آهن به عنوان یک عنصر خالص، خواص خوبی نداشته و فلز مناسبی برای استفاده صنعتی نیست. برای استفاده صنعتی از آهن، آن را با عناصر دیگر ترکیب می کنند. مهم ترین عنصری که با آهن ترکیب شده و تشکیل آلیاژ می دهد، کربن است. به آلیاژهای آهن و کربن که بیشترین استفاده را در زندگی بشر دارند، فولاد و چدن گفته می شود. فرق اساسی بین فولاد و چدن، در میزان کربن موجود در آن ها است. کربن موجود در فولاد بین صفر تا دو درصد و کربن موجود در چدن بیش از دو درصد است.
تقریباً حدود ۹۵ درصد وزنی چدن را آهن تشکیل می دهد و عناصر آلیاژی اصلی آن کربن و سیلیسیم هستند. روش کلی تولید چدن ها به این صورت است که مخلوط با نسبت معین از موادی مانند شمش های آهن خام، براده ها و قطعات برگشتی ریخته گری و سایر افزودنی ها همچون فرومنگنز و آهک را در داخل کوره های الکتریکی یا کوره کوپل می ریزند تا ذوب شوند. البته این فلز از طریق ذوب مجدد سنگ آهن به همراه آهن و فولاد قراضه نیز به دست می آید و با طی مراحلی برای حذف عناصر ناخواسته مانند فسفر و گوگرد همراه است و پس از تکمیل ذوب، مذاب آن به کوره نگهدارنده یا قالب ریخته می شود.
برخی از خواص ویژه چدن ها که آن ها را از فولاد متمایز می کند عبارتند از: نقطه ذوب پایین، قابلیت سیال شدن زیاد، کم بودن میزان انقباض در زمان انجماد و سرد شدن، مقاومت کم در برابر ضربه، انعطاف پذیری کم، قابلیت جذب ارتعاش خوب، مقاومت خوب به سایش و عدم حساسیت در برابر شیارهای سطحی. نکته قابل ذکر در مورد خواص فوق این است که بسیاری از آن ها به ساختمان میکروسکوپی زمینه و چگونگی توزیع کربن در آن بستگی دارد.
انواع گوناگون چدن های غیر آلیاژی را مي توان بر اساس ريز ساختار به صورت زیر دسته بندی کرد:
- چدن سفيد
- چدن چکش خوار
- چدن خاکستری
- چدن داکتيل
- چدن با گرافيت فشرده
در چدن سفید به دلیل تشکیل فاز کاربید آهن یا سمنتیت، هیچ فاز گرافیتی در حالت جامد وجود ندارد. به دلیل عدم وجود گرافیت آزاد، وقتی این چدن شکسته می شود مقطع آن به رنگ سفید در می آید. در اثر انجام یک سیکل حرارتی می توان کاربید آهن موجود در چدن سفید را تجزیه کرد و به دسته ای دیگر از چدن ها تحت عنوان چدن چکش خوار رسید. چدن خاکستری نیز که به خاطر رنگ سطح مقطع این گونه نامگذاری شده است، دارای ساختاری ورقه ای از گرافیت می باشد. چدن داکتیل حاوی گرافیت کروی شکل است. اگر قبل از ریخته گری به مذاب کمی منیزیم افزوده شود، گرافیت کروی حاصل می شود. حالت ساختاری مابین چدن خاکستری و داکتیل را می توان برای چدن با گرافیت فشرده در نظر گرفت. در حقیقت در این نوع چدن، گرافیت از حالت ورقه ای خارج شده ولی به صورت کروی کامل نیز در نمی آید و به اصطلاح کرمی شکل می شود. معمولاً از اضافه کردن تیتانیوم به مذاب برای رسیدن به این ساختار استفاده می شود.
بسته به نوع این چدن ها می توان از آن ها برای کاربردهایی همچون بدنه ماشین آلات صنعتی، بلوک ترمز راه آهن، مته و مهره، قطعات خودرو مانند چرخدنده و سرسیلندر، مشعل گاز، قطعات ماشینآلات کشاورزی، لوله، شیر و اتصالات، قطعات پمپ و غیره بهره برد.
چدن فلزی است دارای پایه آهنی که از کربن بالایی برخوردار است که این امر موجب می شود چدن فلزی ترد و شکننده باشد . چدن ها معمولا دارای 2% تا 4% کربن می باشند ٬ چکش خوار نیستند و از استحکام کششی پایینی برخوردارند (1046 Kg /Cm2) به همین دلیل در برابر ترک خوردن به دلیل انبساط و انقباض در حین جوشکاری باید محافظت شوند . جوشکاری موفق و نتیجه بخش چدن به مهارت اپراتور بستگی دارد.
چدن را نباید با سرعت فولاد معمولی جوشکاری کرد .
برای جوشکاری چدن ها سه روش وجود دارد :
1- روش SMAW به وسیله قوس الکتریکی و الکترود روکش دار
2- به وسیله شعله اکسی استیلن و مفتول چدنی .
3- جوش برنج برای قطعات ریختگی
در جوشکاری چدن به چند نکته باید توجه داشت :
1- انتخاب روش صحیح جوشکاری
2- انتخاب الکترود مناسب
3- دمای پیشگرم مناسب
4- جوشکاری صحیح
5- دمای پس گرم مناسب
نحوه جوشکاری چدن به وسیله الکترود روکش دار :
جوشکاری چدن سخت و دشوار است امــا غیر ممکن نیست و معمولاً جوشکاری چدن بعنوان یک روش تولیدی در نظر گرفتـــه نمیشود ، روش تولید قطعات چدنــی در صنعت بیشتر با رویکرد ریختـــه گری انجام میشود و جوشکاری چدن به منظور تولید قطعات در صنعت کمتـــر مورد توجه قرار میگیرد و بیشترین کاربرد جوشکاری چدن بشرح زیر است :
۱) برطرف كردن بعضی عيوب ریختـــه گری مانند : حفره های گازی ، حفره های ناشي از ريزش ماسه يا حبس سرباره و ترک های موضعی
۲) تعمير قطعات مستهلك یا قطعات شكسته شده
۳)جبران خطاهای ناشی ماشینکاری اشتباه قطعات
مشکلات رایج در جوشکاری چدن
تشکیل فازهای سخت و ترد ، تشکیل این فاز های مشکلات عدیده ایی مانند دشوار شدن ماشینکاری ، تضعیف شدن قطعه در برابر ضربه و …. را به همراه دارد . اصصلاحاً به تشکیل فازهای سخت و ترد حین جوشکــاری چــدن الماسه شدن گفتــه می شود .
احتمال وقوع ترک خوردن جوش در منطقـــه فلزجوش يا منطقه مجاور آن ، مقاومت کم فازهای سخت و ترد تشکیل شده پس از جوشکاری چدن خطر ایجاد ترک در جوش را بشدت افزایش می دهد بطوریکــــه منطقه جوشکاری شده مقاومت لازم در برابر تنش های پسماند جوشی و تنش های انقباضی را معمولاً ندارد و اگر به درستـــی این مسئله در نظر گرفتــه نشود احتمال وقوع ترک خوردن جوش بشدت بالا می رود .
جوشکـــاری چــدن بشدت مستعد ایجاد حفره ها و مک در داخل فلز جوش می باشد و تشکیل حباب های گازی همچون CO2 يا CO یکی دیگر از مشکلات رایج در جوشکاری چدن می باشد .
نکات مهم دررابطه با جوشکاری چدن
دررابطه با جوشکاری چدن باید دو عامل مهم را مد نظر قرار داد که این دو عامل برای جوشکاری به دو بخش قبل و حین جوشکاری تقسیم بندی می شوند که این دو عامل در یک دستور العمل جوشکاری یا WPS معتبر به خوبی مورد توجه قرار گرفتـــه اند .
عوامل مهم در قبل جوشکــــاری چدن :
عوامل مهم در حین جوشکـــاری چــدن میتوان به موارد زیر اشاره کرد :
- استفاده از الکترود جوشکاری نیکلی در جوشکاری الکترود دستی
- استفاده از انرژی جوش کم
- پيشگرم كردن
- استفاده پخ مناسب برای جوشکاری با درز پهن و باز در حدود 60تا 90 درجه [ انواع پخ های جوشکاری را مطالعه کنید]
- استفاده از شدت جريان كم
- استفاده از الکترود با قطر کم
عوامل مهم در حین و بعد از جوشکــــاری چدن
عوامل مهم در حین و بعد از جوشکــــاری چدن میتوان به موارد زیر اشاره کرد :
عدم از حرکت زیگزاگی الکترود جوشکاری به منظور تقلیل انرژی جوش
ضربه زنی به جوش بلافاصله بعد از جوشکاری
پسگرم یا PWHT جوشکاری کردن
استفاده از توالی جوشکاری مناسب
ابتدا باید چدن را پیش گرم نمود ٬ پیشگرم باید بین ( 315 درجه سانتیگراد )حداقل و ( 650 درجه سانتیگراد ) حد اکثر باشد . پیشگرم باید به صورت یکنواخت انجام گیرد . در جوشکاری چدن نگه داشتن عمق ذوب و نفوذ در کمترین حد خود مهم است .
پس از جوشکاری ٬ چدن باید به آرامی سرد شود . همچنیین برای چند پاس جوش دادن چدن کنترل دمای بین پاسی مهم است .
در مقایسه با فولادها، چدن ها دارای قابلیت جوشپذیری پایینی هستند. در میان انواع چدن هم، چدن داکتیل بهترین جوش پذیری را دارا است و چدن سفید به دلیل حضور کاربیدها در ساختار، تقریباً قابلیت جوشکاری ندارد. از این رو دامنه جوشکاری چدن ها معمولاً محدود به تعمیر و اصلاح قطعات ریخته شده و بازسازی قطعات فرسوده می شود. جوشکاری چدن ها با چند مشکل اساسی همراه است که عبارتند از:
۱- هنگامی که چدن تحت سیکل حرارتی جوشکاری قرار می گیرد، امکان دارد در درجه حرارت بالا، زمینه از کربن غنی شده و هنگام سرد شدن کربن، ترکیبی با فاز سخت و ترد نظیر سمنتیت و یا کاربیدهای دیگر تشکیل شود و بنابراین فلز جوش و یا منطقه مجاور آن غیر قابل ماشینکاری و یا اصطلاحاً الماسه شود.
۲- مشکل مهم دیگر در ارتباط با جوشکاری چدن ها، احتمال بالای وقوع ترک در فلز جوش و یا منطقه مجاور آن است و علت آن اینست که فاز ترد و سخت کاربیدی تحت تاثیر تنش های حرارتی ناشی از جوشکاری یا تنش های پسماند ترک می خورد.
۳- مشکل دیگر که اغلب در جوشکاری چدن اتفاق می افتد، تشکیل خلل و فرج و حفرات گازی در فلز جوش است که باعث کاهش استحکام جوش و یا عدم موفقیت در آب بندی قطعه می شود. این حفرات به دلیل حبس یا خروج گازهای CO و CO2 (ناشی از واکنش کربن چدن با اکسیژن هوا) از مذاب فلز جوش به وجود می آید.
+ استاندارد AWS D11.2، راهنمایی برای جوشکاری چدن ها
انجمن جوشکاری آمریکا (American Welding Society) یا به اختصار (AWS) در سال ۱۹۱۹ با هدف استانداردسازی و توسعه فرایندهای مبتنی بر جوش بنا نهاده شد. کمیته فنی این سازمان در سال ۱۹۸۸ به منظور ارائه روش مناسب جوشکاری برای چدن استانداردی تحت کد D11 به چاپ رساند. نسخه ثانویه این استاندارد در سال ۲۰۰۶ و تحت عنوان “راهنمایی برای جوشکاری چدن” به روز گردید و مطالب جدید در حوزه ایمنی و سلامت در جوشکاری و روش های نوین جوشکاری چدن به منظور به حداقل رساندن عیوب این آلیاژ، افزوده شدند. هدف اصلی این استاندارد را می توان در پیشرفت جوشکاری و آموزش افراد در زمینه جوش قوس الکتریکی و گاز دانست. نویسندگان این استاندارد با آوردن مطالبی در ارتباط با تاریخچه چدن ها، دسته بندی و خواص ساختاری آن ها تلاش کرده اند تا مخاطب را از نیاز به مطالعات منابع مقدماتی بی نیاز سازند. محور اصلی این استاندارد اما قابلیت جوش انواع مختلف چدن، فلزات پرکننده و روشهای جوش می باشد. نحوه آماده سازی، طراحی، حرارت دهی، پیش گرمایش، الکترودها، سرمایش و عملیات تکمیلی برای جوشکاری چدن ها در این استاندارد به طور مفصل بحث شده است. همچنین انواع روش های جوشکاری قوس و گازی چدن ها با شرح عملیات، کنترل کیفیت، عیوب و کاربرد در دو فصل به صورت مجزا بررسی شده اند.
استفاده متعدد از تصویرها (بیش از ۳۵ تصویر) و جدول ها (بیش از ۲۰ جدول) در این استاندارد منجر شده است تا علاوه بر اینکه مخاطب درک راحت تری از موضوع داشته باشد، این استاندارد را نیز به عنوان یک ابزار کامل برای مهندسان جوش قرار دهد. در بخش ضمیمه این استاندارد به تقسیم بندی قطعات چدنی جوش داده شده، کاربردها و آزمون جوش پذیری این قطعات نیز اشاره شده است و مطالبی اضافی در مورد برخی فصول استاندارد نیز آورده شده است. این استاندارد در ۹ فصل و به ترتیب زیر نوشته شده است:
- چدن (متالورژی، جوش پذیری، سختی جوش و آزمون پیش از جوش)
- ملاحظات عمومی در حین جوشکاری چدن مانند آماده سازی و طراحی
- فرآیندهای جوشکاری با گاز (جوشکاری با گاز سوختنی و اکسیژن، اسپری شعله ای چدن و جوش برنز)
- فرآیندهای قوسی (جوشکاری قوسی با الکترود دستی یا SMAW، جوشکاری قوس تنگستن با گاز محافظ یا GTAW، جوشکاری قوس فلزی با گاز محافظ یا GMAW، جوشکاری قوس زیر پودری یا SAW و جوشکاری قوس توپودری یا FCAW)
- عملیات سطحی و روکش کاری با جوش
- کاربردها (ترمیم عیوب در بخش های ریخته گری، ماشین کاری، سرویس دهی و بعد از سرویس دهی)
- تهیه دستورالعمل های جوشکاری یا WPS، گزارش آزمون های تایید دستورالعمل جوشکاری یا PQR و تست جوشکار
- کنترل کیفیت
- ایمنی و سلامت