تحقیق در مورد جوشکاری چدن

بخشی از مقاله

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 مكانيزه در نظر است آزمايش هاي لازم بر روي جوش هاي انجام شده با بهره گيري از روش اولتراسونيك (U.T) كه از دقت و سرعت عمل بالايي نسبت به تست راديوگرافي 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 اتوماتيك در مقايسه با روش دستي از مزاياي مهمي 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% ، كم شدن تعداد پاس هاي جوش كاري ، كاهش زمان اجراي كار با توجه به تعداد پاس هاي كمتر ، كاهش درصد تعميرات و عيوب 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 نيروي ماهر و دارا بودن اپراتوري آسان برخوردار مي باشد .

به منظور تغيير در تكنولوژي جوش كاري خطوط لوله از روش دستي به مكانيزه با هدف افزايش راندمان كاري ، بهبود در كيفيت جوش و صرفه جويي در زمان ، دستگاه جوش اتوماتيك در مسير خط لوله هشتم سراسري حد فاصل ابركوه – نايين به ضخامت 125 /1 اينچ مورد بررسي و آزمايش قرار گرفت .
جوشکاری چدن ها

جوشكاري يكي از مهم ترين فرايندهاي ساخت و توليد در صنعت مي باشد و در صنايع مختلف نظير خودرو سازي ، نفت و گاز ، پتروشيمي ، تاسيسات و ساختمان و پل ها ، حمل و نقل ، كشتي سازي ، صنايع ريلي ، نيروگاه ها ، صنايع دفاعي و هوا فضا ، محصولات پزشكي ، الكترونيكي و تجهيزات دقيق و ..... كاربردهاي فراواني دارد . كشور ايران در حال پيمودن مسير توسعه صنعتي بوده و از اين رو صنعت جوش براي كشور از اهميت ويژه اي برخوردار است . بنابراين آموزش منسجم و هماهنگ با جهان در اين صنعت ، يكي از نيازهاي مهم كشور تلقي مي گردد .

چدن ها گروهي از آلياژهاي آهني با خواص گوناگون و متنوع اند و به جاي اين كه در حالت جامد روي آنها كار انجام گيرد در حالت مذاب به شكل دلخواه ريخته گري مي شوند . بر عكس فولادها كه كمتر از 2% كربن و معمولاً كمتر از 1% كربن دارند ، چدن ها 2 تا 4% كربن و 1 تا 3% سيليسيم دارند . ساير عناصر فلزي و غير فلزي نيز براي كنترل و ايجاد ويژگي هاي خاص اضافه مي شوند . علاوه بر تركيب شيميايي ، عوامل مهم ديگري از قبيل فرايند انجماد ، نرخ انجماد و عمليات گرمايي بعدي بر خواص آنها تاثير مي گذارد . چدن ها عالي ترين آلياژهاي ريخته گري اند و داراي گسترده ي وسيعي از استحكام و سختي و در بعضي موارد خواص ماشينكاري خوبي مي باشند .

انجام عمليات جوشكاري روي قطعات ريخته شده چدني به دليل الزاماتي است كه به برخي از مهمترين آنها اشاره شده است :
الف) برطرف كردن بعضي عيوب ريخته گري كه پس از بيرون آوردن قطعه از قالب يا در حين تراشكاري ظاهر مي شوند ، نظير حفره هاي گازي ، حفره هاي ناشي از ريزش ماسه يا حبس سرباره ، ترك هاي موضعي ، كشيدگي يا تغيير ابعاد در بعضي مواضع كوچك .

ب) تعمير قطعات مستهلك كه از نظر اقتصادي يا عدم دسترسي به تكنولوژي ساخت آنها بهتر است كه از طريق جوشكاري بازسازي شوند . اين مورد خود دو حالت دارد : قطعات شكسته شده و قطعات سائيده شده و يا خورده شده .
ج) اتصال دو يا چند قطعه كه ريختگي آن به صورت واحد با مشكلاتي همراه بوده يا از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيستند .
جوشهاي انجام شده در موارد فوق از نظر كلي سه مشخصه ي زير را دارند :

1- جوش هاي تحت تنش ، كه بايد موضع جوش داده شده داراي حداقل خواص مكانيكي مورد نظر بوده يا با بقيه قطعه برابري كند .
2- جوشهايي كه تحت تنش قرار نمي گيرند و خواص مكانيكي آنها قابل مقايسه با قطعه ي مورد نظر نياز نيست . غالباً قابليت ماشين كاري و در بعضي موارد تطابق رنگ موضع جوش داده شده با بقيه ي قطعه لازم است . اين حالت بيشتر در تعميرات بعضي عيوب قطعات ريختگي مورد نظر است .
3- مقاومت سطحي در مقابل خوردگي ، سائيدن ، خراش و اصطكاك در موضعي كه فلز جوش رسوب داده شده ، درخواست مي شود . در اين موارد از فلز پركننده خاصي با تركيب شيميايي ويژه استفاده مي شود كه بيشتر در مواضع سائيده شده قطعات چدني مستهلك ، يا بالا بردن كارآيي قطعات چدني نو كاربرد دارد .

جوش پذيري چدن ها
چدنها در مقايسه با فولادهاي كربني داراي قابليت جوشكاري كم و محدود تري هستند . در ميان چدن ها ، چدن با گرافيت كروي بهترين جوشپذيري را دارا است و بعد از آن چدن چكش خوار قرار دارد . جوشكاري چدن خاكستري به مهرت و توجه ويژه نياز دارد و چدن خاكستري را به دشواري زياد مي توان جوشكاري كرد .
با اين ملاحظات دامنه جوشكاري چدنها بسيار محدود مي شود و صرفا به تعمير و اصلاح قطعات ريخته شده و قطعات فرسوده و شكسته شده منحصر مي گردد .

علت هاي جوش پذيري محدود چدن ها :
- بعلت زيادي كربن در فلز مبنا ، سيكل جوشكاري باعث ايجاد كاربيدهايي در منطقه فلز جوش و تشكيل فاز مارتنزيت پركربن در منطقه متاثر از حرارت HAZ ميشود . هردوي اين ريز ساختار ها شكننده بوده و باعث ايجاد ترك در حين جوشكاري و يا بعد از آن مي شود . اين مطلب در مورد تمامي چدن ها مصداق دارد .
- به علت ضعف چقرمگي ، چدن ها قابليت تغيير شكل پلاستيكي را ندارند و از اين رو نمي توانند تنش هاي حرارتي ايجاد شده جوشكاري را تحمل كنند . هرچه نرمي چدن بهبود يافته باشد احتمال ترك خوردگي آن كاهش مي يابد . لذا چدن چكش خوار و چدن با گرافيت كروي كمتر از چدن خاكستري ترك خواهند خورد .

با توجه به عامل اول شكنندگي منطقه HAZ به ميزان و سهولت حل شدن گرافيت در آستنيت در حين جوشكاري بستگي پيدا ميكند . در مورد چدن خاكستري كه داراي پولك هاي گرافيتي با سطح رويه نسبتا وسيعي مي باشند ، انحلال اين نوع گرافيت در آستنيت به سهولت انجام مي شود . در حاليكه در مورد چدن با گرافيت كروي ، چون نسبت حجم رويه به حجم كره گرافيت كم مي باشد بنابراين مقدار گرافيت كمتري در آستنيت حل ميگردد و در نتيجه كاربيد هاي درشت كمتري و مارتنزيت كم كربن تري در منطقه HAZ تشكيل ميشود . اين مطلب گواه ديگري بر قابليت بهتر جوش پذيري چدن با گرافيت كروي در مقايسه با ساير انواع چدن ها ست .

براي اجتناب از تمايل منطقه حرارت پذيرفته به ترك خوردن لازم است كه قطعه چدني را در موقع جوشكاري با قوس برقي با انرژي حرارتي كم جوشكاري نمود . زيرا اين روش باعث كاهش پهناي منطقه سخت و شكننده كنار فلز جوش مي شود . براي غلبه بر سختي و تردي منطقه حرارت پذيرفته اعمال تدابيري نظير پيش گرمايش و خنك كردن تدريجي قطعه جوشكاري شده ضرورت دارد .

در مورد جوشكاري چدن با قوس برقي دامنه درجه حرارت پيش گرم از درجه حرارت محيط كارگاه تا 300 درجه سانتي گراد توصيه ميشود . اين حرارت براي جوشكاري با استيلن در محدوده 450-650 درجه سانتي گراد قرار دارد . چدن خاكستري به حرارت پيش گرم بيشتري زيادتري و چدن با گرافيت كروي و چدن چكش خوار به درجه حرارت پيشگرم كمتري نياز دارند. درجه حرارت پيش گرم و محدوده آن به نوع چدن ، اندازه قطعه ، روش جوشكاري ، نوع الكترود و مقدار فلز جوشي كه بايد رسوب داده شود بستگي پيدا ميكند .

در مورد قطعات حساس ريختگري چدني ، درست پس از خاتمه جوشكاري عمليات تنش زدايي از طريق حرارت دهي قطعه تا حدود 600 درجه سانتي گراد و نگهداري در اين حرارت بمدت كافي صورت مي پذيرد.

معرفی چدن(Cast Iron)
چدن يکی از اقسام فلزی است که در صنعت کاربرد دارد و هميشه به شکل ريخته گری شده مورد استفاده قرار ميگيرد. از آنجايی که چدن شکننده است نمی توان آنرا نورد کرد يا کشيد و يا آهنگری نمود. در واقع چدن آهن آلياژ داده شده با کربن است.وجود ۵/۲ درصد کربن،۱ تا ۳ درصد سيليسيوم و مقادير قابل توجهی گوگرد و فسفر از مشخصه های کلی چدن است.برای بهبود خواص مکانيکی و مقاومت به خوردگی چدن را با عناصری نظير کرم و مس و موليبدن و نيکل آلياژ دار ميکنند.اين گونه چدن ها را چدن آلياژی 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 تنشهای 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.

الکترودهای جوشکاری چدن ها
در روش جوشکاری با قوس الکتریکی دستی چندین نوع الکترود برای این منظور وجود دارد.این الکترودها دارای مفتولهایی از جنس فولاد نرم یا نیکل خالص یا مونل یا فرو نیکل،یا قلع برنز و یا آلومینیوم برنز با روکشهای خاص خود میباشد.

الکترود با مفتول فولاد نرم دارای روکش از نوع قلیائی کم هیدروژن است.در موقع جوشکاری چدن با این نوع الکترود فلز جوش بعلت جذب کربن از فلز مبنای چدنی سخت میشود و قابلیت ماشین کاری خود را از دست می دهد و ممکن است تحت تنش تمایل به ترکیدن داشته باشد. بمنظور اجتناب از ترک خوردن لازمست که جوشکاری با انرژی حرارتی کمی صورت گیرد تا از رقیق شدن فلز جوش با فلز مبنا کاسته شود.علاوه بر این پیش گرمایش مناسب و سرد کردن بطئی و تدریجی قطعه کار باعث کاهش سختی و تردی فلز جوش میگردد.

در مورد الکترودهای ویژه جوشکاری چدن که با مفتول نیکلی و یا آلیاژهای نیکلی ساخته میشود،فلز جوش حاصل از این نوع از الکترودها قابلیت جذب کربن را تا ورای حد حلالیت دارا میباشند.در حین انجماد،فلز جوش کربن اضافی را بصورت گرافیت پس می زند و بدین طریق افزایش حجمی ایجاد شده باعث کاهش تنشهای باقیمانده در فلز جوش و منطقه حرارت پذیرفته HAZ میگردد.با این مکانیزم علت مزیت جوشکاری چدن با الکترودهایی با مفتول نیکلی بوضوح بیان میشود.

فلز جوش الکترود با مفتول نیکل نرمتر از فلز جوش الکترود با مفتول فرو نیکل است ولی فلز جوش اخیر مستحکم تر است و خاصیت ازدیاد طول بیشتر و تحمل بیشتری نسبت به فسفر اضافی موجود در چدن را داراست و نسبت به گرم ترکیدن مقاوم تر است.
برای ایجاد جوش اتصالی مابین چدن با فولاد نرم یا با فولاد ضد زنگ یا با آلیاژهای نیکلی،الکترود با مفتول فرونیکل را باید توصیه کرد.

جوشکاري چدن با برنج يا لحيم سخت برنج
چدن را مي توان با برنج جوش داد. قطعات چدني را بايد همان طوري که براي جوشکاري با سيم جوش چدني آماده مي شوند براي برنج جوش آماده ساخت. لبه هاي درز جوش را بايد به وسيله سوهان يا ماشين تراشيد و هيچگاه لبه هاي درز قطعات چدني را با سنگ سمباده پخ نزنيد. زيرا ذرات گرافيت روي ذرات آهن ماليده مي شوند و لحيم سخت خوب به چدن نمي چسبد. قطعات چدني را قبل از شروع به جوش دادن حدود 210 تا 300 درجه سانتي گراد گرم کنيد و گرد جوشکاري مخصوص چدن به کار بريد تا بهتر به هم جوش بخورد.

نقطه ذوب سيمهاي برنجي بايد در حدود 930 درجه سانتي گراد باشد. سيمهاي برنجي که براي جوش دادن قطعات چدني به کار مي روند داراي مقدار زيادي مس است و کمي نيکل نيز دارند . نيکل اتصال لحيم را به چدن آسان مي کند و نقطه ذوب زياد آن موجب سوختن گرافيت درز جوش مي شود . در جوشکاري چدن با برنج از شعله ملايم پستانک بزرگ با فشار کم استفاده کنيد. اگر فشار شعله زياد باشد گرد جوشکاري از درز خارج مي شود و در نتيجه قطعات چدني خوب به هم جوش نمي خورند. قطعات چدني را بايد پس از جوشکاري در محفظه يا جعبه اي پر شن يا گرد آسپست قرار داد تا بتدريج خنک شود و سبب شکنندگي و ترک و سخت شدن چدن نگردد.