چدن
چدن یکی از اقسام فلزی است که در صنعت کاربرد دارد. همیشه به شکل ریختهگری شده مورد استفاده قرار میگیرد. از آنجایی که چدن شکننده است نمیتوان آن را نورد یا آهنگری نمود. بطور کلی چهار نوع چدن وجود دارد.
- چدن خاکستری
- چدن سفید
- چدن چکشخوار
- چدن با گرافیت کروی
جوش پذیری چدنها
در مقایسه با فولاد کربنی، چدنها دارای قابلیت کم و محدود جوش پذیری هستند. در میان چهار نوع چدن فوق الذکر، چدن با گرافیت کروی بهترین جوش پذیری را داراست و بعد از آن چدن چکش خوار قرار دارد. جوشکاری چدن خاکستری به مهارت و توجه ویژه نیاز دارد و چدن سفید را به دشواری بسیار زیاد میتوان جوشکاری نمود. با این ملاحظات، دامنه جوشکاری چدنها بسیار محدود میشود. صرفاً به تعمیر و اصلاح قطعات ریخته شده و بازسازی قطعات فرسوده و شکسته شده در کار منحصر میشود.
دلایل جوش پذیری محدود چدنها
- به علت زیادی کربن در فلز مبنا، سیکل جوشکاری باعث ایجاد کاربیدهایی در فصل مشترک فلز جوش میشود. همچنین منجر به تشکیل فاز مارتنزیت پر کربن در بقیه منطقه حرارت پذیرفته فلز مبنا میشود. هر دوی این ریز ساختارها شکننده بوده و باعث ایجاد ترک در حین جوشکاری یا بعد از آن میشود. این مطلب در مورد تمامی انواع چدنها مصداق دارد.
- بعلت ضعف چقرمگی، چدن قابلیت تغییر شکل پلاستیکی را ندارد. از این رو نمیتواند تنشهای حرارتی ایجاد شده جوشکاری را تحمل نماید. هر چه نرمی (Ductility) چدن بهبود یافته باشد احتمال ترک خوردن آن کاهش مییابد. لذا چدن چکش خوار و چدن با گرافیت کروی کمتر از چدن خاکستری ترک خواهند خورد. برای اجتناب از تمایل منطقه حرارت پذیرفته به ترک خوردن، لازم است که قطعه چدنی را در موقع جوشکاری با قوس الکتریکی، با انرژی حرارتی کم، جوشکاری نمود. زیرا این روش باعث کاهش پهنای منطقه سخت و شکننده کنار فلز جوش میشود. برای غلبه بر سختی و تردی منطقه حرارت پذیرفته، اعمال تدابیری نظیر پیش گرمایش و خنک کردن تدریجی قطعه جوشکاری شده ضرورت دارد.
در مورد جوشکاری چدن با قوس الکتریکی دامنه درجه حرارت پیش گرم از درجه حرارت محیط کارگاه تا ۳۱۱ درجه سانتی گراد توصیه میشود. این حرارت برای جوشکاری با استیلن در محدوده ۱۱۱-۶۱۱ درجه سانتی گراد قرار دارد. چدن خاکستری به حرارت پیش گرم بیشتری و چدن با گرافیت کروی و چدن چکش خوار به درجه حرارت پیشگرم کمتری نیاز دارند.
درجه حرارت پیش گرم و محدوده آن، به نوع چدن، اندازه قطعه، روش جوشکاری، نوع الکترود و مقدار فلز جوشی که باید رسوب داده شود بستگی پیدا میکند. در مورد قطعات حساس ریختگری چدنی، درست پس از خاتمه جوشکاری عملیات تنش زدایی از طریق حرارت دهی قطعه تا حدود ۶۱۱ درجه سانتیگراد و نگهداری در این حرارت به مدت کافی صورت میپذیرد.
ضرورتهای عملیات جوشکاری چدن
- بر طرف کردن بعضی از عیوب ریختهگری که در حین تراشکاری قطعات چدنی ظاهر میشوند نظیر ترکهای موضعی، حفرهای گازی، حفرههای ناشی از ریزش ماسه و یا حبس سرباره و … .
- تعمیر کردن قطعات چدنی که در ضمن کار شکسته شدهاند و از نظر اقتصادی یا عدم دسترسی به تکنولوژی ساخت آنها بهتر است از طریق جوشکاری تعمیر شوند.
- اتصال دو یا چند قطعه که ریختن انها به صورت واحد همراه مشکلاتی بوده و یا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
مشخصات جوشهای انجام شده در چدن
- در جوشهای تحت تنش، باید موضع جوش داده شده دارای حداقل خواص مکانیکی مورد نظر بوده یا با بقیه قطعه برابری کند.
- جوشهایی که تحت تنش قرار نمیگیرند و خواص مکانیکی آنها قابل مقایسه با قطعهی مورد نظر نیاز نیست، غالباً قابلیت ماشین کاری دارد.
- مقاومت سطحی در مقابل خوردگی، سائیدن، خراش و اصطکاک در موضعی که فلز جوش، رسوب داده شده، درخواست میشود. در این موارد از فلز پرکننده خاصی، با ترکیب شیمیایی ویژه استفاده میشود. بیشتر در مواضع سائیده شده قطعات چدنی مستهلک یا بالا بردن کارآیی قطعات چدنی نو کاربرد دارد.
روشهای جوشکاری چدن خاکستری
قطعات چدن خاکستری را میتوان با روشهای قوس الکتریکی، الکترود محفوظ در گاز خنثی، شعله گاز اکسی استیلن و لحیم سخت به یکدیگر متصل نمود.
قوس الکتریکی (الکترود دستی)
اگرچه روشهای الکترود کربنی و فلزی، نیز قابل استفاده است ولی بیشتر از الکترودهای روپوش دار فلزی استفاده میشود. از الکترود با فولاد معمولی یا چدن نیز کمتر استفاده میشود.
معمولاً الکترود فلزی برای جوشکاری چدن، نیکل یا آلیاژهای آن با آهن و مس انتخاب میشوند. در بعضی مواقع بر روی دو قطعه که قرار است به همدیگر متصل شوند ابتدا چندین لایه جوش، رسوب داده و سنگ میزنند و سپس آنها را در کنار یکدیگر قرار میدهند و با چندین پاس جوش میدهند. این عمل را لایه دادن (buttering) میگویند. در اتصال فلزات غیر هم جنس نظیر اتصال فولاد به چدن نیز این تکنیک استفاده میشود.
تکنیکهای جوشکاری قطعات چدنی با قوس الکتریکی
جوش سرد
در تکنیک جوش سرد، جهت جلوگیری از ایجاد منطقه ترد و شکننده در مجاورت جوش سعی میکنند تا از بالا رفتن درجه حرارت قطعه جلوگیری کنند و از الکترودهای کوچک استفاده میکنند.
جوش گرم
در جوشکاری گرم با پیشگرم کردن قطعه تا ۲۱۱ درجه سانتیگراد یا بیشتر و کنترل سرعت سرد شدن پس از عملیات جوشکاری، از به وجود آمدن فازهای ترد و تنشهای زیاد در جوش و اطراف آن جلوگیری میشود.
جوشکاری چدن با شعله اکسی استیلن یا جوش کاربید
جوشکاری قطعات چدنی با شعله اکسی استیلن بسیار متداول است و بطور وسیعی انجام میگیرد. قطعات کوچک تا ۱۱ کیلوگرم را میتوان ابتدا با شعله پیش گرم کرد (۶۱۱ تا ۶۱۱ درجه سانتیگراد). ولی قطعات بزرگ را ابتدا در کوره پیش گرم میکنند سپس عملیات جوشکاری را انجام میدهند.
یکی از محدودیتهای این فرآیند، عدم تمرکز حرارت در مسیر اتصال در مقایسه با روش قوس الکتریکی است. گاهی مشکل پیچیدگی و تغییرات اندازهها سبب میشود حرارت زیادی تلف شود. از طرفی سرعت سرد شدن فلز جوش کندتر از روش قوس الکتریکی است و احتمال سخت شدن مناطق اطراف جوش کمتر است.
در این فرایند میتوان از مفتول چدنی مرغوب با حداقل گوگرد و فسفر یا مفتول مخصوص چدنی همراه با مقداری تیتانیم و سیلیسیم اضافی و احتمالاً منیزیم استفاده کرد. جهت محافظت از اکسیداسیون عناصر در جوش بهتر است از فالکسهای مخصوص چدن استفاده شود. شعله مشعل برای جوشکاری چدن باید خنثی یا کمی احیایی باشد.
الکترودهای جوشکاری چدن
در جوشکاری چدن چندین نوع الکترود برای این منظور وجود دارد. این الکترودها دارای مفتولهایی از جنس فولاد نرم یا نیکل خالص یا مونل یا فرو نیکل، یا قلع برنز یا آلومینیوم برنز با روکشهای خاص خود هستند.
الکترود با مفتول فولاد نرم دارای روکش از نوع قلیائی کم هیدروژن است. در موقع جوشکاری چدن با این نوع الکترود، فلز جوش به علت جذب کربن از فلز مبنای چدنی سخت میشود و قابلیت ماشین کاری خود را از دست میدهد. ممکن است تحت تنش، تمایل به ترکیدن داشته باشد. به منظور اجتناب از ترک خوردن لازم است که جوشکاری با انرژی حرارتی کمی صورت گیرد تا از رقیق شدن فلز جوش با فلز مبنا کاسته شود. در مورد الکترودهای ویژه جوشکاری چدن که با مفتول نیکلی یا آلیاژهای نیکلی ساخته میشود، فلز جوش حاصل از این نوع از الکترودها قابلیت جذب کربن را تا ورای حد حلالیت دارا هستند.
در حین انجماد، فلز جوش، کربن اضافی را بصورت گرافیت پس میزند و بدین طریق افزایش حجمی ایجاد شده باعث کاهش تنشهای باقیمانده در فلز جوش و منطقه حرارت پذیرفته HAZ میشود. فلز جوش الکترود با مفتول نیکل، نرمتر از فلز جوش الکترود با مفتول فرو نیکل است، ولی فلز جوش الکترود با مفتول نیکل مستحکمتر بوده و خاصیت ازدیاد طول بیشتر دارد. این نوع الکترود تحمل بیشتری نسبت به فسفر اضافی موجود در چدن را داراست و نسبت به گرم ترکیدن مقاومتر است. برای ایجاد جوش اتصالی ما بین چدن با فولاد نرم یا با فولاد ضد زنگ یا با آلیاژهای نیکلی، الکترود با مفتول فرونیکل را باید توصیه کرد.
