جوشکاری تیتانیوم

🔴 جوشكاري: 

 تيتانيوم خالص تجاري و بيشتر آلياژهاي تيتانيوم قابليت جوشكاري با استفاده از روش هاي مختلف جوشكاري را دارند. متداولترين روش هاي جوشكاري مورد استفاده براي آلياژهاي تيتانيوم GTAW و GMAW مي باشند. از ديگر روش هاي مورد استفاده مي توان به الكترون بيم، جوشكاري ليزر، جوشكاري اصطكاكي و جوشكاري مقاومتي اشاره نمود.
به منظور بدست آوردن جوش سالم تميزي سطح قطعه و استفاده صحيح از گاز خنثي محافظ ضروري است. مذاب تيتانيوم به آساني با اكسيژن و هيدروژن واكنش مي دهد، كه اين عناصر از طريق تماس با هوا و يا سطح آلوده مي تواند جذب مذاب تيتانيوم شوند و اثرات نامطلوبي را بر روي خواص قلز جوش گذارند. به همين علت فرايندهاي جوشكاري همچون SAW براي جوشكاري تيتانيوم مناسب نيستند. همچنين عمدتا تيتانيوم را نمي توان به فلزات ديگر جوش داد زيرا امكان تشكيل تركيبات بين فلزي ترد در ناحيه جوش وجود دارد كه ميتوانند سبب ايجاد ترك در ناحيه جوش شوند.

در جوشکاری ذوبی آلیاژهای تیتانیم، تیتانیم غیرآلیاژی و آلیاژهای تیتانیم آلفا از قابلیت جوش‌پذیری مناسبی برخوردار هستند. یعنی آنکه تفاوت قابل توجهی از نظر ریز ساختار و خواص مکانیکی بین منطقه جوش، مجاور جوش و فلز پایه وجود ندارد و جوش حاصله دارای استحکام کافی همراه با انعطاف‌پذیری مناسب است. این گروه از آلیاژهای تیتانیم را در شرایط آنیل شده جوشکاری می‌کنند.

 آلیاژهای تیتانیم  حاوی یک یا چند عنصر پایدار کننده فاز بوده و جوشکاری آنها می‌تواند بطور موثری سبب تغییر استحکام، انعطاف‌پذیری و چقرمگی فلزجوش و منطقه مجاور جوش گردد. معمولاً اگر این آلیاژها  حاوی بیشتر از 20 درصد فاز  باشند جوش‌پذیری آنها ضعیف تلقی می‌گردداین گروه از آلیاژها را در شرایط آنیل شده و یا آنیل انحلای همراه با پیر کردن جزئی جوشکاری می‌کنند.

آلیاژهای تیتانیم بتا دارای مقادیر کافی از عناصر پایدار کننده فاز بتا می‌باشند. این گروه از آلیاژهای تیتانیم نیز قابلیت جوش‌پذیری داشته اما آن دسته از آلیاژهای تیتانیم نوع بتا که دارای مقادیر بالائی از عناصر پایدار کنندة فاز  باشند، از جوش‌پذیری ضعیفی برخوردارند زیرا فلز جوش از تردی بالائی برخورداراست. این گروه از آلیاژها در شرایط آنیل شده و یا آنیل محلولی جوشکاری می‌شوند. برای بدست آوردن جوشی با استحکام و انعطاف‌پذیری کافی، آلیاژ در شرایط آنیل شده جوشکاری می‌گردد و سپس با عملیات ساچمه‌زنی منطقه جوش کار سردشده و به دنبال آن عملیات انحلالی و پیرکردن صورت می‌گیرد.

عوامل موثر بر مشخصه های ریز ساختاری منطقه جوش تیتانیم

خواص مکانیکی منطقه جوش آلیاژهای تیتانیم بستگی به ریزساختارهای نواحی FZ و HAZ دارد و تنوع این ریزساختار تابعی از سیکل حرارتی و نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری است . جمع‌بندی مطالعات انجام گرفته نشان می‌دهد  عوامل موثر بر خواص مکانیکی منطقه جوش که در حقیقت منتج از ساختارهای حاصله در منطقه جوش است عبارتند از :

-   اندازه دانه های b اولیه در ناحیه ذوب

-  نحوة تغییر حالت فاز b حین سرد شدن از دمای بالا

- نوع عملیات حرارتی پس از جوشکاری

الف ـ اندازة دانه های b  اولیه در ناحیه ذوب

همانطوریکه بیان شد از مشخصه‌های ویژة منطقه جوش تیتانیم حضور دانه‌های بزرگ  حین انجماد فلزجوش در ناحیه حوضچه مذاب است که موجب کاهش شدید انعطاف‌پذیری آن می‌گردد. اندازه و مورفولوژی این دانه‌ها به نحوة انتقال حرارت حین انجماد بستگی دارد. اولین پارامتر تعیین کنندة اندازه دانه‌های ، گرمای ورودی جوش است. به این ترتیب که در صورت استفاده از گرمای ورودی بالاتر، اندازه دانه‌های  بزرگتر خواهد شد .

 دانه‌های جزئی ذوب شده در فصل مشترک جامد - مذاب محلهای مناسبی برای رشد فاز جامد به داخل حوضچة مذاب هستند. دانه ها به صورت رونشستی از فصل مشترک جامد - مذاب به سمت خط المرکزین جوش رشد می‌کنند. چون خواص مکانیکی جوش بویژه انعطاف‌پذیری آن وابسته به اندازه دانه است، لذا برای ریز نگهداشتن اندازه دانه‌ها سعی می‌شود تا حد امکان گرمای ورودی در حداقل ممکن حفظ و نگهداری شود و یا به طریقی ارتباط Epitaxy بین FZ و HAZ کاهش یابد.

ب ـ محصولات تغییر حالت

خواص مکانیکی ناحیه ذوب جوش تیتانیم علاوه بر اندازه دانه  اولیه، بستگی به نحوة تغییر حالت فاز در حین سرد شدن در محدودة دمای پایداری فاز  دارد. ریز ساختار  نهائی بستگی به سرعت سرد شدن از بالای دمای تغییر حالت  دارد که خود تابعی از نوع فرآیند جوشکاری، پارامترها فرآیند و سایر شرایط جوشکاری نظیر شکل هندسی قطعه و نحوة قید و بندسازی قطعه دارد. در نرخ های سرمایشی ناشی فرآیندهای جوشکاری EBW و LBW ، در نواحی  FZو HAZ ، تغییر حالت فاز b بهa' اتفاق می‌افتد. ریز ساختار حاصله بسیار ریز و سوزنی است و مشخصه مکانیکی آن استحکام و سختی زیاد در مقابل  انعطاف‌پذیری کم است. در نرخ‌های سرمایشی مربوط به فرآیند‌های جوشکاری GTAW وPAW، ریز ساختار حاصله از نوع       ویدمن اشتاتن بهمراه باقیمانده   و یا مخلوطی از آنها با مارتنزیت  است.   منتهی در فرآیندهای قوسی با حرارت ورودی زیاد نظیر GTAW رشد دانه‌های  بسیار زیاد است.

ج ـ عملیات حرارتی پس از جوشکاری

همانطور که بیان شد ضمن جوشکاری تیتانیم و آلیاژهای آن مجموعه ای از تغییر و تحولات ساختاری در منطقه جوش و مجاور جوش رخ می  دهد . لذا بایستی با مطالعه دقیق و بررسی مناطق مذکور و اعمال شرایط مناسب در طی جوشکاری و پس از آن خواص مطلوبی را در این مناطق به دست آورد.  هدف از عملیات حرارتی پس از جوشکاری آلیاژهای تیتانیم عبارت است از:

-  آزادسازی تنش های پسماند حرارتی ناشی از جوشکاری

-   بهبود ریزساختار ایجاد شده در نواحی ذو ب و متاثر از حرارت

-   تکمیل مرحله دوم در یک عملیات حرارتی دو مرحله ای بر روی فلز پایه

-   پایدارسازی ریزساختار فلز جوش جهت استفاده در دمای بالا

انتخاب دما و زمان لازم جهت عملیات حرارتی پس گرم بستگی به نوع آلیاژ، ساختار جوش و منطقه مجاور جوش و کاربرد قطعه دارد. در عمل این عملیات مشکل و دارای هزینه بالائی می باشد، زیرا نیاز به اتمسفر خنثی در دماهای بالاتر از °c500 می باشد. علاوه بر آن احتمال کاهش استحکام جوش در دماهای بالا وجود دارد . به همین دلیل نزدیک سازی هر چه بیشتر خواص نواحی مختلف جوش و فلز پایه در کنار مسایل اقتصادی وصنعتی بدون انجام فرآیند عملیات حرارتی همواره موردنظر محققین بوده  است.

www.alloys-co.com
لینک تلگرام : https://telegram.me/joinchat/Bongrj7NGhKjZ0ewk7cZMQ
ElectronicMag/Titanium/June 2016    @IndustrialAlloys