ترک خوردگی در جوش چیست ؟!
در خدمت شما دوستـــان عزیز هستیم با یک مقاله تخصصی دیگر در حوزه جوشکاری ، در مقاله قصد داریم مسئلـــه ترک خوردگی در جوش بــــه ویژه ترک انجمادی یا ترک گرم بپردازیم . این مقاله در پیرو سایر مقالات انواع ترک های جوشی است و شما می توانید برای آشنایی با سایر ترک های جوشی [ انواع ترک های جوشی ] را مطالعه بفرمایید .
توصیـــه اکید میشود حتمـــاً قبل از مطالعـــه این مقاله [۰ تا ۱۰۰ عیوب جوش] را مطالعه بفرمائید ، همانطور که در مقاله ذکر شده به بررسی انواع عیوب جوش پرداختیـــم ، یکی از این عیوب ، عیب وجود ترک در جوش است که ترک ها در جوش به انواع مختلفـــی تقسیم بندی میشوند که یک نوع آن ترک انجمادی یا ترک گرم است .
ترک چیست ؟! ترک ممکن است به عنوان ناپیوستگی در جوش که توسط یک شکستگی ایجادشده است تعریف شود که می تواند ناشی از تنش های انقباضی در جوش یا تنش بیش از طراحی بر روی سازه باشد. ترک جدی ترین نوع نقص (imperfection) موجود در جوش است و باید برداشته شود .
ترک انجمادی یا ترک گرم چیست ؟!
ترک انجمادی یا ترک گرم و به انگلیســـی Solidification Crack ، به پدیده های ترک خوردنی اشاره می کند که به سبب حضور مذاب در ریزساختار حین ساخت رخ می دهند. ترک داغ اغلب به فیلم های مذابی مربوط می شود که در امتداد مرزدانه ها در منطقه ی ذوب و منطقه ی ذوب جزیی (PMZ) واقع در منطقه ی متاثر از حرارت (HAZ) وجود دارند. ظاهراً تعریف فوق کمـــی گیج کننده بود اجازه بدهید بیشتر توضیح بدهم .
بطور کلی وجود ناخالصی در فلز پایه سبب میشود پس از جوشکاری و در هنگام انجماد جوش سبب گسترده شدن محدوده ی انجماد آلیاژ میشوند و این مسئله سبب ایجاد مشکل میکند که در ادامــه بیشتر توضیح خواهیــم داد .
ترک انجمادی یا ترک گرم می توانند در چندین مکان و جهت های مختلف ظاهر شوند ، اما بیشتر آنها ترک های طولی و مرکز فلز جوش هستند مطابق ۳ شکل زیر که مشاهده میکنید .
شکل ظاهری ترک انجمادی
شکل ظاهری ترک انجمادی یا ترک گرم به سادگـــی با ۴ نمونـــه شایعی که در ادامه خدمتـتان معرفـــی میگردد قابل تشخیــص میباشد.
۱) ترک انجمادی فقط در فلز جوش رخ می دهند .
۲) به طور معمول به عنوان خطوط مستقیم در امتداد خط مرکزی مهره جوش ظاهر می شوند ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، اما گاهی اوقات ترک انجمادی ممکن است بسته به ساختار انجمادی به صورت ترک خوردگی عرضی ظاهر شود.
۳) ترک انجمادی در انتهـــای جوش به شکل انشعابی هستند کـــه به آنها ترک چالـــه جوش [عیب ترک چاله جوش] گفته میشود .
۴) از آنجا که ترک انجمادی اغلب “باز” هستند ، می توانند با چشم غیر مسلح قابل رویت باشند .
دلایل ایجاد ترک انجمادی یا ترک گرم چیست ؟!
علت اصلی ترک خوردگی جامد این است که در مرحله نهایی انجماد ، فیلم های مذاب جزئی باقیمانده در برابر تنش های انقباضی جوش مقاومت کافی نداشتــه باشد و سبب ایجاد ترک شوند و عواملی که خطر را افزایش می دهند عبارتند از:
۱) اندازه و شکل حوضچـــه جوش صحیـــح نیست
۲) جوشکاری تحت فشار زیاد
۳) وجود عناصری در حوضچه جوش که سبب ایجاد مشکل در انجماد جوش میشود .
برای کنترل ترک انجمادی یا ترک گرم ، باید سه عامل اصلی را مد نظر قرار داد :
۱) ترکیب فلز جوش
۲) الگوی انجمادی جوش
۳) قیود جوشکاری
نحوه جلوگیری از خرابی بلبرینگ ها و رولبرینگ ها
برای جلوگیری از خرابی بلبرینگ ها و رولبرینگ ها که راهکار آن در بالاتر گفته شد هر کدام را به ترتیب در ادامه توضیح خواهیــــم داد .
ترکیب فلز جوش روی ترک خوردگی انجمادی تأثیر می گذارد ، معمولاً چون فلزات خالص در کاربرد مهندسی جایگاهی ندارند آنها را آلیــــاژ میکنند و فلزات آلیاژی دارای طیف وسیعی از محدوده انجمادی هستند که اگر این عناصر آلیاژی دارای دمای انجماد پائین تر باشند در هنگام انجماد توسط رشد دندریتــــی پس زده میشوند و سبب ایجاد فیلم نازکـــی از مذاب میکنند که این فیلم نازک در برابر تنش های انقباضـــی جوش مقاومت کافی را ندارد و اگر نتواند این تنش ها را تحمل کند ، سبب ایجاد ترک می شود .
شکل مهره جوش (Bead Shape) بر روی الگوی انجمادی جوش تاثیـــر زیادی دارد و از طرفی انتخاب پارامترهای مناسب برای جوشکاری و اتصالات مناسب جوش و حوضچــــه های جوش عریض با عمق کم خطر ترک خوردگی را کاهش می دهد اما اگر حوضچــــه جوش بیش از حد بزرگ باشد خطر ترک خوردگـــی انجمادی را افزایش میدهد و معمولاً نسبت عرض به عمق 0.5 برای مقاومت در برابر ترک خوردگی انجمادی بهترین است.
قیود جوشکاری تاثیـــر پیچیده ایی بر روی ایجاد ترک در جوش دارند و نمیتوان بصورت دقیق تاثیر آن را لحاظ کرد اما مقدار آن تحت تاثیر پارامتر هایی مانند ضخامت قطعه ، فیکسچر های موجود و دمای پیشگرم می باشد .
طراحی نوع هندسه اتصال جوش ، تاثیـــر زیادی بر روی تنش پسماند دارد به همین منظور ایجاد کردن گپ (Gap) بزرگ بین قطعات باعث افزایش فشار بر روی فلز جوش می شود ، به خصوص اگر عمق نفوذ کوچک باشد. بنابراین ، جوشکاری با حوضچـــه جوش با نسبت عمق به پهنای کوچک ، مستعد ایجــاد ترک خوردگی خواهند بود.
ترک انجمادی یا ترک گرم در فولاد
یکی از علل شایع ترک انجمادی یا ترک گرم در فولاد وجود ناخالصی ها در فلز پایه به ویژه گوگرد و فسفر است ، و وجود گوگرد و فسفردر فلز پایـــه خطر ترک خوردگـــی را افزایش میدهد در حالیکـــــه منگنز و سیلیسیـــم می توانند به کاهش خطر کمک کنند . برای به حداقل رساندن خطر ترک خوردگی ، پرکننده هایی با سطح کربن و ناخالصی کم و مقدار بالای منگنز ترجیح داده می شوند. به عنوان یک قاعده کلی ، برای جوشکاری فولاد ها مقدار ، کل گوگرد و فسفر نباید بیشتر از 0.06٪ باشد.
در به وجود آمدن ترک ترک انجمادی یا ترک گرم ترکیب فلز پایه مهم تر از فلز پرکننده است و باید در انتخاب فلز پایه مرغوب حساس بود اما این حساس بودن را میتوان با استفاده از جوشکاری با روش هایی با درجه رقت کمتـــــر کاهش داد . [مقاله درجه رقت چیست را مطالعه کنیــــد ] ترک خوردگی در جوشکاری با فرآیندهای با درجه رقت کم مانند جوشکاری الکترود دستی SMAW و جوشکاری با گاز محافظ خنثـــی MIG کمتـــر محتمل است.
در جوشکاری فولادهای ساده کربنی با روش جوشکاری زیر پودری SAW رابطه ایی ، تحت عنوان شاخص حساسیت به ترک خوردگـــی Units of Crack Susceptibility (UCS) وجود دارد که مطابق رابطــــه زیر محاسبه میشود . (در این رابطــــه از ترکیب شیمیایی فلزات جوش (وزن٪) استفاده میشود .)
UCS = 230C + 190S + 75P + 45Nb – 12.3Si – 5.4Mn – 1
اگر در رابطـــه فوق مقدار UCS بدست آمده زیر ۱۰ بشود خطر ترک انجمادی یا ترک گرم وجود ندارد و اگر مقدار UCS بدست آمده بالای ۳۰ بشود جوشکاری این فولاد با روش زیر پودری بسیار خطرناک است .
ترک انجمادی یا ترک گرم در آلومینیوم
جوشکاری آلومینیوم مستعد ایجاد ترک گرم یا انجمادی است ، در جوشکاری آلومینیوم بعلت انبساط حرارتی بالا (تقریباً دو برابر بیشتر از فولاد) و انقباض قابل توجه انجماد (معمولاً 5٪ بیشتر از جوش فولادی معادل) خطر بیشتری آنها را برای ترک انجمادی یا ترک گرم تهدید میکند .
معمولاً احتمــــال خطر را میتوان با استفاده از یک پرکننده مقاوم در برابر ترک (معمولاً از آلیاژهای سری 4xxx و 5xxx) کاهش داد ، اما عیب این است که فلز جوش حاصل ناهمگــن بودن خواص مکانیـــی ضعیف تری نسبت به فلز پایـــه دارد .
ترک انجمادی یا ترک گرم فولاد زنگ نزن
جوشکاری فولاد زنگ نزن مستعد ایجاد ترک گرم یا انجمادی است ، در جوشکاری فولاد زنگ نزن کاملاً آستنیتی نسبت به فولاد زنگ نزن حاوی 5 تا 10 درصد فریت مستعد ترک خوردگی است. اثرات مفید فریت به ظرفیت آن برای نگهداری ناخالصی های مضر در فلز جوش اشاره کرد بنابراین انتخاب مواد پرکننده برای مناسب برای جلوگیری از ترک خوردگی از اهمیت بالایی برخوردار است که مورد باید توسط مهندس جوش خبـــره انجام شود .
همانطور که سابقــاً اشاره شد فولاد های زنگ نزن فولاد های هستند که دارای عناصر آلیاژی مختلفی بوده ، مهم ترین آن ها که خاصیت ضد خوردگی را تامین می کند کروم می باشد و فولاد های زنگ نزن بر اساس درصد عناصر آلیاژی بــه ۴ گروه زیر تقسیــم بندی می شوند :
۱-فولاد زنگ نزن فریتی (α)
۲-فولاد زنگ نزن آستنیتی (β)
۳-فولاد زنگ نزن مارتنزیتی (М)
۴-فولاد زنگ نزن دو فازی(آستنیتی-فریتی)
بررسی به وجود آمدن ترک انجمادی
ترک های پس از جوشکاری را می توان به دو دستــه تقسیم بندی کرد ۱) دسته بندی بر حسب شکل ۲) دسته بندی بر حسب موقعیت ، ترک ها بر حسب شکل به دو نوع طولی و عرضی / و به لحاظ موقعیت معمولاً به ترک ها در خط مرکزی جوش و ترک ها در منطقه HAZ تقسیـــم بندی می شوند .
با توجه به توضیحات فوق ترک گرم بر حسب شکل، طولی و برحسب موقعیت، در خط مرکزی جوش می باشد.
مراحل تشکیل ترک گرم در فولاد زنگ نزن آستنیتی بشرح زیر می باشد :
در بین سایر فولاد های زنگ نزن ، فولاد های آستنیتی به شدت مستعد ترک گرم می باشند و علت این اتفاق را می توان توانایی پایین آستنیت در حل کردن عنـاصر ناخالصی ماننده گوگرد ، فسفر ، سرب و قلع در خود دانست.
در حین جوشکاری با تشکیل حوضچـــه مذاب و انجماد تدریجــی فلز جوش این عناصر از ساختار خارج شده وخود را به مرز دانه ها می رسانند و این ناخالصــی ها در مرز دانه ها تشکیل یک فاز ثانویه با ساختــار ترد می دهند. و پس از سرد شدن کامل جوش با توسعه تنش های پسماند این ساختار ترد ایجاد شده تحمل تنش های کششی را ندارند و با ترک خوردن ، انرژی نهفتــه را آزاد می شود .
لذا مطابق آنچــه که در بالاتر گفتــه شد ، اگر انعطاف پذیری مرز دانه ها به گونه ای باشد که در مقابل این تنش ها مقاومت کند جوش این تنش ها را تحمل می کند و از ترک خوردگــی محافظت می شود .
عوامل تشدید احتــمال ایجاد ترک گرم
عواملی که احتــمال ایجاد ترک گرم را تشدید می کنند میتوان به موارد زیر اشاره کرد :
۱) حساسیت به ترک در مرحله اول تابعی از ترکیب شیمیایی می باشد.
۲) اگر ساختار جوش پس از انجماد ، کاملاً آستنیتی باشند بیشترین حساسیت را نسبت به تشکیل ترک گرم دارند.
۳) شرایط مهار جوش ، در صورتی که قیود جوشکاری تنش بالایی بر قطعه وارد کنند احتمال بروز ترک بالاتر می رود .
۴) در صورت بالا بودن حرارت ورودی (انرژی جوش) احتمال ترک گرم بیشتر خواهد شد.
چاله های پر نشده انتهای جوش [انواع عیوب جوش را مطالعه کنید] ترک خوردگی انجمادی را تشدید می کنند.
پیش بینی احتمال ترک خوردگی گرم
کلاً دو روش متداول برای پیش بینی احتمال ترک خوردگی گرم وجود دارد که در هر دو روش پیش پیش بینی احتمال ترک خوردگی با پیش بینی ترکیب شیمیایی فلز جوش انجام میشود بــه این صورت که احتمال ترک خوردگی در ساختــار تمام آسنیتـــی بشدت بالا است و هرچه درصد فریت موجود در ترکیب شیمیایی افزایش پیدا کند احتمال ترک خوردگـــی کاهش می یابد .
۱) استفاده از نمودار سوتالا (Suutala)
۲) استفاده از نمودار شفلر (Schaeffler)
نمودار فوق که ، نمودار سوتالا (Suutala) است ترکیب شیمیایی فلز جوش را پیش بینی می کند بطوریکـــه در ابتدا مقدار کروم و نیکل معادل با توجه به فرمول ارائه شده محاسبــه می شود و سپس اگر ترکیب شیمیایی در منطقــه قرمز قرار بگیرید خطر ترک خوردگی بشدت بالا است و اگر در منطقه سبز قرار بگیرید خطر ترک خوردگی به نسبت پائین است .
نمودار فوق که ، نمودار شفلر (Schaeffler) است بیان میکند اگر ترکیب شمیایی نهایی تماماً آستنیتی باشد خطر ترک خوردگی بشدت بالا است و بطوریکه هرچـــه درصد مقدار فریت افزایش پیدا کند به نسبت خطر ترک خوردگــی کاهش پیدا می کند .
برای اطلاع از تنش زدایی جوش PWHT روی لینک کلیک کنید.