جوشکاری آلومینیم

مقدمه : آلومینیم فلزی است سبک و بعضی از آلیاژهای آن در مقایسۀ وزنی استحکامی قابل رقابت با فولاد دارند. قابلیت شکل پذیری خوب آن در درجات زیر صفر محفوظ مانده، مقومت بالایی در برابر خوردگی دارد. آلومینییم هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی خوبی نیز دارا بوده، غیر مغناطیسی و غیر جرقه زا است. آلومینیم می تواند به روش های مختلف شکل دادن اجسام نظیر ریخته گری، نورد، پتکاری (Forgin) شکل پذیرفته و مصارف گوناگونی داشته باشد. آلومینیم خالص در ۶۶۰ درجه سانتیگراد و آلیاژهای آن بین ۶۶۰ – ۴۸۰ درجه سانتیگراد ذوب میشوند و تغییر رنگی در دامنۀ گرم و ذوب شدن در آن دیده نمی شود. همانند اکثر فلزات، بیشتر بصورت آلیاژها درصنعت مصرف و استفاده می شود. به سهولت با بسیاری از عناصر و فلزات دیگر نظیر سلیسم، مس، منیزیم، روی، نیکل و آلیاژهای دو گانه و چند گانه تشکیل میدهد.

اساس کلی تقسیم بندی انواع آلیاژهای آلومنیم درجوشکاری نحوۀ بالا رفتن استحکام در اثر عناصر آلیاژی و تغییرات ساختاری در جریان گرم و سرد شدن می باشد که در دو گروه زیر طبقه بندی می شوند :

گروه اول : آلیاژهای آلومینیم که قابل عملیات حرارتی هستند (عملیات حرارتی پذیر) Heat treatable
گروه دوم : آلیاژهای آلومینیم که قابل عملیات حرارتی نیستند (عملیات حرارتی ناپذیر) Non – heat treatable

از طرف دیگر نوع آلیاژ نوع مورد دسترس نیز بر روی رده بندی آنها تأثیر دارد در این جا دو گروه آلومینیم ریختگی (ماسهف تحت فشار، قالب فلزی و …) و آلومینیم کار پذیر (نوردی) Wrongght (ورق، لوله، سیم، میله و …) قابل مطالعه اند. نوعی آلومینیم بصورت پوشش دار clad عرضه می شود که جنس آلومینیم خالص یا آلیاژهای مخصوص آلومینیم با قشری برابر ۱۵ – ۲ درصد کل ضخامت قطعه بوده و برای بالا بردن مقاومت خوردگی تولید می شود در این حالت خاص آنرا Alclad می نامند.

استحکام ابتدایی آلیاژهای آلومینیم «عملیات حرارتی پذیر» به اثر سخت کردن عناصری نظیر سیلسیم، آهن، منگنز و منیزیم بستگی دارد. این عناصر از طریق حل شدن و تغییر فازها موجب بالا بردن استحکام و سختی کیشوند. آلیاژهای نوردی آلومینیم مطابق با استاندارد (A . A . D) Aluminum Association Designation با سری های ۱۰۰۰ ، ۳۰۰۰ (با منگنز)، ۴۰۰۰ (با سیلیسیم) و ۵۰۰۰ (با منیزیم) و … شناخته می شوند. آلیاژهای آلومینیم – منیزیم ۵۰۰۰ از استحکام بالایی برخوردارند.
باید توجه داشت همه این آلیاژها، قابل سخت شدن از طریق کار سرد (نورد، آهنگری و …) هستند و برای برگشت نرمی می توان قطعه کارسرد شده را تابکاری نمود. درجه حرارت و زمان تابکاری به نوع آلیاژ، میزان کار سختی انجام شده و درجل برگشت آن بستگی دارد.

استحکام اولیه آلیاژهای آلومینیم «عملیات حرارتی پذیر» شبیه گروه اول به عناصر آلیاژی موجود در آلیاژ بستگی دارد، اما عناصری نظیر مس، منیزیم، روی و سیلیسیم به صورت تنها با مخلوطهای گوناگون بطور قابل ملاحظه ای را در اثر عملیات حرارتی بالا می برند. البته همانند گروه اول تحت انجام کار سرد یا کار سختی نیز سخت و محکم می شوند. آلیاژهای نوردی آلومینیم در این گروه بصورت سری های ۲۰۰۰ ، ۴۰۰۰ ، ۶۰۰۰ ، ۷۰۰۰ ، شناخته می شوند.

آلومینیم و آلیاژهای آن با انواع فرایندهای جوشکاری، لحیم کاری و طرق مکانیکی قابل اتصال به یکدیگر هستند، هر چند در بعضی موارد تکنیک ها و وسایل خاص نیاز می باشد.
نوع آلیاژ، وضعیت اتصال، استحکام مورد نیاز، ظاهر و قیمت با هزینه اتصال عواملی هستند که در انتخاب فرآیند جوشکاری تأثیر دارند و بدیهی است هر فرآیند دارای مزایا و محدودیت های ویژه خود نیز می باسند.

شرایط کاربردی قطعۀ جوش داده شده تعیین کنندۀ نوع آلیاژ، عملیات حرارتی و روش اتصال است. طرح اتصال نیز در انتخاب روش اتصال مؤثر است. بعنوان مثال جوش مقاومتی (مقطه ای یا نواری)، جوش ماوراء صوتی Ultrasonic ، جوش فشاری و جوش با لحیم کاری و چسب های مخصوص برای طرح اتصال لب رویهم lap مناسب است.در حالیکه طرح اتصال لب به لب یا سر Butt برای جوش با قوس الکتریکی در گاز محافظ و جوش با گاز یا شعله و حتی جوش جرقهای و الکتروبیم ترجیح داده می شود.

علاوه بر آن انتخاب روش جوشکاری به کوچک وبزرگ بودن قطعه، منقول و غیر قابل تغیر مکان بودن و همچنین امکانات موجود در مناطق شهری ویا دور افتاده نیز بستگی دارد.
نکتۀ قابل توجه دیگر استحکام اتصالف خاصیت ضربه پذیری، خستگی، مقاومت خوردگی و شرایط ومشخصات دیگر قطعه جوش داده شده، حتی کیفیت ظاهری مسیر اتصال و احتمال عملیات سطحی بر روی آن نظیر آبکاری electro plating می باشد. بعنوان مثال الکتروبیم تحت تأثیر و دگرگونی قرار می دهد. این تدثیر ممکن است باکاهش استحکام یا تقیلی خواصخوردگی و یا برعکس افزایش سختی («پیر سختی») همراه باشد.

با توجه به نکات بالا و تعداد قطعات مورد اتصال و هزینۀ تمام شده آنها فرآیند اتصال مناسب انتخاب می شود. اما قبل از بحث در مورد فرآیندهای مختلف جوشکاری قطعات آلومینیمی لازم است به مشکلات کلی و اساسی که در راه وجود دارد اشاره می شود.

یک یا تعدادی از این مشکلات ممکن است در بعضی فرآیندها شدید و در برخی دیگر خفیف باشند، این مشکلات عبارتند از :
۱ ) خواص حرارتی : نقطۀ ذوب نسبتاً پائین آلومینیم و عدم تغییر رنگ در حین افزایش درجه حرارت و حتی در حالت ذوب، مشکلاتی را از نظر قضاوت ظاهری بر روی درجه حرارت موضع جوشکاری بوجود می آورد. جوشکار کم تجربه ممکن است در اثر نگهداشتن زیاد قوس الکتریکی با شعله بر روی یک منطقه باعث فوق گداز مذاب شده و قابلیت جذب گازها، سیالیت را افزایش داده که در این حال کنترل فلز جوش مقدور نخواهد بود و همچنین احتمال محبوس شدن حبابهای گازی د مذاب پس از انجماد افزایش مییابد.

اگر چه نقطۀ ذوب آلومینیم نسبت به فولاد کمتر است اما حرارت لازم بای گرم کردن و ذوب هر گرم آلومینیم (از درجه حرارت محیط) تقریباً معادل مقدار حرارت لازم برایهمان مقدار فولاد است، یا توجه به اینکه هدایت حرارتی آلیاژهای آلومینیم تقریباً ۵ – ۳ برابر فولاد است. بنابراین حرارت منتقل شده به اطراف مسیر جوش در حین جوشکاری به مرتب سریع تر از فولاد است. این بدین معنی است که اکر منبع حرارتی جوشکاری قوی نباشد حرارت ایجاد شده در قوس یا شعله به اندازه ای نخواهد بود که جبران حرارت منتقل شده به اطراف را کرده و مقداری هم صرف ذوب (گرمای نهان ذوب) شود.

در این موارد باید از منبع حرارتی بزرگتر و با شدت بیشتر استفاده کرده ویا قطعه را پیش گرم کرد تا شیب حرارتیمسیر جوش با مناطق اطراف کاهش یافته و بدین ترتیب حرارت بیشتری صرف ذوب کردن شود.

انبساط حرارتی قطعه آلومینیمی در حین گرن کردن یا انقباض آن در دامنه سرد شدن تقریباً دو برابر فولاد تحت شرایط مشابه است. همچنین انقباض حجمی ناشی از انجماد آن حدود ۴ – ۶ درصد است. این انقباض و انبساط در سیکل های حرارتی می تواند موجب ایجاد تمرکز تنس های داخلی شود که منجر به پیچیدگی، تاب برداشتن، تغییر ابعاد و یا ترکیدگی می شود.

۲ ) اثرهای ناشی از سیکلهای حرارتی بر روی خواص موضع اتصال : حرارت موضعی که برای جوشکاری لازم است منجر به بعضی تغییرات در خواص مناطق مجاور جوش می شود.
گاهی این تغییران علاوه بر فلز جوش، در منطقۀ مجاور آن فلز اصلی نیز کاملاً مشهود میباشد. بعنوان مثال آلیاژهای آلومینیم که در اثر عملیات حرارتی یا کار سختی سخت و مستحکم شده انددر اثر حرارت ناشی از جوشکاری در مناطق مجاور خط جوش غالباً نرم می شوند. میزان نرمی و وسعت ان به عوامل زیر بستگی دارد :

الف ) خصوصیات حرارتی فرآیند جوشکاری (نوع و طبیت منبع حرارتی)
ب ) سرعت پیشرفت جوشکاری
ج ) اندازۀ قطعه و طرح اتصال
د ) ترکیبات ونوع آلیاژ
هـ ) درجه حرارت قطعه کار

نکتۀ مهم دیگر آن است که اثرهای حرارتی در منطقۀ مجاور خط جوش نه تنها موجب دگرگونی در خواص مکانیکی می شود، بلکه مقاومت خوردگی این مناطق در برابر محیط های خرنده نیز تأثیر دارد و تغییر اندازۀ دانه ها و یا رسوب بعضی ترکیبات بین فلزی و یا ناخالصی در مرز دانه ها میتواند موجب این کاهش خواص خوردگی گردد.

۳ ) ترک برداشتن یا ترکیدگی :در جوشکاری بعضی از آلیاژهای آلومینیم وقوع ترکهایی در جوش با منطقۀمجاور ان مشاهده می شود که خود مشکل مهمی در جوشکاری این دسته از الیاژهای آلومینیم می باشد و این مسئله موضوع بسیاری از تحقیقات در سالهای اخیر بوده است و حتی از محققین، جوشکاری دوبی را بر رویبعضی از آلیاژهای آلومینیوم مجاز نمی دانند.

وقوع «ترک» در جوش آلومینیم دقیقاً بهمان دلیل و شبیه آنچه است که در ریخته گری بعضی از آلیاژهای آلومینیم بوجود می اید. رابطۀ بین ترکیب شیمیائی و طول «ترک»گرم در مورد آلیاژAl – Si و مقایسۀ آن بخوبی نشان می دهند که حساسیت در برابر ترکیدگی گرم در آلومینیم خالص نسبتاً کمتر و سپس با اضافه شدن درصد Si افزیش یافته و پس ۵ / . درصد این حساسیت کاهش می یابد. این تغییرات با فاصلۀ خط مایع و جامد مطابقت دارد. در منحنی تعادلی فاصلۀ درجه حرارت چسبندگی و شروع شکل پذیری را نیز نشان می دهند.

همانطور که قبلاً در موضوع ترک گرم بحث شد، هنگامیکه فاصلۀ درجه حرارت تردیماگزیم است احتمال ایجاد «ترکیدگی گرم» ماگزیم است. چون آلومینیم خالص در مقابل ناخالص شدن حساس تر و خواص مکانیکی نسبتاً پائینی دارد، از اینجهت برای کمتر کردن حساسیت جوش در برابر ترکیدگی بای آلیاژهای حساس Al – Si باید از الکترودها و با مفتولهای Al – Si با درصد بلای Si استفاده شود تابا در نظر گرفتن میزان رقت، ترکیب فلز جوش در حدی تنظیم شود که در برابر ترکیدگی مقاوم باشد. بطور کلی در جلوگیری از ترکیدگی گرم در فلز جوش باید در انتخاب الکترود و مفتول دقت کافی مبذول داشت هر چند پیشگرم کردن یا انتخاب طرح مناسب اتصال برای کاهش تنش های انقباضی کمکی در تقلیل این مشکل میکند.
ایجاد «ترک» در منطقۀ مجاور خط جوش در بعضی از آلیاژهای آلومینیم دیده شده است که اغلب در اثر لایۀ مذاب بعضی ترکیبات بین فلزی (با نقطۀ ذوب پائین) در این مناطق است. برای تقلیل این نوع ترکیدگی باید از مفتولهایی با نقطۀ ذوب پائین استفاده کرد، سرعت جوشکاری را افزایش داده و یا از فرآیند جوشکاری یا خداکثر شدت تمرکز حرارت استفاده نمود.

۴ ) لایۀ اکسیدی : تنایل زیاد آلومینیم به اکسیده شدن یکی از مشکلات آلومینیم و آلیاژهایش را ایجاد می کند. لایۀ نازک اکسید آلومینیم همیشه برروی سطح فلز وجود دارد واگر از طرق مکانیکی یا شیمیائی برداشته شود مجدداً در زمان کوتاه که سطح فلز در معرض تماس با هوا قرار گیرد این لایه تشکیل می گردد.این قشر پیوسته ومداوم می باشد و همزمان با بالا رفتن درجه حرارت ضخامت آن بیشتر می شود. نقطۀ ذوب اکسید آلومینیم ۲۰۵۰ درجه سانتیگراد بوده و در آلومینیم جامد یا مایع حل نمیشود. پوستۀ اکسیدی نسوز از آمیخته شدن لبۀ جوش و فلز ذوب شده از مفتول یاالکترود جلوگیری نموده و در نتیجه قطرۀ مذاب بصورت گلوله بر روی این لایه قرار می گیرد. لایه اکسیدی در روش های جوشکاری غیر ذوبی نیز ایجاد

مزاحمت می کند، حتی از نظر هدایت الکتریکی (در جوش مقاومتی) نیز مانعی است. بنابراین باید لایۀ اکسد سطحی آلومینیم به روشهای مکانیکی شیمیائی یا الکتریکی قبل از عملیات جوشکاری یا همزمان با آن برداشته شود.

در فرآیند وشکاری باشعله یا گاز (جوش کاربید) این اکسید توسط روانساز یا تنه کارهای مخصوص برطرف میشود. در ابتدا عقیده بر این بوده است که تنه کار لایۀ اکسیدی را در خود حل میکند. اما تحقیقات نشان داده است که روانساز ابتدا در بین لایۀ مذاب و اکسید نفوذ کرده و همین امر موجب می شود که اتصال اکسید و فلز ضعیف وبا تنه کارها مخلوطی از ترکیبات کلرید و فلورید فلزات قلیائی نظیر پتاسیم کلرید، سدیم فلورید و کریولیت Na3Alf6 میباشند (بعضی از ترکیبات موجب حل کردن و برخی باعث پائین آنچوردن نقطه ذوب اکسید آلومینیم

می شود). وزن مخصوص لایۀ اکسیدی ابتدا حدود فلز مذاب بوده و سپس در حین بالا رفتن درجه حرارت مذاب، وزن مخصوص لایۀ اکسیدی بیشتر از مذاب می گردد، اما پس از واکنش با روانساز وزن مخصوص سربارۀ ایجاد شده مساوی مذاب و کمی سبک تر از مذاب است. از طرف دیگر به دلیل قانون «استوک» حرکت سرباره به کندی صورت گرفته و در نتیجه احتمال محبوس شدن ذرات سرباره در مذاب (در اثر عدم رعایت نمات تکنیکی و طرح اتصال) وجود دارد که باید از وقوع آنها جلوگیری کرد. معمولاً روانسازها دارای قابیلت جذب رطوبت فراوان دارند و در صورت جذب رطوبت قابل استفاده نیستند چون این رطوبت منبع ورود هیدروژن به مذاب خواهد شد. ازطرف دیگر آثار و بقایای تنه کار برروی منطقۀ جوش پس از عملیات

جوشکاری باید کاملاً نچتمیز شود زیرا کلرید و فلوریدها با جذی رطوبت هوا بسیار خوردنده هستند.
پس از جنگ جهانی دوم پژوهشگران ضمن تحقیقات متوجه قدرت تمیز کردن قوس الکتریکی در حالت الکترود مثبت (جریان دائم الکترود مثبت و یا جریان متناوب در هر بیم سیکل که الکترود مثبت است) با فرایندهای جوشکاری MIG , TIG شدند. از این جهت این دو دوش بطور وسیعی در جوشکاری آلومینیم و آلیاژهای آن بکار گرفته شده ایت. طبیعتاً در این فرآیند نیاز به روانساز یا تنه کار نخواهد بود. اما بهر صورت مقداری از ذرات اکسیدی بین قوس و مذاب باقی می ماند که بر روی خواص مکانیکی جوش اثرمنفی می گذارد. با استفاده از آماده سازی مناسب و بکار گرفتن تکنیک های صحیح می توان مقدار این ذرات را تقلیل داد.

پوستۀ اکسیدی در فرآیند جوشکاری مقاومتی با استفاده از محلولهای خاص قبل از جوشکاری از موضع مورد نظر تمیز و بر طرف می شود.
۵ ) جذب گازها : آلومینیم مذاب و آلیاژهایش به سهولت قابلیت جذب هیدروژن دارند و کی از مشکلات مهم در جوشکاری ذوبی آلومینیم ایجاد خلل و فرج یا تخلخل در جوش است که ناشی از جذب، پس دادن rejectio و محبوس شدن حبابهای هیدروژن است. حساسیت آلومینیم نسبت به خلل و فرج هیدروژنی به دو دلیل است :
الف ) نسبت بین حجم هیدروژن جذب شده و هیدروژن حل شده در نقطۀ ذوب خیلی بالا.

ب ) حضور هیدروژن در گازهای ستونی قوس و شعله و عدم واکنشهای گازی دیگر در مذاب با آن (بعلت میل ترکیبی زیاد آلومینیم با اکسیژن و ازت)، غیر از پس دادن هیدروژن.
طرح اتصال و وضعیت جوشکاری بر روی میزان خلل و فرج تأثیر می گذارد، بعنوان مثالوضعیت جوشکاری بالای سر یا سقفی احتمال ایجاد خلل و فج در جوش را بیشتر میکند.همینطور در شروع پاس جوش این عیب بیشتر اتفاق می افتد.
منابع زیادی برای حضور هیدروژن در مذاب وجود دارد که در هر فرآیند ممکن است متفاوت باشند که اهم آنها عبارتند از :
الف ) لایۀ اکسیدی در سطح و لبه ها قابلیت جذب رطوبت دارد.