بدون شک استفاده از آلومینیوم در صنعت جوشکاری در حال افزایش است . ویژگی های منحصر به فرد آلومینیوم از داشتن وزن سبک و داشتن مقاومت در برابر خوردگی عالی ، استحکام بالا ، مقاومت بالا ، قابلیت دمای شدید ، قابلیت انعطاف پذیری اکسترودینگ و قابلیت بازیافت ، آن را به یکی از انتخاب های مورد علاقه امروزه برای بسیاری از مهندسان و طراحان برای انواع جوش تبدیل کرده است . آلومینیوم یک نوع فلز منحصر بفرد است که دارای مشکلات جوشکاری مخصوص به خود است . جوش دادن آن سخت تر از سایر فلزات نیست اما مشکلات جوشکاری آلومینیوم به این معناست که فرایندهای مشخصی برای جوش دادن آن لازم است.
تغییر فرایند جوش از جوشکاری فولاد به آلومینیوم تا حد زیادی به درک تفاوتهای اساسی بین این دو ماده بستگی دارد. در اینجا به بعضی از متداول ترین مشکلات جوشکاری آلومینیوم مانند قابلیت تغذیه ، تخلخل ، ترک خوردگی و انتخاب آلیاژ پرکننده ( فیلر ) می پردازیم .
دسته بندی مشکلات جوشکاری آلومینیوم
قابلیت تغذیه
این توانایی به قابلیت تغذیه مداوم از سیم جوش حلقه شده در طی فرایند جوشکاری گفته می شود . قابلیت تغذیه با درصد بالا یکی از شایع ترین مشکلات جوشکاری آلومینیوم است که هنگام جابجایی از جوشکاری MIG فولاد به جوشکاری MIG آلومینیوم تجربه می شود . انتخاب سیم جوش با کیفیت و قوام بالا می تواند مشکلات تغذیه ای را به حداقل برساند . قابلیت تغذیه ، مسئله ای بسیار مهم در جوشکاری آلومینیوم نسبت به جوش فولاد است . این امر در درجه اول به دلیل تفاوت بین خصوصیات مکانیکی مواد است . سیم جوش فولادی سفت و سخت است ، می تواند در مسافت های بیشتر ، بهتر تغذیه شود و در مقایسه با آلومینیوم در برابر فشارهای مکانیکی بسیار ، مقاومت بیشتری دارد. آلومینیوم نرم تر و مستعد تغییر شکل یا خراب شدن در حین عمل تغذیه است و به همین دلیل هنگام انتخاب و تنظیم سیستم تغذیه ای برای جوشکاری MIG به مراقبت بسیار بیشتری احتیاج دارد . مشکلات تغذیه سیم اغلب به صورت تغذیه سیم نامنظم خود را نشان می دهد . به منظور جلوگیری از بروز مشکلات در قابلیت تغذیه ، درک کل سیستم تغذیه و تأثیر آن بر روی سیم جوش آلومینیومی بسیار مهم است. اگر از انتهای قرقره سیستم تغذیه را شروع کنیم ، ابتدا باید تنظیمات ترمز را در نظر بگیریم. تنش ترمز باید به حداقل مقدار ممکن تنظیم شود . تنها فشار كافي ترمز براي جلوگيري از آزاد شدن قرقره در هنگام متوقف شدن جوش ، لازم است . سیستم های ترمز الکترونیکی و ترکیب های الکترونیکی / مکانیکی برای ایجاد حساسیت بیشتر در سیستم ترمز ایجاد شده اند . راهنماهای ورودی و خروجی و همچنین آسترهایی که به طور معمول از مواد فلزی برای جوشکاری فولاد ساخته می شوند ، باید از ماده غیر فلزی مانند نایلون تهیه شوند تا از ساییدگی و تراشیدن شدن سیم آلومینیوم جلوگیری شود .
رول های درایو با کانتورهای نوع U تولید شده اند ، لبه هایی که کاملاً شفاف هستند و تیز نیستند ، صاف هستند ، تراز وسط قرار دارند و فشار صحیح درایو را ایجاد می کنند . فشار بیش از حد غلتک درایو می تواند سیم آلومینیوم را تغییر شکل دهد و باعث افزایش اصطکاک در لاین و لبه تماس شود . شناسه تماس و کیفیت آن از اهمیت بالایی برخوردار است . می توان وجود نوک های تماس ساخته شده مخصوص جوشکاری آلومینیوم را دید که دارای منفذهای بسیار صافی هستند اما با این وجود آلیاژ های نرم آلومینیوم را خراش می دهند .
سیم جوش آلومینیومی در هر دو سیستم فیدر فشار و کشش استفاده می شود . با این حال ، محدودیت های بوجود آمده بستگی به کاربرد و فاصله تغذیه دارند . سیستم های فیدر فشار وکشش برای آلومینیوم بمنظور غلبه بر مشکلات سیستم تغذیه توسعه داده شده و بهبود یافته اند . و ممکن است در عملیات مهم و تخصصی تر مانند برنامه های روباتیک و خودکار استفاده شوند . اخیراً سیستمی با نام ESAB برای جوشکاری آلومینیوم بسیار کاربردی شده است و یک سیستم تغذیه ای بسیار مثبتی را ارائه می دهد که قادر به ارائه سیم آلومینیومی در مسافت های بیشتر با حداقل مشکلات سوختگی و خراشیدگی است .
تخلخل
از دیگر مشکلات جوشکاری آلومینیوم ، تخلخل است . تخلخل نتیجه گیر افتادن گاز هیدروژن در داخل آلومینیوم هنگام جوشکاری است و سبب بوجود آمدن حفره در جوش تکمیل شده می شود . هیدروژن در آلومینیوم مذاب بسیار محلول است و به همین دلیل ، پتانسیل مقادیر بیش از حد تخلخل در هنگام جوشکاری قوس آلومینیوم به میزان قابل توجهی زیاد است. هیدروژن را می توان به طور ناخواسته در طول عملیات جوشکاری از طریق آلاینده های موجود در منطقه جوش مانند هیدروکربن ها و یا رطوبت وارد حوضچه جوش می شود . هیدروکربن ها را می توان روی صفحه یا سیم جوش یافت که با مواردی مانند روان کننده ، گریس ، روغن یا رنگ ترکیب شده اند . درک روش های موجود برای از بین بردن موثر هیدروکربن ها و بکار گرفتن روش های مناسب در جوشکاری بسیار مهم است . رطوبت (H2O) حاوی هیدروژن است و ممکن است از طریق نشت آب در سیستم خنک کننده تجهیزات جوشکاری ، گاز محافظ خالص ناکافی ، میعان در صفحه یا سیم از رطوبت بالا ، تغییر دما و اکسید آلومینیوم به محل جوش منتقل شود .
آلومینیوم دارای یک لایه اکسید محافظ است . این پوشش نسبتاً نازک است و به طور طبیعی بلافاصله روی آلومینیوم شکل می گیرد. آلومینیوم نگه داری شده به طور صحیح ، با یک لایه اکسیده نازک غیر آلوده ، می تواند به راحتی با فرآیندهای جوشکاری گاز بی اثر (MIG) و (TIG) جوش داده شود که در هنگام جوشکاری اکسید را تجزیه و از بین می برد . مشکلات احتمالی تخلخل زمانی بروز می کند که اکسید آلومینیوم در معرض رطوبت قرار داشته باشد. لایه اکسید آلومینیوم متخلخل است و می تواند رطوبت را جذب کند ، ضخامت آن رشد کرده و در هنگام تلاش برای تولید جوش هایی که لازم است نسبتاً بدون تخلخل باشند ، به یک مشکل اساسی تبدیل شود . هنگام طراحی رویه های جوشکاری ، برای جلوگیری از تخلخل ، گند زدایی و حذف اکسید مهم است . به طور معمول ، این امر از طریق ترکیبی از تمیز کردن شیمیایی و یا استفاده از حلال ها برای از بین بردن هیدروکربن ها و به دنبال آن تمیز کردن سیم فولاد برای از بین بردن اکسید آلومینیوم ، حاصل می شود.
روش های برش یا سنگ زنی که ممکن است آلودگی ها را به سطح صفحه یا زیر سطح رسوب دهند ، مایعات برش ، زباله های دیسک سنگ زنی و روان کننده های تیغه اره همه موارد نگران کننده هستند و باید به عنوان یک عنصر کنترل شده در روش جوشکاری از نزدیک مورد ارزیابی قرار گیرند . به عنوان مثال انواع خاصی از دیسک های سنگ زنی می توانند ذرات درون آلومینیوم را که در هنگام جوشکاری واکنش نشان می دهند و باعث ایجاد مشکلات عمده در تخلخل می شوند ، رسوب دهند .
تمیز کردن صحیح قطعات آلومینیوم قبل از جوشکاری ، استفاده از روش های اثبات شده ، تجهیزات مناسب ، گاز محافظ با کیفیت بالا و سیم جوشکاری که عاری از آلودگی است ، همه به متغیرهای بسیار مهم در امر کم کردن تخلخل تبدیل می شوند . تخلخل به طور معمول با آزمایش رادیوگرافی روی جوش های کامل انجام می شود . با این حال ، روش های دیگری نیز وجود دارد که می تواند بدون تجهیزات رادیوگرافی برای ارزیابی میزان تخلخل در صفحه های آزمایش استفاده شود .
ترک خوردگی
یکی از مشکلات جوشکاری آلومینیوم که به راحتی می توانید با آن مواجه می شوید ، ترک خوردگی جوش جامد یا مشکل ترک خوردگی گرم است . این شکل از ترک خوردگی در آلومینیوم به طور معمول در اثر ترکیبی از ضعف های فلز جوش ایجاد می شود زیرا با استرس عرضی اعمال شده در سراسر جوش جامد اعمال می شود . ضعف متالورژیکی اغلب نتیجه انتخاب اشتباه مخلوط آلیاژ پرکننده و آلیاژ پایه هستند که به آن محدوده شیمیایی بحرانی و استرس عرضی ناشی از انقباض در هنگام جامد کردن جوش گفته می شود . به این ترک ها ترک های گرم گفته می شود زیرا در دماهای نزدیک به دمای جامد شدن وجود دارند. برای کاهش احتمال ترک خوردگی گرم ، باید دو مسئله را درک کنیم: کاهش فشارهای عرضی در سراسر جوش و جلوگیری از دامنه شیمیایی بحرانی در جوش . کاهش یا توزیع مجدد تنش ها بر روی جوش در هنگام انجماد ممکن است با کاهش بازدارندگی حاصل شود که ممکن است در نتیجه ثابت بودن بیش از حد باشد ، و یا از طریق استفاده از آلیاژهای پرکننده که دارای نقاط ذوب و انجماد پایین تر از آلیاژ پایه و یا محدوده دمای انجماد کمتری هستند ، حاصل شود .
نوع دیگر ترک خوردگی در آلومینیوم ترک خوردگی دهانه یا ترک خوردگی انتهای جوش است. این نوع ترک در انتهای جوش دیده می شود و با استفاده از تکنیک های توقف جوش به بهترین وجه کاهش می یابد. از جمله روش های مقابله با این نوع ترک می تواند کاهش اندازه استخر جوش ، درست قبل از خاموش شدن قوس ، به طوری که دیگر استرس انقباض کافی برای ایجاد ترک وجود نداشته باشد ، باشد .
بعضی از دستگاه های جوشکاری مدرن برای جوشکاری آلومینیوم توسعه یافته اند و جوش را بصورت تدریجی خاتمه می دهند و به این صورت باعث می شوند ترک در انتهای جوش شکل نگیرد و به این صورت این مشکل را مرتفع می کنند.
انتخاب آلیاژ پرکننده
هنگام جوشکاری فولاد ، انتخاب آلیاژ پرکننده یا مواد فیلر اغلب بر اساس استحکام کششی آلیاژ پایه انجام می شود . انتخاب آلیاژ پرکننده برای آلومینیوم معمولاً چندان ساده نیست و معمولاً صرفاً بر اساس استحکام کششی جوش تکمیل شده است. در آلومینیوم تعدادی متغیر دیگر وجود دارد که باید در طی فرآیند انتخاب آلیاژ پرکننده مورد بررسی قرار گیرند . درک این متغیرهای دیگر و تأثیر آنها بر روی جوشکاری از اهمیت بالایی برخوردار است.
در هنگام انتخاب مواد filler بهینه ، هم نوع آلیاژ پایه و هم عملکرد مطلوب جوش باید مورد توجه واقع شود . جوش در معرض چه چیزی است و انتظار می رود چه کاری انجام دهد ؟
متغیرهایی که هنگام انتخاب آلیاژ پرکننده باید مورد توجه قرار گیرند تا مشکلات جوشکاری آلومینیوم را کاهش دهند عبارتند از:
- سهولت جوشکاری : این مورد بر اساس آلیاژ پرکننده / آلیاژ پایه ، حساسیت نسبت به ترک آن و دامنه شیمیایی بحرانی است که در بخش آخر مورد بحث قرار گرفت .
- قدرت جوش : این رتبه بندی بر اساس توانایی آلیاژ پرکننده برای رسیدن یا گذشتن از مقاومت مفصل جوش است . غالباً در آلومینیوم ، ناحیه تحت تأثیر گرمای (HAZ) شیار جوش ، قدرت اتصال را مشخص می کند . و اغلب بسیاری از آلیاژهای پرکننده می توانند این نیاز به قدرت را برآورده کنند . بر خلاف جوش های شیار ، استحکام جوش های فیله بر اساس استحکام برشی است که از انتخاب آلیاژ پرکننده تاثیر می پذیرد . قدرت جوش فیله تا حد زیادی به ترکیب آلیاژ پرکننده مورد استفاده برای جوش اتصال بستگی دارد . به طور معمول ، آلیاژهای پرکننده سری 4XXX از انعطاف پذیری کمتری برخوردار بوده و مقاومت برشی کمتری را در اتصالات فیله ایجاد می کنند . پرکننده های سری 5XXX معمولاً از خاصیت انعطاف پذیری بیشتری برخوردار بوده و در برخی شرایط می توانند تقریباً دو برابر مقاومت برشی آلیاژکننده سری 4XXX را فراهم کنند.
- انعطاف پذیری جوش : انعطاف پذیری خاصیتی است که توانایی حرکت و جابجایی مواد را قبل از شکستن توصیف می کند . ویژگی های شکستگی از منظر توانایی تحمل کشش الاستیک و تغییر شکل پلاستیک در معرض استرس (ناپیوستگی های جوش) وارد شده به آن ها توصیف می شوند . افزایش رتبه انعطاف پذیری برای آلیاژ پرکننده نشانگر توانایی بیشتر در تغییر شکل و توزیع مجدد بار در نتیجه کاهش حساسیت انتشار ترک است . انعطاف پذیری در جایی مدنظر قرار می گیرد که شکل دهی بعد از جوشکاری باید انجام شود .
- دمای سرویس : هنگام توجه به سرویس در دمای بالاتر از 150 درجه فارنهایت ، باید استفاده از آلیاژهای پرکننده ای را در نظر بگیریم که می توانند در این دماها کار کنند و عوارض نامطلوبی روی اتصال جوش داده شده نداشته باشند . آلیاژهای آلومینیوم / منیزیم با بیش از 3٪ منیزیم که در معرض درجه حرارت بالا قرار دارند ، می توانند با جداسازی منیزیم همراه شوند . این یک وضعیت نامطلوب است که می تواند به نارسایی زودرس یک جزء جوش خورده منجر شود . در نتیجه ، هر دو آلیاژ پایه و آلیاژهای پرکننده با کمتر از 3٪ منیزیم برای کاربردهای درجه حرارت بالا توسعه یافته اند .
- مقاومت در برابر خوردگی : بیشتر ترکیبات آلیاژ پرکننده پایه آلیاژ آلومینیوم محافظت نشده برای قرار گرفتن در معرض جو آماده هستند. در مواردی که ترکیبی از آلیاژ آلومینیوم متفاوت از پایه و پرکننده استفاده می شود ، و الکترولیت وجود دارد ، می توان یک عمل گالوانیک بین ترکیبات متفاوت را تنظیم کرد . مقاومت در برابر خوردگی می تواند یک موضوع پیچیده باشد و ممکن است نیاز به مشاوره با مهندسان در این زمینه تخصصی داشته باشد .
- چک کردن رنگ پس از آنودایز کردن : رنگ آلیاژ آلومینیوم در هنگام آندی سازی به ترکیب آن بستگی دارد . سیلیکون موجود در آلومینیوم باعث تیره تر شدن آلیاژ در طی فرآیند آنودایزر می شود . اگر از پرکننده 5٪ آلیاژ سیلیکون 4043 برای جوش 6061 استفاده شود و مونتاژ جوش داده شده آنودایز شود ، جوش سیاه می شود . جوش مشابه در 6061 با پرکننده 5356 در هنگام آنودایزاسیون تیره نمی شود .
- عملیات حرارتی پس از جوشکاری ( پس گرمایش ) : به طور معمول ، آلیاژهای پایه قرار گرفته در معرض حرارت ، به عنوان مثال 6061-T6 ، پس از جوشکاری ، بخش قابل توجهی از مقاومت مکانیکی خود را از دست می دهند . برای بازگشت مواد پایه به استحکام اصلی خود ، ممکن است انجام عملیات حرارتی بعد از جوش لازم باشد . اگر گزینه پس گرمایش انتخاب شود ، ممکن است لازم باشد آلیاژ پرکننده مورد استفاده با توجه به توانایی آن در پاسخ به عملیات حرارتی ارزیابی شود . به عنوان مثال آلیاژ پرکننده 4643 برای جوشکاری آلیاژهای پایه سری 6XXX توسعه داده شده است و در مقابل حرارت پس گرمایش دارای خواص مکانیکی بالایی است. نکته مهمی که باید در اینجا به خاطر بسپاریم این است که آلیاژهای پرکننده معمولی ممکن است به پس گرمایش جواب ندهند .
نقطه ذوب پایین
از جمله مشکلات جوشکاری آلومینیوم این است که آلومینیوم دارای نقطه ذوب پایین است . این مورد باعث می شود در حین جوشکاری به راحتی خم شود ، ترک بخورد یا بشکند . برای جلوگیری از این چالش ، فرد جوشکار باید از فرایند GMAW استفاده کند . این فرایند از یک منبع توان با جریان پس زمینه کم و جریان شکست بالا بمنظور جلوگیری از افزایش گرما استفاده می کند .
از اینکه در این مقاله با ما همراه بودید متشکریم . منتظر نظرات شما هستیم .
منابع : alcotec – inbound.cammmetals