آلومینیوم و آلیاژهای آن در سازه های جوشکاری به وفور به کار می روند . چگالی پایین این عنصر سبب سبک وزنی سازه های آن شده و لایه چسبناک اکسید آلومینیوم بر روی سطح قطعه مقاومت خوردگی را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد . چنانچه قسمتی از لایه اکسید آسیب ببیند آن قسمت در مجاورت هوا ترمیم می یابد . بیشتر الیاژهای آلومینیوم توسط نورد ، فورج و اکستروژن ساخته می شوند. شکلهای پیچیده را میتوان تنها با انجام اکستروژن تهیه نمود . همچنین برای تهیه قطعات الومینیومی از ریخته گری نیز میتوان بهره برد .
– ویژگیهای آلومینیوم و آلیاژهای آن
آلومینیوم همانند فولادهای آستنیتی دارای ساختار(FCC) (Face-Centered Cubic)می باشد . به عبارت دیگر اتمهای آن در رئوس و مرکز وجه های مکعب قرار گرفته اند . وجود این ساختار سبب می شود که چقرمگی آلومینیوم با کاهش دما به شدت کم نشود. همچنین در اثر حرارت دادن و سرد نمودن ساختار ان دچار تغییر محسوسی نمی گردد.
آلومینیوم یک عنصر غیر مغناطیسی با رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا می باشد که به دلیل ضریب زیاد انبساط حرارتی آن در طی فرایند جوشکاری دچار تغییر شکل قابل توجهی می شود .
آلومینیوم های غیر آلیاژی اغلب نرم بوده و یکی از کاربردهای آن در اتصالات الکتریکی به دلیل رسانش الکتریکی بالای آن می باشد. با انحلال جامد عناصر الیاژی یا رسوب آنها در جریان فرایند پیرسختی میتوان سختی آلومینیوم را افزایش داد. منیزیم (Mg)، مس ( Cu (،منگنز ( ( Mn، روی (Zn ( اغلب به این منظور استفاده می شوند . اگر چه ممکن است گاها سیلسیم نیز اضافه شود اما این عنصر همواره به صورت ناخالصی همراه با آهن در سنگ معدن وجود دارد.
منظور از انحلال جامد حضور عناصر الیاژی مانند Mg و Mn به صورت جانشینی در ساختار (fcc) می باشد. این آلیاژها قابلیت سختی پذیری نداشته و تنها روش افزایش استحکام آنها انجام کار سرد به ویژه نورد سرد می باشد .
در سختی رسوبی ( precipitation hardening ) یا پیر سختی، ذرات بسیار ریز بعد از عملیات حرارتی در ساختار ته نشین می گردند . در طی این فرایند ابتدا به ماده تا دمایی که عناصر آلیاژی به طور کامل در داخل ساختار حل شود حرارت داده شده و سریعا آن را سرد می کنند سپس با گذشت زمان ماده مذکور در دمای اتاق دچار پیرسختی طبیعی می شود. البته جهت پیرسختی برخی از آلیاژها لازم است که آن ها را تا دمای بالاتری گرم نمائیم که این حالت را پیرسختی مصنوعی می گویند . در نتیجه انجام مراحل فوق در فاز فوق اشباع ، ذرات ریزی هسته زدایی می شوند که مانع از حرکت نابجاییها شده و در اثر آن استحکام ماده به طور قابل توجهی افزایش می یابد. عیب اساسی سختی رسوبی خشن شدن و زبری ذرات در اثر حرارت و نیزکاهش سختی آن در اثر فراپیری می باشد . رایج ترین ذرات جهت سختی رسوبی AI2Cu ، Mg2Cu، Zn2Mg هستند .
آلیاژهای مذکور را چنانچه جهت افزایش استحکام توسط مکانیزم سختی رسوبی استفاده شوند قابل عملیات حرارتی (heat-treatable) می گویند.
در جوشکاری آلومینیوم و الیاژهای آن لازم است به نکات مهم زیر توجه گردد :
_ لایه اکسید قوی و سفتی به سهولت در روی سطح قطعه کار تشکیل می شود که اگر این لایه شکسته یا زدوده نگردد سبب بروز برخی از عیوب جوش خواهد شد. سطح اکسید رسانایی الکتریکی بسیار کمی را دارد .
_ دمای ذوب اکسید آلومینیوم حدود ۲۰۶۰ °c است که به مراتب از دمای ذوب آلومینیوم خالص ( ۶۶۰°c)بیشتر است . این اکسید دارای چگالی بیشتری نسبت به آلومینیوم بوده و به همین دلیل در آلومینیوم مذاب باقی می ماند و تولید آخال در آلومینیوم منجمد شده می کند .
_ الومینیوم ، هیدروژن را در حالت مذاب به میزان قابل توجهی در خود حل می نماید در حالیکه در فاز جامد این مقدار به مراتب کمتر است . از آنجایی که هیدروژن زمان کافی را جهت خروج از مذاب در هنگام انجماد ندارد ، منجر به بروز تخلخل می شود .
_ به دلیل بالا بودن رسانش حرارتی آلومینیوم بایستی منبع حرارت جوشکاری بسیار قوی باشد به همین دلیل جوشکاری میگ بسیار مناسب می باشد .
_ آلومینیوم دارای نقطه ذوب پایینی بوده که در هنگام ذوب شدن هیچ تغییری در رنگ آن به وجود نمی آید.
به همین دلیل رویت و تشخیص ذوب آلومینیوم قدری مشکل است .
_ به دلیل غیر مغناطیسی بودن آلومینیوم هیچ نوع وزش قوس در جوشکاری به وجود نمی آیند . البته قوس جوشکاری هنگام انجام فرآیند انحراف قابل توجهی را از مسیر الکترود پیدا میکند، این انحراف چندین دلیل عمده دارد : جریان الکتریکی همواره راحت ترین مسیر ( کوتاهترین یا کمترین مقاومت ) را جهت عبور اختیار می کند . لایه اکسید نیز می تواند به این رفتار تاثیر گذارد. همچنین میدان مغناطیسی حاصل از جریان هم می توانند سبب کج شدن مشعل جوشکاری شود. نحوه اتصال کابل برگشتی نیز در کج شدن قوس موثر است .
– تشخیص آلیاژهای آلومینیوم طبق استاندارد اروپایی
در این قسمت در مورد نحوه تعیین عددی آلیاژهای کارپذیر ( wrought alloys) که معمولا در جوشکاری هم به کار می روند بحث می گردد. پیشوند AW به معنی کارپذیر بودن آلیاژ است که به همراه ۴ رقم دیگر نوع آلیاژ را مشخص می سازد . رقم اول بیانگر اصلی ترین عناصر آلیاژی موجود در آلومینیوم می باشد .
_ Zxxx آلومینیوم خالص تجاری
_ ۲xxx مس
_۳xxx منگنز
_۴xxx سیلیس
_۵xxx منیزیم
_۶xxx سیلسیم + منیزیم
_ ۷xxx روی + منیزیم و
_ ۸xxx دیگر عناصر .
آلومینیوم گروه ۱xxx دارای حداکثر مقدار ناخالصی ۱% بوده و دو رقم آخر در این گروه مقدار آلومینیوم را نشان می دهد. به عنوان مثال آلیاژ ۱۰۷۰ AW شامل حداقل ۹۹٫۷۰% آلومینیوم می باشد . در گروه های دیگر دو رقم آخر اعداد متوالی بوده و رقم دوم بیانگر تنظیمات انجام یافته در ترکیب آلیاژهای اصلی هر یک از گروه ها می باشد.
آلیاژهای گروه۱ ( آلومینیوم خالص )، ۳ (آلومینیوم ، منگنز )، )۴ آلومینیوم ، سیلسیم ) و ۵ (آلومینیوم ،منیزیم ) قابلیت عملیات حرارتی را نداشته درحالی که آلیاژهای گروه۲ (آلومینیوم-مس ) ،۶ ( آلومینیوم ، منیزیم ،سیلسیم ) و ۷ (آلومینیوم – روی – منیزیم ) را می توان توسط سختی رسوبی و عملیات حرارتی نمود .
آلیاژهای مختلف را همچنین می توان از روی عملیات انجام شده بر روی مواد آن مانند عملیات حرارتی ، کار سرد و سختی رسوبی طبقه بندی نمود .
_ F- فابریک
_ O- آنیل شده
_ H- کار سردی
_ W- انحلال حرارتی و
_T -عملیات حرارتی که حالت پیر شدن آلیاژها را بیان می نماید.
برای آلیاژهایی که قابلیت عملیات حرارتی دارند ، علامت T به همراه عددی که جزئیات بیشتری را در مورد نوع عملیات حرارتی بیان می دارد نوشته می شود. به عنوان مثال :
_ T4- انحلال حرارتی و پیری طبیعی
_T6 – انحلال حرارتی و پیری مصنوعی و
_ T7- انحلال حرارتی و فراپیری یا ایجاد پایداری
جهت مطالعه جزئیات بیشتر در مورد علائم و اعداد مذکور به استاندارد های EN مراجعه فرمائید. به عنوان مثال EN 573 ترکیب و اسامی اختصاری آلیاژها را مشخص می سازد و یا استاندارد EN 515 آبکاری های انجام شده را بحث می کند .
-جوشکاری میگ بر روی آلومینیوم و آلیاژهای آن
تمامی آلیاژهای ساخته شده از گروه های ۶,۵,۳,۱و۷ دارای قابلیت جوشکاری بسیار مناسبی هستند که با انتخاب صحیح نحوه انجام اتصال ، پارامترهای جوشکاری و مواد فیلر جوش قابل قبولی حاصل می شود . بر اساس یک قاعده کلی معمولا همان آلیاژهای بکار رفته در قطعه کار در فیلر ( سیم ) نیز استفاده می گردد .
-انواع اتصال
نحوه اتصال قطعات آلومینیومی مشابه قطعات فولادی می باشد. برخی از ویژگیهای متفاوت آلومینیوم نسبت به فولاد در نحوه چیدمان قطعات بایستی لحاظ گردد . ضریب بالای انبساط حرارتی آن بکارگیری برخی از حالات اتصال را به دلیل اعواج زیاد ، قدری مشکل می سازد . به همین دلیل انجام جوش لب به لب بر روی آلومینیومهای نازک به دلیل افزایش فاصله در طول درز دشوار خواهد بود و لازم است قطعات بر روی فیکسچر جهت کاهش اعوجاج ثابت نگه داشته شود .
در جوشکاری لب به لب قطعات آلومینیومی ضخیم زاویه V اتصال در مقایسه با فولاد بایستی بزگتر انتخاب شود چرا که قوس در این حالت ناپایدار شده و با نزدیکی به قسمتهای کناری اتصال سبب بروز ذوب ناقص ( LOF ) می شود . این پدیده تنها مختص اتصال V شکل نبوده و در اتصالات نبشی نیز قوس تمایل دارد خود را به سطوح کناری یا به قسمتی که سطح اکسید آن راحت تر تجزیه می گردد نزدیک نماید . در جوشکاری قطعات با ضخامتهای متفاوت نیز قوس اغلب قطعه نازک تر را بیشتر حرارت می دهد به منظور جبران اثر مذکور همواره الکترود را با آفستی مشخص به سمت قطعه ضخیم تر تنظیم می نمایند .لایه اکسید دارای مقاومت بالایی بوده و هنگام جوشکاری ، قوس تمایل دارد به سمت قطعه نازکتر که شکستن لایه آن و نیز گرم شدن آن راحت تر است انحراف یابد .
در جوشکاری قطعات آلومینیومی با اتصال روی هم ( Lap joint) بهتر است در صورت متفاوت بودن ضخامت دو قطعه ، قطعه نازک تر را در پایین قرار می دهیم .(البته در مورد فولاد برعکس می باشد ).
در مقایسه با فولاد جوشکاری آلومینیوم در وضعیتهای مختلف به مراتب آسان تر است. به عنوان مثال جوشکاری آلومینیوم در وضعیت بالای سر PE (over head) یا قائم رو به بالا PF ( vertical up) نسبتا راحت ترمی باشد. در طول فرآیند جوشکاری و در اثر پاشش مذاب و چسبیدن قطرات آنها به نازل گاز و نیز راس تماس مشعل با سیم امکان قطع شدن فرایند وجود دارد. به همین دلیل نرمی سیم یکی از عوامل موثر در پایداری جوشکاری بوده که میتواند پیشروی سیم فیلر را مختل نماید. در بخش ۲-۶ در مورد الزامات تجهیزات بحث گردید.
-مواد فیلر و گازهای محافظ
فیلر علاوه بررفع نیازهای اتصال جوش به موادهای مختلف بایستی عناصر آلیاژی لازم را نیز جهت اجتناب از بروز ترک گرم تامین نماید.
*نحوه ی انتخاب مواد فیلر در جدول زیر برای ورقها و پروفیلهای اکسترود شده نمایش داده شده است.
table
برای آلیاژهای AlMgSi انتخاب AlMg5 بیشترین استحکام را نتیجه می دهد درحالی که AlSi5 خطر ترک خوردگی گرم را حداقل کرده و انجام جوشکاری را تسهیل می نماید. برای آلیاژهای AlMg استفاده از مواد سریAlMg توصیه می گردد. چنانچه نیاز به همسان شدن رنگ ها بعد از آندایزینگ ( Anodising) باشد نباید مواد فیلر AlSi بکار رود.
مواد فیلر بایستی تمیز بوده و در مکانهای خشک و داخل پکیجها سربسته نگهداری شود. زیرا اگر سیمهای جوشکاری کثیف شود می تواند سبب ناپایداری قوس و تخلخل در جوش شود . همچنین سیمهای جوشکاری جهت جلوگیری از چگالش باید عاری از رطوبت باشد . ابزارهای ویژه ای نیز جهت پاک نمودن گریس ، گرد و خاک و غیره طراحی شده اند. فرآیند پرداخت سطحی یا شیوینگ shaving) ) عملیات مکانیکی مخصوصی است که در تولید سیم جهت حذف آلودگی های سطحی سیم و اکسیدهای آن بکار می رود. همچنین در اثر انجام این فرآیند سیم سخت تر شده و پیشروی آن آسان تر می شود .
آرگون و ترکیب هلیوم -آرگون مناسب ترین گازهای محافظ در جوشکاری آلومینیوم می باشند. گاز هلیوم ولتاژ قوس را افزایش داده و در نتیجه انرژی انتقال یافته به قطعه کار بیشتر می شود . همچنین قوس حاصل نیز عریض تر و تعداد مکها و حفره ها هم کمتر خواهد بود . بنابراین هلیوم برای قطعات آلومینیومی ضخیم ترجیح داده می شود. جهت پایدار نمودن قوس میتوان به گاز محافظ مقدار کمی گاز فعال اضافه نمود. افزودن ۱% اکسیژن و یامقدار بیشتر آن به آرگون باعث افزایش تولید می شود اگرچه مقادیر اکسید در داخل و سطح جوش به میزان قابل توجهی ارتقا می یابد.
-عملیاتهای قبل از جوشکاری
سطوح اتصال بایستی قبل از آغاز جوشکاری از وجود روغن ، گریس، گردوخاک، اکسیدها و رطوبت تمیز گردد همچنین لایه اکسید الومینیوم نیز لازم است از روی قطعه کار زدوده شود. از طرفی هیدروژن تشکیل شده در داخل قوس در دماهای بالاتر درون حوضچه جوش حل شده و سبب بروز تخلخل و کاهش اکسیدهای جوش می گردد.
به منظور تمیز نمودن قطعات قبل از جوشکاری می توان از روشهای مکانیکی و شیمیایی استفاده نمود . زمان لازم بین اغاز جوشکاری و پایان تمیزکاری نیز جهت ممانعت از تشکیل لایه اکسید بایستی حداقل گردد.
شستشو و خشک نمودن مواد قبل از جوشکاری دارای اهمیت فوق العاده ای می باشد .
-استحکام جوش پس از جوشکاری
حرارت ناشی از جوشکاری مواد پیرامون مواد مذاب را تحت تاثیر قرار می دهد. فلز جوش دارای ساختاری ریخته گری شده و متاثر از مواد فیلر و درجه رقت آن در حین ذوب بوده درحالیکه ساختار ناحیه HAZ (یا متاثر از حرارت) در اطراف فلز جوش تحت تاثیر عملیات حرارتی می باشد.
چنانچه این عملیات به آنیل کردن نزدیک باشد استحکام جوش تغییری نخواهد یافت ولی اگر ناحیه مذکور در اثر کار سرد یا سختی رسوبی قرار گیرد کاهش استحکام قابل توجه بوده و عرض منطقه HAZ نیز نسبتا بزرگ خواهد بود . در مواد کار سردی شده قبل از دمای ۲۰۰°C تبلور مجدد رخ می دهد و در آلیاژهای سخت کاری شده ساختار دچار پیر سختی شده و در اثر درشت تر شدن دانه ها استحکام آلیاژهای با مقاومت زیاد ، کاهش می یابد.
اگر فلز پایه در شرایط مطلوب جوشکاری شود می توان مقداری از استحکام از دست رفته را توسط پیرسختی طبیعی یا مصنوعی جبران نمود. بعد از جوشکاری چنانچه فلز جوش در اثر سرد کردن سریع به دمای اتاق برسد .
برخی عناصر در محلول جامد حفظ شده و به این ترتیب می توان از پیرسختی استفاده نمود. درمرحله فراپیری چون افزایش استحکام چندانی رخ نمی دهد زمان چندانی برای تجزیه دانه های درشت وجود نخواهد داشت .
–تغییر شکل ناشی از جوشکاری
به منظور حداقل نمودن تغییر شکلهای حاصل از حرارت زیاد جوشکاری ، لازم است حرارت وارده کاهش ، سرعت جوشکاری افزایش و حتی المقدور حرارت به صورت متقارن وارد شود . معمولا بهتر است جوشکاری از مرکز به سمت دو انتهای قطعه کار انجام شود.
–روشهای جوشکاری
در جوشکاری ورقهای نازک باید از قوس پالسی یا اسپری استفاده شود. حرارت وارده در این شرایط نسبت به قوس کوتاه موثرتر بوده و از ذوب ناقص (LOF) اجتناب می گردد. در آغاز جوشکاری لازم است مراقبت های ویژه ای بعمل آید و مشعل جوشکاری نیز به صورت پیش دستی با زاویه ۱۰ تا ۲۵ درجه حفظ شود. در این حالت اکسیدزدایی و حفاظت گاز مطلوب تر بوده و درصورت اشتباه بودن زاویه هوای محیط وارد گاز محافظ می شود.
طول برآمدگی سیم از سر مشعل اغلب بین ۱۰تا ۲۰میلی متر توصیه می گردد که با اضافه کردن هلیوم به گاز محافظ لازم است طول برآمدگی سیم کوتاهتر و زاویه پیش دستی مشعل قدری بزرگتر شود.
در صورت انتخاب نادرست پارامترهای جوشکاری لکه ای سیاه بر روی جوش و مواد پیرامون آن باقی می ماند. علت این پدیده اکسیدهای آلومینیوم و منیزیم چسبناک بر روی سطح قطعه بوده که جهت حذف آن لازم است پارامترهای جوشکاری و زوایا بهینه سازی شوند.
انتقال سریع مذاب در قوس امکان استفاده از جوشکاری MIG را در تمامی وضعیتها فراهم می سازد.
–تجهیزات جوشکاری
در بکارگیری تجهیزات جوشکاری لازم است برخی احتیاطهای پیش بینی شده بعمل آید.
بایستی امکان استفاده از هر دو نوع قوس کوتاه اسپری و پالسی توسط منبع قدرت ممکن باشد . قوس پالسی برای قطعات نازک تا ضخامت ۳میلی متر بکار می رود. همچنین قوس پالسی امکان استفاده از سیمهای قطورتر را فراهم نموده که در این حالت پاشش مذاب کمتر و پیشروی سیم پایدارتر خواهد بود . همچنین جهت اجتناب از بروز عیوب جوش بهتر اس از برنامه های ویژه ای در آغاز و پایان جوشکاری استفاده شود.
سیستم تغذیه سیم بایستی توانائی پیشروی سیمهای آلومینیومی را که نرم تر از فولاد هستند را داشته باشد به همین دلیل اغلب از ۴ غلطک در واحد تغذیه استفاده می گردد. چنانچه فشار وارده به سیم زیاد باشد تکه های کوچکی از سیم جداشده و با ورود به خط تغذیه باعث اخلال در پیشروی سیم می شوند. شیلنگهای بسیار طولانی نیز اغلب سبب بروز برخی از مشکلات هستند به همین دلیل بایستی از یک سیستم تغذیه اضافی یا سیستم کشش – رانش استفاده شود. مسیر حرکت سیم جهت کاهش اصطکاک و خطر آغشته شدن آن به آهن بایستی از مواد نرم مانند پلاستیک ساخته شود و سیستم تغذیه سیم نیز لازم است از گردوخاک، رطوبت و غیره حفاظت گردد.
تفنگ جوشکاری بایستی توسط آب خنک کاری شده یا طرح ویژه ای را جهت پایین نگه داشتن دمای آن داشته باشد. راس تماس مشعل با سیم نیز باید حتی الامکان بزرگتر باشد لذا اغلب قطر ۱۰ میلی متر ترجیح داده می شود. البته چنانچه تفنگ جوشکاری به دقت خنک کاری شود می توان قطر ۸میلی متر را نیز بکار برد.
–چالشهای آتی
کاربرد آلومینیوم متاثر از قیمت آن درحال افزایش است. با توجه به دشوار بودن جوشکاری ذوبی خصوصا برای آلیاژهای پراستحکام ،روشهای دیگری با جوشکاری میگ رقابت می کنند که به عنوان مثال می توان از جوشکاری لیزری یا اتصال مکانیکی در صنعت خودرو نام برد . تلفیق سازه های ریخته گری پرسی با پروفیل های اکسترود شده در مناطق حساس یک سازه راهکار مناسب دیگری جهت اجتناب از جوشکاری می باشد.
جوشکاری اصطکاکی حرارتی روش دیگری است که اخیرا برای سازه های سنگین تر استفاده می گردد.
