من از زمانی که اولین‌بار با پدیده ترک خوردگی ناگهانی جوش مواجه شدم، همواره کنجکاو بودم که دقیقاً چه عواملی سبب می‌شوند که اتصالی به‌ظاهر محکم و همگن، ناگهان در معرض نیروهای داخلی یا تنش‌های خارجی دچار شکست شود. این شکست که گاه بدون هشدار قبلی رخ می‌دهد، در مواردی ممکن است خسارات مالی و حتی جانی سنگینی در پی داشته باشد.
شناخت دقیق سازوکار تشکیل ترک در جوش و راهکارهای پیشگیری از آن، بخش مهمی از مطالعات تخصصی در حوزه متالورژی جوش و علم مواد را تشکیل می‌دهد. در این پژوهش، تلاشم بر این است که عوامل علمی و فنی مؤثر در ترک خوردگی ناگهانی جوش را واکاوی کنم و روش‌های تشخیص، کنترل و پیشگیری از آن را براساس تجربه‌های شخصی و مبانی علمی بیان کنم.
دلایل اصلی ترک خوردگی ناگهانی جوش پس از جوشکاری
من اغلب وقتی قطعه‌ای جوشکاری می‌شود و مدتی بعد – شاید تنها چند دقیقه یا حتی چند روز پس از اتمام کار – ترک‌هایی در محل جوش ظاهر می‌شود، می‌دانم که عوامل متعددی ممکن است دخیل باشند. بخشی از این دلایل را می‌توان به ترکیب شیمیایی فلز پایه و فلز پرکننده مرتبط دانست. زمانی‌که میزان کربن یا گوگرد و فسفر در فلز پایه بیشتر از حد معینی باشد، مستعد شکل‌گیری مناطق مستعد تمرکز تنش خواهیم بود. گاهی نیز طراحی نامناسب اتصال باعث تمرکز تنش حرارتی در ناحیه جوش می‌شود.
از سوی دیگر، شرایط نامساعد خنک شدن که باعث انتقال حرارت خیلی سریع یا خیلی کُند در فلز می‌گردد، دمای بین‌پاس نامتعادل را ایجاد می‌کند و درنتیجه جوش به‌طرز محسوسی در معرض تنش‌های کششی باقی می‌ماند. من خودم در یک مورد مشاهده کردم که قطعه‌ای به‌دلیل قرار گرفتن در معرض جریان هوای سرد بلافاصله پس از جوشکاری، ظرف کمتر از ۲۴ ساعت دچار ترک‌های انشعابی شده بود.
انواع ترک‌های جوش (ترک گرم و ترک سرد)
همیشه تمایز میان ترک گرم و ترک سرد برای من جذاب بوده است. ترک گرم عموماً در دماهای بالا یعنی در حین انجماد فلز جوش یا بلافاصله پس از آن اتفاق می‌افتد. این ترک عموماً داخل ناحیه جوش یا مرزدانه‌های منطقه تحت‌تأثیر حرارت ظاهر می‌شود. معمولاً من زمانی با ترک گرم مواجه می‌شوم که ترکیب شیمیایی فلز جوش دارای عناصر با نقطه ذوب پایین یا تمایل به جدایش در مرزدانه‌ها باشد. برای مثال، وجود سولفور یا فسفر در حد ناچیز اما بالاتر از استاندارد، می‌تواند مستعد ایجاد ترک گرم شود.
در مقابل، ترک سرد غالباً در دماهای پایین‌تر (زیر ۲۰۰ درجه سلسیوس) و حتی پس از پایان انجماد شکل می‌گیرد. زمانی پیش می‌آید که تنش‌های انبساطی و انقباضی یا هیدروژن محلول، در ساختار جوش نفوذ کرده و به‌صورت تدریجی باعث جداشدگی بلورها از یکدیگر می‌شود. بررسی ریزساختار جوش در ترک سرد نشان می‌دهد که گاه تردی مارتنزیتی در منطقه تحت‌تأثیر حرارت، عامل کلیدی در ایجاد ترک است. من در یک پروژه پژوهشی دیده بودم که در فولادهای کم‌آلیاژ با درصد کربن حدود ۰.۲۵٪، اگر پارامترهای پیش‌گرم و پس‌گرم رعایت نشود، ترک سرد می‌تواند حتی تا طول ۱۵ میلی‌متر در ریشه جوش پیش برود و نامرئی باقی بماند.
عوامل مؤثر در ایجاد ترک گرم در جوش
با در نظر گرفتن مدل‌های ترمودینامیکی، می‌توانم بگویم که ترک گرم زمانی اتفاق می‌افتد که ناحیه مذاب جوش دارای گرادیان دما و ترکیب شیمیایی نامتوازن باشد. پس از انجماد اولیه، ذوبی با نقطه انجماد پایین (شامل گوگرد، فسفر و گاه سیلیسیم اضافی) در مرزدانه‌ها یا اطراف آن باقی می‌ماند و محیطی مستعد برای شکل‌گیری میکروترک‌ها پدید می‌آورد.
وقتی انقباض حجمی در حین انجماد رخ می‌دهد، این میکروترک‌ها ممکن است به ترک‌های ماکروسکوپی منجر شوند. یکی از عواملی که این پدیده را تشدید می‌کند، نرخ خنک شدن بسیار سریع یا توزیع غیریکپارچه حرارت در حوضچه جوش است. علاوه بر این، من مواردی را دیده‌ام که طراحی نامناسب لبه‌های اتصال، تمرکز تنش را افزایش داده و سبب گسترش ترک گرم شده است.
عوامل مؤثر در ایجاد ترک سرد در جوش
عوامل مؤثر در ایجاد ترک سرد در جوشترک سرد، اساساً با هیدروژن و ساختار متالورژیکی ترد جوش گره خورده است. یک‌بار من بررسی کردم که چگونه هیدروژن از پوشش الکترود کیسول یا از رطوبت موجود در محیط وارد حوضچه مذاب می‌شود. در فولادهایی با درصد بالای کربن، وجود زمینه مارتنزیتی تا حد زیادی احتمال ترک سرد را افزایش می‌دهد، زیرا مارتنزیت فازی با شکنندگی بالا بوده و اگر هیدروژن در آن به دام بیفتد، تنش‌های کششی ناشی از انقباض می‌تواند به آسانی پیوند بین دانه‌ها را بشکند. همچنین، فشار داخلی ناشی از تجمع هیدروژن در حفره‌های میکروسکوپی، ترک را به سمت رشد هدایت می‌کند. گاهی پیش‌گرم کردن قطعه و اجتناب از خنک شدن سریع می‌تواند حرکت اتم‌های هیدروژن به بیرون از منطقه جوش را افزایش دهد و این پدیده را کاهش دهد.
نحوه تشخیص ترک‌های جوش
راهکارهای متعددی برای تشخیص ترک‌های جوش وجود دارد، اما من متوجه شدم که گاه استفاده ترکیبی از روش‌های رادیوگرافی و آزمون ذرات مغناطیسی (MT) کارآمدتر از تکیه صرف بر یک روش است. در مواردی که قطر جوش ضخیم است یا شکل هندسی پیچیده دارد، رادیوگرافی گام اول تشخیص به‌شمار می‌آید. بااین‌حال، ترک‌های خیلی ریز و سطحی شاید به‌خوبی در رادیوگرافی عیان نشوند، بنابراین در مرحله بعد، آزمون ذرات مغناطیسی یا رنگ‌نفوذی (PT) پیشنهاد می‌شود تا ریزترک‌ها هم مشخص گردند. من یک‌بار در آزمایشگاهی شاهد بودم که برای ردیابی ترک سرد در جوش یک فولاد سخت‌شده، دمای نمونه تا ۷۰ درجه سلسیوس بالا برده شد و سپس آزمون ذرات مغناطیسی صورت گرفت تا ترک‌هایی که در دمای محیط بسته می‌ماندند، در دمای بالاتر مقداری باز شوند.
تأثیر مواد و آلیاژهای مورد استفاده بر ترک‌خوردگی جوش
نکته‌ای که مرا همیشه تحت‌تأثیر قرار داده این است که در علم متالورژی، تنها یک یا دو عنصر نیستند که تعیین‌کننده باشند، بلکه مجموعه‌ای از عناصر و ریزساختار حاصله سبب ایجاد حساسیت یا مقاومت در برابر ترک خوردگی ناگهانی جوش می‌شوند. فولادهای کم‌آلیاژ تا حدود ۰.۱۵٪ کربن نسبت به فولادهای پرکربن کمتر مستعد ترک سرد هستند، اما اگر میزان منگنز در فولاد پایین باشد، احتمال ترک گرم بیشتر می‌شود. در آلومینیوم و آلیاژهای آن، جدایش سیلیسیم در حین انجماد می‌تواند ترک‌خوردگی حین جوشکاری تیگ (TIG) را افزایش دهد. من یک نمونه جالب را مشاهده کردم که در آلیاژ آلومینیوم 6061 حاوی حدود ۰.۶٪ سیلیسیم، درصدی از منیزیم باعث ایجاد ترکیب Al-Si-Mg با نقطه ذوب پایین‌تر شده بود و ترک گرم را ترویج می‌کرد. به‌این‌ترتیب، انتخاب نوع آلیاژ و کنترل دقیق عناصر آلیاژی برای جلوگیری از ترک یکی از کلیدهای موفقیت در جوشکاری محسوب می‌شود.
اهمیت کنترل دما در فرآیند جوشکاری
از دیدگاه من، کنترل دما هم در حین جوشکاری و هم پس از آن ضروری است. اگر فرایند جوش در دمای پیش‌گرم مناسب شروع نشود، شوک حرارتی شدیدی به فلز پایه وارد می‌گردد و به‌خصوص در فولادهای کربنی و کم‌آلیاژ، منطقه تحت‌تأثیر حرارت مستعد تشکیل مارتنزیت ترد می‌شود.
همچنین اگر دمای بین‌پاس جوش مناسب نباشد، تنش‌های حرارتی به‌صورت موضعی انباشته می‌شوند و زمینه‌ای برای ترک خوردگی ناگهانی جوش فراهم می‌آید. در مراحل سرد شدن نیز باید دقت کرد که سرعت خنک‌کاری نه بیش‌ازحد تند باشد و نه بسیار کُند. من در مطالعه‌ای که روی فولادهای API مورد استفاده در خطوط لوله نفت داشتم، دریافتم که نرخ خنک‌شدن بالاتر از ۱۰ درجه سلسیوس در ثانیه می‌تواند احتمال ترک‌خوردگی را تا ۲۵٪ افزایش دهد.
تکنیک‌های صحیح جوشکاری برای جلوگیری از ترک
تکنیک‌های صحیح جوشکاری برای جلوگیری از ترکتکنیک جوشکاری و پارامترهای آن، همواره برای من محل تأمل بوده‌اند. اگر جریان یا ولتاژ خیلی بالا باشد، حوضچه مذاب به‌شدت روان شده و کنترل عمق نفوذ دشوار می‌گردد. درنتیجه، ممکن است تخلخل یا ناخالصی‌های ریز در جوش باقی بماند که محل مناسبی برای شروع ترک است. از سوی دیگر، نرخ حرکت جوشکار اگر خیلی زیاد باشد، احتمال ایجاد حفره‌های ریز در بخش میانی جوش بالاتر می‌رود.
در فرآیندهایی مانند SMAW، پوشش الکترود نقش کلیدی دارد؛ پوشش قلیایی می‌تواند هیدروژن در حوضچه را کاهش دهد، اما اگر در شرایط نامناسب نگهداری شود و رطوبت جذب کند، وضع بدتر خواهد شد. ما در یک پروژه تحقیقاتی مشاهده کردیم که تنها با خشک کردن الکترود در دمای ۳۵۰ درجه سلسیوس به‌مدت یک ساعت، میزان عیوب ترک سرد ۴۵٪ کاهش یافت.
اهمیت انتخاب الکترود مناسب
همیشه از خود پرسیده‌ام که چرا برخی سازندگان تأکید دارند برای فولادهای ویژه از الکترودهای باسنگ نیکل یا مولیبدن استفاده شود. وقتی ترکیب شیمیایی الکترود با فلز پایه همخوانی نداشته باشد، ناهمگونی بین منطقه جوش و فلز پایه به‌وجود می‌آید و احتمال ترک خوردگی ناگهانی جوش افزایش پیدا می‌کند. به‌ویژه در فولادهای کم‌آلیاژ که نیازمند الکترودهای کم هیدروژن هستند، بی‌توجهی به این مسئله می‌تواند تبعات بدی داشته باشد.
من در یک بررسی عملی در کارخانه ایساب ساخت مخازن تحت فشار متوجه شدم که استفاده از الکترود E7018 با پوشش قلیایی و روش نگهداری صحیح در گرمخانه، موارد ترک سرد را تا بیش از ۵۰٪ کاهش داد. علت این امر، کاهش چشمگیر ورود هیدروژن به جوش بود و البته سازگاری خواص متالورژیکی بین فلز پرکننده و فلز پایه هم بهتر شد.
روش‌های بازرسی جوش برای تشخیص زودهنگام ترک
در نهایت، من به اهمیت تشخیص زودهنگام ترک خوردگی ناگهانی جوش به‌واسطه بازرسی‌های تخصصی پی برده‌ام. پرتو نگاری اشعه ایکس یا گاما، آزمون فراصوت (UT)، آزمون ذرات مغناطیسی (MT) و رنگ‌نفوذی (PT) از جمله روش‌های مهم هستند. تلفیق این روش‌ها با آنالیز حرارتی پس از جوشکاری می‌تواند ریزترک‌ها را قبل از رشد به ترک‌های بزرگ شناسایی کند. برای مثال، UT به‌عنوان روشی پرکاربرد برای ضخامت‌های بالای ۱۰ میلی‌متر شناخته می‌شود و در برخی پروژه‌ها که من از نزدیک بررسی کردم، توانست ترک‌های طولی را با دقت خوبی در عمق جوش تشخیص دهد. همچنین استفاده از اسکن‌های کامپیوتری سه‌بعدی در پژوهش‌های پیشرفته، تصویری واضح از محل تمرکز تنش و ریسک ترک ارائه می‌دهد.
جدول زیر را برای مقایسه برخی مکانیزم‌های ترک در جوش و راهکارهای جلوگیری آماده کرده‌ام. تمام این داده‌ها حاصل مطالعات شخصی و تجربه‌های میدانی بوده و بیانگر نگاهی جامع به مهم‌ترین عوامل مؤثر بر ترک خوردگی ناگهانی جوش است:
| مکانیزم ترک | ریزساختار یا ترکیبات شیمیایی دخیل | مهم‌ترین راهکارهای جلوگیری |
| ترک گرم (Hot Cracking) | جدایش فسفر یا گوگرد در حین انجماد، حضور مناطق با نقطه ذوب پایین در مرزدانه‌ها | کاهش فسفر و گوگرد در فلز پایه و الکترود، کنترل مناسب نرخ خنک‌شدن، طراحی صحیح لبه اتصال برای جلوگیری از تنش متمرکز |
| ترک سرد (Cold Cracking) | تجمع هیدروژن در ساختار مارتنزیتی یا مناطق ترد، تنش کششی ناشی از انقباض جوش | پیش‌گرم و پس‌گرم متناسب با نوع فولاد، انتخاب الکترود کم هیدروژن، انبارداری خشک الکترود و مدیریت سرعت خنک‌کاری بعد از جوشکاری |
| ترک ناشی از حرارت نامتقارن | انقباض شدید و غیریکنواخت فلز مذاب یا ناحیه تحت تأثیر حرارت که منجر به تمرکز تنش در نقاط خاص می‌شود | توزیع کنترل‌شده گرما، کاهش سرعت جوشکاری در صورت نیاز، استفاده از تثبیت‌کننده‌های قوس و رعایت پارامترهای مناسب دمای بین‌پاس |
| ترک مرتبط با عناصر آلیاژی نامناسب | ترکیب شیمیایی ناهماهنگ بین فلز پایه و فلز پرکننده، حضور عناصر با نقطه ذوب پایین و تمایل به جدایش در حین انجماد | انجام آنالیز شیمیایی پیش از جوشکاری، انتخاب الکترود و فلز پرکننده سازگار، درنظر گرفتن متالورژی تطبیقی و کنترل دقیق عناصر ناخالصی |
پرسش‌های متداول کوتاه
آیا ترک خوردگی ناگهانی جوش لزوماً بلافاصله پس از جوشکاری ظاهر می‌شود؟ بعضی ترک‌ها، به‌ویژه ترک سرد، ممکن است حتی چند روز بعد و در حین بهره‌برداری آشکار شوند.
آیا می‌توان با سردکردن سریع، از ترک گرم جلوگیری کرد؟ معمولاً نرخ خنک شدن سریع ترک گرم را کاهش نمی‌دهد، بلکه ممکن است با ایجاد تنش‌های جدید، ترک سرد را تشدید کند.
آیا جوشکاری فولادهای زنگ‌نزن هم با ترک‌خوردگی همراه است؟ در برخی گریدها، ترک گرم ناشی از جدایش فاز فریت با سوزن‌های دلتا دیده می‌شود که باید با کنترل دقیق ترکیب و روش جوشکاری مدیریت شود.
آیا آزمایش چشمی برای تشخیص ترک کافی است؟ ترک‌های ریز اغلب با چشم غیرمسلح قابل‌تشخیص نیستند و نیاز به روش‌های پیشرفته مانند UT یا MT دارند.
آیا می‌توان از رطوبت محیطی به‌عنوان عامل اصلی ترک سرد یاد کرد؟ رطوبت همواره هیدروژن را وارد سیستم می‌کند، اما طراحی نامناسب و انتخاب الکترود نادرست نیز نقش مهمی ایفا می‌کنند.
سخن پایانی
من در خلال سال‌ها فعالیت صنعتی و پژوهشی‌ام، به این باور رسیده‌ام که ترک خوردگی ناگهانی جوش مقوله‌ای نیست که تنها با تجویز یک دستورالعمل ساده برطرف شود. در واقع، باید به تمام زوایای چرخه جوشکاری – از آماده‌سازی قطعه، انتخاب نوع فلز پرکننده، کنترل پارامترهای حرارتی و روش‌های بازرسی – به‌صورت جامع نگریست. گاهی مشاهده شده که فقط به‌علت عدم مدیریت ساده رطوبت در الکترود، پروژه‌ای عظیم دچار شکست اتصالات و تاخیر زمانی شدید در تحویل شده است. همچنین اگر انتخاب الکترود و طراحی لبه اتصال برمبنای استانداردهای روز دنیا صورت نگیرد، حتی با بهترین دستگاه‌های جوشکاری و اپراتورهای ماهر هم نمی‌توان مانع از ترک‌شدن جوش شد.
همچنین برای اینکه بیشتر بدانید : آیا جوشکاری بدون ماسک محافظ باعث نابینایی می‌شود؟
با درک عمیق رفتار حرارتی و متالورژیکی حوضچه مذاب، می‌توان خطر ترک را تا حد زیادی کاست. همچنین شناخت عوامل مستعدساز مانند سولفور، فسفر یا هیدروژن، بر اساس آزمایش ترکیب شیمیایی فلز پایه و فلز پرکننده حائز اهمیت است. در نهایت، بهره‌گیری از روش‌های آزمون غیرمخرب، مثل رادیوگرافی و فراصوت، به‌عنوان یک اقدام پیشگیرانه ارزش دارد. اگر پروژه‌ای مهم باشد و اتصالات تحت فشار یا بار دینامیکی قرار بگیرند، این نوع بازرسی‌ها اجتناب‌ناپذیر می‌شوند تا از فاجعه‌های احتمالی جلوگیری گردد.
این دانسته‌ها، دست‌مایه توسعه فناوری‌ها و آلیاژهای جدیدی شده است که بتوانند در شرایط حاد کاری هم بدون ترک باقی بمانند. برای این منظور، تحقیق و توسعه مستمر و انتقال تجربه میان جوشکاران و پژوهشگران متالورژی امری ضروری به‌شمار می‌رود. یقین دارم با چنین نگرش یکپارچه‌ای، می‌توان اتصالاتی ایمن، بادوام و بدون ترک را در صنعت محقق ساخت
