معرفی جامع جوشکاری فولاد ابزار کربنی

جوشکاری فولاد ابزار کربنی به عنوان یکی از چالش‌برانگیزترین فرآیندهای جوشکاری در صنعت، نیازمند رعایت دقیق اصول مهندسی و تکنیک‌های پیشرفته است. این نوع فولادها به دلیل دارا بودن درصد بالای کربن، از سختی و استحکام بالایی برخوردار هستند، اما همین ویژگی‌ها، احتمال بروز ترک در ناحیه جوش را افزایش می‌دهد. در این مقاله با روش‌های علمی و کاربردی برای جوشکاری ایمن و مؤثر فولاد ابزار کربنی آشنا می‌شوید.

بهترین روش برای جوشکاری فولاد ابزار کربنی

فولاد پر کربن، با میزان کربن بالای خود، مقاومت و استحکام فوق‌العاده‌ای را ارائه می‌دهد، اما همین خصوصیات، جوشکاری آن را به یک فرآیند حساس و دقیق تبدیل کرده است. درک چگونگی کنترل تنش‌های حرارتی و اجتناب از ترک خوردگی، کلید اصلی در این فرآیند است.

• اهمیت پیش‌گرمایش در جوشکاری فولاد ابزار کربنی

یکی از مراحل کلیدی در جوشکاری فولادهای پرکربن، پیش‌گرم کردن قطعه پیش از شروع جوشکاری است. این عملیات با هدف کاهش سرعت سرد شدن جوش و پیشگیری از ایجاد ترک‌های حرارتی انجام می‌شود. معمولاً دمای پیش‌گرمایش در بازه ۱۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار دارد که بسته به ترکیب آلیاژی و ضخامت قطعه متفاوت خواهد بود.

• انتخاب الکترود مناسب برای جوش فولاد کربنی

یکی از عوامل مؤثر در موفقیت جوشکاری، استفاده از الکترود مناسب است.  الکترودهایی مانند:  E7016،E7018  و E8018 به دلیل ایجاد قوس پایدار و کاهش میزان نفوذ هیدروژن در فلز جوش، گزینه‌های ایده‌آلی برای جوشکاری فولادهای ابزار محسوب می‌شوند. استفاده از این الکترودها احتمال ایجاد ترک و تردی هیدروژنی را به‌طرز چشمگیری کاهش می‌دهد.

• روش‌های رایج جوشکاری فولاد ابزار کربنی

در صنعت، روش‌های متعددی برای جوشکاری فولاد ابزار کربنی به‌کار گرفته می‌شود. از جمله روش‌های رایج می‌توان به جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روکش‌دار (SMAW) و جوشکاری با گاز محافظ و سیم جوش (MIG/GMAW) اشاره کرد. این روش‌ها کنترل بهتری روی قوس، حرارت ورودی و فلز پرکننده فراهم می‌کنند.

• کنترل دمای بین پاس‌های جوش

برای جلوگیری از تنش‌های حرارتی و ایجاد ترک، باید بین پاس‌های متوالی جوش، دمای مناسب حفظ شود. این کار باعث یکنواختی توزیع حرارت در فلز پایه شده و از تمرکز تنش در ناحیه جوش جلوگیری می‌کند.

• نقش عملیات حرارتی پس از جوش

در برخی شرایط، اجرای عملیات حرارتی پس‌جوش مانند نرمال‌سازی یا آنیلینگ برای کاهش تنش‌های پسماند و افزایش مقاومت جوش الزامی است. این عملیات به بهبود ریزساختار فلز و کاهش سختی ناحیه HAZ کمک می‌کند.

ترکیب شیمیایی فولاد ابزار کربنی

فولادهای ابزار کربنی به دلیل درصد بالای کربن، به سختی جوش داده می‌شوند و احتمال ایجاد ترک در ناحیه جوش وجود دارد.  برای جلوگیری از ترک، از پیش گرمایش، جوشکاری با الکترودهای قلیایی مقاوم در برابر ترک، و کنترل دقیق سرعت سرد شدن پس از جوشکاری استفاده می‌شود. درصد کربن در فلز جوش نیز باید با دقت کنترل شود تا از ایجاد ترک‌های داغ جلوگیری شود.

درصد ترکیبات شیمیایی جوشکاری فولاد ابزار کربنی به نوع فولاد ابزار و کاربرد آن بستگی دارد. به طور کلی، فولادهای ابزار کربنی دارای مقادیر قابل توجهی کربن (از ۰.۶۰٪ تا ۱.۷۰٪) هستند و بسته به نوع فولاد، ممکن است عناصر دیگری مانند منگنز، سیلیسیم و کروم نیز در مقادیر کمتری وجود داشته باشند.

ترکیبات شیمیایی رایج در فولادهای ابزار کربنی:

کربن (C):

مهمترین عنصر در این نوع فولاد است و محدوده درصدی آن بین ۰.۶۰ تا ۱.۷۰ درصد است.

منگنز (Mn):

معمولاً به مقدار ۰.۳ تا ۰.۹ درصد وجود دارد و به بهبود خواص مکانیکی فولاد کمک می‌کند.

سیلیسیم (Si):

به مقدار کم (معمولاً تا ۱٪) برای افزایش استحکام و مقاومت به خوردگی اضافه می‌شود.

کروم (Cr):

در برخی از فولادهای ابزار کربنی برای افزایش سختی و مقاومت به سایش وجود دارد.

گوگرد (S) و فسفر (P):

مقادیر آنها باید بسیار کم باشد (معمولاً کمتر از ۰.۰۴۵٪) تا از ایجاد ترک در جوش جلوگیری شود.

 

محدوده آمپر مناسب برای جوشکاری فولاد ابزار کربنی

مقدار آمپراژ لازم برای جوشکاری به ضخامت فلز، نوع الکترود و سایز آن بستگی دارد، اما معمولاً در بازه ۸۰ تا ۱۸۰ آمپر قرار می‌گیرد. انتخاب جریان صحیح از اهمیت بالایی برخوردار است و به حفظ کیفیت جوش کمک می‌کند.

الکترود مناسب جوشکاری فولاد ابزار کربنی

برای جوشکاری فولاد ابزار کربنی، الکترودهایی مانند E7018 یا E7016 به دلیل مقاومت بالا در برابر ترک و نفوذ خوب، معمولاً توصیه می‌شوند.  انتخاب الکترود مناسب به عوامل مختلفی مانند ضخامت قطعه کار، موقعیت جوشکاری و نیازهای خاص پروژه بستگی دارد.

این نوع فولاد حاوی درصد بالایی کربن است و به همین دلیل جوشکاری آن نیاز به الکترودهای خاصی دارد که بتوانند با این درصد کربن بالا مقابله کنند و از ایجاد ترک در جوش جلوگیری کنند.

الکترودهای کم هیدروژن:

این الکترودها به دلیل داشتن پوششی که مقدار هیدروژن آزاد شده در حین جوشکاری را کاهش می‌دهند، برای جوشکاری فولادهای کربنی مناسب هستند. هیدروژن می‌تواند باعث ایجاد ترک در جوش شود، بنابراین استفاده از الکترودهای کم هیدروژن احتمال ترک‌خوردگی را کاهش می‌دهد.

الکترود E7018

این الکترود یک الکترود کم هیدروژن است که به دلیل نفوذ خوب و مقاومت بالای آن در برابر ترک، برای جوشکاری فولادهای کربنی و فولادهای با استحکام بالا توصیه می‌شود.

الکترود E7016

این الکترود نیز یک الکترود کم هیدروژن است که برای جوشکاری فولادهای کربنی در موقعیت‌های مختلف مناسب است و جوش‌های با کیفیت و نفوذ خوبی ایجاد می‌کند.

علاوه بر نوع الکترود، ضخامت قطعه کار، موقعیت جوشکاری (تخت، افقی، عمودی، سربالا) و نیازهای خاص پروژه نیز باید در نظر گرفته شوند. برای مثال، برای جوشکاری‌های ضخیم‌تر یا در موقعیت‌های سربالا، ممکن است الکترودهایی با نفوذ بیشتر نیاز باشد.

تفاوت جوشکاری فولاد ابزارکربنی و فولاد کم آلیاژ

الکترودهای فولاد کم آلیاژ دارای پوششی هستند که در حین گرم شدن از نفوذ آلاینده ها به حوضچه جوش جلوگیری می‌کنند، این خاصیت موجب عدم نیاز به گاز محافظ گردیده و استفاده از آنها را آسان‌تر و کاربردی تر می‌نماید.

الکترودهای جوشکاری E8018 برای جوشکاری فولاد کم آلیاژ حاوی 1.25% کروم و 0.5% مولیبدن استفاده می شود. این الکترودهای کم هیدروژن دارای پوششی هستند که میزان هیدروژن جذب شده از هوا و فرآیند جوشکاری را به حداقل می رساند.

درصد کربن فولاد پر کربن – که اغلب به عنوان فولاد ابزار شناخته می شود-، از 0.60 درصد تا 1.70 درصد متغیر است. می‌توان آن را خنثی و تمپر کرد، اما جوش‌پذیری آن ضعیف است. هر چه غلظت کربن بیشتر باشد، ناحیه متاثر از گرما سخت‌تر می‌شود، ترک‌های سرد بیشتر رخ می‌دهد و جوش‌پذیری ضعیف‌تر می‌شود. اگرچه، زمانی که سختی ناحیه متاثر از حرارت، با افزایش غلظت کربن یا آلیاژ افزایش می‌یابد، جوشکاری فولادهای کم آلیاژ به طور فزاینده‌ای دشوار می‌شود.

فولاد کربنی دسته وسیعی از فولادها با طیف وسیعی از ترکیبات شیمیایی است. اگرچه فولاد کربنی عمدتاً از آهن تشکیل شده است، عوامل اضافی مختلفی ممکن است به آن اضافه شود (به عنوان مثال، مقدار کربن) که می تواند تأثیر قابل توجهی بر جوش پذیری آن داشته باشد. هنگام کار بر روی پروژه ای که شامل جوشکاری می شود، بسیار مهم است که بدانید از چه نوع فولاد کربنی استفاده می شود. اگر متغیرهای مهم، مانند اجزای اضافی یا محدوده محتوای کربن در هر درجه، ناشناخته باشند، ممکن است شکست جوش رخ دهد.

اهمیت جوشکاری فولاد ابزار کربنی از نگاه فولاد حامیران

جوشکاری فولاد ابزار کربنی یک فرآیند تخصصی است که نیازمند دقت بالا در انتخاب پارامترهای جوش، الکترود مناسب و کنترل حرارتی دقیق است.  با رعایت استانداردها و بهره‌گیری از تجربه فنی، می‌توان جوش‌هایی با کیفیت بالا و دوام مناسب روی این فولادها ایجاد کرد.