شرایط تشکیل ترک های هیدروژنی و راه های جلوگیری از آن
سه شرط اصلی برای بروز پدیده تردی هیدروژنی ذکر شد است و گفته می شود که کنترل و حذف هر کدام از شروط، تشکیل این پدیده را تا حد زیادی کاهش می دهد. این سه شرط به تفکیک در ادامه مورد بررسی قرار گرفته است.
الف) جذب هیدروژن در جوش
مقادیر بسیار کم هیدروژن در فلزات و آلیاژهای با شبکه کریستالی bcc و fcc که اساساً استعداد بیشتری به بروز ترک های هیدروژنی دارند، برای تشکیل ترک کافی خواهد بود. برای مثال وجود 0.0001 درصد هیدروژنی در فولاد منجر به تشکیل ترک هیدروژنی می گردد.
حد مجاز هیدروژن با افزایش درصد کربن و عناصر آلیاژی فولاد کاهش می یابد، چون در این حالت احتمال تشکیل فاز سخت مارتنزیت که خطر بروز ترک های هیدروژنی را تشدید می کند بیشتر خواهد بود. از منابع ورود هیدروژن در جوش موارد زیر را می توان نام برد:
• رطوبت و سلولز و آب تبلور موجود در مواد روپوش الکترود؛
• رطوبت موجود در پودر یا فلاکس جوشکاری؛
• رطوبت موجود در فلاکس سیم جوشهای توپودری؛
• رطوبت و زنگ زدگی و آلودگی های هیدروکربنی (گریس و روغن و رنگ و ... ) موجود بر روی فلزات پایه؛
• رطوبت موجود در گازهای محافظ که در روش جوشکاری با محافظت گاز خنثی مثل TIG ,MIGو PAW مصرف می شوند؛
موارد بالا خطر جذب هیدروژن و تردی هیدروژنی وجود دارد. برای مثال در جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوبلکس از گاز محافظ Ar-0.5H2 استاده می شود که این خود خطر بروز تردی هیدروژنی را افزایش می دهد.
ب) وجود ساختار مستعد به تشکیل ترک
به عنوان مثال در فولادها وجود ساختار میکروسکوپی که به طور کامل و یا نسبی حاوی فاز ترد مارتنزیت باشد، احتمال بروز این پدیده افزایش می یابد. در جوشکاری به ندرت احتمال دارد که سرعت سرد شدن جوش کمتر از حد c/s 5 باشد، و با این سرعت سرد شدن حتی در اکثر فولادهای کم آلیاژی نیز شاهد تشکیل ساختار مارتنزیتی خواهیم بود، و البته هر چقدر درصد کربن فولاد بالاتر باشد، این استعداد بیشتر خواهد شد. توضیح اینکه با افزایش درصد کربن فولاد، عملاً فاز مارتنزیت حاصله سخت تر و شکننده تر می شود و از اینرو فولاد مقاومت کمتری در برابر ترک های هیدروژنی خواهد داشت. همچنین وجود عناصر آلیاژی که سبب افزایش قابلیت سختی پذیری (Harden ability) فولاد می شود، همچون نیکل، موجب می گردد که وسعت ناحیه مارتنزیتی در قطعه پس از جوشکاری افزوده گردد، و این خود خطر تردی هیدروژن را افزایش می دهد.
ج) تنشهای پسماند
حرارت موضعی جوشکاری سبب انبساط نواحی اطراف جوش می شود و در هنگام انجماد و سپس سرد شدن جوش، انقباضات انجمادی و فاز جامد (Shrinkage & Contraction) را داریم که چون بصورت موضعی و غیر یکنواخت صورت می گیرد منجر به بروز تنش های پسماند در ناحیه جوشکاری شده می گردد. چراکه اغلب امکان آزاد شدن این تنش ها از طریق تغییر فرم غیر یکنواخت قطعه وجود ندارد. در بسیاری از مواد آزاد شدن موضعی این تنش ها (اگر در حد تنش تسلیم نباشد) سبب پیچیدگی و تاییدگی اجزاء اتصال می شود و یا می تواند منجر به بروز ترک شود که این مشکل در قطعات ضخیم جدی تر خواهد بود.
اندازه گیری ها نشان می دهد که تنش پسماند در جوش، بر روی ورق های نازک شامل تنش کششی در دو طرف جوش و با فاصله کم از آن، و تنش فشاری در فواصل بیشتر از جوش می شود. در ورق های ضخیم (با طرح اتصال جناقی یکطرفه) تنش زاویه ای نیز بوجود می آید که یا اضافه شدن تعداد پاس های جوش این تنش نیز افزوده می گردد.
در خیلی از موارد تنشهای پسماند قبل از جوشکاری نیز ممکن است وجود داشته باشند، که این تنشها با تنشهای حاصل از جوشکاری ترکیب می شوند. در هر حال پیش بینی و محاسبه تنش های پسماند کاری مشکل بوده و غالباً با مدلهای ریاضی و از طریق شبیه سازی با روش های المان محدود و اختلاف محدود صورت می گیرد. قدر مسلم اینکه وجود تنش های کششی پسماند در موضع جوش خطر بروز ترک های هیدروژنی را افزایش می دهد و هر چقدر شدت و تمرکز این تنشها بیشتر باشد، خطر بروز تردی بیشتر می شود.
یادآوری می شود که ترک های هیدروژنی ممکن است پس از تاخیر طولانی حدود چندین نماید. یعنی در شرایطی که احتمالاً قطعه در شرایط سرویس کار و تحت تنش قرار می گیرد ممکن است دچار ترک و شکستگی شود. در این موارد تنش های حین سرویس با تنشهای پسماند در قطعه جمع شده و منجر به بروز ترکهای هیدروژنی می شوند.
شرط چهارمی نیز برای ترک های هیدروژنی ذکر شده است و آن اینکه می بایست فولاد در محدوده دمایی 10- تا 160+ درجه سانتیگراد قرار داشته باشد.
با مروری بر شرایط تشکیل و مکانیزم تردی هیدروژنی مشخص می شود که روش های کنترل و پیشگیری از بروز این پدیده، بطور خلاصه عبارت خواهند بود از:
1. استفاده از مواد مصرفی (Consumables) عاری از هیدروژن بگونه ای که غلظت هیدروژن جذب شده در جوش به کمتر از حد بحرانی برسد.
2. بکارگیری فرآیند و روش صحیح و مناسب جوشکاری تا حداقل جذب هیدروژن و تنش های پسماند جوشکاری را منجر گردد و بعلاوه شرایط مطلوب تری را برای تشکیل ساختار مقاوم به ترک فراهم آورد.
3. استفاده از عملیات حرارتی پیش گرمایش و پس گرمایش (Pre Heating & Post Heating) مناسب جهت کمک به حذف یا کاهش حد هیدروژن و تنش های پسماند و بهبود شرایط تشکیل ریز ساختار غیر حساس به ترک های هیدروژنی.
Bookmarks