في سلسلة قابلية المواد علي اللحام بالانجليزية Material and their weldability يوفر لك هذا الدليل كيفية اجراء اللحام علي معدن التيتانيوم بالانجليزية Titanium ويشار اليه بالرمز TI باستخدام عمليه لحام القوس الكهربائي TIG – GTAW بالإضافة الى تطبيق عمليات لحام القوس الكهربائي البلازما plasma arc welding على معدن Ti.
وسوف نركز فيها علي افضل الممارسات والخطوط العريضة والعيوب الناجمة المرتبطة بالعملية بالاضافة الى المخاطر المحتملة عند تنفيذ العمليات، لان استخدام لحام القوس الكهربائي TIG – GTAW هو الاكثر شهرة في اجراء لحام التيتانيوم على بالرغم من ذلك هناك تطوير جاري يسمح باستخدام عمليات لحام MIG على معدن التيتانيوم لكن هذا لن يتم مناقشته الان. وقد يهمك زيارة قابلية معدن الحديد الصلب و تكافؤ الكربون لمعرفة الخصائص الفيزيائية للمواد التي يدخل في صناعتها الكربون.
مقدمة عامة : التيتانيوم Titanium
الالوان الجميلة البنفسجي والاخضر والازرق والرمادي والابيض احد الاستخدامات في المجوهرات والاكسسوار المصنوع من التيتانيوم وهي تشير ايضا الي الالوان التي يتعرض لها التينانيوم عند اجراء عملية اللحام GTAW – TIG بسبب التفاعل مع العوامل الجوية مثل الاكسجين والنتيتروجين الموجود بالهواء والذي يؤدي الي تدهور في الخصائص الميكانيكية والفيزيائة للتيتانيوم، بالتالي من الضرورة توفير اساليب محددة لضمان الحماية باستخدام غاز التدريع بشكل كامل. وعلي النقيض عند استخدام التيتانيوم في عمليات لحام لحام البقعة المقاوم ولحام الاسقاط لن يتسبب في ضرر المعادن الاساسية عند التعرض للهواء resistance welding spot welding, seam welding.
عموما اصبح التيتانيوم اكثر استخداما في الصناعات المختلفة مثل صناعة الطائرات والمبدلات الحرارية والصناعات البحرية والمدرعات ومركبات الفضاء وغيرها الكثير هذا بسبب الخصائص الفيزيائية والميكانيكية المتميزة وهي كالاتي:
- القوة العالية نسبة الي الوزن الخفيف ( فهو قوي جدا كالفولاذ الصلب ولكنه نصف وزنه)
- القدرة الممتازة علي مقاومة التآكل والصداء
- الخصائص الميكانيكية جيدة جدا في درجات الحرارة المرتفعة
كما انه يتم استخدام التيتانيوم Ti حسب ما يلي
- التيتانيوم النقي (للاستخدام التجاري) تتراوح نسبة Ti من ٩٨٪ الي ٩٩.٥٪ ويمكن تعزيز السبيكة بادخال بعض العناصر الاخرى O2, N2, C and Fe الذي يزيد من سهولة اللحام
- Alpha alloys .Mainly single -phase alloys with up to 7% Al and a small amount of O2, N2 and C. These can be fusion welded in the annealed condition.
- Alpha-beta alloys. Two-phase alloys formed by the addition of up to 6% Al and varying amounts of beta- forming constituents such as V, Cr and Mo. Can be fusion welded in the annealed condition
- . Ni–Ti alloys that contain a large beta phase, stabilised by elements such as Cr, are not easily welded.
عندما يتم تطبيق لحام القوس TIG علي معدن التيتانيوم نحتاج الي نوع من الغاز الخامل مثل الارجون الذي يعمل علي التدريع والحماية بين المعادن الاساسية والوصلات المطلوب ايصالها بالاضافة الى حماية نقطة ذوبان التنغستن والهدف من استخدام غاز الارجون هو منع التعرض والتفاعل مع الهواء عندما يتم انشاء فراغ القوس بينهما ويتم استخدام الحرارة لاجراء لحام المواد الاساسية عن طريق ذوبان الاكترود (التنغستن) المتصل بمولد الطاقة DC ويعمل الكاثود كقطب سالب والانود كقطب موجب.
الظروف الملائمة لاجراء عملية لحام القوس الكهربائي TIG
في الشكل التالي يوضح لنا الترتيب النموذجي لاجراء لحام القوس الكهربائي TIG على سبيكة التيتانيوم ويعتبر الفرق الرئيسي بين تطبيق TIG علي الفولاذ الصلب وبين التطبيق على التيتانيوم هو جهاز الحماية او (الشعلة)، حيث انه لا يمكن الحصول علي تآثير كامل للحماية والتدريع بسبب طول الشعله الممتد التي يتم استخدامها في لحام وصلات الحديد الصلب،
بالتالي يكون من الضروري توفير جهاز يعمل على تدفق الغاز لما بعد الحماية الاساسية بالانجليزية after-shielding device وهو موجود بالجزء الخلفي للشعلة ووظيفة الجهاز حماية منطقة لحام التيتانيوم من درجات الحرارة العالية، بالاضافة الى توفير جهاز تدريع الظهر بالانجليزية back-shielding device الذي يعمل على حماية الجزء الخلفي من منطقة لحام التيتانيوم من خلال تدفق الغاز، في الشكل الاتي توضيح ورسم تفصيلي للشعلة المستخدمة عند اجراء العملية على TI:
وبالنظر الى الشكل ادناه يشرح مسلسل العلاقة النموذجية ما بين سرعة اللحام و التيار current في لحام القوس الكهربائي TIG وهو يعرض رقاقة من التيتانيوم ٠.٥ مم تخانة وطول امتداد القوس ٢ مم والزاوية ٤٠ درجة و الكترود التنغستن المستخدم من نوع lanthanum-containing, 3.2 mm in diameter بزاوية ٤٠ درجة
و تم استخدام غاز الارجون كغاز للتدريع بسرعة ٢٠ لتر / دقيقة و فيما يخص تدفق الغاز بعد الحماية after-shielding gas كانت السرعة ٣٧.٥ لتر / دقيقة و فيما يخص حماية الظهر back-shielding gas تم الضبط ل ٧.٥ لتر / دقيقة وكما يوضح المخطط انه كان من المفترض ان يتم ضبط التيار current لانتاج ١ مم من اللحام كحد ادني ، وعند ضبط التيار الي الحد الاعلي كاد ان يحدث burn-through الذي يتوافق مع انتاج حبة بعرض ٣ مم ، من هنا يتبين لنا ان هناك علاقة طردية بين سرعة اللحام والتيار وهي عندما تزيد سرعة اللحام يجب زيادة التيار وعندما تتجاوز سرعة اللحام ٦ متر / دقيقة لم يعد من الممكن الحفاظ علي جودة اللحام المنصهر واختيار التيار current المناسب للعملية
تآثير طول القوس
في الشكل التالي يظهر ايضا مسلسل العلاقة بين سرعة اللحام والتيار current في لحام القوس الكهربي TIG لاستخدام رقاقة sheet من التيتانيوم ٠.٥ مم تخانة وهو ينطبق عليه نفس الشروط في الرسم اعلاه الا ان طول القوس ١ مم فعندما تزداد سرعة اللحام يتم عملية تحويل و زيادة التيار current والجدير بالذكر ان الحد الاعلي لسرعة اللحام هو ٧.٥ متر / دقيقة وهو اكثر ب ١.٥ متر كما هو واضح في الشكل اعلاه والسبب في ذلك هو خفض امتداد طول القوس من ٢ مم الي ١ مم ، مما يساعد علي عمليه تركيز اكثر للقوس وفي الوقت نفسة يسمح باجراء لحام بعرض اكبر من المذكور اعلاه ، هذا بجانب انه يقلل من انتاج عيب اللحام burn-through،
والسوال الذي يطرح نفسه هو لاي مدى يمكن تقليل طول القوس بشكل مناسب وآمن بنفس الوقت في الواقع من خلال التجارب انه قد تم اجراء لحام القوس TIG في رقاقة من التيتانيوم مع طول القوس ١ مم وقد تم الحصول علي weld bead حبة لحام مستقرة جدا ولكن مع هذا الطول القصير للقوس يصبح تجمع اللحام المصهور غير مستقر بسبب بعض الاضطرابات التي يسببها نقطة ارتكاز الكترود التنغستن وبالتالي يضطرب اتصال الالكترود باللحام المصهور ، وفي حالة حدوث ذلك يمكن زيادة طول القوس، ويعتبر الحد الادني لطول القوس هو ٠.٥ مم ، في الواقع ان السيطرة علي طول مدى القوس في لحام TIG له اهميه كبيرة جدا لانه يؤثر علي النتائج النهائية للحام .
تآثير سمك وتخانة الصفائح اثناء عمليات اللحام
في الشكل التالي رقم ٤ يوضح العلاقات المناسبة بين سرعة اللحام welding speed والتيار welding current في لحام القوس الكهربائي TIG باستخدام لوح سبيكة من التيتانيوم ١مم وطول القوس ١ مم ويوضح الرسم افضل استخدام مناسب للتيار الذي سوف ينتج حبة لحام اورانامي بعرض ١مم في الحد المنخفض وحبة بعرض ٣مم كحد اقصى وهذه آفضل ممارسة للعلاقة بين سرعة اللحام والتيار ، و كما وضحنا سابقا في استخدام لوح تيتانيوم ٠.٥ مم فهناك علاقة ايجابية بين سرعة اللحام والتيار فيكون الحد الاقصى لسرعة اللحام هي ٤ متر / الدقيقة،
وفي الشكل رقم ٥ يوضح لنا الاستخدام بين سرعة اللحام والتيار باستخدام سبيكة من التيتانيوم بتخانة ٢ مم وطول القوس ١ مم وفي هذه الحالة ايضا هناك ارتباط بين سرعة اللحام و التيار وبالتالي يكون الحد الاقصى لسرعة اللحام هي ١ متر / الدقيقة ومع زيادة التخانة لسبائك التيتانيوم تصبح العلاقات المناسبة بين سرعة اللحام والتيار هي انخفاض التيار بشكل ملحوظ و انخفاض الحد الاقصى لسرعة اللحام ،
في الواقع ان رقائق او سبيكة التيتانيوم التي تزيد عن ٢ مم يصبح من الصعب لحامها في شوط واحد باستخدام لحام القوس الكهربائي TIG وفي هذه الحالة من الضروري اجراء اللحام على عدة مراحل او اشواط ، وفي الغالب عملية لحام القوس الكهربائي TIG تخضع لطريقة اعداد حواف الوصلات وكيفية تغذية الاسلاك اثناء عملية اللحام التي يسهل عندها انتاج لحام عالي الجودة ، من ناحية اخرى فان اجراء لحام التيتانيوم في سبائك اكبر من ٢مم هي عملية غير فعالة ومكلفة بنفس الوقت.
اجراء عمليات اللحام للتيتانيوم باستخدام البلازما plasma arc welding
الحقيقة ان زيادة كثافة الطاقة هي الوسيلة الفعالة والمناسبة للقضاء على عيوب اللحام المذكورة في استخدام لحام TIG وفي الشكل رقم ٦ يوضح انه قد تم تعيين فهوة تبريد المياة المصنوعة من النحاس في مكان ما بين القطب التنغستن والمعدن الاساسي لاجراء اللحام ويتم انشاء وتفريغ القوس من خلال ثقب في وسط الفهوة ، ومع هذا الترتيب من الممكن الحصول علي قوس البلازما ذات طاقة عالية الذي يمكن استخدامه مع سبائك التيتانيوم اكبر من ٢ مم ليصبح من الممكن اجراء اللحام على شوط واحد.
ومع ذلك تجدر الاشارة الي ان استخدام هذه التقنية تتطلب المزيد من الاعدادات والمعلمات التي يجب ضبطها بما في ذلك قطر ثقب الفهوة ومعدل تدفق الغاز المركزي ، وايضا المسافة بين بين الفهوة والمعدن الاساسي الذي سوف يتم لحامه وماشابه ذلك.
وفي الشكل رقم ٧ يوضح العلاقة بين معدل تدفق الغاز المركزي وعرض حبة اللحام التي تم الحصول عليها عندما تعرضت سبيكة من التيتانيوم بتحانة ٣مم في لحام البلازما مع العلم ان قطر الفهوة هو ٢.٨ مم وقوة التيار ٢١٠ امبير وسرعة اللحام هي ١ متر على الدقيقة فعندما يكون معدل تدفق الغاز هو ٠.٥ لتر / الدقيقة لا يتم تشكيل حبة اورنامي
ولكن عند زيادة معدل تدفق الغاز تبداء الحبات في التشكيل ، وعند تدفق الغاز بسرعة ١.٥ لتر / الدقيقة تصبح حبة الاورنامي والسطح نفس العرض تقريبا وهكذا فمن خلال استخدام لحام البلازما مع وجود كثافة طاقة عالية يصبح اجراء لحام التيتانيوم للسبائك المتوسطة حتى ١٠ مليمتر كما يمكن اجراء اللحام على شوط واحد فقط لهذا السمك.
على العكس تماما مع لحام القوس الكهربائي TIG الذي لا يمكنه تطبيق هذا الاجراء ، ومع ذلك فآن تطبيق لحام البلازما لايتم استخدامه على نطاق واسع في عمليات اللحام نظرا لكثرة تجهيزاته التي تتطلب المزيد من الوقت والمجهود وتتطلب ايضا اعداد حواف الوصلات بدقة عالية ناهيك عن ان هناك بعض المشاكل الاخرى المرتبطة.
في النهاية تم دراسة التركيبات الدقيقة لمعدن التيتانيوم ، بجانب الخصائص والمعلمات الفنية لعينات اللحام بسمك 3 مم من التيتانيوم النقي والمستخدم تجاريا. وقد اشارت النتائج إلى أن عملية اللحام TIG مناسبة للتيتانيوم النقي ، وبالفعل يمكن الحصول على اختراق كامل وانتاج لحام بدون عيوب. بجانب ان خصائص الشد والانحناء والصلابة للمفاصل تتوافق مع بنية المصفوفة والخصائص الميكانيكية للوصلات الملحومة.
والكلام عن التيتانيوم لايتوقف عند هذه المقالة ولكنها شرح مبسط لقابلية المواد للحام حول التيتانيوم Titanium واامل ان اكون وفقت في ذلك ويسعدني اضافة اي معلومات حول هذا الموضوع في التعليقات ولا تنسى الاشتراك ببريد الموقع كي يصلك كل ما هو جديد
شكرا لمشاركة المعلومات: