف کردن بعضی عیوب ریخته گری در حین تراشکاری قطعات چدنی. نظیر ترکهای موضعی، حفره های گازی، حفره های ناشی از ریزش ماسه یا حبس سرباره و غیره

ب- تعمیر قطعات چدنی که در ضمن کار شکسته شده اند و از نظر اقتصادی و یا عدم دسترسی به تکنولوژی ساخت آنها، بهتر است از طریق جوشکاری تعمیر گردند.
ج- اتصال دو یا چند قطعه که ریختن آنها به صورت واحد همراه با مشکلاتی بوده و یا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیستند.

روشهای جوشکاری چدن خاکستری
چدن خاکستری دارای استحکام فشاری خوب و مقاومت ضربه ای نسبتاً پایین است. مقدار عناصر آلیاژی نظیر نیکل، کرم و مس بر روی استحکام و مقاومت در برابر خوردگی اثر مثبت و عناصر ناخالصی نظیر گوگرد و فسفر بر روی مقاومت ضربه ای اثر منفی دارند. چدن خاکستری با همه مزایا و معایبی که دارد، در صنعت موارد مصرف بسیار زیاد داشته و به ویژه در جاهائیکه تحت نیروهای استاتیکی و زندگی طولانی بدون ضربه های مکانیکی و حرارتی باشد مورد استفاده قرار می گیرد.

قطعات چدن خاکستری را می توان با روشهای مختلف قوس الکتریکی، الکترود محفوظ در گاز خنثی، شعله گاز اکسی استیلن و لحیم سخت به یکدیگر متصل کرد.

۱-قوس الکتریک دستی:
استحکام کششی، نحوه توزیع گرافیت، درصد گوگرد و فسفر و یا طرح قطعه کار عواملی هستند که به شدت در موفقیت جوشکاری با الکترود تأثیر دارند. به عنوان مثال نوع چدن خاکستری با استحکام کششی ۱۷٫۵ کیلو گرم بر میلی متر مربع، حساسیت بیشتری در برابر ترک های زیر خط ذوب نسبت به چدن با استحکام ۲۹٫۵ کیلو گرم بر میلی متر مربع، دارد.

اگرچه روشهای الکترود کربنی و فلزی لخت نیز قابل استفاده هستند، اما بیشتر از الکترودهای روپوش دار فلزی استفاده می شود. معمولاً فلز هسته الکترود بازی جوشکاری چدن، نیکل و یا آلیاژهای آن با آهن و مس انتخاب می شود. این الکترودها در استانداردAWS و ASTM به صورت ENi -CU (نیکل و مس)،۱ENi-

C(95 درصد نیکل) و ENiFe-C1(55 درصد نیکل و بقیه آهن) مشخص شده اند که هر کارخانه سازنده با نام ها و شماره های خاصی آنها را تولید و عرضه می کند، اما غالباً الکترودهای با این استاندارد تطابق دادده می شوند. فلز جوش رسوب داده شده با ENiFe-C1 و ENi-C1 دارای کربن بالاتر از حد حلالیت هستند و همزمان با انجماد فلز جوش کربن اضافی به صورت گرافیت آزاد می شوند که نقصانی در تنش فشاری ایجاد می نماید. به طور کلی الکترودهای NiFe-C1 بهتر از ENi-C1 هستند، چون:
الف- ضریب انبساط در فلز جوش کمتر است.
ب- دامنه فسفر در فلز قطعه کار می تواند وسیع تر باشد.

ج-استحکام و انعطاف پذیری فلز جوش افزایش می یابد.
د-حساسیت در برابر ایجاد ترکهای گرم در فلز جوش کاهش می یابد.
الکترودهای ENi-C1 این برتری را دارد که فلز جوش نرمتر تولید می کند، که از نظر ماشینکاری قابل توجه است. در شرایطی که باید چندین ردیف جوش بر روی یکریگر رسوب داده شود، الکترود ENi-Fe-C1 جوشی با قابلیت ماشین کاری بهتری تولید می کند.

برای اتصالات سربه سر یا لبه لبه و یا تعمیرات عیوب ریخته گری، پخ سازی لبه ها ضروری است. برای پخ جناقی با زاویه V باید باز تر از معمول یعنی حدود ۶۰ الی ۹۰ درجه باشد. گاه پخ سازی لاله ای یا U برای کاهش تمرکز تنش در ریشه جوش بر پخ سازی ترجیح داده می شود. پخ سازی باید حتی المقدور با ماشین کاری و یا سنگ زدن انجام گیرد. چون با قوس الکتریکی یا شعله از طریق ذوب و بیرون ریختن مذاب، مشکلاتی را به وجود می آورد، از جمله ادامه و رشد ترکیدگی، محبوس شدن گازها و ذرات ناخالصی در عمق ترکیدگی و یا ایجاد منطقه ترد مجاورت مسیر برش یا پخ سازی.

به علت ضرورت در پیشگرم کردن کار قبل از جوشکاری باید قطعه طوری قرار گیرد تا مسیر جوشکاری و عملیات کاملاً باز و جوشکاری به راحتی انجام گیرد.آماده سازی قطعه قبل از جوشکاری شامل مراحل مختلف است. از جمله پخ سازی لبه ها ی اتصال و یا برداشتن فلز در اطراف ترکیدگی تا منتهی علیه آن. بدین ترتیب از محبوس شدن هر گونه حباب گاز، ماسه و کثافت دیگر در عمق ترکیدگی جلو گیری می شود. برای مشاهده منتهای علیه پیشرفت ترکیدگی گاهی لازم است از انواع ذره بین و یا وسائل دیگر استفاده شودو تنها به چشم غیر مسلح اکتفا نشود. اگر قطعه کاملاً جدا نشده باشد باید ابتدا و انتهای مسیر

پیشرفت ترک را با ایجاد سوراخهایی با مته بست. پوسته های ناشی از ریخته گری و یا آهنگری نیز باید از سطح اتصال کاملاً برطرف و تمیز شوند. قطعات ریختگی کار کرده شده معمولاً آغشته به روغن، گریس و انواع آلودگی های دیگر هستند که حتی این مواد روغنی توسط گرافیت در سطح چدن جذب نیز شده اند. کلیه ناخالصی ها باید کاملاً پاکیزه شوند. این عمل می تواند توسط محلول های شیمیایی یا سوزاندن و حرارت دادن برای مدت کو تاهی در درجه حرارت ۳۷۰ درجه سانتیگراد انجام گیرد.