اثر دماي پيشگرم جوشكاري بر جوش پذيري چدن نشكن فريتي
به روش GTAW

حامد ثابت*1، مهدي محمدي خواه2 ، نويد ميرزامحمد3
استاديار، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد كرج، گروه مهندسي مواد و متالورژي، كرج، ايران
كارشناس ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد كرج، باشگاه پژوهشگران جوان، كرج، ايران
كارشناس، گروه پژوهشي مهندسي جوش، كرج، ايران
*[email protected]
(تاريخ دريافت: 13/06/91، تاريخ پذيرش: 27/06/91)

چكيده
در پژوهش حاضر اثر دماي پيشگرم جوشكاري بر جوش پذيري چدن نشكن فريتي مورد بررسي قرار گرفته شـده اسـت. بـراي ايـن منظـورابتدا صفحاتي از جنس چدن نشكن فريتي تهيه شدند و سپس با استفاده از فرآيند GTAW اتوماتيك از طريق تزريق سيم جوشERNiCu-B تحت دماهاي مختلف پيشگرم (100 تا 600 درجه سانتيگراد) به صورت سر به سر جوشكاري گرديدند. سپس آزمونهاي آنـاليز شـيميايي،مت الوگرافي ن وري، SEM، كش ش، س ختي و ض ربه ب ر روي من اطق مختل ف (فل ز ج وش و HAZ) انج ام ش د. بررس ي ه اي مت الوگرافي ماكروسكوپي و آناليز شيميايي فلز جوش نمونه هاي مختلف نشان دادند كه با افزايش دماي پيشگرم درصـد امتـزاج افـزايش يافتـه و درصـدوزني عناصر آهن، سيليسيم، منگنز وكربن در فلز جوش افزايش مي يابند، در مقابل درصد وزني عناصر نيكل و مس كاهش مييابنـد كـه درنتيجه آن سختي و استحكام كششي فلز جوش افزايش، درصد ازدياد طول نسبي و انرژي ضـربه آن كـاهش مـي يابـد . نتـايج آزمـون سـختيمنطقه خط ذوب نمونههاي مختلف مشخص نمود كه بـا افـزايش دمـاي پيشـگرم، سـختي نـواحي UMZو PMZ كـاهش مـييابـد . بررسـيمتالوگرافي نوري و SEM منطقه HAZ نمونه هاي مختلف مشخص نمود كه با افزايش دماي پيشـگرم، طـول منطقـهHAZ افـزايش مـي يابـد ، همچنين مشخص شد كه بـا افـزايش دمـاي پيشـگرم، تغييراتـي در انـدازه گرافيـت هـاي كـروي رخ داده و درصـد فـاز مارتنزيـت (اطـرافگرافيت هاي كروي) كاهش مي يابد كه در نتيجه اين تغييرات، مقدار سختي كاهش و انرژي ضربه منطقه HAZ افزايش مييابـد . در مجمـوعمناسبترين دماي پيشگرم براي جوشكاري چدن نشكن فريتي به روشGTAW ، دماي 400 درجه سانتيگراد تشخيص داده شد.

واژههايكليدي:
چدن نشكن فريتي،GTAW ، پيشگرم، فلز جوش،خط ذوب، HAZ.

1- مقدمه
چدن هـاي نشـكن خـانواده اي از چـدن هـا مـي باشـند كـه شـكلگرافيت در آنها بـه صـورت كـروي اسـت [1]، همـين كـرويبودن گرافيت ها باعث ايجاد خواص منحصر بـه فـردي از جملـهاستحكام كششي بالا، مقاومـت بـه ضـربه خـوب و مقاومـت بـهخستگي مناسب در اين دسته از چدن ها شده است [1-2]. وجود كربن بالا در اين چدنها باعث ايجاد قابليت ريخته گري خوب، انقباض كم و سياليت زياد در حين توليد قطعات ريختگي شـدهو در مقابل باعث كاهش جوش پـذيري و شـكل پـذيري آنهـا ميگردد [2]. چدن هـاي نشـكن عمـدتاً بـراي اتصـال و سـاختلوله ها، شفت هـا و محورهـاي تحـت خسـتگي نيازمنـد عمليـاتجوشكاري مي باشـند [3]. ولـي بـه علـت جـوش پـذيري پـائين، عمليات اتصال آنها عمدتاً با مشكلاتي همچـون تشـكيل حفـره (در فلز جوش)، ترك (در منطقه HAZ ) و عدم دسـت يـابي بـهخــواص مكــانيكي مناســب همــراه اســت [4-5]. جوشــكاري چ دنه اي نش كن عم دتاً ب ا فرآين دهاي جوش كاري قوس يمانندSMAW، و شعله اي (اكسي استيلن) انجام مي گـردد، اكثـراين فرآيندها حرارت ورودي بالايي را در فلز جـوش و اطـرافآن ايجاد مي نمايند كه منشا بسياري از عيوب ذكر شده مي باشند [5]، لذا براي ايجاد اتصال مناسب از طريق جوشكاري، كـاهشحرارت ورودي و پيشگرم كردن توصـيه شـده اسـت [6-7]. در بــين فرآينــدهاي جوشــكاري قوســي، فرآينــد GTAW داراي حرارت ورودي كمتري نسبت به ساير فرآيندها ماننـدSMAW مي باشد، لذا از نظر حرارت ورو دي فرآيند مناسـب تـري جهـت اتصال قطعات چدني مي باشد [2 و7]. از طرفـي پيشـگرم كـردنبا اثر گذاري بر سرعت خروج حـرارت باعـث كـاهش سـرعتسرد شدن فلز جوش (درحين و بعد از انجماد) و HAZ مي شـود كه در نتيجه از تشكيل فازهاي ناخواسته و ترد (مانند مارتنزيت) جلوگيري مي نمايد [2- 7]. بدين ترتيب پيشگرم كردن با كنترل زمان انجماد مـذاب حوضـچه جـوش و سـرد شـدن بعـد از آن، ريزساختار و خواص مكانيكي فلز جوش و HAZ را تحت تـاثيرقرار مي دهد [7]. بر اين اساس استفاده از عمليات پيشگرم مـوردتوجه پژوهشگران گوناگون بوده اسـت [8- 15]. El Banna [8] در تحقيقي اثر دمـاي پيشـگرم جوشـكاري قـوس الكتريكـي بـاالكترود دسـتي را بـر ريزسـاختار و سـختي منطقـهHAZ چـدننشكن فريتي- پرليتي آنيل شده مورد بررسي قرار داد و گزارش نمود كه امكان جوشكاري چدن نشكن آنيل شـده بـدون دمـايپيشگرم با اسـتفاده از الكتـرود پايـه نيكـل- آهـن(ENiFe-CI) ميسر است ولي پيشـگرم كـردن در محـدود 200 تـا 300 درجـهسانتيگراد باعث كاهش درصد فاز مارتنزيت و كـاهش سـختيمنطقه HAZ مي گردد. El Banna [9] و همكـارانش در تحقيـق
ديگري اثر دماي پيشگرم و تعـداد پـاس هـاي جوشـكاري را بـرريزساختار و سختي منطقه HAZ چدن نشكن پرليتي بـا اسـتفاده ازالكتروده اي مختل ف (ENi-CI, ENiFe-CI, ENiCu-B, E308L-16, E7018) بررسي نمودند. نتايج آنها مشخص نمود كه حداقل دماي پيشگرم بـراي جلـوگيري از تشـكيل تـرك درمنطقه HAZ، 300 درجه سانتي گـراد مـي باشـد و در ايـن دمـايپيشگرم با افزايش تعداد پـاس هـاي جوشـكاري، سـختي منطقـه HAZ ك اهش م ي ياب د. Kiser [10] و همك ارانش در تحقيق ي مش ابه ب ا تحقي قEl Banna ج وش پ ذيري چ دن ه اي نش كن پرليتي- فريتي را با الكترودهـاي پايـه نيكـل(ENi-CI) بررسـينمودند. نتايج بررسي آنها مشخص نمود كه بـراي جوشـكاريچدنهاي نشكن پرليتي- فريتي با الكترود نيكـل خـالص نيـاز بـهپيش ـگرم نيس ـت ، ولــي پيش ـگرم ك ردن تــا دم ـاي 100 درجــه سانتي گراد احتمـال تشـكيل تـرك در منطقـهHAZ را در حـينسرويس دهي كاهش مي دهد. ثابت [11] و همكارانش اثـر نـوعالكترود، دماي پيشگرم و پسگرم كردن را بر تغييرات سـاختاريو سختي فلز جوش و منطقه HAZ چدن نشكن پرليتي اسـت حكام بالا( حاوي كروم – نيكل و موليبدن) بررسي نمودند. نتايج ايـنمحققين مشخص نمود كه حداقل سختي فلز جوش، مربـوط بـهالكترود پايه نيكلي (ENi-CI) مي باشد و با افزايش درصد وزني آهن ( كروم و موليبدن) در فلز جوش، سختي افزايش مـي يابـد .
همچنين آنها مشخص نمودند كه جوشكاري چدنهاي نشـكن
پرليتي با الكترود E7018 با دماي پيشگرم 300 درجه سانتي گراد ميسر است. نتـايج آن هـا همچنـين مشـخص نمـود كـه بـالاترينداكتليتـه و كمتـرين سـختي در منطقـهHAZ در اثـر پس گرم دردماي 680 درجه سانتي گراد حاصل مي گـردد . شـمعاني ان [12] و همكـــــ ـارانش جـــــ وش پـــــ ـذيري چـــــ ـدن نشـــــ كن پرليتــي- فريتــي كــم آليــاژ (حــاوي نيكــل ) را بــا اســتفاده ازالكترودهــاي پايــه نيكلــي (ENi-CI) وآهنــي (E7018) مــورد بررســــــي قــــــرار دادنــــــد . طبــــــق بررســــــي آن هــــــا، مناسبترين حالت بـراي جوشـكاري چـدن هـاي نشـكن بـدونعمليات پيشگرم، استفاده از آستر نيكلي(ENi-CI) و سـپس پـركردن درز اتصال با الكترود E7018 مي باشد. همچنـين بررسـيآنها مشخص نمـود كـه جوشـكاري چـدن نشـكن بـا الكتـرودE7018 بدون پيشگرم، كمترين جوش پذيري را ايجاد مـي كنـدبه نحوي كه بالاترين سختي وكمترين انرژي ضـربه فلـز جـوشدر اين حالـت حاصـل مـي گـردد . Pascual [13] و همكـارانشجوش پذيري چدن هاي نشكن پرليتي -فريتي كم آلياژ (حـاوينيكل) را با روش هاي جوشكاري اكسي استيلن و الكترود دستي با مفتول ها و الكترودهاي جوشكاري در شرايط پيشگرم و بدون پيش گرم بررس ي نمودن د. ب ر اس اس نت ايج آنه ا، جوش كاري چدن هاي نشكن با روش اكسي اسـتيلن بـا پيشـگرم 350 درجـ ه سانتي گراد و با اسـتفاده از مفتـول پايـه چـدن خاكسـتري باعـثافزايش استحكام كششي فلـز جـوش مـي گـردد . ولـي بـالاتريناستحكام كششي فلز جوش در شرايط بدون پيشگرم و با استفاده از الكترود جوشكاري EFeNiCr حاصـل مـي گـردد . هـم چنـيننتايج آنها مشـخص نمـود كـه پيشـگرم كـردن در جوشـكاري اكسي استيلن باعث كاهش جزئي سختي منطقه HAZ مي گـرددولي در جوشـكاري قـوس الكتريكـي بـا الكتـرود دسـتي باعـثكاهش نسبتاً شديدي در سختي اين منطقـه مـي گـردد . Pascual [14] و همكارانش در تحقيق ديگري جوش پذيري چدن نشكن پرليتي- فريتي كم آلياژ (حاوي مس و نيكل) را با الكترودهـايپاي ه نيك ل (ENi-CI) و نيك ل آه ن (ENiFe-CI) در ش رايط پيشگرم شده بررسي نمودند. بر اساس نتايج آنها پيشگرم كردن تا 350 درجه سـانتي گـراد باعـث كـاهش سـختي فلـز جـوش ومنطقه HAZ مي گردد. همچنين آنها توصيه نموده اند كه جهت كاهش تمايل به تشكيل تـرك در حـين سـرويس دهـ ي مناسـباســت كــه بعــد از جوشــكاري پســگرم در دمــاي 850 درجــه سانتي گراد بر روي قطعه انجام گردد. ابـراهيم نيـا و همكـارانش[15] اثر نرخ سرد شدن را در بازسازي چدن هاي نشـكن پرليتـي م ورد مص رف در س اخت قال ب ه اي ص نايع خودروس ازي ب ا اس تفاده از روش پاش ش ش عله اي (ب ا پ ودر پاي ه نيك ل) م ورد بررسي قرار دادند. طبق بررسـي آن هـا اسـتفاده از روش پاشـششعله اي باعث كاهش شـديد طـول تـرك هـاي منطقـهHAZ بـهعل ت ح رارت ورودي كمت ر نس بت ب ه فرآين دهاي مت ـداولجوشكاري مي گردد، هـم چنـين آن هـا مشـخص نمودنـد كـه بـاكاهش نرخ سرد شدن، سختي منطقه HAZ كاهش مي يابد.
از آنجايي كه تا كنون تحقيق و گزارشي در خصوص اثر دمـايپيشگرم جوشكاري بر جوش پذيري چدن هاي نشكن فريتـي بـهروشGTAW گـزارش نشـده اسـت، لـذا ايـن پـژوهش برنامـهريزي و اجراء شده است و هدف آن بررسـي دقيـق ارتبـاط بـيندماي پيشگرم جوشكاري با خواص مكانيكي و ريزسـاختار فلـزجوش و منطقه HAZ ميباشد.

2- مواد و روش تحقيق
جهت انجام آزمون ها از صفحات ريختگي چـدن نشـكن فريتـي به ابعاد 4×100×300 ميلي متر با تركيـب شـيميايي و مشخصـاتساختاري ارايه شده در جدول (1) استفاده شد.

*تركيب
شيميايي C Si Mn P S Mg
3/51 – 3/54 2/51 – 2/53 0/23 – 0/24 0/061 – 0/063 0/011 – 0/012 0/045 – 0/047
**مشخصات ساختاري تعداد گرافيت هاي كروي در واحد سطح
923550-654

( 2تعداد) mm ميزان كروي شدن
گرافيت (درصد) اندازه گرافيت هاي كروي
(μm) ريزساختار
200 〉 95 23 100% فريت
جدول (1): تركيب شيميايي (درصد وزني) و مشخصات ساختاري چدن نشكن فريتي مورد استفاده در اين پژوهش
* به روش اسپكتروگرافي نشر نوري( OES )از نمونه هاي پولكي درون قالب تعيين شده است.
** به روش متالوگرافي نوري در حالت قبل و بعد از حكاكي (محلول حكاكي نايتال 2%) از نمونه هاي ريخته شده تعيين شده است.

جدول (2): شرايط جوشكاري نمونه ها
نوع فرآيند GTAW اتوماتيك نوع گاز محافظ آرگون خالص
نوع جريان DC طول قوس ميلي متر 3
قطبيت جريان DCSP نرخ دبي گاز 796290-50749

8Litmin
نوع الكترود تنگستن + 2درصد اكسيد توريم فلز پركننده ERNiCu-B
قطر الكترود 2/4 mm قطر فلز پركننده mm1
زاويه راس الكترود 60−80° تعداد پاسها تك پاس
شدت جريان آمپر 120 نحوه پيشگرم قطعات با كمك مشعل
سرعت حركت خطي 538734-12242

120mmmin كنترل دماي پيشگرم با استفاده از پيرومتر ليزري
اختلاف پتانسيل ولت 15 دماي پيشگرم C° 600-500- 400-300-200-100 بدون پيشگرم
سرعت تزريق سيم 492252-51247

0/6mmin
جدول (3): نتايج آزمون متالوگرافي ماكروسكوپي و آناليز شيميايي فلز جوش
آزمون دماي پيشگرم
(C) بدون پيشگرم 100 200 300 400 500 600
متالوگرافي ماكروسكوپي *زمان انجماد
(sec) 2/2 3/4 4/1 4/9 5/6 6/1 6/5
امتزاج (درصد) 48 51 55 59 65 70 74
آناليز شيميايي (درصد وزني) Fe 46/11 49/20 53/01 57/31 61/06 64/44 68/51
Si 1/24 1/31 1/41 1/54 1/68 1/74 1/79
C 1/74 1/86 1/94 2/14 2/31 2/54 2/78
Mn 0/12 0/12 0/13 0/14 0/16 0/18 0/19
Ni 35/12 33/25 30/41 27/11 24/21 21/51 18/91
Cu 15/67 14/26 13/10 11/76 10/58 9/59 7/82
*: زمان انجماد با استفاده از روابط Adams موجود در مراجع [6و16] محاسبه شده است.

در ابتدا قطعات ريختگي چـدن نشـكن بـه كارگـاه ماشـينكاريمنتقل و لبه هاي آنها ماشينكاري گرديد تا سطوح خشن حاصل از ريخته گري حذف شوند. سپس صفحات به صورت سـربه سـرگوني ا ب ا درز ريش ه 5/1 ميل ـي مت ر در كن ار يك ديگر توس طنگهدارن ده مس تقر ش دند. نمون ه ه ا قب ل از جوش كاري تح ت دماهاي مختلـف پ يشـگرم (بـدون پيشـگرم- 100- 200- 300- 400 -500 و 600درجه سانتي گراد) قـرار گرفتنـد و بـا حـرارت ورودي يكس ان ب ا روش جوش كاري GTAW اتوماتي ك و ب ا تزريق سيم جوش ERNiCu-B در يك پاس تحت جوشـكاري
قرار گرفتنـد . جـدول (2) شـرايط جوشـكاري نمونـه هـا را ارائـه مي دهد. لازم به ذكر است كه زمان انجماد، سرعت سرد شدن و زمان 500/800T هر يك از نمونههاي جوشكاري شده بـا اسـتفادهاز از روابط 1 تا 3 [6و 16] موجود در ضميمه تعيين شدند.
بعد از جوشكاري نمونه هـايي جهـت بررسـي آنـاليز شـيميايي وكشش (از فلز جوش)، و همچنين متالوگرافي نوري و الكتروني (SEM)- سختي سـنجي و ضـربه (از فلـز جـوش وHAZ ) تهيـهASME SEC9- QW465 و نمونههاي آزمون ضربه بدون شيار
(فلز جوش و HAZ) براساس استاندارد AWS B4 تهيه و تحـتآزمون قرار گرفتند.
آزمــ ون ســ ختي ســ نجي بــ ا اســ تفاده از دســ تگاه مــ دل Strures Duramin ب ه روش ويك رز ميكروس كوپي ب ا ني روي اعمالي 500 گرم بر روي فلز جوش و HAZ انجام گرديـد . لازم به ذكر است كـه جهـت افـزايش دقـت آزمـونهـاي مكـانيكي، آزمون كشش و ضربه حداقل بر روي 3 نمونـه انجـام و آزمـونس ختي س نجي ح داقل در 4 نقط ه مختل ف انج ام گردي د ك ه متوسط نتايج آنها به عنوان معيار آزمـون هـاي مربوطـه در نظـرگرفته شدند.
آزمون متالوگرافي نوري طي 2 مرحله انجام شد، در مرحلـه اولمتـــالوگرافي ماكروســـكوپي بـــا اســـت فاده از يـــك دســـتگاه
ميكروسكوپ نوري مدل Olympus SZ61 انجام شد. براي اين منظور بعد از آماده سـازي (سـنباده زنـي و پـوليش) و حكـاكيتوســط محلــول پيكــرال خــاص [17]، فلــز جــوش بــه روش ماكروسكوپي مورد مطالعه قرار گرفته شـد تـا درصـد امتـزاج وعرض منطقه HAZ تعيـين گـردد. درصـد امتـزاج بـا اسـتفاده ازرابطه 4 [16] موجود در ضميمه تعيين گرديد.
در مرحل ه دوم، مت الوگرافي ميكروس كوپي ب ا اس تفاده از ي ك دستگاه ميكروسكوپ نوري مدل Olympus BX51M مجهز به سيستم آناليز تصويري1 در حالت قبل از حكاكي جهت بررسـيو تعيين مشخصـات گرافيـت هـاي كـروي و بعـد از حكـاكي بـ ا محلول نايتال 2% جهت تعيين ريزسـاختار بـر روي منطقـهHAZ نمونه ها انجام گرديد. همچنين ريز ساختار منطقه HAZ نمونههـاتوســـط ميكروســـكوپ الكترونـــي روبشـــي2 (SEM) مـــدل VEGA TESCAN تحت ولتاژ شتاب دهنده KV20 به منظـوربررسي دقيقتر، مورد مطالعه قرار گرفته شدند.

شدند. آناليز شيميايي فلـز جـوش بـه روش فلورسـانس اشـعهX 3- نتايج و بحث
(XRF) با دستگاه مدل Spectro-Xepos انجام شـد . نمونـه هـايالف- فلز جوش (WM)
آزمـــون كشـــش طـــولي (فلـــز جـــوش) مطـــابق اســـتاندارد ج دول (3) نت ايج آزم ون مت الوگرافي ماكروس كوپي و آن اليز
شيميايي فلز جوش نمونه هاي مختلف را ارائـه مـي دهـد . همـان -گونه كه از جدول (3) مشخص است با افزايش دمـاي پيشـگرم، زمان انجماد فلز جوش افزايش مي يابد. همچنين با افزايش دماي پيشگرم، درصد امتزاج فلز پايه بـا فلـز جـوش افـزايش مـي يابـد .
شكل (1) مقطع جوش نمونههاي جوشكاري شده بدون پيشگرم و پيشگرم شده با دماي 300 درجه سانتيگراد را نشان ميدهد.

الف ب
شكل (1): مقطع جوش نمونههاي جوشكاري شده:
الف) بدون پيشگرم، ب) پيشگرم 300 درجه سانتي گراد

همانگونه كه در شـكل مشـخص اسـت پيشـگرم كـردن باعـثافزايش ميزان امتزاج ميگردد. علت افزايش درصد امتـزاج فلـزپايه با افزايش دماي پيشگرم ناشي از زمان تماس بيشتر مذاب بـافلز پايه در نمونه هاي جوشكاري شده در دمـاي پيشـگرم بـالاترمي باشد[16 و18]. از آنجايي كه با افزايش دمـاي پيشـگرم نـرخخروج حـرارت از حوضـچه مـذاب كـاهش مـي يابـد [16]، لـذامذاب حوضچه زمان بيشتري در تماس با فلز پايه مـي باشـد، كـهبدين ترتيب باعث ذوب بيشتر فلز پايه و افزايش درصـد امتـزاجفلز پايه مي گردد. همچنين علت افزايش زمان انجماد با افـزايشدماي پيشگرم ناشـي از اثـر دمـاي پيشـگرم بـر ضـريب هـدايتحرارتي و نرخ خروج حرارت توسط فلز پايه مي باشد[7 -8]. از آنجايي كه با افزايش دماي پيشگرم، ضريب هدايت حرارتي فلز پايه كاهش مي يابـد [7]، لـذا نـرخ خـروج حـرارت از حوضـچهمذاب كاهش يافته و بدين ترتيب زمان انجماد حوضـچه مـذابفلز جوش، افزايش مي يابد.

درصد وزني عناصر آهن، سيليسـيم، من گنـز و كـربن و حـداكثردرصد وزني عناصر نيكل و مس در فلز جوش مربوط بـه نمونـهجوشكاري شده بدون پيشگرم و حداكثر درصـد وزنـي عناصـرآهن، سيليسيم، منگنز و كـربن و حـداقل درصـد وزنـي عناصـرنيكل و مس در فلز جوش مربوط به نمونـه جوشـكاري شـده بـادماي پيشگرم 600 درجه سـانتي گـراد مـي باشـد . علـت تغيـر درتركيب شيميايي فلز جوش بـا افـزايش دمـاي پيشـگرم ناشـي از
افـ زايش درصـ د امتـ زاج فلـ ز پايـ ه در هنگـ ام جوشـ كاري
بررسي جدول (3) مشخص مي نمايد كه با افزايش زمان انجماد مذاب، درصد وزني عناصر آهـن ، سيليسـيم، منگنـز و كـربن درفلز جوش افزايش مي يابند و در مقابل درصد وزني عناصر نيكل و مس در فلز جـوش كـاهش مـيياب نـد، بـه نحـوي كـه حـداقلشكل (2) ارتباط بين دماي پيشگرم با استحكام كششي و درصد ازدياد طول نسبي فلز جوش نمونه هاي مختلف را نشان مي دهـد،همچنين شكل (3) ارتباط بين دماي پيشگرم را با انرژي ضـربه وسختي فلز جوش نشان مي دهد.
مي باشد [7 و16]. از آنجايي كه با افزايش دماي پيشگرم، درصد امتزاج فلز پايه در فلز جوش افزايش مييابد لذا حضـور عناصـرآهن، سيليسيم، منگنز و كربن كـه جـزء عناصـر اصـلي تشـكيلدهنده فلز پايه مي باشند در اثـر ذوب و انحـلال فلـز پايـه در فلـزجوش افزايش يافته است. در واقع امتزاج بيشتر فلز پايه با مـذابحوض چه باع ث ذوب بيش تر فل ز پاي ه و انح لال بيش تر عناص ر موجود (در فلز پايه) در فلـز جـوش شـده اسـت و بـدين ترتيـبسهم عناصر موجود در سيم جوش( نيكل و مس ) در تـر كيـبش يميايي فل ز ج وش ك اهش يافت ه اس ت. ج دول (4) نت ايج آزمون هاي مكانيكي فلز جوش را ارائه مي دهد.

پيشگرم (و افزايش زمان انجماد مذاب)، اسـتحكام كششـي فلـز جوش افزايش و درصد ازدياد طول نسـبي آن كـاهش مـي يابـد .
علاوه بر اين بررسي شكل (3) مشخص مي نمايد كه بـا افـزايشدماي پيشگرم، سـختي فلـز جـوش افـزايش و انـرژي ضـربه آن ك اهش م يياب د. ب ه نح وي ك ه ح داقل اس تحكام كششــي ( 2N

mm447) و س ختي (166 ويك رز) و ح داكثر درص د ازدياد طول نسبي(1/11 درصد) و انرژي ضربه (75 ژول) مربوط
جدول (4): نتايج آزمون مكانيكي فلز جوش
دماي پيشگرم
(C) بدون پيشگرم 100 200 300 400 500 600
254508262096

استحكام كششي ( 2Nmm ) 447 477 516 553 606 614 619
ازدياد طول نسبي (درصد) 11/1 10/2 9/4 8/7 7/8 7/6 7/5
سختي (ويكرز) 166 179 193 206 221 224 226
انرژي ضربه (J) 75 70 66 62 59 57 56

شكل (2): ارتباط بين دماي پيشگرم با استحكام كششي و درصد ازدياد طول نسبي فلز جوش

شكل (3): ارتباط بين دماي پيشگرم با انرژي ضربه و سختي فلز جوش

همانگونـه كـه از شـكل (2) مشـخص اسـت بـا افـزايش دمـاي
به نمونـه جوشـكاري شـده بـدون پيشـگرم مـي باشـد، در مقابـل
ح داكثر اس تحكام كشش ي ( 2N

mm619 ) و س ختي (226 ويك رز) و ح داقل درص د ازدي اد ط ول نس بي (5/7 درص د) و انرژي ضربه (56 ژول) مربوط به نمونه جوشكاري شده با دمـايپيش گرم 600 درج ه س انتيگ راد م ي باش د. عل ت تغيي رات در خواص مكانيكي فلز جوش ناشي از تغييـر در تركيـب شـيمياييفلز جوش با افزايش دماي پيشگرم مي باشد [16]. از آنجايي كـهبا افزايش دمـاي پيشـگرم، زمـان انجمـاد افـزايش مـي يابـد ، لـذادرصد وزني عناصر آهن، سيليسيم، منگنز و كربن در فلز جوش افزايش مي يابد، كه با افـزايش ايـن عناصـر بـه صـورت محلـول جام د[10و 14]، س ختي و اس تحكام كشش ي اف زايش، ان رژيضربه و درصـد ازديـاد طـول نسـبي كـاهش مـي يابـد . از طرفـيبررسي جدول (4) مشخص مينمايـد كـه اخـتلاف زيـادي بـينخواص كششي نمونههاي جوشكاري شده در دما هاي پيشـگرم 400-500 و 600 درج ه س انتيگ راد وج ود ن دارد. ب ه عب ارت ديگر اين نتايج مشخص ميكنند كه پيشـگرم كـردن در دمـاييبالاتر از 400 درجه سانتيگراد تاثير زيادي بر خواص مكـانيكيفلز جوش ندارد.
ب – منطقه خط ذوب (FL)
شكل (4) تصوير ميكروسكوپي نوري و SEM خط ذوب نمونه جوشكاري شده بدون دماي پيشگرم را نشان ميدهد.

شكل (4): تصوير ميكروسكوپي نوري و SEM خط ذوب نمونه جوشكاري
شده بدون دماي پيشگرم
همانگونه كه از اين شكل مشخص اسـت منطقـه خـط ذوب بـهدو ناحيه 1- مخلوط نشـده 3 (UMZ) و 2- ذوب جزيـي شـده4 (PMZ) تقسيم ميشود. همانگونه كه از شـكل مشـخص اسـت ناحيه مخلوط نشده داراي ساختار لدبوريتي مي باشد و بـه علـتانحلال كـربن ( گرافيـت ) و سـرعت انجمـاد بـالا [16 و 18] در خ ط ذوب تش كيل ش ده اس ت. ناحي ه ذوب جزي ي ني ز داراي
ســـاختاري متشـــكل از لـــدبوريت بـــه همـــراه مارتنزيـــت و گرافيتهاي كروي ميباشد و به علت عدم ذوب كامل [7 و16] درخط ذوب تشكيل شده است. شـكل (5) سـختي منطقـه خـطذوب (FL) نمونههاي مختلف را ارايه ميدهد.

شكل (5): سختي منطقه خط ذوب (FL) نمونههاي مختلف

همانگونه كه از شكل مشخص است با افـزايش دمـاي پيشـگرمسختي ناحيه هـاي UMZ و PMZ نمونـه هـاي مختلـف كـاهشمييابد، علت ايـن امـر ناشـي از اثـر دمـاي پيشـگرم بـر سـرعتانجماد اين نواحي مـي باشـد [10- 11]. افـزايش دمـاي پيشـگرمباعث ميشود تا سرعت انجماد نـواحي مـذكور كـاهش يافتـه و بدين ترتيب سختي نواحي مـذكور كـاهش مـي يابـد [10 و16] .
بررس ي ش كل (5) ه مچن ين مش خص م ينماي د ك ه س ختي ناحيههاي UMZ و PMZ نمونههاي جوشـكاري شـده بـا دمـايپيشگرم 400-500 و 600 درجه سانتيگراد اخـتلاف زيـادي بـايكديگر ندارند، به عبارت ديگر اين نتـايج نشـان مـيدهنـد كـهپيشگرم كردن بيش از 400 درجه سانتيگراد تاثيرات اندكي بـرتغييرات سختي ناحيه هايUMZ و PMZ داشته است.

همانگونـه كـه از شـكل (6) مشـخص اسـت بـا افـزايش دمـايپيشگرم، عرض منطقه HAZ افزايش مي يابد، به نحوي كه نمونه جوشكاري شده با دماي پيشگرم 600 درجه سـانتي گـراد داراي عريضترين منطقه HAZ (5/7 ميليمتر) مي باشد. علت ايـن امـر ناشي از زمان طولاني تر خروج حرارت (سـرد شـدن آهسـته تـر )
ج- منطقه مجاور جوش (HAZ) شكل (6) ارتباط بين دمـاي پيشـگرم را بـا عـرض منطقـهHAZ جدول (5) نتايج آزمون متالوگرافي ميكروسكوپي منطقه HAZ نشان مي دهد.
نمونه هاي مختلف را ارائه مي دهد.
جدول (5): نتايج آزمون متالوگرافي ميكروسكوپي منطقه *HAZ نمونه هاي مختلف
دماي پيشگرم (Co) بدون پيشگرم 100 200 300 400 500 600
21335026613

**نرخ سرد شدن (Csec °) 18/2 15/6 12/4 10/2 8/1 7/5 6/8
(Sec) T800/500 ** 13 17 22 28 37 42 48
عرض منطقه mm) HAZ) 5/1 5/7 6/2 6/6 6/9 7/2 7/5
اندازه متوسط گرافيت هاي
كروي (μm ) 15 16 17 18 19 20 21
*** ريزساختار F M F M F M F P M F P F P F P
درصد فازها 72 28 81 19 89 11 91 6 3 92 8 93 7 94 6
* متالوگرافي كليه نمونه ها در فاصله يك ميلي متر از خط ذوب انجام شده است.
**: نرخ سرد شدن و 500/800T با استفاده از روابط Adams موجود در مراجع [6و16] محاسبه شده است.
***: M= مارتنزيت F= فريت P= پرليت

شكل (6): ارتباط بين دماي پيشگرم با عرض منطقه HAZ
منطقه HAZ مي باشد [10و 19]. از آنجايي كه با افـزايش دمـايپيشگرم، نرخ سرد شدن منطقه HAZ كاهش مي يابـد [16]، لـذا خــروج حــرارت و ســرعت ســرد شــدن منطقــهHAZ زمــان طولاني تري را طي خواهد نمود كه بدين ترتيب منـاطق بيشـتريتحت تأثير حرارت جوشكاري قرار مـي گيرنـد و عـرض منطقـه
HAZ اف زايش م يياب د. از طرف ي نت ايج ج دول (5) مش خص مينمايد كه با افزايش دماي پيشگرم ( و كاهش نرخ سرد شدن و افزايش زمان 500/800T) اندازه متوسط گرافيت هاي كروي در منطقه HAZ تغيير ميكنـد . علـت افـزايش انـدازه گرافيـت هـايكروي با افزايش دماي پيشگرم ناشي از نفوذ كربن بين آسـتنيت و گرافيت هاي كروي مي باشد [9و 19]. در حين جوشـكاري بـ ه علت گرم شـدن منطقـهHAZ ،حلاليـت كـربن در آسـتنيت (از طري ق نف وذ ك ربن از س مت گرافي ت ه اي ك روي)، اف زايش مي يابد، از آنجايي كه سرعت نفوذ مجدد كـربن از آسـتنيت بـهسمت گرافيت هاي كروي تـا بع زمـان يـا سـرعت سـرد شـدن ازمنطقه آستنيت مي باشد [9 -10]، لذا با افزايش نرخ سرد شـدن و كاهش زمان 500/800T فرصت كافي براي نفوذ مجـدد كـربن ازآستنيت به سمت گرافيت هاي كروي وجـود نداشـته و مشـاهدهم يگ ردد ك ه ب ا اف زايش ن رخ س رد ش دن( ي ا ك اهش دم اي پيشگرم)، متوسط اندازه گرافيت هـاي كـروي كـاهش مـي يابـد .

الف ب
شكل (7): تصوير ميكروسكوپي نوري ( تصاوير بالا) و SEM( تصاوير پايين) منطقه HAZ نمونههاي مختلف در حالت بعد از حكاكي:
الف- بدون پيشگرم، ب- پيشگرم 400 درجه سانتي گراد

جـ دول (5) ارتبـ اط بـ ين دمـ اي پيشـ گرم را بـ ا ريزسـ اختارميكروسكوپي منطقـهHAZ ارايـه مـي دهـد . همـان گونـه كـه از جدول (5) مشخص است، بـا افـزايش دمـاي پيشـگرم( كـاهش نرخ سرد شدن و افزايش زمان 500/800T )، درصد فاز مارتنزيـتكاهش و درصد فاز فريت در ريز ساختار افزايش يافته است. بـهنحـوي ك ه ح داقل درص د فـاز فري ت (72 درص د) و ح داكثر درصد فاز مارتنزيت (28درصـد ) مربـوط بـه نمونـه جوشـكاري شده بدون پيشگرم و حـداكثر درصـد فـاز فريـت (94 درصـد )، مربوط به نمونه جوشكاري شـده در دمـاي پيشـگرم 600 درجـهسانتي گـراد مـي باشـد . از طرفـي علـت حضـور دو فـاز فريـت ومارتنزيت در كنار يكديگر ناشي از آستنيته شدن ناقص مي باشد [2 -6]، از آنجايي كه در اثـر گـرم شـدن (نسـبتاً سـريع ) منطقـه
HAZ، زم ان ك افي ب راي نف وذ ك ربن از س مت گرافي ت ه اي كروي به سمت فريت و تشكيل آستنيت (به طـور كامـل) مسـير نمي باشد [8 -9]، لذا فقط در اطراف گرافيت هاي كروي، فريت به آستنيت تبديل شده ( آسـتنيته نـاقص ) كـه در اثـر سـرد شـدنبعدي، آستنيت ها به فاز مارتنزيت تبديل ميشوند. از آنجايي كه با افزايش نرخ سرد شدن ( يا كـاهش دمـاي پيشـگرم)، فرصـ ت لازم براي استحاله هاي نفوذي كاهش مي يابد [16]. لذا مشـاهدهميشود كه با افزايش نرخ سرد شدن، درصـد فـاز مارتنزيـت در منطقه HAZ افزايش مي يابد. شـكل (7) تصـوير ميكروسـكوپيمنطقه HAZ نمونه هاي جوشكاري شده بدون پيشـگرم و دمـايپيشگرم 400 درجه سانتي گـراد را بـه صـورت مقايسـه اي نشـانمي دهد.
ش كل (8) نت ايج آزم ون س ختي و ان رژي ض ربه منطق ه HAZ نمونه هاي مختلف را نشان مي دهد.
شكل (8): نتايج آزمون سختي و انرژي ضربه منطقه HAZ نمونه هاي مختلف

همانگونه كه از شكل مشخص است با افـزايش دمـاي پيشـگرم سختي منطقه HAZ كاهش و انرژي ضـربه ايـن منطقـه افـزايش مي يابـد . علـت ايـن امـر ناشـي از تغييـرات سـاختاري در منطقـهHAZ مي باشد. بهطوركلي در چدنهاي نشكن با كاهش انـدازهگرافيتهـاي كـروي و افـزايش درصـد فـاز مارتنزيـت، سـختيافزايش و انرژي ضربه كاهش مي يابد [2و7و19]. از آنجايي كـهبا افزايش دماي پيشگرم ( و كاهش نـرخ سـرد شـدن و افـزايش زمان 500/800T)، اندازه گرافيت هاي كروي افزايش جزيي يافتـه و درصد فاز فريت نيز افزايش يافته، لذا سـختي و انـرژي ضـربهاين منطقه تحت تاثير اين تغييرات قرار گرفته است به نحوي كه بالاترين سختي (217 ويكرز) و كمترين انرژي ضربه (52 ژول) مربوط به نمونه جوشكاري شده بدون دماي پيشـگرم مـي باشـد،در مقابل كمترين سختي (154 ويكرز) و بالاترين انـرژي ضـربه (68 ژول) مربوط به نمونه جوشكاري شده با دماي پيشگرم 600 درجه سانتيگراد ميباشد.
بررسي شكل (8) همچنين مشخص مينمايدكه تغييرات سـختيو انرژي ضربه منطقه HAZدر دماهاي پيشگرم 400،500و 600 درجه سانتيگراد اختلاف زيادي با يكديگر ندارنـد . بـه عبـارتديگر اين نتايج مشخص ميكنند كه پيشگرم كردن بيش از 400 درجه سانتيگراد تاثير زيادي بر خواص مكانيكي منطقـه HAZ ندارد.
4- نتيجه گيري
در اي ن پ ژوهش اث ر دم اي پيش گرم جوش كاريGTAW ب ر جوش پذيري چدن نشكن فريتي مورد بررسي قرار گرفته شـد ونتايج زير حاصل گرديد:
زمان انجماد مذاب حوضچه جوش و درصد امتزاج فلز پايـه وابسته به دماي پيشگرم مـي باشـند و بـا افـزايش دمـاي پيشـگرم افزايش مي يابند.
تر كيب شيميايي فلز جـوش تـابع دمـاي پيشـگرم بـوده و بـاافزايش آن درصد وزني عناصر آهن، سيليسـيم ، منگنـز و كـربندر فلز جوش افزايش و درصد وزني عناصر نيكل و مس در فلـزجوش كاهش مي يابند.
بــا افــزايش دمــاي پيشــگرم جوشــكاري ( و تغييــر تركيــبشيميايي فلز جوش)، خواص مكانيكي فلز جوش تغيير مينمايـدبه نحوي كه با افزايش آن، استحكام كششي و سختي افزايش و درصد ازديـا د طـول نسـبي و انـرژي ضـربه فلـز جـوش كـاهشمي يابد.
سختي ناحيههايUMZ و PMZ تابع دماي پيشگرم بوده و بـاافزايش آن، سختي اين نواحي كاهش مييابد.
عرض منطقـهHAZ بـا افـزايش دمـاي پيشـگرم جوشـكاري افزايش مي يابد. همچنـين متوسـط انـدازه گرافيـت هـاي كـرويكاهش و درصد فاز فريت در ريز ساختار تغيير ميكند .
ب ا اف زايش دم اي پيش گرم، س ختي منطق ه HAZ ك اهش و انرژي ضربه افزايش مي يابد.
پيشگرم كردن در دماهـاي بـالاتر از 400 درجـه سـانتي گـراد تاثير زيادي بر خواص مكانيكي فلز جوش، سـختي ناحيـههـاي UMZ و PMZ و خواص مكـانيكي منطقـهHAZ چـدن نشـكنفريتي ندارد، لـذا مناسـبترين دمـاي پيشـگرم جوشـكاري چـدننشكن فريتي، 400 درجه سانتيگراد ميباشد.

تشكر و قدرداني
اين تحقيق با حمايت هاي مالي معاونـت پژوهشـي دانشـگاه آزاداسلامي واحد كرج در قالب طرح پژوهشي انجام شده است كـهاز مسئولين محترم تشكر و قدرداني مي شود.

مراجع
J. R.Davis ,”Cast Iron”, ASM, 1996.

ح. ثابت، م. تدين سعيدي ،»مباني متالورژي چدن نشكن« ،انتشارات دانشگاه آزاد اسلامي واحد آرج،۶١٣٨.

R.B. Gundlach, C.R.Loper. Jr, B. Morgan ,”Ductile Iron Hand book”, ASM, 1992.

G.N.J. Gilbert, “Engineering Data on Nodular Cast Iron”, BCIRA, 1986.

Q.I. Tee, “Ductile Iron Data for Design Engineers”, Feret Titane. Inc, 1990.

Metal’s Hand Book, “Welding and Brazing”, Vol.6, ASM, 1989.

ح. ثابت ،»جوشكاري چدنها«، انتشارات دانشگاه آزاد اسلامي واحد آرج،١٣٨٨.

E. M. El Banna, “Effect of Preheat on Welding of Ductile Cast Iron”, Materials Letters, Vol. 41, PP. 20-26, 1999.

E. M. El Banna, M. S. Nageda, M. M. Aboelsaadat, “Study of Restoration by Welding of Pearlitic Ductile Cast Iron”, Materials Letters, Vol.42, PP. 311-320, 2000.

S.D. Kaiser, P. E. Faws, M. Northey ,”Welding
Metallurgy of Cast Iron”, Cwj, Vol.3, PP.1-4, 2005.

ح. ثابت، ش. غفاري، الف. نوري دلاور، »مطالعه اثر نوع الكترود و متغيرهاي جوشكاري بر تغييرات ساختاري و سختي منطقه خط ذوب و مناطق مجاور جوش چدن نشكن GGG80« ،هشتمين آنفرانس ملي جوش و بازرسي، ص ١۵٣ تا ۶۴٣ ، ارديبهشت ۶١٣٨.

م. شمعانيان، م. عسكري، م. شايان، »بررسي ريزساختار و آناليز جوش پذيري چدن داآتيل جوشكاري شده به روش قوسي فلز پوشش دار«، نهمين آنفرانس ملي جوش و بازرسي،ص ۶٣٨ و ٣٩٣، آبان ١٣٨٧.

M. Pascual, J. Cembrero, F. Salas, M. Pascual Martinez ,” Analysis of the Weldability of Ductile Iron”, Materials Letters, Vol. 62, PP. 1359-1362, 2008.

M. Pascual, C. Ferrer, E. Rayon, “Weldability of Spheroidal Graphite Ductile Cast Iron using Ni/ Ni-Fe Electrodes “,Revista De Metalurgia, Vol.45, PP. 334- 338, 2009.

M. Ebrahimnia, F. Malek, Sh, Gholizades M. Salari ,”Effect of Cooling Rate and Powder
Characteristics on the Soundness of Heat Affected Zone in Powder Welding of Ductile Cast Iron”, Materials and Design, Vol. 33, PP.551-556, 2012.
.١٣٨٧ ،ح. ثابت، »تكنولوژي و متالورژي جوشكاري، نشر فني امير [١۶] [17] W. K. Collins, J.C. Watson, “Metallographic Etching for Cast Iron”, Materials Characterization, Vol.24, 4, PP.
379-386, 1995.

M. Bowen, “The Welding of Ductile Irons”, The British Foundryman, Vol.13, PP. 303-312, 1984.

A.R.I. Kheder, G.S. Marahleh , “Weldability of Spheroidal Graphite Cast Iron by Gas Tungsten Arc Welding”, Journal of Pure and Applied Sciences, Vol.4, PP. 49-67, 2007.

7-پي نوشت
Image Analysis
Scanning Electron Microscope
Unmixed Zone 4- Partial Melted Zone


S=

2
2πλρCP(Tm −T°) (1)
8- ضمائم زمان انجماد: سرعت سرد شدن:
R =2πλρCP⎛⎜⎜φ

d ⎞⎟⎟⎠(T − T° )2 (2)

:T800/500
100279224425

T800/500 = πλρ1Cp ⎛⎜⎝dφ⎞⎟⎠2⎡⎢⎣(500−1T°)2 −(800−1T°)2⎥⎦⎤(3)

100812693455

%D=WW12×100 (4)
كه در اين روابط:
S= زمان انجماد (sec)
1734312-91114

R= سرعت سرد شدن ⎠⎟⎞Cseco⎝⎜⎛
236067680731

500/800τ8 = T= زمـان عب ور از دم اي 800 تـا 500 درجـه
5
سانتي گراد (sec)
1712214-26288

L= گرماي نهان ذوب (Jmm)
1035558-25681

φ= حرارت ورودي (KJmm)
λ= ضريب هدايت حرارتي ⎠⎟⎞mm.sec.CJ

J

⎝⎜⎛
⎛⎜⎝grcm3⎞⎟⎠ چگالي =ρ
⎛⎞
968502-562409

Cp= گرماي ويژه ⎠⎟⎟Calgr.C⎝⎜⎜ Tm= دماي ذوب (Co)
°T= دماي پيشگرم (Co) d= ضخامت فلز پايه (mm)
1W= مس احت ناحي ه اي از فل زات پاي ـه ك ه ذوب ش ده ان د
(mm2)
2W= مساحت كل فلز جوش (2mm)
D= درصد امتزاج (رقت)



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید