جوشکاري تيتانيوم و ارزيابي جوش

تيتانيوم يک عنصر شيميايي، با نماد Ti و عدد اتمي 22 است. اين عنصر که گاهي " فلز عصر فضا " نيز ناميده مي شود داراي چگالي کم، مقاومت بالا در برابر خوردگي و رنگ نقره اي بوده و جزء فلزات محکم و درخشان به حساب مي آيد. تيتانيوم مي تواند با آهن، آلومينيوم، واناديوم و موليبدنوم ترکيب شود و با تشکيل آلياژهاي سبک در صنايع متعددي مورد استفاده قرار گيرد. از عمده زمينه هاي کاربرد آن مي توان به مواردي از قبيل: صنايع فضايي، نظامي ، صنعتي، اتومبيل سازي، پزشکي، ارتوپدي، جواهرسازي، ساعت سازي، تلفن هاي همراه، نفت و گاز، دندانپزشکي و غيره اشاره کرد. تيتانيوم در سال 1971 توسط ويليام گريگور (William Gregor) در انگلستان کشف و توسط مارتين هينريچ کلاپروث Martin Heinrich Klaproth)) با اقتباس از"تيتان"، قهرمان اسطوره اي يونان، نامگذاري شد. اين عنصر در بين سنگ هاي معدني موجود در پوسته ي زمين به وفور يافت شده و از سنگ معدن خود با استفاده از فرايند Kroll يا Hunter استخراج مي شود.(شکل 1) فراوانترين ترکيب حاوي تيتانيوم، دي اکسيد تيتانيوم، در توليد رنگ دانه هاي سفيد مصرف مي شود. از ديگر ترکيب هاي موجود، تترا کلريد تيتتانيوم ( Ticl4) از اجزاي موجود در ساختار کاتاليست ها و تري کلريد تيتانيوم (Ticl3 ) بوده که به عنوان کاتاليست در توليد پوليپر پيلن استفاده مي شود. از مهمترين خواص اين فلز، مقاومت آن در برابر خوردگي و نسبت استحکام به وزن بالا است. در حالت هاي غير آلياژي تيتانيوم، استحکام آن با بعضي از فولادها برابر بوده ولي 45% وزن کمتر، آن را به عنوان يک فلز خاص مطرح مي سازد. دو نوع آلوتروپيک و پنج ايزوتوپ طبيعي براي تيتانيوم وجود دارد. از 46Ti تا 50Ti که در اين ميان 48Ti فراوانترين (73.8%) ايزوتوپ است. لازم به ذکر است خواص شيميايي و فيزيکي تيتانيوم شباهت زيادي به زيرکونيوم دارد.
ساخت قطعات مختلف تيتانيومي در شکل هاي بسيار پيچيده چندان دشوار نيست. سازندگان به اين نتيجه رسيدند که تيتانيوم يک ماده پيچيده نيست که براي ساخت آن به تکنيک هاي غير متعارف احتياج باشد. آنها به سرعت دريافتند که مي توان با تيتانيوم هم مانند ساير مواد مهندسي با کارايي بالا رفتار کرد، در حالي که خواص ويژه تيتانيوم را نيز بايد مد نظر قرار دهند. تيتانيم از لحاظ مقاومت به خوردگي تا حدي شبيه آلياژهاي پايه نيکل مي باشد. ولي در اين ميان تفاوتهايي وجود دارد.اين تفاوت ها عبارتند از:
-1 جرم حجمي کمتر تيتانيوم
-2 مدول الاستيستيه کمتر تيتانيوم
-3 نقطه ذوب بالاتر تيتانيوم
-4 فرم پذيري کمتر تيتانيوم
-5 حساسيت تيتانيوم به آلودگي ها در مرحله ي جوشکاري
به طور کلي در ساخت محصولات تيتانيومي، پاکيزگي از اهميت بالايي برخوردار است. اين اهميت به اندازه اي است که جداسازي يک منطقه خاص و تخصيص آن به تيتانيوم براي کارگاه هايي که در يک زمان به کار بر روي چند ماده ي مختلف مي پردازند حياتي است. منطقه اي که به اين منظور اختصاص داده مي شود حتي الامکان بايد داراي حداقل مقدار گرد و غبار، رطوبت، خاک، چربي و ديگر آلودگي ها باشد تا از راه يابي آنها به داخل ناحيه جوشکاري و يا روي فلز جلوگيري به عمل آيد.
جوشکاري تيتانيوم

تيتانيوم و اغلب آلياژهاي آن به وسيله روش هاي مختلف، قابليت جوشکاري دارند. جوشهايي که در يک محيط خوب و به طور صحيح به دست آمده اند کاملاً فرم پذير بوده و در بسياري از محيط ها مقاومت آنها در برابر خوردگي شبيه فلز پايه است. در سوي ديگر جوش غير صحيح در مقايسه با فلز پايه از فرم پذيري کمتري برخوردار بوده و امکان خوردگي بيشتري براي آن وجود دارد. تجهيزات و روش هاي استفاده شده در جوشکاري تيتانيوم مشابه روش هايي هستند که در جوشکاري ديگر فلزات مهندسي، نظير فولادهاي ضد زنگ و آلياژهاي پايه نيکل به کار مي روند، اگر چه جوشکاري تيتانيوم احتياج به توجه بيشتري به پاکيزگي و استفاده از گازهاي کمکي محافظ دارد. در واقع تيتانيوم مذاب بايد کاملاً از آلودگي هاي هوايي دور نگه داشته شود، همچنين مناطقي که تحت تاثير دماي بالا قرار گرفته اند و نيز پايه هاي جانبي جوش تيتانيوم بايد تا زماني که دما تا F °800 -C °427  افت مي کند، تحت محافظت باشند
در واقع تيتانيوم مي تواند با هوا، رطوبت، چربي، آلودگي و ذرات اکثر فلزات ديگر به راحتي واکنش داده و به يک جزء کاملاً ترد تبديل شود. همين واکنش پذيري با گازها و ساير سيالات، اکثر روش هاي جوشکاري متعارف نظير: جوشکاري گازي، جوشکاري با الکترود پوشش دار، جوش تو پودري و جوشکاري زير پودري را براي تيتانيوم غير مناسب کرده است. از سوي ديگر امکان جوش دادن تيتانيوم با ساير فلزات غير همسان( به خاطر واکنش پذيري و تشکيل قسمت ترد ) امکان پذير نيست. تنها فلزات مستثني از اين روند زيرکونيوم، تانتاليوم و نيوبيوم هستند. باوجود اين اقدامات پيشگيرانه که انجام آنها ضروري است، اکثر توليدکنندگان در سطح زياد و با وجود صرفه اقتصادي از جوش تيتانيوم استفاده مي کنند. اگرچه روش هاي استفاده شده در جوشکاري تيتانيوم خالص براي آلياژهاي تيتانيوم نيز قابل استفاده است اما به دليل ضعف اين آلياژها در تحمل آلودگي ها، بايد تمهيدات ويژه اي براي پوشش هاي محافظ انديشيده شود.
قوس پلاسما، قوس فلزي با گاز بي اثر و نيز شعاع الکتروني هم از روش هاي معمول در جوشکاري تيتانيوم هستند که هر کدام تحت شرايط خاصي کاربرد مربوط به خود را دارند. در همه حالات، محافظت جوش از جو بسيار مهم بوده که معمولاً اين شرايط، با اعمال گاز آرگون بر روي سطح گداخته يا انجام کل فرايند در يک محيط پرشده از گاز آرگون، انجام مي پذيرد علاوه بر اين قطعات مورد نظر نيز بايد از هرگونه اکسيد و يا لايه هاي چربي مصون باشند. روي سطح ورق هاي تيتانيومي معمولاً لايه نازکي از اکسيد وجود دارد. اما در هر حال قبل از جوشکاري، آماده سازي سطوح و پاک کردن آنها از چربي ها امري ضروري است. برس هاي از جنس فولاد ضد زنگ براي اين منظور قابل استفاده بوده اما برس هاي سيمي تيتانيومي ترجيح داده مي شوند. در اين ميان بايد از برس هاي فولادي نرم به دليل احتمال جدايش آهن جلوگيري شود. از استون و متيل اتيل کتون براي پاکسازي چربي ها مي توان استفاده کرد اما استفاده از محلول ارگانيک کلرين در اين ميان توصيه نمي شود. بعد از اين عمليات بايد از لمس کردن سطوح خودداري کرده و همچنين قطعاتي که به عنوان قطب مثبت در آمده اند را قبل از جوشکاري لايه برداري کرد.
اين تاکيد بسيار زياد بر عمليات هاي زمان بر آماده سازي، توجيهي منطقي دارد چرا که وجود ترک به خاطر آلودگي هاي موجود، قابليت تعمير پذيري جوش نداشته و بايد فلز تردشده را به کلي جداسازي کرد.

 

محيط جوشکاري

امروزه اکثر جوشهاي تيتانيوم در کارگاههاي توليدي روباز انجام مي شود اگر چه جوشکاري اطاقکي نيز به طور محدود هنوز مورد استفاده است. محيط تميز براي جوشکاري تيتانيوم در هر شرايطي يکي از الزامات در نظر گرفته مي شود. اين منطقه خاص بايد از آلودگي ها و ديگر عمليات هاي توليد نظير سنگ زني و رنگ زني جدا باشد. علاوه بر اين محيط جوش بايد بدون گرد وغبار بوده و رطوبت آن نيز پيوسته کنترل گردد. همانطور که اشاره گرديد تيتانيوم و آلياژهايش معمولاً به روش قوس تنگستن گازي  TIG يا GTA) و قوس فلز گازي ( MIG يا GMA جوش داده مي شوند. به طور محدود روشهاي ديگر نظير جوش مقاومتي، قوس پلاسما و جوشکاري اصطکاکي نيز مورد استفاده واقع مي شوند که همه ي اين روشها در شرايط خاص داراي مزيت هاي مهمي هستند.
جوشکاري در هواي آزاد

تکنيک هاي جوش دستي که لبه هاي اتصال خوبي را به وجود مي آورند به سرعت 75-100mm/min محدود است که دليل آن نيز جلوگيري از اغتشاشات در پوشش محافظ گازي است. به منظور اطمينان از پخش شدن کامل گاز آرگون بر روي فلز در حال جوشکاري، مشعل جوشکاري بايد حتي الامکان به صورت قائم نگهداري شود.
در هنگام اضافه کردن سيم جوش، انحراف از خط عمودي نبايد از 20 درجه تجاوز کرده و سيم جوش بايد بين گاز پوششي و حوضچه مذاب به صورت پيوسته تغذيه شود. همچنين بايد از ضربه زدن به دليل جلوگيري از ايجاد اغتشاشات و آلوده ساختن سيم جوش به شدت خودداري کرد. قطر سيم جوش بايد با نوع جوش سازگار بوده که معمولاً در بازه ي بين 1.2-6 mm قرار دارد. روش هاي جوشکاري اتوماتيک به دليل کنترل بهتر شرائط و استفاده آسان تر از وسائل محافظ، جايگاه خاصي را براي خود به دست آورده اند. سرعت بالاي جوشکاري از ديگر مزاياي اين روش به حساب مي آيد به عنوان مثال سرعت 500-750mm/min براي ورقي به ضخامت 1.2mm به راحتي امکان پذير است.
در جاهايي که امکان استفاده از روش هاي تمام اتوماتيک وجود ندارد، روش هاي نيمه اتوماتيک با دارا بودن نسبي مزاياي هر دو روش دستي و اتوماتيک گزينه ي بسيار مناسبي به شمار مي آيند. در حالت کلي گاز آرگون براي محافظت از دو سطح جوشکاري بايد استفاده شود ولي در شرائط خاصي که راه حل ديگري وجود ندارد مي توان سطح زيرين جوش را به وسيله ي ابزارهاي مکانيکي محافظت کرد.

حفاظت از سطح بالايي جوش

سطح بالايي ناحيه جوش را مي توان به وسيله آرگوني که از مشعل جوشکاري خارج مي شود، محافظت کرد. جريان مورد نياز تابع اندازه و شکل نازل، فاصله ي نازل تا قطعه کار و مقدار پيشروي الکترود است.
اگر چه نازل هاي سراميکي استاندارد به خوبي بر روي مشعل هاي جوش آرگون سوار مي شوند اما پوشش به وجود آمده براي جوش هميشه به مقدار کافي نبوده و بهترين راه براي رفع اين مشکل استفاده از لفافه هايي است که به سادگي در کارگاهها ساخته شده و توانايي نصب شدن بر روي مشعل هاي استاندارد را دارا هستند. آرگون را مي توان با کمک فويل هايي از جنس آلومينيوم و يا مس که در راستاي درز جوش کشيده مي شوند، براي مدتي بر روي محل هاي اتصال نگه داشت.
با استفاده از اين روش احتمال ايجاد آلودگي به دليل نفوذ هوا، تحت تاثير جريان پرفشار آرگون در ناحيه درز جوش، کاهش مي يابد. بهره گيري از اين روش در گوشه ها و لبه ها، که محافظت گازي به دليل هندسه ي خاص آنها کاري دشوار است، مي تواند بسيار مفيد باشد.
محافظت از سطح زيرين جوش

محافظت از سطح زيرين جوش به هندسه ي مکان اتصال و تکنيک جوشکاري بستگي دارد. در جوشکاري اتوماتيک درزهاي انتهايي، که در آن از گيره هاي خاصي استفاده مي شود، دسترسي هوا به ريشه ي جوش با بهره گيري از ورقه هايي بر روي سطح ناممکن مي شود. اگر چه امکان انحراف اين ورقه ها و در پي آن آلودگي شديد در محل جوش هميشه وجود دارد از همين رو تغذيه ي آرگون به سطح زيرين جوش نيز ترجيح داده مي شود. در مورد تيتانيوم، حوضچه مذاب هيچ تمايلي به ريزش يا مشتعل شدن ندارد. از اين رو جوش مي تواند بدون نياز به ميله هاي پشتيباني، که براي پوشش آرگوني در ريشه هاي جوش مورد نياز است، توليد شود.
يک روش براي دستيابي به اين هدف، استفاده از تيوب هاي جدار نازک با قطر کم است که سوراخ کاري شده و در محل مورد نظر به کمک فويل نازک مس و آلومينيوم قرار مي گيرند. با اتصال اين فويل ها به اجزاي جوش و با کمک يک نوار چسبنده، مي توان يک ناحيه جهت انباشته شدن آرگون بوجود آورد.
جوشکاري در محفظه سر بسته

موثرترين راه براي جوشکاري اشکال پيچيده و حساس تيتانيومي، استفاده از محفظه هاي پرشده از آرگون است. مرسوم ترين روش نيز استفاده از محفظه تحت فشار با قابليت ايجاد خلاء تا فشار 2mm Hg است اگر چه ايجاد خلاء نسبي يعني فشار 0.1mm Hg نيز، انتظارها را برآورده مي سازد. در اينجا مي توان از يک نگهدارنده ي ساده ي الکترود به جاي مشعل قوس آرگون استفاده کرد.
کنترل کيفيت

نظارت تخصصي از نزديک، اپراتورهاي کارآمد و روش هاي مناسب جوشکاري، همه و همه از عوامل ايجاد يک همجوشي خوب در تيتانيوم هستند. در هر کارگاه، محافظت صحيح از سطوح بالايي و پاييني، جريان جوشکاري، سرعت و فشار گاز، بايد به طور جداگانه تحت کنترل قرار گيرند. جوشکاري در هواي آزاد بايد به گونه اي باشد که هيچ عاملي باعث ايجاد اغتشاشات در جريان گاز آرگون نشود. جوش تيتانيوم بايد سطحي براق داشته باشد. لايه ي کاهي رنگ نشان دهنده ي مقدار کمي از آلودگي هاست که اثرات نواقص مکانيکي ناخواسته اي را ايجاد مي کند. رنگ آبي تيره، که نشانگر آلودگي زياد در جوش است، خبر از احتمال کاهش شکل پذيري تيتانيوم داده که نيازمند بررسي دوباره ي عمليات جوشکاري است.
در حالت کلي، آزمايشات بصري توانايي تخمين دقيق ميزان آلودگي را نداشته لذا بهترين روش مي تواند بررسي تفاوت سختي در قسمت جوش و ناحيه ي گرما ديده باشد. مواد مجاور منطقه ي جوش، به دليل اينکه جوشکاري، اثرات عمليات کارسرد و تابکاري انجام شده روي آنها را از بين مي برد، در نرم ترين حالت ممکن شکل مي گيرند. در يک جوش، افزايش سختي، که به شدت به افزايش آلودگي ها وابسته است، نبايد از 27HV تجاوز کند.
پوشاندن ورقهاي فولادي با تيتانيوم

پوشش دادن محفظه هايي از جنس فولاد نرم با استفاده از تيتانيوم، يک پيشرفت بزرگ در علم مهندسي بوده گرچه کماکان نيازمند تحقيقات گسترده توسط متخصصين جوشکاري است. به دليل ايجاد لايه ي ترد في ما بين، در حين جوشکاري، امکان جوش دادن مستقيم تيتانيوم با فولاد وجود ندارد. معمولاً ابتدا ورق هاي تيتانيومي را با استفاده از جوش کاري به يکديگر متصل کرده و سپس آستر سر تا سري را با استفاده از ابزارهاي مکانيکي به مخزن متصل مي کنند. روش ديگر استفاده از روش پوشش انفجاري (Explosion Clading ) مي باشد که در نشريه ي شماره اول در اينخصوص نوشتاري ارائه گرديد.
جوشکاري مقاومتي

تيتانيوم با مقاومت الکتريکي مشابه با فولاد ضد زنگ، براي خال جوش زدن و جوشکاري اتصالي بسيار مناسب است. در مورد ورق هايي تا 1.5mm جوشهاي بسيار مطلوبي با روش هاي متعارف جوشکاري مي توان ايجاد کرد که کيفيت اتصالات تا حد زيادي به آماده سازي سطح جوشکاري بستگي دارد.
در اين حال هرگونه پوشش، لکه، کثيفي، روغن و يا چربي که در عمليات حمل و نقل، نگهداري و يا توليد شکل گرفته بايد کاملاً پاکسازي شود. عمليات هاي شيميايي کمترين مقاومت سطحي ممکن را ايجاد مي کنند اما تميز کاري هاي مکانيکي نيز مي تواند تقريباً همين شرايط را ايجاد کرده و ملزومات يک جوش مرغوب را فراهم آورد. در جوشکاري مقاومتي به دليل مدت زمان کوتاه جوشکاري استفاده از گازهاي پوششي الزامي ندارد.
ارزيابي کيفيت

پيش از توليد جوش تيتانيوم، روش ها و تکنيک هاي توليد بايد به دقت ارزيابي شوند. براي ساخت مخازن تحت فشار، در استاندارد مدون ASME ، قسمت IX در مورد کيفيت جوش، جزئيات روش و تست هاي عملکردي وجود دارند که بايد به آنها توجه شود. تست هاي کشش و خمش بر روي جوش هاي آزمايشي که با توجه به شرايط خاص توليد انجام گرفته اند، از معيارهاي پذيرش جوش هستند. تست ضربه و نيز در شرايط کاري با دماي پايين لازم الاجرا هستند. بعد از اينکه شواهد، يعني تست هاي کشش و خمش، خبر از يک راهکار خوب براي جوشکاري دادند، مي توان به مراحل بعدي ساخت و جوش اقدام کرد.
سختي سنجي

گاهي اوقات اندازه گيري سختي جوش بر اساس پايه ي فلزي، براي ارزيابي کيفيت جوش به کار مي رود. معمولاً، سختي يک جوش بدون آلودگي از 30 درجه در مقياس نوپ (Knoop)، ويکرز يا برينل در مقايسه با فلز پايه خود با همان ترکيب بيشتر نيست. بايد به اين نکته توجه شود که تغييرات دمايي مي تواند باعث اختلاف بيشتر از 30 نوپ يا برينل بدون وجود آلودگي باشد. در هر حال سختي زياد جوش به دليل امکان آلودگي مي تواند دليل بجايي براي نگراني باشد به طوري که در استاندارد ASME آمده است در صورتي که سختي جوش تيتانيوم فراتر از 40 برينل بيشتر از فلز پايه بود امکان آلودگي بيش از حد وجود دارد. اختلاف بيشتر در سختي احتياج به جداسازي مناطق تحت تاثير فلز جوش را ضروري مي کند. بر اساس اين کد ASME، جوش تيتانيوم همچنين بايد به وسيله ي سيال نافذ و راديوگرافي نيز بررسي شود.
تست بصري بر اساس نوع رنگ جوش

مشکلات به وجود آمده در مورد جوش تيتانيوم معمولاً به دليل آلودگي ها و ناخالصي ها بر اثر پوشش ناکافي

گاز محافظ است. از رنگ جوش مي توان به عنوان نشانگر اثرگذاري حفاظ ها و پوشش ها و به طور غير مستقيم سنجش کيفيت جوش استفاده کرد. به اين ترتيب هرگونه نشاني از ميزان کيفيت جوش تيتانيوم سريعاً در اختيار جوشکار يا هر ناظر ديگري قرار مي گيرد. رنگ جوش نمايانگر درجه ي در معرض اکسيژن (هوا) قرار گرفتن جوش در درجه حرارت هاي بالاست. رنگ نقره اي درخشان و متاليک به طور کلي مي تواند به نمايانگر يک جوش بي نقص باشد که از روش هاي مناسب در محيطي پاکيزه براي انجام آن بهره گرفته شده است. نمود ديگر رنگ ها، همانطور که در جدول زير مشاهده مي شود نشانگر مقدار آلودگي جوش است که نيازمند توجه ويژه مي باشد.

کلمات کلیدی:جوش تیتانیوم - جوش زیر پودری - تست جوش

لینک دانلود رایگان 8 صفحه مطلب و تصاویرجوش تیتانیوم