رنگین شدن آلیاژها پس از جوشکاری

رنگین شدن آلیاژها پس از جوشکاری

 

مقدمه

افرادی که باعملیات حرارتی و جوشکاری سروکاردارند، با رنگین شدن آلیاژها پس ازجوشکاری یاعملیات حرارتی آشناهستند. این پدیده بیش ازهمه وقتی رخ میدهدکه چند درزجوش نزدیک بهم باشندوحرارت داده شده Heat Input ناشی ازفرایندجوشکاری، روی هم اضافه شوند. درچنین شرایطی فولادهای کربنی، کم آلیاژ، زنگ نزن، آلیاژهای تیتانیوم، کبالت، آلومینیوم و نیکل، تغییررنگ میدهند. یکی ازپرسشهای بازرسان فنی ومتخصصان جوشکاری، اینست که تغییررنگ آلیاژها ، چه تاثیری برخواص مکانیکی ومقاومت به خوردگی آنهادارد. پس ازسردشدن لوله هاواتصالات وبراساس رنگ باقی مانده، چگونه میتوان درموردسلامت جوشکاری قضاوت کرد. چه زمانی ودرچه شرایطی نیازبه زدودن لایه های اکسیدی است. پاسخ به پرسش های مذکوروقتی مشکل میشودکه دراستانداردهای ساخت وجوشکاری بندرت مطلبی درمورداین پدیده توجه وجودداردواثرآن کمترموردبررسی قرارگرفته است. به علاوه دربرخی ازمتون، پدیده تابش رنگ دراثرگرم شدن فلزات رابارنگین شدن پس ازحرارت خلط کرده اندوسبب عدم وضوح بیشترشده اند.

تغییر رنگ فلزات در اثر گرما

الکترون اتم های عناصر، وقتی گرم میشوند، دراثر جذب انرژی، دراطراف مدارالکترونی، شروع به نوسان میکنندوبرای رسیدن به سطح تعادل، انرژی جذب شده رابصورت فوتون های الکترو مغناطیسی به بیرون تابش میکنند. آشناترین وجه این پدیده که همه باآن آشناهستیم، نورافشانی لامپ ازطریق داغ شدن رشته تنگستن آن است. سطح داغ فلز، براساس قوانین تابش جسم سیاه، پرتوی الکترومغناطیسی میتاباندکه درحوزه نور مرئی قراردارد، باافزایش حرارت این تابش ازنور تیره شروع وبه سمت نورسفیدکه دمای ذوب فلزات است، میل میکند.

تغییر رنگ-دمای ذوب-شروع گرم شدن-آلیاژ

اساس کاردستگاه های اندازه گیری دما ازفواصل دور Pyrometers، برهمین خاصیت انتشارطیف نوری خاص هرعنصر دردمای معین استواراست.

 

تابش رنگ فولاد کربنی داغ

تابش رنگ فولاد کربنی داغ

تغییر رنگ فلزات پس از سرد شدن Heat Tint

با گرم شدن فلز، بسته به درجه حرارت وزمان باقی ماندن دردمای معین، دراثرواکنش گازها، بخصوص اکسیژن باسطح داغ فلز، اکسیدی سطحی شروع به شکل گرفتن میکندوهرچه دمای فلز بالاتررودیااکسیژن محیط افزایش یابدوفرایندطولانی ترشود، بسته به ترکیب شیمیایی آلیاژ، لایه اکسیدی ضخیم تری تشکیل میگردد.

ارتباط محیط و دما با ضخامت اکسید

ارتباط محیط و دما با ضخامت اکسید

اکسیدشدن فوق درغیاب رطوبت رخ میدهدودرگذشته بعنوان نوع خاصی ازخوردگی درنظرگرفته میشد، اماتحقیقات جدیدترنشان دادکه این نوع خوردگی همچنان ازفرایندهای الکتروشیمیایی تبعیت میکند. اکسیدشدن درغیاب رطوبت، هنگامی رخ میدهدکه فشارجزیی اکسیژن ازفشاراکسید Dissociation Oxide Pressure بالاترباشد. اکسیدحاصل درسطح فلزبصورت فیلم های نازکی روی هم ایجادمیشوند. گرچه اکسیدهاشفاف نیستند امابه علت نازکی فیلم های اکسیدی، نورازلایه های آن عبورمیکند. نازکترین فیلم ها ازحدود ۱ میکرون شروع وضخیم ترین آنهامیتواننددرحدود ۲ میلیمترضخامت داشته باشند. اکسیدهای ضخیم تراغلب پوسته Scale اکسیدی نامیده میشود. رنگین شدن لایه های اکسیددراثرپدیده تداخل نور Interference صورت میگیردووقتی میتواندرخ دهدکه ضخامت لایه اکسیدحداقل درحدود ۳ میکرون باشد. اولین مراحل تشکیل فیلم اکسیدی درسطح فلزباچشم غیرمسلح قابل دیدن نیست. اماهنگامی که ضخامت فیلم اکسیدحداقل معادل یک چهارم طول موج نورمرئی شود، تداخل نوردرسطح خارجی Outer وسطح داخلیInner فیلم اکسیدی رخ میدهدورنگ حاصل قابل دیدن خواهدشد.

دیده شدن نور در اثر تداخل

دیده شدن نور در اثر تداخل

ضخامت لایه اکسیدی به درجه حرارت، زمان باقی ماندن دردماوترکیب شیمیایی فلزپایه بستگی دارد. بیشتربازرسان فنی، دلیل ایجادرنگ اکسیدهای پس ازجوشکاری یاعملیات حرارتی راصرفابه درجه حرارت نسبت میدهند، اماافزایش یاکاهش زمان باقی ماندن دردماهای بالانیزاثری مشابه دارد. درشکل زیرتفاوت ضخامت اکسیدورنگهای حاصل ازآنرادردمای ثابت وزمان متغیرملاحظه میکنید. ازآنجاییکه درشرایط معمول کارگاهی، عامل اصلی افزایش سرعت وضخامت اکسید، درجه حرارت جوشکاری است، اگراززمان وترکیب شیمیایی آلیاژصرف نظرشود، براساس بازتاب رنگ لایه اکسیدی وبادرصدی ازخطا، میتوان حدوددمایی که فلزدرآن قرارداشت راحدس زد.

 

تاثیر زمان نگهداری فولاد زنگ نزن در یک دمای ثابت

تاثیر زمان نگهداری فولاد زنگ نزن ۳۰۴ در دمای ثابت ۸۰۰ درجه سانتی گراد

همانطور که درسطرهای بالا قیدشد، فیلم های نازک اکسیدی رنگ های روشن طلایی و پوسته های ضخیم اکسیدی رنگ های تیره خواهندداشت. جدول های متعددی ازسوی مراجع مختلف انتشاریافته است که بسته به هدف تهیه کنندگان تفاوت هایی راباهم دارند. درذیل نمونه ای ازاین جدول های تقریبی ملاحظه میشود.

 

جدول رنگ لایه اکسید بر اساس درجه حرارت

جدول رنگ لایه اکسید بر اساس درجه حرارت

مقایسه رنگ های ناشی از گرم شدن و لایه های اکسیدی

 

C:\Users\MT\Desktop\تابش فلز داغ- رنگ ناشی از اکسید شدن.png

رنگ ناشی ازتابش فولادداغ، ازرنگ های تیره شروع وبا افزایش دما بسمت رنگ های روشن میل میکند. دردمای ذوب رنگ فولادهاسفیددرخشان است. رنگ فلزاکسیدشده مسیری برعکس دارد. اکسیدنازک ناشی ازدمای پایینتراز رنگ طلایی کمرنگ داردوبا افزایش دما وضخامت لایه اکسیدی رنگ ها به سمت تیره متمایل میشوند.

رنگین شدن در اثر عملیات حرارتی

درکارگاه های ساخت ونصب گاهی لازم است که برای کاهش تنش های پسماند ازعملیات حرارتی تنش زدایی بصورت موضعی یاکامل استفاده شود. ازآنجاییکه اصولا تمام انواع عملیات حرارتی نسبت به جوشکاری زمان بیشتری دارندو مراحل آنهابه آهستگی صورت میگیرد،مطالعه تشکیل فیلم اکسیدی و رنگ حاصل آن دراین عملیات آسانتراز جوشکاری است درشکل رنگ حاصل ازحرارت دادن آهسته فولادکربنی درعملیات حرارتی راملاحظه میکنید.

 

تغییر رنگ فولاد کربنی در عملیات حرارتی

تغییر رنگ فولاد کربنی در عملیات حرارتی

جدول ها ونمودارهای مربوط به تغییررنگ فلزات دراثر عملیات حرارتی Temper Color بطورقابل ملاحظه ای دقیقترازتغییرات رنگ ناشی ازجوشکاری است و دراین زمینه مطالعات بیشتری صورت گرفته است. مقایسه دوبخش تصویربالا، به نحو ضمنی اثرزمان نگهداری فولاد دردمای بالا راهم نشان میدهد. مشاهده میشودکه در Quenching علیرغم اینکه ازدمای به مراتب بالاتری استفاده میشوداما بعلت زمان کوتاه قرارگرفتن دردمای بالا، بازتاب رنگ اکسیدحاصل روشن تر ازدماهای کمتر امابازمان قرارگرفتن طولانی تر است.

تباین رنگ درشمشیرتصویرپایین به این علت است که برای داشتن خواص توام ضربه پذیری و سختی، قسمت داخلی پس ازسردکاری سریع Quenching برای مدت طولانی تری تحت عملیات حرارتی برگشت Tempering قرارداده شدوقسمت بیرونی برای باسرد زیادتری سردشد. درنتیجه اکسیدسطح میانی شمشیر ضخامت بیشتری داردوبازتاب رنگ آن تیره تر ازلبه هااست که اکسیدنازکتری داردوبسرعت سخت شده است.

 

تفاوت رنگ در شمشیر آبکاری شده

تفاوت رنگ در شمشیر آبکاری شده

تغییر رنگ تابه آشپزخانه

تغییر رنگ تابه آشپزخانه

رنگین شدن در اثر جوشکاری

درجوشکاری پدیده های گرم شدن، ذوب، انجمادوتغییرات کریستالی درزمانی بسیارکوتاه صورت میگیرد. بعنوان مثال گرچه دمای مرکزقوس الکتریکی درحدود۶۰۰۰درجه سانتیگرادودمای حوضچه مذاب جوش بالاتراز۱۶۰۰درجه است، اماپس اززمانی کمترازچندصدم ثانیه دمای فلزجوش ونواحی اطراف آن بشدت افت میکند. افزایش فاصله ازمرکز جوش نیزاثری مشابه درتوزیع حرارت دارد. این ویژگی که عامل مشترک اغلب فرایندهای جوشکاری است، باحفظ مبانی تئوریک پایه، عوامل دیگرراتحت الشعاع قرارمیدهدوبرای تاکید برعامل زمان، گاهی متالورژی جوشکاری رامتالورژی درزمان کوتاه مینامند. نمودارتوزیع دمای جوشکاری فولادکربنی وساختارمیکروسکوپی حاصل درشکل ذیل آورده شده است.

توزیع حرارت در جوشکاری فولاد کربنی ساده

توزیع حرارت در جوشکاری فولاد کربنی ساده

نواحی تحت تاثیر حرارت جوشکاری

در شکل های پایین نواحی جوش در اثر توزیع حرارت نمایش داده شده است.

 

C:\Users\MT\Desktop\نواحی ایجاد شده در اثر حرارت جوشکاری.png

نواحی جوش

 

نواحی جوش

۱) فلز جوش Weld Metal

فلز جوش به ناحیه ای اطلاق میشودکه بطورکامل ذوب شده باشد. فلز جوش دراثرمحافظت باسرباره یاگازهای محافظ،اصولانباید اکسیدو رنگین شود. مهره های جوش خوب، نبایدرنگ متفاوتی ازفلزات پایه داشته باشد. مگرآنکه تفاوت رنگ مهره جوش و فلزپایه ناشی ازتفاوت ترکیب شیمیایی فلز پرکننده باشد. نظیر تباین رنگی که بین الکترود با ۹۴ درصد نیکل و فلزپایه، درجوشکاری چدنها وجوددارد.

 

۲) ناحیه ذوب ناقص Partially Melted Zone

ناحیه بسیارباریک، باعرض ۱تا۳ میلیمتراست که محدوده دقیق آن به فرایندجوشکاری وحرارت داده شده Heat Input بستگی دارد، دراین منطقه به درجاتی پدیده ذوب جزیی رخ میدهداماقبل ازترکیب بافلز جوش، منجمدمیشود. گرچه این ناحیه گاهی درمتالورژی انجمادبه دو منطقه PMZ و Unmixed Zone تقسیم میگرددکه تفاوت هایی باهم دارندامادراین بررسی که اساسا براکسیدشدن نواحی جوش متمرکزاست، این نواحی رفتار یکسانی بروزمیدهند. پس ازفلز جوش این نواحی تحت تاثیربیشترین حرارت پس ازفلز جوش قراردارند وچون به خوبی تحت محافظت سرباره یاگاز محافظت نیستند، اکسیدمیشوند. امابراثرهمان محافظت ناقص، لایه اکسیدی آنهابه ضخامت نواحی دورترتحت تاثیرحرارت نیست و رنگ روشن تری رابازتاب میدهد.

 

۳) ناحیه تحت تاثیر حرارت Heat Affected Zone

تغییرات دمایی این ناحیه درحدی است که سبب دگرگونی فازی درحالت جامدمیشود وبه علت عدم محافظت، ضخیم ترین لایه اکسیدرادارد. درعرض این ناحیه وبا دورترشدن ازخط مرکزی جوش رنگ هااز تیره به سمت روشن میل میکنند.

 

۴) انتهای ناحیه تحت تاثیر حرارت

تغییرات دما در این نواحی باندازه ای نیست که اکسید تشکیل شود و معمولا تفاوت رنگی با دیگر بخش های فلز پایه ندارد.

 

نواحی تحت تاثیر حرارت

نواحی تحت تاثیر حرارت

اثر اکسیدها بر مقاومت به خوردگی

در فولادهای کربنی و کم آلیاژ، لایه های اکسیدی بطورعادی مشکل اساسی ایجادنمیکند. امادر فولادهای آلیاژی وحساس نظیر فولادزنگ نزن، لایه های اکسیدی ناشی ازدرجه حرارت بالا میتوانند سبب کاهش میزان مقاومت به خوردگی شوند. آزمایش های خوردگی ASTM G-54 درمورد فولادهای زنگ نشان میدهدکه لایه های اکسیدی دمای بالا مرزدانه های سطحی ونزدیک به سطح رااز کرم فقیر و مقاومت به خوردگی راکاهش میدهد. برخلاف اکسید کرم محافظ فولادهای زنگ نزن که درشرایط عادی تشکیل میشودو ازیکنواختی و چسبندگی برخوردار است، اکسیدهای دمای بالا مخلوطی از Cr² O³ و اکسیدهای Amorphous سیسلیس، تیتانیوم و … است و حفره های متعددی دارد.

 

اندازه گیری خوردگی- دما بالا- بین دانه ای

 

جدول ذیل ضخامت فیلم اکسید تشکیل شده در فولادهای زنگ نزن ۳۱۰و۳۱۲ دردمای ۱۰۰۰درجه رانشان میدهد، این لایه اکسیدی همانطور که درفوق ذکرشد، علاوه برداشتن حفره ها وعدم پیوستگی و فقیر کردن مرزدانه های سطحی، بدلیل Amorphous بودن، شکننده است ودراثر ضربات مکانیکی یا تنش های حرارتی میتواندبشکندوسبب ترک برداری خوردگی تنشی شود یا اکسیداسیون راتشدیدکند.

ضخامت فیلم اکسیدی در فولاد رنگ نزن

پاک کردن اکسید های ایجاد شده (حین جوشکاری)

برای رفع لایه های اکسید ناشی ازدمای بالا که درحین عملیات جوشکاری یا حرارتی ایجادمیشود، راه های متعددی وجوددارد. بسته به شرایط ازروشهای مکانیکی نظیر سنگ زنی یا تمیز کاری با برس برقی و روش های شیمیایی نظیر اسید شویی Pickling یا… برای برداشتن لایه های اکسیدی ناشی ازجوشکاری وعملیات حرارتی استفاده میشود.

 

تمیز کاری فولاد زنگ نزن به روش اسید شویی

درتمیزکاری مکانیکی استفاده از برس سیمی زنگ نزن وپاشش ساچمه زنگ نزن یاشیشه Stainless Shot Blast or Glass Blast وسنگ زنی مرسوم ترین روشهاهستند.

روش تمیزکاری شیمیایی میتواندازطریق مواد شیمیایی پاک کننده یابااستفاده ازژلهای تمیزکننده که بصورت بسته بندی شده دربازارموجوداست صورت گیرد. درصورت انتخاب روش اسید شوییPickling  طبق استاندارد ASTM A380 با استفاده ازمخلوط اسید نیتریک واسیدفلوریدریک محلولی اسیدی درست میشودکه پس ازتمیزکاری نیازبه شستشو، خنثی کردن وخشک نمودن دارد.

مقایسه روشهای اکسید زدایی در افزایش مقاومت به خوردگی حفره ای

مقایسه روشهای اکسید زدایی در افزایش مقاومت به خوردگی حفره ای

 

در استاندارد EN-1011-3 روش اسید شویی به عنوان موثرترین راه حل تمیزکاری سطحی و روش Electro Polishing در مرحله بعد توصیه شده است. تمیزکاری فولادهای زنگ نزن به هر روشی که انجام شود، بسیار حساس است و باید نکات مهمی را در آن رعایت کرد. درذیل روش تمیز کاری Electro Cleaning فولاد زنگ نزن مشاهده می شود.

 

اصول کار دستگاه Electro Cleaning or Polishing

اصول کار دستگاه Electro Cleaning or Polishing