رازهای جوشکاری فولاد ضد زنگ آستنیتی که باید بدانید

فولادهای زنگ نزن آستنیتیمعمولاً دارای یک ریزساختار متشکل از آستنیت خالص در دمای اتاق هستند. با این حال، برخی از انواع حاوی مقدار کمی فریت هستند که به جلوگیری از ترک خوردگی داغ کمک می کند. فولادهای زنگ نزن آستنیتی به دلیل جوش پذیری عالی، به طور گسترده در صنایعی مانند فرآوری شیمیایی و ساخت مخازن تحت فشار برای بخش نفت مورد استفاده قرار می گیرند. با این وجود، اگر عملیات جوشکاری به طور نامناسب انجام شود، فولادهای زنگ نزن آستنیتی مستعد مسائل مختلفی از جمله خوردگی بین دانه‌ای، ترک‌خوردگی داغ، ترک خوردگی تنشی و شکل‌گیری ضعیف مهره‌های جوش هستند.

I. خوردگی بین دانه ای

الف علل خوردگی بین دانه ای

خوردگی بین دانه ای در مرزهای دانه رخ می دهد. از این رو به آن خوردگی بین دانه ای گفته می شود. این یکی از خطرناک ترین اشکال تخریب برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی است. مشخصه آن خوردگی است که در امتداد مرزهای دانه عمیقاً به فلز نفوذ می کند و منجر به کاهش خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی فلز می شود.

هنگامی که فولاد زنگ نزن آستنیتی در محدوده دمایی 450 درجه تا 850 درجه برای مدت معینی نگه داشته شود، کاربیدهای کروم (Cr23C6) در مرز دانه ها رسوب می کنند. کروم مورد نیاز برای این بارش عمدتاً از لایه های سطحی دانه ها استخراج می شود. اگر کروم از درون دانه‌ها نتواند به سرعت به بیرون پخش شود تا این لایه‌های سطحی را دوباره پر کند، محتوای کروم در مرزهای دانه‌ها-به‌ویژه در لایه‌های سطحی دانه‌ها{6}}کاهش می‌یابد و یک "کروم{7}}منطقه تخلیه شده ایجاد می‌کند." تحت تأثیر محیط‌های خورنده تهاجمی، این مناطق{9}}تخلیه‌شده کروم در مرز دانه‌ها مستعد حمله می‌شوند که منجر به خوردگی بین دانه‌ای می‌شود. فولاد ضد زنگ متاثر از خوردگی بین دانه ای ممکن است هیچ تغییر قابل مشاهده ای در سطح خود نشان ندهد. با این حال، هنگامی که تحت تنش قرار می گیرد، در امتداد مرزهای دانه شکسته می شود و در نتیجه تقریباً استحکام ساختاری از بین می رود.

ب اقدامات برای جلوگیری از خوردگی بین دانه ای

الکترودهای جوشکاری فولاد ضد زنگ با محتوای کربن فوق العاده کم (C کمتر یا مساوی 0.03٪) یا آنهایی که حاوی عناصر تثبیت کننده مانند تیتانیوم یا نیوبیم هستند را انتخاب کنید.

از پارامترهای جوشکاری "کم{0}}حرارت-ورودی" استفاده کنید. هدف به حداقل رساندن زمان ماندن در محدوده دمای بحرانی (450-850 درجه) است. این امر با استفاده از جریان های جوشکاری کم، سرعت حرکت بالا، طول کمان کوتاه و اجتناب از حرکات عرضی بافندگی به دست می آید. روش‌های خنک‌سازی اجباری (مثلاً استفاده از صفحات پشتی مسی یا خنک‌سازی با آب) ممکن است روی درز جوش اعمال شود تا سرعت خنک‌سازی اتصال جوش داده شده را تسریع کند و اندازه منطقه تحت تأثیر حرارت- (HAZ) را کاهش دهد.

در جوشکاری چند پاس، دمای بین پاس باید به شدت کنترل شود. قبل از انباشته شدن پاس بعدی باید اجازه داد مهره جوش قبلی تا زیر 60 درجه خنک شود. درز جوش در طرف جزء که با محیط خورنده در تماس خواهد بود باید در آخر جوش داده شود. یک عملیات محلول جوشی باید انجام شود: قطعه کار تا دمایی بین 1050 درجه تا 1150 درجه حرارت داده می شود و سپس خاموش می شود. این فرآیند باعث می‌شود که رسوب‌های Cr23C6 در مرز دانه‌ها مجدداً در داخل دانه حل شوند و در نتیجه یک ریزساختار آستنیتی یکنواخت بازیابی شود.

II. ترک داغ

علل ترک داغ

 

یک فاصله دمایی زیاد بین خطوط مایع و جامد-به معنی محدوده دمایی وسیع در طول فرآیند انجماد-به جدایی شدید ناخالصی‌های نقطه ذوب پایین{-{3}}، که تمایل به تمرکز در مرزهای دانه دارند، می‌انجامد. علاوه بر این، ضریب انبساط حرارتی بالا منجر به تنش‌های قابل‌توجهی در طول سرمایش و انقباض می‌شود.

اقدامات برای کنترل ترک داغ

ریزساختار فلز جوش را کنترل کنید. در حالت ایده آل، فلز جوش باید ساختاری دوبلکس داشته باشد و میزان فریت آن بین 3 تا 5 درصد یا کمتر از آن حفظ شود. این به این دلیل است که فریت ظرفیت حل کردن مقادیر قابل توجهی از ناخالصی های مضر مانند گوگرد (S) و فسفر (P) را دارد. کنترل ترکیب شیمیایی؛ کاهش محتوای نیکل، کربن، گوگرد و فسفر در فلز جوش-در حالی که افزایش سطوح عناصری مانند کروم، مولیبدن، سیلیکون و منگنز{5}}می‌تواند به طور موثری وقوع ترک داغ را به حداقل برساند.

نوع مناسب پوشش الکترود را انتخاب کنید. استفاده از الکترودهای پوشش داده شده با نوع کم-هیدروژن- باعث پالایش دانه در فلز جوش، کاهش تفکیک ناخالصی و افزایش مقاومت در برابر ترک می‌شود. برعکس، الکترودهای پوشش داده شده از نوع اسیدی دارای خواص اکسید کننده قوی هستند که منجر به سوختن{5} قابل توجه عناصر آلیاژی و در نتیجه کاهش مقاومت در برابر ترک می شود. علاوه بر این، ساختارهای دانه‌ای درشت ایجاد می‌کنند که جوش را به شدت مستعد ترک‌خوردگی داغ می‌کند. از پارامترهای جوشکاری مناسب و نرخ خنک کننده استفاده کنید. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد حوضچه جوش و تسهیل خنک‌سازی سریع، از پارامترهای جوشکاری "سرد"-به‌ویژه، جریان کم و سرعت حرکت زیاد{10}}استفاده کنید. این جداسازی را به حداقل می رساند و مقاومت در برابر ترک را بهبود می بخشد. در جوشکاری چند پاس، دمای بین پاسی را به شدت کنترل کنید. قبل از قرار دادن مهره بعدی اطمینان حاصل کنید که مهره جوش قبلی تا 60 درجه خنک شده است.

III. ترک خوردگی ناشی از استرس

علل ترک خوردگی ناشی از استرس

 

ترک خوردگی تنشی (SCC) یک پدیده ترک خوردگی تاخیری است که در اتصالات جوشی زمانی که تحت تنش کششی در یک محیط خورنده خاص قرار می گیرد، رخ می دهد. در اتصالات جوش داده شده از فولاد ضد زنگ آستنیتی، SCC نشان دهنده یک حالت شدید شکست است که به صورت شکستگی شکننده بدون هرگونه تغییر شکل پلاستیک ماکروسکوپیک ظاهر می شود.

 

اقداماتی برای مقابله با ترک خوردگی ناشی از استرس

 

روش‌های شکل‌دهی، پردازش و مونتاژ مناسب را برای به حداقل رساندن تغییر شکل ناشی از سرد شدن-تا حد امکان ایجاد کنید. اجتناب از مونتاژ اجباری؛ و از ایجاد عیوب سطحی مختلف در طول فرآیند مونتاژ جلوگیری کنید (زیرا خراش‌ها و ضربه‌های قوس مربوط به مونتاژ مختلف می‌توانند به عنوان محل شروع ترک برای SCC عمل کنند و مستعد تبدیل شدن به گودال‌های خوردگی هستند). مواد مصرفی جوش را با احتیاط انتخاب کنید. فلز جوش و فلز پایه باید به خوبی-تطابق داشته باشند تا از ایجاد ریزساختارهای نامطلوب-مانند درشت شدن دانه یا مارتنزیت سخت و شکننده جلوگیری شود. از فرآیندهای جوشکاری مناسب استفاده کنید. اطمینان حاصل کنید که مهره جوش مورفولوژی خوبی دارد، عاری از عیوب که می تواند باعث غلظت تنش یا ایجاد حفره شود (مثلاً زیر برش). علاوه بر این، یک توالی جوشکاری منطقی را برای به حداقل رساندن تنش های جوشکاری باقیمانده اتخاذ کنید. درمان‌های{11}}تسکین استرس را اجرا کنید. این معمولاً شامل عملیات حرارتی بعد از جوش{13}} مانند بازپخت کامل یا آنیل می شود. در مواردی که انجام عملیات حرارتی دشوار است، ممکن است از روش‌های جایگزین-مثل جوشکاری پس از{15}}جوشکاری یا شوت بلاست- استفاده شود.

 

IV. شکل گیری مهره جوش ضعیف

الف علل شکل گیری ضعیف مهره جوش

هنگام جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی، محتوای بالای عناصر آلیاژی در فلز جوش منجر به سیالیت ضعیف حوضچه جوش می شود که اغلب منجر به تشکیل ضعیف سطح مهره جوش می شود. این در درجه اول به صورت خراب شدن شکل گیری در پشت پاس ریشه و یک سطح خشن روی پاس کلاهک آشکار می شود. در حالی که تأثیر شکل‌گیری سطح ضعیف بر عملکرد جوش به‌ویژه در شرایط عملیاتی در دمای محیط یا دمای بالا مشهود نیست، در شرایط دمای پایین-، غلظت تنش ناشی از چنین عیوب می‌تواند عملکرد دمای پایین جوش را به‌اندازه عیوب جوش داخلی به طور قابل توجهی تحت تأثیر قرار دهد.

ب اقدامات برای تشکیل مهره جوش ضعیف

مسائل مربوط به شکل‌گیری ضعیف مهره‌های جوش-و همچنین مشکل خوردگی بین دانه‌ای در منطقه تحت تأثیر حرارت-(HAZ)- را می‌توان به طور موثر از طریق بهینه‌سازی فرآیندهای جوشکاری حل کرد. به طور خاص، استفاده از جوشکاری قوس تنگستن گاز (GTAW) برای عبور ریشه، همراه با استفاده از ورودی گرمای جوش کم، امکان کنترل موثر بر میزان قرار گرفتن HAZ در محدوده دمایی حساسیت را فراهم می‌کند.

فولاد زنگ نزن آستنیتی یک ماده پرکاربرد در صنایع شیمیایی و پتروشیمی است. با این حال، جوشکاری آن مستعد چهار نوع نقص اولیه است-مانند خوردگی بین دانه‌ای و ترک‌خوردگی داغ- که دلایل اصلی آن عمدتاً به کنترل دما، جداسازی عناصر و تنش پسماند مرتبط است. در بهترین حالت، این مسائل صرفاً مورفولوژی جوش را به خطر می اندازد. در بدترین حالت، عملکرد مواد را به شدت کاهش می دهند یا حتی شکستگی شکننده را رسوب می دهند. در نتیجه، استراتژی‌های پیشگیری و کنترل مؤثر نیازمند مدیریت جامع در چندین مرحله-از جمله انتخاب الکترود، بهینه‌سازی پارامترهای جوشکاری، و عملیات پس از جوش-با کنترل دقیق حرارت ورودی به عنوان نقطه کانونی حیاتی است.