هنگامی که سازندگان با انتخاب بین مواد پرکننده برای اتصال فلزات غیرآهنی روبرو می شوند، اغلب این موضوع را دست کم می گیرند که چگونه شیمی آلیاژ عمیقاً نتیجه نهایی را شکل می دهد. رابطه بین محتوای سیلیکون و منیزیم در سیم جوش آلومینیوم همه چیز را تعیین می کند، از اینکه فلز مذاب چگونه به یک اتصال جریان می یابد تا اینکه آیا آن اتصال در برابر شکستگی تحت بار مقاومت می کند یا خیر. این دو عنصر اساساً به روشهای متفاوتی کار میکنند - سیلیکون دمای انتقال مواد از جامد به مایع را کاهش میدهد و حوضچه جوشی ایجاد میکند که به راحتی پخش میشود، در حالی که منیزیم اتصال جامد شده را از طریق تغییرات ساختاری میکروسکوپی تقویت میکند. با این حال، زمانی که هر دو عنصر با هم در نسبت های خاصی وجود داشته باشند، ترکیباتی را تشکیل می دهند که بسته به شرایط حرارتی و ترکیب مواد پایه، می توانند چقرمگی را بهبود بخشند یا شکنندگی ایجاد کنند.
سیلیکون مانند یک روان کننده داخلی در حوضچه جوش مذاب عمل می کند. در سطوحی در حدود پنج درصد، ویسکوزیته آلومینیوم مایع را در مقایسه با فلز خالص به شدت کاهش میدهد و به گودال اجازه میدهد به طور یکنواخت پخش شود، سطوح اتصالات را به خوبی مرطوب کند و اشکال دقیق را بدون ایجاد شکاف پر کند. این جریان اضافی هنگام جوش دادن قطعات نازک یا ایجاد جوش های فیله ای با ظاهر تمیز که در آن ظاهر مهره به اندازه استحکام آن اهمیت دارد، کمک زیادی می کند. محدوده ذوب پایینتر همچنین از پخش شدن گرمای اضافی به مواد مجاور جلوگیری میکند که تاب برداشتن ورق یا قطعات اکسترود شده را کاهش میدهد.
سیلیکون دارای جنبه های منفی است. نحوه حرکت حوضچه در حین جوشکاری را بهبود می بخشد اما تقریباً هیچ استحکامی به جوش تمام شده اضافه نمی کند. خواص مکانیکی اتصال در درجه اول تحت تأثیر درجه اختلاط فلز پایه از طریق رقیق سازی است. برای کارهایی که به استحکام کششی بالا یا شکلپذیری خوب درست در خود جوش نیاز دارند، پرکنندههای سنگین سیلیکونی کوتاه میآیند. همچنین، هنگامی که سطح سیلیکون بالا میرود و با منیزیم فلز پایه مخلوط میشود، میتواند ذرات سیلیسید منیزیم را در حین سرد شدن جوش ایجاد کند. اگر این ذرات در امتداد مرزهای دانه جمع شوند - به ویژه در آلیاژهای قابل عملیات حرارتی - مناطق شکننده ایجاد می کنند.
سیلیکون بر مراحل پایانی نیز تأثیر می گذارد. جوشهایی که با پرکنندههای سیلیکونی بالاتر ساخته میشوند، به رنگ خاکستری تیرهتر آنودایز میشوند، در حالی که جوشهایی با سیلیکون پایینتر، روکش روشنتر و روشنتری میدهند. در قطعات معماری یا محصولاتی که تطابق رنگ مهم است، این تفاوت می تواند اهمیت زیادی داشته باشد. گاهی اوقات جوشکارها مجبورند برای به دست آوردن ظاهری که نیاز دارند از سهولت جوش صرف نظر کنند.
منیزیم رویکرد متفاوتی دارد. به جای تغییر جریان حوضچه در حین جوشکاری، در ساختار کریستالی آلومینیومی حل میشود و حرکات کوچکی را که دررفتگی نامیده میشوند، مسدود میکند که به فلز اجازه میدهد تحت بار خم یا کشیده شود. این تقویت کننده محلول جامد با افزایش محتوای منیزیم قوی تر می شود، به همین دلیل است که پرکننده هایی با چهار تا پنج درصد منیزیم، استحکام کششی و تسلیم بیشتری نسبت به انواع مبتنی بر سیلیکون دارند.
منیزیم همچنین در بسیاری از موارد به انعطاف پذیری کمک می کند. با سفت شدن جوش، اندازه دانه ریزتر را تشویق می کند، که معمولاً چقرمگی را بهبود می بخشد و اتصال را در برابر گسترش ترک ها مقاوم تر می کند. این باعث میشود پرکنندههای حاوی منیزیم برای کارهای ساختاری در قایقها، وسایل نقلیه و قابهای حمل بار که در آن مفاصل باید بدون شکستگیهای شکننده ناگهانی ضربه بخورند، انتخابی مناسب باشند.
هر چند منیزیم چالش هایی را اضافه می کند. خطر ترک خوردگی داغ در حین انجماد را افزایش می دهد زیرا پنجره دمایی را که در آن جوش تا حدی مایع باقی می ماند گسترده می کند. در آن مرحله، تنشهای انقباض میتوانند مرزهای دانهها را قبل از سخت شدن کامل باز کنند. جوشکاران باید حرارت ورودی را ثابت نگه دارند و گاهی اوقات فلز پایه را برای کنترل سرعت خنک شدن اتصال از قبل گرم کنند. منیزیم همچنین هیدروژن را به راحتی از رطوبت موجود در هوا می گیرد که در صورت کوتاهی محافظ گاز، می تواند به تخلخل تبدیل شود.
هنگامی که منیزیم از پرکننده با سیلیکون برخی از فلزات پایه ملاقات می کند، فازهای سیلیسید منیزیم را تشکیل می دهند. تحت شرایط خنک کننده مناسب، این ذرات می توانند جوش را از طریق اثرات سخت شدن سن مانند آلیاژهای قابل عملیات حرارتی تقویت کنند. اما اگر چرخههای حرارتی اجازه دهند که ذرات بیش از حد بزرگ شوند یا در مرزهای دانه جمع شوند، مسیرهای آسانی را برای شروع و رشد ترکها باز میکنند. به همین دلیل است که دستورالعمل ها اغلب در مورد استفاده از پرکننده های غنی از سیلیکون بر روی فلزات پایه با سطح منیزیم بالاتر هشدار می دهند.
| نوع پرکننده | عنصر اولیه | ترکیب معمولی | مزایای کلیدی | محدودیت های اصلی | بهترین برنامه های کاربردی | آنودایز رنگ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| سیلیکون غالب | سی | 5% سیلیکون، حداقل Mg | سیالیت عالی، تغذیه آسان، ظاهر خوب | استحکام کمتر، شکل پذیری محدود | مقاطع نازک، جوش های آرایشی، تعمیرات | خاکستری تیره |
| منیزیم غالب | Mg | 5٪ منیزیم، حداقل Si | استحکام بالا، شکل پذیری بهتر، مقاومت در برابر خوردگی | خطر ترک داغ، تغذیه دشوارتر | اتصالات ساختاری، استفاده دریایی، تحمل بار | کبریت خاکستری روشن |
| هیبرید متعادل | سی Mg | 4٪ سیلیکون، 1٪ منیزیم | جریان بهبود یافته با قدرت متوسط | حساسیت به ترک در محدوده های خاص | ساخت عمومی، فلزات پایه سری 6000 | خاکستری متوسط |
انتخاب با دانستن آرایش فلز پایه شروع می شود. آلیاژهای دارای منیزیم بیش از دو و نیم درصد - معمول در گریدهای دریایی سری 5000 - به خوبی با پرکننده های غنی از سیلیکون جفت نمی شوند. چرخه حرارت جوشکاری می تواند ذرات سیلیسید منیزیم درشتی ایجاد کند که ناحیه همجوشی و ناحیه تحت تاثیر حرارت را شکننده می کند. برای این مواد، پرکنندههای مبتنی بر منیزیم از واکنش بد جلوگیری میکنند و به اندازه کافی با شیمی پایه مطابقت دارند تا یک اتصال یکنواخت ایجاد کنند.
از طرف دیگر اکستروژن های سری 6000 که در معماری استفاده می شوند حاوی سیلیکون و منیزیم متوسطی هستند. آنها با پرکنندههای غنی از سیلیکون راحتتر برخورد میکنند زیرا شیمی متعادل از اختلاف غلظت شدید در طول اختلاط جلوگیری میکند. این آلیاژها تمایل دارند که ظاهر و پایداری ابعادی را به عنوان نیاز اولیه نسبت به استحکام مفصل در اولویت قرار دهند و سیالیت بهبود یافته پرکنندههای مبتنی بر سیلیکون را به یک معامله عملی تبدیل میکنند.
برای آلومینیوم خالص سری 1000 یا گریدهای غیرقابل عملیات حرارتی سری 3000 موجود در مخازن و بسته بندی های شیمیایی، پرکننده های غنی از سیلیکون انتخاب استاندارد هستند. آنها خواص مفصلی جامد را ارائه می دهند و در عین حال فرآیند را قابل گذشت تر می کنند. با تعداد کمی عناصر آلیاژی در پایه، واکنشهای کمتری برای مدیریت وجود دارد و مرطوبسازی بهبود یافته به ایجاد مهر و مومهای محکم و بدون نشتی بر روی دیوارههای نازک کمک میکند.
ترک خوردگی انجماد یک خطر نقص اولیه در جوشکاری آلومینیوم است، که حساسیت آن تا حد زیادی تحت تاثیر شیمی مواد پرکننده و پایه قرار دارد.
سیستم آلومینیوم-سیلیکون-منیزیم نشان می دهد که خطر ترک خوردگی در محدوده های ترکیبی باریک خاصی به اوج می رسد نه اینکه به طور پیوسته با هر عنصر افزایش یابد. حساسیت ترک وقتی افزایش مییابد که سیلیکون و منیزیم ترکیبی در محدودههای خاصی قرار میگیرند، بهویژه وقتی نسبت آنها به یک به یک نزدیک میشود.
این منطقه آسیبپذیر به این دلیل اتفاق میافتد که واکنشهای یوتکتیک در طول انجماد، لایههای مایع را در امتداد مرزهای دانه در یک بازه دمایی طولانیتر باقی میگذارند. با سرد شدن و انقباض جوش، لایه های مایع نازک قادر به تحمل تنش ها نیستند و در نتیجه ترک های بین دانه ای ایجاد می شود. هنگامی که اتصال سفت نگه داشته می شود، مشکل بدتر می شود، به همین دلیل است که قطعات ضخیم تر و شکل های مفصلی پیچیده تر، مشکلات ترک را بیشتر می کنند.
سیم جوش آلومینیوم ER4943 برای دور زدن این مشکل با تنظیم سطوح سیلیکون و منیزیم که ترکیب فلز جوش را از بدترین مناطق مستعد ترک دور می کند، توسعه داده شد. فرمول متعادل، جوشپذیری آلیاژهای قابل عملیات حرارتی را در مقایسه با پرکنندههای مستقیم سیلیکونی یا منیزیمی با کاهش احتمال ترک خوردگی در ناحیه نیمه ذوب شده در کنار خط همجوشی، بهبود میبخشد. این نشان می دهد که چگونه دانش بنیادی متالورژی می تواند به نتایج عملی در یک محیط فروشگاه کمک کند.
جوشکارها می توانند با انتخاب دقیق فرآیند، ترک خوردگی را بیشتر کاهش دهند. گرمای ورودی کمتر زمان صرف شده در محدوده دمایی پرخطر را کوتاه می کند، در حالی که تنظیم سرعت سفر و جریان، گودال را شکل می دهد و نحوه انجماد را تغییر می دهد. طراحی مفصل نیز نقش مهمی را ایفا میکند - فراهم کردن باز شدن کافی ریشه و تناسب خوب، مهاری را کاهش میدهد که در غیر این صورت فلز خنککننده را میکشد. در موارد سخت، پیش گرمایش متوسط، افت دما را در سراسر مفصل کاهش می دهد و خنک شدن را به اندازه کافی برای کاهش استرس کاهش می دهد.
تفاوت در رفتار فیزیکی بین پرکننده های غنی از سیلیکون و پرکننده های غنی از منیزیم به این معنی است که جوشکاران باید تنظیمات تجهیزات و کنترل قوس را تنظیم کنند. سیم حاوی سیلیکون به راحتی از طریق آسترهای MIG تغذیه می شود زیرا نسبتاً نرم و انعطاف پذیر باقی می ماند. محدوده ذوب پایینتر آن به شما امکان میدهد ولتاژ کمتری داشته باشید و سرعتهای تغذیه سیم کمتری داشته باشید در حالی که هنوز هم نفوذ جامد و همجوشی با یک استخر پایدار را دریافت میکنید.
سیم حاوی منیزیم احساس سفتتری دارد و اگر آستر دارای خمیدگی محکم باشد یا فشار رول درایو سیم را صاف کند، میتواند باعث مشکلات تغذیه شود. جوشکاران معمولاً برای کنترل نقطه ذوب بالاتر ولتاژ کمی افزایش می دهند و قوس برای جلوگیری از بریدگی لبه های مهره به کنترل دقیق تری نیاز دارد.
گزینه های گاز محافظ با نوع پرکننده ارتباط نزدیکی دارد. آرگون خالص به خوبی با پرکننده های غنی از سیلیکون جفت می شود زیرا قوس ثابت با حوضچه سیال مطابقت دارد و گاز بی اثر از اکسید شدن سریع سیلیکون در حرارت بالا جلوگیری می کند. یک افزودن کوچک هلیوم باعث افزایش گرما و تمیز کردن قوس برای کارهای ضخیم تر می شود، اما می تواند تخلخل را با پرکننده های غنی از منیزیم بدتر کند، مگر اینکه گاز بسیار تمیز و خشک بماند.
TIG این تفاوت ها را بیشتر نشان می دهد. میله های غنی از سیلیکون به سرعت ذوب می شوند و یک توپ شفاف در نوک آن تشکیل می دهند که با هر فرو رفتن به آرامی در گودال مخلوط می شود. مهره براق و مرطوب با زبری سطح کمی ظاهر می شود. میله های غنی از منیزیم نیاز به قرار دادن قوس دقیق برای جلوگیری از اکسید شدن نوک دارند، و مهره تمام شده اغلب ظاهری کدرتر و خشن تر دارد که برخی از جوشکارها آن را کمتر جذاب می دانند، حتی اگر معمولاً همجوشی خوبی را نشان می دهد.
مهم نیست که چقدر خوب پرکننده را انتخاب می کنید، ترکیبات خاصی از فلز پایه محدودیت هایی ایجاد می کنند که نمی توان آنها را نادیده گرفت. آلیاژهای سری 2000 و 7000 قابل عملیات حرارتی استحکام خود را از مس یا روی می گیرند که در طی جوشکاری فازهای ذوب کم را تشکیل می دهند. این آلیاژها معمولاً به پرکنندههایی نیاز دارند که کاملاً با شیمی پایه مطابقت داشته باشند تا از افت شدید استحکام در ناحیه تحت تأثیر گرما جلوگیری شود، بنابراین فضای کمتری برای انتخاب فقط بر اساس محتوای سیلیکون یا منیزیم دارید.
آلیاژهای سری 5000 غیر قابل عملیات حرارتی، که به طور گسترده در کارهای دریایی استفاده می شود، برای استحکام به منیزیم متکی هستند، اغلب تا حدود پنج درصد. استفاده از پرکنندههای غنی از سیلیکون روی این مواد، عدم تطابق ایجاد میکند که خواص مکانیکی را ضعیف میکند و خطرات خوردگی را افزایش میدهد. منیزیم از پایه در جوش رقیق می شود و با سیلیکون واکنش می دهد تا ذرات بین فلزی دردسرساز که قبلا ذکر شد را تشکیل دهد. روش استاندارد به شدت از تطبیق شیمی پرکننده با پایه این مواد حمایت می کند.
آنودایز کردن محدودیت دیگری را اضافه می کند. این فرآیند بسته به ترکیب آلیاژ، لایههای اکسیدی را متفاوت میسازد. جوشهای غنی از سیلیکون تیرهتر از فلز اطراف آندایز میشوند و خطوط آشکاری را بر جای میگذارند که ظاهر را در قسمتهای معماری قابل مشاهده خراب میکند. هنگامی که تطابق رنگ مهم است، جوشکاران اغلب مجبورند از پرکننده غنی از منیزیم با وجود کار سخت تر آن حتی برای اتصالات ساده استفاده کنند.
مفاصل غیر مشابه انتخاب های سخت را مجبور می کنند. J هنگام اتصال یک آلیاژ سری 5000 غنی از منیزیم به یک آلیاژ متعادل سری 6000، هیچ پرکننده واحدی وجود ندارد که به طور کامل نیازهای هر دو ماده پایه را برآورده کند. انتخاب بر اساس این است که کدام آلیاژ بر طراحی حاکم است یا اینکه کدام خواص در اولویت هستند. این ممکن است شامل پذیرش عملکرد کمتر در یک طرف یا افزایش حساسیت ترک در نزدیکی طرف دیگر باشد.
بررسیهای بصری مسائل واضحی مانند ترکهای سطحی، تخلخل سنگین یا عدم همجوشی را مشخص میکنند، اما مشکلات مربوط به شیمی در زیر سطح به روشهای دیگری نیاز دارند. آزمایش مایع نافذ، ترکهای ریز ناشی از شکنندگی سیلیسید منیزیم یا تنشهای انجماد را شناسایی میکند و الگوهایی را نشان میدهد که به تغییر در انتخاب پرکننده یا فرآیند نیاز دارد. این به ویژه برای ترک های بین دانه ای که پنهان می مانند اما همچنان مفصل را ضعیف می کنند خوب عمل می کند.
رادیوگرافی تخلخل و آخال های داخلی را ترسیم می کند. جوشهای غنی از سیلیکون اغلب حفرههای پراکندهای را نشان میدهند که تمیزی فلز پایه مرزی است، در حالی که جوشهای غنی از منیزیم شکلهای خالی متفاوتی را ایجاد میکنند که به پیکاپ هیدروژن گره خورده است. رادیوگرافی ساید بای ساید از جوش های آزمایشی با پرکننده های مختلف به تعیین اینکه کدام شیمی با فلز پایه و شرایط کارگاهی بهترین است، کمک می کند.
آزمایش های مکانیکی اثبات نهایی را ارائه می دهند. آزمایش کششی عرضی نشان میدهد که آیا استحکام اتصال با الزامات مشخص شده مطابقت دارد یا خیر، در حالی که آزمایشهای خمشی محدودیتهای شکلپذیری را نشان میدهند که ممکن است به ترکخوردگی در حین کار کمک کند. شکست در امتداد خط همجوشی در نمونههای خمشی معمولاً به عدم تطابق ترکیب یا کنترل حرارت اشتباه در طول جوشکاری بازمیگردد. میکروسختی در سراسر مسیر اتصال بررسی میکند که چگونه رقتسازی خواص را تغییر میدهد و آیا نرم شدن ناحیه متاثر از گرما به یک مسئله تبدیل میشود.
تست های خوردگی رفتار طولانی مدت را بررسی می کنند. اسپری نمک یا قرار گرفتن در معرض غوطه وری باعث افزایش سرعت پیری می شود که در استفاده واقعی سال ها طول می کشد. جوشهای غنی از منیزیم معمولاً در تنظیمات دریایی بهتر عمل میکنند، اما فقط زمانی که پرکننده به اندازه کافی با شیمی پایه مطابقت داشته باشد تا از عمل گالوانیکی بین جوش و فلز اصلی جلوگیری کند. اثرات فلزی غیرمشابه گاهی اوقات می تواند مقاومت طبیعی منیزیم در برابر خوردگی را خنثی کند.
بخش ساختاری یک قایق کوچک را تصور کنید که در آن پایین نگه داشتن وزن و مقاومت در برابر خوردگی آب شور هر دو انتخاب مواد را هدایت می کنند. فلز پایه یک آلیاژ منیزیم با مقاومت متوسط است که به دلیل چقرمگی آن در محیط های دریایی انتخاب شده است. یک پرکننده غنی از سیلیکون، جوشکاری را سادهتر میکند و شانس ترک را در اتصالات محکم مهار شده کاهش میدهد، اما تفاوت شیمیایی سلولهای خوردگی گالوانیکی را در جایی که جوش با فلز پایه ملاقات میکند، ایجاد میکند. این قطعه در سرویس به سرعت خراب میشود - به جای اینکه سالها دوام بیاورد، طی چند فصل.
تغییر به یک پرکننده غنی از منیزیم نگرانی خوردگی را برطرف می کند، اما خطر ترک خوردگی داغ را افزایش می دهد که مستلزم کنترل دقیق فرآیند است. مغازه چندین مرحله را در جای خود قرار می دهد: پیش گرم کردن متوسط، جریان کمتر برای کاهش ورودی گرما، و دانه های رشته ای به جای بافتن پهن. جوش ها به مراقبت و زمان بیشتری نیاز دارند، اما اتصالات استحکام خود را حفظ می کنند و در طول عمر کامل قطعه در برابر خوردگی مقاومت می کنند.
مورد دیگر شامل پانل های تزئینی نازک است که در آن ظاهر حرف اول را می زند. فلز پایه از آلومینیوم خالص تجاری است که برای شکلدهی آسان و تمیز کردن سطح انتخاب شده است. پرکننده غنی از سیلیکون در اینجا می درخشد—جریان خوب دانه های صاف و یکنواخت را با پاشش کم می دهد و حرارت کمتر از سوختن مواد نازک جلوگیری می کند. استحکام ضربه می زند اما اهمیت زیادی ندارد زیرا پانل ها تقریباً هیچ باری را تحمل نمی کنند و هر رنگ آنودایز تیره تر می تواند به عنوان بخشی از طراحی کلی عمل کند وقتی کل قطعه یکنواخت شود.
مثال سوم اتصال اکستروژن های قابل عملیات حرارتی در یک ساختار معماری را پوشش می دهد. فلز پایه دارای سیلیکون و منیزیم متعادل است تا پس از پیری پس از ساخت به استحکام متوسطی برسد. سیم جوش آلومینیومی ER4943 ترکیب متعادلی را ارائه می دهد که دارای سیلیکون کافی برای تغذیه و جریان مطلوب، و منیزیم کافی برای همسویی جزئی با مواد شیمیایی پایه است، در حالی که از محدوده ترکیب مرتبط با حساسیت بالای ترک جلوگیری می کند. انتخاب ترکیبی برخی از چالشهای جوشکاری و استحکام اتصال کمی کمتر را به عنوان مبادلات منصفانه برای پاسخگویی به چندین نیاز عملکرد همزمان میپذیرد.
سازندگان درخت های تصمیم را برای تبدیل متالورژی پیچیده به انتخاب های ساده مفید می دانند:
برای فلزات پایه غیر قابل عملیات حرارتی با منیزیم زیر یک درصد:
هنگام اتصال آلیاژهای حاوی منیزیم بالای دو و نیم درصد:
برای ترکیبات متعادل قابل عملیات حرارتی:
در کارهای تعمیر با فلز پایه ناشناخته:
این قوانین هر موقعیتی را کنترل نمی کنند، اما به عنوان نقطه شروع قابل اعتماد برای کار مشترک عمل می کنند. مشاغلی که بارهای زیاد، شرایط سخت یا الزامات سختگیرانه دارند، نیاز به صلاحیت پرکننده مناسب از طریق جوش و چک های آزمایشی دارند.
درک چگونگی تأثیر سیلیکون و منیزیم بر آلومینیوم مذاب و سخت شده به سازندگان کمک می کند تا حدس و گمان را به سمت انتخاب های هوشمندانه تر پیش ببرند. سیلیکون جوشکاری را نرمتر میکند در حالی که منیزیم در اتصال نهایی استحکام ایجاد میکند - اثرات ترکیبی آنها هم مزایا و هم محدودیتهایی را ایجاد میکند. نتایج خوب از تطبیق شیمی پرکننده با آرایش فلز پایه و همچنین تصویر کاملی از طراحی مفصل، محیط خدمات و قابلیتهای فروشگاه به دست میآید. هیچ پرکننده واحدی به عنوان یک راه حل جهانی عمل نمی کند. بنابراین، هر انتخاب شامل مبادلاتی برای رسیدگی به الزامات اولیه برنامه است.
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید
بیشتر ببینید