سه منطقه اصلی جوش چیست؟

جوشکاری یکی از مهم‌ترین فرآیندهای اتصال فلزات در صنایع مختلف است. در این فرآیند، تغییرات متالورژیکی پیچیده‌ای شامل ذوب، انجماد، انتقال حرارت، واکنش‌های گاز و فلز و تشکیل سرباره رخ می‌دهد. نتیجه این تغییرات، ایجاد یک اتصال جوشی است که از سه ناحیه اصلی تشکیل می‌شود:

1. فلز جوش (Weld Metal)
2. منطقه متاثر از حرارت (Heat Affected Zone یا HAZ)
3. فلز پایه (Base Metal)

1. فلز جوش (Weld Metal)

فلز جوش بخشی از اتصال است که در حین جوشکاری ذوب شده و پس از انجماد، ساختار نهایی جوش را تشکیل می‌دهد. این ناحیه معمولاً از ترکیب فلز پایه ذوب شده و فلز پرکننده یا فیلر جوشکاری به وجود می‌آید.

در برخی فرآیندها مانند جوشکاری GTAW یا جوشکاری پرتو الکترونی، ممکن است بدون استفاده از فلز پرکننده عملیات جوشکاری انجام شود که به آن جوش خودزا (Autogenous Weld) گفته می‌شود.

اهمیت انتخاب فلز پرکننده

در بسیاری از کاربردها، ترکیب شیمیایی الکترود یا فیلر جوشکاری به گونه‌ای انتخاب می‌شود که خواص مکانیکی فلز جوش تا حد امکان با فلز پایه مطابقت داشته باشد. با این حال، در برخی موارد ترکیب فلز پرکننده عمداً تغییر داده می‌شود تا ویژگی‌هایی مانند:

• استحکام بالاتر
• مقاومت بیشتر در برابر خوردگی
• چقرمگی بهتر
• مقاومت به سایش

در اتصال جوش ایجاد شود.

ساختار دندریتی در فلز جوش

هنگام انجماد حوضچه مذاب، دانه‌های فلزی از مرز فلز پایه شروع به رشد می‌کنند. این رشد معمولاً به شکل سلولی یا دندریتی انجام می‌شود که باعث ایجاد ساختاری متفاوت از فلز پایه خواهد شد.

ویژگی‌های اصلی فلز جوش عبارت‌اند از:

• ساختار دانه‌ای ستونی
• ریزساختار دندریتی
• جدایش عناصر آلیاژی
• خواص مکانیکی وابسته به نرخ سرد شدن

به همین دلیل کیفیت فلز جوش تا حد زیادی به نوع الکترود، سیم جوش یا فیلر مصرفی وابسته است.

واکنش‌های گاز و فلز در حوضچه مذاب

در زمان جوشکاری، عناصر گازی مانند:

• هیدروژن
• اکسیژن
• نیتروژن

می‌توانند وارد فلز مذاب شوند و بر کیفیت جوش تأثیر بگذارند.

وجود هیدروژن بیش از حد یکی از مهم‌ترین عوامل ایجاد ترک سرد یا ترک تأخیری در فولادها است. به همین دلیل استفاده از الکترودهای کم هیدروژن و رعایت دمای پیشگرم در بسیاری از پروژه‌های صنعتی ضروری است.

نقش سرباره در تمیز شدن فلز جوش

در فرآیندهایی مانند:

• SMAW (جوشکاری با الکترود دستی)
• SAW (جوشکاری زیرپودری)

سرباره تشکیل شده روی حوضچه مذاب باعث جذب ناخالصی‌ها و محصولات اکسیداسیون می‌شود و کیفیت فلز جوش را بهبود می‌بخشد.

شکل 1- شماتیک نوزیع محلول برای رشد سلولی

2. منطقه متاثر از حرارت (HAZ)

منطقه متاثر از حرارت یا HAZ بخشی از فلز پایه است که ذوب نشده اما در اثر گرمای جوشکاری، ساختار متالورژیکی و خواص مکانیکی آن تغییر کرده است.

این ناحیه معمولاً بین فلز جوش و فلز پایه قرار دارد و یکی از حساس‌ترین بخش‌های اتصال جوشی محسوب می‌شود.

چرا HAZ اهمیت دارد؟

در بسیاری از موارد، شکست‌های جوش به جای فلز جوش در منطقه متاثر از حرارت رخ می‌دهد. دلیل این موضوع تغییراتی است که در اثر سیکل حرارتی جوشکاری ایجاد می‌شود.

برخی از این تغییرات عبارت‌اند از:

• رشد دانه‌ها
• کاهش چقرمگی
• افزایش سختی موضعی
• تشکیل مارتنزیت
• کاهش مقاومت به خوردگی

عوامل مؤثر بر اندازه HAZ

ابعاد و ویژگی‌های منطقه متاثر از حرارت به عوامل مختلفی بستگی دارد:

• ضخامت قطعه
• سرعت جوشکاری
• شدت جریان
• نوع فرآیند جوشکاری
• دمای پیشگرم
• جنس فلز پایه

هرچه ورودی حرارت بیشتر باشد، معمولاً عرض HAZ نیز افزایش پیدا می‌کند.

HAZ در جوش‌های چند پاسه

در جوشکاری چند پاسه، هر پاس جدید باعث گرم شدن مجدد فلز جوش و مناطق مجاور می‌شود. در نتیجه نواحی متاثر از حرارت مختلف روی یکدیگر همپوشانی پیدا می‌کنند و ساختار نهایی اتصال پیچیده‌تر می‌شود.

شکل (2) سه منطقه اصلی جوش

3. فلز پایه (Base Metal)

فلز پایه همان ماده‌ای است که قرار است توسط عملیات جوشکاری به قطعه دیگری متصل شود.

انتخاب فلز پایه در طراحی سازه‌ها و تجهیزات صنعتی بر اساس خواصی مانند موارد زیر انجام می‌شود:

• استحکام کششی
• استحکام تسلیم
• چقرمگی
• مقاومت به خوردگی
• مقاومت به سایش
• وزن و چگالی

جوش‌پذیری فلز پایه چیست؟

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های فلز پایه، جوش‌پذیری آن است. جوش‌پذیری به توانایی یک ماده برای ایجاد اتصال جوشی سالم و قابل اطمینان تحت شرایط مشخص گفته می‌شود.

جوش‌پذیری تحت تأثیر عوامل زیر قرار دارد:

• ترکیب شیمیایی فلز
• ضخامت قطعه
• طراحی اتصال
• تمیزی سطح
• نوع الکترود یا فیلر جوشکاری
• میزان پیشگرم

در میان تمام این عوامل، ترکیب شیمیایی فلز پایه مهم‌ترین عامل تعیین‌کننده محسوب می‌شود.

ارتباط فلز پایه با انتخاب الکترود و فیلر

برای دستیابی به یک جوش با کیفیت، انتخاب فلز پرکننده باید متناسب با ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی فلز پایه انجام شود.

به عنوان مثال:

• فولادهای کربنی به الکترودهای کم هیدروژن نیاز دارند.
• فولادهای زنگ‌نزن به فیلرهای استنلس استیل مناسب نیاز دارند.
• آلیاژهای آلومینیوم به سیم جوش‌های تخصصی آلومینیومی احتیاج دارند.

شکل (3) ساختار متالوگرافی فلز جوش فولاد کم آلیاژ

انجماد. بخش‌های ذوب نشده دانه‌ها در منطقه متاثر از حرارت در فصل مشترک جامد-مایع به عنوان یک بستر ایده‌آل برای انجماد فلز جوش عمل می‌کنند. فلزات در جهات کریستالوگرافی خاصی سریع‌تر رشد می‌کنند. بنابراین، دانه‌های با جهت‌گیری مطلوب تا فواصل قابل توجهی رشد می‌کنند، در حالی که رشد دانه‌هایی که جهت‌گیری نامطلوب‌تری دارند توسط دانه‌های با رشد سریع‌تر مسدود می‌شود. به همین دلیل، فلز جوش اغلب یک ساختار ماکرو ستونی از خود نشان می‌دهد که در آن دانه‌ها نسبتاً بلند و موازی با جهت جریان گرما هستند. این ساختار نتیجه طبیعی تأثیر جهت‌گیری مطلوب کریستال است، با توجه به ماهیت رقابتی رشد دانه انجماد.

انجماد فلز جوش برای اکثر فلزات رایج شامل جدایش ریز عناصر آلیاژی و باقیمانده است. این عمل با تشکیل دندریت‌ها مرتبط است و تا حد زیادی مسئول آن می‌باشد. دندریت یک ویژگی ساختاری است که شکل پیچیده‌ای را که فصل مشترک مایع-جامد در طول انجماد به خود می‌گیرد، منعکس می‌کند، همانطور که در شکل (1)نشان داده شده است.

با انجماد دندریت‌های اولیه، مواد حل‌شونده‌ای که در مایع محلول‌تر هستند، توسط ماده جامد دفع شده و در مایع باقی‌مانده پخش می‌شوند و نقطه انجماد را پایین می‌آورند. با تجمع آلیاژهای حل‌شونده در نزدیکی سطح مشترک جامد-مایع، رشد کریستال در آن جهت متوقف می‌شود. سپس دانه‌ها به صورت جانبی رشد می‌کنند و بازوهای دندریت را که مشخصه فلزات منجمد شده است، تولید می‌کنند. بسیاری از دندریت‌ها ممکن است در طول انجماد به طور همزمان از یک دانه به داخل مایع رشد کنند. هر یک از این دندریت‌ها جهت‌گیری کریستالی یکسانی دارند و همه آنها بخشی از یک دانه هستند. همانطور که در شکل (1) نشان داده شده است، یک شبکه غنی از املاح در بین دندریت‌ها در ساختار نهایی وجود دارد. ساختار فلز جوش در بزرگنمایی کم درشت به نظر می‌رسد زیرا فقط ساختار دانه قابل مشاهده است. در بزرگنمایی زیاد، یک ساختار دندریتی ظریف نشان داده می‌شود، همانطور که در شکل (4) مشاهده می‌شود.

شکل (4) ریزساختار فلز جوش و منطقه متاثر از حرارت

واکنش‌های گاز-فلز. واکنش‌های گاز-فلز به وجود یک یا چند گاز واکنش‌پذیر – هیدروژن، اکسیژن یا نیتروژن – در اتمسفر محافظ بستگی دارد. این عناصر منابع مختلفی دارند. منابع هیدروژن بسیارند، اگرچه رایج‌ترین منبع هوا است. در جوشکاری قوسی فلزی محافظ (SMAW) و جوشکاری قوسی زیرپودری (SAW)، هیدروژن ممکن است به صورت آب در پوشش الکترود و روان‌کننده شل وجود داشته باشد. هیدروژن همچنین ممکن است به صورت محلول جامد در فلزات غیرآهنی یا در اکسیدهای سطحی و در ترکیبات روان‌کننده آلی حاصل از عملیات کشش سیم جوش وجود داشته باشد. اکسیژن عمداً در جوشکاری قوسی فلزی گازی (GMAW) فولاد به آرگون اضافه می‌شود تا قوس را تثبیت کند. اکسیژن همچنین می‌تواند از اتمسفر جذب شود یا از تفکیک بخار آب، دی اکسید کربن یا یک اکسید فلزی حاصل شود. آرگون و هلیوم درجه جوشکاری گازهای با خلوص بالا هستند. بنابراین، آنها به ندرت منبع گازهای واکنش‌پذیر در جوشکاری قوسی تنگستن گازی (GTAW) و جوشکاری قوسی فلزی گازی هستند.

در جوشکاری فولادها، واکنش‌های گاز-فلز در چند مرحله رخ می‌دهد. ابتدا، مولکول‌های گاز دو اتمی در دمای بالای اتمسفر جوشکاری تجزیه می‌شوند. سپس، اتم‌های گاز در فلز مایع حل می‌شوند. سرعت واکنش در دماهای 1650°C و بالاتر بسیار سریع است. اکسیژن و نیتروژن پس از حل شدن در فولاد، عموماً با اکسیدکننده‌هایی که عمداً اضافه شده‌اند مانند منگنز، سیلیکون و آلومینیوم واکنش می‌دهند. این اکسیدها سرباره تشکیل می‌دهند و روی سطح جوش شناور می‌شوند یا به صورت اکسیدهای مجزا در فلز رسوب می‌کنند.

واکنش‌های فلز حالت مایع(مذاب). در طول فرآیند جوشکاری، فازهای مایع غیرفلزی حاصل از فعل و انفعالات فلز جوش مذاب اغلب تولید می‌شوند. این فازهای مایع معمولاً سرباره‌هایی هستند که با ذوب شدن یک فلاکس عمداً اضافه شده تشکیل می‌شوند. سرباره‌های تولید شده در فرآیندهای جوشکاری قوس فلزی محافظ، قوس زیرپودری و سرباره الکتریکی برای جذب محصولات دی‌اکسیداسیون و سایر آلاینده‌های تولید شده در قوس و فلز جوش مذاب طراحی شده‌اند. مقدار و نوع محصولات دی‌اکسیداسیون غیرفلزی تولید شده در طول جوشکاری قوسی فولاد مستقیماً با محافظ و دی‌اکسیدانت‌های خاص مورد استفاده مرتبط است. این محصولات – در درجه اول سیلیکات‌های آلومینیوم، منگنز و آهن – عموماً روی سطح حوضچه مذاب جوش شناور می‌شوند و در سرباره ترکیب می‌شوند. با این حال، برخی از آنها می‌توانند به عنوان آخال در فلز جوش به دام بیفتند. تمیزی فلز جوش تحت تأثیر مقدار محصولات غیرفلزی تولید شده و میزان حذف آنها با سرباره قرار می‌گیرد. واضح است که هر چه محیط قوس اکسیدکننده قوی‌تری باشد، اکسیداسیون بیشتری مورد نیاز است و مقدار محصولات غیرفلزی تولید شده بیشتر می‌شود.

واکنش‌های حالت جامد. با توجه به رفتار فلزات جوش، تعدادی از واکنش‌های حالت جامد به عنوان مکانیسم‌های تقویت در فلز جوش عمل می‌کنند. با این حال، از نظر واکنشهایی که در طول فرآیند جوشکاری رخ می‌دهند، برخی پدیده‌های مهم شامل تبدیل‌های حالت جامد و واکنش‌های بعدی با گازهای محلول در فلز وجود دارند. مهم‌ترین آنها، که اغلب به عنوان ترک خوردگی تأخیری شناخته می‌شود، شامل تشکیل ترک‌های سرد در فلز جوش فولاد یا مناطق تحت تأثیر حرارت است. فولادهایی که بیشترین حساسیت را به این نوع ترک خوردگی دارند، آنهایی هستند که در طول بخش خنک‌کننده سیکل حرارتی جوش به مارتنزیت تبدیل می‌شوند.

ترک خوردگی تأخیری پس از سرد شدن جوش تا دمای محیط رخ می‌دهد، که گاهی اوقات ممکن است ساعت‌ها یا حتی روزها پس از جوشکاری باشد. این ترک خوردگی زمانی رخ می‌دهد که هیدروژن محلول در طول انجماد و تبدیل بعدی به مارتنزیت در فلز جوش باقی بماند.از آنجا که ترک خوردگی تأخیری همیشه با هیدروژن محلول همراه است، دو اقدام احتیاطی به طور کلی برای به حداقل رساندن خطر وقوع آن اعمال می‌شود. اول، فلز پایه پیش گرم می‌شود تا سرعت خنک شدن کاهش یابد. استفاده از پیش گرم کردن از تشکیل ریزساختار مستعد ترک جلوگیری می‌کند و خروج هیدروژن از فولاد را از طریق انتشار تسهیل می‌کند. علاوه بر این، فرآیندها و شیوه‌های جوشکاری کم هیدروژن به کار گرفته می‌شوند.

منطقه متاثر از حرارت

از نظر تئوری، منطقه‌ی متأثر از حرارت شامل تمام مناطقی است که تا هر دمایی بالاتر از دمای محیط گرم شده‌اند. با این حال، از نقطه نظر عملی، این منطقه فقط شامل مناطقی است که به طور قابل اندازه‌گیری تحت تأثیر گرمای فرآیند جوشکاری قرار دارند.

بنابراین، منطقه تحت تأثیر حرارت یک فولاد ساده کربنی نورد شده، ممکن است شامل مناطقی از فلز پایه که تا کمتر از تقریباً 700°C گرم شده‌اند، نباشد زیرا گرمای جوشکاری تأثیر کمی بر آن مناطق دارد. در مقابل، در یک فولاد عملیات حرارتی شده که تا مارتنزیت سرد شده و در°c 315 تمپر شده است، هر ناحیه‌ای که در حین جوشکاری بالاتر از°c 600  گرم شود، بخشی از منطقه تحت تأثیر حرارت در نظر گرفته می‌شود، زیرا سرد شدن و تمپر شدن خواص مکانیکی فلز را تغییر می‌دهد. در یک آلیاژ آلومینیوم عملیات حرارتی شده که در دمای °c 120 پیرسخت شده است، هر بخشی از اتصال جوش داده شده که بالاتر از این دما گرم شود، بخشی از منطقه تحت تأثیر حرارت خواهد بود. مناطق تحت تأثیر حرارت اغلب با تغییر در سختی یا تغییرات در ریزساختار در مجاورت اتصال جوش داده شده تعریف می‌شوند. این تغییرات در ریزساختار ایجاد شده توسط گرمای جوشکاری را می‌توان با اچینگ مشاهده کرد یا در پروفایل‌های سختی اندازه‌گیری کرد. با این حال، باید توجه داشت که در بسیاری از موارد، این مقادیر دلخواهی از منطقه تحت تأثیر حرارت هستند، اگرچه ممکن است در آزمایش و ارزیابی اتصالات جوش داده شده از ارزش عملی برخوردار باشند.

برش عرضی یک جوش چند پاسه در یک صفحه فولادی کربن-منگنز در شکل (5) ارائه شده است. می‌توان مشاهده کرد که هر پاس جوش دارای یک ناحیه جانبی است که هنگام رسوب‌گذاری مهره به طور قابل مشاهده‌ای تحت تأثیر قرار گرفته است. این نواحی تحت تأثیر حرارت همپوشانی در سطوح ذوب، در تمام ضخامت صفحه امتداد می‌یابند. در یک جوش چند پاسه، معمولاً فلز جوش رسوب شده تحت تأثیر حرارت جوشکاری بعدی قرار می‌گیرد. با این حال، این فلز جوش رسوب شده بخشی از منطقه تحت تأثیر حرارت در نظر گرفته نمی‌شود.

شکل (5) برش ماکرو از جوش فولاد کربن-منگنز تقریباً ۴۰ میلی‌متر ضخامت، نشان دهنده موقعیت مهره‌های جوش و همپوشانی آنها مناطق تحت تأثیر حرارت

فلز پایه

سومین جزء در یک اتصال جوش داده شده، فلز پایه است. فلز پایه توسط طراح برای کاربرد خاص بر اساس یک خاصیت خاص یا ترکیبی از خواص، مانند استحکام تسلیم یا کششی، چقرمگی شیار، مقاومت در برابر خوردگی یا چگالی انتخاب می‌شود. بسیاری از آلیاژهای مهندسی رایج به راحتی قابل جوشکاری هستند. با این حال، جوشکاری برخی از آلیاژها دشوارتر است و نیاز به اقدامات احتیاطی ویژه دارد. اصطلاح جوش پذیری به ظرفیت یک ماده برای جوشکاری تحت شرایط ساخت تحمیل شده به یک ساختار خاص با طراحی مناسب و عملکرد رضایت بخش در سرویس مورد نظر اشاره دارد.7 طبق این تعریف، جوش پذیری برخی از سیستم ها ممکن است در برخی شرایط ضعیف باشد اما در شرایط دیگر رضایت بخش باشد. یک مثال فولاد  ASTM A 514، یک آلیاژ ساختمانی با استحکام تسلیم (689 MPa) عملیات حرارتی شده است. همه گریدهای این ماده دارای جوش پذیری رضایت بخشی هستند، مشروط بر اینکه فلز پایه به اندازه کافی پیش گرم شده باشد، رویه های جوشکاری کم هیدروژن رعایت شده باشد و از محدودیت های مجاز ورودی گرما تجاوز نشده باشد. جوش پذیری تحت تأثیر شکل و ضخامت مقطع، تمیزی سطوح مورد اتصال و خواص مکانیکی فلزات قرار دارد. با این حال، عامل اصلی مؤثر بر جوش‌پذیری فلز پایه، ترکیب شیمیایی آن است. برای هر نوع فلز، محدودیت‌هایی در رویه جوشکاری وجود دارد که در چارچوب آنها می‌توان جوش‌های سالم با خواص رضایت‌بخش ساخت.

جمع‌بندی

هر اتصال جوشکاری از سه بخش اصلی شامل فلز جوش، منطقه متاثر از حرارت (HAZ) و فلز پایه تشکیل شده است. عملکرد نهایی جوش به رفتار متالورژیکی هر یک از این نواحی بستگی دارد.

فلز جوش محل انجماد فلز مذاب است، HAZ ناحیه‌ای است که بدون ذوب شدن دچار تغییرات ساختاری شده و فلز پایه نیز ماده اصلی قطعه محسوب می‌شود. شناخت این سه ناحیه به مهندسان و جوشکاران کمک می‌کند تا با انتخاب صحیح الکترود، سیم جوش و فیلر جوشکاری، اتصالاتی با استحکام و دوام بالا ایجاد کنند.

در فروشگاه تکنوجوش می‌توانید انواع الکترود جوشکاری، فیلر TIG، سیم جوش MIG/MAG و مواد مصرفی جوشکاری را متناسب با جنس فلز پایه و شرایط کاری خود انتخاب کنید.