محتوا

عیوب جوشکاری

عیوب جوشکاری و اهمیت ارزیابی آنها

به مرور زمان جوشکاری جانشین ساخت و ساز به روش میخ و پرچ در بسیاری از سازه ها مهندسی شده است و امروزه به زحمت می توان سازه ای را پیدا کرد که در آن از اتصال جوش استفاده نشده باشد. با وجود این عدم استفاده از روش مناسب تست و اندازه گیری و کنترل جوشها به صورت درست ممکن است باعثت به وجود آمدن مشکلات غیر منتظره شود. شکست در اتصالات جوش شده که گاه گاهی اتفاق می افتد تأیید کننده این می افتد تأیید کننده این نظر می باشد که هیچ جوشی از همه لحاظ کامل نیست. جوش را می توان یک ریخته گری کوچک دانست به غیر از اینکه جوش به خاطر وجود فلز پایه که مانند یک سینی حرارتی عمل می کند خیلی سریعتر از ریخته گری سرد می شود این پدیده باعث به وجود آمدن تنش حرارتی در قطعه می شود که ممکن است منجر به تولید تر(شدت آن بستگی به ریز ساختار فلز دارد) یا محبوس شدن حفره های گاز یا مواد خارجی در داخل جوش گردد. عیوب بالا و سایر عیوب ممکن است باعث شکست زود هنگام ساخت و یا در حین سرویس شود.

عیوب در اتصالات جوش شده
یک ناپیوستگی در حقیقت یک انقطاع در ساختار فلز جوش می باشد مثل وجود ناهمگنی در خواص مکانیکی و متالوژیکی ماده یا فلز جوش اما باید بدانیم که یک ناپیوستگی لزوماً عیب محسوس نمی شود. در حقیقت عیب یک ناپیوستگی است که به واسطه ویژگی خاصش و یا در اثر تجمع آن در قطعه یا محصول نمی تواند حداقل استانداردهای کاری مورد نیاز را برآورده کند عیوب جوش را می توان به طور کلی به ترکها، حفره های گازی، ناخالصیهای سربارة جوش، عدم نفوذ یا ذوب، شکل ناقص یا طرح ظاهری غیرقابل قبول جوش و سایر عیوب متنوع مثل اثر پاشش قوس الکتریکی بر روی سطح قطعه و ... تقسیم بندی کرد.

* ترکها (Cracks) : در میان عیوب جوش، ترکها به عنوان خطرناکترین نوع عیب تقسیم بندی می شوند و دارای پتانسیل زیادی برای رشد در فشار سرویس هستند. ترکها را می توان به عنوان پارگی خطی زیر فشار کاری تعریف کرد. برای پیش بینی و به حداقل رسانیدن میزان ترک و برطرف کردن آنها نیاز به دقت ویژه ای است. ترکها در یک رنج دمایی وسیع در خیلی از مناطق جوش و به انواع مختلف به وجود می آیند. از نظر اندازه ترکها از سایزهای خیلی بزرگ تا سایزهای خیلی کوچک که برای پیدا کردن آنها نیاز به میکروسکوپ است طبقه بندی می شوند. اولین خصوصیتی که در مورد ترکها باید مورد توجه قرار گیرد محل ترک در جوش می باشد. عامل ایجاد ترک بر حسب محل ترک و با توجه به شکل اتصال جوش مورد بررسی قرار می گیرد.
ترکهای به انواع ترکهای طولی، ترکهای گوشه، ترکهای ستاره ای و غیره تقسیم بندی می شوند . علاوه بر آن می توان بر حسب دمایی که ترک در آن به وجود می آید نیز ترکها را به ترکهای گرم و سرد تقسیم بندی کرد. 

- ترکهای گرم (Hot cracks ) : ترکهایی هستند که در هنگام انجماد جوش و یا قبل از اینکه حرارت جوش به طور کامل برطرف شود، به وجود می آیند. ترکهای گرم در اثر وجود ناخالصیها با نقطه ذوب پائین مثل سولفور، فسفر، برم و سلینوم در فلز پایه به وجود می آیند. این ناخالصیها وقت یکه فلز شروع به منجمد شدن می کند همچنان به صورت مایع باقی می مانند تا اینکه در نهایت در مرزدانه ها جا می گیرند. در اثر انجماد میزان تنش وارده بر روی این لایه نازک و ترد افزایش می یابد و باعث ایجاد ترک می شود. جوش فلزات با رنج گسترده دمای انجماد برای تولید اینگونه ترکها استعداد زیادی دارند.
 عناصری که باعث ایجاد ترکهای گرم می شوند به ترتیب قدرت شامل: برم، سولفور، آرسنیک، قلع، سرب، زیرکونیوم، تیتانیوم و مس می باشد.

- ترکهای سرد (  Cold cracks) : ترکهایی که بعد از انجماد کامل جوش به وجود می آیند ترکهای سرد نامیده می شوند. اینگونه ترکها در دماهای زیر (K °573) بعد از انجماد به وجود           می آیند. در واقع بعد از گذشت ساعتها و روزها از اتمام جوشکاری، اینگونه ترکها به                     وجود می آیند. ترکهای سرد در طبیعت به صورت ترکهای درون دانه ای می باشند.

 شرایط اصلی برای ایجاد ترک سرد شامل :
 a) سخت شدن منطقه متأثر از حرارت 
b) ازدیاد تنشهای پسماند در جوش
c) وجود هیدورژن در جوش می باشد.

- ترکهای هیدروژنی : نوع دیگری از ترکهای سرد هسند که به عنوان ترکهای زیرسطحی یا ترکهای منطقه متأثر از حرارت (HAZ) نامیده می شوند. واژه تردی به انعطاف پذیری کم             و غیرعادی که در اثر ساختار ریزدانه ای در جوش به وجود می آید گفته می شود.

- ترک ستاره ای (Crater crack): اینگونه ترکها در اثر انقباضات حجمی فلز مذاب در هنگام انجماد به وجود می آیند و معولاً در اثر قطع ناگهانی قوس الکتریکی ظاهر می گردند. به علت اینکه در انتهای جوش(منطقه آتشفشانی شکل) (CRATER) سرعت سرد شدن بیشتر از سایر نقاط جوش می باشد و در اثر انجماد در تمام جهات تنشهای انقباضی باعث تولید ترک ستاره ای              می شود. در صورت وجود عناصر مستعد به تجزیه در فلز پایه مثل کربن، سولفور و نیوبیوم، حساسیت به ترک ستاره ای افزایش می یابد.

* پارگی صفحه ای (  Lamellar tearing) : در صورت وجود ناخالصیهای غیرفلزی مثل سولفورها یا سیلیکاتها در شمش اولیه در هنگام نورد این عیوب به صورت صفحه ای و کشیده شده در می آیند و به صورت موازی سطح ورق پیشرفت می کنند. وقتی که تنش در جهت عمود بر سطح ورق وارد می شود به عنوان مثال در جهت ضخامت ورق این ناخالصیها به طور جدی روی درصد ازدیاد طول و درصد کاهش سطح اثر منفی می گذارند. در جوشهای T شکل روی ورقها و اتصال فلنج و نازل و غیره بر روی ورق انقباضات به وجود آمده در اثر جوشکاری باعث به وجود آمدن تنشهای عمود بر سطح ورق ششده و در صورتی که این تنشها به اندازه کافی زیاد باشند ورق در اثر پارگی صفحه ای آسیب می بیند این ترکها ممکن است در گوشه جوش به وجود بیایند و به صورت پله ای شکل زیر سطح جوش پیشرفت کنند.

* حفره گازی (  Porosity) : حفره گازی در حقیقت مقداری گاز می باشند (معمولاً به صورت کروی ) که در هنگام منجمد شدن در فلز باقی می ماند. 
- انواع حفره های گازی شامل: حفره های تکی، حفره های پراکنده و حفره های دم دار و غیره              می باشند. حفره های گازی دم دار در حقیقت حفره هایی می باشند که در اثر پیشرفت گاز در هنگام انجماد به وجود می آیند. طبقه بندی حفره های گازی کوچک تا بزرگ می باشد.

* ناخالصیهای سرباره (Slag) :  به اکسیدها و سایر جامدهای غیرفلزی که در داخل مذاب گیر افتاده اند و یا بین فلز جوش و فلز پایه هستند ناخالصیهای سرباره گفته می شود.

* عدم نفوذ در ریشه (L.O.P) : به عدم نفوذ کامل جوش در تمام ضخامت اتصال عدم نفوذ در ریشه گفته می شود. این عیب باعث کاهش مقدار سطح مقطغی می شود که نیرو را تحمل می کند. 

* عدم نفوذ (L.O.F) : عدم پیوستگی در سطح تماس فلز جوش و فلز پایه برای نفوذ در یکدیگر را عدم نفوذ می نامند.

* سوختگی لبه جوش( Undercut ) : دو حالت زیر به عنوان سوختگی لبه جوش شناخته             می شود:
a) پس رفت مذاب در فلز پایه و نزدیک به گوشه جوش که توسط فلز جوش(مذاب) پر نشده است و b) ذوب دیواره کناری شیار جوش در گوشه بستر جوش.
سوختگی لبه جوش از لحاظ اندازه به بزرگ، قابل رؤیت، شیار پیوسته و ناپیوستگیهای خیلی کوچک که بیشتر از چند میکرون عمق ندارند طبقه بندی می شوند. سوختگی لبه جوش با تولید شیار در لبه جوش بیشترین آمار را برای تولید شکستهای مکانیکی در جوش دارد و به عنوان یکی از عیوب جوشکاری محسوب می شود.

* تقعر (Concavity) : در اثر نیروهای جاذبه بر فلز مذاب یا در اثر کشش سطحی لبه جوش برای نگه داشتن مذاب در دیواره پخ، این عیب به وجود می آید نام دیگر این عیب را می توان «SUCK back » یا مکش فلز مذاب به طرف داخل گذاشت.

* عدم تطابق (Mismatch) : عدم تطابق نشاندهنده غیر هم تراز بودن دو سطح جوشکاری در سطح مقطع اتصال است.

* سوختگی در ریشه جوش (Burn through) : این عیب مربوط به مذاب جوش در قسمت زیر ریشه است.

* روی هم رفتگی(Over lap) : مقدار اضافی مذاب که از مرز جوش در سطح بیرونی فلز پایه هم گذشته باشد به نام روی هم افتادگی شناخته می شود. روی هم افتادگی فلز جوش(مذاب) بیشتر در جوشهای T شکل اتفاق می افتد. این عیب در اثر جریان نادرست یا روش غلط جوشکاری به وجود می آید.

* ناخالصی فلز تنگستن (Tungsten inclusion) : در جوشکاری آرگون، گاهی اوقات یک قسمت از الکترود تنگستن ذوب شده و درون مذاب جوشکاری می افتد.

* تغییر شکل (Distortion) : سطوح نزدیک حوضچه مذاب در هنگام جوشکاری ذوب              می شوند و به حالت مایع در می آیند و در هنگام سرد شدن مناطق مذاب، منقبض شده و به سمت منبع اصلی مصرف حرارت حرکت می کنند. این پدیده سبب تغییر در موقعیت نسبی اجزاء جوش می گردد که پدیده تغییر شکل نامیده می شود.
 
عیوب مربوط به ریز ساختار
در صورتیکه خواص مکانیکی در ریز ساختار جوش تنزل پیدا کند و یا ریز ساختار مستعد برای تولید عیوبی همچون ترک یا تنشهای پسماند بیاشد در این هنگام ریز ساختار چه در جوش باشد و چه در متطقه متأثر از حرارت ناقص نامیده می شود.

عیوبی که با تنشهای پسماند همراه می باشند
دو پدیده اصلی شامل پدیده خستگی (Fatigue) و ترکهای در اثر خوردگی و تنش (SCC)،‌ عوامل اصلی شکست جوشها در ساختار های صنعتی می باشد، هر دوی این پدیده ها رابطه زیادی با تنش های پسماند کششی حد روی سطح قطعه دارند. از این رو، تنشهای پسماند فاکتور مهمی محسوب می شوند و نیازی به ارزیابی دقیق دارند.



انواع مختلف عیوب خطی و حجمی شامل :
عیوب خطی : ترکها، عدم نفوذ در ریشه، ناخالصیهای طولی سرباره جوش، عدم نفوذ در دیواره جوش و سوختگی در لبه جوش را می توان نام برد.

عیوب حجمی: حفره های گازی و ناخالصیهای سرباره جوش عیوبی که به صورت معمول در اتصالات جوشکاری ددیه می شوند. با پیشرفت در شناخت اثر انواع مختلف عیوب حد پذیرش عیوب حجمی به صورت وسیعی افزایش پیدا کرده است.
در مورد عیوب خطی با توجه به محل قرار گیری عیوب در روی سطح یا زیر سطح و همچنین میزان تیزی عیوب خطی درجه خطرناکی این عیوب مشخص می شود. در میان عیوب خطی ترکها مخصوصاً وقتی که در روی سطح قرار می گیرند خطرناکترین نوع عیب محسوب می شوند بنابراین هیچ استانداردی در زمینه کیفیت جوش وجود ترک را درجوش مورد قبول نمی داند. هدف از پیشرفتهای اخیر در روشهای (TMC) ردیابی ترکها و عیوب شبیه ترک با دقت بسیار بسیار بالا          و معتبر می باشد.