فوت و فن های جوشکاری و عملیات حرارتی تیتانیم

چه وجه تمایزی بین فلز تیتانیم و دیگر فلزات و آلیاژها وجود دارد؟

بین آلیاژهای تیتانیوم و فولاد (یا آلیاژهای پایه نیکل) یک سری تفاوت هایی وجود دارد که بهتر است مد نظر قرار گیرند. مهم ترین تفاوت های موجود عبارتند از:

• چگالی کمتر تیتانیوم
• مدول الاستیسیتۀ پایین تیتانیوم
• نقطۀ ذوب بالا
• داکتیلیتۀ پایین
• تمایل تیتانیوم به پوسته شدن در اثر سایش
• حساسیت نسبت به آلودگی حین جوشکاری

شاید توجه به این تفاوت ها، مهم ترین اصل در ساخت و تولید تیتانیوم باشد. در واقع جبران این تفاوت هاست که باعث می شود این فلز را با استفاده از تکنیک های مشابه با آلیاژهای فولاد زنگ نزن یا پایه نیکل تولید کرد.

بگذارید همین ابتدا بگوییم که ساخت تیتانیوم تمیزی می طلبد! بنابراین مراکزی که با چندین فلز کار می کنند، باید محدودۀ مخصوص به تیتانیوم را جدا کنند. این محدوده باید فاقد رطوبت، گرد و غبار، چربی و سایر آلاینده هایی باشد که ممکن است به داخل یا روی فلز راه یابند.

برای جوشکاری تیتانیوم بایستی به چه نکاتی توجه داشته باشیم؟

تیتانیم و بیشتر آلیاژهای آن با استفاده از چندین فرایند جوشکاری به راحتی قابل اتصال هستند. جوش های صحیح تیتانیومی شکل پذیر هستند. همچنین مانند فلز پایه در اکثر محیط ها در برابر خوردگی مقاوم هستند. از طرف دیگر، اتصالات نادرست ممکن است در مقایسه با فلز پایه تردتر باشند و مقاومت به خوردگی کمتری از خود نشان دهند.

تکنیک ها و تجهیزات مورد استفاده در جوشکاری تیتانیوم، مشابه دیگر مواد مهندسی با کارایی بالا هستند. موادی مانند فولادهای ضد زنگ یا آلیاژهای پایه نیکل که در تعداد بالا جوشکاری می شوند. با این وجود، حوضچۀ مذاب تیتانیوم بیشتر از این مواد به تمیزی و محافظت گاز بی اثر نیاز دارد.

به این صورت که منطقۀ تحت تأثیر حرارت (HAZ) و ریشۀ جوش تا زمانی که دما به زیر 427 درجۀ سلسیوس برسد باید محافظت شوند. حتما باید توجه شود که تیتانیوم به راحتی با هوا، رطوبت، چربی، خاک، مواد نسوز و اکثر فلزات واکنش داده و ترکیبات شکننده ای ایجاد می کند.

به طور معمول، واکنش این فلز با گازها و فلاکس های مزاحم، سبب می شود فرایندهای جوشکاری عادی برای آن قابل انجام نباشد (فرایندهایی مانند جوشکاری گازی، الکترود دستی یا زیرپودری).

همچنین جوشکاری تیتانیوم به اکثر فلزات غیر مشابه آن، امکان پذیر نیست. چرا که این فلز با بیشتر فلزات ترکیبات شکننده ایجاد می کند. با این حال، جوشکاری تیتانیوم به زیرکونیوم، تانتالوم و نیوبیم مشکل خاصی ایجاد نمی کند.

علی رغم اقدامات محتاطانه ای که باید انجام شود، بسیاری از سازندگان به طور معمول و اقتصادی تیتانیوم را جوشکاری می کنند و اتصالات انعطاف پذیر و قابل مقایسه با بسیاری دیگر از مواد با عملکرد بالا تولید می کنند.

یکی از مزایای مهم جوشکاری گریدهای خالص تجاری تیتانیوم این است که با داشتن بیش از 99 درصد تیتانیوم خالص، هیچ گونه نگرانی ای برای ایجاد جدایش (segregation) وجود ندارد.

محیط جوشکاری تیتانیوم باید به چه صورتی باشد؟

امروزه عمدۀ عملیات جوشکاری تیتانیم در مناطق روباز انجام می گیرد. اگر چه هنوز جوشکاری محفظه ای به صورت محدود در مراکز خاصی دیده می شود. به هر حال، در هر جایی که جوشکاری انجام می شود، یک محیط تمیز برای جوشکاری تیتانیوم لازم است. اگر منطقه ای جداگانه، به طور خاص برای جوشکاری این فلز در نظر گرفته شود، کمک شایانی به کیفیت جوشکاری می کند.

این محدوده باید از هرگونه فرایندی که سبب تولید خاکه می شود، مجزا باشد. خصوصا فرایندهایی مانند سنگ زنی، برش مشعلی و رنگ آمیزی. علاوه بر این، ناحیۀ جوشکاری تیتانیوم باید فاقد کشش هوا (air draft) باشد و رطوبت آن نیز تحت کنترل باشد.

در این بخش مروری بر انواع روش های جوشکاری Ti خواهیم داشت …

تیتانیوم و آلیاژهای آن اغلب با فرآیندهای جوشکاری قوسی تنگستن گاز (GTAW یا TIG) و قوسی فلز گاز (GMAW یا MIG) جوش داده می شوند. جوشکاری مقاومتی، قوس پلاسما، پرتو الکترونی و جوشکاری اصطکاکی نیز به میزان محدود روی تیتانیوم اجرا می شوند.

هرکدام از این فرایندها در موقعیت های خاص مزایای خاص خود را دارند. با این حال، تمرکز اصلی ما روی MIG و  TIG خواهد بود. لازم به ذکر است که بسیاری از اصول مورد بحث، برای کلیۀ فرایندها قابل استفاده است.

جوشکاری تیتانیوم از طریق MIG و TIG

از جوشکاری TIG می توان برای ایجاد اتصال لب به لب (Butt welding) بدون فلز پر کننده در ورق های پایه تیتانیوم با ضخامت حدود 1.8 اینچ استفاده کرد. مقاطع سنگین تر معمولاً نیاز به استفاده از فلز پرکننده و اتصالات شیاردار دارند.

جوشکاری MIG برای مقاطع ضخیم تر از 0.5 اینچ مقرون به صرفه تر است. در صورت استفاده از فرآیند TIG، ضروری است از تماس الکترود تنگستنی با حوضچۀ مذاب جلوگیری شود. عدم رعایت این نکته، باعث شکستن و ورود تنگستن به مذاب (Tungsten Pickup)  می شود.

منبع تغذیه

برای جوشکاری تیتانیوم با روش GTAW از یک منبع تغذیۀ معمولی DC با قطبیت مستقیم (DCSP) استفاده می شود. در مقابل برای جوشکاری GMAW از قطبیت معکوس (DCRP) استفاده می شود. استفاده از یک کنترل از راه دور، باعث می شود که قوس بدون جداکردن تورچ از فلزِ جوشِ در حال خنک شدن، قطع شود. در نتیجه محافظت با گاز بی اثر، همچنان حفظ می شود.

تورچ یا مشعل جوشکاری

برای جوشکاری تیتانیم با فرایند TIG ، از یک مشعل جوشکاری خنک شونده با با آب استفاده می شود. این مشعل، مجهز به یک کاپ سرامیکی 3.4 اینچی و یک لنز گازی است. برای جوشکاری MIG نیز معمولا از یک کاپ 1 اینچی استفاده می شود.

برای جوش TIG الکترودهای تنگستن-توریم (حاوی 2 درصد توریا) توصیه می شود. لازم به ذکر است که هرچه الکترود نوک تیز تر باشد، کنترل خصوصیات قوس، آسان تر خواهد بود. اکثر مهندسین پیشنهاد می کنند که بهتر است از کوچک ترین قطر الکترود که می تواند جریان مورد نیاز را حمل کند استفاده شود.

محافظت با گاز بی اثر

در هنگام جوشکاری GTAW و GMAW از گازهای محافظ آرگون یا هلیوم  استفاده می شود. این گازها با نقطۀ شبنم 46- درجۀ سلسیوس و کمتر به کار می روند. نقطۀ شبنم (Dew Point) دمایی است که در آن، هوا با استفاده از بخار مایع اشباع شده است. در این دما نرخ معیان بخار و نرخ تبخیر مایع، با یکدیگر برابر هستند. پایین تر از دمای شبنم، مایع شروع به نشستن روی سطوح جامد می کند.

به طور کلی برای موارد زیر، لازم است تأمین گاز به صورت جداگانه انجام گیرد:

• محافظت اولیه از حوضچۀ جوش مذاب
• محافظت ثانویه از رسوب جوش درحال خنک شدن و مناطق HAZ مرتبط با آن
• گاز محافظ پشتیبان برای پشت جوش و مناطق HAZ مرتبط با آن

محافظت اولیه

محافظت اولیه از گودال جوش مذاب با انتخاب مشعل جوشکاری مناسب فراهم می شود. کاپ بزرگ برای تأمین محافظت کافی برای کل حوضچۀ مذاب تیتانیوم لازم است. لنزهای گازی مناسب نیز جریان گاز خنثای یکنواخت و غیر توربولانت (نامتلاطم) را فراهم می کنند.

در دستیابی به قوس پایدارتر در محافظت اولیه، آرگون نسبت به هلیوم بهتر عمل می کند. در صورت تمایل به ولتاژ بالاتر، قوس داغ تر و نفوذ بیشتر، می توان از مخلوط آرگون-هلیوم استفاده کرد. توجه شود که حتما باید از نرخ جریان گاز توصیه شده توسط سازندۀ مشعل استفاده شود.

نرخ جریان گاز در حدود 20cfh در عمل رضایت بخش بوده است. اعمال جریان بیش از حد به مشعل، ممکن است باعث تلاطم و از بین رفتن محافظت شود. به طور کلی این که محافظت اولیه اثربخش خواهد بود یا خیر را باید قبل از جوشکاری ارزیابی کرد.

اعمال گاز محافظ، باید تا پس از تشکیل حوضچۀ مذاب، قطع شدن قوس و سرد شدن جوش ادامه یابد. جوش های غیر آلوده و به درستی محافظت شده، ظاهری براق و نقره ای خواهند داشت.

محافظت ثانویه

محافظ ثانویه وظیفۀ محافظت از فلز جوش داده شدۀ تیتانیوم و مناطق HAZ مرتبط با آن را به عهده دارد. این محافظت تا رسیدن دما به 427 درجۀ سلسیوس یا پایین تر ادامه خواهد داشت.

محافظ های ثانویه، متناسب با یک مشعل خاص و یک عمل جوشکاری خاص تولید می شوند. شرایط اعمال این گازها باید بسیار جمع و جور طراحی شود. و البته امکان توزیع یکنواخت گاز محافظ را در دستگاه فراهم کند.

همچنین نیاز احتمالی به خنک کردن با آب (خصوصا برای مقاطع بزرگتر) باید در نظر گرفته شود. پخش کننده های برنزی متخلخل (Porous bronze diffusers) با فراهم کردن جریان یکنواخت و غیر متلاطم گاز خنثی، بهترین پیشنهاد برای اعمال محافظت ثانویه هستند.

محافظت پشتیبان (Backup Shielding)

هدف اصلی سیستم های پشتیبان، ایجاد محافظت از طریق گاز خنثی در سمت ریشۀ جوش و مناطق تحت تأثیر حرارت مرتبط با آن است. این سیستم ها غالباً شبیه محافظ های ثانویه هستند. همچنین ممکن است به صورت دستی، گیره ای یا دائمی نصب شوند.

میله های پشتیبان مسی خنک شونده با آب (یا میله های فلزی عظیم) برای سرد کردن جوش استفاده می شوند. این میله ها اغلب دارای یک شیار هستند. این شیار درست در زیر (یا بالای) محل اتصال قرار می گیرد. برای ایجاد محافظت کافی، حدود 10cfh جریان گاز بی اثر در هر فوت خطِ شیار لازم است.

در این راستا اغلب از سیستم های محافظ Makeshift برای جوشکاری تیتانیوم در شرایط کارگاهی یا روباز استفاده می شود. این سیستم برای محصور کردن کامل قطعۀ کار و پر کردن آن با گاز بی اثر، از پلاستیک استفاده می کند.

به علاوه، از فویل آلومینیوم یا فولاد ضد زنگ به عنوان محافظ پشتیبان استفاده می شوند. هنگامی که از چنین تکنیک هایی استفاده می شود، بسیار مهم است که تمام هوایی که باعث آلودگی جوش تیتانیوم می شود، از سیستم زدوده شود.

اعمال گاز بی اثر با حجم ده برابر حجم هوای خارج شده، یک میزان مناسب است. توجه شود که تا زمان اتمام جوشکاری، باید میزان متوسط ​​گاز بی اثر حفظ شود.

انتخاب گاز بی اثر

میان گازهای خنثی، آرگون عموماً به دلیل هزینۀ کم و همچنین متراکم تر بودن، مرجح است. به دلیل داشتن این دو ویژگی، این گاز بهترین انتخاب برای استفاده در سیستم های محافظت ثانویه و پشتیبان است.

گاز هلیم با تراکم کمتری که دارد، گاهی اوقات هنگام جوشکاری در مناطق بالای ابزار (Above the device) به عنوان پشتیبان استفاده می شود. فراهم کردن شرایطی که کنترل جریان جداگانه برای دستگاه های محافظ اولیه، ثانویه و پشتیبان در دسترس باشد، از اهمیت بالایی برخوردار است.

طراحی و آماده سازی اتصال

طراحی اتصال (جوینت) جوشکاری برای تیتانیوم، مشابه سایر فلزات است. با این وجود، محافظت مناسب گاز بی اثر از ریشه و روی جوش و همچنین بازرسی پس از جوشکاری از دو طرف جوش ضروری است.

قبل از شروع جوشکاری، سطوح اتصال باید کاملا صاف، تمیز و عاری از هرگونه آلودگی باشد. تمام علائم سوختگی و ساییدگی باید با پر کردن زدوده شوند. به همین ترتیب، علائم برش و لبه های تیز هم باید حذف شوند. استفاده از کاغذ سنباده یا پشم استیل (Steel Wool) که ذراتی را به جا می گذارند، می تواند منبع آلودگی باشد.

یکی از نکات مهم در کنترل اتصال، تناسب یا فیت آپ (Fit Up) بودن آن است. این ویژگی میزان سوختگی را به حداقل می رساند و حد فاصل زیر لایه را کنترل می کند. عدم تناسب، احتمال آلودگی از طریق هوای محبوس شده در حدفاصل را شدیدا افزایش می دهد.

مسئلۀ مهم دیگر، نگهداری دهانۀ اتصال در هنگام جوشکاری است. تعبیه کردن یک قید مطمئن و همچنین محکم بستن نقطۀ اتصال، برای جلوگیری از حرکت اتصال در هنگام جوشکاری توصیه می شود.

تمیزکاری جوش تیتانیوم

قبل از جوشکاری تیتانیم، مهم است که اتصالات جوش (و همچنین سیم جوش) عاری از بقایای آسیاب، خاک، گرد و غبار، چربی، روغن، رطوبت و سایر آلاینده های احتمالی باشد. نفوذ این مواد خارجی در فلز جوش تیتانیوم، باعث کاهش خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی شود.

سیم جوش بسته بندی شده معمولا تمیز است. اگر سیم به نظر کثیف است، پاک کردن آن با یک حلال غیرکلری، روش خوبی است. در مواردی که کثیفی شدید مشاهده شود، تمیز کردن با مواد اسیدی هم ممکن است لازم باشد.

تمام سطوح اتصال و صفحۀ پایه (Base Plate) باید تمیز شوند. معمولاً سطوح آسیاب شده (Pickled Mill Surfaces) فقط به تمیزی با پاک کننده های خانگی یا مواد شوینده نیاز دارند. به دنبال آن نیز شستشوی کامل با آب داغ و خشک کردن با هوا انجام می شود.

در غیر این صورت، پاک کردن اتصالات جوش و مناطق مجاور با حلال های غیر کلره مانند استون، تولوئن یا متیل اتیل کتون (MEK) انجام می گیرد. این تمیزکاری با استفاده از پارچه های تمیز بدون پرز یا اسفنج های سلولزی، قابل قبول است. البته به این شرط که هیچگونه بقایایی از این پارچه ها باقی نماند.

این حلال ها به ویژه در از بین بردن آثار چربی و روغن کاملا حرفه ای عمل می کنند. مجددا ذکر می کنیم که تحت هیچ شرایطی نباید از برس های فولادی یا پشم استیل برای تیتانیوم استفاده شود. زیرا ذرات آهن باقی مانده، سبب بروز خطرات خوردگی در اتصال می شوند.

البته یک استثنا وجود دارد. لایه های اکسیدی سبک که ممکن است در اثر گرمایش در محدودۀ 316 تا 427 درجۀ سلسیوس ایجاد شده باشند را می توان از طریق برس سیم مفتول، از جنس فولاد ضد زنگ جدید از بین برد. به طور کلی، سطوح آلوده به اکسیژن که پس از یک عملیات حرارتی با درجه حرارت بالا دیده می شوند، بهتر است با استفاده از تمیزکاری مکانیکی زدوده شوند.

در این راستا معمولاً از سنگ زنی و سندبلاست استفاده می شود. دیده می شود که در مواردی از حمام سوزانندۀ مذاب (Molten Caustic Bath) برای تمیزکاری استفاده می شود. استفاده از این سیستم اگرچه مفید است، اما برای به حداقل رساندن نفوذ هیدروژن، نیاز به کنترل و مراقبت دارد.

یک پاک کنندۀ قابل قبول برای تیتانیوم حاوی 35 درصد حجمی نیتریک (با غلظت 70 درصد) و 5 درصد حجمی اسید هیدروفلوئوریک (با غلظت 48 درصد) است. این ماده قابل استفاده در دمای اتاق است. غوطه وری اتصال جوش به مدت 1 تا 15 دقیقه در این پاک کننده کافی است.

بهترین راه برای تکمیل فرایند تمیزکاری، شستشو با آب سرد برای از بین بردن اسید و به دنبال آن شستشوی آب گرم برای تسهیل خشک کردن است.

پس از تمیزکاری مفاصل جوش، حتی دست زدن به این نقاط باید به حداقل برسد. در ضمن جوشکاری باید در اسرع وقت پس از تمیز کردن آغاز شود. اگر قرار است وقفه ای در این میان بیفتد، اتصالات باید با کاغذ یا پلاستیک مناسب پوشانده شود تا از تجمع آلودگی ها جلوگیری گردد.

انتخاب فلز پرکننده

سیم جوش هایی که در جوشکاری تیتانیوم استفاده می شوند، لازم است توسط استاندارد AWS A5.16-70 کنترل شوند. به طور کلی انتخاب یک فلز پرکننده مطابق با خصوصیات و ترکیب گرید فلز پایۀ تیتانیوم انجام می گیرد.

با این حال، هم برای گریدهای خالص تجاری و هم برای آلیاژهای تیتانیم، انتخاب یک سیم جوش که استحکام آن زیر فلز پایه باشد، به نظر مطلوب است. البته شرایط خاص ممکن است به استفاده از یک گرید متفاوت از سیم جوش منجر شود.

فوت و فن جوشکاری تیتانیم

علاوه بر تمیزی اتصالات و سیم جوش، اپراتور جوش باید دیگر پارامترهای جوشکاری و محافظت گاز بی اثر را تحت کنترل خودش داشته باشد. به کارگیری تکنیک نامناسب، خود می تواند منبع آلودگی جوش باشد. قبل از شروع قوس در جوشکاری تیتانیم، مطلوب است که مشعل و سیستم های محافظ، از قبل تخلیه شود. این عمل به اپراتور کمک می کند مطمئن باشد همۀ هوای موجود از بین رفته است.

در صورت امکان، بهتر است قوس با فرکانس بالا شروع شود. اغلب موارد دیده می شود خراش هایی از طریق الکترود تنگستنی حاصل می شود. به طور کلی باید از هرگونه منبع درگیری تنگستن و جوش جلوگیری شود.

هنگام خاموش كردن قوس، بهتر است از شیب پایین جریان و یک كنتاكتور كه ​​از طریق پدال پا كنترل می شود، استفاده شود. محافظت از تورچ جوشکاری باید تا زمان سرد شدن فلز جوش زیر 427 درجۀ سلسیوس ادامه یابد. البته لازم است محافظت ثانویه و پشتیبان نیز ادامه یابد. اگر گاز محافظ زودتر از موعد حذف شود، یک رنگ آبی روی جوش مشاهده خواهد شد.

پیشگرم کردن

بسیاری از افراد در مورد پیشگرم کردن برای جوشکاری تیتانیوم ابهام دارند. به طور کلی پیش گرم کردن برای جوشکاری های کارگاهی تیتانیوم مورد نیاز نیست.

اما اگر به وجود رطوبت مشکوک باشید، ممکن است پیش گرم کردن لازم باشد. در این راستا پیشنهاد می شود حرارت دهی با مشعل گاز (شعله با خاصیت اکسید کنندگی کم) انجام شود. گرمایش سطح جوش تا حدود 150 درجۀ فارنهایت (66 درجۀ سلسیوس) به طور کلی برای از بین بردن رطوبت کافی است.

طول قوس و تغذیۀ سیم جوش

طول قوس برای جوشکاری تیتانیوم بدون فلز پرکننده باید تقریباً برابر قطر الکترود باشد. اگر از فلز پرکننده استفاده شود، حداکثر طول قوس باید حدود 1 تا 1.2 برابر قطر الکترود باشد. سیم پرکننده باید در محل اتصال جوش و مخروط قوس تغذیه شود.

سیم باید به طور هموار و مداوم به داخل گودال وارد شود. فراموش نکنید که تغذیۀ نامنظم، باعث تلاطم و آلودگی می شود. هر زمان که سیم جوش از محافظت گاز خنثی جدا شد، باید انتهای آن را حدود 1.2 اینچ برش دهید تا فلز آلوده از بین برود.

لزوم کنترل بین پاس جوش

دمای بین پاس جوش (Interpass Temperature) باید به اندازۀ کافی پایین نگه داشته شود. به گونه ای که نیازی به محافظت اضافی نباشد. اگر ظاهر مهرۀ جوش روشن و نقره ای بماند، تمیز کردن بین پاسی لازم نیست. تغییر رنگ جوش به آبی روشن را می توان با برس مفتول فولاد ضد زنگ از بین برد.

مهره های جوش تیتانیم آلوده، که با رنگ آبی تیره، خاکستری یا سفید مشهود است، باید با سنگ زنی کاملاً از بین بروند. سپس اتصال، پیش از جوشکاری مجدد، با دقت تمیز و کنترل شود.

ارزیابی کیفیت جوش تیتانیم

قبل از اجرای جوش، روش ها و فرایندها باید به دقت ارزیابی شوند. برای ساخت مخازن تحت فشار، باید به قسمت IX از کد ASME بخش Boiler and Pressure Vessel مراجعه شود. در این مرجع، مراحل، جزئیات و بازرسی هایی  که باید رعایت شوند، ذکر شده است.

اجرای تست کشش و خمش روی جوش های آزمایشی، از معیارهای پذیرش است. همچنین ممکن است تست ضربه یا برش (notch) کششی مورد نیاز باشد. به ویژه برای کاربردهایی که برای دماهای پایین مد نظر هستند. هنگامی که جزئیات و روش های خوب شناسایی شد، باید در جوشکاری های بعدی دقیقاً دنبال شوند.

تست خمش

تست خمش، شکل پذیری را ارزیابی می کند. برای این تست از یک نمونۀ خمشی که در آن جوش به صورت عمود بر محور خمش قرار گرفته است، استفاده می شود. این نمونه اطمینان خوبی از اعمال کرنش یکنواخت بر فلز جوش و مناطق تحت تأثیر گرما (HAZ) حاصل می کند. از این رو نتایج قابل اعتمادتری به دست می دهد. جدول زیر شعاع خم جوش برای آلیاژهای مختلف تیتانیوم آورده شده است. جوش های با کیفیت، قابلیت خم شدن تا شعاع مشخص را بدون ایجاد ترک دارا هستند.

کنترل ظاهر و رنگ جوش

همان طور که گفتیم، یکی از مشکلات اصلی در جوشکاری تیتانیوم، آلودگی به دلیل محافظت ناکافی است. رنگ جوش ها می تواند به عنوان شاخصی از اثر محافظتی و به طور غیر مستقیم کیفیت جوشکاری لحاظ شود.

از این رو، کیفیت یک جوش تیتانیوم تک پاسه، به راحتی برای جوشکار و هر بازرس آشکار است. رنگ جوش، نشان دهندۀ میزان قرار گرفتن جوش در معرض اکسیژن (هوا) در دمای بالا است. یک جوش با درخشش فلزی نقره ای را می توان به عنوان یک جوش خوب در نظر گرفت. البته به شرطی که منطقۀ اتصال کاملا تمیز بوده و از تکنیک های خوبی پیروی شده باشد.

وجود رنگ های دیگر، همان طور که در جدول زیر نشان داده شده است، نشان دهندۀ آلودگی جوش بوده و طبیعتا نیاز به توجه دارند.

اندازه گیری سختی

از اندازه گیری سختی جوش و مقایسه با فلز پایه نیز بعضاً به عنوان شاخص کیفیت جوش استفاده می شود. به طور معمول، در یک ترکیب شیمیایی یکسان، سختی جوش آلوده در مقایسه با فلز پایه، بیشتر از 30 واحد نخواهد بود.

این 30 واحد در مقیاس های سختی نوپ، ویکرز و برینل صدق می کند. باید توجه کرد که اختلاف در ترکیب شیمیایی، حتی بدون آلودگی هم می تواند این معادله را برهم بزند. کد ASME پیشنهاد می کند اگر سختی فلز جوش تیتانیوم بیش از 40 BHN بیشتر از سختی فلز پایه باشد، وجود آلودگی بیش از حد امکان پذیر است.

19

دقیــقه مطالعه

مروری بر روش های سختی سنجی مواد

خواص مکانیکی مواد دسته ای از خواص ماده هستند که عکس العمل آن ها را در برابر نیرو...

در شرایطی که تفاوت قابل توجهی در سختی وجود داشته باشد، به حذف ناحیۀ فلز جوش آسیب دیده نیاز خواهد بود. این کد در ادامه بیان می کند که تمام جوش های تیتانیوم باید توسط تست مایع نافذ (PT) مورد بررسی قرار گیرند. علاوه بر این، اجرای تست رادیوگرافی (RT) نیز برای بسیاری از اتصالات تیتانیم لازم است.

جوش مقاومتی

روش های جوشکاری نقطه ای مقاومتی (RSW)، جوشکاری درزی یا نواری (Seam Welding)  و جوشکاری لب به لب (Butt Welding) به همان روشی که برای سایر فلزات انجام می شود، برای تیتانیوم نیز قابل اجراست.

همانند جوشکاری قوسی، توجه دقیق به تمیزی سطوح فلزی و محافظت از اتصال و مناطق HAZ حائز اهمیت است. آماده سازی تیتانیوم برای جوشکاری نقطه ای یا درزی مانند فلزات دیگر است. سطح باید تمیز و بدون بقایای اکسیدی یا فلزی، کثیفی، رنگ، چربی و روغن باشد.

محافظت از طریق گاز خنثی، برای جوش های نقطه ای و درزی مقاومتی اغلب مورد نیاز نیست. پارامترهایی مانند مجاورت سطوح اتصال، زمان بسیار کوتاه جوش مقاومتی و اعمال فشار، همه به حذف هوا از جوش کمک می کند.

اگر پس از جوشکاری مقاومتی، رنگ های آبی، خاکستری یا سفید روی سطح تیتانیوم ایجاد شود، ممکن است به تغییر پارامترهای جوش یا تأمین محافظت از طریق گاز خنثی نیاز باشد. تجهیزات و پارامترهای جوشکاری مقاومتی تیتانیم، با شرایط جوش فولاد ضد زنگ آستنیتی یکسان است. تمام مراحل کنترل کیفیت که ذکر شد، اینجا نیز باید اجرا شود.

اساس کار این روش جوش، از این قرار است که جریان الکتریسته در قطعۀ کار، باعث ایجاد قوس و مقاومت الکتریکی می شود. این موضوع سبب می شود دما تا نزدیکی نقطۀ ذوب افزایش یابد. در دمای مناسب، سطوح اتصال با اعمال نیرو به هم متصل می شوند. فلز مذاب و مومسان نیز از حد فاصل خارج می شود.

تاکنون جوشکاری های موفقی از این روش در هوای آزاد انجام شده است. با این حال، برای اتصالات بسیار حساس، به محافظت گاز خنثی نیاز است. از روش جوشکاری لب به لب مقاومتی، برای اتصال تیتانیم به فلزات غیر مشابه مانند آلیاژهای مس، فولادهای آلیاژی و ضد زنگ و همچنین سایر آلیاژهای تیتانیوم استفاده می شود.

لحیم کاری تیتانیوم

چندین روش لحیم کاری برای تیتانیوم قابل استفاده است. روش هایی نظیر لحیم کاری القایی، لحیم کاری مقاومتی و لحیم کاری کوره ای در اتمسفر آرگون یا در خلأ.

لازم به ذکر است که لحیم کاری مشعلی (Torch brazing) برای تیتانیوم قابل استفاده نیست. از آن جا که تکنیک های لحیم کاری، پتانسیل آلودگی سطوح تیتانیوم را دارند، اینجا نیز تمیز کاری مهم است. حتی در صورت لزوم ممکن است به محافظت از طریق اعمال گاز آرگون یا هلیوم نیاز باشد.

آلیاژهای تیتانیوم که برای لحیم کاری این فلز به خود یا سایر فلزات استفاده می شود عبارتند از:

• آلیاژهای پایه تیتانیوم؛ مانند 70Ti-15Cu-15Ni
• آلیاژهای پایه نقره
• آلیاژهای پایه آلومینیوم

برای لحیم کاری با استفاده از آلیاژ پایه تیتانیوم، به دمای 927 درجۀ سلسیوس نیاز است. در حالی که آلیاژهای پایه نقره به دمای 899 درجه و پایه آلومینیوم به 593 تا 677 درجۀ سلسیوس نیاز دارد.

اگر مقاومت در برابر خوردگی مهم باشد، قبل از استفاده باید آزمایشاتی شامل شرایط واقعی روی اتصالات لحیم کاری انجام شود. گزارش شده است که لحیم کاری با آلیاژ پایه تیتانیوم، مقاومت بالاتری در برابر خوردگی جوی و محیط های نمکی دارد.

نکاتی مهم در خصوص عملیات حرارتی تیتانیوم

در ساخت و تولید تیتانیوم، معمولا عملیات حرارتی ضروری نیست. اما در صورت تمایل به تقویت شکل پذیری یا بهبود قابلیت تراش، ممکن است پس از کارسرد شدید، آنیل لازم باشد. به منظور جلوگیری از ترک خوردگی یا اعوجاج به دلیل تنش های زیاد پسماند و همچنین برای بهبود مقاومت خستگی، گاهی اوقات یک فرایند تنش زدایی اجرا می شود.

تمیز کردن قطعات تیتانیومی که باید تحت عملیات حرارتی در دمای بالا قرار گیرند ضروری است. چرا که در این دماها حساسیت تیتانیوم به آلودگی افزایش می یابد. این نوع تمیزکاری با استفاده از حلال های بدون کلر و به دنبال آن یک آبکشی کامل انجام می گیرد. برای جلوگیری از آلودگی احتمالی، دست زدن به سطح باید به حداقل برسد.

اکثر گریدهای تیتانیوم معمولاً در دمای 1000 درجۀ فارنهایت (538 درجۀ سلسیوس) به مدت 45 دقیقه و در دمای 1300 درجۀ فارنهایت (704 درجۀ سلسیوس) به مدت دو ساعت تنش زدایی می شوند.

برای آلیاژهای گرید 5، تنش زدایی با دمای کمی بالاتر در 593 درجۀ سلسیوس و به مدت 2 ساعت انجام می گیرد. همچنین به دنبال آن، آنیل در دمای 788 درجۀ سلسیوس به مدت 4 ساعت اجرا می شود. پس از آن نیز، سرمایش در هوا قابل قبول به نظر می رسد.

اگرچه برای عملیات حرارتی تیتانیوم، تجهیزات کوره یا اتمسفر محافظ خاصی لازم نیست. اما برای جلوگیری از نفوذ هیدروژن، بهتر است فضا قابلیت اکسیدکنندگی کمی داشته باشد. از مواجهۀ مستقیم با شعله (دمای 649 درجۀ سلسیوس) برای مدت طولانی خودداری شود. چراکه احتمال آلودگی و شکنندگی افزایش می یابد.  

اگر عملیات حذف پوسته و بقایای فلزی یا اکسیدی در 649 درجۀ سلسیوس امکان پذیر نباشد، می توان از خلأ یا گاز محافظ استفاده کرد. همچنین تغییر رنگ سطح، ناشی از آنیل شدن زیر 649 درجۀ سلسیوس، ممکن است با اعمال اسید نیتریک 35 درصد به همراه 5 درصد اسید هیدروفلوئوریک، در 52 درجۀ سلسیوس برطرف شود.

با این حال، اگر از زمان های گرمایش طولانی یا دماهای بالاتر از 649 درجۀ سلسیوس استفاده شده باشد، بهترین راه برای حذف بقایا،  استفاده از حمام سوزانندۀ مذاب یا عملیات رسوب زدایی مکانیکی و به دنبال آن اعمال اسید نیتریکیدروفلوئوریک است.

منابع

www.azom.com