پایان نامه پروژه جوشکاری چدن
فهرست مطالب
مقدمه
جوشکاری چدنها
مشکلات اساسی در جوشکاری چدنها
جوش پذیری وجوشکاری چدن سفید
جوش پذیری وجوشکاری چدن خاکستری
کنترل فاکتورهای موثربر جوش پذیری چدنها
بررسی ساختار کریستالی مقطع جوش
دستورالعمل جوشکاری
جوش کاری با فرایند قوس الکتریکی والکترود دستی
انواع الکترود
نکات تکنیکی
نکاتی در ارتباط باجوشکاری چدنهای دیگر
متالورژی جوشکاری چدن خاکستری
پیشگرم کردن برای جوشکاری انواع چدن خاکستری
روش های پیشگرم کردن و کنترل درجه حرارت بین پاسی در چدن های خاکستری
جوشکاری چدن ها
روشهای جوشکاری چدن خاکستری
1-قوس الکتریک دستی:
2-جوشکاری چدن با قوس الکتریکی با گاز محافظ(TIG , MIG)
3- جوشکاری چدن با شعله اکسی استیلن یا جوش کاربید
4-جوش برنج(Brass welding)
5-لحیم کاری سخت بر روی چدن(Brazing)
منابع
پيشگفتار :
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 .
در طول جنگ جهاني دوم و پس از آن ، نظر به افزايش حجم توليدات و به تبع آن افزايش حجم جوشكاري به عنوان يكي از اصلي ترين روش هاي ساخت ، با بروز مشكلات متعدد در اين زمينه ، هر يك از كشورهاي صنعتي در كشورهاي خود ، اقدام به ساماندهي صنعت جوش و برش نمودند كه اين امر از طريق استاندارد سازي فعاليت هاي جوشكاري صورت گرفت . با توجه به تعدد استاندارد ها و مشكلات ناشي از آن و نيز روند جهاني شدن بازارها ، كشورهاي صنعتي اروپايي اقدام به تاسيس مركزي متشكل از نمايندگان كشورهاي خود به عنوان فدراسيون جوش اروپا (EWF) نمودند . بعدها با حضور نمايندگان كشورهاي صنعتي نظير آمريكا و ژاپن و به دنبال آن كشورهاي در حال توسعه ، سازمان جديدي تحت عنوان انستيتو بين المللي جوش (IIW) تاسيس گرديد . در حال حاضر انستيتو بين المللي جوش در تمام كشورهاي عضو از جمله ايران داراي نماينده اي مي باشد . اين نماينده علاوه بر وظيفه انتقال مشكلات صنعت جوش و برش در كشور خود ، جهت بحث و بررسي و ارائه راه حل و نيز انتقال دانش روز جهان و استانداردهاي جديد ، وظيفه فراهم سازي امكان بهره گيري از سيستم آموزش و تاكيد كيفي هماهنگ IIW را در كشور خود بر عهده دارد .
مركز پژوهش و مهندسي جوش ايران (IWREC) ، وابسته به سازمان گسترش و نوسازي صنايع ايران در سال 1371 با هدف انجام فعاليت هاي پژوهشي و ارائه خدمات علمي ، فني و مهندسي ، مشاوره و آموزش در زمينه هاي جوشكاري ، بازرسي و كنترل كيفيت تاسيس گرديده است .
مقدمه :
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 .
براي ايجاد مقاومت به سايش ، خراش و خوردگي به آنها عناصر آلياژي اضافه مي شود . اصولاً كاربرد وسيع چدن ها به دليل هزينه ي كم و خواص مهندسي متنوع است . با وجود رقابت شديد مواد جديد ثابت شده است كه چدن ها با هزاران كاربرد مهندسي مناسب و مقرون به صرفه ي اقتصادي اند ]1[ . اساساً چدن ها از آهن خام كه محصول كوره ي بلند بوده تهيه مي گردند . براي اين كار آهن خام با تركيب شيميايي خواص را همراه با درصد مشخصي از چدن و يا قراضه فولاد ذوب كرده ، پس از تنظيم تركيب شيميايي به كمك عناصر ديگري كه به مذاب اضافه مي كنند ، آن را در اشكال مورد نظر ريخته گري مي نمايند .
جوشكاري چدن ها :
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 :
- جوش هاي تحت تنش ، كه بايد موضع جوش داده شده داراي حداقل خواص مكانيكي مورد نظر بوده يا با بقيه قطعه برابري كند .
- 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 .
- 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 . ]5[
مشكلات اساسي كه در جوشكاري چدن ها به وجود مي آيد:
هنگامي كه چدن تحت سيكل حرارتي جوشكاري قرار گيرد ، امكان دارد درجه حرارت بالا ، زمينه از كربن غني شده و هنگام سريع سرد شدن كربن تركيبي با فاز سخت و ترد نظير سمنتيت يا كاربيدهاي ديگر توليد شود و بدين ترتيب فلز جوش و يا منطقه ي مجاور آن اصطلاحاً الماسه شود ( غير قابل ماشين كاري ) اين اولين مشكل در جوشكاري چدن هاست .
گاه فاز سخت و ترد تحت تاثير تنش هاي حرارتي ناشي از جوشكاري يا تنش هاي ديگر پسماند مقاومت نكرده و بر روي آن ترك هايي ايجاد مي گردد . اين اتفاق ممكن است در فلز جوش يا منطقه مجاور خط جوش به وجود آيد . بنابراين دومين مشكل در عمليات جوشكاري چدن ها احتمال وقوع تركيدگي در جوش يا منطقه مجاور آن مي باشد .
عيب يا مشكل سومي كه اغلب در جوشكاري چدن محاسبه حاصل مي شود حفره ها و خلل و فرج است كه باعث كاهش استحكام جوش و يا عدم موفقيت در آب بندي يك مخزن يا انبار چدني مي گردد . همانطور كه اشاره شد كرين آزاد يا گرافيت در زمينه به طور فراوان وجود دارد . اگر اين كربن در حين عمليات ذوب در جوشكاري با اكسيژن هوا تماس حاصل نمايد و حتي در برخي مواقع بعضي اكسيد ها را احياء كند حباب هاي گاز CO2 يا CO توليد مي شود كه مي تواند از مذاب خارج شده و يا احياناً حين انجماد در فلز جوش محبوس شده و خلل و فرج را به وجود آورند ]6[.
در ادامه به بررسي برخي از عوامل متالورژيكي و متغييرهاي جوشكاري و تاثير آنها بر جوش پذيري چدن ها ، پرداخته خواهد شد .
پيشگرم كردن :
پيش گرم كردن قطعه ي مورد جوش و كنترل درجه ي حرارت بين پاسي موجب كاهش شيب حرارتي و در نتيجه تقليل سرعت سرد شدن منطقه ي جوشكاري مي شود . آرم سرد شدن ، احتمال تشكيل كاربيد را در فلز جوش و مارتنزيت را در منطقه ي مجاور جوش كاهش مي دهد . از طرف ديگر تنش هاي انبساطي و انقباضي نيز با پيشگرم كردن تقليل مي يابند . پيشگرم كردن مي تواند به طور موضعي و توسط شعله انجام شده يا با قرار دادن قطعه در كوره يا محفظه هاي پيش ساخته شده شبيه كوره اعمال شود واضح است كه پيشگرم كردن كل قطعه به دليل عدم احتمال ايجاد تنش هاي داخلي در مواضع ديگر قطعه ترجيح داده مي شود . درجه حرارت پيشگرم كردن به اندازه ، طرح ، ميزان درجه ي مهار ، ساختار ميكروسكوپي و خواص چدن ، نوع فلز پركننده ، اندازه ي فلز جوش و روش جوشكاري بستگي دارد . به عنوان مثال قطعات سنگين و ضخيم چون قابليت جذب حرارت بيشتري دارند ، موجب سرد شدن سريع تر منطقه ي جوش مي شوند نياز به درجه حرارت پيشگرم كردن بالا تری دارند همچنین فلز جوش حجیم کندتر سرد شده ونیاز به درجه حرارت پیش گرم کردن پائين تري دارد ( بايد توجه داشت كه فلز جوش طويل ، عميق و بزرگ در مقابل ترك برداشتن حساس تر از فلز جوش كم عمق و كوتاه است ) . در جدول 7 محدوده دماهاي پيشگرم و بين پاسي توصيه شده براي انواع چدن ها ارائه شده است . به طور كلي چدن هاي نشكن و چكش خوار فريتي ، نسبت به نوع پرليتي به دليل داكتيليته بالاتر فريت نياز به پيشگرم كمتري دارند .
در جوش هاي چند پاسه درجه حرارت بين پاسي هم بايد كنترل شود . اين درجه حرارت نبايد كمتر يا بيشتر از درجه حرارت پيشگرم كردن اوليه باشد . در قطعات سنگين گاهي اوقات لازم است تا براي نگهداشتن درجه حرارت بين پاسي معين در حين جوشكاري از منبع حرارتي ديگر براي گرم نگه داشتن قطعه كار استفاده نمود ]5[ .
تاثير مقدار حرارت ورودي و ميزان شدت تمركز آن و همچنين انتخاب نوع فلز پركننده را بر دماي پيشگرم نبايد ناديده گرفت . به عنوان مثال در جوشكاري اكسي استيلن به دليل تمركز حرارت كمتر لازم است كه تمام قطعات چدني پيشگرم شوند . همچنين زماني كه از فلز پركننده چدني استفاده مي شود لازم است دماي پيشگرم بالايي انتخاب شود زيرا فلز جوش در دماي اتاق داكتيليته كمي دارد . با كاربرد فلز پركننده اي كه رسوب آن داراي استحكام نسبتاً كم اما داكتيليته مناسبي است مثل ENi-C1 يا EN-C1-A ، مي توان دماي پيشگرم را كمي بالاتر از دماي اتاق در نظر گرفت ]3[ .
تكنيك رسوب دادن :
روشي كه براي رسوب دادن فلز جوش انتخاب مي شود ، اثر حرارتي متفاوتي روي فلز جوش دارد . ازدياد سرعت جوشكاري موجب سريع تر شدن جوش شده و احتمال ايجاد ترك سرد و تشكيل مارتنزيت و كاربيد افزايش مي يابد ، در حالي كه تاب برداشتن و پيچيدگي كاهش مي يابد . با افزايش درجه حرارت پيش گرم نقش سرعت جوشكاري اهميت كمتري پيدا مي كند . شكل و اندازه ي حوضچه جوش و نحوه ي حركت زيگزاگي الكترود يا مشعل نيز بر اثر حرارتي جوش موثر هستند . به عنوان مثال برخي از جوشكارها براي ايجاد حرارت بيشتر و سرد شدن آرامتر فلز جوش ، مبادرت به ايجاد حوضچه هاي جوش بزرگ و گرد مي كنند . واضح است كه هر چه حجم مذاب بيشتر باشد آرامتر سرد مي شود و در حوضچه گرد از تمركز تنش در گوشه و زوايا جلوگيري مي شود . اين خود تدبير خوبي براي كاهش احتمال ترك برداشتن يا نرم شدن جوش است ، اما در مقابل احتمال ايجاد خلل و فرج در جوش افزايش مي يابد ، چون هرچه حوضچه ي مذاب وسيع تر و عميق تر باشد اولاً احتمال تماس هوا و عدم محافظت كامل مذاب توسط قوس يا شعله كمتر مي گردد ، ثانياً عمق زياد مذاب ، احتمال محبوس شدن حباب هاي گازي را افزايش مي دهد ، ثالثاً درصد ناخالصي ها نظير فسفر كه در فلز قطعه بيشتر از الكترود است در فلز جوش افزايش يافته و كيفيت جوش را پائين مي آورد . بنابراين جوشكار بايد در تكنيك رسوب دادن فلز و ايجاد حوضچه ي جوش ، بين عوامل فوق الذكر تعادل برقرار كند . حركت زيگزاگي الكترود يا مشعل از نظر دامنه و فركانس هم داراي مزايا و محدوديت هايي است كه تقريباً شبيه مطالب بالاست .
سرباره ، فلاكس و گازهاي محافظ :
در هنگام جوشكاري نوع مفتول يا الكترود به ويژه توسط قوس الكتريكي به درجه حرارت بالايي مي رسند . اين درجه حرارت علاوه بر اين كه مي تواند موجب تبخير بعضي عناصر شود ، در صورت عدم دقت ممكن است در تماس با اكسيژن هوا قسمتي از عناصر فعال را اكسيد كند . واكنش هاي اكسيداسيون علاوه بر اين كه باعث كاهش برخي از عناصر در فلز جوش مي شوند ، موجب ايجاد ذرات اكسيد شده مي شوند كه اگر در مذاب محبوس شوند ، كيفيت اتصال را پائين مي آورند . محافظت نوك مفتول توسط پوشش هاي مخصوص الكترود ، فلاكس يا روانساز ، گازهاي شعله يا گازهاي خنثي انجام مي گيرد . مواد سرباره ساز مي تواند به صورت پوشش همراه با الكترود يا مفتول بوده يا به طور جداگانه به شكل پودر يا خمير به موضع مورد جوش اضافه شود .
عمليات حرارتي بعد از جوش ( PWHT) :
حرارت دهي قطعه ي جوشكاري شده بلافاصله پس از جوشكاري يا بعد از سرد شدن به منظور تنش گيري يا كاهش سختي و بالا بردن قابليت ماشين كاري انجام مي گيرد . گاهي اوقات قطعه ي جوش داده شده ي گرم را در خاكستر داغ يا پوشش نسوز و عايق حرارتي قرار داده يا آن را با شعله ي آرام سرد مي كنند . عمليات آنيل كردن كامل ، نرمال كردن و انجام عمليات حرارتي ماليبل كردن هم بر روي قطعه ي جوش داده شده ي چدني مرسوم است ]5[.
انتخاب فلز پركننده :
فاكتورهاي مختلفي براي انتخاب فلز پركننده براي جوشكاري چدن ها بايد در نظر گرفته شود كه مهمترين آنها عبارتند از :
- نوع چدن
- خواص مكانيكي مورد نظر در اتصال جوش داده شده
- تلرانس فلز پركننده در ارتباط با درجه رقت توسط فلز پايه
- توانايي فلز جوش جهت آزاد سازي تنش هاي جوشكاري
- ماشينكاري پذيري منطقه ي جوش
- يكنواختي از جهت رنگ و زيبايي
- فرايند جوشكاري قابل اجرا
- هزينه
فلزات پركننده در دسترس براي جوشكاري چدن ها توسط فرايندهاي الكترود دستي ، توپودري ، ميگ مگ ، و اكسي استيلن فراهم مي باشند . به علاوه فلزات پركننده اي نيز براي جوش برنج يا زرد جوش به كار مي رود . در موارد خاصي چدن ها ممكن است با استفاده از فرايند تيگ و فلز پركننده مناسب جوشكاري شوند ]3[.
جوش پذيري و جوشكاري چدن سفيد :
به طور كلي چدن هاي سفيد قابل جوشكاري نيستند . تردي و شكنندگي بيش از حد اين چدن ها سبب جوش ناپذيري آنها مي باشد . در شرايط ويژه اي كه چاره اي جز جوشكاري اين نوع چدن وجود نداشته باشد استفاده از پركننده هاي از جنس چدن سفيد با روش گازي . يا E310 يا ER310 با روش هاي قوس الكتريكي با پيشگرم كردن در حدود ْ300 تا C450ْ و آهسته سرد كردن پيش از جوشكاري و سپس انجام عمليات حرارتي تنش گيري در C 200ْ توصيه شده است .
پس از عمليات حرارتي و قبل از استفاده از قطعه ي تعمير شده در سرويس كاري ، حتماً بايد بازرسي هاي كافي و كاملي از قطعه به عمل آورد زيرا احتمال بروز ترك در جوش و HAZ بسيار زياد است .
جوش پذيري و جوشكاري چدن خاكستري :
در اين بخش جوشكاري چدن خاكستري مورد بررسي قرار خواهد گرفت . توجه به اين نكته لازم است كه بسياري از نكاتي كه در اين قسمت ارائه شده است در ارتباط با جوشكاري وجوش پذيري چدن هاي چكش خوار و نشكن نيز صادق است .
فاكتورهاي موثر براي جوش پذيري چدن ها عبارتند از :
- تنش هاي ناشي از سرد كردن
- شكل نامنظم قطعه ريخته گري شده
- سخت شدن ناحيه ي جوش و HAZ
- مقدار كربن موجود و باقي مانده در فلز پايه پس از جوشكاري
- آغشته بودن به روغن و چربي ( روغن مي توانداز طريق گرافيت ها و سوراخ هاي ميكروسكوپي به داخل چدن نفوذ كرده و در طي جوشكاري بخار شده و سبب ايجاد حفره هايي در داخل جوش شود ).
كنترل فاكتورهاي موثر جوش پذيري چدن ها :
الف ) براي كاهش تنش هاي ناشي از سرد شدن ، توجه به نكات زير ضروري است :
- استفاده از پارامترهاي صحيح جوشكاري
- استفاده از مهره جوش يا زنجيره هاي كوتاه جوش
- استفاده از شدت جريان كم
- طراحي صحيح براي ترتيب مهره جوش ها
- سرعت سرد كردن آهسته پس از جوشكاري
- عدم استفاده از جوشكاري به روش زيگزاگ ، زيرا حرارت ورودي در اثر زيگزاگ جوشكاري كردن افزايش پيدا مي كند و ميزان تنش هاي باقيمانده زياد مي شود .
- رعايت ترتيب پاس ها در جوش هاي چند پاسه
- استفاده از حرارت ورودي حداقل
- استفاده از الكترود جوشكاري ENiFe-Cl : AWS A5,15 : اين الكترود يك الكترود عمومي بسيار مفيد براي جوشكاري انواع چدن هاي معمولي است كه فلز جوش انعطاف پذيري با تنش تسليم بالا را فراهم مي آورد.
10-پيشگرم كردن : تنش تسليم بسياري از مواد ، با افزايش دما كاهش مي يابد . پس با پيشگرم كردن مي توان مقدار تنش هاي پسماند را در قطعه به حداقل رساند .
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.