جوشکاری چدن

Welding Cast Iron

مقدمه:

اولین قدم در انتخاب نوع فرایند جوشکاری و مواد مصرفی جوش برای جوشکاری چدن مشخص نمودن نوع چدن و درجه آن است.

مطالب این کتاب شامل همه انواع چدنهایی که در بازار وجود دارد نمی شود (جدول شماره یک)، اما اکثر چدنها از جمله چدن خاکستری، چدن نرم یا داکتیل چدن چکش خوار یا مالیبد، چدن سفید و چدن باگرافیت فشرده را پوشش می دهد.

چدن را می توان به عنوان یک آلیاژ برجسته از عناصر آهن، کربن و سیلیکون در نظر گرفت. از نظر تجاری کلیه فلزات شامل عنصر منگنر و شاید آلیاژی از نیکل، کرم، مس، مولیبدن، قلع، آنتیوان، وانادیوم و همچنین بعضی از عناصر دیگر که هم به صورت جداگانه و هم بصورت ترکیبی می توانند  در فرایند تولید به این فلزات اضافه شوند.

چدن با افزودن مقدار زیادی کربن به یک ساختار فولاد اوستنیت تولید می شود. در حین انجماد یک بخش از این کربن اضافی از فلزات مذاب به صورت کاربید آهن[1] و یا به صورت گرافیت جدا شده و شکل می گیرد. فرمی که کربن به خود می گیرد توسط سرعت سرد شدن تعیین می گردد. بدین معنی که اگر سرعت سرد شدن مذاب زیاد و سریع باشد، کربن بصورت کاربید آهن خواهد بود و در صورتی که سرعت سرد شدن آرام و آهسته باشد کربن بصورت گرافیت (پولک)[2] خواهد بود.

نوع کربن موجود و شکل و ترکیب آن تعیین کننده نوع و خصوصا خواص چدن خواهد بود. این خواص در هنگام تهیه یک دستورالعمل جوشکاری[3] بسیار مهم خواهند بود.

در شکل شماره یک شما دیاگرامی مشاهده می کنید که در آن ساختار انواع چدنهای تجاری و معمول را نشان می دهد در این دیاگرام همچنین عملیاتی که برای ساخت و تهیه این چدنها مورد نیاز است نشان داده شده است.

طبقه بندی چدنها

از نظر تاریخی اولین طبقه بندی که برای چدن ها صورت گرفت بر اساس شکست در آنها بود و در ابتدا دو نوع چدن را معرفی نمودند.

1-     چدن سفید (white  Iron  )

2-     چدن خاکستری (Gray  Iron )

1- چدن سفید: سطح شکسته شده این چدن دارای کریستال با یک درخشندگی خاص است زیرا شکست در طول صفحات کاربید آهن رخ می دهد و این در اثر و نتیجه ثبات کم در عمل انجماد است. (Fe₃CEutectic)[4]

2- چدن خاکستری: سطح شکسته شده این چدن به رنگ خاکستری است، زیرا عمل شکست در طول صفحات گرافیت رخ میدهد. واین در نتیجه ثبات و پایداری کم در هنگام انجماد است. (GR  Eutectic)

با پیشرفت علم و ورود متالوگرافی در صنعت و همچنین افزایش دانش مربوط به خصوصیات چدن، دسته بندی های دیگری بر اساس این خصوصیات و نوع ساختار میکروسکوپی امکان پذیر گردید.

طبقه بندی بر اساس شکل گرافیت:

• گرافیت لایه لایه ای (پولکی)[5]
• گرافیت کروی شکل[6]
• گرافیت فشرده (متراکم)[7]
• گرافیت حرارتی[8]  

که در نتیجه یک واکنش در حالت جامد بوجود می آید ( پس از گرم نمودن و تاب کاری همراه با سرد کردن آرام بعضی از کربن های ترکیب در چدن سفید به گرافیت تبدیل می شود و در بعضی موارد نیز کاملا از آهن جدا می شود )

طبقه بندی بر اساس فازها (Matrix)

• فرینی
• پرلینی
• اربستینی
• مارفیزیتی
• بینات (بینات تغیرات فیزیکی است که در اوسنیت برای ایجاد آن صورت می گیرد)

معمولا در طبقه ریخته گران بندرت از طبقه بندی فوق استفاده می شود و معمولا دو نوع طبقه بندی است که بیشترین کاربرد را دارد.

چدن های معمولی (Common Cast Iron)

این نوع چدن برای کاربردهای عمومی است و ممکن است غیر آلیاژی و یا با مقدار آلیاژ کم باشد (آلیاژ سبک)

چدن های خاص ( Special Cast Iron )

این نوع برای موارد خاص کاربرد دارد و عموما آلیاژ بالایی دارند. (آلیاژ سنگین)

ارتباط میان طبقه بندی تجاری و طبقه بندی ریز ساختاری نهایتا مطابق با جدول شماره یک آخرین طبقه بندی را برای چدن های معمولی ارائه می دهد چدن های خاص با چدن های معمولی دارای یک تفاوت اساسی در مقدار درصد عناصر آلیاژی (بیش از 3% ) هستند.

مقادیر بالای آلیاژ که باعث افزایش خواص ریز ساختاری می گردد برای کاربرد چدن در درجه حرارت های بالا مناسب است و علاوه بر آن می تواند باعث افزایش مقاومت به خوردگی و مقاومت به سایش نیز گردند.

در این قسمت به معرفی انواع چدن های معمولی که در صنعت مورد استفاده است می پردازیم.

1-     چدن خاکستری

2-     چدن سفید

3-     چدن چکش خوار یا مالیبل

4-     چدن انعطاف پذیر یا داکتیل

5-     چدن با گرافیت فشرده

1-   چدن خاکستری

این چدن بیشترین کاربرد را در بین چدن ها دارد. کربن اضافی موجود در آن بصورت صفحه های گرافیتی (پولک) است. مقاومت مکانیکی آن متوسط و قابلیت ماشین کاری و براده برداری آن عالی است اما انعطاف پذیری و نرمی آن کم است.

این نوع چدن دارای 4-2 درصد کربن و 3-1 درصد سیلسیوم و حدود 1 درصد منگنز و مقاومت کششی بالای 275 مگا پاسکال یا 40 براینچ مربع می باشد.

خصوصیات و ساختار چدن خاکستری را می توان با افزایش مقدار عناصر آلیاژی آن تغییر داد. مقاومت کششی آن را می توان به بیش از 550 مگا پاسکال یا 80 پوند بر اینچ مربع افزایش داد.

با توجه به این سیستمهای آلیاژی مختلف و متغییر در هنگام جوشکاری نیاز به یک wps  یا دستورالعمل جوشکاری خاص خواهیم داشت بایستی توجه نمود که افزایش عناصر آلیاژی به چدن خاکستری می تواند باعث عدم جوش پذیری آن گردد.

2-  چدن سفید

در هنگام انجماد مذاب فلز در صورتی که سرعت سرد شدن افزایش یابد کربن اضافی به حالت ناپایداری کاربید آهن باقی می مانند این آلیاژ به چدن سفید معروف است. به علت وجود مقدار زیادی از این ترکیب بین فلزی است که باعث می گردد چدن سفید بسیار شکننده و همین کاهش عمده در نرمی و جوش پذیری آن به وجود آید.

ساختار کاربید آهن باعث بهبود سختی و مقاومت در برابر سایش چدن می گردد. در صورت افزایش مقدار درصد کاربید آهن (اغلب به سهنتیک معروف است) آلیاژ نهایی مستعد به ترک و همچنین کاهش جوش پذیری آن خواهد شد.

چدن سفید شامل 8/3-5/2 درصد کربن و 8/2-2/0 درصد سلسیوم و مقدار زیادی حدود 5/5 درصد شکل و 30 درصد گرم و 5/6 درصد مولیبدن و چنانچه به منظور مقاومت در برابر سایش طراحی شده باشد30 درصد منگنز می باشد مقاومت کششی آن می تواند بین 620-160 مگا  

پاسکال یا 90-23 پوند بر اینچ مربع متغییر باشد

3-چدن چکش خوار یا نرم  (malleable)

چدن سفید را اگر تحت یک عملیات حرارتی مناسب قرار دهیم می تواند به یک حالت نرم برسد. این فرم انعطاف پذیر از چدن چکش خوار یا مالیبل معروف است .

کاربید آهن موجود در چدن در هنگامی که در یک درجه حرارت بالای عملیات آنیل بین 750 درجه سانتیگراد و به مدت 6 ساعت قرارگیرد می تواند تجزیه شود. در این حالت دانه های گرافیت کروی بطور نامنظم در شبکه جامد آهن شکل می گیرد.

در صورتی که هوای داخل کوره قابلیت اکسید نمودن را داشته باشد مقداری از این کربنها اکسید خواهند شد و چدن تولید خواهد شد که به آن چدن چکش خوار با قابلیت جوشکاری خوب گویند.

در صورتی که هوای داخل کوره یک هوای طبیعی باشد، تمام مقادیر کربن موجود باقی مانده و فلز تیره رنگی را بوجود می آورد که غیر قابل جوشکاری است و به آن چدن مالیبل یا چکش خوار سیاه گویند. چدن مالیبل یا چکش خوار شامل 8/2-2 درصد کربن و 7/1 درصد سیلسیم می باشد و مقاومت کششی آن می تواند در یک محدوده 620-310 مگاپاسکال یا 90-45 پوند بر اینچ مربع قرار گیرد و افزایش طول آن در اثر نیرو 20-2 درصد باشد.

4-چدن نرم یا داکتیل (DUCTILE)

با افزودن عناصر آلیاژی که باعث گره دار شدن چدن شوند مانند منگنز یا خاک های کمیاب بجای پولک جامد کربن شکل گلوله های کوچک می شوند و شکل گرافیت ها به شکل گلوله و یا کروی در می آیند که باعث کاهش وقفه در ادامه شبکه فلزی می گردد. این روش مطلوب ترین حالت برای زمانی است که به منظور دستیابی به خواص مکانیکی بخواهیم گرافیت را در سطح چدن پراکنده نماییم.  چدن نرم یا داکتیل در میان انواع چدنها بیشترین مقاومت و نرمی را دارد. چدن نرم همچنین مزیت و قابلیت ماشین کاری چدن خاکستری و مقاومت بالا چقرمگی نرمی، قابلیت کار گرم و سختی پذیرش فولاد را نیز دارد.

چدن گرم یا داکتیل که معروف به گرافیت کروی یا چدن گره دار نیز می باشد دارای 4-3 درصد کربن و 8/2-8/1 درصد سیلسیم و حداکثر 7/0 درصد منگنز می باشد. مقدار زیاد منگنز در صورتی که خواص ضربه ای مهم باشد در برخی موارد می تواند این خاصیت را کاهش دهد. منگنز در ناحیه  H-A-Z تاثیر خواهد گذاشت بنابراین در بعضی مواقع مقدار درصد آن را کاهش می دهند. مقدار مقاومت کششی چدن نرم بین 830-415 مگاپاکسال یا 120-60 پوند بر اینچ مربع می باشد. اضافه نمودن عناصر آلیاژی در بعضی از موارد باعث بهبود مقاومت به حرارت و خوردگی در چدن نرم می گردد. مقادیر این عناصرآلیاژی می تواند حدود 3-2 درصد کربن، 6-1 درصد سیلسیم، 4/2 درصد منگنز، 36-18 درصد نیکل و حداکثر 5/5 درصد کرم باشند.

شبکه چدن نرم داکتیل می تواند بوسیله انجام عملیات حرارتی و تغییرعناصرآلیاژی و نحوه عملیات ریخته گری تغییر نماید.

نوع معمول این چدنها به نام چدن 12-45-65 است که این نامگذاری به معنای زیر است:

حداقل مقاومت کششی برابر با 450 مگا پاسکال یا 65 کیلو پوند بر اینچ مربع

حداقل مقاومت تسلیم برابربا 310 مگا پاسکال یا 45 کیلو پوند بر اینچ مربع

حداکثر افزایش طول برابر با 12 درصد

اگر این چدن که دارای ساختار پرلیتی 20-10 درصد می باشد آنیل شود، نوع ساختار فریتی خواهد شد و به چدن 18-40-60 تبدیل خواهد شد.

بسیاری از چدن های مختلف با مقاومت های بالاتر نیز می توانند تولید شوند بطور کلی در صورتی که مقاومت چدن افزایش یابد تشکلاتی را ایجاد خواهند نمود که در هنگام جوشکاری آنها به خوبی قابل احساس است.

6-چدن با گرافیت فشرده:Compacted Graphite

چدن با گرافیت فشرده یا کرمی شکل دارای ساختار خواصی بین چدن خاکستری و چدن نرم یا داکتیل است.

فرم به هم پیوسته گرافیت  پولکی چدن گرافیتی را به وجود می آورد با این تفاوت که پولک های این چدن مقداری ضخیم تر است چدن گرافیت فشرده دارای خاصیت (چکش خواری) ضربه پذیری، و ماشین کاری بهتر نسبت به چدن نرم یا داکتیل است و نرمی آن نیز بهبود یافته است.

چدنهای داکتیل آستمپر شده:

این نوع چدنها از انواع چدنهای داکتیل می با شد که دارای ساختار زمینه جدیدی بنام آسفریت(Ausferrite)  است.این ساختار زمینه دارای خواص بسیار مطلوبی است که در ساختارهای زمینه معمول در چدنها(فریت وپرلیت ومارتنزیت تمپر شده)این خواص مشاهده نمی شود. به همین هت این نوع چدنهای داکتیل تحت عنوان جدیدی (چدنهای داکتیل آستمپر شده Ductile Iron    ADI   Austempered)نامگذاری شده اند وشماره های استاندارد مخصوصی (گرید   1تا 5)را به خود اختصاص داده اند لازم به ذکر است که ساختار زمینه آسفریت تنها در چدنهای داکتیل وخاکستری قابل دستیابی است.

چدنهای داکتیل آسفریت شده ( ASI)  Austempered Ductile Iron :

علت اصلی این افزایش فوق العاده خواص ریشه در حضور زمینه FCC همراه با توزیع تیغه های ریز فریت در آن را دارد. گرید های ASTM  نشان دهنده حداقل استحکام کشش وداکتیلیتی می باشند و منطقه خاکستری تیره تر نشان داده شده  در منطقه بالای گریدهای تعیین شده در استاندارد خواص قابل دست یابی در این نوع چدن ها را نشان میدهد.واضح است که چدنهای ADI فرصت های جدیدی را برای کاربرد در چدنهای داکتیل ایاد میکند. در حقیقت چدنهای ADI با توجه به استحکام و داکتیلیتی بالا در بسیاری کاربردها رقیب فولاد های فورج شده وفولادهای ریختگی شده اند.  واین موضوع یاعث افزایش مصرف روز افزون این نوع چدنها گردیده است.

میل لنگ ماشین اسپورت tvr  از جنس چدن نشکن استمپر شده

ماشین اسپورتtvr شش دنده با میل لنگ با چدن

داکتیل استمپر شده

محور تعلیق ماشین کبرای موستنگ فورد از جنس چدن                                       محور تعلیق کامیون تریلی از جنس                                  

داکتیل استمپر چدن داکتیل استمپر شده

نحوه عملیات حرارتی (روش تولید)چدن:

ریخته گری چدنهای ADI مشابه ریخته گری چدنهای داکتیل می باشد. پس از ریخته گری چدن ها تحت عملیات حرارتی آستمپرینگ که شامل حرارت دادن در دمای استنیته وسپس کوانچ کردن در مذاب حمام نمک میباشد قرار می گیرند تا تحول تبدیل استنیت به آسفریت (مخلوط فریت و آستنیت) انجام پذیر وساختار زمینه مطلوب بدست می آید.برای درک بهتر این عملیات حرارتی وشناخت پارامترهای آن  توضیحاتی در این  زمینه ارایه  میشود .به این منظور یک دیاگرام ITT بصورت شماتیک در شکل زیر نشان داده شده است .چدن داکتیل در دمای Ty که در حدود 840 تا 950 درجه سانتیگراد است آستنیته میشود ودر دمای TA(230تا400 درجه سانتیگراد) آستمپر میگردد. چهار مرحله طی این عملیات حرارتی وجود دارد

که بصورت شماتیک در شکل نیز نشان داده شده است ودر زیر توضیح داده می شود. 

مرحله اول – آستنیته کردن چدن در طول زمان مشخصی که تمام زمینه آستنیتی شود وکربن نیز بصورت هموژن در آن توز یع گردد. زمان مناسب  نگهداری در دمای آستنیته یک ساعت برای هر اینچ )2.5سانتیمتر( ضخامت می باشد. دمای آستنیته به ترکیب شیمیایی چدن بستگی دارد.

مرحله دوم-  سرد کردن تا دمای آستمپرینگ با سرعتی که دماغه پرلیت را قطع نکند . این امر بوسیله کوانچ کردن در حمام مذاب حاصل میگردد. در ضخامت های زیاد ضروری است که عناصری مثل مس ونیکل و مولیبدن به ترکیب اضافه گردد. افزودن این عناصر باعث انتقال دیاگرام ITT به سمت راست میگردد واجازه نمی دهد که پرلیت در ساختار ایجاد گردد.

مرحله سوم- نگهداری چدن در دمای آستمپرینگ می باشد تا اینکه تحول تبدیل آستنیت به آسفریت انجام شده وتکمیل گردد.

مرحله چهارم -  سرد کردن تا دمای محیط. در این مرحله لزومی به سریع سرد کردن نمی باشد . بیشتر بایستی توجه داشت که قطعه بصورت یکنواخت سرد شود تا در آن تنش های پسماند به حداقل برسد.

جوش پذیری (weld ability)

بسیاری از خواص ماشین کاری و ساختاری مناسب را می توان از یک چدن بدست آورد. بنابراین گستره وسیعی برای جوش پذیری اعضا وجود دارد چدن سفید معمولا به عنوان یک چدن غیر قابل جوشکاری شناخته می شود. در صورتی که چدن نرم برای جوشکاری عموما از چدن خاکستری راحت تر است در هنگام جوشکاری چدن طیف کاملی از شیب حرارتی در ناحیه جوش و ناحیه متاثر از حرارت وجود دارد که می تواند باعث ایجاد ساختار و خواص مختلف بسیاری در آن گردد.

ساختارهای مختلف را در نواحی و مناطق مختلف شکل شماره 2 نشان داده شده است.

ماهیت و مقادیر اندازه مربوط به این نواحی بوسیله حرارت ایجاد شده در هنگام جوشکاری، ترکیب شیمیایی چدن و مواد جوشکاری مصرفی تعیین می گردد.

در اینجا برای تفهیم بهتر هر منطقه از جوش را بطور جداگانه توضیح خواهیم داد و تاثیر یک دستورالعمل جوشکاری را که چگونه می تواند روی جوش تاثیر گذار باشد ملاحضه خواهید نمود.

منطقه متاثر از حرارت:HAZ  

فرایند های جوشکاری با ماهیتشان وقتی که با روشهای ریخته گری مقایسه می شوند بوسیله سرعت سرد شدن آنها را توصیف می نمایند. بنابراین با مطالعه مقاطع یک چدن می توان خواص یک جوش را بررسی نمود و به خوبی می توان نشان داد که در مقاطع مختلف بدلیل وجود درجه حرارت های مختلف نواحی H.A.Z نیز متفاوت است.

در هنگام عملیات جوشکاری کربن می تواند در درون اوتسنیت نفوذ نماید و در هنگام سرد شدن این فاز اوتسنیت می تواند به مارتنزیت تبدیل شود این ساختار مارتنزیتی بسیار ترد و شکننده و مستعد به ترک است.

مقدار درصد مارتنزیت بستگی به ترکیب شیمیایی چدن و سوابق عملیات حرارتی آن دارد.

ساختار شکننده مارتنزیت می تواند بوسیله عملیات حرارتی که توسط دمای پیش گرم و کنترل دمای بین پاسی در جوشکاری چند پاسه (یعنی جوشکاری مستقیم و بدون حرکت عرضی دست) و یا بوسیله عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT ) اصلاح نمود.

ناحیه ذوب جزئی: THE PARTIALLY MELTED REGION)   )

این ناحیه بعد از ناحیه H-A-Z بوده و جائیست که حرارت به مقدار کافی برای ذوب موضعی فلز پایه وجود دارد. به عبارت دیگر این ناحیه نزدیک خط ذوب (FUSION LINE) یا مرز بین فلز ذوب شده و فلز پایه ذوب نشده است این ناحیه حساس ترین ناحیه جوشکاری است چون به محض پایان عملیات جوش و سرد شدن این ناحیه منجمد شده و تشکیل چدن سفید را می دهد (یعنی چون به مقدار کافی در یک درجه حرارت بالا به منظور انحلال کربن در آن باقی می ماند و بعد سریع سرد می شود).

مطالعه این ناحیه از جوش و ساختار آن بسیار پیچیده است و ممکن است شامل تعداد زیادی از ساختارهای مختلف باشد. در صورتی که در هنگام جوشکاری مقدار گرافیت حاضر زیاد و به مقدار کافی باشد ممکن است به صورت یک فاز مذاب به هم پیوسته شکل گرفته که این همان شبکه کاربیدی خواهد بود و می تواند در جوشکاری شکلاتی را ایجاد نماید.

ناحیه ذوب جزیی دارای سختی نسبتا بالایی است بنابراین این ناحیه را به عنوان سخت ترین ناحیه جوش می شناسند. سختی بالا و در نتیجه ایجاد چقرمگی پایین این ناحیه را برای بسیاری از مشکلات مکانیکی که در هنگام جوشکاری چدن تجربه شده است مستعد می سازد. بهترین راه برای پیشگیری و کاهش ترک های ناشی از سختی به حداقل رساندن درجه حرارت ورودی و مدت زمان قرارگیری در این درجه حرارت است برای این منظور می توان با کنترل حرارت ورودی انجام عملیات پیشگرم مناسب و کنترل درجه حرارت بین پاسی و همچنین انتخاب فلز پر کننده مناسب به این مهم دست یافت.

استفاده از یک فلز پر کننده با نقطه ذوب پایین تر به کاهش درجه حرارت مربوط به ناحیه ذوب موضعی کمک خواهد کرد. در صورتیکه برای یک جوش با یک ناحیه کوچک از یک حرارت ورودی بالا استفاده شود ممکن است باعث بالا رفتن درجه حرارت فلز پایه و ایجاد مشکل در ناحیه خط ذوب گردد. این مطلب زمانی شدیدتر خواهد بود که عملیات پیش گرم هم به کار نرفته باشد.

اگر از طرفی دیگر عملیات پیشگرم بالایی برای جلوگیری از تشکیل فاز مارتنزیت در ناحیه HAZ و تنش زدایی به کار رود ترک هایی مربوط به خط ذوب می تواند حتی با یک حرارت ورودی پایین رخ دهد. بنابراین ممکن است روش های مناسب آزمایش و خطا برای تعیین درجه حرارت پیشگرم لازم به نظر رسد. تهیه یک WPS یا دستورالعمل جوشکاری که بتواند هم به شرایط ناحیه ذوب جزئی و ناحیه H.A.Z توجه نماید می تواند باعث ایجاد یک جوش موفق گردد.

ناحیه ذوب:

خصوصیات و ساختار ناحیه ذوب بوسیله مواد جوشکاری بکار رفته تعیین خواهد شد.

این ناحیه بوسیله مذاب فلز پر کننده جوش و همچنین مقداری از مذاب فلز پایه یا چدن تشکیل می گردد.

بدلیل اغتشاش حوضچه جوش، فلز جوشی که رسوب داده می شود دارای یک ترکیب نسبتا غیر یکنواخت می باشد.

در جوشکاری چدن بایستی همه تلاش و کوشش بر این باشد که مقدار درصد رقت کاهش یابد.

تعیین و شناسایی نوع چدن:

بسیار مهم است که بدانیم چه نوع چدنی قرار است جوشکاری شود و پس از شناسایی بایستی بخوبی آنرا شناخت. این مهم به منظور دستیابی به یک جوش سالم می باشد. در صورتی که نوع چدن مشخص نباشد لازم است اقدامات لازم جهت شناسایی آن صورت گیرد و اطلاعاتی از آن بدست آید.

اطلاعات مربوط به سازنده چدن می تواند در این زمینه موثر باشد. در صورت وجود عدم اطلاعات سازنده چدن می توان با قرار دادن قطعه نمونه در زیر میکرسکوپ و از طریق متالوژیکی می توان ساختار آن را شناسایی نمود.

بعضی از انواع چدن هایی که امروزه در دسترس هستند شناسایی آنها مشکل و نیاز به تجربه زیاد برای تشخیص آنها می باشد.

به منظور دسته بندی چدن ها اطلاعات مربوط به نوع آنالیز شیمیایی و مقدار سختی آنها می تواند کمک خوبی نماید.

در صورتی که کلیه اقدامات انجام شده جهت شناسایی نوع چدن ناموفق باشد بایستی بطور فرضی چدن را خاکستری در نظر گرفت و پیش بینی های لازم را برای این شرایط در نظر گرفت.

جوش پذیری چدن:

به منظور تعیین جوش پذیری چدن در راهنمای جوشکاری چدن ها انجمن جوشکاران آمریکا(AWS) در بخش DLL.2-89 یک روش معرفی شده است. این روش تکنیکی است که بوسیله آن درجه حرارتی که در چدن ترک رخ نمی دهد را تعیین می نماید و با توجه به عدد برابر کربن(CE) این درجه حرارت تعیین میگردد و فرمول برابری کربن برای بدست آوردن یک عدد صحیحبه شکل ذیل می باشد:

CE=C+0.31SI+0.33P+0.45S+0.028MN+MO+CR-0.02NI-0.01CU

درجه حرارتی که در آن ترک رخ نمی دهد را برای چدن های خاص می توان با استفاده از دیاگرام شکل 3 تعیین نمود. این دیاگرام ارتباط میان عدد برابری کربن CEو درجه حرارت عدم تشکیل ترک را مشخص می نماید. 

دیاگرام شکل 3

به جزء عملیات پیش گرم پارامترهای دیگری نیز وجود دارد که می تواند روی حصول یک جوش سالم تاثیر بگذارد . این پارامترها عبارتند از:

-         انتخاب فلز پر کننده

-         عملیات چکش کاری (تقه کاری)

-         مقدار حرارت ورودی

-         مقدار آلودگی هوا

-         مقدار ماله های گیر افتاده در بدنه چدن

-         چربی های جذب شده توسط چدن

پیشگرما

یکی از مهمترین توجهات خاص در هنگام جوشکاری چدن استفاده از پیشگرما است .

پیشگرما از موارد ذیل جلوگیری می نماید:

• جلوگیری ار ترک مربوط به شیب حرارتی و تنش های حرارتی ایجاد شده
• کاهش تنش های پسمانه
• کاهش اعوجاج و پیچدیگی
• کاهش سختی ناحیه  H.A.Z
• کاهش شیب حرارتی در هنگام جوشکاری فلزات غیر هم جنس
• کاهش آلودگی هیدروکربن در چدن که در هنگام سرویس اتفاق می افتد (آلودگی ناشی از سوختن)

روش تعیین مقدار پیش گرما

.مواردی که در زیر ذکر می گردد به عنوان یک راهنمای کلی در نظر گرفته می شود

• مقدار بالای کربن، نیاز به پیشگرمای بیشتری را با عث می شود
• در صورتی که نوع چدن مشخص شده باشد ولی ترکیب شیمیایی خاص آن معلوم نباشد. درجه حرارت پیشگرم را بر اساس ساختار میکروسکوپی و همچنین مقدار مقاومت آن در نظر می گیرند.
• چدن با مقاومت پایین نسبت به چدنهای با مقاومت بالاتر نیاز به پیشگرم کمتری دارند.
• چدنهایی که از نظر شکل هندسی به صورت مرکب هستند نیاز به پیشگرم بالایی دارند تا از تنش های پسمانه و اعوجاج در آن جلوگیری شود.
• در هنگام جوشکاری ورق نازک به ضخیم، توصیه می گردد که عملیات پیشگرم روی ورق ضخیم انجام گیرد. این عمل باعث کاهش گنجایش حرارت فروکش برای جلوگیری از تنش های حرارتی است
• چدن های چکش خوار و نرم معمولا به درجه حرارت پیشگرم کمتری نیاز دارند عملیات پیشگرم را به منظور کنترل ساختار میکروسکپی منطقه جوش به کار می برند.

درجه حرارت پیشگرم بیش از C°315 باعث کاهش نرخ سرد شدن در نقطه ای که امکان تشکیل مارتنزیت وجود دارد شده و همچین باعث کاهش حساسیت چدن به ترک می گردد. سرد شدن آهسته چدن همچنین می تواند به کاهش تنش های پسماند نیز کمک نماید.

عملیات پیشگرم را بایستی بدقت و بطور صحیح انجام داد. همچنین این عملیات را بایستی چنان انجام داد که اتصال جوش در حالت فشار باشد نه کشش (به شکل 4 توجه کنید)

در صورتی که عملیات پیشگرم صحیح انجام شود در طی زمان سرد شدن هنگامی که فلز جوش منقبض می گردد، فلز پایه نیز انقباض پیدا خواهد کرد و از ایجاد ترک جلوگیری خواهد شد. برای قطعات با جوش مرکب ممکن است تمام سازه احتایج به پیشگرم داشته باشد. این کار به حذف تنش هایی که در  اثر شیب حرارتی بوجود می آید کمک می نماید. سطحی که قرار است جوشکاری گردد ممکن است به یک درجه حرارت بسیار بالا نیاز داشته باشد. و پس از پایان عملیات جوشکاری کل سازه نیز می بایستی آهسته سرد گردد تا تنش های ایجاد شده به حداقل ممکن برسد.

تست های قبل از انجام جوشکاری :

پیش گرم:

بدلیل وجود خلل و فرج در ورق های چدنی در هنگام سرویس این ورقها می تواند بسیاری از آلودگی ها را درون خود جمع آوری نمایند. پیش گرما عاملی است که می تواند به سوختن و یا زدودن این آلودگی ها کمک نماید. بعضی از این آلودگیها عبارتند از: گریس، روغن و یا مواد شیمایی معین.

رسوب دهی با الکترود:

تکنیک دیگر استفاده از الکترودهایی است که در تعمیرات بکار می رود. در این روش سطح چدن را که قرار است تعمیر گردد بوسیله رسوب دهی به روش مستقیم (بدون حرکت موجی) (stringer) مقدار حدود 75 تا50 میلیمتر جوشکاری می نمایند. سپس مهره جوشهای رسوب داده شده را از روی سطح چدن بر می دارند تا به سطح اولیۀ چدن برسند در صورتی که در جوش انبوهی از حفره های گازی یا تخلخل وجود نداشته باشد بیانگر این است که سطح چدن دارای آلودگی حداقل می باشد.ولی در صورتی که تخلخل وجود نداشته باشد بیانگر آلودگی می باشد. که بایستی قبل از جوشکاری از سطح چدن حذف نمود.

چدن هایی که دارای مقدار آلودگی زیادی هستند در معرض خطر ایجاد حفره و تخلخل در سر تا سر جوش هستند. ولی در صورتی که مقدار آلودگی کم باشد ممکن است بتوان مهره های جوش سالمی را ایجاد نمود.

تنها راه جلوگیری از عیوب عدم ذوب و تخلخل که در نتیجه آلودگی سطح چدن است، سنگ زدن سطح چدن است. این روش را می توان بدون نیاز به پیشگرم انجام داد مشروط به اینکه سطوح تست شده نیاز به مراحل ماشینکاری بعدی نداشته باشد.

آماده سازی قطعه Base- Metal- Preparation

برای دستیابی به یک جوش تمیز بایستی سطح قطعه را از عیوب پاک نمود در قطعات تعمیری در صورتی که عیب ترک باشد بایستی قبل از انجام عملیات جوشکاری ترک از روی کار برداشته شود. این عمل را بایستی برای عیوب دیگر اعم از پارگی یا تورق، تخلخل، عیوب انقباضی و ناخالصی های دیگر نیز انجام داد.

عیوبی مانند پوسته های ناشی از عملیات ریختگری، پوشش ها، شن یا ماسه مخصوص ریخته گری، زنگار، رنگ، روغن و گریس، رطوبت، کثافات و دیگر ناخالصی های خارجی نیز می بایستی از سطوح قطعات زدوده شوند.

قطعات چدنی که در معرض درجه حرارت های بالا قرار دارند ممکن است دارای اقدام تعمیراتی از روی قطعات بایستی زدوده شوند.

عملیات بازپخت چدن در درجه حرارت بین C°480- 370 باعث حذف بیشتر مواد شیمیایی روی چدن مانند گریس یا روغن می گردد.

چدنهای که جدار آنها دارای گل و لای یا ماسه ریختگری هستند در هنگام جوشکاری ایجاد شکل خواهند نمود.

روش دیگر جوشکاری سطوح قطعه و سپس منگ زدن جوش و آزمایش نمودن آن است اگر فلز جوش عاری از تخلخل نباشد بایستی این دستورالعمل تکرار شود تا هنگامیکه به یک جوش سالم و بدون عیب دست پیدا نمود.

بسیاری از دستورالعمل های بکار رفته برای از بین بردن عیوب در چدن ها ممکن است باعث ایجاد یا برخی عیوب برتر گردند بنابراین بایستی دستور العمل خاصی را برای این منظور بکار برد.

پین زدن تکنیک دیگری است که به گیر افتادن یا متوقف ساختن عیب یا ترک قبل از انجام هر گونه تعمیر کمک می نماید. برای این منظور بایستی در انتهای ترک یا عیب توسط یکی از روش های تست های غیر مخرب مثل PT و یا MT محل انتهای ترک را مشخص نموده بوسیله مته سوراخی ایجاد نمود تا ترک یا عیب از نقطه پیشروی ننماید و یا به عبارت دیگر پیشروی عیب خاتمه یابد.

تکنیک دیگر استفاده از روش جوشکاری در راستای عمود بر محور ترک است در این روش بوسیله یک الکترود که ایجاد رسوب جوش نرم می نماید. عمود بر محورجوش خط جوشی را رسوب می دهیم. نوع الکترود می تواند نیکلی یا آهن و نیکل باشد.

برشکاری چدن

بمنظور برشکاری و شیار زنی چدن قبل از انجام هر گونه تعمیر چندین روش متفاوت وجود دارد ولی برشکاری با الکترود زغال و هوا معمولا زیاد بکار می رود.

جریان مصرفی می تواند هم DC و هم AC باشد. در این فرآیند بایستی از یک طول قوسی بسیار کوتاه استفاده نمود و می بایستی توجه داشت که از برخورد الکترود کربنی با چدن جلوگیری شود، تا از تشکیل اسلاگ های مذاب زیاد روی سطح چدن جلوگیری و شکل برای عملیات برشکاری ایجاد ننمایند.

بمنظور کاهش ناحیه H.A.Z در چدن ها می توان مقدار انرژی و حرارت ورودی که توسط دستورالعمل جوشکاری تعریف می شود در حداقل نگه داشت. ناحیه H.A.Z تشکیل شده ناشی از عملیات برشکاری را بایستی روش سنگ زنی یا هر روش مکانیکی دیگر قبل از انجام عملیات برشکاری از سطح قطعه برداشت.

روش دیگر برشکاری با الکترود روپوش دار است. در این روش بدون استفاده از هوای فشرده یا تورچ مخصوص می توان عملیات برشکاری را انجام داد.

انواع الکترودها دارای روکشی حرارت زای خاصی هستند که می توانند باعث تمرکز حرارت در نوک آن گردند. هنگامیکه نوک الکترود با سطح چدن برخورد می نماید تمرکز حرارت بالای ناشی از قوس باعث ذوب و برش چدن می گردد.

پس از رفع آلودگی ها و عیوب از روی چدن قطعات را بایستی جهت جوشکاری آماده نمود برای این منظور لازم است که قطعات ماشین کاری شده و سطوح مناسبی را جهت دستیابی به یک اتصال مناسب ایجاد نمایند.

طراحی اتصال

طراحی اتصال یا شیار جوش در جوشکاری چدن بسیار مهم است فاکتورهایی مانند ضمانت قطعه، سرویس کاری و دسترسی به اتصال می توانند تعیین کننده الزامات طراحی اتصال جوش باشند.

ورق های نازک چدنی را می توان با ایجاد شیار V شکل و یا U شکل انجام داد. طرح اتصالات ارائه شده و استاندارد برای فولادها را می توان برای تعمیرات قطعات چدنی نیز بکار برد ولی بایستی توجه داشت که الکترود مصرفی بایستی با پایه نیکل باشد، زاویه شیار نیز لازم است که مقداری افزایش یابد. زاویه بازتر باعث کنترل بهتر حوضچه جوش می گردد.

شکل 5 نشانگر بعضی از انواع روش های آماده سازی شیار جوش برای چدن بصورت پیشنهادی است.

ورق های ضخیم تر از 13 میلیمتر را بایستی طراحی مناسبی برای آن انجام داد چدن کنش های ناشی از جوشکاری می تواند در چدن بصورت یکنواخت توزیع شود.

اتصال جوش و انجام عملیات جوشکاری از دو طرف قطعه در صورت امکان در بسیاری از موارد می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

برای ورق های بالاتر از 19 میلمتر و بالاتر از شیار V شکل دو طرفه یا X و همچنین طرح K یعنی انجام شیار دو طرفه روی یکی از ورق ها توصیه می شود. در مواردی که دسترسی به فقط یک طرف قطعه باشد. از طرح شیار U شکل استفاده می شود. این نوع اتصالات باعث دسترسی به ریشه اتصال و همچنین کاهش پهنای سطح جوش و کمک به کاهش حجم جوش و در نتیجه تنش های انقباضی می گردد.این  نوع اتصالات در شکل 6 نشان داده شده است.

در جوشکاری قطعات چدنی با ضمانت زیاد جهت کاهش تنش ها لازم است که سطح شیار به صورت صاف و هموار باشد.

هنوز کامل جوش برای جوشکاری زرد جوش یک قطعه چدنی همانند جوشکاری با قوس الکتریکی نیز لازم است. مگر این که مثل شکل 7 لبه اتصال به شکل کاملا گرد در آید.

گرد نمودن لبه اتصال باعث راحتی جریان مذاب و دسترسی بهتر به ریشه جوش می گردد تعیین درجه اتصال بر اساس چندین فاکتور صورت می گیرد این فاکتورها عبارتند از:

مقدار مقاومت فلز جوش- مقدار مقاومت ورق ها- تنش های ناشی از عملیات ریختگی که در هنگام سرویس کاری در نظر گرفته می شود- ضخامت چدن

در صورت وجود هر گونه شبه ای ترجیح داده می شود که از جوش با نفوذ کامل استفاده گردد.

از نظر صرفه جویی و کاهش در زمان و مقدار فلز جوش لازم است که بدرستی و بدقت بررسی گردد. شرایط محیط سرویس نیز از موارد دیگری است که لازم است در نظر گرفته شود قطعات چدن خاکستری ضخیم در بعضی مواقع به وسیله یک جوش با نفوذ جزئی بهم متصل می نمایند. در صورتیکه از الکترود با پایه نیکل استفاده شود فلز جوش حاصله نسبت به چدن خاکستری پایه دارای مقاومت بیشتری خواهد بود به همین دلیل استفاده از یک جوش با نفوذ جزئی نیز قابل قبول خواهد بود.

چدن با ضخامت بالای 13 میلیمتر را می توان فقط  از ضخامت آنرا جوشکاری نمود و توصیه
می گردد که از اتصال لاله ای دو طرفه استفاده کرد.

در جوشکاری چدن های دیگر که دارای مقاومت بالاتری هستند مثل چدن داکتیل جوش با نفوذ کامل توصیه می گردد.

جوش هایکه تحت بارهای خستگی قرار می گیرد و همچنین جوش های مربوط به لوله ها بایستی همیشه بصورت نفوذ کامل باشد.

تکنیک های خاص جوشکاری چدن

مقاومت یک جوش و یا قابلیت و صلاحیت آن برای یک شرایط تعیین کاری می تواند توسط کاربرد تکنیک های مختلف و خاصی که در جوشکاری چدن مورد استفاده قرار می گیرد مورد تائید قرار داد.

• ایجاد شیار روی سطح  قطعه
• توزیع و نصب میله های فولادی در سطح شیار قطعات
• تعویض طرح اتصال
• انجام کار مکانیکی روی جوش (چکش کاری)

1- تکنیک ایجاد شیار

در این روش در سطح شیار شیارهایی را ایجاد نموده و همانطور که در شکل 8 نشان داده شده شیار ایجاد شده را توسط خط جوش هایی پر نموده و پس از آن کل سطح شیار را از جوش پر می کنند. مزیت این روش این است که بدلیل نامنظم بودن فصل مشترک جوش ها چنانچه ترکی هم ایجاد شود مسیر آن بصورت مستقیم نخواهد بود.

2- تکنیک توزیع میله ها یا زائده های فولادی در روی سطح شیار

این یک روش مکانیکی است و برای افزایش مقاومت و کیفیت اتصال بکار می رود میله یا زائده می تواند به دو روش پیچاندن و یا کوبیدن در محل اتصال قرار گیرد. جنس میله ها بایستی از موادی باشد. که با فلز پر کننده جوش سازگاری داشته باشد شکل 9

3- تکنیک تعویض طرح اتصال

تعویض طرح می تواند باعث بهبود شرایط جوش شود. شکل 10 بعضی از این اصلاحات را به صورت نمونه نشان می دهد.

شکل (a)10 یک اتصال با نفوذ جزئی را نشان می دهد (سمت چپ) که با یک جوش با نفوذ کامل مقایسه شده است.

شکل (b)10 نشانگر این است که چگونه می توان با تغییر طرح اتصال به حذف مشکلات مربوط به ضمانت قطعات کمک کرد. و این که جوش در منطقه وسیع تری از تنش قرار نخواهد گرفت.

شکل (c)10 نشانگر این است که اضافه نمودن جوش گوشه برای جلوگیری از انعطاف پذیری و خم شدن در قطعه و کاهش تمرکز تنش در اتصال جوش موثر خواهد بود.

4- تکنیک چکش کاری

چکش کاری می تواند باعث پخش تنش های ناشی از جوش که بصورت پیوسته بوجود می آید گردد. برای این منظور با استفاده از یک چکش سر گرد با قطر 19-13 میلیمتر و به صورت مداوم ضربات آرام و عمودی را به سطح جوش وارد می نمائیم این عمل بایستی در درجه حرارت قرمز آتشین یا نزدیک به آن صورت گیرد و درجه حرارت جوش نبایستی زیر C° 540 باشد.

از یک چکش پنوماتیکی (رفت و برگشتی) نیز می توان استفاده نمود. مقدار ضربه وارده توسط این چکش بایستی Psi90 و طول کورس آن بایستی روی 75 میلیمتر تنظیم شود.

ابزار بکار رفته در این چکش بایستی دارای پهنای کمتری نسبت به چهره های جوش باشد و نوک این ابزار بایستی حدودا  پهنای خود ابزار باشد.

سرعت پیشروی نیز حدودا 1000- 750 میلیمتر بر دقیقه بایستی در نظر گرفته شود.

عملیات حرارتی پس از جوشکاری PWHT))

حد تنش های نهایی یک چدن جوش داده شده تحت تاثیر نرخ سرد شدنی است که پس از انجام عملیات جوشکاری بوجود می آید. چدن بایستی به آهستگی سرد شده و این کار بمنظور کاهش تنش های پس ماندی است که به وسیله جوشکاری بوجود می آید. این کاهش سرعت سرد شدن می تواند توسط روش های ذیل بدست آید.

• پوشاندن و دفن نمودن تمام چدن در زیر ماسه یا (Vermiculite)
• عملیات حرارتی پس گرمایی بوسیله یک تورچ
• انتقال چدن به درون کوره
• پوشش دهی چدن بوسیله پتوی عایق حرارتی
• عملیات حرارتی پس از جوشکاری ممکن است برای اهداف زیر مد نظر باشد.
• بهبود قابلیت انعطاف پذیری ناحیه H . A. Z
• بهبود قابلیت ماشین کاری جوش و ناحیه H . A. Z
• تبدیل ساختار مارتنزیتی که در هنگام جوشکاری بوجود آمده به یک فاز شکننده ضعیف
• آزاد نمودن تنش های پس ماند در چدن

نیاز به عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) به شرایط چدن، اتصال اعوجاج در هنگام ماشین کاری بعدی عملیات تمام کاری که توسط ماشین جهت سطوح بکار می رود و شرایط هر گونه عملیات حرارتی قبلی بستگی خواهد داشت ترک های مربوط به تنش حرارتی که ناشی از تغییرات درجه حرارت در چدن است می تواند بوسیله عملیات حرارتی پس از جوشکاری کنترل شده و نرخ سرد شدن نیز بایستی برای تمام قطعات زیر c/h°55 باشد. نرخ سرد شدن ممکن است در بعضی از شرایط حتی از مقدار فوق نیز کمتر در نظر گرفته شود.

در جدول شماره (2) درجه حرارت های توصیه شده و نرخ سرد شدن را برای عملیات و برای چدن های خاکستری و نرم (داکتیل) آورده شده است.

فرآیندهای جوشکاری و مواد مصرفی جوش جوشکاری با گاز (OFW) یکی از فرآیندهای جوشکاری است که در آن از اکسیژن و یک گاز سوختی با یک ارزش حرارتی توسط استفاده می کنند. در این روش با ذوب فلز پایه و فلز پر کننده که توسط یک مشعل انجام می شود جوشکاری انجام می شود. در این فرآیند گاز سوختی و اکسیژن به نسبت مساوی در درون یک محفظه اختلاط مخلوط می شوند. حوض مواد مذاب که شامل سطح ذوب شده شیار و فلز پر کننده است در هم ادغام شده و پس از سرد شدن در اثر حرکت دست در جهت جوشکاری خط جوش به شکل رسوب پیوسته ادامه خواهد یافت.

مزیت بزرگ فرآیند OFW کنترل مقدار نرخ گرمایی ورودی توسط جوشکار است. همچنین جوشکار می تواند درجه حرارت منطقه جوش را کنترل و از اکسید شدن جوش و کاهش پتانسیل شعله که ناشی از مشعل جوش کاری را نیز کنترل نماید.

اندازه محوطه جوش، می تواند در این روش نیز کنترل گردد چونکه فلز پر کننده بصورت جدا از شعله جوش اضافه می شود. فرآیند OFW یک فرآیند جوشکاری ایده آل برای جوشکاری قطعات با ضخامت کم، تیوبها و لوله های با قطر کم است.

استیلن به عنوان یک گاز سوختی نسبت به دیگر گازها در این روش ترجیح داده می شود.

گازهایی مانند متیل استیلن، پروپادین، پروپان، پروپلین، گاز طبیعی و چندین گاز خاص دیگر دارای خاصیت اکسید کنندگی و عدم گسترش حرارت کافی مورد نیاز جهت جوشکاری چدن این فرآیند بطور گسترده بمنظور تعمیر عیوب کوچک در چدن خاکستری کاربرد دارد و کمتر برای چدن نرم یا داکتیل بکار می رود.

نرخ گرمادهی آرام فرآیند OFW باعث ایجاد یک ناحیه HAZ بزرگ می نماید اما این ناحیه بزرگ از تشکیل ساختار مارنیزتی شکننده جلوگیری می نماید.

مواد مصرفی برای جوشکاری با گاز و برای چدن خاکستری معمولا از جنس چدنی است که با یک سطح بالای کربن و سیلیکون نسبت به دیگر چدنها است. این موضوع می تواند جبران کننده نداشتن تجربه برای جوشکاری چدن باشد.

فلز جوش دارای یک ساختار گرافیتی و قابلیت ماشین کاری خوب و همچنین یکرنگ مشابه با فلز پایه است.

ترکیب شیمیایی برای سه نوع سیم جوش چدن خاکستری در جدول شماره 3 آورده شده است.

RCI سیم جوشی است که برای اتصال چدن خاکستری نوع 35 تا 20 بکار می رود.

RCI- A سیم جوشی است که برای اتصال چدن خاکستری با مقادیر بالای نیکل و مولبیدن و برای نوع 45 تا 35 بکار می رود.

این نوع مواد جوشکاری همراه با بعضی از فلزات پر کننده خاص، برای جوش هایی که نهایتا دارای مقاومت لازم و کافی و همچنین حداقل سطح کاربید آهن باشند در نظر گرفته شده اند.

جهت آلیاژ نمودن از عناصری که بالا برنده مقاومت محلول جامد در ترکیب با یک واسطه گرافیت زا است مانند نیکل، منگنز، مولیبدن و سیلیسیم بیشتر استفاده می شود.

اضافه نمودن فسفر باعث سیلانیت مذاب چدن می گردد. اگر درصد فسفر از یک حد بالا رود می تواند یک فاز شکننده و سفت را تشکیل و آهن به فسفر آهن تبدیل شود.

RCI- B این سیم جوش که در جدول شماره (3) نشان داده شده، همراه با فیلر یا سیم جوش های خاص برای جوشکاری چدن نرم یا داکتیل طراحی شده است.

سیم جوش مخصوص جوشکاری چدن نرم یا داکتیل شامل عناصر تولید کننده گره شامل منیزیم یا سدیم می باشد. این
قدمی 09179147053

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: