پیش گرم (Preheat) در جوشکاری چیست؟ | عملیات و اصول پیشگرم

عملیات پیشگرم، یک فرایند حرارتی در جوشکاری است که شامل گرم کردن فلز پایه قبل از اعمال گرمای جوش است. پیش گرم کردن برای جلوگیری از ترک خوردگی و اطمینان از کیفیت بهتر جوش استفاده می‌شود. با پیش گرم کردن فلز، دما تا حدی افزایش می‌یابد، این امر موجب کاهش سرعت خنک سازی پس از جوشکاری شده و به کاهش ترک خوردگی کمک می‌کند. اگر با این شیوه آشنا نیستید در این مقاله همراه ابزار جوش و برش وینر باشید تا به بررسی کامل این مقوله بپردازیم.

فهرست مطالب

پیشگرم در جوشکاری چیست؟

به حرارت دهی فلز پایه به منظور رساندن آن به درجه حرارت مشخصی قبل از اعمال منبع حرارت جوشکاری (قوس الکتریکی، جریان الکتریکی شعله شیمیایی، پرتو لیزری و …)، پیش گرم (Pre-heat) گفته می شود که به دو صورت کلی یا موضعی صورت می گیرد. گاهی اوقات پیش گرم پس از اتمام جوشکاری نیز ادامه می یابد که در این صورت با نام پس گرم (Post-Heat) شناخته شده و اغلب به منظور تقویت اثرات پیش گرم به کار برده می شود.

به صورت کلی پیش گرم کردن در جوشکاری فرایندی است که در آن ناحیه اطراف جوش تا یک دمای حداقل (که به آن دمای پیش گرم گفته می‌شود) بالا می‌رود تا تأثیر حرارت زیاد ناشی از فرایند جوشکاری را کاهش دهد. پیش گرم کردن در جوشکاری باعث افزایش کیفیت جوش شده و از بروز ترک و سایر مشکلات جلوگیری می‌کند. پیش گرم کردن شامل گرم کردن ناحیه اطراف محل اتصال جوش یا کل قسمت تا دمای مشخص و قبل از جوشکاری است. این امر رطوبت اضافی را خارج کرده و از تجمع هیدروژن جلوگیری می‌کند، در نتیجه احتمال ترک خوردگی کاهش می‌یابد. پیش گرم موجب ایجاد جوش صاف و بی عیب نقص می‌شود. پیش گرمایش در جوشکاری باعث ایجاد تنش انقباضی کمتری می‌شود، زیرا واریانس دما بین ناحیه جوش و ماده پایه جزئی‌تر است. تنش انقباض بالا موجب اعوعاج و ترک می‌شود.

اهداف پیش گرم در جوشکاری

پیش گرم کردن اختلاف دما بین قوس جوش و مواد پایه را به حداقل می رساند. این کار از چند جهت به جوشکاری کمک می کند.

اول، به کاهش تنش های انقباض که می تواند منجر به ترک خوردن و اعوجاج شود کمک می کند. از آنجایی که مواد گرم منبسط می شوند و مواد سرد منقبض می شوند، اختلاف دمای زیاد بین حوضچه جوش مذاب و ماده پایه نسبتاً خنک می تواند منجر به تنش های داخلی شود زیرا جوش سعی می کند این تفاوت های دما را عادی کند. این تنش های داخلی خطر ترک خوردگی و اعوجاج را افزایش می دهد.

ثانیاً، پیش گرمایش مناسب به کاهش سرعت خنک‌سازی جوش تمام‌شده و کاهش سختی در ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) کمک می‌کند، که باعث ایجاد جوشی می‌شود که شکننده‌تر و انعطاف‌پذیرتر است. این ویژگی‌ها به‌ویژه برای موادی که در دماهای بالا مستعد سختی هستند، مانند چدن، فولاد با کربن متوسط و بالا، یا فولاد با هم ارزی کربن بالا، مهم هستند.

کاهش سرعت خنک‌سازی همچنین به هیدروژن اجازه می‌دهد تا با سخت شدن از حوضچه جوش فرار کند تا ترک خوردگی به حداقل برسد.

در آخر، پیش گرم کردن، گرمای لازم را به ناحیه جوش وارد می کند تا از نفوذ مناسب اطمینان حاصل شود. این به مواد ضخیم و آنهایی که گرما را به سرعت انتقال می دهند، سود می رساند. با پیش گرم کردن، می توانید از گرمای کمتری در قوس جوش استفاده کنید و همچنان به نفوذ بهینه برسید، زیرا ماده پایه در دمای بالا شروع می شود.

هدف اصلی از اعمال پیش گرم، کاهش نرخ سرد شدن (Cooling Rate) فلز جوش و منطقه متاثر از حرارت (HAZ) است که اثرات ذیل را در پی خواهد داشت:

میزان نرخ خنک شدن در فلز جوش و فلز پایه را کاهش می دهد
ساختاری متالورژیکی چگال تر با مقاومت بیشتر در برابر ترک خوردگی جوش ایجاد می کند
سرعت خنک شدن کندتر، فرصتی را برای هر گاز هیدروژن ایجاد می کند که بدون ایجاد ترک منطقه جوش را ترک کند
باعث کاهش فشارهای انقباضی در جوش و فلز پایه مجاور می شود که این امر به خصوص در اتصالات بسیار مهم است
از پیش گرمایش می توان برای اطمینان حفظ خصوصیات مکانیکی خاص ، مانند سفتی شکاف استفاده کرد.

انواع روش‌های پیشگرم در جوشکاری

پیش گرم کردن را می توان از طریق روش های مختلف اعمال کرد. انتخاب روش اعمال پیش گرم به ضخامت مواد، اندازه جوش و تجهیزات گرمایشی موجود در زمان جوشکاری بستگی دارد. این روش ها می تواند شامل گرمایش کوره برای مجموعه های کوچک تولیدی یا، برای اجزای ساختاری بزرگ، بخاری های نواری الکتریکی، بخاری های القایی یا بخاری های تشعشعی باشد. پیش گرم کردن به کمک شعله باز از مشعل یک روش رایج است، زیرا استفاده از آسان بوده و راه اندازی ساده‌ای دارد. همچنین هزینه کمی دارد. با این حال پیشگرم کردن با شعله باز می‌تواند در مقایسه با روش‌های پیشرفته‌تر ناکارآمد باشد زیرا بیشتر گرما در هوای اطراف آزاد می‌شود. به صورت کلی از روش‌های زیر برای پیشگرم در جوشکاری استفاده می‌شود:

پیش گرمایش القایی

در این فرایند کل قطعه کار در زیر یک جریان مغناطیسی قرار می‌گیرد. جریان گردابی ایجاد شده موجب افزایش دمای کل ناحیه می‌شود. این فرایند برای کنترل دقیق دما مفید است و افزایش دما را به صورت ثابت و در سراسر قطعه کار انجام می‌دهد. روش پیشگرم القایی روشی ایمن و سریع است همچنین می‌تواند برای قطعات در اندازه و ابعاد مختلف مورد استفاده قرار گیرد. پیش گرمایش القایی در مدت زمان کمی موجب افزایش دما شده و مصرف برق کمی دارد.

معایب: نسبت به سایر روش‌ها هزینه اولیه بیشتری دارد، همچنین نیاز به آموزش اپراتور دارد.

پیش گرمایش به کمک تورچ

به کمک یک تورچ کوچک می‌توان کل قطعه مورد نظر را گرم کرد. شعله هوای فشرده و سوخت دمای بالا را فراهم می‌کند. استفاده از تورچ فوق‌العاده اقتصادی بوده و به سهولت انجام می‌شود. این روش برای اپراتور خطرناک است، زیرا بخار و دوده حاصل از آن می‌تواند مشکلات سلامتی طولانی مدت را ایجاد کند. همچنین ممکن است گرما بیش از حد وارد شود زیرا هیچ سنجشی برای مقدار دما در این روش وجود ندارد.

معایب: در این روش دما به صورت یکنواخت پخش شده و به زمان بیشتری نیاز دارد. همچنین ممکن است اپراتور در طولانی مدت دچار مشکلات تنفسی شود. پیش گرمایش به این روش همچنین نیاز به سوخت و هزینه اضافی دارد.

پیش گرمایش با کوره

در این فرایند از کوره‌های دارای جریان همرفت برای گرم کردن کل قطعات استفاده می‌شود. پیشگرم شدن به صورت یکنواخت انجام شده و دما قابل اندازه گیری است. با این حال محدودیت در اندازه قطعه وجود دارد و برای قطعات بزرگ مناسب نیست.

معایب: در این روش برق زیادی مصرف می‌شود. همچنین گرمای تولید شده از فر برای اپراتور مناسب نیست. از طرفی دیگر مدت زمانی که کوره داغ می‌شود نسبتاً زیاد است. اگر قصد دارید از این روش استفاده کنید بهتر است که برون سپاری کنید، زیرا کوره‌ها اغلب بسیار بزرگ هستند و قابلیت تحرک ندارند. در نتیجه اپراتور باید دائما در رفت و آمد باشد. برون سپاری باعث کنترل بر روی برنامه‌ها می‌شود.

پیش گرمایش مقاومتی

در این فرایند گرما از طریق تماس مستقیم با استفاده از کاشی‌های سرامیکی گرم شده هدایت می‌شود. پیشگرم کردن مقاومتی از تکه‌های سرامیکی گرم شده استفاده می‌شود این تکه‌های سرمایکی روی یک پایه فلزی قرار دارند. کاشی‌های گرم شده گرما را از طریق گرمای تابشی شده و به قطعه منتقل می‌کنند. این فرایند به دستگاه و زمان راه اندازی نیاز دارد. از پیش گرمایش مقاومتی می‌توان برای قطعات کار در مقیاس بزرگ هم استفاده کرد.

معایب: این روش کمی گران است. همچنین وقت گیر است، گاهی اوقات یک ساعت یا بیشتر فقط برای چیدمان قطعات سرامیکی به زمان نیاز دارد. عایق‌ها و لنت‌های گرمایشی سرامیکی مواد مصرفی پرهزینه‌ای هستند که نیاز به تعمیر دارند. علاوه بر این سرامیک‌ها بسیار داغ می‌شوند و می‌توانند برای ایمنی اپراتورها مضر باشند.

مانند هر روش جوشکاری، پیروی از دستورالعمل های پیش گرمایش سازنده مواد و همچنین برخی از بهترین شیوه های عمومی مهم است.

ابتدا، هنگام استفاده از روش شعله تورچ، فاصله اتصال را برای دستیابی به پیش گرمایش مناسب در نظر بگیرید. فاصله صحیح از اتصال بر اساس مواد پایه و هر کد یا روش جوشکاری برای کاربرد متفاوت است.

مزایا و معایب پیشگرم در جوشکاری

مزایای پیش گرمایش در فرایندهای جوشکاری به شرح زیر است:

اتصالات جوش بعد از جوشکاری متحمل تنش‌های داخلی شده و خواص شیمیایی ماده اصلی تغییر می‌کند. پیشگرم کردن در فرایند جوشکاری موجب تقویت جوش و کاهش تنش‌های داخلی می‌شود.
پیشگرم کردن می‌تواند باعث آزاد شدن هیدروژن در ناحیه جوش شود. آزاد شدن هیدروژن باعث تردی ترک بعد از خنک شدن خواهد شد.
ترک‌های جوش را می‌توان با استفاده از پیشگرم یا پسگرم کردن کاهش داد.
در صورتیکه جوشکاری گسترده باشد، با پیشگرم کردن می‌توان هدایت حرارتی را بطور یکنواخت انجام داد.
پیشگرم کردن در جوشکاری برای اطمینان از همجوشی کامل مناطق جوش داده شده انجام شده و به تسریع این فرایند کمک می‌کند.

معایب پیشگرم کردن در جوشکاری به شرح زیر است:

فولادهای با کربن بالا، زمانی که از قبل گرم شوند، ممکن است در آن‌ها ساختارهای دانه‌ای تشکیل شود که موجب شکننده شدن فولاد خواهد شد.
آلیاژهای فولادی حاوی کروم، منیزیم و نیتروژن به عنوان مواد افزودنی ممکن است مولکول‌های کاربید کروم را تشکیل دهند که موجب خوردگی فولاد خواهد شد.
پیش گرم کردن می‌تواند باعث کاهش استحکام در فولادهای آلیاژدار شود، زیر می‌تواند اثرات عملیات حرارتی قبلی خود را معکوس کند.
آلیاژهای دوفاز فولاد می‌توانند بر اثر پیشگرم کردن شکننده شوند.
پیش گرم کردن می‌تواند باعث رشد رسوب در فولادی سخت شده و منجر به شکنندگی شود.

تفاوت پیش گرمایی و پس گرمایی

پس گرمایش در جوشکاری یک فرایند عملیاتی است که پس از جوشکاری کمی حرارت داده می‌شود تا چقرمگی و شکست به حداقل برسد. پس از سرد شدن، محتوای هیدروژن موجود در ماده می‌تواند باعث شکستگی شود. به عمین دلیل بعد از سرد شدن فلز، عملیات حرارتی اعمال می‌شود تا هیدروژن محبوس شده آزاد شود.

پس گرم کردن را می‌توان تقریباً به عنوان حفظ فرایند پیش گرمایش برای اطمینان از عدم ایجاد تغییر شکل ترک در ناحیه جوش در نظر گرفت. در پس گرمایش می‌توان فقط تحت کنترل دقیق دما، دما را بالا برد. تکنیک‌های پس گرمایش با مشعل تورچ مورد استفاده در پیش گرمایش انجام نمی‌شود. مکانیسم‌های گرمایشی مبتنی بر الکترود ترجیح داده می‌شود.

در پس گرمایش نیاز به کنترل دقیق دماست و نمی‌توان دما را بیش از حد اعمال کرد زیرا نظارت دقیق بر وضعیت دمایی از اهمیت زیادی برخوردار است.

دمای پیش گرم کردن در جوشکاری

جهت تعیین لزوم یا عدم لزوم اعمال پیش گرم باید مواردی همچون الزامات استانداردی، ضخامت، ترکیب شیمیایی و حساسیت به ترک خوردگی فلز پایه، قطر و نوع ماده پرکننده (Filler) و نیز دما و رطوبت محیط کاری مورد ملاحظه قرار گیرد. به عنوان نمونه هنگام جوشکاری در محیط سرد و یا مرطوب، در غیاب هر نوع الزام استانداردی دیگر، دمای پیش گرمی حدود 100 درجه سانتی گراد توصیه می شود. همچنین فولادهای ساده کربنی به ویژه در ضخامت های بیش از یک اینچ حساس به رخداد ترک سرد هستند، لذا جوشکاری این گروه از فولادها می بایست به همراه پیش گرمی متناسب با میزان کربن معادل و ضخامت فلز پایه توصیه می گردد.

کدهای جوشکاری معمولاً حداقل مقادیر دمای پیش گرم را مشخص می‌کنند، که ممکن است برای جلوگیری از ترک خوردگی در هر پروژه ای کافی باشد یا کافی نباشد.

هنگامی که هیچ کد جوشکاری مشخص نشده و نیاز به پیش گرم شدن مشخص شده است، چگونه می‌توان دمای پیش گرمایش مناسب در جوشکاری را تعیین کرد؟ دو روش برای تعیین درجه حرارت پیش گرم در این مواقع وجود دارد که در درجه اول از روی آزمایشات ترک خوردگی آزمایشگاهی ارائه می‌شود این تکنیک‌ها در هنگام خطر مفید هستند. ترک خوردگی به دلیل ترکیب، محدودیت، سطح هیدروژن یا ورودی کمتر از حرارت جوشکاری افزایش می‌یابد.

دو روش ذکر شده عبارتند از: (1) کنترل سختی منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) و (2) کنترل هیدروژن. روش کنترل سختی HAZ ، که به جوش‌های فیله یا جوش گوشه محدود می‌شود، بر اساس این فرض است که اگر سختی HAZ زیر مقداری بحرانی نگه داشته شود، ترک رخ نمی‌دهد. این امر با کنترل میزان نرخ خنک کنندگی حاصل می‌شود. نرخ خنک کننده بحرانی برای سختی معین، می‌تواند به صورت فرمول زیر تعریف شود:

CE = C + ((Mn + Si) / 6) + ((Cr + Mo + V) / 5) + ((Ni + Cu) / 15)

از روی دمای خنک کننده بحرانی، می‌توان حداقل دمای پیش گرم (pre-heat) را محاسبه کرد. اگرچه می‌توان از این روش برای تعیین سطح پیش گرم استفاده کرد، اما مقدار اصلی آن در تعیین حداقل ورودی حرارت (و از این رو حداقل اندازه جوش) است که از سخت شدن بیش از حد جلوگیری می‌کند .

روش کنترل ترک هیدروژن بر این فرض استوار است که اگر مقدار هیدروژن باقیمانده در مفصل پس از خنک شدن از دمای120 درجه فارنهایت (50 درجه سانتیگراد) از یک مقدار بحرانی بالاتر نرود، ترک رخ نمی‌دهد، مقدار بحرانی وابسته به ترکیب فولاد و محدودیت این روش برای فولادهایی با استحکام بالا و آلیاژی کم که دارای سختی بالا هستند، است. با این حال، پیش گرم محاسبه شده ممکن است برای فولادهای کربنی بسیار محافظه کارانه باشد.

سه مرحله اساسی روش کنترل هیدروژن عبارتند از: (1) محاسبه پارامتر ترکیب مشابه با معادله کربن. (2) محاسبه شاخص حساسیت، به عنوان تابعی از پارامتر ترکیب و فلز پر کننده filler و (3) محاسبه حداقل دمای پیش گرم از روی سطح محدودیت، ضخامت مواد و شاخص حساسیت.

سخن پایانی

در نتیجه، پیش گرم کردن یک مرحله حیاتی در فرآیند جوشکاری است که نباید نادیده گرفته شود. با درک اهمیت پیش گرم کردن و پیروی از دستورالعمل های توصیه شده، جوشکاران می توانند به نتایج بهتری دست یابند و جوش هایی با کیفیت بالا تولید کنند. گنجاندن پیش گرمایش در روال جوشکاری شما می تواند تفاوت قابل توجهی در موفقیت کلی پروژه های جوشکاری شما ایجاد کند. از اینکه این مقاله را مطالعه نمودید متشکریم، اگر انتقاد و پیشنهادی در پیرامون این مقاله دارید در قسمت دیدگاه بنویسید.