جوشکاری چدن به دلیل جوش پذیری محدود تر چدن ها، نسبت به جوشکاری فولاد با مشکلات بیشتری مواجه است. در میان انواع چدن ها، جوشکاری چدن نشکن و چدن مالیبل سهولت بیشتری نسبت به جوشکاری چدن خاکستری و چدن سفید دارد. جوشکاری چدن ها اغلب محدود به جوشکاری تعمیری قطعات چدنی میشود. شکنندگی ناشی از تشکیل ساختار های ترد در سیکل جوشکاری و عدم تحمل تنش های حرارتی حین جوشکاری ، دو دلیل اصلی جوش پذیری پایین چدن ها محسوب میشود.  جوشکاری چدن ها به وسیله انواع روش های جوشکاری چدن با اینورتر ، لحیم کاری سخت چدن و جوش برنج انجام میشود.

جوشکاری چدن ها معمولا با هدف رفع عیوب ناشی از ریخته گری مانند انواع حفرات و ترک ها، رفع عیوب حین ماشین کاری و تعمیر قطعات فرسوده انجام میشود.

انواع چدن

چدن به گروه وسیعی از مواد با عنصر اصلی آهن همراه با 1.7 تا 4.5 درصد کربن و 0.5 تا 3 درصد سیلیسیم اطلاق می شود. چدن ها همچنین 0.2 تا 1.3 درصد منگنز و حداکثر تا 0.2 درصد فسفر در ساختار خود دارند. مولیبدن، نیکل، کروم و مس و بعضی عناصر دیگر هم برای تولید انواع چدن های آلیاژی خاص اضافه میشوند. پرکاربردترین چدن ها شامل چدن خاکستری، چدن نشکن با گرافیت کروی، چدن مالیبل و چدن سفید میشود. هر کدام از این نوع چدن ها ترکیب شیمیایی، ساختار میکروسکوپی و اندازه و نحوه توزیع گرافیت یا کاربید متفاوتی دارند. چدن ها بسته به این تفاوت های ریز ساختاری به خواص مهندسی متفاوتی دست پیدا میکنند.

متالورژی جوشکاری چدن

چدن سفید، تردی و شکنندگی بسیار زیاد و مقطع شکست سفید نقره ای دارد. جوشکاری چدن سفید به طور کلی انجام نمیشود و این ماده نیز در مصارفی که نیاز به جوشکاری دارند، به کار نمیرود. کربن در چدن به صورت ترکیبی (سمنتیت و بعضی کاربیدهای عناصر دیگر) و آزاد (گرافیت) یافت میشود. گرافیت در چدن خاکستری به صورت ورقه ای، در چدن مالیبل به صورت برفکی و در چدن نشکن به صورت کروی در زمینه توزیع و پخش شده است. تجمعی بودن گرافیت ها در چدن های مالیبل و نشکن موجب افزایش انعطاف پذیری و چکش خواری بهتر آن ها میشود. به همین دلیل جوشکاری چدن مالیبل و نشکن نیز سهولت بیشتری دارد.

جوشکاری تعمیری چدن

به عبارت دیگر، این چدن ها زمینه ای شبیه فولاد به همراه گرافیت دارند. بنابراین جوشکاری چدن های یاد شده نیز، همانند فولاد، با رعایت عملیات حرارتی مناسب ممکن میشود. با شرط اینکه اثرات وجود گرافیت نیز در جوشکاری چدن لحاظ شود.

مشکلات جوشکاری چدن

بزرگترین مشکل در جوشکاری چدن ها تشکیل فازهای سخت و ترد، طی سیکل عملیات حرارتی ناشی از جوشکاری است. سیکل عملیاتی حرارتی جوشکاری ممکن است باعث شود که در دمای بالا، کربن گرافیت وارد زمینه شده و درصد کربن زمینه را بالا ببرد. در این صورت در سیکل سرمایش، کربن اضافه به صورت فازهای سمنتیت و سایر کاربیدها رسوب میکند. ممکن است با بالا رفتن درصد کربن، احتمال تشکیل مارتنزیت سخت و ترد نیز در زمینه بالا برود. هر دو این مکانیسم ها موجب ایجاد منطقه ای بسیار ترد در فلز جوش و نواحی کناری آن میشوند و جوشکاری چدن را با اختلال مواجه میکنند.

جوشکاری چدن با برنز آلومینیوم

ممکن است که فاز سخت و ترد ایجاد شده طی سیکل جوشکاری چدن ، به واسطه تنش های حرارتی یا تنش های پسماند ناشی از سیکل حرارتی دچار ترک بشود. بروز این ترک ها در فلز جوش یا مناطق نزدیک آن دومین مشکل بزرگ جوشکاری چدن است. با پایین آوردن آمپر جوش چدن میتوان از بروز مشکلات یاد شده تا حد زیادی جلوگیری کرد.

مشکل بزرگ دیگری که در جوشکاری چدن مشاهده میشود، ایجاد حفره هایی در فلز جوش است. حفرات ایجاد شده حین جوشکاری چدن منجر به کاهش استحکام کششی و خستگی قطعه جوشکاری شده می شوند. در ضمن، چنانچه جوشکاری چدن روی مخزن انجام شده باشد، این حفرات موجب کاهش کیفیت آب بندی مخزن میشوند. این حفرات به این دلیل ایجاد میشوند که کربن موجود در گرافیت با هوای آزاد در تماس قرار می گیرد. تماس کربن با هوای آزاد در منطقه ذوب شده موجب ایجاد حباب های گاز CO2 و CO میشود. این حباب ها در صورت محبوس شدن در فلز جوش موجب ایجاد حفرات گازی میشوند.

جوشکاری چدن خاکستری

چدن خاکستری آلیاژی است که استحکام فشاری خوب و مقاومت به ضربه ضعیفی دارد. چدن خاکستری دارای نیکل، کروم و مس است که استحکام و مقاومت به خوردگی را بهبود میبخشند. ساختار چدن خاکستری شامل فسفر و گوگرد نیز بوده که موجب تضعیف چقرمگی آلیاژ میشوند. جوشکاری چدن خاکستری نسبت به چدن های دارای گرافیت تجمعی، دشواری بیشتری دارد. با این وجود، به دلیل استفاده بسیار زیاد این چدن ها در صنعت، جوشکاری چدن خاکستری در برخی موارد انجام میشود. از روش های جوشکاری چدن خاکستری میتوان به روش های جوشکاری چدن با اینورتر از قبیل جوشکاری چدن با الکترود دستی ، جوشکاری چدن با آرگون و جوشکاری کاربید اشاره کرد.

جوشکاری چدن نشکن و مالیبل

چدن مالیبل طی عملیات حرارتی مالیبل کردن چدن از چدن سفید ایجاد میشود. طی این عملیات حرارتی، گرافیت به صورت برفکی مجتمع میشود و قابلیت شکل پذیری و چکش خواری قطعه را افزایش میدهد. این ساختار طی جوشکاری چدن های یاد شده، تحت تغییرات گسترده ای قرار میگیرد و تبدیل به ساختاری ترد و شکننده میشود. عملیات حرارتی روی این منطقه میتواند گرافیت را به صورت لایه ای (همانند چدن خاکستری) آزاد کند. در نتیجه، خواص مکانیکی این منطقه به خواص اولیه قطعه نمیرسد. اتصال این دسته از چدن ها با انواع روش های جوشکاری چدن با اینورتر شامل جوشکاری چدن با الکترود دستی ، جوش کاربید و لحیم کاری سخت انجام میشود.

جوشکاری چدن

جوشکاری چدن هایی با گرافیت کروی و چکش خوار انجام پذیر است. هر چند چدن هایی که استحکام پایینتری دارند، جوشکاری راحت تری هم دارند.  به این دلیل که در جوشکاری چدن های با استحکام بالاتر،  اختلاف استحکام فلز جوش با فلز پایه میتواند مخرب باشد. الکترود جوشکاری چدن برای این دسته از چدن ها شامل دو سری ENiFe-CI و ENi-CI میشود. الکترود جوشکاری چدن ENiFe-CI در مواردی که نیاز به استحکام بالایی است پرکاربرد تر است. استفاده از دمای پیش گرمی بین 200 تا 500 درجه سانتیگراد، آمپر جوش چدن پایین و عملیات حرارتی بعد از جوشکاری به ایجاد جوش مناسب کمک میکند.

جوشکاری چدن با الکترود دستی

از میان روش های جوشکاری چدن با اینورتر ، جوشکاری چدن با روش چوشکاری الکترود دستی پرکاربرد ترین آن ها محسوب میشود. عوامل متفاوتی در بهبود جوشکاری چدن با الکترود دستی دخیل هستند که استحکام کششی ، نحوه توزیع گرافیت و درصد گوگرد و فسفر جزو این عوامل هستند. بعنوان مثال جوشکاری چدن خاکستری با استحکام کششی پایین، حساسیت زیادی نسبت به ایجاد ترک زیر منطقه ذوب دارد.

انتخاب الکترود جوشکاری چدن در جوشکاری چدن با الکترود دستی ، اغلب از دسته الکترودهای روپوش دار انجام میشود. هسته الکترود جوشکاری چدن به ندرت از جنس فولاد یا چدن است و بیشتر از آلیاژهای نیکل با آهن و مس استفاده میشود. نامگذاری الکترود جوشکاری چدن بسته به ترکیب شیمیایی، در استاندارد AWS قوانین خاصی دارد. نامگذاری الکترود جوشکاری چدن به صورت ENiCu (نیکل و مس)، ENi-CI (95 درصد نیکل) وENiFe-CI (55 درصد نیکل و باقی آهن) انجام میشود.

جوشکاری سرد چدن

به طور کلی الکترود جوشکاری چدن ENiFe-CI بهتر از الکترود ENi-CI است چون که ضریب انبساط فلز جوش در جوشکاری با این الکترود کمتر است. در نتیجه، تنش های حرارتی کاهش می یابد. میزان فسفر فلز جوش در جوشکاری با الکترود جوشکاری چدن ENiFe-CI اهمیت کمتری دارد. جوشکاری با این الکترود موجب افزایش استحکام و انعطاف پذیری فلز جوش و کاهش حساسیت به ایجاد ترک گرم در فلز جوش میشود. الکترود ENi-CI فلز جوش نرم تر ایجاد میکند که از منظر قابلیت ماشین کاری میتواند مهم باشد. هر دو این الکترود ها کربن بالاتر از حد حلالیت دارند که ممکن است منجر به رسوب کردن کربن اضافی به صورت گرافیت و کاهش خواص جوش بشود.

انواع جوشکاری چدن با الکترود دستی

جوشکاری چدن با الکترود دستی به دو روش گرم و سرد انجام میشود. در روش جوش سرد ، تلاش میشود با کنترل حرارت ورودی به فرایند با کنترل آمپر جوش چدن و استفاده از سیم جوش چدن نازک دمای فرایند کنترل شود. در این فرایندها از زمان های توقف استفاده میشود تا به حوضچه جوش برای سرد شدن فرصت داده شود. در جوش چدن به روش سرد، احتمال ایجاد ترکیبات ترد و ترکیدگی فلز جوش پایین می آید. در جوشکاری گرم که آمپر جوش چدن بالاتری دارد، به وسیله پیش گرم کردن قطعه کار تا 200 درجه از تشکیل این فازها جلوگیری میشود. آمپر جوش چدن در روش گرم نیز تا حد ممکن پایین نگه داشته میشود، به صورتی که عیب نفوذ ناقص در جوش پدید نیاید.

جوشکاری چدن با جوش کاربید

از میان روش هایی که جزو دسته جوشکاری چدن با برق محسوب نمیشوند، جوشکاری چدن خاکستری با روش جوشکاری هواگاز را میتوان نام برد. این روش بسیار پرکاربرد بوده و به طور گسترده ای انجام میشود. پیش از جوشکاری چدن با روش هواگاز ، قطعات کوچک را بایستی بوسیله شعله پیش گرم کرد و قطعات بزرگ تر به منظور پیش گرم در کوره قرار میگیرند.

قطعه ترمیم شده بوسیله جوشکاری چدن

حرارت ورودی بالا و عدم تمرکز حرارت در فرایند جوشکاری چدن خاکستری با شعله اکسی استیلن موجب اعوجاج و کاهش دقت ابعادی قطعه میشود. از سوی دیگر، این مسئله منجر به کاهش سرعت سرمایش محل اتصال و کاهش احتمال ایجاد فازهای سخت و ترد در این منطقه میشود. اضافه کردن سیم جوش چدن به فرایند اکسی استیلن موجب بهبود خواص محل جوش میشود.

سیم جوش چدن مورد استفاده در فرایند جوشکاری هواگاز از جنس چدن با حداقل گوگرد و فسفر میباشد. در ترکیبات سیم جوش چدن از مقداری تیتانیوم و سیلیسیم اضافی و منیزیم نیز ممکن است استفاده شود. سیم جوش چدن در استاندارد AWS با دو نامگذاری RCI (استحکام کششی 138 تا 172 مگاپاسکال) و RCI-A (استحکام 241 تا 276 مگاپاسکال) معرفی میشود.

جوشکاری چدن

برای محافظت از عناصر جوش چدن در برابر اکسیداسیون، از روانسازهای مخصوص نیز استفاده میشود. روانساز در جوشکاری هواگاز به دو صورت روی منطقه جوش اعمال میشود. در برخی موارد، روانساز روی قطعه کار پاشیده میشود و در مواردی نیز سیم جوش چدن گرم در روانساز فرو برده میشود تا این ماده به منطقه جوش وارد شود.

جوشکاری چدن با آرگون

در میان روش های جوشکاری چدن با اینورتر ، جوشکاری چدن با روش جوشکاری آرگون به همراه سیم جوش چدن ، اتصال مناسبی روی چدن نشکن ایجاد میکند. سیم جوش چدن مورد استفاده در این روش از جنس چدن نشکن و آلیاژهای نیکل به همراه آهن یا منگنز میباشد. جوشکاری چدن با آرگون نرخ رسوب نشانی پایینی دارد و بنابراین بیشتر برای تعمیر سطحی قطعات چدنی استفاده میشود. تعمیرات سطحی انجام شده در روش جوشکاری چدن با آرگون شامل تعمیر حفرات گازی سطحی ایجاد شده طی ریخته گری است. تاثیر سیم جوش چدن در جوشکاری چدن با آرگون در ریزساختار فلز جوش بعد از جوشکاری است. با افزودن سیم جوش نیکلی، فلز جوش ایجاد شده ساختاری نرم و چقرمه خواهد داشت.