جوشکاری پرتو الکترونی

برگزاری کلاسهای آموزشی انجام پایان نامه

مقدمه ای بر جوشکاری پرتو الکترونی فولاد ضدزنگ نوع ۳۲۱ آستنیتی

چکیده

جوشکاری پرتو الکترونی دارای پتانسیلی قوی در جوشکاری مواد مهندسی است، زیرا نفوذ بسیار محدود و عمیق با این فرایند ممکن است. فولادهای ضدزنگ آستنیتی مستعد خوردگی بین دانه در هنگام قرار گرفتن در معرض تریتمنت های حرارتی حساس بین ۷۲۳ و ۱۰۷۳K بعلت شکل گیری سطح تهی از تیتانیوم مجاور با سطح غنی از تیتانیوم هستند. با اینحال، طی جوشکاری پرتو الکترونی این ماده، سطح تحت تاثیر حرارت تنها تا سطح محدود در امتداد حوضچه مذاب بسط یافته، منجر به درجه کمتری از نقائص در سطح مذاب می شود.

برگزاری کلاسهای آموزشی انجام پایان نامه کارشناسی ارشد

مطالعه حاضر برای بررسی ویژگی های مکانیکی و متالورژیکی فولاد ضدزنگ ۳۲۱آستنیتی پرتو الکترونی جوش داده شده انجام شده است. در نتیجه، تست های سختی در سراسر سطح تحت حرارت و تست کشش و ضربه جوش های حاصله انجام شد که انتشار اشعه ایکس ناشی از میکرو ذرات و SEM برای مطالعه میکروساختارها و توزیع عنصر در سطح مذاب صورت گرفت. بعلاوه، تجزیه و تحلیل اولین و دومین قانون ترمودینامیک فرایند جوشکاری انجام شد. پس از انجام این تست نتیجه گیری د که سطح تحت حرارت با افزایش ضخامت قطعه کار افزایش یافته و ترک های عرضی ریز دندریتیک در مرز مناطق مذاب و جامد پدیدار شدند.

  1. مقدمه

بعلت افزایش تقاضا برای جوشکاری با سرعت بالا و اعوجاج کم، جوشکاری پرتو الکترونی در ساخت قطعات مهندسی با اتصالات با اعوجاج کم مفید می شود، اگرچه کاربرد آن برای مونتاژهای بزرگ اغلب با نیاز برای استفاده از محیط خلا محدود می شود. یک قابلیت برجسته جوشکاری پرتو الکترونی توانایی آن برای ایجاد حفره های بسیار باریک و عمیق است. عرض اتصال لب به لب در پلیت فولادی ضخیم با ضخامت ۱۳ mm به اندازه ۱٫۵ mm بدست آمده است. این در تقابل شدید با الگوی فیوژن در جوشکاری قوسی و گاز بوده و به مکانیسم نفوذ منحصربفرد پرتو الکترونی نسبت داده می شود که می تواند این حرارت داخلی شدید که تبخیرکننده حفره از طریق ضخامت اتصال کلی است را تولید کند. دیواره های این حفره مذاب بوده و همانطور که حفره در امتداد اتصال حرکت می کند، فلز در قسمت پیشرونده حفره در سراسر عمق آن ذوب می شود.

تکامل میروساختاری پرتو الکترونی فولاد ضدزنگ ۳۱۶ جوش داده شده توسط کوهام و همکاران بررسی شده و نشان داده شد که جوشکاری پرتو الکترونی اتصال لب به لب با ضخامت ۱۵ mm با بهبود مقاومت در برابر تورم با بازدهای بالا انجام شد. این محققان پیشنهاد کردند آغاز خوردگی در اتصالات جوش می تواند همانطور که مقاومت در برابر تورم حفظ می شود مدنظر باشد. تاثیر تریتمنت حرارت پس از جوش بر ضخامت ضربه فلز جوش های فولاد آستنیتی توسط سیواراماکریشان و همکاران بررسی شد. از طریق مطالعات سختی ضربه نشان داده شد شرایط بهینه ای برای تریتمنت حرارت پس از جوش برای جوش های پرتو الکترونی وجود داشته و اینکه سختی ضربه بعد از عملیات پس از جوش بهبود پیدا می کند. از طرف دیگر، تاثیر پارامترهای پرتو الکترونی مانند تمرکز زایوه پرتو بر هندسه جوش حاصله توسط کولنیک و کوسک بررسی شد که نشان داد هندسه جوش تا حد زیادی تحت تاثیر قدرت پرتو، سرعت جوشکاری و شعاع پرتو قرار می گیرد.

مشخص شده است فولادهای ضدزنگ آستنیتی مستعد خوردگی بین دانه و ترک تنش-خوردگی بین دانه زمانیکه در معرض تریتمنت حرارتی حساس بین ۷۲۳ و ۱۰۷۳k قرار می گیرند هستند که منجر به شکست زودرس اجزا طی خدمات می شود. حساس سازی به شکل گیری سطح تهی از تیتانیوم مجاور با سطوح غنی از تیتانیوم نسبت داده می شود. در این مورد، کاربیدها در امتداد مرزهای دانه طی فرایند حرارتی شکل می گیرند، بعبارت دیگر، وجود میکروساختار ناهمگن می تواند آغازگر خوردگی بین دانه، همچنین ترک تنش-خوردگی بین دانه باشد. با اینحال، حذف میکروساختار حساس همانند ساختار شکل گرفته در سطح تحت حرارت طی جوشکاری توسط تریتمنت حرارت ساده بدون تاثیرگذاری بر ویژگی های جوشکاری دشوار است. مطالعه ویژگی های مکانیکی و متالورژیکی فولادهای ضدزنگ آستنیتی جوش داده شده پرتو الکترونی ضروری است، زیرا سطح تحت حرارت تنها به منطقه باریک در امتداد سطح مذاب پس از جوشکاری بسط پیدا می کند.

در مطالعه فعلی، جوشکاری پرتو الکترونی لوله های فولادی ۳۲۱ آستنیتی با ضخامت متفاوت انجام شده است. تست مکانیکی جوش های حاصله، شامل تست های کششی، ضربه و سختی، نیز انجام شد. ترکیب عناصر در امتداد سطح مذاب با استفاده از تکنیک انتشار اعه ایکس ناشی از میکرو ذرات بررسی شد، در حالیکه SEM برای تجسم کردن میکروساختارها در سطح مذاب انجام شد.

  1. آزمایشی
    • تجهیزات

جوشکار پرتو الکترونی ۶۰ Kv استفاده شد، واحدی که براحتی در کاربردهای تولید انبوه و یا برای کمتی های تولید بچ ادغام شد. جوشکار شامل سیستم خلا، تفنگ الکترونی و کنترل قطعه کار است. موانع اشعه X برای اتاقک و ستون فراهم شده است. سیستم خلا را می توان از طریق پمپ های انتشار کنترل می شود. تمرکز با استفاده از کویل الکترومغناطیسی انجام می شود که امکان تمرکز پرتو الکترونی بر سطح کوچکی از پرتو نقطه خروج بوجود می آید. بعلاوه، نقطه نهایی را می توان نوسان داده، از طریق کنترل منقطع یا منحرف کرد. نوسان و انحراف می تواند بویژه در جوشکاری مفید باشد، بعبارت دیگر با پرتو نوسان دار عرضی برای جوش ها، موقعیت اتصال لب به لب کمتر حیاتی است.

  • انتخاب پارامتر جوشکاری

ورودی قدرت به ازای هر واحد فاصله در امتداد قطعه کار طی جوشکاری عبارت است از:

که V، Ib و s شامل پرتو شتاب بالقوه برحسب ولت، جریان پرتو برحسب amps و سرعت جوشکاری در m min-1 است. معادله (۱) امکان انتخاب تنظیمات جوشکاری برای فولاد ضدزنگ ۳۲۱ آستنیتی با ارائه تغییر رشته ای با ضخامت قطعه کار را بوجود می آورد. انتخاب تمرکز به هندسه مهره جوش مطلوب بستگی دارد. بمنظور حفظ قطر پرتو ثابت در سطح قطعه کار، افزایش جریان تمرکز در ولتاژ تسریع کننده ضروری است. با اینحال، اگر پتانسیل شتاب ثابت حفظ شود در حالیکه فاصله تفنگ-قطعه کار افزایش پیدا می کند، کاهش در جریان تمرکز برای حفظ قطر پرتو ثابت در سطح قطعه کار ضروری است.

  • تست های مکانیکی

تست های سختی در امتداد سطح مذاب انجام شدند، در حالیکه تست های کششی برای تعیین مقاومت کششی جوش های حاصله صورت گرفتند. بعلاوه، تست های ضربه ای بر روی سطح مذاب، همچنین ریشه جوش انجام شدند.

  • SEM و μ-PIXE

فوتوگرافی SEM جوش های حاصله برای بررسی تغییرات متالورژیکی در سطح مذاب انجام شد، در حالیکه اندازه گیری های μ-PIXE برای دستیابی به ترکیب عناصر سطح مشابه صورت گرفت. در نتیجه، توزیع فضایی Ti، Mn و Si با استفاده از تجیهزات پروب میکرو هسته ای ERL انجام شد. اندازه گیری های μ-PIXE در امتداد محورهای جوش انجام شد.

  • ماده قطعه کار

لوله های فولاد ضدزنگ نوع ۳۲۱ بعنوان ماده قطعه کار استفاده شده، این ماده برای غلبه بر حساس پذیری به رسوب کاربید با خوردگی بین دانه حاصله طراحی شده است که برای دیگر فولادهای ضدزنگ آستنیتی پس از قرار گرفتن در معرض دماهای ۷۲۳-۱۰۷۳°C متداول است. ترکیب عناصر مواد در جدول ۲ ارائه شده اتس. قطعه کار بعنوان لوله هایی با قطر بیرونی ۴۲٫۲ m و ضخامت دیواره ۶٫۳۵ mm خریداری شد. درجه بالایی از پیوند فریت در مواد وجود دارد که ممکن است بعلت عملیات سردسازی طی تولید لوله ها باشد.

  • تجزیه و تحلیل کارایی حرارتی

کارایی های حرارتی فرایند جوشکاری پرتو الکترونی پس از بررسی انرژی موردنیاز برای ذوب کردن قطعه و ورودی انرژی از طریق پرتو الکترونی در قطعه تعیین می شود.

انرژی پرتو الکترونی به ازای هر واحد زمان بصورت زیر نوشته می شود

انرژی موردنیاز به ازای هر واحد زمان جهت ذوب کردن قطعه بصورت زیر است،

که m شامل توده مذاب در هر واحد زمان، Cp حرارت ویژه با فشار ثابت، Tm نقطه ذوب و L0 حرارت پنهان ذوب است. باید خاطرنشان شود توده مذاب به در هر واحد زمان را می توان بصورت زیر نوشت:

که p دانسیته، t ضخامت، ۲a عرض کلی توده مذاب و s سرعت جوشکاری است.

بنابراین کارایی قانون اول فرایند جوشکاری عبارت است از:

از طرف دیگر، قانون دون کارایی فرایند جوشکاری بصورت زیر نوشته می شود:

که ∆sfg=sm-so است که در آن ∆sfg آنتروپی فیوژن است؛ و To و Tbeam  به ترتیب دماهای استاندارد و رشته هستند.

ویژگی های حرارتی مواد از [۷] اتخاذ شده است. یک برنامه کامپیوتری برای بدست آوردن کارایی حرارتی جهت ضخامت قطعات کاری مختلف استفاده شده است.

۳ بحث

با استفاده از جوشکاری پرتو الکترونی،  نفوذ میخی شکل امکانپذیر است. همچنین مشاهده شد که: (i) قدرت پرتو الکترونی مهم ترین عامل برای حداکثر نفوذ است؛ (ii) برای قدرت و تمرکز پرتو الکترونی، شکل سطح مذاب تحت تاثیر فاصله تفنگ تا نمونه است؛ و (iii) حداکثر نفوذ در فرایند جوشکاری همچنین به ععد اتمی (Z) هدف بستگی دارد. بعبارت دیگر، با افزایش Z کاهش پیدا می کند.

باید خاطرنشان شود که سطح مذاب میخی شکل تنها زمانی بدست می آید که جریان متمرکز شده (If) در دو مقدار حداقل باقی می ماند. بعلاوه، حداکثر نفوذ زمانی حاصل می شود که مقدار بیشتر جریان پرتو (Ip) بر روی پیک مرکزی ثابت شود. با اینحال، Ip تفاوت معناداری با قدرت و نوع ماده جوش داده شده دارد.

نتایج تست سختی در شکل های ۲ و ۳ نشان داده شده است. بسته به ضخامت لوله، تغییرات در ویژگی ها برای قدرت پرتو موردنظر ایجاد شده توسط دما رخ می دهد. با افزایش ضخامت لوله، سرعت سرد شدن کاهش پیدا می کند که بر سطح تحت حرارت و ویژگی های مکانیکی ماده تاثیر می گذارد. منحنی های سختی در شکل ۲ نشان می دهد مقداری نوسان در سختی رخ می دهد و این با ضخامت لوله افزایش پیدا می کند. این ممکن است بعلت نیاز انرژی فرایند جوشکاری باشد که در این مورد مواد ضخیم تر نیازمند انرژی پرتو ورودی بیشتری برای تولید جوش های سالم هستند. سطح تحت حرارت با افزایش ضخامت لوله افزایش پیدا می کند. از طرف دیگر، سختی در امتداد محور جوش کاهش پیدا یم کند که می توان آن را به سرعت سرد شدن نسبت داد، بعبارت دیگر دمای نسبتا بالایی در سطح بالایی جوش انتظار می رود جائیکه پرتو الکترونی در ابتدا با ماده تعامل پیدا کرده، بنابراین سرعت سرد شدن در این سطح نسبتا کاهش پیدا می کند.

جدول ۳ نتایج تست کششی را ارائه می دهد که بعنوان عدم موفقیت نمونه در ماده اصلی تلقی شده اند. این از تغییر سختی انتظار خواهد رفت، زیرا در تمام نمونه ها ناحیه جوش سخت تر از ماده اصلی بود. تست ضربه برای ارائه مقادیر ضربه جهت سطح مذاب، همچنین برای ریشه جوش انجام شد. بطور کلی، سختی زمانیکه ریشه جوش در تنش نسبی با تنش بر روی سطح مذاب بود مطلوب نبود. ویژگی های مکانیکی کلی جوش توسط ویژگی های خاص میکروساختارهای موجود در سطح مذاب و سطح تحت حرارت تعیین یم شوند. در نتیجه، ویژگی های مکانیکی فلز جوش داده شده ارتباط نزدیکی با فرایند استحکام دارد. بطور کلی، جوش ها با رشد دانه های کرستالی ساختاربندی می شوند. طی جریان سردسازی حرارت از طریق ایزوترم دمای استحکام متحرک جریان یافته سطح جایگاه فلز را تعیین می کند که توسط ساختار کریستالی بخش جامد جهت گیری می شود. دانه های تشکیل شده توسط ساختار دارای نوع ستونی دندریتیک هستند و در امتداد خط متسقیم در میانه سطح مذاب پیشین خاتمه پیدا می کنند.

ویژگی های متالورژیک جوش های پرتو الکترونی در هنگام مقایسه با فرایند جوش کلاسیک مانند TIG مشخص می شود که در آن گونه های جامد متعددی جمع شده و تحت نیروهای محرک گرادیان حرارتی رشد می کنند. از آنجائیکه سرعت رشد به محورهای کریستالوگرافی بستگی دارد، برخی انواع جامد که بر دیگر انواع برتری دارند منجر به ساختار بازالت می شوند. جهت گیری کلی در زوایای راست با ایزوترم های سردسازی است. آخرین استحکام نزدیک به محور جوش در مجاورت با جائیکه گرادیان دما بسیار اندک است رخ می دهد. ترک ها در مرز سطح مذاب و سطح تحت حرارت ایجاد می شوند. عوامل غالب کنترل کننده شکل گیری ترک شامل کشش و مقدار فریت هستند. مقدار فریت شکل گرفته به دمای ماکزیمم و درجه آشفتگی بستگی دارد. با نگهداری نمونه در دمای بالای تقریبا ۱۱۰۰°C بمدت کوتاه پس از آشفتگی می توان از محتوای فریت باقیمانده بالا در خط جوش اجتناب کرد. در مورد جهت گیری جوش عرضی قابل توجه، ترک های طولی در امتداد صفحه میانی یا در سطح جامد نهایی اتصال جوش داده شده ظاهر می شوند. فراوان ترین ترک های عرضی دندریتیک هستند و در امتداد مرزهای دانه ای مستحکم بسط یافته اند. این ترک ها از آخزین فاز مایع کریستالیزاسیون باقیمانده یا در صورت امکان از ناگسستگی ای فلزی مذاب نشات می گیرند. شک ۸ طرح دو بعدی ترکیب عناصر بدست آمده در مرز جوش بین سطوح مذاب و غیرمذاب را با استفاده از اندازه گیری های μ-PIXE نشان می دهد، در حالیکه شکل ۹  توزیع Ti، Mn و Si را در امتداد محور جوش و در راستای جوش نشان می دهد. باید خاطرنشان کرد غلظت ها با توجه به ترکیب ماده پایه با ترکیب مشابه نرمالیزه شده اند. با توجه به شکل ۹ مشخص است که Ti تخلیه داخلی در مرز مذاب را نشان می دهد و Mn در مجاورت سطح مذاب تخلیه شده است. این می تواند بعلت سرعت سردسازی باشد که انتظار می رود بالاتر از سرعت در مرکز جوش در این ناحیه باشد. با اینحال، هیچ تغییر قابل توجهی در Si در ناحیه یا مرز جوش آشکار نیست. غلظت Ti تقریبا ۱۰% در مرز جوش کاهش پیدا می کند. در این صورت آلیاژ به فولاد آستنیتی معمولی در این ناحیه تبدیل شده، بنابراین انتظار می رود ترک های ریز پس از فرایند مذاب شدن شکل گیرند.

شکل ۱۰ قانون اول و دوم کارایی های فرایند جوشکاری را ارائه می دهد. کارایی های حرارتی با افزایش ضخامت قطعه کار افزایش پیدا می کنند که ممکن است بعلت نیاز انرژی پرتو برای جوش سالم باشد: در این صورت، زمان صرف شده برای نفوذ کامل ماده قطعه کار بیشتر از زمان مطابق با قطعه کار ظریف است. بنابراین بهره انرژی داخلی در مقابل اتلاف های رسانایی طی این مدت بیشتر از بهره مطابق با زمان نفوذ کوتاه تر است. در نتیجه، اتلاف انرژی بعلت رسانایی طی جوشکاری برای قطع کار ظریف بالا است. همچنین بدیهی است که کارایی های مرتبه ۴۰-۶۰% ممکن هستند. بعلاوه، کارایی قانون اول بالاتر از قانون دوم است. این می تواند بعلت دمای رشته باشد که ۲۰۰۰ k است.

  1. نتیجه گیری

در مطالعه فعلی، جوشکاری پرتو الکترونی لوله های فولاد ضدزنگ ۳۲۱ آستنیتی انجام شده که نتیجه بدست آمده از تحقیق فعلی بصورت زیر است.

  • با توجه به نتایج تست سختی بدیهی است که مقدار نوسان در سختی در امتداد سطح مذاب وجود دارد که در راستای محور جوش کاهش پیدا می کند. این را می توان به سرعت سردسازی و تخلیه Ti در ناحیه مرز مذاب-جامد و Mn در سطح مذاب نسبت داد.
  • نتایج تست کششی قابل قبول بودند، زیرا شکست در ماده اصلی ایجاد شد که در این صورت ناحیه جوش سخت تر از ماده اصلی بود.
  • تست های ضربه نشان می دهند سختی زمانیکه ریشه جوش در تنش نسبی با تنش بر روی سطح مذاب است مطلوب نیست.
  • مطالعات میکروسکوپی سطح مذاب نشان می دهد ساختار ناشی از سرد سازی دارای نوع ستونی درندریتیک بوده و در امتداد خط مستقیم در میانه سطح مذاب پیشین خاتمه پیدا می کند. آخرین استحکام نزدیک به محور جوش در مجاورت با جائی رخ می دهد که گرادیان دما بسیار کوچک است.
  • ترک های ریز در مرز مذاب رخ می دهند جاویکه Ti تخلیه شده است. با اینحال هیچ تغییر قابل توجهی Si از آنالیز μ-PIXE مشاهده نشده است. بعلاوه، کمبود Mn در حوضچه مذاب در این مورد مشهود است.
  • کارایی حرارتی فرایند جوشکاری با افزایش ضخامت قطعه کار افزایش پیدا می کند. در مورد نمونه های ظریف، اتلاف رسانایی در مقایسه با بهره انرژی داخلی توسط مواد افزایش می یابد.