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.
پارامترهاي مهم در جوشكاري اتصالات غيرهمجنس
نكاتي كه قبل از انجام جوشکاری اتصالات غيرهمجنس باید در نظر داشت به شرح ذیل میباشند:
- رقیق شدگی و آلیاژسازی
- اختلاف در دماي ذوب فلزات پايه و فلز پرکننده
- اختلاف در ضریب انبساط حرارتی فلزات پايه و فلز پرکننده
- اختلاف در ضریب هدایت حرارتی فلزات پايه و فلز پرکننده
- پيشگرم وپسگرم
- اثر ميدان مغناطيسي
- اثر متقابل فلز جوش- فلزپایه
- پایداری ریزساختار
- مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون
رقيق شدن و آلياژسازي
در جوشكاري تعمیری اتصالات غيرهمجنس، مهمترين پارامتر، تركيب شیمیایی فلز جوش و خواص مکانیکی و متالورژیکی آن ميباشد. به طور معمول در اين نوع اتصالها ترکیب شیمیایی فلز جوش وابسته به ترکیب شیمیایی فلز پايه، فلز پركننده و ميزان رقيقشدگی آنها ميباشد ضمن آنکه ترکیب شیمیایی فلز جوش يكنواخت نيست و یک گراديان تركيب شیمیایی در كنار فلزات پايه 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 دماي ذوب فلزات پايه
جوشکاری فلزات غيرهمجنس از طريق جوشكاري ذوبي نيازمند ذوب هر دو فلز ميباشد. در صورتي كه دماي ذوب فلزات پايه به هم نزديك باشد (حدودا تا 100 درجه سانتیگراد) روشها و دستورالعملهاي معمول به طور مناسب قابل استفاده هستند اما در زماني كه فاصله بين دماي ذوب آنها بالاتر 100 درجه سانتیگراد باشد ممكن است كه لازم باشد از روش لحیمکاری و يا از جوشكاري حالت جامد برايانجام تعمرات استفاده گردد.
عمدهترين مشكل در اتصالهایی كه دماي ذوب آنها با هم تفاوت زيادي دارد شكست فلز با دماي ذوب پايينتر است، انجماد و انقباض در فلز با دماي ذوب بالاتر باعث به وجود آمدن تنش پسماند کششی در فلز با دماي ذوب پايينتر ميگردد، 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 هدايت حرارتي
بيشتر فلزات، هاديهاي خوبي براي حرارت هستند. هدايت سريع حرارت از حوضچه مذاب به وسيله ديوارههاي جانبي فلز پايه ميتواند ميزان انرژي ورودي براي ذوب منطقهاي را تحت تاثير قرار دهد . وقتي كه دو فلز غيرهمجنس كه هدايت حرارتي آنها با هم فرق ميكند جوشكاري شوند این تفاوت باید در دستورالعمل جوشكاري در نظر گرفته شود.
بزرگترین مشکل ایجاد شده ناشی از اختلاف در ضریب هدايت حرارتي، 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 حرارتي
ضریب انبساط حرارتي دو فلز غيرهمجنس و همچنين فلز پركننده از موارد مهمي ميباشد كه بايد مورد توجه قرار گيرد .در صورتي كه ضريب انبساط حرارتي دو فلز تفاوت زیادی داشته باشد، این تفاوت ميتواند باعث ايجاد تنش كششي در فلز پایه با ضریب انبساط حرارتی پایینتر و تنش فشاري در فلز پایه با ضریب انبساط حرارتی بالاتر گردد (در حين سرد شدن). تنش پسماند ایجاد شده، ترك انجمادی در فلز جوش را ترغیب نموده و در قطعهاي كه در آن تنش كششی رخ ميدهد در صورتي كه عمل تنش زدايي در آن انجام نشود حساسیت به ترك هیدروژنی نیز افزایش مییابد.
پيشگرم و پسگرم
انتخاب دمای پيشگرم و يا پسگرم مناسب براي اتصالهای غيرهمجنس يكي از مشكلات اينگونه اتصالها ميباشد. مشکل پیشگرم اتصالهای غیرهمجنسی که یکی از آلياژها نياز به پيشگرم دارد ولی آلياژ طرف مقابل نبايد پيشگرم شود در صورتيكه بتوان يك طرف آن را به صورت مستقل پيشگرم نمود به حداقل میرسد.
پسگرم اتصالهای غيرهمجنس نيز يكي از چالشهاي طراح ميباشد. عمليات حرارتي مناسب براي يكي از فلزات ممكن است باعث ایجاد مشكلات فراوانی در فلز پایه ديگر شود. به عنوان مثال هرگاه يك آلياژ پيرسخت شونده نيكل-كروم به يك فولاد زنگ نزن آستنيتي غیر پایدار جوشكاري شود، عمليات حرارتي پیرسختی مورد نياز براي آلياژ نيكل – كروم ممکن است باعث حساس شدن فولاد آستنیتی گردیده و این مساله باعث كاهش عمر خوردگي در فولاد زنگ نزن ميگردد.
اثر ميدان مغناطيسي
ميدان مغناطيسي ميتواند بر روي قوس در جوشكاريهای قوسی تاثير بگذارد. اين ميدان باعث انحراف قوس گردیده (وزش قوس) و در نتیجه انحراف انتقال مذاب تحت تاثير ميدان مغناطيسي به وجود ميآيد.
وقتي كه يكي از اجزا فرومغناطيس باشد، قوس به طرف آن جز منحرف شده و در نتیجه مقدار بيشتري از آن فلز ذوب ميگردد و همچنين ممكن است باعث عدم ذوب كامل فلز پایهای که خاصیت مغناطیسی ندارد شود . يك چنين اتفاقي در هنگام جوشكاري فولاد كربني به آلياژهاي پايه نيكلی و فولادهای زنگ نزن آستنیتی رخ ميدهد به اين صورت كه قوس به طرف فولاد ساده کربنی كشيده ميشوند.
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.
پايداري ريز ساختار
گراديان تركيب شيميايي موجود در فلز جوش و همچنین در امتداد فصل مشترک فلز جوش و فلز پايه، بخصوص در زمانی که اتصال در دماي بالا سرویسدهی مینماید باعث نفوذ داخلي بين فلز پايه و فلز جوش گردیده و اين مساله سبب تغيير در ريز ساختار ميگردد. باید توجه داشت که گراديان غلظتي به وسيله گراديان پتانسيل شيميايي قابل تغيير ميباشد كه اين قضيه باعث نفوذ اتمي بر خلاف جهت گراديان غلظتي در آلياژهاي چند جزئي ميگردد ، بنابراين مشكل است كه بتوان از طريق اطلاعات مربوط به غلظت، مهاجرت اتمهاي مشخص را در هنگام كار در دماي بالا پيش بيني نمود . با گذشت زمان، جابهجايي اتمها باعث تغيير در تركيب منطقهاي آلياژ گردیده وسبب تغيير خواص مكانيكي و فيزيكي آلياژ در آن منطقه ميگردد.
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.
