پدیده های حرارتی و تغییر فاز در جوشکاری فولاد
جوشکاری فقط اتصال دو قطعه فلزی نیست؛ پشت این فرآیند، مجموعهای پیچیده از پدیدههای حرارتی و تغییرات متالورژیکی رخ میدهد. فولاد بهعنوان پرمصرفترین فلز در صنایع، در هنگام جوشکاری رفتارهای ویژهای از خود نشان میدهد که مستقیماً روی خواص مکانیکی و دوام سازه تأثیر میگذارد. درک درست از چرخههای حرارتی و تغییر فازها در فولاد، کلید پیشگیری از عیوب متداول مانند ترک، کاهش چقرمگی یا سختی بیشازحد است.
انرژی حرارتی در جوشکاری به زبان ساده
میزان حرارتی که در حین جوشکاری وارد فلز میشود را «Heat Input» مینامند. این پارامتر تعیین میکند که چه مقدار گرما در واحد طول جوش به فلز داده میشود و بر سرعت سرد شدن و نوع ساختار نهایی تأثیر مستقیم دارد.
فرمول ساده محاسبه:
Heat Input (kJ/mm) = (V × I × 60) / (S × 1000)
- V = ولتاژ (ولت)
- I = جریان (آمپر)
- S = سرعت حرکت جوش (میلیمتر بر دقیقه)
هرچه Heat Input بیشتر باشد، ناحیه HAZ پهنتر و سردشدن کندتر خواهد بود. طبق این فرمول، هرچه ولتاژ یا جریان اعمالی بیشتر بوده و یا سرعت جوشکاری (مثلا حرکت دست جوشکار در انواع جوشکاری دستی) کمتر باشد، حرارت بیشتری وارد منقطه متأثر از حرارت میشود.
به سادگی میتوان اینگونه نتیجه گرفت که در شرایط برابر از نظر جنس فولاد پایه و شدت سردکنندگی محیط، هرچه حرارت وارد شده به فلز از طریق منطقه ذوب و جوشکاری بیشتر باشد، این حرارت به عمق بیشتری از فلز نفوذ کرده و قطعه به زمان بیشتری برای سرد شدن احتیاج دارد.
چرخه حرارتی جوش (منحنی دما-زمان)
زمانی که قوس الکتریکی روشن میشود، دمای جوش به بالاتر از نقطه ذوب میرسد و سپس با قطع قوس، دما بهسرعت کاهش مییابد. این تغییرات دما و زمان، تعیینکنندهی فازهای نهایی هستند.
دماهای بحرانی فولاد
- Ac1: دمای شروع تشکیل آستنیت (حدود 723 درجه سانتیگراد)
- Ac3: دمای تکمیل تبدیل به آستنیت (بالاتر، بسته به نوع فولاد)
- Ms: دمای شروع تشکیل مارتنزیت
- Mf: دمای پایان تشکیل مارتنزیت
سرعت عبور از این دماها، تعیینکننده ساختار نهایی فلز جوش و HAZ است.
تغییر فازها در فولاد: از آستنیت تا مارتنزیت
فولاد میتواند در شرایط مختلف دمایی، ساختارهای متفاوتی به خود بگیرد. هر یک از این ساختارها، ویژگیهای بلوری، فیزیکی و مکانیکی خاص خود را داشته و سرعت سرد شدن، بر میزان تشکیل هر فاز تاثیرگذار است.
- فریت (Ferrite): نرم، شکلپذیر
- پرلیت (Pearlite): ترکیبی از فریت و سمنتیت (با ترکیب Fe3C)، خواص متعادل
- بینیت (Bainite): سختتر از پرلیت، مقاوم در برابر ضربه
- مارتنزیت (Martensite): بسیار سخت و شکننده
- آستنیت (Austenite): ساختار پرکربن در دمای بالا
مثال کاربردی: اگر سرعت سرد شدن زیاد باشد، آستنیت به مارتنزیت تبدیل شده و در نتیجه، سختی بالا رفته ولی تردی زیاد میشود.
نمودارهای TTT و CCT
یکی از مهمترین ابزارهای متالورژی جوش برای پیشبینی ریزساختار نهایی فولاد پس از جوشکاری، استفاده از نمودارهای TTT و CCT است. این نمودارها نشان میدهند که با توجه به زمان و دمای سرد شدن، چه فازهایی در فولاد تشکیل میشوند و در نتیجه چه خواص مکانیکی حاصل خواهد شد.
نمودار TTT – نمودار دگرگونی در دمای ثابت
نمودار TTT یا ایزوترمال (Time-Temperature-Transformation) نشان میدهد که اگر نمونه فولاد به یک دمای معین رسانده شده و در همان دما برای مدت زمان مشخصی نگه داشته شود، چه تغییر فازی در آن اتفاق خواهد افتاد. این نمودار بهویژه برای بررسی تشکیل فازهایی مانند پرلیت، بینیت یا مارتنزیت در شرایط آزمایشگاهی اهمیت دارد.
- در بخشهای مختلف این نمودار، خطوطی وجود دارند که آغاز و پایان تشکیل فازها را مشخص میکنند.
- بهطور مثال، اگر فولاد به سرعت تا دمایی مشخص سرد شود و در آن دما نگهداری گردد، میتوان با کمک نمودار TTT پیشبینی کرد که چه نسبتی از پرلیت یا بینیت شکل خواهد گرفت.
- اهمیت اصلی این نمودار در پژوهشها و طراحیهای متالورژیکی است، اما در صنعت جوشکاری بهصورت مستقیم کمتر استفاده میشود چون در عمل قطعات معمولاً بهصورت ایزوترمال خنک نمیشوند.
نمودار CCT – نمودار دگرگونی در سرد شدن پیوسته
برخلاف TTT، نمودار CCT (Continuous-Cooling-Transformation) شرایط واقعیتری را برای جوشکاری و عملیات حرارتی شبیهسازی میکند. این نمودار نشان میدهد که در طی سرد شدن پیوسته با سرعتهای مختلف (نه در یک دمای ثابت)، چه فازهایی و در چه زمانهایی تشکیل خواهند شد.
- در این نمودار، هر منحنی معرف یک سرعت سرد شدن خاص است.
- اگر سرد شدن به آهستگی انجام گیرد، احتمال تشکیل پرلیت و بینیت بیشتر خواهد بود.
- اگر سرعت سرد شدن بسیار زیاد باشد، دمای Ms و Mf فعال شده و ساختار مارتنزیتی شکل میگیرد.
- نمودار CCT بهطور گسترده در جوشکاری کاربرد دارد زیرا دقیقاً رفتار واقعی فلز هنگام خنک شدن بعد از عبور قوس جوش را بازتاب میدهد.
اهمیت این نمودارها برای مهندسان جوش
این نمودارها به مهندسان کمک میکنند تا با توجه به ضخامت قطعه، ترکیب شیمیایی فولاد و شرایط سرد شدن، پیشبینی کنند که ریزساختار نهایی چه خواهد بود. بر اساس این پیشبینی، میتوان تصمیم گرفت که آیا نیاز به پیشگرم وجود دارد یا خیر، چه محدودهای از Heat Input مجاز است، و آیا عملیات حرارتی پس از جوشکاری (PWHT) ضروری است یا نه.
به عنوان مثال، اگر محاسبات نشان دهد که سرعت سرد شدن جوش در محدودهای قرار میگیرد که احتمال تشکیل مارتنزیت زیاد است، باید با افزایش دمای پیشگرم یا کاهش سرعت خنککاری، از ورود ساختار به این ناحیه جلوگیری کرد.
تأثیر حرارت روی سه ناحیه جوش
- فلز جوش (Weld Metal): تحت ذوب کامل قرار میگیرد و پس از انجماد میتواند حاوی عیوب انجمادی باشد.
- ناحیه HAZ: بیشترین تغییرات متالورژیکی در این بخش رخ میدهد، زیرا ذوب نشده اما حرارت بالا دیده است.
- فلز پایه: کمترین تغییرات را دارد اما همواره تحت تأثیر تنشهای حرارتی باقی میماند.
مشکلات ناشی از تغییر فاز
یکی از مهمترین عواملی که کیفیت جوشکاری را تحت تأثیر قرار میدهد، تغییر فازهای متالورژیکی در حین حرارتدهی و سردشدن است. اگر این تغییرات بهدرستی کنترل نشوند، میتوانند منجر به ایجاد عیوب جدی در فلز جوش و منطقه متاثر از حرارت (HAZ) شوند. از جمله رایجترین مشکلات میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
ترک گرم (Hot Cracking)
ترک گرم معمولاً در حین انجماد فلز جوش یا اندکی پس از آن بهوجود میآید. این ترکها ناشی از جدایش عناصر ناخالصی (مانند سولفور و فسفر) در مرز دانهها و کاهش مقاومت مکانیکی در دمای بالا هستند. از آنجا که ترک گرم در لحظه تشکیل فلز جوش اتفاق میافتد، اغلب در عمق جوش پنهان میماند و با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست. این نوع ترک میتواند بهشدت بر استحکام اتصال تأثیر بگذارد و در سرویس منجر به شکست زودرس شود.
ترک سرد (Cold Cracking)
ترک سرد معمولاً چند ساعت تا حتی چند روز بعد از اتمام جوشکاری ظاهر میشود. علت اصلی آن تشکیل مارتنزیت سخت و ترد در ناحیه HAZ و همزمان حضور هیدروژن محلول در ساختار است. این ترکیب منجر به افزایش تنشهای موضعی و در نهایت ایجاد ترک میشود. ترک سرد بیشتر در فولادهای پرکربن یا آلیاژی که نرخ سختشوندگی بالاتری دارند مشاهده میشود و برای جلوگیری از آن، کنترل پیشگرم و پسگرم و همچنین استفاده از الکترودهای کمهیدروژن ضروری است.
تردی هیدروژنی (Hydrogen Embrittlement)
در حین جوشکاری، هیدروژن میتواند از منابع مختلفی مانند رطوبت موجود در پوشش الکترود، گازهای محافظ یا حتی آلودگی سطحی وارد فلز جوش شود. این هیدروژن جذبشده در شبکه کریستالی فولاد، بهمرور زمان مهاجرت کرده و در نواحی حساس تجمع مییابد. نتیجه آن کاهش انعطافپذیری و چقرمگی فلز و در نهایت شکست ناگهانی و شکننده است. تردی هیدروژنی یکی از خطرناکترین پدیدهها محسوب میشود زیرا اغلب بدون هشدار قبلی منجر به خرابی قطعه در سرویس میشود.
جمعبندی
پدیدههای حرارتی و تغییر فازها در جوشکاری فولاد نقشی حیاتی در تعیین خواص مکانیکی و دوام سازه دارند. از کنترل Heat Input گرفته تا انتخاب روشهای پیشگرم و پسگرم، همگی با هدف مدیریت این تغییرات انجام میشوند. درک درست این موضوعات، به مهندسان و صنعتگران کمک میکند تا از بروز عیوب متداول جلوگیری کرده و کیفیت سازههای فولادی را تضمین نمایند.
نظرات کاربران