جوشکاری آلیاژهای نیکل – جوشکاری اینکونل
جوشکاری یکی از فرایندهای تخصصی در عرصه فلزات است که با اهداف خاصی دنبال می شود؛ در یک کلام می توانیم بگوییم که از جوشکاری برای متصل کردن دو قطعه فلزی استفاده می شود اما نکته اینجاست که در برخی موارد، اهداف ثانوی دیگری مانند ترمیم یک سطح فلزی نیز مدنظر است. ما در این مقاله، قصد داریم به جوشکاری در سوپرآلیاژها بپردازیم، سپس به سراغ بررسی جوشکاری در آلیاژهایی مانند نیکل یا آلیاژهای زیرمجموعه آن مانند اینکونل برویم.
سوپرآلیاژ چیست؟ ابر آلیاژ یا سوپرآلیاژ، به فلزی گفته می شود که از ترکیب های متفاوت تری نسبت به آلیاژهای معمولی ایجاد شده است؛ سوپرآلیاژها به نوعی، در زمره فلزهای پیشرفته قرار می گیرند. ابر آلیاژها باتوجه به اینکه از برخی فلزهای خاص مانند نیکل یا کبالت ساخته شده اند، مصارف خاصی دارند و در نوع خود نیز، منحصر به فرد هستند. نکته جالب توجه اینجاست که خواص و ویژگی های مکانیکی سوپرآلیاژها بر مبنای درصد عناصر فلزی به کاررفته در آنها، متفاوت خواهد بود. رایج ترین انواع سوپرآلیاژها شامل موارد زیر می شود:
- سوپرآلیاژ بر پایه نیکل (شامل انواع متفاوتی است، مانند سوپرآلیاژ اینکونل)؛
- سوپرآلیاژ بر پایه کبالت؛
- سوپرآلیاژ بر پایه آهن.
جوشکاری سوپرآلیاژها دقیقا یعنی چه ؟
جوشکاری به معنای متصل کردن دو قطعه فلزی به یکدیگر به وسیله یک فلز “پرکننده” است. جوشکاری در انواع گوناگونی انجام می شود و متخصصان نیز با منظورها و هدف های متفاوتی این فرایند را عملی می کنند. باتوجه به این تعریف، می توانیم بگوییم که جوشکاری سوپرآلیاژها به معنای متصل کردن دو سوپرآلیاژ به یکدیگر یا متصل کردن یک قطعه سوپر آلیاژی با یک قطعه فولادی یا سایر قطعات فلزی است. گفتنی است که در جوشکاری سوپرآلیاژها، مؤلفه ها یا پارامترهای گوناگونی دخیل هستند؛ در ادامه این بخش، این مؤلفه ها را بررسی می کنیم:
فلز جوش پذیر
مطمئنا برجسته ترین مؤلفه در پروسه جوشکاری سوپرآلیاژها، نوع فلزهای جوشپذیر است. همانطور که به خوبی می دانید در جوشکاری سوپرآلیاژها، یکی از دو فلز جوش پذیر در زمره سوپرآلیاژها قرار خواهند گرفت؛ این مسئله را هم به خاطر داشته باشید که هر ابر آلیاژ بر اساس ویژگی هایی که دارد، با روش جوشکاری و فلز پرکننده متفاوتی جوشکاری خواهد شد. در ادامه، برخی از سوپرآلیاژها را از جهت جوش پذیری، بررسی می کنیم .
1. سوپرآلیاژ بر پایه نیکل: این ابر آلیاژ با درصدهای زیادی از دو عنصر فلزی نیکل و کرم تولید می شود و معمولا در کوره های نیروگاه های حرارتی یا ساخت انواع توربین های گازی صنعتی و نیمه صنعتی مورداستفاده قرار می گیرد. گفتنی است که سوپرآلیاژ نیکل شامل انواع گوناگونی می شود؛ سوپرآلیاژ اینکونل نیز یکی از این انواع است.
در جوشکاری سوپر آلیاژهای بر پایه نیکل از روش هایی مانند جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود تنگستن (GTA) جوشکاری با پرتو الکترونی (EB) و جوشکاری اصطکاکی استفاده می شود.
2. سوپرآلیاژ اینکونل: همان گونه که در بخش قبلی نیز گفتیم، اینکونل از انواع ابر آلیاژهای نیکلی محسوب می شود. ابر آلیاژ اینکونل قدیمی، در منطقه های تحت تأثیر دما (HAZ) دچار ترک خوردگی و جدایش می شد و بسیاری از صنعتگران را به زحمت می انداخت. به سبب همین مسئله، ابر آلیاژهای اینکونل 625 و 718 طراحی و توسعه یافته اند که مشکلات جوشکاری (ترک خوردگی و موارد دیگر) را تا حدود زیادی از میان برداشته اند.
3. سوپرآلیاژ بر پایه کبالت: این سوپرآلیاژ یکی دیگر از انواع ابرآلیاژهاست که با مقادیر بالایی از عنصر کبالت، تولید می شود. جالب است بدانید که جوشکاری سوپرآلیاژ بر پایه کبالت معمولا برای تعمیر این قطعات انجام می شود. قضیه از این قرار است که هزینه تعویض برخی از قطعات تولیدشده با سوپرآلیاژها (مانند پره انواع توربین های گازی) بسیار زیاد است، در نتیجه متخصصان ترجیح می دهند که این قطعه ها را در صورت امکان، به وسیله انواع جوشکاریه ا ترمیم کنند. از جوشکاری قوسی با گاز محافظ در تعمیر بسیاری از قطعات سوپرآلیاژ کبالت استفاده می شود.
فلز پرکننده
فلز پرکننده دقیقا همان گزینه ای است که برای متصل کردن دو قطعه سوپر آلیاژی مورد استفاده قرار می گیرد. در جوشکاری فلزهای آلیاژی معمولی، از فلزهای نه چندان قدرتمند مانند روی استفاده می شود اما در جوشکاری سوپرآلیاژها، مسئله تا حدودی فرق می کند؛ فلزهای پرکننده در سوپرآلیاژها، باید به نحوی انتخاب شوند که آسیب های احتمالی را به صفر برسانند.
آسیب های ناشی از انتخاب اشتباه فلز پرکننده:
مسئله مهم در انتخاب فلز پرکننده، دو قطعه فلزی است که قصد جوشکاری آنها را داریم. به عنوان مثال در جوشکاری سوپر آلیاژهای بر پایه نیکل به صفحه های فولادی یا صفحه های فلزی با آلیاژهای دیگر، میزان رقیق بودن فلز پرکننده بسیار مهم است؛ انتخاب اشتباه فلز پرکننده در چنین مواردی، احتمال ترک خوردگی فلز جوش را افزایش می دهد.
روش جوشکاری
با توجه به اینکه قصد داریم چه فلزهایی را به یکدیگر متصل کنیم، از روش های جوشکاری متفاوتی، استفاده خواهیم کرد. بدیهی است که شیوه های بسیار زیادی برای جوشکاری انواع فلزات در دسترس است، اما نکته اینجاست که صنعتگر باید مطابق با شرایط و موقعیت موجود، بهترین گزینه را انتخاب کند. روش های زیر، رایج ترین شیوه های جوشکاری انواع فلزات (بدون درنظرگرفتن آلیاژ آنها) هستند:
- جوشکاری در حالت جامد (جوشکاری غیر ذوبی)؛
- جوشکاری مقاومتی؛
- جوشکاری با گاز اکسیژن؛
- جوشکاری قوس تنگستن؛
- جوشکاری اشعه الکترونی؛
- جوشکاری قوسی با گاز محافظ .
از میان این روش ها، جوشکاری در حالت جامد برای متصل کردن و ترمیم کردن سوپرآلیاژها، کاربرد بسیار زیادی دارد. جالب است بدانید که جوشکاری غیر ذوبی به خودی خود، به انواع گوناگونی تقسیم می شود؛ در ادامه، انواع این جوشکاری را بررسی می کنیم .
- جوشکاری قوسی با گاز محافظ :
این نوع از جوشکاری در مقالات و نشریه های علمی با عنوان GMAW نامیده می شود. جوشکاری قوسی به وسیله سیم جوش پیوسته، با مشعل جوشکاری و سیستم تغذیه کننده انجام می شود. جوشکاری قوسی با گاز محافظ به سبب اینکه نرخ رسوب بیشتری در مقایسه با جوشکاری زیر پودری دارد، معمولا رایجتر است .
- جوشکاری ارتعاشی:
جوشکاری ارتعاشی از جهت زمانی بسیار سریع انجام می شود (1 تا 0.1 ثانیه) و اساس آن نیز بر مبنای تولید گرما و ذوب عناصر فلزی بر اساس ایجاد اصطکاک است.
- جوشکاری مقاومتی:
زمانی که فلزها به سبب مقاومت الکتریکی حاصل از عبور جریان الکتریکی گرم می شوند، جوشکاری مقاومتی به وسیله حرارت و فشار توأمان، انجام می شود. گفتنی است که جریان الکتریکی به فورج شدن و خنک کاری فلزها نیز کمک می کند.
- جوشکاری مقاومتی نقطه ای :
روش مقاومتی نقطه ای در واقع یکی از انواع روش های جوشکاری مقاومتی محسوب می شود؛ می توانیم بگوییم که رایج ترین نوع جوشکاری مقاومتی، روش جوشکاری مقاومتی نقطه ای است. از روش مقاومتی نقطه ای برای اتصال سیم به ورق، سیم به سیم یا ورق های لب به هم، استفاده می شود.
- جوشکاری نفوذی:
در این روش نیز از حرارت استفاده می شود اما نکته اینجاست که درجه حرارت به کاررفته برای جوشکاری نفوذی، بسیار کمتر از نقطه ذوب قطعه ها یا فلزات است. مؤلفه اصلی در اتصال نفوذی، نفوذ در شکل جامد فلز، بدون تشکیل فاز مایع است.
