میلههای مته جوشکاری اصطکاکی: چرا جوشکاری حالت جامد میلهای قویتر و بادوامتر تولید میکند؟
اگر به شکست میله مته زیر میکروسکوپ نگاه کنید - یک تحلیل شکست واقعی پزشکی قانونی، نه یک حدس میدانی - ترک تقریباً همیشه از جوش شروع میشود. نه در وسط بدنه میله. نه در یک نقطه تصادفی در امتداد لوله. در محل اتصالی که بدنه میله به انتهای اتصال میرسد، درست جایی که دو قطعه فولاد در حین ساخت به هم متصل شدهاند.
این نقطه اتصال، پر تنشترین نقطه در هر میله حفاری است. این میله باید گشتاور کامل، بار ضربه کامل و فشار تغذیه کامل را منتقل کند و در عین حال در برابر خستگی ناشی از بارگذاری چرخهای و سایش ناشی از جریان برشهای ساینده مقاومت کند. وقتی جوش در آن نقطه اتصال کامل نباشد - وقتی منافذ میکروسکوپی، مناطق همجوشی ناقص یا تمرکز تنش پسماند وجود داشته باشد - سرنوشت میله قبل از اینکه حتی به سنگ برخورد کند، مشخص میشود.
به همین دلیل است که جوشکاری اصطکاکی به عنوان استاندارد برای میلههای حفاری مرغوب، جایگزین جوشکاری فیوژن معمولی شده است. در اینجا به اتفاقاتی که درون آن جوش میافتد و دلیل اهمیت آن در هر بار ضربه زدن چکش اشاره میکنیم.
مشکل جوشکاری معمولی
جوشکاری ذوبی سنتی - چه MIG، TIG یا قوس زیرپودری باشد - با ذوب کردن لبههای دو قطعه فلزی و اضافه کردن مواد پرکننده برای ایجاد اتصال کار میکند. حوضچه مذاب به صورت یک مهره جوش جامد میشود و اگر خوش شانس باشیم، مهره متراکم، یکنواخت و عاری از نقص است.
مشکل این است که با هر شانسی که داشته باشید، این یک استراتژی کنترل کیفیت عالی نیست. جوشهای ذوبی چندین آسیبپذیری ذاتی دارند:
تخلخل گازی: با انجماد فلز مذاب، گازهای محلول حبابهایی تشکیل میدهند که به صورت حفرههای کروی به دام میافتند. هر حفره یک متمرکزکننده تنش است - یک شکاف کروی کوچک که تنش موضعی تحت بار را تقویت میکند.
عدم همجوشی: اگر فلز پایه در لبههای حوضچه جوش به اندازه کافی گرم نشود، پرکننده به درستی به ماده اصلی متصل نمیشود. نتیجه، یک ناپیوستگی ترک مانند درست در فصل مشترک بین جوش و فلز پایه است.
نرم شدن ناحیه تحت تأثیر حرارت: گرمای شدید قوس جوشکاری، ریزساختار فولاد مجاور جوش را تغییر میدهد. در فولادهای آلیاژی - مانند گریدهای 42CrMoA که برای اتصالات میله حفاری با کیفیت استفاده میشوند - ناحیه تحت تأثیر حرارت میتواند سختی و استحکام خود را در مقایسه با مواد اطراف از دست بدهد و یک نوار نرم درست در کنار اتصال ایجاد کند.
تنش پسماند: جوش به طور ناهموار سرد میشود. بالای مهره جوش سریعتر از ریشه آن سرد میشود و تنشهای انقباضی حرارتی ایجاد میکند که میتواند باعث تاب برداشتن قطعه یا ایجاد تنش کششی قفلشده شود که به بار سرویس اضافه میکند.
همه این موارد با عملیات حرارتی و بازرسی کافی پس از جوشکاری قابل مدیریت هستند. اما هزینه، زمان و عدم قطعیت را افزایش میدهند - و در میلههای حفاری، عدم قطعیت همان چیزی است که باعث پارگی رشته در ۱۵۰ متر میشود.
نحوه عملکرد جوشکاری اصطکاکی: بدون ذوب، بدون پرکننده، بدون تخلخل
جوشکاری اصطکاکی به دستهای به نام جوشکاری حالت جامد تعلق دارد. دو قطعهای که قرار است به هم متصل شوند هرگز ذوب نمیشوند. در عوض، یک قطعه با سرعت بالا چرخانده میشود و در عین حال تحت بار محوری دقیقاً کنترلشده به قطعه دیگر فشرده میشود. اصطکاک در سطح مشترک، گرمای موضعی شدیدی ایجاد میکند - معمولاً ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد، که برای رساندن فولاد به حالت ترموپلاستیک کافی است، جایی که نرم و تغییر شکلپذیر اما همچنان جامد است.
در یک چرخه جوشکاری اصطکاکی با کیفیت برای میله مته، این اتفاق در دو مرحله مجزا رخ میدهد.
مرحله اول، مرحله حرکت پیوسته است. بدنه میله در فیکسچر دستگاه ثابت نگه داشته میشود در حالی که انتهای اتصال - معمولاً اتصال رزوهدار یا انتهای آداپتور ساق - با سرعت حدود ۸۰۰ دور در دقیقه میچرخد. فشار محوری تقریباً ۱۵ مگاپاسکال اعمال میشود. سطح تماس چرخان گرم میشود و یک لایه نازک پلاستیکی - حدود ۰.۲ میلیمتر ضخامت - در سطح تماس تشکیل میشود. این لایه به عنوان روانکننده عمل میکند و گرمایش یکنواخت را در سراسر سطح اتصال تضمین میکند.
مرحله دوم، مرحله آهنگری اینرسی است. هنگامی که لایه پلاستیکی به دما و ضخامت مناسب رسید، چرخش به طور ناگهانی متوقف میشود و نیروی آهنگری عظیمی - تا 300 تن در میلههای بزرگتر - اعمال میشود. این فشار آهنگری، ماده پلاستیکی را به صورت حلقهای از جرقه در اطراف اتصال به بیرون اکسترود میکند و هرگونه اکسید سطحی، آلودگی یا ناخالصی که در فصل مشترک وجود داشته است را با خود حمل میکند. آنچه باقی میماند، فلز اتمی تمیزی است که به فلز اتمی تمیز فشرده شده است و در دما و فشار آهنگری، اتمها در سراسر فصل مشترک اصلی پخش میشوند و یک ساختار دانهای پیوسته تشکیل میدهند.
هیچ فلز پرکنندهای وجود ندارد. هیچ انجمادی از مایع وجود ندارد. هیچ تخلخل گازی وجود ندارد زیرا هرگز فاز مایعی وجود نداشته که گازها بتوانند در آن حل شوند. نتیجه، پیوندی است که وقتی به درستی انجام شود، از نظر متالورژیکی از ماده اصلی قابل تشخیص نیست - ساختار دانه به طور مداوم در جایی که فصل مشترک اصلی قبلاً وجود داشته است، امتداد مییابد.
چرا باعث میشود میله مته بهتری باشد
برای یک میله حفاری سنگی که قرار است تمام عمر کاری خود را صرف جذب ضربههای کوبشی ناشی از چکش DTH یا دریفت پنوماتیک کند، مزایای اتصال جوش اصطکاکی نسبت به اتصال جوش همجوشی مشخص و قابل اندازهگیری است.
هیچ ناحیه ضعیفی در محل اتصال وجود ندارد.از آنجا که ناحیه جوش ریزساختاری مشابه فلز پایه دارد - به جای ساختار ریختهگری شده با اندازه دانه، جهتگیری و سختی متفاوت - هیچ ناپیوستگی در خواص مکانیکی وجود ندارد. میله از ابتدا تا انتها مانند یک قطعه فولادی واحد رفتار میکند. تحت بارگذاری خستگی، ترکها مکان مناسبی برای شروع پیدا نمیکنند.
عمر خستگی بالاتر.عدم وجود منافذ گاز و نقصهای ناشی از ذوب ناقص به این معنی است که هیچ متمرکزکننده تنش داخلی وجود ندارد. عمر خستگی در یک اتصال جوش اصطکاکی معمولاً دو تا سه برابر یک اتصال جوش ذوبی مشابه در همان ماده است که تحت شرایط بارگذاری چرخهای یکسان آزمایش شده است.
کنترل ابعادی بهترجوشکاری اصطکاکی در مقایسه با ناحیه چند سانتیمتری در جوشکاری ذوبی، ناحیه تحت تأثیر حرارت بسیار کوتاهی ایجاد میکند - معمولاً کمتر از چند میلیمتر. این به معنای اعوجاج کمتر، صاف شدن کمتر پس از جوشکاری و هممرکب بودن بهتر بین بدنه میله و انتهای اتصال است. میلهای که به صورت عمودی حرکت میکند، تنش خمشی کمتری روی رزوههای خود وارد میکند و دوام بیشتری دارد.
اطمینان کامل در بازرسیجوش اصطکاکی با روشهای استاندارد اولتراسونیک و ذرات مغناطیسی قابل بررسی است و از آنجا که هیچ نقص حجمی در ابتدا وجود ندارد، چیزی که شما واقعاً تأیید میکنید این است که اتصال به اندازه فلز اصلی سالم است. نرخ پیوند ۱۰۰٪ - که توسط پارامترهای فرآیند تحت نظارت کامپیوتری با تغییر ورودی انرژی زیر ۲٪ تأیید شده است - به معنای کنترل آماری فرآیند است، نه امید آماری به بهترین نتیجه.
چه چیزی در یک میله جوش داده شده با اصطکاک مرغوب وجود دارد؟
فرآیند جوشکاری تنها به اندازه مواد و آمادهسازی که آن را تغذیه میکند، خوب است. میلههای باکیفیت با مواد خامی شروع میشوند که قبلاً تصفیه شدهاند:
لوله میلهای با استفاده از روش کشش سرد و با ابعاد دقیق - تلرانس ضخامت دیواره در محدوده ±0.15 میلیمتر - ساخته شده است که اهمیت دارد زیرا دیواره بدنه باید ضربه را بدون کمانش جذب کند و ضخامت ناهموار دیواره، تنش را در سمت نازک متمرکز میکند.
انتهای اتصالات از 42CrMoA یا فولاد آلیاژی معادل آن ماشینکاری شده و قبل از جوشکاری تحت عملیات حرارتی ویژه قرار میگیرند. نیتریداسیون در خلاء یا نیتریداسیون گازی، سختی سطحی 58 تا 62 راکول آر سی را روی رزوههای اتصال ایجاد میکند - به اندازه کافی سخت که در برابر سایش در طول بازسازی و شکستن مکرر مقاومت کند، در حالی که هسته به اندازه کافی محکم میماند تا در برابر ضربه مقاومت کند.
پس از جوشکاری، کل میله تحت عملیات حرارتی پس از جوشکاری - معمولاً یک کوئنچ ۸۶۰ درجه سانتیگراد و به دنبال آن یک تمپر ۵۵۰ درجه سانتیگراد - قرار میگیرد تا تنش پسماند کاهش یابد، ریزساختار در سراسر اتصال همگن شود و تعادل سختی و چقرمگی بهینه شود.
سپس هر میله به صورت جداگانه آزمایش میشود: بازرسی اولتراسونیک برای عیوب زیرسطحی، بازرسی ذرات مغناطیسی برای ترکهای سطحی و آزمایش خمش برای تأیید اینکه آیا اتصال میتواند بارهای خمشی را بدون شکست تحمل کند یا خیر. معیار استاندارد برای یک میله با کیفیت، مقدار EI آزمایش خمش حداقل 1.2 × 10⁶ N·mm² است - که در عمل به این معنی است که اتصال قبل از شکستن خم میشود و تحت باری بسیار بالاتر از هر باری که در حین کار با آن مواجه میشود، میشکند.
نکتهی آخر
جوشکاری اصطکاکی چیز جدیدی نیست - اولین اختراع ثبت شده به سال ۱۸۹۱ برمیگردد - اما به استانداردی برای میلههای حفاری مرغوب تبدیل شده است زیرا فیزیک اتصال حالت جامد کاملاً با آنچه یک میله حفاری نیاز دارد، مطابقت دارد: اتصالی که از فلز اطراف آن ضعیفتر نباشد، نقص ایجاد نکند و قبل از فرو رفتن در سوراخ، بتوان از سالم بودن آن اطمینان حاصل کرد. هنگام خرید میلههای حفاری سنگی برای حفاریهای تولیدی، روش تولید به اندازه مشخصات مواد اهمیت دارد. یک میله فقط به اندازه ضعیفترین جوش آن خوب است.
