این مقاله از شرکت الکترونیکی ونژو تیانیو توضیح میدهد که هنگام تعیین فلزات پرکننده برای جوشکاری فولاد ضد زنگ، چه مواردی را باید در نظر گرفت.
قابلیتهایی که فولاد ضد زنگ را بسیار جذاب میکند - توانایی تنظیم خواص مکانیکی و مقاومت آن در برابر خوردگی و اکسیداسیون - همچنین پیچیدگی انتخاب یک فلز پرکننده مناسب برای جوشکاری را افزایش میدهد. برای هر ترکیب مواد پایه مشخص، بسته به مسائل مربوط به هزینه، شرایط سرویس، خواص مکانیکی مورد نظر و مجموعهای از مسائل مربوط به جوشکاری، هر یک از چندین نوع الکترود ممکن است مناسب باشد.
این مقاله پیشزمینه فنی لازم را برای درک پیچیدگی موضوع به خواننده ارائه میدهد و سپس به برخی از رایجترین سوالات مطرحشده از تأمینکنندگان فلز پرکننده پاسخ میدهد. این مقاله دستورالعملهای کلی برای انتخاب فلزات پرکننده مناسب از جنس فولاد ضد زنگ را ارائه میدهد - و سپس تمام استثنائات مربوط به این دستورالعملها را توضیح میدهد! این مقاله روشهای جوشکاری را پوشش نمیدهد، زیرا این موضوع، موضوع مقاله دیگری است.
چهار گرید، عناصر آلیاژی متعدد
چهار دسته اصلی از فولادهای ضد زنگ وجود دارد:
آستنیتی
مارتنزیتی
فریتی
دوبلکس
این نامها از ساختار بلوری فولادی که معمولاً در دمای اتاق یافت میشود، گرفته شدهاند. هنگامی که فولاد کم کربن تا دمای بالاتر از ۹۱۲ درجه سانتیگراد گرم میشود، اتمهای فولاد از ساختاری که در دمای اتاق فریت نامیده میشود، به ساختار بلوری که آستنیت نامیده میشود، تغییر آرایش میدهند. پس از سرد شدن، اتمها به ساختار اصلی خود، فریت، بازمیگردند. ساختار دمای بالا، آستنیت، غیرمغناطیسی و پلاستیکی است و استحکام کمتر و شکلپذیری بیشتری نسبت به فرم فریت در دمای اتاق دارد.
وقتی بیش از ۱۶٪ کروم به فولاد اضافه شود، ساختار کریستالی دمای اتاق، یعنی فریت، تثبیت میشود و فولاد در تمام دماها در حالت فریتی باقی میماند. از این رو نام فولاد ضد زنگ فریتی به این پایه آلیاژی اطلاق میشود. وقتی بیش از ۱۷٪ کروم و ۷٪ نیکل به فولاد اضافه شود، ساختار کریستالی دمای بالای فولاد، یعنی آستنیت، تثبیت میشود به طوری که در تمام دماها از پایینترین دما تا تقریباً نقطه ذوب، پایدار میماند.
فولاد ضد زنگ آستنیتی معمولاً به عنوان نوع «کروم-نیکل» شناخته میشود و فولادهای مارتنزیتی و فریتی معمولاً انواع «کروم مستقیم» نامیده میشوند. برخی از عناصر آلیاژی مورد استفاده در فولادهای ضد زنگ و فلزات جوش به عنوان تثبیتکنندههای آستنیت و برخی دیگر به عنوان تثبیتکنندههای فریت عمل میکنند. مهمترین تثبیتکنندههای آستنیت نیکل، کربن، منگنز و نیتروژن هستند. تثبیتکنندههای فریت کروم، سیلیکون، مولیبدن و نیوبیوم هستند. متعادل کردن عناصر آلیاژی، مقدار فریت را در فلز جوش کنترل میکند.
گریدهای آستنیتی نسبت به گریدهایی که کمتر از 5% نیکل دارند، راحتتر و رضایتبخشتر جوشکاری میشوند. اتصالات جوش تولید شده در فولادهای زنگ نزن آستنیتی در شرایط جوشکاری شده، قوی، شکلپذیر و چقرمه هستند. آنها معمولاً نیازی به عملیات حرارتی پیش گرم یا پس از جوشکاری ندارند. گریدهای آستنیتی تقریباً 80% از فولادهای زنگ نزن جوشکاری شده را تشکیل میدهند و این مقاله مقدماتی به شدت بر آنها تمرکز دارد.
جدول 1: انواع فولاد ضد زنگ و میزان کروم و نیکل آنها
tstart{c,80%}
thead{نوع|% کروم|% نیکل|انواع}
tdata{آستنیتی|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{مارتنزیتی|11 - 18%|0 - 5%|403، 410، 416، 420}
tdata{فریتی|11 - 30%|0 - 4%|405، 409، 430، 422، 446}
tdata{دوبلکس|18 - 28%|4 - 8%|2205}
تمایل داشتن
نحوه انتخاب فلز پرکننده ضد زنگ مناسب
اگر جنس پایه در هر دو صفحه یکسان باشد، اصل راهنمای اولیه این بود که «با تطبیق جنس پایه شروع کنید.» این روش در برخی موارد خوب جواب میدهد؛ برای اتصال نوع ۳۱۰ یا ۳۱۶، نوع پرکننده مربوطه را انتخاب کنید.
برای اتصال مواد غیرمشابه، از این اصل راهنما پیروی کنید: «پرکنندهای را انتخاب کنید که با مادهی آلیاژیتر مطابقت داشته باشد.» برای اتصال 304 به 316، یک پرکنندهی 316 انتخاب کنید.
متأسفانه، «قانون تطابق» آنقدر استثنا دارد که یک اصل بهتر این است که به یک جدول انتخاب فلز پرکننده مراجعه کنید. به عنوان مثال، نوع 304 رایجترین ماده پایه از جنس فولاد ضد زنگ است، اما هیچ کس الکترود نوع 304 ارائه نمیدهد.
نحوه جوشکاری فولاد ضد زنگ نوع 304 بدون الکترود نوع 304
برای جوشکاری فولاد ضد زنگ نوع 304، از پرکننده نوع 308 استفاده کنید، زیرا عناصر آلیاژی اضافی در نوع 308 باعث تثبیت بهتر ناحیه جوش میشوند.
با این حال، 308L نیز یک پرکننده قابل قبول است. علامت «L» پس از هر نوع، نشاندهنده محتوای کربن کم است. فولاد ضد زنگ نوع 3XXL دارای محتوای کربن 0.03٪ یا کمتر است، در حالی که فولاد ضد زنگ استاندارد نوع 3XX میتواند حداکثر محتوای کربن 0.08٪ داشته باشد.
از آنجا که پرکننده نوع L در همان طبقهبندی محصول غیر L قرار میگیرد، سازندگان میتوانند و باید قویاً استفاده از پرکننده نوع L را در نظر بگیرند، زیرا محتوای کربن کمتر، خطر مشکلات خوردگی بین دانهای را کاهش میدهد. در واقع، نویسندگان معتقدند که اگر سازندگان رویههای خود را بهروز کنند، پرکننده نوع L بهطور گستردهتری مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
سازندگانی که از فرآیند GMAW استفاده میکنند، ممکن است بخواهند استفاده از پرکننده نوع 3XXSi را نیز در نظر بگیرند، زیرا افزودن سیلیکون باعث بهبود wet out میشود. در شرایطی که جوش تاج بلند یا ناهمواری دارد، یا جایی که حوضچه جوش در قسمت پنجههای اتصال گوشه یا لبه به خوبی چفت نمیشود، استفاده از الکترود GMAW نوع Si میتواند مهره جوش را صاف کرده و ذوب بهتری را ایجاد کند.
اگر رسوب کاربید نگران کننده است، پرکننده نوع ۳۴۷ را در نظر بگیرید که حاوی مقدار کمی نیوبیوم است.
نحوه جوشکاری فولاد ضد زنگ به فولاد کربنی
این وضعیت در کاربردهایی رخ میدهد که بخشی از سازه برای کاهش هزینه به یک سطح خارجی مقاوم در برابر خوردگی نیاز دارد که به یک عنصر سازهای از جنس فولاد کربنی متصل شده باشد. هنگام اتصال یک ماده پایه بدون عناصر آلیاژی به یک ماده پایه دارای عناصر آلیاژی، از یک پرکننده بیش از حد آلیاژی استفاده کنید تا رقت درون فلز جوش متعادل شود یا از فلز پایه ضد زنگ آلیاژ بیشتری داشته باشد.
برای اتصال فولاد کربنی به نوع 304 یا 316، و همچنین برای اتصال فولادهای زنگ نزن غیرمشابه، در اکثر کاربردها الکترود نوع 309L را در نظر بگیرید. اگر درصد کروم بالاتری مد نظر است، نوع 312 را در نظر بگیرید.
به عنوان یک نکته احتیاطی، فولادهای ضد زنگ آستنیتی نرخ انبساطی حدود ۵۰ درصد بیشتر از فولاد کربنی از خود نشان میدهند. در صورت اتصال، نرخهای انبساط متفاوت میتواند باعث ترک خوردگی ناشی از تنشهای داخلی شود، مگر اینکه از الکترود و روش جوشکاری مناسب استفاده شود.
از روشهای صحیح تمیزکاری آمادهسازی جوش استفاده کنید
همانند سایر فلزات، ابتدا روغن، گریس، علائم و آلودگیها را با یک حلال بدون کلر پاک کنید. پس از آن، قانون اصلی آمادهسازی جوش ضد زنگ این است که «از آلودگی ناشی از فولاد کربنی برای جلوگیری از خوردگی جلوگیری کنید». برخی از شرکتها از ساختمانهای جداگانهای برای «کارگاه ضد زنگ» و «کارگاه کربنی» خود استفاده میکنند تا از آلودگی متقاطع جلوگیری شود.
هنگام آمادهسازی لبهها برای جوشکاری، چرخهای سنگزنی و برسهای ضد زنگ را به عنوان «فقط ضد زنگ» تعیین کنید. برخی از روشها نیاز به تمیز کردن دو اینچ از محل اتصال دارند. آمادهسازی محل اتصال نیز بسیار مهم است، زیرا جبران ناهماهنگیهای ناشی از دستکاری الکترود سختتر از فولاد کربنی است.
برای جلوگیری از زنگ زدگی، از روش صحیح تمیز کردن پس از جوشکاری استفاده کنید
برای شروع، به یاد داشته باشید که چه چیزی باعث میشود فولاد ضد زنگ ضد زنگ باشد: واکنش کروم با اکسیژن برای تشکیل یک لایه محافظ اکسید کروم روی سطح ماده. فولاد ضد زنگ به دلیل رسوب کاربید (به پایین مراجعه کنید) و به دلیل اینکه فرآیند جوشکاری، فلز جوش را تا نقطهای گرم میکند که اکسید فریتی میتواند روی سطح جوش تشکیل شود، زنگ میزند. اگر یک جوش کاملاً سالم در شرایط جوشکاری شده باقی بماند، ممکن است در کمتر از 24 ساعت «ردهای واگن زنگ» را در مرزهای منطقه تحت تأثیر حرارت نشان دهد.
برای اینکه لایه جدید اکسید کروم خالص بتواند به درستی تشکیل شود، فولاد ضد زنگ نیاز به تمیزکاری پس از جوشکاری با پرداخت، اسیدشویی، سنگزنی یا برسزنی دارد. مجدداً، از سنگزنیها و برسهای مخصوص این کار استفاده کنید.
چرا سیم جوش فولاد ضد زنگ مغناطیسی است؟
فولاد ضد زنگ کاملاً آستنیتی غیر مغناطیسی است. با این حال، دمای جوشکاری باعث ایجاد دانههای نسبتاً بزرگی در ریزساختار میشود که منجر به حساس شدن جوش به ترک میشود. برای کاهش حساسیت به ترک گرم، تولیدکنندگان الکترود عناصر آلیاژی از جمله فریت را اضافه میکنند. فاز فریت باعث میشود دانههای آستنیتی بسیار ریزتر شوند، بنابراین جوش در برابر ترک مقاومتر میشود.
آهنربا به قرقره پرکننده استیل آستنیتی نمیچسبد، اما شخصی که آهنربا را در دست دارد ممکن است به دلیل فریت باقی مانده، کشش کمی را احساس کند. متأسفانه، این باعث میشود برخی از کاربران فکر کنند که محصولشان برچسبگذاری نادرستی شده است یا از فلز پرکننده اشتباهی استفاده میکنند (به خصوص اگر برچسب را از سبد سیمی جدا کرده باشند).
مقدار صحیح فریت در یک الکترود به دمای کاری کاربرد بستگی دارد. به عنوان مثال، فریت زیاد باعث میشود جوش در دماهای پایین چقرمگی خود را از دست بدهد. بنابراین، پرکننده نوع 308 برای کاربرد لولهکشی LNG دارای عدد فریت بین 3 تا 6 است، در مقایسه با عدد فریت 8 برای پرکننده استاندارد نوع 308. به طور خلاصه، فلزات پرکننده ممکن است در ابتدا مشابه به نظر برسند، اما تفاوتهای کوچک در ترکیب آنها مهم است.
آیا روش سادهای برای جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوپلکس وجود دارد؟
معمولاً فولادهای زنگ نزن دوپلکس ریزساختاری متشکل از تقریباً 50٪ فریت و 50٪ آستنیت دارند. به عبارت ساده، فریت استحکام بالا و تا حدودی مقاومت در برابر ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی را فراهم میکند در حالی که آستنیت چقرمگی خوبی را فراهم میکند. ترکیب این دو فاز به فولادهای دوپلکس خواص جذابی میدهد. طیف گستردهای از فولادهای زنگ نزن دوپلکس موجود است که رایجترین آنها نوع 2205 است؛ این نوع حاوی 22٪ کروم، 5٪ نیکل، 3٪ مولیبدن و 0.15٪ نیتروژن است.
هنگام جوشکاری فولاد ضد زنگ دوپلکس، اگر فلز جوش فریت زیادی داشته باشد (گرمای قوس باعث میشود اتمها خود را در یک ماتریس فریت مرتب کنند)، مشکلاتی ایجاد میشود. برای جبران، فلزات پرکننده باید ساختار آستنیتی را با محتوای آلیاژی بالاتر، معمولاً ۲ تا ۴ درصد نیکل بیشتر از فلز پایه، ارتقا دهند. به عنوان مثال، سیم جوش با روکش شار برای جوشکاری نوع ۲۲۰۵ ممکن است ۸.۸۵ درصد نیکل داشته باشد.
میزان فریت مورد نظر میتواند پس از جوشکاری از ۲۵ تا ۵۵ درصد متغیر باشد (اما میتواند بیشتر باشد). توجه داشته باشید که سرعت خنک شدن باید به اندازه کافی آهسته باشد تا آستنیت بتواند دوباره تشکیل شود، اما نه آنقدر آهسته که باعث ایجاد فازهای بین فلزی شود و نه آنقدر سریع که باعث ایجاد فریت اضافی در منطقه تحت تأثیر حرارت شود. رویههای توصیه شده سازنده را برای فرآیند جوشکاری و فلز پرکننده انتخاب شده دنبال کنید.
تنظیم پارامترها هنگام جوشکاری فولاد ضد زنگ
برای سازندگانی که هنگام جوشکاری فولاد ضد زنگ دائماً پارامترها (ولتاژ، آمپراژ، طول قوس، اندوکتانس، پهنای پالس و غیره) را تنظیم میکنند، مقصر اصلی، ترکیب ناهماهنگ فلز پرکننده است. با توجه به اهمیت عناصر آلیاژی، تغییرات زیاد در ترکیب شیمیایی میتواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد جوش داشته باشد، مانند خیس شدن ضعیف یا آزادسازی دشوار سرباره. تغییرات در قطر الکترود، تمیزی سطح، ریختهگری و مارپیچ نیز بر عملکرد در کاربردهای GMAW و FCAW تأثیر میگذارد.
کنترل رسوب کاربید کنترلی در فولاد ضد زنگ آستنیتی
در دماهای بین ۴۲۶ تا ۸۷۱ درجه سانتیگراد، محتوای کربن بیش از ۰.۰۲٪ به مرز دانههای ساختار آستنیتی مهاجرت میکند، جایی که با کروم واکنش میدهد و کاربید کروم تشکیل میدهد. اگر کروم با کربن پیوند خورده باشد، برای مقاومت در برابر خوردگی در دسترس نیست. هنگامی که در معرض یک محیط خورنده قرار میگیرد، خوردگی بین دانهای رخ میدهد و باعث میشود مرز دانهها خورده شوند.
برای کنترل رسوب کاربید، با جوشکاری با الکترودهای کم کربن، میزان کربن را تا حد امکان پایین نگه دارید (حداکثر 0.04٪). کربن همچنین میتواند توسط نیوبیوم (که قبلاً کلمبیوم نامیده میشد) و تیتانیوم که میل ترکیبی قویتری با کربن نسبت به کروم دارند، جذب شود. الکترودهای نوع 347 برای این منظور ساخته شدهاند.
چگونه برای بحث در مورد انتخاب فلز پرکننده آماده شویم
حداقل، اطلاعاتی در مورد کاربرد نهایی قطعه جوش داده شده، از جمله محیط سرویس (به ویژه دمای عملیاتی، قرار گرفتن در معرض عناصر خورنده و میزان مقاومت در برابر خوردگی مورد انتظار) و طول عمر مطلوب آن جمع آوری کنید. اطلاعات در مورد خواص مکانیکی مورد نیاز در شرایط عملیاتی، از جمله استحکام، چقرمگی، شکل پذیری و خستگی، کمک زیادی می کند.
بیشتر تولیدکنندگان پیشرو الکترود، کتابهای راهنمایی برای انتخاب فلز پرکننده ارائه میدهند و نویسندگان نمیتوانند بیش از حد بر این نکته تأکید کنند: به راهنمای کاربردهای فلز پرکننده مراجعه کنید یا با کارشناسان فنی سازنده تماس بگیرید. آنها برای کمک به انتخاب الکترود صحیح از جنس فولاد ضد زنگ در آنجا هستند.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد فلزات پرکننده فولاد ضد زنگ TYUE و تماس با کارشناسان این شرکت جهت مشاوره، به آدرس www.tyuelec.com مراجعه کنید.
زمان ارسال: ۲۳ دسامبر ۲۰۲۲