مقایسه جوش آلومینیوم و فولاد

جوشکاری آلومینیوم در مقایسه با جوشکاری فولاد یا سایر فلزات متداول ، به ویژه از نظر شیمیایی و حساسیت به ترک ، چالش هایی منحصر به فرد را ایجاد می‌کند. در بسیاری از موارد ، جوشکاری آلومینیوم به برخی از مراحل خاص نیاز دارد. عوامل مهم هنگام جوشکاری مواد عبارتند از انتخاب فلز پرکننده مناسب، نگهداری مناسب و تمیز کردن کامل مواد پایه  و روشهای مناسب جوشکاری. در اینجا برخی از چالش‌های متداول هنگام جوشکاری آلومینیوم و بهترین راه حل‌های اصلی برای پرداختن به آن‌ها ارائه می‌شود.

مشخصات آلومینیوم

یک جوش صحیح ترکیبی از شیمی، کاهش هیدروکربن‌ها و تکنیک مناسب جوشکاری است. خصوصیات آلومینیوم از چند جهت با فولاد متفاوت است. نقطه ذوب آلومینیوم بسیار پایین‌تر از فولاد است (1221 درجه فارنهایت برای آلومینیوم، در مقایسه با 2500 درجه برای فولاد). آلومینیوم همچنین دارای یک لایه اکسید است که تقریباً در حدود 3700 درجه ذوب می‌شود. این لایه اکسید بسیار سخت‌تر از آلومینیوم است و به مواد در مقاومت در برابر خوردگی و سایش کمک می‌کند. این لایه همچنین به عنوان عایق عمل می‌کند که می‌تواند هنگام جوشکاری مشکلاتی ایجاد کند.

از آنجا که استحکام آلومینیوم با کاهش درجه حرارت تمایل به افزایش می‌یابد، برخلاف فولاد ، که با کاهش دمای کارکرد شکننده تر می شود، آلومینیوم معمولاً در کاربردهای دمای سرما مانند کرایوژنیک ها و انتقال گاز طبیعی مایع استفاده می‌شود.

در حالی که آهن یک آلیاژ اصلی در فولاد است، مواد آلومینیومی عمدتا با افزودن عناصر متنوعی به آلومینیوم تبدیل می‌شوند.

آلیاژهایی مانند آلومینیوم سری 1xxx ، آلومینیومی خالص هستند و عناصر آلیاژی اضافه نمی‌شوند. عناصر اصلی آلیاژی در انواع دیگر آلومینیوم عبارتند از: مس در سری 2xxx ، منگنز در سری 3XX ، سیلیکون در سری 4xxx ، منیزیم در سری 5xxx ، منیزیم و سیلیکون در 6xxx ، روی در سری 7xxx و سایر عناصر در سری 8xxx.

چالش‌های جوشکاری آلومینیوم

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

هیدروژن در آلومینیوم مایع بسیار محلول است. در هنگام جوشکاری مواد پرکننده و فلز پایه آلومینیوم ، آنها هیدروژن را جذب می‌کنند و می‌توانند آن را در محلول نگه دارند. پس از شروع به جامد شدن مواد مذاب ، دیگر نمی‌توان هیدروژن را در مخلوط همگن نگه داشت. هیدروژن حبابهایی تشکیل می‌دهد که در فلز به دام می‌افتند و منجر به تخلخل می‌شود.

اگر تمام گزینه‌های دیگر امتحان شده باشند ، می‌توان از مخلوط محافظ گاز هلیوم / آرگون برای مقابله با تخلخل استفاده کرد. توجه داشته باشید که با مخلوط هلیوم باید ولتاژ افزایش یابد تا پتانسیل یونیزاسیون بالاتر این گاز در مقایسه با آرگون غالب شود. افزایش ولتاژ باعث وارد شدن حرارت بیشتر و نفوذ بیشتر می‌شود، به همین دلیل از این مخلوط در موارد پایه ضخیم آلومینیوم استفاده می‌شود.

برخلاف فولاد، وجود هیدروژن باعث ترک خوردگی در جوش‌های آلومینیومی نمی‌شود. با این حال ، ترک خوردن گرم ، که ممکن است در اثر جامد شدن جوش رخ دهد ، تهدیدی برای آلومینیوم است. راه حل این مسئله به شیمی باز می‌گردد. اگر ترک خوردگی گرم است ، به نمودار انتخاب فلز پرکننده آلومینیوم مراجعه کنید تا فلز پرکننده را که به بهترین وجه رفع کننده این مشکل است، پیدا کنید.

فلز با پایه  آلومینیوم 6061 نمونه‌ای از ماده‌ای است که در شیمی فعلی در اوج معرض شکاف قرار دارد و جوشکاری بطور خودکار یا با یک ماده مشابه پرکننده شیمیایی را بسیار دشوار می‌کند. استفاده از فلز پرکننده با عناصر مانند منیزیم (ER5XXX) یا سیلیکون (ER4XXX) می‌تواند به راندن مواد به خارج از محدوده حساس به ترک کمک کند.

رسانایی بالای آلومینیوم، چالشی در جوشکاری

یکی دیگر از چالش‌های آلومینیوم این است که پنج برابر رسانا از نظر حرارتی از فولاد است. نواحی خنک فلز پایه سعی می‌کند گرما را از استخر جوش بکشد ، که می‌تواند باعث عدم نفوذ در جوش شود. به دلیل این تفاوت در هدایت حرارتی ، آلومینیوم در هنگام جوشکاری به ورودی‌های گرمای بسیار بیشتری نسبت به فولاد احتیاج دارد.

ترک خوردگی در آلیاژهای آلومینیوم به دلیل فشار زیاد در جوش کاری به دلیل انبساط حرارتی بالا (دو برابر فولاد) و انقباض قابل توجه در جامد شدن رخ می‌دهد. این مقدار به طور معمول 5٪ بیشتر از جوشکاری فولاد معادل است. ترک‌های جامد سازی در مرکز جوش شکل می‌گیرند، که معمولاً در طول جامد شدن در امتداد خط مركزی امتداد دارند. ترک‌های جامد سازی همچنین در دهانه جوش در انتهای عملیات جوشکاری اتفاق می‌افتد. علل اصلی ترک های جامد شدن به شرح زیر است:

1. ترکیب نادرست سیم پرکننده فلزی
2. هندسه جوش نادرست
3. جوشکاری در شرایط مقاومت بالا

البته لازم به ذکر است که خطر ترک خوردگی را می‌توان با استفاده از یک پرکننده غیرقابل انعطاف پذیر و مقاوم در برابر ترک (معمولاً از آلیاژهای سری xxx4 و xxx 5) کاهش داد. عیب استفاده از روش مذکور این است که ممکن است ترکیب حاصل مقاومت کمتری نسبت به فلز مادر داشته باشد. خالجوش جوش باید به اندازه کافی ضخیم باشد تا در برابر فشارهای انقباضی مقاومت کند.

در حالی که پیش گرم کردن آلومینیوم برای جوشکاری خوب است، گرم کردن بیش از حد می تواند خواص مکانیکی آلومینیوم را تخریب کند.

آخرین عملیات حرارتی برای آلیاژهای حرارت پذیر 400 درجه فارنهایت است. بنابراین اگر آلومینیوم تا 350 درجه فارنهایت گرم شود و درهنگام جوشکاری دما ثابت بماند، خواص مکانیکی آلومینیوم تغییر می‌یابد. در مورد آلیاژهای حرارت ناپذیر مانند سری 5000، اگر دما حتی در محدوده 200 درجه فارنهایت نگه داشته شود، این ماده نسبت به استرس خوردگی حساس می‌شود. در بیشتر موارد ، مقداری پیش گرم برای خشک کردن رطوبت از قطعه قابل قبول است، اما پیش گرم کردن باید محدود باشد.

آلومینیوم دارای نقطه ذوب 1200 درجه فارنهایت است. این مقدار در مقایسه با فولاد که 2600 تا 2700 درجه فارنهایت است، کم می‌باشد. به دلیل این نقطه ذوب کم ، بسیاری فکر می‌کنند که برای جوشکاری آلومینیوم به تجهیزات سبکتری نیاز دارند. اما ، هدایت حرارتی آلومینیوم پنج برابر بیشتر از فولاد است ، به این معنی که گرما خیلی سریع از بین می‌رود. بنابراین ، جریان و ولتاژ برای جوشکاری آلومینیوم بالاتر از فولاد است. بنابراین برای جوشکاری این فلز با ارزش به تجهیزات سنگین تری نیاز است.

انتخاب فلز پرکننده

استفاده از نمودار انتخاب هنگام انتخاب فلز پرکننده آلومینیوم بسیار مهم است که بسته به ویژگی‌های جوش مورد نیاز ، ترکیبی از عناصر آلومینیومی پرکننده فلز را توصیه می‌کند. نمودار انتخاب شامل هشت ویژگی است که در کاربردهای مختلف جوشکاری مهم هستند: حساسیت به ترک، استحکام، انعطاف پذیری، مقاومت در برابر خوردگی، کارکرد در درجه حرارت بالا، مطابقت با رنگ پس از آنودایزاسیون، عملیات حرارتی بعد از جوش و مقاومت. با تجزیه و تحلیل نیازهای مؤلفه نهایی ، می‌توان تعیین کرد که کدام ویژگی در برنامه خاص مهمترین است و یک فلز پرکننده را انتخاب کنید که به بهترین وجه با مشخصات مورد نیاز مطابقت داشته باشد. توجه به این نکته ضروری است که دمای کارکرد بالا با آلومینیوم از 150 درجه تا 350 درجه فارنهایت است. این مورد و سایر تعاریف از خصوصیات مورد نیاز را را می‌توان در نمودار انتخاب آلومینیوم یافت.

گزینه دیگر استفاده از نرم افزار انتخاب کننده فلز پرکننده است که توسط شرکت های فنی ارائه می‌شوند. همان اطلاعاتی که در نمودار انتخاب بصورت کامل موجود است را می‌توان در این برنامه‌ها نیز یافت.

انتخاب مناسب فلز پرکننده همیشه مهم است. به عنوان مثال ، اگر ماده اصلی جوش داده شده آلومینیوم 6061 باشد ، گزینه‌های فلز پرکننده خوب شامل 4043 ، 4943 و 5356 خواهد بود. سیم جوش قوس فلزی 4043/4943 (GMAW) یا میله جوشکاری قوس تنگستن گازی می تواند تخلخل را کاهش داده و جوشکاری بهتری را ارائه دهد در حالی که نوع 5356 مقاومت و استحکام بیشتری را ارائه می دهد.

روش‌های جوشکاری آلومینیوم

جوشکاری آلومینیوم به انرژی کمتری نیاز دارد، بنابراین راحت‌تر از جوشکاری فولاد است.  چند روش اصلی برای اتصال آلومینیوم از طریق جوشکاری استفاده می‌شود: جوشکاری MIG، جوشکاری TIG و استفاده از الکترود.

آلومینیوم یک فلز سخت برای جوشکاری با روش MIG است. زیرا نسبت به فولاد سبک گرمای بیشتری می‌گیرد (معمولاً در بازه 21 تا 24 ولت).

تهیه شده توسط تیم تولید محتوای فولاد ایرانیان