جوشکاری چدن
جوش کاری از علوم قدیمی بوده که از عصر آهن به بعد به نحوی در رابطه با اتصال فلزات مورد استفاده قرار می گرفته است و با کشف آهن و نیاز به ساخت ابزار ، بشر برای اتصال فلزات ، فنونی را آموخت و تحولات اساسی در این زمینه عمدتا" در اواخر قرن 19 میلادی آغاز شد و پایه آن چه امروز تکنولوژی جوش کاری نامیده می شود ، نهاده شد .
الکترود ذغالی توسط Bernardo روسی در سال 1885 میلادی ، الکترودهای پوشش دار توسط Kjellberg سوئدی در سال 1907 میلادی و روش جوش کاری با گاز محافظ و الکترودهای غیر مصرفی (TIG) توسط آمریکایی ها در دهه سال 1930 توسعه و در طول جنگ جهانی دوم همراه با روش های متکی بر استفاده از گاز محافظ و الکترود مصرفی (MIG/MAG) به عنوان روش های صنعتی کاربرد گسترده ای یافت و امروزه در برخی از روش های موجود ، ربات های جوش کاری می توانند اجرای قطعات کار را دیده ، محل شروع و اختتام اتصال را تعیین نموده و عملیات جوش کاری را به صورت کاملا" خودکار انجام دهند .
جوش کاری مکانیزه بیش از 30 سال است که در نقاط مختلف دنیا در خطوط لوله به کار گرفته شده است . این روش ابتدا در خطوط دریایی مورد استفاده قرار گرفت . در اولین پروژه خط لوله به طول 2973 کیلومتر توسط خط لوله آلیانس اجرایی گردید و تا به امروز نزدیک به 000/40 کیلومتر توسط این روش مورد جوش کاری قرار گرفته است .
صنعت گاز روز به روز به سمت استفاده از لوله هایی با استحکام بالاتر پیش می رود و امکان به کارگیری لوله ها با ضخامت دیواره کمتر امکان پذیر می شود که خود باعث کاهش هزینه های حمل و نقل و مقدار فلز پرکننده جهت جوش کاری می گردد که موجب بهره گیری از فشار عملیاتی (MAOP) بالاتر در خطوط لوله و افزایش ظرفیت بهره برداری می شود .
با توجه به آماده بودن دستگاه جوش مکانیزه در نظر است آزمایش های لازم بر روی جوش های انجام شده با بهره گیری از روش اولتراسونیک (U.T) که از دقت و سرعت عمل بالایی نسبت به تست رادیوگرافی برخوردار است ، استفاده گردد .
باتوجه به تست این سیستم در مرکز آموزش جوش تأسیسات گاز ری در سال 86 و همچنین در سایت عملیاتی در سال 87 ، دستگاه جوش اتوماتیک در مقایسه با روش دستی از مزایای مهمی از جمله : سرعت بالا (در روش مکانیزه تقریبا" 3 برابر روش دستی) ، نرخ رسوب بالا (در روش دستی 36/1 کیلوگرم در ساعت و در روش جوش مکانیزه 6/3 کیلوگرم در ساعت ) ، کاهش نرخ تعمیرات جوش بین صفر تا 30% ، کم شدن تعداد پاس های جوش کاری ، کاهش زمان اجرای کار با توجه به تعداد پاس های کمتر ، کاهش درصد تعمیرات و عیوب جوش ، عدم حضور سرباره ، جرقه و دود بسیار کم ، عدم امکان بروز عیوبی مانند لکه قوس (Arc burn) و سوختگی کنار جوش(L.O.F) ، کاهش زمان آموزش اپراتورها (صرف مدت زمان 25ساعت) ، کاهش نیروی ماهر و دارا بودن اپراتوری آسان برخوردار می باشد .
به منظور تغییر در تکنولوژی جوش کاری خطوط لوله از روش دستی به مکانیزه با هدف افزایش راندمان کاری ، بهبود در کیفیت جوش و صرفه جویی در زمان ، دستگاه جوش اتوماتیک در مسیر خط لوله هشتم سراسری حد فاصل ابرکوه – نایین به ضخامت 125 /1 اینچ مورد بررسی و آزمایش قرار گرفت .
جوشکاری چدن ها
جوشکاری یکی از مهم ترین فرایندهای ساخت و تولید در صنعت می باشد و در صنایع مختلف نظیر خودرو سازی ، نفت و گاز ، پتروشیمی ، تاسیسات و ساختمان و پل ها ، حمل و نقل ، کشتی سازی ، صنایع ریلی ، نیروگاه ها ، صنایع دفاعی و هوا فضا ، محصولات پزشکی ، الکترونیکی و تجهیزات دقیق و ..... کاربردهای فراوانی دارد . کشور ایران در حال پیمودن مسیر توسعه صنعتی بوده و از این رو صنعت جوش برای کشور از اهمیت ویژه ای برخوردار است . بنابراین آموزش منسجم و هماهنگ با جهان در این صنعت ، یکی از نیازهای مهم کشور تلقی می گردد .
چدن ها گروهی از آلیاژهای آهنی با خواص گوناگون و متنوع اند و به جای این که در حالت جامد روی آنها کار انجام گیرد در حالت مذاب به شکل دلخواه ریخته گری می شوند . بر عکس فولادها که کمتر از 2% کربن و معمولاً کمتر از 1% کربن دارند ، چدن ها 2 تا 4% کربن و 1 تا 3% سیلیسیم دارند . سایر عناصر فلزی و غیر فلزی نیز برای کنترل و ایجاد ویژگی های خاص اضافه می شوند . علاوه بر ترکیب شیمیایی ، عوامل مهم دیگری از قبیل فرایند انجماد ، نرخ انجماد و عملیات گرمایی بعدی بر خواص آنها تاثیر می گذارد . چدن ها عالی ترین آلیاژهای ریخته گری اند و دارای گسترده ی وسیعی از استحکام و سختی و در بعضی موارد خواص ماشینکاری خوبی می باشند .
انجام عملیات جوشکاری روی قطعات ریخته شده چدنی به دلیل الزاماتی است که به برخی از مهمترین آنها اشاره شده است :
الف) برطرف کردن بعضی عیوب ریخته گری که پس از بیرون آوردن قطعه از قالب یا در حین تراشکاری ظاهر می شوند ، نظیر حفره های گازی ، حفره های ناشی از ریزش ماسه یا حبس سرباره ، ترک های موضعی ، کشیدگی یا تغییر ابعاد در بعضی مواضع کوچک .
ب) تعمیر قطعات مستهلک که از نظر اقتصادی یا عدم دسترسی به تکنولوژی ساخت آنها بهتر است که از طریق جوشکاری بازسازی شوند . این مورد خود دو حالت دارد : قطعات شکسته شده و قطعات سائیده شده و یا خورده شده .
ج) اتصال دو یا چند قطعه که ریختگی آن به صورت واحد با مشکلاتی همراه بوده یا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیستند .
جوشهای انجام شده در موارد فوق از نظر کلی سه مشخصه ی زیر را دارند :
1- جوش های تحت تنش ، که باید موضع جوش داده شده دارای حداقل خواص مکانیکی مورد نظر بوده یا با بقیه قطعه برابری کند .
2- جوشهایی که تحت تنش قرار نمی گیرند و خواص مکانیکی آنها قابل مقایسه با قطعه ی مورد نظر نیاز نیست . غالباً قابلیت ماشین کاری و در بعضی موارد تطابق رنگ موضع جوش داده شده با بقیه ی قطعه لازم است . این حالت بیشتر در تعمیرات بعضی عیوب قطعات ریختگی مورد نظر است .
3- مقاومت سطحی در مقابل خوردگی ، سائیدن ، خراش و اصطکاک در موضعی که فلز جوش رسوب داده شده ، درخواست می شود . در این موارد از فلز پرکننده خاصی با ترکیب شیمیایی ویژه استفاده می شود که بیشتر در مواضع سائیده شده قطعات چدنی مستهلک ، یا بالا بردن کارآیی قطعات چدنی نو کاربرد دارد .
جوش پذیری چدن ها
چدنها در مقایسه با فولادهای کربنی دارای قابلیت جوشکاری کم و محدود تری هستند . در میان چدن ها ، چدن با گرافیت کروی بهترین جوشپذیری را دارا است و بعد از آن چدن چکش خوار قرار دارد . جوشکاری چدن خاکستری به مهرت و توجه ویژه نیاز دارد و چدن خاکستری را به دشواری زیاد می توان جوشکاری کرد .
با این ملاحظات دامنه جوشکاری چدنها بسیار محدود می شود و صرفا به تعمیر و اصلاح قطعات ریخته شده و قطعات فرسوده و شکسته شده منحصر می گردد .
علت های جوش پذیری محدود چدن ها :
- بعلت زیادی کربن در فلز مبنا ، سیکل جوشکاری باعث ایجاد کاربیدهایی در منطقه فلز جوش و تشکیل فاز مارتنزیت پرکربن در منطقه متاثر از حرارت HAZ میشود . هردوی این ریز ساختار ها شکننده بوده و باعث ایجاد ترک در حین جوشکاری و یا بعد از آن می شود . این مطلب در مورد تمامی چدن ها مصداق دارد .
- به علت ضعف چقرمگی ، چدن ها قابلیت تغییر شکل پلاستیکی را ندارند و از این رو نمی توانند تنش های حرارتی ایجاد شده جوشکاری را تحمل کنند . هرچه نرمی چدن بهبود یافته باشد احتمال ترک خوردگی آن کاهش می یابد . لذا چدن چکش خوار و چدن با گرافیت کروی کمتر از چدن خاکستری ترک خواهند خورد .
با توجه به عامل اول شکنندگی منطقه HAZ به میزان و سهولت حل شدن گرافیت در آستنیت در حین جوشکاری بستگی پیدا میکند . در مورد چدن خاکستری که دارای پولک های گرافیتی با سطح رویه نسبتا وسیعی می باشند ، انحلال این نوع گرافیت در آستنیت به سهولت انجام می شود . در حالیکه در مورد چدن با گرافیت کروی ، چون نسبت حجم رویه به حجم کره گرافیت کم می باشد بنابراین مقدار گرافیت کمتری در آستنیت حل میگردد و در نتیجه کاربید های درشت کمتری و مارتنزیت کم کربن تری در منطقه HAZ تشکیل میشود . این مطلب گواه دیگری بر قابلیت بهتر جوش پذیری چدن با گرافیت کروی در مقایسه با سایر انواع چدن ها ست .
برای اجتناب از تمایل منطقه حرارت پذیرفته به ترک خوردن لازم است که قطعه چدنی را در موقع جوشکاری با قوس برقی با انرژی حرارتی کم جوشکاری نمود . زیرا این روش باعث کاهش پهنای منطقه سخت و شکننده کنار فلز جوش می شود . برای غلبه بر سختی و تردی منطقه حرارت پذیرفته اعمال تدابیری نظیر پیش گرمایش و خنک کردن تدریجی قطعه جوشکاری شده ضرورت دارد .
در مورد جوشکاری چدن با قوس برقی دامنه درجه حرارت پیش گرم از درجه حرارت محیط کارگاه تا 300 درجه سانتی گراد توصیه میشود . این حرارت برای جوشکاری با استیلن در محدوده 450-650 درجه سانتی گراد قرار دارد . چدن خاکستری به حرارت پیش گرم بیشتری زیادتری و چدن با گرافیت کروی و چدن چکش خوار به درجه حرارت پیشگرم کمتری نیاز دارند. درجه حرارت پیش گرم و محدوده آن به نوع چدن ، اندازه قطعه ، روش جوشکاری ، نوع الکترود و مقدار فلز جوشی که باید رسوب داده شود بستگی پیدا میکند .
در مورد قطعات حساس ریختگری چدنی ، درست پس از خاتمه جوشکاری عملیات تنش زدایی از طریق حرارت دهی قطعه تا حدود 600 درجه سانتی گراد و نگهداری در این حرارت بمدت کافی صورت می پذیرد.
معرفی چدن(Cast Iron)
چدن یکی از اقسام فلزی است که در صنعت کاربرد دارد و همیشه به شکل ریخته گری شده مورد استفاده قرار میگیرد. از آنجایی که چدن شکننده است نمی توان آنرا نورد کرد یا کشید و یا آهنگری نمود. در واقع چدن آهن آلیاژ داده شده با کربن است.وجود ۵/۲ درصد کربن،۱ تا ۳ درصد سیلیسیوم و مقادیر قابل توجهی گوگرد و فسفر از مشخصه های کلی چدن است.برای بهبود خواص مکانیکی و مقاومت به خوردگی چدن را با عناصری نظیر کرم و مس و مولیبدن و نیکل آلیاژ دار میکنند.این گونه چدن ها را چدن آلیاژی می نامند.
بطور کلی چهار نوع چدن وجود دارد: خاکستری،سفید، چکش خوار (Malleable) و با گرافیت کروی (Nodullar).
جوش پذیری چدن ها :
در مقایسه با فولاد کربنی،چدنها دارای قابلیت کم و محدود جوش پذیری هستند. در میان چهار نوع چدن فوق الذکر، چدن با گرافیت کروی بهترین جوش پذیری را داراست و بعد از آن چدن چکش خوار قرار دارد. جوشکاری چدن خاکستری به مهارت و توجه ویژه نیاز دارد و چدن سفید را به دشواری بسیار زیاد میتوان جوشکاری نمود.
با این ملاحظات دامنه جوشکاری چدنها بسیار محدود میشود و صرفا به تعمیر و اصلاح قطعات ریخته شده و بازسازی قطعات فرسوده و شکسته شده در کار منحصر میگردد.
دلایل جوش پذیری محدود چدنها:
- به علت زیادی کربن در فلز مبنا، سیکل جوشکاری باعث ایجاد کاربیدهایی در منطقه بلافصل فلز جوش و تشکیل فاز مارتنزیت پر کربن در بقیه منطقه حرارت پذیرفته فلز مبنا میگردد. هر دوی این ریز ساختارها شکننده بوده و باعث ایجاد ترک در حین جوشکاری و یا بعد از آن میشود.این مطلب در مورد تمامی انواع چدنها مصداق دارد.
- به علت ضعف نرمی (Ductility) چدن قابلیت تغییر شکل پلاستیکی را ندارد و از این رو نمی تواند تنش های حرارتی ایجاد شده جوشکاری را تحمل نماید. هر چه نرمی (Ductility) چدن بهبود یافته باشد احتمال ترک خوردن آن کاهش می یابد. لذا چدن چکش خوار و چدن با گرافیت کروی کمتر از چدن خاکستری ترک خواهند خورد.