جوشکاری قوسی تنگستن-گاز فعال فولاد زنگ نزن 316

welding_stainless steel_A_Tig

فولادهای زنگ نزن آستنیتی استفاده زیادی در کاربرد قطعات موتور هواپیما، مبدل های حرارتی، قطعات ساخت کوره و ... دارند. این فولادها شامل کروم و نیکل هستند. نیکل و کروم به پایداری آستنیت در محدوده دمایی گسترده و مقاومت به خوردگی زیاد کمک می کنند. فولاد زنگ نزن آستنیتی  316 جز فولادهای کم کربن است (%0/03) و از فولاد زنگ نزن 316 گرفته شده است که شامل %0/08 کربن است. عوامل کاهش مقدار کربن، کمتر کردن مسئله رسوب کاربیدهای خطرناک در حین جوشکاری است. جوشکاری قوسی تنگستن-گاز فعال (A-TIG ) می تواند نفوذ اتصال و نسبت عمق به عرض جوش را افزایش دهد. از این رو، اعوجاج زاویه ای قطعه جوشکاری شده کاهش می یابد. این بخش در مورد جوشکاری A-TIG و مزایای آن است.


مقدمه
جوشکاری قوسی تنگستن-گاز خنثی ( Tungsten Inert Gas)به جوشکاری قوسی تنگستن-گاز نیز نامیده می شود. در این فرایند که حرارت از طریق قوس بین الکترود تنگستن و قطعه کار تولید یم شود. برای جلوگیری از آلودگی اتمسفری حوضچه جوش مذاب، از یک گاز محافظ (آرگون یا هلیوم) استفاده می شود. آرگون بیشتر از هلیوم کاربرد دارد، زیرا گاز سنگین تری است و حفاظت بیشتری در جریان کمتر ایجاد می کند. گاز محافظ هوای اطراف قوس را جابجا می کند. این مانع از آلودگی فلز جوش با اکسیژن و نیتروژن هوا می شود. این فرایند ممکن است با یا بدون فلز پرکننده انجام شود. در صورت استفاده از فلز پرکننده، ماده مصرفی به صورت سیم یا لوله به داخل حوضچه جوش وارد می شود. قوس توانایی ذوب همزمان فلز پرکننده و فلز پایه را دارد.
فرایند جوشکاری گاز خنثی-تنسگتن یکی از فرایندهای پرمصرف در صنایع تولیدی مختلف است که به دلیل سطح مهره جوش خوب و کیفیت بالای فلز جوش بدون هر گونه آسیب جوشکاری است. به هر حال، در مقایسه با سایر فرایندهای قوسی مثل جوشکاری قوسی فلز-گاز، جوشکاری قوسی پلاسما یا جوشکاری قوسی زیرپودری، نفوذ کمتر فرایند TIG موجب محدود شدن توانایی آن در ساختارهای ضخیم با یک پاس می شود، از یان رو بازده کاهش می یابد (شکل  1 و  2-الف). از این رو، برای افزایش بازده جوشکاری TIG نیاز به کنترل شکل حوضچه جوش با نفوذ عمیق است و یک نگرانی برای زمان های طولانی است. عیب اصلی TIG نفوذ کم در تک پاس ، تلورانس ضعیف در برابر ترکیب شیمیایی برخی مواد و بازده کم است. برای بهبود نفوذ جوشکاری TIG ، بررسی های انجام شده است. بنابراین، معایب با بررسی آزمایشگاهی صورت گرفته نشان داد که عمق جوش با شیب دمایی کشش سطحی بر حوضچه جوش در ارتباط است. حضور مقداری اجزا فعال سطحی که موجب افزایش کشش سطحی مذاب با دما می شوند منجر به جریان های حرارتی-موئینگی عمیق در حوضچه جوش می شود که منجر به افزایش نفوذ است. فرایند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز فعال (Activated Tungsten Inert Gas( (A-TIG) می تواند در یک پاس نفوذ کامل در فولادهای زنگ نزن تا عمق mm10 بدون استفاده از آماده سازی لبه های قطعه کار و اضافه کردن سیم جوش را فراهم کند. بررسی قطعه جوشکاری شده بسیار ضروری است. در سال های اخیر تلاش های زیادی برای ابداع یک فرایند جوشکاری جدید و متنوع انجام شده است. جوشکاری A-TIG ابتدا توسط موسسه جوشکاری پاتون  ابداع شده است. در مقایسه با جوشکاری TIG معمولی، در فرایند A-TIG یک پوشش بسیار نازک از فلاکس فعال بر سطح ماده قبل از جوشکاری اعمال می شود (شکل  2-ب) که می تواند عمق نفوذ تحت شرایط جوشکاری یکسان را افزایش دهد. جوشکاری A-TIG موجب افزایش بازده جوشکاری، کاهش هزینه-های جوشکاری و همچنین کاهش اعوجاج می شود.

A-TIG_!

شکل  1: طرحی از فرایند جوشکاری قوسی تنگستن-گاز متداول

در حین فرایند A-TIG فلاکس فعال موجب تغییر جابجایی مارانگونی در حوضچه جوش از گریز از مرکز به مایل به مرکز می  شود (شکل   3). این نشان می  دهد که شیب سطحی موجب جابجایی مارانگونی مرکزی در حوضچه جوش مذاب می  شود. در A-TIG ضریب دمایی تنش سطحی بر حوضچه مذاب از مقدار منفی به مثبت تغییر می  کند. از این رو، تنش سطحی در مرکز حوضچه جوش بیشتر از لبه  های حوضچه جوش است. در این شرایط، جریان مذاب سطحی به راحتی از لبه  ها به مرکز و سپس به سمت پایین تغییر می  کند. همچنین کاهش در اعوجاج زاویه  ای با استفاده از پارامترهای جوش حاصل می  شود. در مورد جوشکاری TIG متداول، اعوجاج زاویه  ای به طور پیوسته با افزایش جریان زیاد می  شود. کاملا روشن است که برای هد مقدار جریان، حداکثر اعوجاج در A-TIG نسبتا کمتر از جوشکاری TIG است. از این رو، در فرایند A-TIG اعوجاج مشکلی ایجاد نمی  کند.

A-TIG_2

شکل   2: طرحی از: الف)جوشکاری قوسی تنگستن-گاز متداول و ب)جوشکاری قوسی تنگستن-گاز فعال.

جوشکاری A-TIG برای افزایش نفوذ جوش استفاده می شود. در A-TIG فلاکس با حل شونده مخلوط می شود و بر زیرلایه قبل از جوشکاری اعمال می شود. این فلاکس موجب محدودیت قوس جوشکاری و افزایش نفوذ در مقایسه با فرایند TIG متداول می شود. فلاکس های متنوعی مثل MnO2، TiO2، MoO3، SiO2 و Al2O3 برای A-TIG استفاده می شود که بسته به مواد جوشکاری دارد. پودر فلاکس با متانول یا اتانول مخلوط می شود تا توانایی پخش شدن خوبی داشته باشد. سطح تمیز و صاف با استفاده از فلاکس های پایه اکسیدی حاصل می شود. عمق نفوذ و عرض مهره جوش با مقادیر مختلف جریان زیاد می شود.

A-TIG_3

شکل  2: طرحی از جابجایی مارانگونی.


نکات فرایند A-TIG
فرایند جوشکاری A-TIG باعث افزایش قابل توجه نفوذ در فولادهای زنگ نزن آستنیتی و غلبه بر تغییرات نفوذ به دلیل اختلاف در ترکیب شیمیایی و ضرایب حرارتی مواد می شود. این باعث کاهش حرارت ورودی و اعوجاج، کاهش هزینه، بهبود بازده و به طور کلی کیفیت خوب اتصال می شود. استفاده از فلاکس های فعال برای بهبود خواص مکانیکی جوش در مقایسه با جوش TIG متداول پیشنهاد می شود.


مکانیزم A-TIG
دو مکانیزک نقش مهمی در فعال سازی اثر فلاکس دارند.
اثر مارانگونی: این بر جابجایی همرفتی به دلیل شیب کشش سطحی بر سطح حوضچه جوش تاثیر می گذارد. در حین جوشکاری TIG ، شیب کشش سطحی منفی است و جابجایی همرفتی گریز از مرکز است و باعث نفوذ کم می شود. اضافه کردن فلاکس های فعال موجب معکوس شدن جریان همرفتی و تغییر کشش سطحی می  شود که نتیجه آن جابجایی حرکت مذاب به مرکز است. از این رو، عمق نفوذ زیاد می شود.

اثر محدود کردن قوس
الف)فلاکس به عنوان یک لایه عایق عمل می کند که چگالی جریان در قطر خارجی ستون قوس کم می شود و چگالی جریان در مرکز زیاد می شود که نتیجه آن افزایش نیروی مغناطیسی است که باعث اثر رو به پایین جریان همرفتی در مرکز جوش است و نفوذ جوش زیاد می شود.
ب)پودر فلاکس (اکسید تیتانیوم) همچنین باعث تشکیل یک نقطه آندی بر سطح اتصال می شود که الکترون ها از کاتد (الکترود تنگستن) را جذب می کنند و موجب نفوذ عمیق تر می شود.
ج)تشکیل یون منفی در لبه قوس موجب افزایش چگالی جریان در مرکز آند و افزایش عمق نفوذ جوش می گردد.
این نرخ تولید را 3 برابر در مقایسه با فرایند TIG متداول افزایش می دهد و کیفیت و ظاهر جوش بهبود می یابد.


مرور مطالعاتی
Heiple و همکاران (1992) نشان دادند که عناصر فعال سطحی در حوضچه جوش مذاب موجب تغییر ضریب دمایی تنش سطحی از منفی به مثبت می شوند، از این رو، جهت جابجایی مارانگونی از بالا به پایین عوض شده است. هنگامی که جهت جریان در حوضچه مذاب به سمت داخل شود، نفوذ اتصال زیاد می شود[1].
Howse و همکاران (2000) نفوذ بیشتر جوشکاری A-TIG در برابر TIG متداول را بررسی کردند. اطلاعات بر این فرایندها برای تعیین بهبود توانایی نفوذ TIG تابع فلاکس فعال است. با توجه به این که فولادها زنگ نزن آستنیتی دارای ضریب حرارتی بالاتر و هدایت حرارتی کمتر نسبت به فولادهای آلیاژی و کربنی هستند، این موجب انقباض شدید و اعوجاج بعد از فرایند جوشکاری می شود. تعیین اثر فلاکس فعال بر اعوجاج جوش اصولا موجب بهبود عملکرد جوشکاری فولادهای زنگ نزن می شود. این مطالعه از 5 نوع فلاکس اکسیدی مختلف برای بررسی تاثیر فلاکس بر مورفولوژی و اعوجاج فولاد زنگ نزن 316 استفاده شده است. در کنار بررسی ریزساختاری و خواص مکانیکی، این مطالعه مکانیزم های تئوری و عملی افزایش توانایی نفوذ A-TIG را نیز مورد مطالعه قرار داده است[2].
Paulo و همکاران (2000) بیان کردند که بدون فلاکس فعال عمق جوش حاصل بسیار کم است و عرض مهره جوش زیاد است. بهترین نتایج در استفاده از SiO2 حاصل شده و بیشترین نفوذ به دست آمده است. اکسید آلومینیوم و CaO مناسب نمی باشند، زیرا آن ها نتایج نزدیک یا مشابه با جوشکاری TIG متداول حاصل می کنند.
Tseng و همکاران (2001) گزارش کردند که فولاد زنگ نزن آستنیتی انبساط حرارتی بیشتری نسبت به سایر فولادهای زنگ نزن دارد و هدایت حرارتی آن کمتر از فولادهای کربنی است. این خصوصیات باعث یک سری تنش های حرارتی در کاربردهای با نوسانات دمایی، عملیات حرارتی ساختارهای پیچیده در حین جوشکاری می-شود. در حین جوشکاری، حرارت قوس یک صفحه اتصال به صورت موضعی است و توزیع دمایی در قطعه جوشکاری شده غیریکنواخت است. چرخه های حرارت دادن و سرد کردن باعث کرنش های حرارتی غیریکنواخت در هر دو فلز جوش و فلز پایه مجاور ایجاد می کند. کرنش های حرارتی ایجاد شده در حین حرارت دادن موجب تغییرشکل پلاستیک می شود. این تنش های حرارتی با هم ترکیب می شوند و باعث نیروهای داخلی می شود که نتیجه آن انقباض و اعوجاج است[4].
Huang (2009) بررسی کرده است که یکی از مهمترین روش های قابل توجه برای غلبه بر مشکلات جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی مخصوصا 316 استفاده از فرایند جوشکاری A-TIG است. در این فرایند که از یک لایه نازک از فلاکس فعال بر سطح اتصال استفاده می شود موجب کاهش انرژی حرارتی مورد نیاز برای افزایش نفوذ می  شود[5].
Kuang-Hung و همکاران (2011) بر عملکرد فرایند A-TIG در فولادهای زنگ نزن آستنیتی مطالعه کرده اند. برای حصول جوش های با یفیت بالا و قوس جوش پایدار، فرایند A-TIG نیاز به الکترودهای با قطر بزرگ تر است تا میزان مناسبی از جریان جوش را تحمل کنند. فرایند جوشکاری TIG با فلاکس MoO3 موجب افزایش عمق نفوذ جوش و کاهش در عرض مهره جوش می شود. فلاکس  می تواند به راحتی موجب نفوذ تا ریشه جوش شود، اما فلاکس Al2O3 موجب تخریب در نفوذ در مقایسه با TIG متداول می شود. جوشکاری A-TIG می تواند نفوذ اتصال را افزایش دهد و نسبت عمق به عرض را زیاد کند و اعوجاج زاویه ای قطعه جوشکاری شده را به طور قابل توجهی کاهش دهد. به دلیل این که A-TIG می تواند ولتاژ قوس را افزایش دهد، میزان حرارت ورودی بر واحد طول در جوش نیز زیاد می شود و مقدار فریت دلتا در قطعه جوشکاری شده زیاد خواهد شد. اضافه کردن فلاکس اکسیدی تاثیری بر سختی فولاد زنگ نزن 316 جوشکاری شده با فرایند A-TIG ندارد[6].
Kuang-Hung (2011) بیان کردند که از جوشکاری A-TIG با فلاکس MoO3 می توان برای بهبود چگالی جریان منبع حرارتی و نسبت ابعادی جوش استفاده کرد که باعث کاهش اعوجاج زاویه ای و میزان تنش های پسماند می شود. فلاکس MoO3 همراه با نرخ سرد کردن بالای جوش، مقدار فریت در جوش را افزایش می-دهد[7].
Cheng Hsein Kuo (2011) دریافت که ظاهر سطحی جوش های A-TIG مقداری سرباره دارد. جوشکاری A-TIG با SiO2 می تواند نفوذ را افزایش و نسبت عمق به نفوذ را زیاد کند و از این رو اعوجاج زاویه ای اتصال غیرمشابه را کاهش دهد. نبابراین، حساسیت به عیوب قطعات جوشکاری شده کم می شود[8].
Chih-YuHsu و همکاران (2011) گزارش کرد که جوشکاری A-TIG برای افزایش عمق نفوذ استفاده می شود. در فرایند A-TIG یک خمیر از فلاکس قبل از جوشکاری بر سطح قطعات جوشکاری شده اعمال می شود. این فلاکس قوس جوشکاری را محدد می کند و موجب افزایش نفوذ در مقایسه با فرایند جوشکاری TIG معمول می شود. فلاکس های مختلفی مثل MnO2 ، TiO2 ،   و SiO2 برای جوشکاری A-TIG استفاده می شود. در A-TIG ، ضریب دمایی تنش سطحی حوضچه مذاب از منفی به مقدار مثبت تغییر می کند. از این رو، تنش سطحی در مرکز حوضچه جوش بیشتر از لبه های حوضچه است. این نشان می دهد که شیب سطحی باعث جابجایی مارانگونی در حوضچه مذاب می شود. در این شرایط، جریان سیال حوضچه مذاب از سطح به مرکز می-شود[9].
Ahmadi و همکاران (2012) آزمایشاتی برای بررسی تاثیر فلاکس فعال بر اتصال فولاد زنگ نزن آستنیتی 316 و مشخصه یابی آن با استفاده از روش تاگوچی انجام دادند. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که عمق نفوذ جوش به دلیل افزایش در جریان و کاهش در سرعت جوشکاری زیاد می شود. فلاکس های فعال نه تنها موجب افزایش عمق نفوذ جوش، بلکه موجب کاهش عرض جوش می شوند که در اعوجاج جوش بسیار مهم هستند. فلاکس های فعال باعث بهبود خواص مکانیکی از طریق کاهش اندازه دانه منطقه متاثر از حرارت می شوند[10].
Kuang-Hung (2012) بیان کردند که A-TIG با Cr2O3 می تواند نسبت عمث به عرض جوش را افزایش دهد، زیرا جوشکاری A-TIG می تواند حرارت ورودی بر واحد جوش را کاهش دهد و تنش های پسماند قطعه جوشکاری را کاهش دهد. جوشکاری A-TIG موجب افزایش مقدار فریت باقی مانده در جوش فولاد 316 می-شود که به تنبع آن حساسیت به ترک خوردن کم می شود[11].
Cheng Hsein Kuo و همکاران (2012) عملکرد جوش های A-TIG غیرمشابه را بررسی کردند. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که SiO2، Cr2O3 و Fe2O3 موجب افزایش نفوذ در 316 و فولاد ساده کربنی 3131JISG می شود. فلاکس CaO فقط موجب افزایش نفوذ در فولاد متوسط کربن می شود. با معکوس شدن جابجایی مارانگونی عمق نفوذ در فرایند A-TIG زیاد می شود. از این رو، جوشکاری TIG با فلاکس SiO2 می تواند به طور قابل توجهی اعوجاج زاویه ای را کاهش و استحکام قطعات جوشکاری غیرمشابه را افزایش دهد[12].
Kuang-Hung (2013) دریافتند که در جوشکاری A-TIG ، فلاکس با یک حلال مخلوط می شود. فلاکس های پایه اکسیدی با متانول و اتانول مخلوط می شوند که بهترین پخش شدن را بر سطح قطعه داشته باشند. سطح صاف و تمیز از طریق فلاکس های اکسیدی حاصل می شود. عمق نفوذ و عرض مهره جوش زیاد می شود. علاوه بر این، اعوجاج زاویه ای کم می شود[13].
Sambherao و همکاران (2013) استفاده زا فلاکس فعال برای افزایش نفوذ در فولاد زنگ نزن آستنیت با فرایند A-TIG را بررسی کرده اند. افزایش قابل توجه در عمق نفوذ (حدود %300) در جوش های با TiO2 حاصل شده است. این اثر اصولا به دلیل محدود شدن قوس توسط فلاکس و افزایش در نیروی قوس است. علاوه بر این، جابجایی مارانگونی نیز معکوس شده است. Al2O3 فقط به مقدار کمی عمق نفوذ را افزایش می دهد، از این رو، هنگامی که از فلاکس Al2O3 استفاده می شود، جریان سیال در جهت خارجی است. هنگامی که Fe2O3 با TiO2 مخلوط می شود، مقدار اکسیژن در حوضچه جوش افزایش می یابد که به دلیل ناپایداری Fe2O3 است و نتیجه آن جابجایی مارانگونی بسیار زیاد می شود که باعث افزایش قابل توجه عمق نفوذ می شود[14].
Nilesh Ghetiya و همکاران (2014) یک مدل ریاضی برای پیش بینی نفوذ جوش و مهره جوش در جوشکاری A-TIG فولادهای ساده کربنی ارائه کرده اند. روابط پیشنهاد شده می تواند برای پیش بینی عمق نفوذ و عرض مهره جوش استفاده شود. در فرایند A-TIG ضریب دمایی تنش سطحی بر حوضچه مذاب از منفی به مثبت تغییر می-کند. از این رو، تنش سطحی در مرکز بیشتر از لبه ها است که موجب نفوذ زیاد درقطعه جوشکاری شده می شود[15].


مراجع

1. Heiple C.R and Roper J.R , “Mechanism for minor element effect on GTA fusion zone geometry,” Welding Journal, vol.61 (4), pp.97–102,1982.
2. Howse D.S and Lucas W,“Investigation into arc constriction by active fluxes for tungsten inert gas welding,” Science and Technology of Welding and Joining, vol.5 (3), pp.189–193, 2000.
3. Paulo J Modenesi, Eustaquio R. Apolinario and Iaci M. Pereira, “TIG welding with singlecomponent fluxes,” Journal of Materials Processing Technology, vol.99 (1–3) pp. 260– 266, 2000.
4. Tseng K.H and Chou C.P, “Effect of pulsed gas tungsten arc welding on angular distortion in austenitic stainless steel weldments,” Science and Technology of Welding and Joining, vol. 6 (3), pp.149–153, 2001.
5. Huang H.Y, “Effects of shielding gas composition and activating flux on GTAW Weldments,” Material and Design, vol.30 (7), pp. 2404–2409, 2009.
6. Kuang-Hung Tseng and Chih-Yu Hsu, “Performance of activated TIG process in austenitic stainless steel welds”, Journal of Materials Processing Technology, vol. 211, 503–512, 2011.
7. Kuang Hung Tseng and Ko Jui Chuang,” Study of Type 316L Stainless Steel TIG Welding with MoO3 Powder,” Advanced Materials Research,vol. 291-294, pp. 901-904, 2011.
8. Cheng Hsien Kuo, Kuang Hung Tseng and Chang Pin Chou, “Effect of Activated TIG Flux on Performance of Dissimilar Welds between Mild Steel and Stainless Steel,” Key Engineering Materials, Vol.479, 2011, pp.74-80
9. Chih-Yu Hsu, Kuang-Hung and Tseng,” Performance of activated TIG process in austenitic stainless steel weld,” Journal of Materials Processing Technology, vol.211, pp.503–512, 2011.
10. Ahmadi.E and Ebrahimi A.R, “The effect of activating fluxes on 316L stainless steel weld joint characteristic in TIG welding using the Taguchi method”, Journal of Advanced Materials and Processing, vol.1, pp.55-62, 2012.
11. Kuang Hung Tseng, Yung Chang Chen and Kuan Lung Chen ,” Cr2O3 Flux Assisted TIG Welding of Type 316L Stainless Steel Plates,” Applied Mechanics and Materials vol.121-126, pp.2592-2596, 2012.
12. Hsien Kuo Cheng, Long Tsai Yao and Pin Chou Chang “A Study of the Performance of Dissimilar A-TIG Welds,” Advanced Materials Research, vol.530, pp.74-79, 2012.
13. Kuang-Hung Tseng “Development and application of oxide-based flux powder for tungsten inert gas Welding of austenitic stainless steels”, Powder Technology,vol.233, pp.72–79, 2013.
14. Sambherao A.B, “Use of Activated Flux For Increasing Penetration In Austenitic Stainless Steel While Performing GTAW” International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, vol. 3, Issue 12,2013, 520-524.
15. Nilesh Ghetiya and Dipali Pandya, “ Mathematical Modeling for the Bead Width and Penetration in Activated TIG Welding Process”, International Conference on Multidisciplinary Research & Practice vol.1, pp.247-252, 2014