انواع ناحیه‌ها در جوشکاری

فلز پایه (Base Metal)

فلز پایه همان ماده اصلی است که جوشکاری روی آن انجام می‌شود. در صنعت آهن‌آلات، این فلز معمولاً فولاد ساختمانی یا فولادهای آلیاژی است.

ویژگی‌های فلز پایه

• ترکیب شیمیایی فلز پایه نقش مستقیم در کیفیت جوش دارد. برای مثال فولادهای پرکربن در برابر ترک‌خوردگی حساس‌تر هستند.
• خواص مکانیکی فلز پایه (مقاومت، سختی، شکل‌پذیری) تعیین می‌کند که چه نوع الکترود یا فرآیند جوشی باید انتخاب شود.

نقش فلز پایه در فرآیند جوشکاری

اگر فلز پایه کیفیت خوبی نداشته باشد یا دارای ناخالصی‌های داخلی (مثل سرباره، تخلخل یا ریزترک‌ها) باشد، حتی بهترین روش جوشکاری هم نمی‌تواند اتصال قابل اعتمادی ایجاد کند. به همین دلیل، آماده‌سازی سطح و انتخاب فلز پایه مناسب از گام‌های حیاتی پیش از شروع جوشکاری است.

فلز جوش (Weld Metal)

فلز جوش همان ناحیه‌ای است که در اثر ذوب شدن فلز پرکننده (مثل الکترود یا سیم جوش) و گاهی بخشی از فلز پایه تشکیل می‌شود.

ترکیب شیمیایی فلز جوش

فلز جوش باید از نظر ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی با فلز پایه هم‌خوانی داشته باشد، در غیر این صورت هیچ اتصالی میان این دو شکل نمی‌گیرد، حتی اگر هر دو فلز به حالت مذاب درآیند. برای همین انتخاب الکترود یا سیم جوش مناسب اهمیت زیادی دارد.

رفتار مکانیکی فلز جوش

فلز جوش باید هم مقاوم باشد و هم انعطاف‌پذیر، تا بتواند بارهای مختلف را تحمل کند. جوشی که بیش از حد سخت باشد، ممکن است شکننده شود و در برابر ضربه یا خمش ترک بخورد.

عیوب رایج در فلز جوش

• ترک‌ها: معمولاً به دلیل سرد شدن سریع یا وجود ناخالصی
• تخلخل‌ها: به علت حبس شدن گازها در حین انجماد
• آخال‌ها: ورود سرباره یا ذرات خارجی به فلز جوش

ناحیه متاثر از حرارت (HAZ)

ناحیه متاثر از حرارت یا HAZ یکی از مهم‌ترین و حساس‌ترین بخش‌های یک اتصال جوشکاری است. این ناحیه جایی است که فلز پایه ذوب نشده، اما تحت تأثیر حرارت جوشکاری قرار گرفته و خواصش تغییر کرده است.

جایگاه HAZ

HAZ در اطراف فلز جوش و بین فلز پایه و فلز ذوب‌شده قرار می‌گیرد. عرض این ناحیه بسته به شدت حرارت و سرعت سرد شدن می‌تواند از چند دهم میلی‌متر تا چند میلی‌متر متغیر باشد.

تغییرات متالورژیکی در HAZ

وقتی فلز پایه در معرض حرارت قرار می‌گیرد، ساختار کریستالی و به تبع آن، خواص مکانیکی ناحیه HAZ تغییر می‌کند.

• در فولادها، ممکن است بخش‌هایی از پرلیت و فریت به آستنیت تبدیل شوند و در هنگام سرد شدن دوباره به ساختارهای سخت‌تر یا شکننده‌تری مثل مارتنزیت تغییر شکل دهند.
• این تغییرات می‌توانند باعث افزایش سختی و کاهش چقرمگی (توانایی مقاومت در برابر شکست) شوند.

زیرناحیه‌های HAZ

1. ناحیه دمای بالا: نزدیک به فلز جوش، بیشترین تغییرات ساختاری را تجربه می‌کند.

2. ناحیه دمای متوسط: تغییرات جزئی‌تر، احتمال تشکیل دانه‌های درشت.

3. ناحیه دمای پایین: تغییرات کمتر اما همچنان ممکن است استحکام کاهش یابد.

مشکلات متداول در HAZ

• ترک سرد: به دلیل وجود هیدروژن و ساختارهای شکننده.
• تردی هیدروژنی: ورود هیدروژن در حین فرآیند جوشکاری می‌تواند باعث شکست ناگهانی شود.
• تغییر سختی: نواحی بیش از حد سخت یا نرم، اتصال را ناایمن می‌کنند.

عوامل موثر بر کیفیت HAZ

• شدت حرارت ورودی: هرچه حرارت بیشتر باشد، HAZ گسترده‌تر خواهد شد.
• سرعت سرد شدن: سرد شدن سریع می‌تواند مارتنزیت شکننده ایجاد کند.
• ترکیب شیمیایی فلز پایه: فولادهای پرکربن و آلیاژی بیشتر در معرض مشکلات HAZ هستند.

راهکارهای بهبود کیفیت HAZ

1. پیش‌گرم کردن فلز پایه پیش از جوشکاری برای کاهش سرعت سرد شدن.

2. پس‌گرم (Post Weld Heat Treatment) برای کاهش تنش‌های پسماند و بهبود ساختار.

3. انتخاب الکترود مناسب با ترکیب سازگار.

4. کنترل پارامترهای جوشکاری: شدت جریان، ولتاژ و سرعت حرکت.

اهمیت HAZ در صنعت

• در خطوط لوله نفت و گاز: بیشتر شکست‌ها در HAZ رخ می‌دهد، نه در فلز جوش یا فلز پایه.
• در سازه‌های فلزی سنگین مثل پل‌ها: کنترل دقیق HAZ برای جلوگیری از ترک‌های فاجعه‌بار ضروری است.
• در مخازن تحت فشار: کوچک‌ترین نقص در HAZ می‌تواند خطر انفجار به همراه داشته باشد.

مقایسه سه ناحیه اصلی جوش

• فلز پایه: تعیین‌کننده کیفیت اولیه اتصال
• فلز جوش: ناحیه‌ای با خواص قابل کنترل از طریق انتخاب الکترود و روش جوش
• ناحیه HAZ: حساس‌ترین بخش که تغییرات ناخواسته در آن می‌تواند کل اتصال را تضعیف کند

اهمیت شناخت نواحی جوش در صنعت آهن‌آلات

در صنعت آهن و فولاد، سازه‌های فلزی همیشه تحت فشار، بارگذاری و شرایط محیطی سخت قرار دارند. شناخت نواحی جوش و رفتار هر کدام باعث می‌شود:

• کیفیت جوش بهتر کنترل شود.
• از هزینه‌های ناشی از تعمیر یا شکست جلوگیری گردد.
• ایمنی پروژه‌ها افزایش پیدا کند.

جمع‌بندی

جوشکاری فقط یک فرآیند اتصال ساده نیست؛ بلکه شامل تغییرات پیچیده‌ای در سه ناحیه اصلی یعنی فلز پایه، فلز جوش و ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) است. در حالی که فلز پایه و فلز جوش اهمیت زیادی دارند، HAZ همیشه به‌عنوان حساس‌ترین بخش اتصال شناخته می‌شود. کنترل کیفیت در این ناحیه می‌تواند تفاوت بین یک اتصال ایمن و یک شکست خطرناک را رقم بزند.