جوشکاری آلومینیوم در مقایسه با جوشکاری فولاد (بخش اول)

جوشکاری آلومینیوم در مقایسه با جوشکاری فولاد یا سایر مواد معمول، خصوصاً از نظر شیمیایی و حساسیت به ترک، چالش‌های منحصر به فردی دارد. در بسیاری از موارد، جوشکاری آلومینیوم نیاز به پیروی از برخی مراحل خاص دارد. در این نوشتار با برخی چالش‌های معمول برای جوشکاری آلومینیوم و بهترین روش‌های اصلی برای کار با آن آشنا می‌شوید.

 

مشخصات آلومینیوم

مشخصات آلومینیوم از چند جهت با فولاد متفاوت است:

• نقطه ذوب آلومینیوم بسیار کمتر از فولاد است: آلومینیوم ۱۲۲۱ درجه فارنهایت، و فولاد ۲۵۰۰ درجه.
• آلومینیوم همچنین دارای یک لایه اکسید است که تقریباً در ۳۷۰۰ درجه ذوب می‌شود، از خودِ آلومینیوم بسیار سخت‌تر است و به مواد در برابر خوردگی و سایش کمک می‌کند. با این حال، همچنین به عنوان یک عایق در هنگام جوشکاری مشکلاتی ایجاد می‌کند.
• چون استحکام آلومینیوم با کاهش دمای سرویس افزایش می‌یابد (بر خلاف فولاد که با کاهش دمای سرویس شکننده‌تر می‌شود) معمولاً از آن در کاربردهای برودتی و انتقال گاز طبیعی مایع استفاده می‌شود.
• در حالی که آهن آلیاژ اصلی فولاد است، مواد آلومینیومی عمدتا از افزودن عناصر متنوع به آلومینیوم ایجاد می‌شوند.
• آلیاژهای فرفورژه، مانند آلومینیوم سری 1xxx ، آلومینیوم خالص هستند و هیچ عنصر آلیاژی به طور عمدی به آن اضافه نشده است. عناصر اصلی آلیاژی در انواع دیگر آلومینیوم عبارتند از مس، منگنز، سیلیسیم، منیزیم،  سیلیسیم، روی و عناصر دیگر.

چالش‌های جوشکاری آلومینیوم

مشخصات مختلف آلومینیوم در طی فرآیند جوشکاری آشکار می‌شود. هدایت حرارتی و مسائل مربوط به تخلخل دو تفاوت بزرگ در جوشکاری آلومینیوم در مقایسه با فولاد است.

• هیدروژن در آلومینیوم مایع بسیار محلول است. از آنجا که مواد پرکننده و فلز پایه آلومینیوم در طی فرآیند جوشکاری مایع می‌شوند، هیدروژن را جذب می‌کنند و می‌توانند آن را در محلول نگه دارند. هنگامی که مواد مذاب شروع به جامد شدن کرد، دیگر نمی‌تواند هیدروژن را در یک مخلوط همگن نگه دارد. هیدروژن حبابهایی را تشکیل می‌دهد که در فلز محبوس و منجر به تخلخل آن می‌شوند.
• اگر تمام گزینه های دیگر امتحان شده باشد می‌توان از مخلوط گاز محافظ هلیوم/ آرگون برای مقابله با مشکلات تخلخل استفاده کرد. توجه داشته باشید که با یک مخلوط هلیوم، ولتاژ باید افزایش یابد تا بر پتانسیل یونیزاسیون بالاتر این گاز در مقایسه با آرگون غلبه کند. ولتاژ افزایش یافته باعث ورود گرمای بالاتر و نفوذ اضافی می‌شود و به همین دلیل از این مخلوط روی مواد پایه آلومینیوم ضخیم‌تر استفاده می‌شود.
• برخلاف فولاد، وجود هیدروژن باعث ایجاد ترک در جوشهای آلومینیومی نمی‌شود. با این حال، ترک‌خوردگی داغ که می‌تواند با جامد شدن جوش ایجاد شود، تهدیدی برای آلومینیوم است. راه حل این مسئله به شیمی برمی‌گردد. اگر ترک‌خوردگی داغ است، به نمودار انتخاب فلز پرکننده آلومینیوم مراجعه کنید تا فلز پرکننده‌ای را پیدا کنید که به بهترین وجه این مشکل را برطرف کند.
• یک فلز پایه آلومینیوم ۶۰۶۱، نمونه‌ ماده‌ای است که در شیمی در اوج حساسیت ترک قرار دارد و جوشکاری خودکار یا با ماده پرکننده شیمی مشابه را بسیار دشوار می‌کند. استفاده از یک فلز پرکننده با عناصری مانند منیزیم (ER5XXX) یا سیلیسیم (ER4XXX) می‌تواند به بیرون راندن مواد حساس به ترک کمک کند.
• چالش دیگر آلومینیوم، رسانایی حرارتی آن است (پنج برابر فولاد). نواحی خنک فلز پایه سعی می‌کند گرما را از استخر جوش دور کند تا باعث عدم نفوذ در جوش شود. به دلیل این تفاوت در هدایت حرارتی، هنگام جوشکاری آلومینیوم نسبت به فولاد، به ورودی گرمایی بسیار بیشتری نیاز است.

انتخاب فلز پرکننده

هنگام انتخاب فلز پرکننده برای آلومینیوم، استفاده از نمودار انتخاب بسیار مهم است. هر ترکیبی از مشخصات آلومینیوم، بسته به مشخصات جوش مورد نیاز برنامه، گزینه‌های فلز پرکننده را توصیه کرده است.

نمودار انتخاب شامل هشت ویژگی است که در کاربردهای مختلف جوشکاری مهم هستند: حساسیت ترک، مقاومت، شکل‌پذیری، مقاومت در برابر خوردگی، افزایش درجه حرارت، تطابق رنگ پس از آنُدایزینگ، عملیات حرارتی پس از جوشکاری و مقاومت. با تجزیه و تحلیل نیازهای جزء نهایی، می‌توان تعیین کرد که کدام خصوصیات در کاربرد خاص از همه مهمتر هستند و فلز پرکننده‌ای را انتخاب کرد که با مشخصات مورد نیاز به بهترین وجه مطابقت داشته باشد. توجه به این نکته مهم است که دمای بالای سرویس با آلومینیوم، ۱۵۰ درجه تا ۳۵۰ درجه فارنهایت است. این تعریف و سایر تعاریف را می‌توان در نمودار انتخاب آلومینیوم یافت.

گزینه دیگر استفاده از برنامه انتخاب‌کننده فلز پرکننده، مانند همین برنامه است. همان اطلاعات موجود در نمودار انتخاب کامل را می‌توان در برنامه یافت، اما این برنامه، فلز پرکننده را فقط برای مواد پایه انتخاب شده نشان می‌دهد.

انتخاب مناسب فلز پرکننده همیشه کلیدی است. به عنوان مثال، اگر ماده پایه جوش داده شده آلومینیوم ۶۰۶۱ باشد، گزینه‌های خوب فلز پرکننده شامل ۴۰۴۳، ۴۹۴۳ و ۵۳۵۶ است. یک سیم جوشکاری قوس فلزی گاز (GMAW) ۴۰۴۳ /۴۹۴۳ یا میله جوش قوس تنگستن گازی می‌تواند تخلخل را کاهش دهد و قابلیت جوشکاری بهتر و افزایش سیالیت گودال را فراهم کند، در حالی که یک محصول ۵۳۵۶ مقاومت و قدرت بیشتر ایجاد می‌کند.

منبع: thefabricator.com