جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی

 جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی (Austenitic Stainless Steel Welding) از دو نظر اهمیت دارد:

۱- حفظ از مقاومت به خوردگی

۲- جلوگیری از ایجاد ترک

جوشپذیری خوب یکی از ویژگی های بارز فولادهای زنگ نزن است و این به دلیل کاربرد وسیع تر و تنوع بیشتر این مواد در ساخت مخازن تحت فشار، تانک های ذخیره، کارخانجات شیمیایی و کاربردهای خانگی است. جوش ها در فولادهای زنگ نزن آستنیتی معمولا ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و چقرمگی قابل قیاس با فلزات پایه را دارند. این فولادها نسبت به ترک سرد حساس نیستند. به دلیل ساختار پایدار نیازی به پیش گرمایش یا عملیات حرارتی پس از جوشکاری ندارند. معمولا هیچ محدودیتی برای حرارت دهی وجود ندارد و می توان از انرژی بالای آرک بدون ایجاد اثرات مخرب استفاده کرد.

جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی

چون این جوش ها آستنیتی هستند، غیر مغناطیسی بوده و در نتیجه وزش قوس (arc blow) در حین جوشکاری پیش نمی آید. فولادهای زنگ نزن آستنیتی در مقایسه با فولادهای کربنی، کم آلیاژ و سری ۴۰۰ زنگ نزن نقطه ذوب پایین تر، مقاومت الکتریکی بیشتر، هدایت حرارتی کمتر (۳۰%–۵۰%) و ضریب انبساط حرارتی بیشتری (۵۰%) دارند. به همین دلایل حرارت ورودی کمتر (جریان کمتر) و تجمع حرارت تنها در یک منطقه کوچک در مجاورت جوش نیاز است. اگر چه فولادهای زنگ نزن به اندازه کافی انعطاف پذیر هستند تا مقدار قابل توجهی انقباض را تحمل کنند، جوش ها ممکن است زمانی که سرد می شوند، ترک بخورند.

روش های جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی

– جوشکاری قوس فلزی محافظت شده

جوشکاری SMAW، روشی سریع و رایج با کاربردهای فراوان در زمینه فولادهای زنگ نزن است، به خصوص برای اشکالی که نمی توان با روش های جوشکاری اتوماتیک آن ها را به هم متصل کرد. الکترود ها را بر اساس ترکیب آلیاژ و بر اساس پوشش انتخاب می کنند. پوشش الکترودها معمولا مواد با پایه آهک یا تیتانیا است که به نوع جوش و تجهیزات به کار رفته بستگی دارد. حمل و نقل و نگهداری الکترودها از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا پوشش الکترودها تمایل به جذب رطوبت دارند و حضور رطوبت در حین جوشکاری منجر به تخلخل می شود.

– جوشکاری GTAW

روش GTAW به راحتی انواع فولاد زنگ نزن را جوش داده و به طور گسترده برای اتصال لوله به لوله گیر و جوشکاری مبدل های حرارتی پوسته لوله به کار می رود. در این روش عمدتا فلز پر کننده به شکل دستی توسط جوشکار تزریق می شود، اما این روش به خصوص برای قطعات ضخیم آهسته است.

برای دستیابی به نرخ رسوب گذاری بالا، این فرآیند می تواند به صورت اتوماتیک انجام بگیرد و سیم پرکننده به روش مقاومتی گرم شود. به این فرآیند GTAW با سیم داغ گفته می شود و سرعت جوش را ۱۰۰% افزایش می دهد. در نوع دیگری از GTAW از قوس پالسی استفاده می شود. در این فرآیند، قوس پالسی کنترل حوضچه مذاب را ممکن می کند تا به این وسیله نفوذ افزایش یافته و تخلخل کاهش یابد.

استفاده از لنز گاز در جوشکاری TIG فولاد زنگ نزن آستنیتی شدیدا توصیه می شود. لنز گاز قطعه ای از جنس مس و برنج با لایه هایی از توری های فولاد زنگ نزن است که جایگزین حلقه معمول در مشعل GTAW می شود. لنز گاز به توزیع یکنواخت گاز در اطراف قوس و حوضچه جوش کمک می کند و به سرمایش جوش نیز کمک می کند.

جوش هایی با نفوذ کامل به پشت بندی گازی (back purging) نیاز دارند که در این روش قسمت پشت جوش را گازهای خنثی می پوشانند. انجام می شود تا قسمت زیرین جوش از عناصر موجود در اتمسفر محافظت شوند.

در نهایت باید توجه داشت که مقدار کافی گاز پس از جوشکاری باقی بماند (جریان پس از جوشکاری). بهترین راه جوشکاری حفظ ۱ ثانیه از جریان پس از جوشکاری به ازای هر ۱۰ آمپر جریان جوشکاری است که در حین جوشکاری رخ می دهد.

– جوشکاری GMAW

به طور کلی GMAW چهار برابر سریعتر از GTAW است. بر اساس روش انتقال فلز، سه روش جوشکاری GMAW وجود دارد که عبارتند از:

۱- انتقال با اسپری کردن

۲- انتقال اتصال کوتاه

۳- انتقال پالسی

جوشکاری قوس اسپری اساسا یک روش جوشکاری تخت است. روش های انتقال اتصال کوتاه و اسپری پالس را می توان در تمام موقعیت ها استفاده کرد. نوع جریان جوشکاری مورد استفاده برای GMAW به نوع نفوذ مورد نظر بستگی دارد. در روش GTAW بالاترین نفوذ زمانی به دست می آید که پلاریته مستقیم وجود داشته باشد در حالی که بیشترین نفوذ در روش GMAW با پلاریته معکوس (الکترود مثبت) بدست می آید.

فرآیندهای جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی


فرآیندهای جوشکاری SMAW ،SAW ،GMAW ،GTAW و PAW به طور گسترده برای اتصال فولادهای زنگ نزن استفاده می شوند. عموما، فولادهایی که حاوی آلومینیم یا تیتانیم یا هر دو عنصر باشند می تواند با فرآیند های گاز محافظ مانند SMAW و GTAW جوشکاری قوس شوند. برای فرآیند GTAW، باید از جریان مستقیم، پلاریته مستقیم و الکترود تنگستن با ۲ درصد توریوم استفاده کرد. فولادهای زنگ نزن آستنیتی مشکلات خاصی با جوشکاری TIG دارد که از جمله می توان به رسوب کاربیدها و اعوجاج اشاره کرد. جوشکاری SAW هنگامی که جوش آستنیتی یا کم فریت مد نظر باشد، توصیه نمی شود. اگرچه هنگامی که درصد فریت جوش تا ۴ درصد هم قابل قبول باشد، مناسب است.

اخیرا، درخواست برای جوشکاری FCAW فولادهای زنگ نزن به طور قابل توجهی افزایش یافته است، زیرا این فرآیند نقش به سزایی در بهبود سطح بدنه و بهبود بازدهی جوشکاری فولاد زنگ نزن دارد. از جوشکاری اکسی فیول (Oxyfuel welding) فولاد زنگ نزن باید خودداری کرد زیرا حرارت بالا است و احتراق گاز منواکسید و دی اکسید کربن و مونواکسید کربن تولید می کند که فلز جوش را کربوره کرده و احتمال حساس شدن را افزایش می دهد. بنابراین جوشکاری اکسی فیول به جز در مورد تعمیرات اورژانسی درحالتی که تجهیزات جوشکاری قوس در دسترس نباشد توصیه نمی شود. توصیه می شود که شعله خنثی یا اندکی احیایی باشد. جوشکاری قوس کربن به دلیل خطر کاهش مقدار کربن توصیه نمی شود. در شرایطی که خوردگی شدید نباشد می توان از الکترود مصرفی CO2 استفاده کرد. اگر مقاومت به خوردگی از اهمیت زیادی برخوردار باشد جوشکاری قوس فلزی با الکترود پوشش دار یا یکی از گازهای خنثی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

انتخاب فلز پر کننده

برای بهبود خواص جوش های فولاد زنگ نزن انتخاب دقیق مواد مصرفی جوش و فرآیند تولید اجباری است: استاندارد AWS A5.4، مشخصات مقاومت به خوردگی الکترودهای جوشکاری با پوشش کروم و فولادکروم – نیکل، لیست انواع، ترکیبات و سایر داده ها برای الکترودهای استاندارد. پر کننده های فلزی AWS ER 3xx یا فلز پر کننده سری ۳۰۰ در ۹۰% موارد برای فولادهای زنگ نزن به کار می روند. چنین جوش هایی مقاومت به خوردگی بالا، چقرمگی و استحکام بالا در دماهای بالا و پایین در شرایط پس از جوشکاری نشان می دهند. مواد پر کننده پیشنهادی و فولادهای آستنیتی در جدول زیر آورده شده است.

فلز پر کننده برای فولاد زنگ نزن آستنیتی
فلز پایه فلز پر کننده
تیپ ۳۰۱، ۳۰۲ و ۳۰۴ AWS E308/308L
تیپ ۳۰۴L AWS E308L
تیپ ۳۱۶ و ۳۱۶L AWS E316L
تیپ ۳۱۷ AWS E317L
تیپ ۳۲۱،۳۴۷ AWS E347

گازهای محافظ در جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی

ترکیب گازهای مورد استفاده برای فولادهای زنگ نزن، معمولا حاوی آرگون است زیرا ذاتا خنثی بوده و توانایی آن در سهولت ایجاد قوس و سازگاری با انتقال اسپری فلز است. برای برخی از فرآیندهای جوشکاری ممکن است از هلیوم برای هدایت حرارت بیشتر به فلز پایه، افزایش نفوذ جوش و بهبود سیالیت حوضچه جوش استفاده کرد.

در GMAW و FCAW گاز اکسیژن و دی اکسید کربن به گاز محافظ افزوده می شود تا پایداری گاز و سیالیت حوضچه مذاب بهبود یابد. در موارد خاصی، نیتروژن یا هیدروژن به طور کنترل شده برای بهبود خواص جوش و ظاهر گرده جوش در فولاد زنگ نزن آستنیتی به کار گرفته شد.

آماده سازی پیش از جوشکاری

 آماده سازی جوش برای فولاد زنگ نزن مشابه با آماده سازی فولادهای کربنی است و با ماشین کاری، سمباده زنی و برش پلاسما انجام می شود.

طراحی اتصالات

نفوذ جوش معمولا در فولاد های زنگ نزن نسبت به فولادهای کربنی کمتر است، بنابراین آماده سازی زوایای جوش بزرگتر، پیشانی پخ کوچکتر، فاصله ریشه عریض تر و مهارت های جوشکاری بیشتری برای اطمینان از نفوذ کافی بدون ایجاد عیوب ریشه نیاز است. یک طراحی اتصال معمولی برای فولاد زنگ نزن در شکل زیر نمایش داده شده است.

عملیات پاکسازی

برای بدست آوردن جوش های سالم بدون ترک و ترد، سطح باید پیش از جوشکاری پاکسازی شود. ناحیه ای که باید پیش از جوشکاری تمیز شود سطوح شیاردار جوش و سطوح جانبی برای حداقل ۰٫۵ اینچ در هر طرف است. مهم ترین انواع آلودگی های سطح  عبارتند از آهن و آلودگی های آلی.

– آلودگی های آهن:

بر حسب اتفاق، تجهیزات شکل دهی و ابزارهایی که از فولاد کربنی ساخته شده اند، می توانند ذرات آهن را روی سطح فولاد زنگ نزن به جای بگذارند. از آنجایی که زنگ آهن نسبت به سطح آستنیتی آندی است، خوردگی گالوانیکی رخ می دهد و منجر به ایجاد حفره می شود. بنابراین، مطلوبست هنگام ساخت از ورق های پلاستیکی یا مقوایی روی ماشین آلات فولاد کربنی و کارخانه ها و تجهیزات حمل و نقل استفاده شود تا از نشست کربن روی سطوح زنگ نزن جلوگیری شود. باید این ذرات آهن را با اسید شویی حذف کرد. همواره از چرخ های اکسید آلومینیم برای این کار استفاده می شود و نه کاربید سیلیسیم. کاربید ممکن است با کروم واکنش داده و مقاومت به خوردگی فلز جوش را تحت تاثیر قرار دهد.

– آلودگی آلی:

در مرحله ساخت، آلودگی های آلی روی سطوح فلز در نتیجه استفاده از گریس، روغن، مایعات تراشکاری، علایم، رنگ و مواد جسبناک ایجاد می شود. حتی مقدار کم این آلودگی ها می تواند منجر به ایجاد ترک یا تردی در جوش یا HAZ شود. برای جلوگیری از این کار، باید اطمینان حاصل کرد که فلز پایه و پر کننده تمیز هستند. حذف آلودگی های آلی به طور کامل با چربی زدایی با محلول غیر کلریدی انجام می گیرد. لایه های اکسیدی را می توان با روش های مکانیکی یا اسید شویی با محلول ۱۰ تا ۲۰ درصد اسید نیتریک از بین برد. روش های مکانیکی تمیز کردن سطوح اکسیدی شامل:

۱- استفاده از برس سیمی

۲-  ماسه یا سنگریزه پاشی

۳- ماشین کاری و سمباده زنی با سیال برش بدون کلر

ملاحظات جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی


چند فرآیند جوشکاری و ملاحظات در انتخاب مواد وجود دارد که برای ایجاد جوش های بی عیب و نقص با خواص مناسب در فولادهای زنگ نزن آستنیتی باید در نظر گرفته شود. برخی از این ملاحظات عبارتند از:

۱- مشکل بسیار شایع ریزترک ها و ترک های ناشی از ذوب انتخابی.

۲- جوش های خودزا در معرض نفوذ

۳- حساس شدن ناحیه HAZ ممکن است مقاومت به خوردگی را تحت تاثیر قرار دهد. سایر عواملی که بر مقاومت به خوردگی اتصال جوش اثر می گذارند مانند ریزساختار در همسایگی سطح، ناخالصی ها، اکسید های سطحی، تنش باقی مانده جوش، آلودگی ها و سایر عیوب هندسی و شیار ها نیز بر مقاومت به خوردگی موثر هستند.

۴- تیپ ۳۰۴ به حرارت کمتری برای تولید همجوشی نیاز دارد که به معنای جوشکاری سریعتر برای مقدار مشخصی حرارت یا حرارت ورودی کمتر برای ایجاد سرعت یکسان است. این پدیده در روش های جوشکاری ذوبی الکتریکی از اهمیت به سزایی برخوردار است. مقاومت بیشتر فولاد زنگ نزن آستنیتی منجر به تولید حرارت بیشتر در اعمال جریان مشابه در مقایسه با فولاد کربنی است.

۵- اگر به پاس های زیادی برای انجام جوشکاری نیاز باشد، باید دمای بین پاس ها در دمای کمتر ۱۰۰ درجه سانتی گراد برای جلوگیری از ترک و اعوجاج نگه داشته شود و به طور کلی حرارت کمتری (۳۰درصد کمتر) مورد نیاز است.

۶- انبساط حرارتی بیشتر منجر به پیچش یا اعوجاج می شود، به خصوص در مقاطع نازک، برای کنترل ابعادی نیاز به ماشین کاری است.

۷- دود جوشکاری برای کارگران خطرناک است.

۸- فاکتورهای زیادی باید برای عملیات حرارتی پس از جوشکاری در نظر گرفته شود.

۹- اتصالات جوشکاری بین دو فلز غیر هم جنس به انتخاب مناسب فلز پر کننده و فرآیند نیاز دارند.

۱۰- کاهش ترک گرم. برخی فولادهای زنگ نزن (مانند تیپ ۳۴۷) در هنگام جوشکاری تمایل به انقباظ یا پارگی دارند بنابراین تعداد پاس های بیشتری مورد نیاز است.

۱۱- به دلیل آنکه فولاد زنگ نزن هدایت حرارتی کمتری نسبت به فولاد کربنی دارد، معمولا حرارت ورودی ۳۰ درصد کمتر مورد نیاز است. جوش ها نیز به زمان بیشتری برای سرد شدن نیاز دارند. حفظ طول قوس کوتاه و استفاده از خط جوش های گلویی برای جوش های طولانی به منظور کاهش حرارتی ورودی الزامی است.

۱۲- ضریب انبساط حرارتی فولاد زنگ نزن آستنیتی بیشتر از فولاد کربنی، فریتی یا مارتنزیتی است. به همین دلیل فلز پایه باید حداقل تنش را داشته باشد تا از افزودن تنش باقی مانده در اتصالات جوش جلوگیری شود.

 منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

Heat Exchanger Design Handbook 2nd edition, Kuppan Thulukkanam, CRC Press, 2013

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

پاسخ ترک

20 − هفده =