جوشکاری زیرکونیوم

بندانگشتی|الماس بدلی که از زیرکونیم ساخته شده‌است
جوشکاری زیرکونیوم، هافنیوم و آلیاژهای آن‌ها را می‌توان با در نظر گرفتن و رعایت کردن تمهیداتی به‌سادگی انجام داد. جوشکاری با روش تیگ بهترین فرآیند برای جوشکاری قطعات نازک و فرآیند جوشکاری با پرتو الکترون مناسب‌ترین روش برای جوشکاری قطعات ضخیم آن‌ها به شمار می‌رود. 

 زیرکونیم 
زیرکونیم برای تهیه ساختمان اصلی و قطعات نیروگاه‌های هسته‌ای، محفظه‌های خلاء، لامپ‌های فلاش، تجهیزات آزمایشگاه شیمیایی، ابزارهای جراحی مانند پیچ و مهره، و ورق‌هایی که در صورت لزوم به‌جای جمجمه در سر انسان قرار داده می‌شوند، قابل استفاده است. از مهمترین خواص زیرکونیم، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: 
چگالی یا جرم مخصوص: گرم بر سانتی‌متر مکعبCPH: ۶٫۵

BCC: ۶نقطه ذوب: درجه سانتی‌گراد۱۸۵۲نقطه جوش: درجه سانتی‌گراد۳۵۸۰

۰٫۲۱۱ضریب انتقال حرارت: W.C/Cm        (در ۲۵ درجه سانتی‌گراد)

(در ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد)۰٫۱۷۸مقاومت الکتریکی: میکرو اهم بر سانتی متر (در ۲۵ درجه سانتی‌گراد)۴۰ساختار کریستالی: CPH در ۲۵ درجه و BCC در ۲۵ درجه سانتی‌گراد–

 جوش‌پذیری 
زیرکونیم، هافنیوم و آلیاژهای آن‌ها را می‌توان با در نظر گرفتن و رعایت کردن تمهیداتی به سادگی جوشکاری کرد. جوشکاری با روش تیگ بهترین فرآیند برای جوشکاری قطعات نازک و فرآیند جوش الکترونی مناسب‌ترین روش برای جوشکاری قطعات ضخیم آن‌ها به‌شمار می‌رود. از آن‌جایی که فلزات و آلیاژهای مذکور به‌شدت فعال بوده و دمای مورد نیاز برای جوشکاری آن‌ها نیز بسیار بالاست، باید محیط جوشکاری را از ورود انواع گازهای مضر مثل اکسیژن، نیتروژن و دی اکسید کربن محافظت نمود. به همین دلیل در جوشکاری این مواد به‌کارگیری محفظه‌های مناسب و یا استفاده از تورچ‌های مخصوص و گاز پشت‌بند توصیه شده‌است. زیرا آلودگی ناشی از جوشکاری و ورود ناخالصی‌ها مقاومت‌به‌خوردگی و انعطاف‌پذیری آلیاژ را به‌شدت کاهش می‌دهد. همان‌طور که گفته شد، زیرکونیم در درجه حرارت‌های پایین دارای فاز آلفا با ساختار CPH بوده و در درجه حرارت ۸۶۲ درجه سانتی‌گراد به فاز بتا با ساختار BCC استحاله می‌یابد. افزایش عناصر آلیاژی علاوه بر سایر خواص، سبب تغییر دمای استحاله نیز می‌شود. همچنین هافنیوم در دمای محیط دارای ساختار CPH بوده و ساختار آن در ۱۷۶۰ درجه سانتی‌گراد به BCC تغییر شکل می‌دهد. زیرکونیم و آلیاژهای آن به‌طور معمول به‌صورت تجاری یا فعال در دسترس است. نوع تجاری آن معمولاً از خواص مکانیکی بالایی برخوردار نبوده، اما نوع فعال آن که در ساخت تجهیزات نیروگاه‌های اتمی کاربرد دارد و اغلب زیرکالوی نامیده می‌شود، از خواص مکانیکی بالاتری برخوردار بوده و در انواع مقاطع به‌صورت ورق، میله‌گرد و لوله ساخته می‌شود. در جدول زیر چهار نوع از معروف‌ترین آلیاژهای تجاری زیرکونیم که در ای‌اس‌تی‌ام بین‌الملل شمارۀ ۵۵۰ استاندارد شده‌اند، همراه با ترکیب شیمیایی نشان داده شده‌است:
+ترکیب شیمیایی چهار نوع از آلیاژهای معروف (تجاری) زیرکونیم بر اساس استاندارد ASTM و B550حداکثر اکسیژننیوبیومحداکثر کربنحداکثر نیتروژنحداکثر هیدروژنقلعآهن+کربنحداکثر هافنیومحداقل

Zr+Haترکیب شیمیایی/آلیاژ۰٫۱۶–۰٫۰۵۰٫۰۲۵۰٫۰۰۵-حداکثر ۰٫۲۴٫۵۹۹٫۲R۶۰۷۰۲۰٫۱۸–۰٫۰۵۰٫۰۲۵۰٫۰۰۵۲–۱۰٫۴–۰٫۲۴٫۵۹۹٫۵R۶۰۷۰۴۰٫۱۸۳–۲۰٫۰۵۰٫۰۲۵۰٫۰۰۵-حداکثر ۰٫۲۴٫۵۹۹٫۵R۶۰۷۰۵۰٫۱۸۳–۲۰٫۰۵۰٫۰۲۵۰٫۰۰۵-حداکثر ۰٫۲۴٫۵۹۹٫۵R۶۰۷۰۶
آلیاژهای فعال زیرکونیم معمولاً مقدار کمتری هافنیوم داشته و مقدار سایر عناصر آلیاژی آن‌ها نیز کنترل‌شده است. جدول زیر ترکیب شیمیایی سه نوع از معروف‌ترین آلیاژهای زیرکالوی را که در ای‌اس‌تی‌ام شماره B۳۵۱ استاندارد شده نشان می‌دهد:
+ترکیب شیمیایی سه نوع از معروف‌ترین آلیاژهای فعال زیرکونیم بر اساس استاندارد ASTM و B551زیرکونیومهافنیومآهن+کرم+نیکلاکسیژننیوبیومنیکلکرمآهنقلعترکیب شیمیایی/آلیاژالباقی

۱٫۲–۱٫۷۰٫۰۱ R۶۰۸۰۲۰٫۱۸–۰٫۳۸––۰٫۰۸–۰٫۰۳۰٫۱۵–۰٫۰۵۰٫۱–۰٫۰۷(zircaloy-۲)الباقی۰٫۰۱ ––––۰٫۱۳–۰٫۰۷۰٫۲۴–۰٫۱۸۱٫۷–۱٫۲R۶۰۸۰۴

(zircaloy-۴)الباقی۰٫۰۱    -۰٫۱۳–۰٫۰۹۲٫۸–۲٫۴––––R۶۰۹۰۱

(zr،۲٫۵Nb)
هافنیوم نیز معمولاً در ساخت تجهیزات نیروگاه‌های اتمی و در مکان‌هایی که در مقابل خوردگی حساس هستند به‌صورت غیرآلیاژی کاربرد دارد. فرآیندهای جوشکاری هافنیوم نیز بسیار شبیه فرآیندهای جوشکاری زیرکونیم است. مهمترین مواردی که باید در جوشکاری زیرکونیم، هافنیوم و آلیاژهای آن‌ها مدنظر قرار داد به قرار زیر است:

 قبل از شروع جوشکاری سطح قطعه کار باید کاملاً تمیز و از هرگونه آلودگی چربی و لایه اکسیدی پاک شود.

 پس از جوشکاری معمولاً نیازی به عملیات حرارتی نمی‌باشد. زیرا هر دو فلز از انعطاف‌پذیری خوبی برخوردارند. اما عملیات تنش‌زدایی در ۶۸۰ درجه سانتی‌گراد به مدت ۲۰ تا ۱۵ دقیقه و سپس سرد کردن در هوا برای زیرکونیم و تنش‌زدایی در ۵۴۰ درجه سانتی‌گراد برای هافنیوم توصیه شده‌است.

 زیرکونیم و هافنیوم را فقط می‌توان به خودشان، آلیاژهای‌شان و فلزات فعال مثل تیتانیوم، نیوبیوم و تانتالیوم جوشکاری کرد. چنانچه این فلزات به فلزات غیرفعال جوشکاری شود، به‌دلیل تشکیل فازهای بین فلزی محل جوشکاری‌شده به‌شدت تُرد و شکننده می‌شود.

در استاندارد 79-AWS :A5.24 سه نوع سیم‌جوش آلیاژی زیرکونیم معرفی شده که در جدول زیر ترکیب شیمیایی آن‌ها آمده‌است.
+ترکیب شیمیایی سیم‌جوش‌های زیرکونیم بر اساس استاندارد AWS,A5.24 (سال ۱۹۷۹ تا کنون)سیم‌جوشاستاندارد UNSزیرکونیوم +هافنیومهافنیومآهن+کرمقلعاکسیژنهیدروژننیتروژنکربنکلمبیومERZr-۲R۶۰۷۰۲حداقل ۹۹-۹۱۴٫۵۰٫۲–۰٫۱۶۰٫۰۰۵۰٫۲۵۰٫۰۵–ERZr-۳R۶۰۷۰۴حداقل ۹۷٫۵۴٫۵۰٫۴–۰٫۲۲–۱۰٫۱۶۰٫۰۰۵۰٫۲۵۰٫۰۵–ERZr-۴R۶۰۷۰۵حداقل ۹۵٫۵۴٫۵۰٫۲–۰٫۱۶۰٫۰۰۵۰٫۲۵۰٫۰۵۳–۲

سیم‌جوش نوع ERZr۲، اغلب برای جوشکاری زیرکونیم خالص نوع تجاری استاندارد ۶۰۷۰۲ R، سیم جوش ERZI۳ برای جوشکاری آلیاژ ZR۱/۵Sn (استاندارد R۶۰۷۰۴) و سیم جوش ERZr۴ برای جوشکاری آلیاژی Zr-2/5Nb (استانداردهای R۶۰۷۰۵ و R۶۰۷۰۶) کاربرد دارد. آلیاژهای هافنیوم را نیز باید با مفتول‌هایی مشابه خودشان جوشکاری کرد.

 همانند سایر فلزات فعال در جوشکاری زیرکونیم، هافنیوم و آلیاژهای آن‌ها، استفاده از گازهای آرگون یا هلیوم و یا مخلوطی از این دو توصیه شده‌است.

 فرآیند جوشکاری تیگ بهترین روش برای جوشکاری این آلیاژهاست. جریان مورد صورت مستقیم و الکترود تنگستن با ۲ درصد توریوم (۲-EWTh) توصیه شده‌است. جدول (۱۰-۴) پارامترها و دستورالعمل‌های جوشکاری تیگ را نشان می‌دهد.

+پارامترهای جوشکاری تیگ برای آلیاژهای زیرکونیم (با جریان مستقیم)ضخامت فلز پایه (میلی‌متر)قطر الکترود تنگستن (میلی‌متر)قطر نازل گاز آرگون (میلی‌متر)شدت جریان گاز آرگون (لیتر بر ثانیه)

(مستقیم)جریان (A)

(مستقیم)سرعت جوشکاری

cm/minروش جوشکاریتورچپشت‌بند۰٫۳۱٫۲۷٫۷۵۵٫۷۲٫۴۴۵۵۰تیگ اتوماتیک۰٫۴۱٫۲۷٫۷۵۶٫۶۲٫۴۸۰۶۲٫۵تیگ اتوماتیک۰٫۴۱٫۲۷٫۷۵۶٫۶۲٫۴۱۰۰۶۲٫۵تیگ اتوماتیک۰٫۶۱٫۶۷٫۷۵۶٫۶۲٫۴۵۰–تیگ اتوماتیک۰٫۶۱٫۶۱۱٫۵۷٫۶۲٫۴۱۲۵۵۰تیگ اتوماتیک۱۲۱۱٫۵۷٫۶۲٫۴۱۵۰۵۰تیگ اتوماتیک۱٫۵۳۱۳٫۷۵۷٫۶۲٫۴۱۶۰۵۰تیگ اتوماتیک۱٫۵۳۱۴٫۷۵۷٫۶۲٫۴۱۲۰–تیگ اتوماتیک۲۳۱۴٫۷۵۷٫۶۲٫۴۸۰۵۰تیگ اتوماتیک

 جستارهای وابسته 

 فهرست عناصر جدول تناوبی
 جوشکاری تیگ
 جوشکاری با قوس الکتریکی
 لحیم کاری
 لحیم کاری سخت
 جوشکاری ذوبی

 منابع 

 مهرداد معینیان، «کلید جوشکاری» (جلد۱)، انتشارات آزاده ۱۳۸۰، .

 پیوند به بیرون 
مسعود فکوری حسن‌آبادی، کارگاه جوشکاری و ورق‌کاری، انتشارات پارسیان کتاب، .
رده:جوشکاری
رده:زیرکونیم
رده:مهندسی مواد
رده:مهندسی مکانیک
رده:اتصال دادن