موضوع مقاله: جوشکاری تیتانیوم | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # جوشکاری تیتانیوم | مقدمه: تیتانیوم عنصری است نرم، سبک، نقره‌ای براق، درخشان و فلزی مقاوم در برابر فرسایش است و در آلیاژهای محکم و سبک و رنگ‌دانه‌های سفید کاربرد دارد. | ## بخش 1: جوشکاری تیتانیوم | دسته‌بندی آلیاژهای تیتانیوم بر اساس ساختار کریستالی آن آلیاژ در دمای محیط به سه دسته آلفا، بتا و آلفا-بتا تقسیم می‌شوند. تیتانیوم تمایل شیمیایی زیادی به اکسیژن است و یک لایه اکسیدی پایدار و چسبنده به سرعت روی یک سطح تمیز حتی در دمای اتاق تشکیل می‌دهد. این رفتار منجر به تشکیل یک رفتار غیرفعال‌شدگی طبیعی می‌شود که میزان مقاومت به خوردگی آن را بالا می‌برد. تمایل زیاد تیتانیوم به اکسیژن با دما افزایش یافته و لایه اکسید سطحی در دماهای بالا، افزایش ضخامت می‌دهد. در دماهایی بالاتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد (۹۳۰ درجه فارنهایت) مقاومت به اکسیداسیون تیتانیوم به سرعت کاهش یافته و به وسیله اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن که به‌صورت بین‌نشین در تیتانیوم حل می شوند، فلز به شدت به تردی مستعد می‌شود. در نتیجه، ذوب، انجماد و تبرید در حالت جامد مربوط به جوشکاری ذوبی را باید در محیط‌های خنثی یا خلأ انجام داد. جوش‌پذیری جوش پذیری آلیاژهای مختلف تیتانیوم با یکدیگر متفاوت است و بسیار متأثر از فاز آن می‌باشد. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم آلفا دارای جوش‌پذیری خوبی هستند، زیرا این آلیاژها به عملیات حرارتی حساس نیستند. به‌سبب داکتیلیته خوب، این آلیاژها در صورت آنیل شدن، دارای قابلیت جوشکاری خوبی هستند. آلیاژهای آلفا-بتا جوشکاری آلیاژهای آلفا- بتا می‌تواند استحکام، داکتیلیته و چقرمگی را در نتیجه چرخه گرمایی‌ای که آلیاژها در معرض آن قرار می‌گیرند، به شدت تغییر دهد. آلیاژهای آلفا- بتا نظیر Ti-6Al-4V و دیگر آلیاژهای ضعیف پایدارشده بتا را می‌توان با موفقیت در شرایط آنیل یا در شرایط عملیات انحلالی‌شده یا پیرسازی ناقصی که در حین عملیات حرارتی آزادسازی تنش پساجوشکاری کامل می‌شود اتصال‌دهی نمود. اتصالات جوشکاری‌شده دارای داکتیلیته مناسب، اما استحکام نسبتاً کم (در شرایط جوشکاری) هستند. اما از این اتصالات غالباً در این شرایط استفاده می‌شود زیرا اتصال جوشکاری‌شده ممکن است نسبت به فلز پایه، پاسخ متفاوتی به عملیات حرارتی داشته باشد، و عملیات حرارتی آلیاژهای جوشکاری‌شده بتا می‌تواند منجر به دشواری‌هایی در داکتیلیته اتصال شود. ملاحظات ویژه تیتانیوم یک ماده بسیار واکنش‌پذیر بوده و با بسیاری از اتمسفرها برهم‌کنش می‌کند، و ملاحظات خاصی قبل و در حین اتصال‌دهی لازم است تا از ایجاد اتصالی موفقیت‌آمیز و استحکام قابل قبول اطمینان حاصل گردد. اگر اقدامات پیش‌گیرانه صحیحی اتخاذ گردند تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم را می‌توان در شرایط دمایی زیر صفر تا دماهای بالا جوشکاری کرد. آلیاژهای تیتانیوم را می‌توان به‌صورت ذوبی یا حالت جامد جوشکاری کرده و نیز لحیم‌کاری نمود. در هنگام جوشکاری تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم، هیچ ماده پوشاننده‌ای مورد نیاز نیست اما می‌توان برای لحیم‌کاری در برخی مواقع از فلاکس استفاده کرد. جوش‌های آلیاژی تیتانیوم معمولاً در شرایطی حساس به خستگی هستند و نیاز به عملیات آزادسازی تنش پس از جوشکاری دارند. | ## بخش 2: جوشکاری تیتانیوم | جوشکاری مقاومتی، قوس پلاسما، جوشکاری با پرتو الکترون و جوشکاری اصطکاکی نیز به‌میزان محدود روی تیتانیوم اجرا می‌شوند. لازم است ذکر شود که بسیاری از اصول مورد بحث، برای کلیهٔ فرایندها قابل استفاده است. به‌طور کلی برای موارد زیر، لازم است تأمین گاز به صورت جداگانه انجام گیرد: · محافظت اولیه از حوضچهٔ جوش مذاب · محافظت ثانویه از رسوب جوش درحال خنک شدن و مناطق HAZ مرتبط با آن · گاز محافظ پشتیبان برای پشت جوش و مناطق HAZ مرتبط با آن محافظت اولیه محافظت اولیه از گودال جوش مذاب با انتخاب مشعل جوشکاری مناسب فراهم می‌شود. لنزهای گازی مناسب نیز جریان گاز خنثای یکنواخت و غیر توربولانت (نامتلاطم) را فراهم می‌کنند. در دستیابی به قوس پایدارتر در محافظت اولیه، آرگون نسبت به هلیوم بهتر عمل می‌کند. در صورت تمایل به ولتاژ بالاتر، قوس داغ تر و نفوذ بیشتر، می‌توان از مخلوط آرگون-هلیوم استفاده کرد. توجه شود که حتماً باید از نرخ جریان گاز توصیه شده توسط سازندهٔ مشعل استفاده شود. به‌طور کلی این که محافظت اولیه اثربخش خواهد بود یا خیر را باید قبل از جوشکاری ارزیابی کرد. اعمال گاز محافظ، باید تا پس از تشکیل حوضچهٔ مذاب، قطع شدن قوس و سرد شدن جوش ادامه یابد. محافظت ثانویه محافظ ثانویه وظیفهٔ محافظت از فلز جوش داده شدهٔ تیتانیوم و مناطق HAZ مرتبط با آن را به عهده دارد. همچنین نیاز احتمالی به خنک کردن با آب (خصوصا برای مقاطع بزرگتر) باید در نظر گرفته شود. محافظت پشتیبان هدف اصلی سیستم‌های پشتیبان، ایجاد محافظت از طریق گاز خنثی در سمت ریشهٔ جوش و مناطق تحت تأثیر حرارت مرتبط با آن است. میله‌های پشتیبان مسی خنک شونده با آب (یا میله‌های فلزی عظیم) برای سرد کردن جوش استفاده می‌شوند. برای ایجاد محافظت کافی، حدود 10cfh جریان گاز بی اثر در هر فوت خطِ شیار لازم است. این سیستم برای محصور کردن کامل قطعهٔ کار و پر کردن آن با گاز بی اثر، از پلاستیک استفاده می‌کند. به علاوه، از فویل آلومینیوم یا فولاد ضدزنگ به عنوان محافظ پشتیبان استفاده می‌شوند. هنگامی که از چنین تکنیک‌هایی استفاده می‌شود، بسیار مهم است که تمام هوایی که باعث آلودگی جوش تیتانیوم می‌شود، از سیستم زدوده شود. نقایص جوش در بسیاری از سیستم‌های آلیاژی، جوش پذیری توسط قابلیت آلیاژ برای ایجاد جوشی عاری از نقایص یا عیوب تعیین می شود. | ## بخش 3: جوشکاری تیتانیوم | نقایصی که ممکن است در حین جوشکاری آلیاژهای تیتانیوم با آن برخورد شود عبارتند از: جدایش (ماکرو و میکرو جدایش) در سازه های جوشکاری شده گدازشی از جنس آلیاژ تیتانیوم، میکروجدایش عمدتاً به صورت باند عرضی از عنصر حل شونده رخ می دهد. این باندهای غنی یا تهی از عنصر حل شونده معمولاً به شکل حلقه هایی از خطوط منحنی روی سطح سازه جوشکاری شده پولیش و حکاکی شده پدیدار می شوند و به تغییرات گرمایی در حوضچه جوش که به‌طور دوره ای سرعت فصل مشترک جامد- مذاب را تغییر می دهد نسبت داده می شود. باند عرضی از عنصر حل شونده با استفاده از فرایندهای جوشکاری قوسی و پرانرژی رخ داده‌است. شرایط انجماد غیرتعادلی تجربه شده در حین جوشکاری گدازشی منجر به شکسته شدن فصل مشترک در حال پیشرفت جامد-مذاب به زیرساختارهای سلولی، سلولی- دندریتی و دندریتی می شود. شکسته شدن فصل مشترک در جوش‌های آلیاژهای تجاری تیتانیوم به جدایش عناصر آلیاژی در یک مقیاس بین سلولی یا بین دندریتی مربوط می شود. میکروجدایش در سازه‌های جوشکاری شده از جنس آلیاژ شبه پایدار بتا بارزتر از آلفا- بتاست. این رفتار عمدتاً به دلیل سطح بسیار بالاتر عناصر آلیاژی (و در نتیجه تفاوتهای مطلق ترکیبی در ناحی جدایش یافته) و نبودن یک ساختار استحاله شده در ناحیه گدازش بتای باقیمانده است. ترک انجمادی نسبت به بسیاری از دیگر آلیاژهای سازه ای نظیر آلیاژهای آلومینیوم و بسیاری از فولادهای ضدزنگ آستنیتی، آلیاژهای تیتانیوم معمولاً مستعد به ترک انجمادی در ناحیه گدازش محسوب نمی شوند. اما تحت شرایط سخت قیدگذاری، ترک انجمادی در راستای مرزدانه‌های بتای ستونی می تواند رخ دهد. برخی کارهای پژوهشی روی ترک انجمادی Ti-6Al-4V نشان دادند که ترک انجمادی را باید در هنگام طراحی اتصالات در قطعات سازه ای Ti-6Al-4V در نظر گرفت. در بیشتر آلیاژهای تیتانیوم، وجود رسوبات ریز فاز ثانویه یا ذرات رسوب کرده نظیر رسوبات آلومینیوم و نیکل در آلیاژهای پیرسخت شده منتفی است. با توجه به این واقعیت که ناخالصی‌های موجود در مرزدانه ها محدود هستند آلیاژهای تیتانیوم معمول معمولاً به ترک در HAZ یا ترک ذوبی در فلز جوش بسیار مقاوم هستند. در آلیاژهای تیتانیوم استحکام یافته توسط رسوبات ریز RE، ذوب ذرات رسوبی ریز در HAZ جوش می تواند رخ دهد که این مذاب، متعاقباً مرزدانه‌های بتای همسایه را تر می کند. هرچند ترک در راستای این مرزها مشاهده نشده‌است اما انتظار می رود که در جوشکاری قوی این آلیاژها تحت شرایط قید بالا روی جوش، ترک رخ دهد. ترک ناشی از آلودگی‌ها و ناخالصی‌ها هنگامی که تیتانیوم در معرض هوا، رطوبت یا هیدروکربنها در دماهایی بیش از °C 500 (°F 930) قرار می گیرد به سادگی اکسیژن، نیتروژن، کربن و هیدروژن را جذب خواهد کرد. این اتم‌های کوچک عناصر بین نشین به شبکه بلوری به شکل تک اتمی وارد خواهند شد و به مکان‌های بین نشین (مکانهای واقع بین اتمهای تیتانیوم) مهاجرت خواهند کرد. همان‌طور که قبلاً ذکر شد، این عناصر بین نشین از تغییرشکل پلاستیک جلوگیری کرده و استحکام را افزایش می دهند اما موجب یک افت محسوس در داکتیلیته می شوند. | ## جمع‌بندی | تردی هیدروژنی درحالی‌که هیدروژن نقشی کلیدی در ترک ناشی از آلودگی و ناخالصی ایجاد می کند، همان‌طور که قبلاً ذکر شد، این عنصر همچنین می تواند منجر به تردی هیدروژنی یا ترک تأخیری هیدروژنی با وارد شدن به تیتانیوم به شیوه‌های دیگر شود.