مقدمه
اتصال فلزات غیرهمجنس در جوشکاری به اتصالهایی اطلاق میگردد که دو نوع فلز مختلف (مانند فولاد و مس) و یا آلیاژهای مختلف از یک نوع فلز (مانند فولاد ساده کربنی و فولاد زنگ نزن) را به یکدیگر متصل نماید. همچنین استفاده از فلز پرکننده از جنس متفاوت از جنس فلزات پایه درجوشکاری های تعمیری بسیار رایچ می باشد (استفاده از فلز پرکننده پایه نیکلی در جوشکاری قطعات چدنی) که این نوع اتصالات نیز در دسته اتصالات غیر همجنس جای می گیرند.
پارامترهای مهم در جوشکاری اتصالات غیرهمجنس
نکاتی که قبل از انجام جوشکاری اتصالات غیرهمجنس باید در نظر داشت به شرح ذیل میباشند:
- رقیق شدگی و آلیاژسازی
- اختلاف در دمای ذوب فلزات پایه و فلز پرکننده
- اختلاف در ضریب انبساط حرارتی فلزات پایه و فلز پرکننده
- اختلاف در ضریب هدایت حرارتی فلزات پایه و فلز پرکننده
- پیشگرم وپسگرم
- اثر میدان مغناطیسی
- اثر متقابل فلز جوش- فلزپایه
- پایداری ریزساختار
- مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون
رقیق شدن و آلیاژسازی
در جوشکاری تعمیری اتصالات غیرهمجنس، مهمترین پارامتر، ترکیب شیمیایی فلز جوش و خواص مکانیکی و متالورژیکی آن میباشد. به طور معمول در این نوع اتصالها ترکیب شیمیایی فلز جوش وابسته به ترکیب شیمیایی فلز پایه، فلز پرکننده و میزان رقیقشدگی آنها میباشد ضمن آنکه ترکیب شیمیایی فلز جوش یکنواخت نیست و یک گرادیان ترکیب شیمیایی در کنار فلزات پایه به سمت مرکز فلز جوش وجود خواهد داشت که بعضا باعث تشکیل فازهای ترد و کاهش خواص مکانیکی و شیمیایی محل تعمیر می گردد.
اختلاف در دمای ذوب فلزات پایه
جوشکاری فلزات غیرهمجنس از طریق جوشکاری ذوبی نیازمند ذوب هر دو فلز میباشد. در صورتی که دمای ذوب فلزات پایه به هم نزدیک باشد (حدودا تا 100 درجه سانتیگراد) روشها و دستورالعملهای معمول به طور مناسب قابل استفاده هستند اما در زمانی که فاصله بین دمای ذوب آنها بالاتر 100 درجه سانتیگراد باشد ممکن است که لازم باشد از روش لحیمکاری و یا از جوشکاری حالت جامد برایانجام تعمرات استفاده گردد.
عمدهترین مشکل در اتصالهایی که دمای ذوب آنها با هم تفاوت زیادی دارد شکست فلز با دمای ذوب پایینتر است، انجماد و انقباض در فلز با دمای ذوب بالاتر باعث به وجود آمدن تنش پسماند کششی در فلز با دمای ذوب پایینتر میگردد، از طرفی چون فلز پایه با دمای ذوب کمتر در هنگام جوشکاری دیرتر منجمد میشود، ممکن است تحمل تنشهای کششی ناشی از فرآیند جوشکاری را نداشته و دچار ترکخوردگی گردد. این مشکل را با اعمال پیشگرم فلز با نقطه ذوب پایینتر تا حدودی میتوان کاهش داد.
اختلاف در ضریب هدایت حرارتی
بیشتر فلزات، هادیهای خوبی برای حرارت هستند. هدایت سریع حرارت از حوضچه مذاب به وسیله دیوارههای جانبی فلز پایه میتواند میزان انرژی ورودی برای ذوب منطقهای را تحت تاثیر قرار دهد . وقتی که دو فلز غیرهمجنس که هدایت حرارتی آنها با هم فرق میکند جوشکاری شوند این تفاوت باید در دستورالعمل جوشکاری در نظر گرفته شود.
بزرگترین مشکل ایجاد شده ناشی از اختلاف در ضریب هدایت حرارتی، تفاوت در میزان رقیقشدگی فلز جوش با فلزات پایه میباشد بطوریکه حجم بیشتری از فلز پایه با هدایت حرارتی کمتر، وارد حوضچه جوش میگردد.
اختلاف در ضریب انبساط حرارتی
ضریب انبساط حرارتی دو فلز غیرهمجنس و همچنین فلز پرکننده از موارد مهمی میباشد که باید مورد توجه قرار گیرد .در صورتی که ضریب انبساط حرارتی دو فلز تفاوت زیادی داشته باشد، این تفاوت میتواند باعث ایجاد تنش کششی در فلز پایه با ضریب انبساط حرارتی پایینتر و تنش فشاری در فلز پایه با ضریب انبساط حرارتی بالاتر گردد (در حین سرد شدن). تنش پسماند ایجاد شده، ترک انجمادی در فلز جوش را ترغیب نموده و در قطعهای که در آن تنش کششی رخ میدهد در صورتی که عمل تنش زدایی در آن انجام نشود حساسیت به ترک هیدروژنی نیز افزایش مییابد.
پیشگرم و پسگرم
انتخاب دمای پیشگرم و یا پسگرم مناسب برای اتصالهای غیرهمجنس یکی از مشکلات اینگونه اتصالها میباشد. مشکل پیشگرم اتصالهای غیرهمجنسی که یکی از آلیاژها نیاز به پیشگرم دارد ولی آلیاژ طرف مقابل نباید پیشگرم شود در صورتیکه بتوان یک طرف آن را به صورت مستقل پیشگرم نمود به حداقل میرسد.
پسگرم اتصالهای غیرهمجنس نیز یکی از چالشهای طراح میباشد. عملیات حرارتی مناسب برای یکی از فلزات ممکن است باعث ایجاد مشکلات فراوانی در فلز پایه دیگر شود. به عنوان مثال هرگاه یک آلیاژ پیرسخت شونده نیکل-کروم به یک فولاد زنگ نزن آستنیتی غیر پایدار جوشکاری شود، عملیات حرارتی پیرسختی مورد نیاز برای آلیاژ نیکل – کروم ممکن است باعث حساس شدن فولاد آستنیتی گردیده و این مساله باعث کاهش عمر خوردگی در فولاد زنگ نزن میگردد.
اثر میدان مغناطیسی
میدان مغناطیسی میتواند بر روی قوس در جوشکاریهای قوسی تاثیر بگذارد. این میدان باعث انحراف قوس گردیده (وزش قوس) و در نتیجه انحراف انتقال مذاب تحت تاثیر میدان مغناطیسی به وجود میآید.
وقتی که یکی از اجزا فرومغناطیس باشد، قوس به طرف آن جز منحرف شده و در نتیجه مقدار بیشتری از آن فلز ذوب میگردد و همچنین ممکن است باعث عدم ذوب کامل فلز پایهای که خاصیت مغناطیسی ندارد شود . یک چنین اتفاقی در هنگام جوشکاری فولاد کربنی به آلیاژهای پایه نیکلی و فولادهای زنگ نزن آستنیتی رخ میدهد به این صورت که قوس به طرف فولاد ساده کربنی کشیده میشوند.
اثر متقابل فلز جوش- فلزپایه
در بعضی از اتصالهای غیرهمجنس، ممکن است در هنگام جوشکاری، عناصر موجود در فلز جوش به ناحیه تحت تاثیر حرارت فلز پایه و یا بلعکس نفوذ نموده و خواص مکانیکی فلز پایه و فلز جوش را تحت تاثیر قرار دهد. به عنوان مثال در اتصال غیرهمجنس فولاد به مس با فلز پرکننده پایه مسی، مس میتواند در هنگام جوشکاری به مرزدانههای ناحیه تحت تاثیر حرارت فولاد نفوذ نموده و خواص مکانیکی این ناحیه را به شدت کاهش میدهد.
پایداری ریز ساختار
گرادیان ترکیب شیمیایی موجود در فلز جوش و همچنین در امتداد فصل مشترک فلز جوش و فلز پایه، بخصوص در زمانی که اتصال در دمای بالا سرویسدهی مینماید باعث نفوذ داخلی بین فلز پایه و فلز جوش گردیده و این مساله سبب تغییر در ریز ساختار میگردد. باید توجه داشت که گرادیان غلظتی به وسیله گرادیان پتانسیل شیمیایی قابل تغییر میباشد که این قضیه باعث نفوذ اتمی بر خلاف جهت گرادیان غلظتی در آلیاژهای چند جزئی میگردد ، بنابراین مشکل است که بتوان از طریق اطلاعات مربوط به غلظت، مهاجرت اتمهای مشخص را در هنگام کار در دمای بالا پیش بینی نمود . با گذشت زمان، جابهجایی اتمها باعث تغییر در ترکیب منطقهای آلیاژ گردیده وسبب تغییر خواص مکانیکی و فیزیکی آلیاژ در آن منطقه میگردد.
مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون
در جوشکاری فلزات غیرهمجنس، اختلاف در ترکیب شیمیایی فلزات پایه و همچنین فلز جوش و فلز پایه میتواند باعث ایجاد پیلهای گالوانیک و در نتیجه باعث خوردگی یکی از دو فلز پایه که نقش آند را داشته باشد میگردد.
در جوشکاری فلزات غیرهمجنس، اگر یکی از دو فلز پایه فولاد با استحکام بالا باشد و پیل گالوانیک به گونهای باشد که قسمت فولاد با استحکام بالا نقش کاتد را داشته باشد، پدیده تردی هیدروژنی در ناحیه تحت تاثیر حرارت فولاد، بخصوص اگر دمای سرویسدهی در محدوده 40- تا 95 درجه سانتیگراد باشد و یا اتصال تحت تنشهای کششی بالا باشد، از احتمال بالایی برخوردار است.
