بخشی از مقاله
چکیده:
جوشکاری تیگ یا همان جوشکاری قوس تنگستن تحت پوشش گاز محافظ، یکی از مهمترین روشهای جوشکاری در صنایع مختلف کوچک و بزرگ پتروشیمی، نظامی، دریایی، هوایی، نیروگاههای برق و … میباشد. در ایران بیشتر با نام اختصاری و متداول جوش آرگون شناخته میشود. دلیل این نامگذاری بیشتر به خاطر استفاده از گاز آرگون در این فرایند جوشکاری است.
در پژوهش حاضر به منظور رفع ترکیدگی آلیاژ VCN 200 بر اثر جوشکاری قوسی تنگستن گاز به بررسی پارامترهای فرایند پرداخته شد. برای این منظور تاثیر شدت جریان جوشکاری و تعداد پاس بر ریزساختار و خواص مکانیکی مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه با توجه به پارامترهای بهینه تعیین شده دستورالعمل جوشکاری مناسب ارایه شد. تعدادی نمونه جوشکاری شد و نتایج حاصل از ارزیابیهای غیرمخرب، متالوگرافی و آزمونهای کشش و خمش بر اساس استاندارد AWS D 1-1 انجام گردید.
نتایج حاصل از ارزیابیها حاکی از آن است که با استفاده از دستورالعمل جوشکاری مناسب ارایه شده در مورد جوشکاری فولاد VCN200 میتوان به جوشهای عاری از نقص و با خواص مکانیکی مطلوب دست یافت . با توجه به بررسیهای انجام شده پارامترهای بهینه برای فرایند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز در مورد فولاد VCN200 در شدت جریان 60 آمپر، جوشکاری تک پاس و سرعت جوشکاری 10 ساتیمتر بر دقیقه تعیین شد.
.1 مقدمه
فولاد VCN200 یا 34CrNiMo6 یا AISI 4340 جزء دسته فولادهای عملیات حرارتی پذیر آلیاژ متوسط با استحکام بالا بوده که حاوی عناصر مهم نیکل، کروم و مولیبدن میباشد. این فولاد از شکل پذیری بالا توام با استحکام زیاد برخوردار است و دارای استحکام خستگی و خزش خوبی است. دارا بودن چنین خواصی سبب توسعه قابل ملاحظه این فولاد در صنایع مختلف شده است. از جمله کاربردهای این فولاد میتوان به اجزاء تحت تنش بالا در وسایل نقلیه به خصوص قطار، میل لنگ، اکسل متحرک و اجزای چرخ دنده اشاره نمود.
از دیگر موارد مصرف این فولاد، دسته پیستون، طوقهها، بوشها، محورها و قالبها میباشد. همچنین از این فولاد بیشتر در شرایط کاری سخت و در جاهایی که نیاز به استحکام بالا در مقاطع سنگین باشد استفاده می شود 1] و .[2 با توجه به کاربرد گسترده این نوع فولاد در صنایع مختلف نیاز به ایجاد اتصالات بدون نقص همراه با خواص مکانیکی مطلوب با استفاده از فرایندهای جوشکاری مناسب و مقرون به صرفه حائز اهمیت است.
جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود تنگستن یک فرآیند قوسی میباشد که قوس بین الکترود تنگستنی و حوضچه مذاب پدید می آید. الکترود در فرآیند جوشکاری TIG مصرف شونده نیست بلکه تنها نقش تأمین کننده جریان الکتریکی و رساندن آن به منطقه قوس را بر عهده دارد . این فرآیند جوشکاری با گاز محافظ و بدون کاربرد فشار صورت میگیرد . جوشکاری قوس تنگستنی را میتوان با اضافه کردن فلز پرکننده و یا بدون آن بکار برد. نام دیگر این فرآیند جوشکاری TIG - جوشکاری تیگ - میباشد.
در فرآیند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز هیچ گونه سرباره ای وجود ندارد، بنابراین لازم است که هم الکترود، هم سطح قطعه و هم فلز پر کننده توسط گاز محافظ پوشش داده شوند تا از آلودگی آن ها جلوگیری گردد. گاز هلیوم اولین گاز محافظ در این فرآیند بوده است. بعد ها از گاز آرگون نیز استفاده شد. در صورت لزوم از مخلوطی از گاز های هلیوم و آرگون نیز به عنوان محافظ استفاده می شود. البته در برخی موارد از گاز هیدروژن و یا مخلوطی از گازهای هلیوم یا آرگون همراه با درصدهای متفاوت از اکسیژن و دی اکسید کربن نیز استفاده میشود .
پارامترهای مختلفی در فرایند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز در کیفیت جوش حاصل دخالت دارند. مهمترین متغیر در این فرآیند شدت جریان الکتریکی مصرفی است. بنابراین در این پژوهش شدت جریان اعمالی در فرایند جوشکاری به عنوان یکی از پارامترها در نظر گرفته میشود. از طرف دیگر با توجه به حساسیت قطعه کار و بالا بودن دقت ابعادی در آن لازم است که تا در حین جوشکاری و طی سرد شدن کمترین میزان اعواج در قطعه ایجاد شود. لذا بررسی تاثیر تعداد پاس نیز به عنوان یک پارامتر دیگر مورد نظر قرار میگیرد.
بر این اساس هدف از پژوهش حاضر دستیابی به اتصالات بدون نقص، خواص مکانیکی مطلوب و ایجاد کمترین اعوجاج در قطعه کار با استفاده از فرایند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز می باشد. برای این منظور تاثیر پارامترهای تعداد پاس و شدت جریان بر شکل هندسی جوش، ریزساختار و خواص مکانیکی مورد بررسی قرار می گیرد.
دانگ و همکاران تاثیر عنصر فعال اکسیژن و همچنین پارامترهای جوشکاری - نظیر؛ سرعت جوشکاری، جریان جوشکاری و فاصله بین الکترود و قطعه کار - را بر جابجایی حوضچه مذاب و تغییرات شکل جوش تحت گاز محافظ آرگون مورد بررسی قرار دادند.
هوانگ تاثیر ترکیب گاز محافظ و فلاکس فعال در جوشکاری قوسی تنگستن گاز را بر مورفولوژی جوش، اعوجاج زاویه ای، ریزساختار و خواص مکانیکی مورد بررسی قرار داد .[5] فوجی و همکاران تاثیر غلظت اکسیژن و دی اکسید کربن مورد استفاده در گاز محافظ را در فرایند جوشکاری قوسی تنگستن- گاز فولاد زنگ نزن آستنیتی با استفاده از گاز محافظ هلیوم، روی شکل حوضچه مذاب مورد بررسی قرار دادند.
روش تحقیق
قطعه کار مورد نظر در این تحقیق فولاد VCN200 شامل عناصر کروم-نیکل - مولیبدن است که اغلب در شرایط کوئنچ-تمپر در صنعت مورد استفاده قرار میگیرد. ترکیب شیمیایی مربوط به فولاد VCN200 حاوی 0/3 تا %0/38 کربن، 0/5 تا %0/8 منگنز، 1/3 تا %1/7 کروم، 1/3 تا %1/7 نیکل، 0/15 تا %0/3 مولیبدن، حداکثر %0/4 سیلیسیم، %0/025 فسفر و %0/035 گوگرد میباشد. این فولاد از لحاظ تافنس و قابلیت افزایش استحکام توسط عملیات حرارتی همچنین استحکام خستگی مناسب مورد توجه میباشد و خواص فیزیکی مربوط به آن در جدول شماره 1 ارایه شده است.
جدول-1 خواص فیزیکی
به منظور اجرای فرایند جوشکاری ورقههایی به ابعاد 100 * 100 * 2 mm3 از فولاد VCN200 تهیه شد. قبل از جوشکاری ورقهها جهت رفع اکسیدها و آلودگیهای سطحی عملیات سنباده زنی و شستشوی نمونهها با استفاده از استون صورت پذیرفت و جوشکاری قطعات با استفاده از پارامترهای مورد نظر انجام شد.
تجهیزات مربوط به جوشکاری قوسی تنگستن-گاز
جوشکاری قوسی تنگستن-گاز فولاد VCN200 با استفاده از دستگاه جوش مدل TIG-200P انجام می شود. پس از سنگ زنی و آماده سازی نمونهها فرایند جوشکاری در پارامترهای شدت جریان 60 و 70 آمپر، ولتاژ 12 ولت و سرعت ثابت 10 سانتیمتر بر دقیقه و تعداد یک و دو پاس فرایند انجام می شود.
جریان مورد استفاده در فرایند جوشکاری DCEN یا جریان مستقیم با الکترود منفی یا قطبیت مستقیم میباشد. الکترود مورد استفاده از جنس تنگستن و به قطر 2 میلیمتر میباشد. فلز پرکننده مورد استفاده در این پژوهش AWS A5.28 یا ER80S-G و به قطر 1 میلیمتر میباشد که به صورت دستی و از کنار به قوس افزوده میشود . گاز محافظ مورد استفاده در این تحقیق گاز آرگون میباشد که با دبی 8 تا 10 لیتر بر دقیقه از تورچ بر حوضچه مذاب دمیده میشود.
با توجه به این که فلز پایه قبل از جوشکاری نیاز به پیشگرم دارد قطعهها با استفاده از مشعل تا دمای حدود 250 درجه سانتیگراد پیشگرم میشوند و دمای بین پاسی که توسط کچهای حرارتی کنترل میشود در حدود 200 درجه سانیگراد در نظر گرفته میشود. پس از تهیه نمونههای جوشکاری و انجام بررسیهای غیر مخرب، بررسیهای ریزساختاری و ارزیابیهای مکانیکی در مورد اتصالات انجام میپذیرد.
.2-2 بررسیهای غیر مخرب
پس از تهیه نمونههای جوش بررسیهای غیرمخرب به روش بازرسی چشمی و بازرسی به روش مایع نافذ به منظور مشاهده نواقص ماکرو و سطحی انجام می پذیرد. به منظور بازرسی چشمی، تمیزکاری نمونهها با استفاده از استون انجام میشود.
در استفاده از روش مایع نافذ پس از تمیزکاری سطحی به منظور نفوذ ماده نافذ از اسپری نفوذ کننده Penetrant SKL-SP1 استفاده میشود. پس از پاشش ماده ظاهر کننده، این ماده در حدود 10 دقیقه روی سطح می ماند تا زمان کافی برای نفوذ به داخل نواقص وجود داشته باشد. پس از آن جهت تمیز نمودن مایع نافذ اضافی از اسپری پاک کننده Remover SKC-S استفاده می شود و پس از تمیز نمودن مایع نافذ اضافی، اسپری ظاهر کننده Developer SKD-S2 استفاده میشود. لازم به ذکر است که آزمون مایع نافذ مطابق با استانداردASME Sec. V انجام میپذیرد.
.3-2 بررسی ریزساختاری
بررسیهای ماکروساختار و ریزساختار به منظور مشاهدات ساختاری و ریزساختاری انجام میپذیرد. پس از سنباده زنی نمونهها عملیات صیقل کاری نهایی با استفاده از خمیر الماسه 3 میکرون و سپس 1 میکرون انجام میپذیرد. برای اچ کردن نمونهها از محلول اچ نایتال %2 با ترکیب 2 میلی لیتر نیتریک اسید و 98 میلی لیتر اتیل الکل و مدت زمان 2 دقیقه استفاده میشود. لازم به ذکر است که آماده سازی نمونههای متالوگرافی مطابق با ASTM E3 و میکرو اچ آنها مطابق با ASTM E407 و ASM Vol 9 انجام میپذیرد. تهیه تصاویر ریزساختاری با استفاده از میکروسکوپ نوری مدل OLYMPUS CX21 صورت میپذیرد.
.4-2 ارزیابی خواص مکانیکی
ابعاد نمونههای کشش مطابق با استاندارد ASTM E8M و آزمایشات مطابق با ASTM B557 انجام میپذیرد. نرخ کرنش 0/5 میلیمتر بر دقیقه تنظیم میگردد. آزمون خمش نیز مطابق با استاندارد ASTM D790-03 انجام میپذیرد.
فولاد VCN200 یا آلیاژ DIN 1. 6582 یا AISI 4340 از جمله فولادهای کم آلیاژ استحکام بالا میباشد که در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، نظامی و خودروسازی کاربرد دارد. لذا جوشکاری این آلیاژ از اهمیت بالایی برخوردار است. برای این منظور از فرایند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز استفاده میگردد . به منظور دستیابی به اتصالات بدون عیب همراه با خواص مکانیکی مطلوب تاثیر شدت جریان جوشکاری و تعداد پاس با کنترل دمای بین پاسی بر ریزساختار و خواص مکانیکی مورد بررسی قرار گرفت. در این فصل به ارایه نتایج آزمایشگاهی به دست آمده و بحث و بررسی پیرامون نتایج حاصل پرداخته میشود.
