شما اینجا هستید: صفحه اصلیبازرسی فنیدوره بازرسی جوشآشنایی باعیوب جوش (2)

آشنایی باعیوب جوش (2)

7.طول قوس بلند

هنگامی که طول قوس ما بلند باشد حرارت بیشتری تلف می شود و در نتیجه این عمل نفوذ در قطعه کاهش می یابد.

8.تخلخل یا مک Porosity

خلل و فرج یا حفره ها در جوش چندین نوع بوده و هر یک می تواند به دلایل مختلف بوجود آید.

1.خلل و فرجی که در چند سانتی متری اولیه شروع جوشکاری با استفاده بعضی از الکترودها مشاهده می شود. این عیب در اثر فقدان اکسیژن زدایی کافی در ابتدای جوش است همانطور که قبلا اشاره شد در پوشش الکترود ها معمولا مقداری مواد اکسیژن زدا نظیر فرو سیلیسیم وجود دارد. در فولادهای آلیاژی با استحکام بالا درصد سیلیسیم در جوش معمولا از میزان معینی نباید بیشتر شود (حدود 35/0%) چون اثر معکوس بر روی درجه حرارت انتقال نرمی به تردی (Transition temperature) در استحکام ضربه ای می گذارد بدینجهت در الکترودهای مصرفی در اینچنین فولادها نظیر سری های E100 و E110 و. E120 از نظر حضور فروسیلیسیم و گاه بعضی از عناصر اکسیژن زدای دیگر محدودیتی وجود دارد. اما با پیشرفت عملیات جوشکاری و حضور بیشتر و فعال تر سرباره حاصل از پوشش الکترود طبیعتا حضور اتمسفر هوا در منطقه حوضچه جوش کاهش یافته و این عیب به وقوع نمی پیوندد.

در اینمورد برای پرهیز وقوع این نوع خلل و فرج تدابیر مختلفی پیش بینی شده است که در مورد آنها مختصرا در زیر توضیح داده می شود.

الف:شروع عملیات جوشکاری بر روی قراضه فولادی که قبلا در ابتدای مسیر عملیات جوش الصاق شده است انجام شود و پس از خاتمه جوش از قطعه کار جدا می شود واضح است که این تدبیر در بعضی موارد ممکن است اقتصادی نباشد.

ب:تکنیک یک گام عقب Back-step: نقطه شروع کمی عقب تر از محل شروع واقعی است پس از آغاز جوشکاری الکترود به ابتدای مسیر اتصال هدایت شده و عملیات جوشکاری ادامه می یابد. بدین ترتیب اگر خلل و فرج نیز ایجاد شده باشد با برگشت قوس و ذوب مجدد آن به احتمال زیاد بر طرف می شود.

2.خلل و فرج در دامنه انجماد:این نوع حفره ها ممکن است در سرتاسر جوش مشاهده شود و خود دارای دو نوع شکل است خلل و فرج های کروی شکل که به صورت متمرکز یا پراکنده در زیر جوش یا حتی روی جوش دیده می شود. نوع دیگر که به سوراخ های «کرمی»  شکل Worm-holes یا مک هوا Blow holes مرسوم است.

   بعضی گازها در مذاب دارای حلالیت بوده که در درجه حرارتهای بالا مقدار این حلالیت افزایش می یابد. نمونه ای از این چنین گازها هیدروژن می باشد که حاصل تجزیه رطوبت وارد شده به مذاب فلز جوش است. در ضمن سرد شدن مذاب پس از اینکه حجم هیدروژن در مذاب از حد اشباع گذشت، مقدار اضافی بصورت حبابهایی شروع به جوانه زدن، رشد، شناور شدن و در صورت امکان خارج شدن از مذاب می نماید. احتمال واکنش هیدروژن اضافه بر حد اشباع با C,O و S و تولید گازهای ملکولی دیگر نظیر H2O، SO2 و CH4 و ... نیز وجود دارد که در این حال محصول واکنش بصورت حبابهایی از مذاب بیرون رفته و یا محبوس می گردد.

ازت جذب شده از هوا نیز تا حدودی رفتاری مشابه داشته و می تواند عامل تخلخل باشد. علاوه بر آن ازت می تواند تولید ترکیب های تیرید کند که اغلب تاثیر سو بر روی خواص مکانیکی جوش دارد.

عامل دیگر حبابهای گاز CO می باشد. در فلز جوش فولادهای کربنی (بویژه با کربن بالا) معمولا اکسیژن حل شده ممکن است وجود داشته باشد. در دامنه انجماد، مذاب، محصور در جامد به دلیل جدایش از کربن غنی شده و احتمال واکنش زیر بیشتر می شود.

C+O= CO

در مواردی که مواد اکسیژن زدا نظیر Si Mn و غیره به اندازه کافی وجود نداشته باشد. واکنش فوق تسریع می شود واکنشی مشابه در مورد گوگرد نیز می تواند اتفاق افتد که حاصل آن حبابهای گاز SO2 و یا SH2 می باشد. بعضی ترکیبات فرار آلی یا غیرآلی موجود در مواد معدنی پوشش الکترود و پودر جوش و یا آلودگی ها (نظیر چربی، رنگ و غیره) در روی سطح مسیر اتصال همچنین تجزیه ترکیباتی نظیر کربنات ها در ترکیب مواد در درجه حرارت بالا، عوامل دیگر در ایجاد گاز در حوضچه جوش و بالاخره خلل و فرج می باشند.

با توجه به نکات بالا و نحوه توزیع حرارت در حوضچه جوش (درجه حرارت بالا در زیر قوس یا شعله و درجه حرارت پایین با شیب زیاد در انتها و دیواره حوضچه جوش) و رشد کریستالهای ستونی جامد از دیواره ها بطرف وسط و سطح حوضجه جوش، می توان پیش بینی کرد که در سطح انجماد گازها به حالت اشباع در آمده و مقدار اضافی از این حد به صورت حبابهائی در روی دانه های جامد جوانه زده و رشد می کنند. در صورت شرایط مناسب فاصله انجماد زیاد و ویسکوزیته پایین مذاب و زمان کافی حبابها می توانند به سطح مذاب آمده و خارج شوند. در مواردیکه شرایط مناسب نباشد حبابها به حالت شناور یا در حین تکامل در لابلای دانه های جامد در حال رشد حبس شده و به صورت خلل و فرج یا سوراخهای کرمی شکل در فلز جوش باقی می مانند. همانطور که مشاهده می شود حباب گاز در بین ستونهای کریستالهای جامد چندین دفعه تلاش می کند تا بصورت کروی جدا و به سطح مذاب شناور شود که ادامه رشد کریستالهای جامد دیگر آنرا محبوس کرده و در آخر شکلی شبیه کرم بخود می گیرد. این سوراخها ممکن است به طور چندین میلیمتر و حتی تا سطح جوش نیز ادامه یابد.

نوع دیگر از خلل و فرج در حین ذوب و انجماد ناشی از سهل انگاری جوشکار در مصرف الکترودهایی است که قسمتی از پوشش آن شکسته و جدا شده است و یا برای صرفه جویی از قسمت انتهایی الکترود که بدون پوشش است نیز استفاده کرده است.

برای کاهش خلل و فرج حین انجماد نباید تصور کرد که اگر درجه حرارت مذاب به کمک پارامترهای جوشکاری بالا برده شوند ویسکوزیته کمتر شده و حبابها بهتر رها می شوند زیرا افزایش درجه حرارت میزان حلالیت گازها را درمذاب نیز بیشتر می کند. بنابراین تنها راه جلوگیری از ورود گازها یا حذف عوامل ایجاد گاز نظیر رطوبت ، چربی و ... است.

 

در فرآیندهایی که از گاز محافظ استفاده می شوند تدابیر کمی فرق می کند. ترکیب فشار و دبی گاز محافظ، قطر نازل، فاصله نازل تا سطح کار و پارامترهای دیگر نیز باید مورد دقت و توجه قرار گیرد.

ترک

ترک برداشتن یکی از مهمترین و مضرترین عیب در جوشکاری می باشد. از یک طرف احتمال وقوع آن در ردیف گسترده ای از فولادها و فلزات و آلیاژهای غیرآهنی وجود دارد. از طرف دیگر موضوع پیچیده است چون اولا شکل ها ، ابعاد، جهت ها  و اندازه های مختلف داشته. ثانیا در محل های مختلف از فلز جوش Weld metal، خط ذوب Fusion line و منطقه مجاور جوش (H.A.Z) Heat affected zone ایجاد می گردد. از این مهمتر دلایل گوناگونی از قبیل ترکیب شیمیائی مواد مصرفی (فلز قطعه کار، مفتول یا الکترود پودر یا فلاکس و گاز محافظ) پارامترهای جوشکاری (آمپر، ولتاژ، سرعت، قطب) طراحی قطعه و محل اتصال و شرایط عملی و تکنیکی در جوشکاری می توانند سبب تشدید یا تقلیل نوع خاصی از ترک برداشتن شود. بطور شماتیک انواع گوناگون ترکیدگی را در مناطق مختلف نشان می دهد که برحسب محل و امتداد به نام های خاصی شناخته شده اند و عبارتند از:

1.ترکیدگی در حوضچه جوش یا دهانه انتهایی Weld metal crater cracking

2.ترک عرضی در جوش Weld metal Transwerse cracking

3.ترک عرضی در منطقه مجاور جوش H.A.Z Transwerse cracking

4.ترک طولی در فلز جوش Weld metal longitudinal cracking

5.ترکیدگی  زبانه یا گوشه ای Toe cracking

6.ترکیدگی زیر فلز جوش under bead cracking

7.ترکیدگی در خط ذوب  Fusion line cracking

8.ترک ریشه فلز جوش Weld metal root crackin

ترک برداشتن ممکن است در ردیف گسترده ای از درجه حرارت در ضمن انجماد تا درجه حرارت محیط و در زمان های مختلف بوجود آید. درجه حرارت وقوع ترکیدگی بسیار مهم است. بطور کلی ترکیدگی هایی که بالا خط انجماد بوجود می آیند. ترک گرم یا بالای خط انجماد Super solidus cracking یا hot cracking و آنهایی را که زیر خط انجماد ایجاد می گردند ترک سرد Sub-sdlidus cracking یا Cold cracking می نامند.

همانطور که اشاره شد برخی اوقات این ترکیدگی ها را می توان با چشم دید و گاهی باید با روشهای خاص (محلول های نفوذ کننده رنگی ، امواج صوتی، مواد مغناطیسی، رادیو گرافی و...) آنها را ظاهر کرد و حتی در بعضی موارد بکمک روشهای متالوگرافی، میکروسکپی و یا مطالعه سطح شکست پی به نوع و رفتار آنها برد.

یکی از عوارض مهم ترک غالبا شکسته شدن قطعه بدون تغییر فرم پلاستیکی است که اصطلاحا شکست ترد Brittle fracture می نامند.  این نوع شکست در اثر پیشرفت کند ابتدایی ترک برداشتن و پس از ادامه آن تا حد معینی (حد بحرانی طول ترک) پیشرفت بسیار سریع است و ترک برداشتن در زمان کوتاه بدون نیاز به تنش ادامه یافته و شکست بوقوع می پیوندد. بالانتیجه در این مرحله فرصت برای جلوگیری از شکستگی و گسیختگی کامل اتصال کم است و گاه سرعت پیشرفت ترک برداشتن به چندین متر در ثانیه می رسد.و منجر به حوادث تلخ با خسارات مالی و جانی فراوان می شود نظیر دو نیم شدن کشتی در دریا.

1.ترک گرم یا فوق خط انجماد:دو شرط یا حالت لازم است تا در دامنه انجماد در جوش ترکیدگی ایجاد شود. اولا باید نرمی و انعطاف پذیری ductility فلز به اندازه کافی نباشد ثانیا تنش کششی ایجاد شده بین کریستالهای جامد ناشی از انقباض از تنش شکست Fracture stress فلز در آن درجه حرارت تجاوز کند. برای درک بیشتر این دو شرط لازم است توضیحات بیشتری در این زمینه داد.

در هنگام سرد شدن کریستالهای جامد جوانه زده و رشد می کنند غلظت بعضی عناصر و ناخالصی ها در فاز مایع باقیمانده افزایش می یابد. از درجه حرارت معینی به بعد اتصال کریستالهای جامد بصورت نوعی چسبیدگی می باشد که استحکام در بین کریستالها ظاهر می شود اما نرمی و انعطاف پذیری صفر است. در ادامه سرد شدن از درجه حرارت خاص دیگر nil-dutility temperature خاصیت انعطاف پذیری نیز مشهود می گردد که با شیب زیادی همراه با سرد شدن جامد افزایش می یابد.

 این افزایش پس از یک ماگزیمم دوباره رو به کاهش می گذارد فاصله درجه حرارت تردی می نامند که یک عامل مهم و مشخص کننده حساسیت فلز در مقابل ترک برداشتن می باشد.

تردی در منطقه انجماد در اثر حضور لایه های مایع بین دانه های ناپیوسته جامد است. این فاز می تواند یک فاز یوتکتیک و یا حاصل تجمع ناخالصی ها باشد. وقتی این لایه بوجود می اید که مایع خاصیت خیس کردن Wetting بر روی دانه ها را داشته باشد یا با بیان دیگر انرژی سطحی Surtace energy نسبت به مرز دانه ها پایین باشد. بنابراین سولفور منگنز که تمایل به کروی شدن دارد کمک به کاهش حساسیت فلز در برابر این نوع ترک برداشتن می کند .

تنش حاصل از انقباض در حین سرد شدن برابر است با  که E مدول یانگ، ضریب انبساط حرارتی، x فاکتور ممانعت یا مهار restraint و  تغییر درجه حرارت است. احتمال اینکه این تنش در فاصله نسبتا بزرگ از   از استحکام کنشی تجاوز کند زیاد است و چون نرمی نیز وجود ندارد ترک برداشتن یا شکست اتفاق می افتد.

به فاکتور x نیز باید توجه شود که به مقدار زیادی به طرح اتصال ناموزنی اسکلت مورد جوش، مقدار فاصله بین لبه های ورق مورد جوش، ضخامت ورق و نسبت ضخامت ورق به مقطعه جوش بستگی دارد.

ترک برداشتن در دهانه انتهایی فلز جوش یکی از انواع ترکیدگی گرم می باشد. دهانه انتهایی چون سریعتر از قسمتهای دیگر فلز جوش سرد می شود. همچنین انجماد از تمام اطراف شروع و ادامه می یابد. احتمال وقوع حفره های انقباضی و ترک های ناشی از آن Shrinkage crack افزایش می یابد. برای کاهش یا جلوگیری از این عیب بهتر است از ایجاد حوضچه یا دهانه انتهایی در خاتمه مسیر جوش جلوگیری کرد. بابالا بردن و افزایش فاصله الکترود نسبت به سطح کار افزایش سرعت و یا کاهش تدریجی شدت جریان و یا افزایش غذا دادن مفتول (فرآیند جوشکاری TIG یا اکسی استیلن) می توان حتی المقدور این دهانه را بصورت مسطح و یا کم عمق تر درآورد.

ترک برداشتن خط ذوب یا نفوذ و حتی ترکیدگی در منطقه مجاور جوش نیز ممکن است از نوع ترک گرم باشد. بعضی آلیاژها دارای عناصر یا ناخالصی هایی هستند که تولید فازی در مرز دانه ها می کنند که این فاز یا دارای نقطه ذوب پایین بوده و یا باعث می شود که استحکام بین دانه ها را در درجه حرارت نسبتا بالا کاهش دهد سولفیدها کاربیدها با ترکیب پیچیده و یا ترکیبات بین فلزی Intermetallic copound از این مواد محسوب می شوند. حال اگر این آلیاژها تحت سیکل حرارتی جوشکاری قرار گیرند نقاطی بسیار نزدیک به منطقه ذوب درجه حرارت حدود 1300-1150 درجه سانتیگراد می باشد لایه بین دانه ها ذوب شده و با در این درجه حرارت استحکام و فرم پذیری پایین تحت تنش های ناشی از انقباض فلز جوش قرار گرفته و در نتیجه ترکیدگی گرم بوجود می آید.

در اثر نفوذ هوا و اکسیده شدن سطح ترک در درجه حرارت نسبتا بالا غالبا مقطع ظاهری شکست در ترکیدگی های گرم قهوه ای می باشد (در مورد فولادها) گاه با مشاهده این رنگ می توان حدود درجه حرارت شکست را حدس زد.

ترک گرم می تواند در اثر ذرات سرباره محبوس شده (آخال) نیز حاصل شود. اغلب الکترودها و یا فلاکس ها حاوی موادی در ترکیب خود می باشند تا بتواند سرباره ای با وزن مخصوص و نقطه ذوب پائین ایجاد نماید . بدین ترتیب احتمال حبس شدن ذرات سرباره در فلز جوش کم شود.

ترکیدگی در امتداد طولی از قطعه کار در نزدکی یموضع اتصال نیز مشاهده شده است. که ناشی از وجود ذرات طویل شده سرباره در فلز قطعه کار است که این ذرات در ضمن تهیه و نورد فولاد بوجود آمده اند. این نوع ترکیدگی به پارگی سراسری Lamellar tearing مرسوم است.

2.ترک سرد یا زیر خط انجماد هنگامی که ترک در عرض دانه ها ادامه می یابد و علائمی دال بر تمایل پیشرفت ترک در مرز دانه ها مشاهده نشود. به احتمال زیاد ترک از نوع سرد یا زیر خط انجماد است. همانطور که اشاره شد ترک گرم معمولا بالای 1200 درجه فارنهایت (650 درجه سانتیگراد) در حین جوشکاری یا سرد شدن ایجاد می شود. در ادامه سرد شدن تا 600 درجه فارنهایت (316 درجه سانتیگراد) غالبا ترکهایی ایجاد گردد. اما از این درجه حرارت به پایین ممکن است بعد از یک ساعت چند روز چندین هفته پس از جوشکاری ترکهایی ایجاد و رشد یابند که آنها را ترک های سرد می نامند.

شرایط مورد نیاز برای ایجاد ترکهای سرد نیز تقریبا مانند ترک های گرم توام شدن تردی در فلز جوش یا منطقه مجاور آن و تجاوز تنش کششی ناشی از انفصال (یا عوامل دیگر) از حد تنش شکست تردی در این مرحله ممکن است به دلایل بوجود آید از جمله در بعضی آلیاژها فازهایی وجود دارد که در ضمن حرارت (ناشی از جوشکاری)ذوب شده و پس از انجماد و سرد شدن تولید مناطق موضعی و شکننده کنند. دربرخی دیگر تغییر فاز در اثر سیکل حرارتی ناشی از عملیات جوش باعث ایجاد مناطق ترد و شکننده می شود که ایجاد مارتنزیت در بعضی فولادهای یا پرکردن از این نمونه است.

به علت تداخل عوامل متعددی از قبیل جنس مواد مصرفی فرآیند جوشکاری شیب حرارتی، توزیع تنش،  نرخ بارگذاری، محیط خورنده و غیره. تشخیص دقیق و یا علل واقعی ایجاد ترک بسیار مشکل است. غالبا ترک سرد در اثر یک عامل حاصل از انجماد نیز می تواند بعدا در اثر عوامل تشدید کننده در درجات پائین و ترک سرد حاصل نمایند. بطور کلی حالتهایی که احتمال ایجاد ترک سرد را افزایش می دهند عبارتند از:

الف.ترد و سخت شدن منطقه مجاور جوش

ب.ایجاد و پیشرفت تنش های واکنشی و پسماند

ج.هیدروژن تردی

ساختار میکروسکپی فولاد قطعه کار یکی از فاکتورهای مهم در ترک سرد است.

گاه تنش ایجاد شده به حدی نیست که موجب ترکیدگی شود اما بصورت تنش پسماند در قطعه مانده و در حین کاربرد قطعه تحت شرایط خاص اعمال نیرو و تنش وارده مجموع آنها از حد تنش پارگی تجاوز کرده و ترک سرد و گسیختگی زود هنگام شروع می شود.

بنابراین عملیات حرارتی با پس گرم کردن ممکن است در بعضی موارد باعث جلوگیری از ایجاد ترکیدگی سرد شود. پیش گرم کردن برای تقلیل سرعت سرد شدن و جلوگیری از ایجاد فاز ترد تدبیر مفید دیگری است.

همانطور که قبلا اشاره شد علاوه بر ساختار میکروسکپی نامناسب تاثیر تنشهای واکنش و باقیمانده هم حائز اهمیت است ترکیدگی ممکن است توسط تنشهای واکنشی ایجاد شود که قابلیت تغییر فرم پذیری ندارند. غالبا در ورقهای نازک تنش ها دو محوری و در ورقهای ضخیم سه محوری می باشند.

یکی از عوامل که تشدید کننده تنشها در محل اتصالات است شکاف یا درز می باشد تنش ایجاد شده در ریشه شکاف با ازدیاد عمق شکاف افزایش می یابد.

نفوذ ناقص ریشه جوش در اتصال یکطرفه لب به لب با سر به سر نیز عامل تشدید کننده ترک ریشه ای root cracking است.

ارتفاع زیاد گرده جوش بالنتیجه زاویه کوچک گوشه جوش Reentrant angle و زیر-برش یا سوختگی کناره جوش Under cut می توانند تشدید کننده و تمرکز دهنده تنش در موضع خاص و کوچکی شوند که احتمالا نتیجه آن ترک گوشه ای خواهد بود.

عامل سوم و موثر بر روی ترک سرد مقدار هیدروژن در جوش است (غالبا از طریق رطوبت و چربی ها وارد مذاب می شود) تئوری و مکانیسم هیدروژن تردی بسیار مفصل و پیچیده است که بطور خلاصه بررسی می شود.

بعلت کوچکی اندازه اتمها ی هیدروژن این عنصر در فولاد می تواند به راحتی حل شده و در حالت جامد هم به شبکه اتمی آهن نفوذ نموده و از جایی به جایی دیگر حرکت کند. تاثیر قوی تردی هیدروژنی بر روی ایجاد ترکیدگی سرد موضع جدیدی نیست که در سیم و ساختن فنرها تاثیر هیدروژن بر روی ترد شدن آنها مطالعه شده است.

حال اگر فلز جوش که با الکترود دستی بر روی فولاد رسوب داده شده در نظر گرفته شود ممکن است حدود gr100/ml30 (میلی لیتر درصد گرم فلز جوش) هیدروژن در مذاب فلز جوش حل شده باشد که همزمان با سرد شدن مذاب حلالیت گاز کم شده و مقداری از هیدروژن بصورت ملکول گازهای دیگر به خارج رها می شوند. ولی بعلت سرد شدن مذاب فلز جوش مقداری از گاز هیدروژن در جوش محبوس می شود که در ادامه سرد شدن به حد اشباع می رسد. مقداری از اتمهای هیدروژن به اطراف نفوذ کرده و حتی به سطح فلز آمده و آزاد می شوند. مقدار دیگر از آن به ساختار کریستالی یا شبکه اتصال فولاد که درایا هیدروژن حل شده کمتری است و یا به هر فضای آزاددیگر شامل حفر ناپیوسته ساختار کریستالی discontinuities در داخل فلز منتقل می شوند. واضح است که این نرخ نفوذ نیز با پائین آمدن درجه حرارت کاهش می یابد.

با توجه به نکات بالا می توان گفت که میزان هیدروژن باقیمانده در فلز جوش به میزان تاثیر هیدروژن به مشخصات زیر بستگی دارد:

الف-واکنش با اکسیژن، کربن، کوگرد و احیانا عناصر دیگر و ایجاد ترکیب گازی

ب-نفوذ در حفره ها و ملکولی یا حباب شدن آنها

ج-داخل شدن به فضای خالی اطراف ذرات ناخالصی ها و احتمالا بصورت آب در آمدن (احیانا اکسید)

د-جذب شدن به منطقه مجاور جوش

ه-نفوذ کردن به سطح و آزاد شدن در هوا

واضح است درجه حرارت بین پاسی Inter pass temperature و زمان نگهداری جوش در درجه حرارت محیط یا احتمالا درجه حرارتی بالا می تواند بر مبنای هیدروژن باقیمانده و موارد فوق تاثیر بگذارد

بعلت مشکلات در اندازه گیری هیدروژن در فلز جوش یا منطقه مجاور آن مطابق در نحوه ورود هیدروژن از اتمسفرد قوس یا طرق دیگر کمی مشکل است اما به هر صورت توزیع هیدروژن باقیمانده در لایه نزدیک به سطح با هیدروژن در قسمت میانی ورق چنین در فازهای مختلف متفاوت است بعنوان مثال اوستینت قابلیت حلالیت بیشتر برای هیدروژن نسبت به فریت دارد.

در مورد مکانیسم هیدروژن تردی تئوریهای مختلفی موجود است. نخستین تئوری می گوید هیدروژن اتمی حل شده فوق اشباع در شبکه کریستال می تواند در روی سطح گونه حفره ها ی کوچک و یا درزهای ریز بین ناخالصی ها در مرز دانه ها Perfection   یا درزهای ریز در اطراف ذرات ناخالصی ها rifts and voids رسوب یا حل شود Precipitate. در این مواضع بسیا رکوچک هیدروژن از حالت اتمی بصورت مولکولی در میآید و بعلت رابطه مجذوری که بین فشار مولکلولی با فشار اتمی هیدروژن جذب شده وجود دارد. فشار زیادی در این حفره ها و درزهای کوچک ایجاد می گردد. بعنوان مثال مقدار 1ml/100gr هیدروژن جذب شده می تواند فشاری در حدود Psi200000 تولید کند. عقیده بر این است که این فشار میت واند تنش های سه بعدی لازم برای ایجاد منبع حساس در برابر شکست را بوجود اورد.

تئوری دیگر معتقد است که رسوب و جدایش هیدروژ در سطوح عیوب کریستالی Internal lattice imperfection rifts باعث کاهش انرژی سطحی و پائین آوردن تنش می شود که می تواند سبب وسعت دادن درزهای فوق میکروسکوپی Submicroscopic rifts به ترکیدگی شود هر دو تئوری براساس تنش های حاصله از دیفوزیون و رسوب هیدروژن مطرح شده است.

عقیده کلی برآنست که تردی هیدروژنی و ترک ناشی از آن در سه مرحله :

-تامل Incubation

-رشد آهسته ترک

-رشد ترک با سرعت بالا حتی به مناطقی که هیدروژن کمی هم دارند.

حاصل می شود.

هیدروژن تمایل دارد در نواحی تنش های سه محوری که استحکام چسبندگی Cohesive strength کم است متمرکز شود. بعنوان مثال در نواحی اطراف عیوب ترکهایی مویی یا شکاف سطحی هنگامیکه غلظت تمرکز و تجمع هیدروژن در این نواحی پرتنش به حد معینی رسید نطقه ترک ایجاد شده و رشد آن در محلهاییکه استحکام شکست بالاتری دارند احیانا متوقف می شود اما به محض توقف ترکیدگی دوباره منطقه تنش سه بعدی و متمرکز شدن هیدروژن شروع شده و احتمالا این سیکل تکرار می شود تا به حد بحرانی طول ترک برسد.

درجه تردی تولید شده توسط هیدروژن مقداری به استحکام فولاد بستگی دارد به طور کلی تردی به ازا مقدار معینی از هیدروژن با افزایش استحکام فولاد ازدیاد می یابد بعنوان مثال فولادهای خیلی مقاوم (استحکام حدود Ksi300) می تواند حتی با مقدار 1ml/100gr هیدروژن ترد و شکننده شود و این اثر مشهود گردد.

همانطور که اشاره شد یکی از فاکتورها نفوذ و تحرک هیدروژن از ناحیه ای به ناحیه دیگر است و این  فاکتور خود متاثر از درجه حرارت است  .  عملا بین      F 200-150 درجه تا  بیشترین اثر تردی هیدروژنی مشاهده شده است. در درجه حرارت های بالا مقدار دیفوزیون به حدی است که هیدروژن می تواند از سطح فلز بخارج رها شود.

نرخ اعمال تنش و همچنین ضخامت قطعه فاکتورهای دیگری هستند که خالی از اهمیت نیستند. در بررسی ایجاد ترکهای سرد در جوشکاری این نکته را نباید فراموش کرد که در یک حد تنش ماکزیمم است که ترک برداشن هیدروژنی بدون وقفه پس از سرد شدن جوش از حدود 200 درجه فارنهایت ایجاد می گردد و در یک حد مینیم تنش این نوک ترکیدگی در حالت استاتیکی ایجاد نمی گردد. در بین این دو حد تنش این پدیده احتمالا با تاخیر بوقوع می پیوندد.

یک نمونه از ترک سرد ناشی از هیدروژن غالبا در زیر فلز جوش در منطقه ای بسیار نزدیک آن بنام ترکهای ریز فلز جوش Underbead creaking در فولادهای آلیاژی دیده می شود که بسته به وضعیت توزیع تنش های پسماند ، موقعیت تشدید کننده تنش Stress raiser و یا نیروهای اعمال شده در امتداد و جهت های متفاوت حتی از منطقه مجاور جوش بطرف فلز قطعه کار در فاصله ای دورتر هم پیشرفت کرده و مشاهده می شود.

اما بهر حال هیدروژن می تواند فلز جوش را نیز ترد کرده و نوعی از ترک سرد را بوجود آورد. این عیب بنام چشمهای ماهی Fisheyes از زمان نسبتا طولانی شناخته شده است. چشم ماهی معمولا توسط یک نوع ناپیوستگی شبیه حفره های گاز gas pocket با ذرات محبوس شده غیر فلزی احاطه شده است.

ظاهرا هنگامیکه اتم هیدروژن در سطح حفره ها یا ترکهای ریز رسوب کرده و به فرم مولکولی در می آید فشار حاصل می تواند به اندازه کافی بزرگ باشد تا سبب یک تغییر طولی یا کش آمدن در کریستالهای شبکه اطراف حفره می باشد. این حوزه تنش ممکن است به اندازه ای که در شکاف تیز یا تیرک ایجاد شده و منجر به ادامه ترک برداشتن می شود شدید نباشد ولی این حوزه تنش موضعی می تواند سبب نفوذ بیشتر هیدروژن به این منطقه شود. هنگامی که فلز جوش تحت نیرو یا کش آمدن با نرخ نسبتا آرام (تحت کشش یا خمش) قرار گیرد هیدروژن بیشتری به محیط اراف حفره نفوذ کرده و این سطوح و مناطق موضعی به صورت مسطح با شکست ترد گسسته می شود. بعلت زمان کم ادامه مکانیسم تردی هیدروژن در کلیه مناطق امکان پذیر نخواهد بود و بقیه مناطق همراه با مقداری تغییر فرم پاره می شود و ظاهر سطح مقطع شکست به شکلی دیگر مشهود می شود.

برای کاهش ایجاد چشمهای ماهی کافی است که قطعه را قبل از آزمایش در در جه حرارتی بین 1300-200 درجه فارنهایت (700-900درجه سانتیگراد) برای مدت زمان معین حرارت داد. طبیعتا در جه حرارت پائین کمتر با ضخامت زیادتر به زمان بیشتری نیاز دارد. بدین ترتیب مقداری از هیدروژن تحت قوانین نفوذ خارج می شود. مقطع شکسته شده نمونه آزمایش ضربه تعداد کمتری چشمهای ماهی را نشان می دهدو این نتیجه تائیدی مکانیسم گفته شده در بالا است.

بطور کلی سه تدبیر اساسی برای جلوگیری یا کاهش احتمال ترک سرد ناشی از هیدروژن مورد توجه است.

الف- استفاده از مواد مصرفی و فرآیندهای جوشکاری با هیدروژن کم، در جوشکاری با الکترود دستی مصرف الکترودهای قلیایی و پیش گرم کردن الکترود می تواند تا حدود به کاهش هیدروژن در فلز جوش منجر شود. اما فرآیندهای دیگر جوشکاری نسبت به شرایط و امکانات ممکن است مقدار هیدروژن را به مینیمم برساند.و بعنوان مثال فرآیند جوشکاری با اشعه الکترونی

ب-امکان دادن برای رها شدن گاز از درون فلز گاه با عملیات پس گرم کردن کنترل درجه حرارت بین پاسها می توان به مقدار زیادی از هیدروژن این شانس را داد به بیرون نفوذ کند در بعضی فرآیندها ایجاد خلا در ضمن جوشکاری لازم می باشد خلا تقلیل فشار خارجی خروج گازها از جمله هیدروژن را تسهیل کرده و مقدار آنرا کاهش می دهد.

ج-کنترل ساختار میکروسکوپی میزان کربن و تنش های داخلی یا اعمال شده.

10-ذرات سرباره محبوس شده Slag inclusion

هر نوع ذرات غیر فلزی محبوس شده در فلز جوش را اصطلاحا ذرات سرباره محبوس شده آخال Inclusion می نامند. منبع این ذرات لزوما از پوشش الکترود با سرباره نیست بلکه محصول واکنش های مختلف سرباره فلز نیز می تواند باشد. شکل این ذرات در تاثیر چندانی بر روی خواص مکانیکی ندارد اما در مقدار زیاد و به ویژه ابعاد بزرگ و احیانا کشیده شده (طویل) بر روی خواص مکانیکی بویژه مقاومت ضربه ای تاثیر سو دارد.

ذرات سرباره یا محصول واکنشهای عناصر اکسیژن زدا یا اکسیژن (یا اکسیدهای ناپایدار) در مذاب می تواند به صورت مایع و یا جامد و بطور هموژن در فلز جوش توزیع شده باشد.

گاه ذرات سرباره محبوس شده به شکل کروی و هموزن در مقطع فلز چوش دیده نمی شوند که علل مختلفی باعث ایجاد آنمها خواهند بود که اهم آنها عبارتند از»

الف-ریخته شدن پوشته شکسته شده الکترود به مذاب

ب-استفاده از الکترودی که قسمتی از آن بدون روپوش است

ج-ورود هوا در اثر سهل انگاری جوشکار در حرکات نامناسب الکترود یا مشعل

د-عدم دقت در تمیز کردن سرباره در انتهای چاش جوش در تعویض هرالکترود

ه-عدم توجه به تمیز کردن سرباره در کوشه ها و زوایای جوش رسوب داده شده پاس قبلی بویژه در لبه های یخ سازی شده جناقی با زاویه کوچک

خطرات سرباره در حالت دوم بمراتب بیشتر از حالت ریز و هموژن است.

مقدار ذرات سرباره محبوس شده در حالت غیریکنواخت که بیشتر در اثر عدم رعایت نکات تکنیکی بوجود آده اند راحتتر قابل کاهش و کنترل ست برای تقلیل ذرات سرباره محبوس شده کروی و توزیع شده در سرتاسر جوش مطالعات و تحقیقات بسیار شده است که این پژوهش ها نشان می دهد شکل و چگالی و نوع ترکیب ذرات ترکیب و درجه حرارت و ویسکوزیته مذاب میزان بهم خوردن و تلاتم محیط ذوب و همچنین میزان چسبندگی این ذرات به لایه سرباره عوامل تعیین کننده و موثر در کنترل و کاهش ذرات محبوس شده نهایی هستند. به عنوان مثال ذرات درشت تر سریعتر از ذرات ریز به سطح مذاب شناور می شوند. یا ذرات در مذاب گرم تر یا ویسکوزیته پایین تر نسبت به مذاب سرد و ویسکوزیته بالاتر سریعتر بهمدیگر متصل شده و بطرف بالا حرکت کنند. در عوض مذاب گرم امکان حل شدن بیشتر ذرات و ناخالصی ها در آن را فراهم می سازد. بهم زدن و تلاتم زیاد و سرعت سرد شدن سریع مذاب احتمال محبوس شدن ذرات شناور در مذاب لابلای کریستالهای جامد را افزایش می دهد.

11.تقعر در گرده جوش (Concavity)

1.سرعت زیاد

دلایلی که باعث به وجود آمدن این عیب می شود هنگامی که سرعت جوشکاری بالا باشد کانالی توسط برخورد الکترونها از الکترود به قطعه به وجود می آید و از طرف دیگر مواد مذابی که وظیفه پر کردن این کانال را دارند برای اینکه سریعتر این کار را انجام دهند نمی توانند به طور کامل کارشان را انجام دهند در نتیجه کانال به طور کامل و به اندازه کافی پر نمی شود و این عیب به وجود می آید.

2.شدت جریان بالا

هنگامی که شدت جریان در جوشکاری زیاد باشد، پاشش مذاب هم افزایش می افتد همچنین نفوذ در جوشکاری بیشتر می شود در نتیجه بنابراین دو اصل وقتی شدت جریان افزایش می یابد از طرفی کانالی که توسط الکترودنها حفر می شود عمق بالایی دارد و از طرف دیگر ذرات مذابی که وظیفه پر کردن این کانال را دارند به دلیل پاشش زیاد مقدارشان کمتر می شود و وقتی در این کانال رسوب می کنند به نمی توانند طور کامل این کانال را پر کنند و این عیب به وجود می آید.

2.تحدت در گرده جوش (Convexity)

دلایل به وجود آمدن این عیب دقیقا برعکس تقعر در جوشکاری می باشد

1.سرعت جوشکاری کم باشد

2.شدت جریان در جوشکاری پایین باشد

پیچیدگی و تنش د رجوشکاری

وقتی فلز در معرض گرما قرار می گیرد منبسط می شود اما اگر گرما فقط به یک ناحیه برسد ممکن است انبساط موضعی و در نتیجه نایکنواخت رخ دهد.

فلزی که در اطراف ناحیه گرما دیده قرار دارد ممکن است نسبتا خنک بماند و مانع انبساط ناحیه گرم شود بنابراین هرگاه فلز به نقطه تسلیم برسد تغییر شکل دائمی در  آن ایجاد می شود در اینصورت وقتی فلز سرد شود شکل اولیه خود را باز نمی یبابد بلکه به همان صورت پیچیده باقی میم ماند همین اتفاق ممکن است در هنگام سرد شدن قطعه نیز بیفتد. فلز سردتر اطراف موضع جوشکاری مقاومت می کند و تنهاش انقباضی نیز به پیچیدگی اضافه می شوند میزان پیچیدگی بر تنشهای ساختاری باقیمانده در قطعه پس از سرد شدن آن تاثیر چشمگیری دارد.

در بیشتر موارد با استفاده از فرآیندی به نام تنش زدایی می توان این مشکل را برطرف کرد در تنش زدایی قطعه را تا دمایی معین که معمولا کمتر از دمای تبلور مجدد فلز است در محیط تحت کنترل گرم می کنند بدین ترتیب تنشهای قطعه حذب می شود و بدون آنکه ساختار آن تغییر چندانی پیدا کند.

به علاو با بالا رفتن دما استحکام فلز جوش به شدت کاهش می یابد و چون جرم فلز وش در مقایسه با جرم کل قطعه اندک است در هنگام سرد شدن قطعه فلز جوش ناگزیر است که بیشترین جریان نوسان را انجام دهد. اگر این جریان مومسان از استحکام کششی نهایی فلز فراتر رود ممکن است قطعه دچار شکست شود.

انواع پیچیدگی

در صورت بی دقتی و پیشگیری نکردن از ایجاد پیچیدگی ممکن است در سازه های جوشکاری شده سه نوع پیچیدگی پدید آید پیچیدگی زاویه ای پیچیدگی طولی و پیچیدگی عرض .

به عبارت دیگر باید ورقها را طوری کنار هم گذاشت که پس از ایجاد پیچیدگی وضعیت مطلوب را پیدا کنند یکی از راه حلها جوش دادن یک نمونه آزمایشی و اندازه گیری مقدار پیچیدگی زاویه ای آن با استفاده از نقاله است.

برای کاهش پیچیدگی می توان از مرحله طراحی اقدام کرد در مرحله طراحی می توان میزان جوشکاری را به حداقل ممکن کاهش داد. این تدبیر شامل تا کردن ورق یا به کارگیری آن دسته از فرآیندهای جوشکاری است که پایینترین آهنگ گرمادهی را دارند.

اگر پیشگرم کردن قطعات امکانپذیر باشد و بتوان آهنگ سرد شدن پس از جوشکاری را کنترل کرد آنگاه پیچیدگی را نیز می توان کنترل کرد اما همیشه این کار عملی نیست.

استفاده از جوشکاری پرشی و برگشت به عقب یا استفاده انقباض یک جوش برای مقابله با انقباض جوش دیگر مثلا در هنگام جوشکاری اتصال جناغی دو طرفه یا بازسازی یک محور فرسوده از آن جمله است

 خال جوشها یا گیره ها را فقط وقتی می توان برداشت که قطعات کاملا سرد شده باشند.

یادآوری می کنیم که در حین ساخت قطعات مثلا از طریق شکل دادن و نورد کاری سخت قطعات تحت تنش قرار می گیرند سپس هنگامی که فلز در حین جوشکاری گرم می شود این تنشها حذف می شوند اما قطعه پیچیدگی پیدا می کند.

در جوشکاری مبرد قطعه ای بزرگ از فلز است که آنرا در مجاورت خط جوش قرار می دهند. مبرد گرمای ایجاد شده در هنگام جوشکاری را دفع می کند و وسعت منطقه متاثر از گرما را به حداقل می رساند  گاهی از یک قطعه یا تسمه مسی به عنوان مبرد استفاده می کنند زیرا مس رساننده بسیار خوب گرماست و بنابراین گرما را از ناحیه جوش دور می کند. پس استفاده از مبرد یکی دیگر از راههای کنترل پیچیدگی است.

ترک خوردن جوش

نیروهای انقباضی که در هنگام سرد شدن جوش ایجاد می شوند به جوش تنش کششی اعمال می کنند و ممکن است سبب بروز یکی از اجدیترین مشکلات جوشکاری یعنی ترک خوردن بشوند.

قطعه جوشکاری شده ممکن است در محل خط جوش در منطقه متاثر از گرما یا در هر دو ناحیه ترک بخورد. ترکها ممکن است بزرگ باشند و با چشم غیر مسلح دیده شوند که آنها را ترک درشت می نامند یا ممکن است از نوعی باشند که خط زیر میکروسکوپ می توان آنها را دید و ترک ریز یا ترک میکروسکوپی نامیده می شوند.

ترکهایی که در دمایی بالاتر از دمای خط انجماد تشکیل می شوند ترک گرم نام دارند. ترکهایی که در زیر این دما ایجاد می شوند ترک سرد نام دارند. ترک سرد غالبا در جوش فولادهای کم آلیاژ و در دمای محیط ایجاد می شود.

از دیدگاه متالورژیکی و بنابراین از دیدگاه مهندسی جوشکاری تمایز قائل شدن بین ترکهای گرم و سرد بسیار اهمیت دارد. بنابراین موضوع ترک خوردن جوش را تحت دو عنوان بررسی می کنیم.

ترک گرم

وضعیت باید حاکم باشد تاقطعه در چرخه گرمایی جوشکاری ترک بخورد

1.فلز باید فاقد شکلپذیری باشد

2.تنش کششی ناشی از انقباض باید از تنش گسیختگی بیشتر شود.

شکلپذیر نبودن در دمای بالا معمولا از آثار وجود فیلمهایی با نقطه ذوب پایین در مرز دانه ها مانند سولفیدها در فولاد یا ترکیب او تکنیک در بعضی آلیاژهای آلومینیوم حساس به ترک ناشی می شود.

تنشهایی که به گرم شکنی کمک می کند معمولا تنشهای انقباضی هستند که در هنگام سرد شدن فلز جوش پدید می آیند بدیهی است که وقتی درز جوش مقید است و نمی تواند حرکت کند این تنشها بیشترین مقدار خود را دارند. بنابراین در هنگام جوشکاری ذوبی باید به عامل مهمی مانند قید توجه کرد و در صورت امکان آن را به حداقل رساند یا با آن مقابله کرد.

گرم شکنی معمولا طولی است و در وسط جوش رخ می دهد اما گاهی نیز در فواصل منظم و در امتداد عرضی ایجاد می شود فاصله بین ترکها از 12 تا 150 میلمتر تغییر می کند.

منگنز گوگرد را کروی می کند و می تواند مانع از ترک خوردگی ناشی از فیلمهای سولفیدی کم استحکام شود. اگر مقدار کربن از 15/0 درصد کمتر و نسبت Mn/s در فلز جوش از 15 بیشتر باشد خطر گرم شکنی به شدت کاهش می یابد.

ترک سرد

فلز پایه در نزدیکی خط جوش ترک می خورد و معمولا در صورت بالا بودن آهنگ سرمایش همراه با حضور هیدروژن این پدیده رخ می دهد. ترکهای سرد پس از سرد شدن فلز جوش تشکیل می شوند و گاهی ساعتها یا حتی روزها پس از جوشکاری پدید می آیند.و به همین سبب آنها را ترک سرد می نامند.

به دلیل خطراتی که ممکن است ترکهای مخفی ایجاد کنند انتخاب راه کارهای جوشکاری مناسب و پیروی دقیق از آنها اهمیت بسزایی دارد.

در هنگام جوشکاری ذوبی فولاد با استفاده از فرآیند قوسی بخشی از فلز پچایه با فلز جوش مخلوط می شود (رقیق شدن) اگر از سیم جوش استفاده نشود (جوش لبه برگشته) جوش را خودزاد می نامند زیرا خط جوش صرفا از فلز پایه تشکیل شده است.

چون فلز تا رسیدن به نقطه ذوب گرم می شود شیب دمایی از طرف جوش به طرف فلز پایه وجود دارد. به محض قطع قوس موضع جوشکاری به تمامی سرد می شود و داغترین بخش فلز سریعتر از همه بخشها سرد خواهد شد .

وجود مارتنزیت سخت و شکننده به معنای حضور ساختاری مستعد ترک خوردن است هر ترکی که در این ناحیه تشکیل شود با وجود هیدروژن مرتبط است.

اتمهای هیدروژن تمایل دارند با یکدیگر ترکیب شوند و مولکول هیدروژن تشیکل دهند. مولکولهای هیدروژن تجمع می یابند و فشار بسیار زیادی وارد می آورند که مدتی پس از جوشکاری ترک ایجاد می کند وجود هر نوع تنش باقیمانده نایش از مقید بودن خط جوش برشدت ترک خوردن می افزایشد.

هیترکیب شیمیایی فولاد تعیین کننده پاسخ آن به عملیات گرمایی و بنابراین مستعد بودن آن به ترک خوردن است. کربن بیشترین اثر رادارد و اثر سایر عنصرهای آلیاژی را می توان بحسب درصد کربن بیان کرد. بدین ترتیب مستعد بودن فولاد به ترک خوردن در منطقه سخت (یا سرد شکنی) را می توان با عددی به نام کربن معادل نشان داد.

 

logo-samandehi