ترک گرم در جوشکاری

ترک گرم در جوشکاری

ترک گرم در جوشکاری یـک ناپیوسـتگی از نـوع شکسـت اسـت‌ کـه حـین انجمـاد فلـز جـوش یـا سـرد شـدن آن ‌در منطقـه متـاثر از حـرارت‌ رخ مـی‌دهـد. بـر اسـاس محـل و دماهـای تشـکیل آن دارای سـه نـوع تـرک انجمــادی (Crack Solidification)، تــرک ذوبــی (Crack Liquation) و تــرک افــت انعطــاف پــذیری (DDC) اســت.

تــرک انجمــادی در فلــز جــوش و تــرک ذوبــی در منطقــه ذوب جزیــی ‌رخ داده و هــر دو در محــدوده دمــای تــردی فلــز جوش (BTR) یا در محدوده دمای تردی کـه تـا دمـای یوتکتیـک گسـترش یافتـه، اتفـاق مـی‌افتـد. تـرک افـت انعطـاف پـذیری، بیشـتر در فلـزات بـا سـاختار FCC در فلـز جـوش یـا در منطقـه متـاثر از حـرارت، در محـدوده دمـای افـت انعطـاف پذیری (DTR) اتفاق مـی‌افتـد. عـواملی از قبیـل دامنـه انجمـاد‌، فـاز اولیـه انجمـاد، کشـش سـطحی مـذاب در مـرز دانـه‌هـا، مقدار و توزیع مذاب حین انجماد نهایی، سـاختار دانـه فلـز جـوش، تـنش‌هـای انقباضـی و هندسـه جـوش بـر حساسـیت فلـز جوش به ترک گرم موثر است

.

‌انواع ترک گرم

‌ترک انجمادی

تـرک انجمــادی معمــولاً در خــط مرکــزی فلــز جــوش در حــال انجمــاد و در محــدوده دمــای تــردی فلــز جــوش (BTR) اتفـاق مـی‌افتـد. بـه دلیـل غلظـت بیشـتر عناصـر در جلـوی جبهـه انجمـاد، دمــای مــذاب جبهــه انجمــاد، کمتــر از دمــای انجمــاد کــل مــذاب اســت.

در صــورتی که ضــریب جــدایش بیشــتر از یــک باشد‌، مـذاب بـاقی مانـده حـین انجمـاد، مـی‌توانـد بین دانه‌ها جاری شـده و یـک لایـه نـازک در مـرز دانـه‌هـا تشـکیل دهـد. انقبـاض منـاطق انجمـاد یافتـه و نیـز انقبـاض فلـز پایـه هنگـام سـرد شـدن، باعـث وارد شـدن تـنش‌هـای کششی از دو طـرف بـه لایـه‌هـای مـذاب شـده و در صـورتی کــه مقــادیر تــنش‌هــای انقباضــی بیشــتر از ‌یک ‌باشد این تنش‌ها می‌تواننـد لایـه‌هـای نـازک مـذاب موجـود در مــرز دانــه‌هــا را بــاز‌ و تــرک انجمــادی را تشــکیل دهند.

در واقـع تشـکیل تـرک انجمـادی، رقابـت بین مقاومت ماده بـه تـرک و نیروی محرکـه تـرک حـین انجمـاد فلــز جــوش اســت. پــارامتر تعیــین کننــده مقاومــت مــاده، نمــودار انعطــاف پــذیری در BTR‌، حــین انجمــاد اســت. در حــالی کــه پــارامتر تعیــین کننــده نیــروی محرکــه تــرک، کــرنش‌هــای مکــانیکی انباشــته شــده در BTR اســت کــه هـر دو پـارامتر، تـابعی از دمـا هسـتند. تـرک انجمـادی زمـانی اتفـاق مــی‌افتــد کــه نیروی محرکــه تــرک بزرگتــر از مقاومــت ماده به ترک در BTR شود.

ترک ذوبی

بــا عبور منبــع حرارتــی، مــذاب یوتکتیــک تشــکیل شــده از منــاطق ذوب شده با گسترش در مرزدانه‌هـا یـا بـا تشـکیل حوضـچه‌هـای مذاب درون دانه‌ها، شـرایطی شـبیه تـرک گـرم را بـه وجـود مـی‌آورد کـه در نهایـت باعـث تـرک ذوبـی خواهـد شـد. تــرک ذوبــی نســبت بــه تــرک انجمــادی محدودکننــده‌تــر است. چون در فلـز پایـه اتفـاق مـی‌افتـد و ترکیـب شـیمیایی آن در فراینــد جوشــکاری تحــت کنتــرل نیســت.

ترک افت انعطاف پذیری

این نوع ترک یـک پدیـده حالـت جامـد بوده کـه‌ ناشـی از افـت ناگهـانی انعطـاف پـذیری در دمـایی بـالاتر از نصـف نقطـه ذوب مـاده ‌است. ترک بـه دلیـل جـدایش ناخالصـی‌هـا در مـرز دانـه‌ یـا تــنش‌هــای موضــعی مــرز دانــه‌ای تولیــد شــده توســط رســوبات اســت. پارامترهــای مــوثر بــر این نوع ترک شامل ترکیــب شــیمیایی فلــز جــوش، ناخالصــی‌هــا، موانع و مهاجرت مـرز دانـه‌هـا‌، جـدایش در مـرز دانـه‌هـا و جهت گیـری مـرز‌دانـه نسـبت بـه کـرنش‌هـای اعمـالی است.

در جوشـــکاری فولادهای زنـگ نـزن آسـتنیتی تشـکیل ترکیبـات یوتکتیـک زود ذوب باعـــث تشـــکیل تـــرک گـــرم خصوصـــاً از نـــوع انجمـادی و DDC خواهـد شـد. ممکـن اسـت در جوشـکاری، چنـد پاسـی از طریـق ذوب مجـدد و افـزایش حـرارت ورودی، بتــوان از تــرک انجمــادی جلــوگیری نمــود امــا در شــرایط تـنش‌هـای خسـتگی و خسـتگی خـوردگی ،DDC نیـاز بـه توجه بیشتر دارد.

‌مورفولوژی سطح شکست ترک گرم

اســـتفاده از میکروســـکوپ الکترونـــی روبشـــی (‌SEM) و طیف سنجی تفکیـک انـرژی (EDS) نشـان مـی‌دهـد سـطح شکسـت حاصـل از تـرک انجمـادی‌، اغلـب دارای مورفولـوژی دندریتی ‌بـا لایـه‌ای از یوتکتیـک زود ذوب بوده که گاهی همراه بـا حفـرات و گسـیختگی در پـل‌هـای فلـزی است. ‌‌

‌عوامل حساسیت به ترک گرم

جدایش و دامنه انجماد

هر چه محدوده دمایی انجمـاد بیشـتر باشـد منطقـه ضـعیف و حساس به ترک خوردن انجمادی نیز وسیع‌تر خواهد بـود‌. در ‌فولادها و آلیاژهای پایه نیکل جـدایش ناخالصـی‌هـا (خصوصـاً گوگرد و فسفر) و عناصر آلیاژی (مانند تیتـانیوم و نیوبیـوم‌) در مرز دانه و تشکیل ترکیبات بـا نقطـه ذوب پـایین‌، همچنـین وقوع واکنش‌های یوتکیتیک پس از انجمـاد (‌مـثلاً در سـوپر آلیاژهای حاوی نیوبیوم) باعث گسترش دامنه انجماد و تشویق تشکیل ترک انجمادی خواهد شد.

همچنـین در فولادهـای زنـگ نـزن آستنیتی و دو فازی، ذوب ناشی از جـدایش عناصـر آلیـاژی یـا ناخالصی‌ها به درون مرز دانه‌ها، باعث کـاهش نقطـه ذوب مرز دانه‌ها شده و عامل تـرک‌هـای ذوبـی اسـت. البتـه در برخی آلیاژها مانند آلیاژهای پایه نیکل ذوب شدن بـه تنهـایی برای نفوذ مایع در مرز دانه‌ها کافی نیست و مهاجرت مرزهای دانــه نیــز لازم اســت.

کشش سطحی مذاب

کشــش ســطحی کــم مــذاب، باعــث تشــکیل لایــه پیوســته مذاب در مـرز دانـه خواهـد شـد.‌ هر چـــه زاویـــه تمـــاس مـــذاب مرزدانـــه‌ای در آلیاژهـــای آلومینــویم بیشــتر و مورفولــوژی آنهــا کــروی‌تــر باشــد حساسیت به ترک خوردن انجمادی کاهش می‌یابد.

‌ریز ساختار

ریـز سـاختار دنـدریتی هـم محـور بـا مقـدار زیـاد مـذاب در بین دانـه‌هـا بسـیار راحـت‌‌تـر از سـاختار دنـدریتی سـتونی درشت تغییر شکل می‌دهد. ریـز سـاختار بـا دانـه‌هـای هـم محور ریز، بـه دلیـل انعطـاف پـذیری بیشـتر در برابـر کـرنش‌ها‌، امکـان تغذیـه مـوثرتر مـذاب و تـرمیم تـرک‌هـای اولیـه، حساســیت کمتــری نســبت بــه تــرک گــرم دارند. همچنــین دانـه‌هـا‌ی ریـز بـه دلیـل سـطح دانـه بیشـتر‌، امکـان تجمـع کمتــر عناصــر مضــر در مــرز دانــه را فــراهم مــی‌نماینــد‌.

برخورد دانـه‌هـای سـتونی رشـد کننـده از جهـات مقابـل در حوضچه جوش اشـکی شـکل و تشـکیل لایـه مـذاب پیوسـته از جــدایش‌هــای بــا نقطــه ذوب پــایین در خــط مرکــزی جــوش، حساســیت بــه تــرک انجمــادی در خــط مرکــزی جوش را نسبت بـه جـوش‌هـای بـا حوضـچه جـوش بیضـوی شکل تشدید می‌نماید.

‌تنش‌های انقباضی

بدون حضور تـنش‌هـای کششـی، هـیچ تـرک گرمـی وجـود نخواهـد داشـت. منشـاء ایـن تـنش‌هـای کششـی اخـتلاف میـزان انقبـاض فلـز جـوش و انقبـاض فلـز پایـه است. انقبــاض فلــز جــوش ناشــی از انقبــاض حرا رتــی و انقبــاض ناشـی از انجمــاد اســت. ‌در تــنش‌هــای انقباضــی ضــریب انبســاط فلــز جــوش خیلــی مهــم اســت‌. ضــریب انبســاط سـاختار آسـتنیتی‌ ۱/۵ برابر بیشـتر از سـاختار فریتـی اسـت پــس تمایــل بــه تــرک گــرم در ســاختار آســتنیتی خیلــی بیشــتر اســت. بــه همــین دلیــل فــولاد زنــگ نــزن آسـتنیتی مسـتعد تـرک انجمـادی اسـت. امـا تـرک خـوردن انجمــادی در آلیاژهــای آلومینیــوم (مخصوصــاً آلیاژهــای بــا دامنه انجماد وسیع) بـه دلیـل ضـریب انبسـاط حرارتـی زیـاد و انقبــاض زیــاد ناشــی از انجمــاد جــدی‌تــر اســت.

اســتفاده از منبــع حرارتــی بــا شــدت زیــاد باعــث کــاهش پیچیـدگی قطعـه کـار و کـاهش کـرنش‌هـای حرارتـی مـی‌شود. استفاده از مهار کـم و پیشـگرم مناسـب نیـز مـی‌توانـد باعث کـاهش ایـن کـرنش‌هـا شـود.

هندسه جوش

جوش گلویی تـک پاسـه بـا پروفیـل مقعـر، بـه دلیـل کشـیده شـــدن از طـــرف گوشـــه و ریشـــه جـــوش، حساسـیت بیشـتری بـه تـرک انجمـادی نسـبت بـه پروفیـل محـدب دارد. در جـوش‌هـای لـب بـه لـب چنـد پاسـه نیـز در صورتی که پـاس‌هـای جـوش عـریض و مقعـر باشـند، تـرک‌های انجمـادی از سـطح شـروع مـی‌شـود. همچنـین جـوش‌هـای باریـک عمیـق کـه معمـولاً در جوشـکاری‌هـای پرتـو الکترونی و جوشـکاری زیر پـودری ایجـاد مـی‌شـود، بـه دلیـل زاویـه تنـد بـین دانـه‌هـای سـتونی و رسـیدن آنهـا در خـط مرکـزی جـوش بـه یکـدیگر، بـه تـرک انجمـادی حسـاس‌تـر است.

علی اصغر سرابیان مقدم –مربی جوشکاری

مرکز 14قوچان –مرداد ماه 1399