جوشکاری فولادهای ضد زنگ و ضد خوردگی

خصلت اصلی فولادهای استنلس مقاومت در برابر زنگ خوردگی است (داشتن کرم بیش از ۱۲% موید همین مطلب است). نیکل موجود در این فولاد‌ها حتی به مقدار زیاد هم نمی‌تواند به تنهایی مقاومت در برابر خوردگی را زیاد کند. ولی با حضور کرم می‌تواند تا حد زیادی این وظیفه را بخوبی انجام دهد. مزیت اصلی نیکل تسهیل ایجاد فاز آستنیت و بهبود خاصیت مقاوم به ضربه فولادهای کرم نیکل دار است. مولیبدن شرائط خنثی سازی این فولاد را تثبیت می‌کند و عموما عامل افزایش مقاومت به خوردگی موضعی (Pitting) است.

به منظور اطمینان از تشکیل کاربیدهای پایدار که باعث افزایش مقاومت به خوردگی بین دانه‌ای می‌شود افزودن Ti و Nb به انواع معینی از فولادهای کرم-نیکل دار ضروری است. 

۱-فولادهای ضد زنگ

کرم و کربن عناصر اصلی اینگونه از فولاد‌ها را تشکیل می‌دهد. هر چند که مقدار کربن کمتر از ۰۴/۰درصد است تاثیر کرم بر استحکام کششی حتی در مقادیر ۱۳ و ۱۷و ۲۰درصد بسیار ناچیز است. در حالیکه در مقادیر زیاد‌تر کربن با عملیات حرارتی مناسب امکان دستیابی به استحکام کششی منایب و عملیات مکانیکی مورد نظر فراهم می‌شود.

با توجه به ریزساختار فولادهای کرم دار را به شرح زیر می‌توان دسته بندی کرد:

الف-فولادهای کرم دار-فریتی (۱۲ تا ۱۸ درصد کرم -۱/۰درصد کربن)
ب- فولادهای کرم دار-نیمه فریتی (۱۲ تا ۱۴ درصد کرم -۰۸/۰ تا ۱۲/۰ درصد کربن)
ج-فولادهای کرم دار-مارتنزیتی (۱۲ تا ۱۸ درصد کرم و بیش از ۳/۰ درصد کربن)
د- فولادهای کرم دار-قابل عملیات حرارتی (۱۲ تا ۱۸ درصد کرم -۱۵/۰ تا ۲۰/۰ درصد کربن)

این دسته بندی را در مورد جوش پذیری نیز می‌توان تکرار کرد.

تحت شرایط حرارتی نامناسب فولادهای فریتی (گروه الف) تمایل به تشکیل دانه‌های درشت نشان می‌دهند. انرژی حرارتی ناشی از جوشکاری منجر به رشد دانه بندی می‌شود که نمی‌توان آنرا با پس گرمایش برطرف نمود. در نتیجه کاربید رسوب می‌کند و در مرز دانه‌های فریت باعث شکنندگی و کاهش شىیى مقاومت به ضربه فلؤ جوش می‌شود. برای غلبه بر این حالت باید از الکترود آستنیتی تثبیت شده با ۱۹ درصد کرم و ۹ درصد نیکل استفاده نمود. فلز جوشی که بدین ترتیب حاصل می‌شود دارای خاصیت آستنیتی و مقاومت به ضربه بالا است. فلز جوشی که بدین طریق حاصل می‌شود از نظر مقاومت به خوردگی مطابق فولددهای ضدزنگ فریتی می‌باشد اما از نظر ظاهر با فلز مبنا تفاوت رنگ دارد. در صورتیکه اجبار در یکرنگی باشد باید از فیلر متال مشابه (مثلا ۱۸ درصد کرم به همراه کمی Ti) استفاده شود. Tiدر مقادیر جزیی نقش موثر در ریز دانه کردن فلز جوش دارد.

بعلت رابطه گریز ناپذیر بین رشد دانه‌ها با از دست رفتن استحکام ضربه‌ای چاره‌ای جز کاستن از تنش‌های حرارتی ناشی از عملیات جوشکاری وجود ندارد و برای نیل به این منظور تمهیداتی نظیر الکترود با قطر کم و سرعت جوشکاری بیشتر و پیش گرمایش ۲۰۰تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد باید به کار رود. 

پس گرمایش در حدود ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد خاصیت استحکام به ضربه فلز جوش را بهبود می‌دهد.

همچنین آنیلینگ (Annealing) به مدت کم نیز باعث تجمع کاربید شده و تا حدی شکنندگی فلز جوش را جبران می‌کند و همینطور به تنش گیری نیز کمک می‌کند. ولی هرگز باعث رفع کامل درشت دانگی HAZنمیشود.

اقدامات مشابهی حین جوشکاری فولادهای نیمه فریتی و کوئنچ تمر شده با ۱۲ تا ۱۴ درصد کربن (دسته ب) نیز ضروری است. می‌دانیم که سرد کردن سریع باعث تشکیل فاز شکننده مارتنزیتی می‌شود لذا ضرورت دارد که درجه حرارت قطعه حین انجام جوش بالا نگهداشته شود. قطعه کار ابتدا ۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه پیش گرم می‌شود. درجه حرارت بین پاسی (Inter pass) ۳۰۰ درجه مناسب است و از این کمتر نباید شود. ضمنا قطعه کار باید بلافاصله در دمای ۷۰۰ تا ۷۶۰ درجه پس گرم شود. این سیکل حرارتی در مجموع باعث ایجاد فلز جوشی با ساختار یکنواخت و چقرمه در کل طول درز جوش مسشود و خطر شکنندگی و رشد دانه‌ها را تا حدود زیادی مرتفع می‌کند.

فولادهای کرم دار مارتنزیتی (دسته ج) معمولا قابل جوش نیستند و صرفا به منظور تعمیر و اصلاح عیوب جوشکاری بر روی آن‌ها انجام می‌پذیرد. برای جوشکاری فولادهای کرم دار با ۱۲ تا ۱۴ درصد کرم مقدار کربن در فیلر متال نباید از ۲۵/۰درصد تجاوز کند. این نوع فولاد در هوا سخت می‌شود. از اینرو هیچ اقدام پیشگیرانه موثری به منظور غلبه بر سخت شده HAZوجود ندارد. اما با اعمال پیش گرم زیاد که با پس گرم بلافاصله قطعه همراه باشد می‌توان تاحدودی مشکل را برطرف کرد و سختی نامطلوب را در حد پایینی نگاه داشت. دمای پس گرم ۷۵۰ تا ۸۰۰ توصیه می‌شود و کمتر از این دما ممکن است باعث تاثسر منفی در مقاومت به خوردگی شود.

آنیلینگ در حرارتی بین۶۵۰ تا ۶۵۰ درجه ممکن است باعث رسوب کاربید و بروز خوردگی بین دانه‌ای شود.

۲-فولادهای مقاوم به خوردگی

فولادهای آستنیتی مقاوم به خوردگی کرم-نیکل دار عموما دارای خواش جوشکاری مطلوبی هستند (جوش پذیرند). اما خصوصیاتی چند از این فلزات باید مدنظر قرار گیرد.

الف-ضریب هدایت حرارتی کم.
ب- ضریب انبساط حرارتی زیاد.
ج-سرشت انجماد اولیه این نوع فولاد‌ها که تاثیر مهم و تعیین کننده‌ای بر مکانیزم وقوع ترگ گرم در آن‌ها دارد. وجود مقدار مشخصی از فریت در فلز جوش بیانگر مقاومت ـن به ترک گرم است.

به کمک نمودار شفلر-دولانگ امکان تعیین ریز ساختار بر اساس ترکیبات فلز جوش ممکن است.

نمودار شفلر-دولانگ کمکی عملی در تعیین مقدار تقریبی فریت (فریت دلتا) و سرشت ریز ساختار تشکیل شده حین جوشکاری فولادهای آلیازی غیر همجنس اراوه می‌دهد. علاوه بر این برآوردی کلی از تاثیرات مقادیر کم فریت بر مقاومت به ترک گرم فلز جوش آستنیتی را مقدور می‌سازد. تجربه ثابت کرده که روشهای متفاوت تعیین درصد فریت عملا مساله ساز است و طبق توافق جهانی به جای درصد فریت تعداد فریت را مبنا و ماخذ محاسبات قرار می‌دهند.

دوستانیکه احتمالا از مطالب مربوط به نمودار شفلر آنچنان برداشت منسجم و دقیقی نداشتند کاملا حق دارند و پیشنهاد می‌کنم به کتب و منابع معتبر برای فهم بهتر مطلب مراجعه کنند. و فرصت بهتر پرداختن به این مطالب مهم فعلا در توان بنده نیست.

۳-فولادهای مقاوم به حرارت

الف-فولادهای فریتی یا فولادهای فریتی-پرلیتی از نوع (Cr یا Cr-Si و Cr-Si-Al) و فولدهای فریتی-آستنیتی
ب-فولادهای مقاوم به حرارت از نوع آستنیتی از نوع Cr-Ni-Si

در حالیکه در جوشکاری قطعات فولادی از نوع آستنیتی با الکترود‌ها ی همجنس آن پیشگرم قطعه ضرورتی ندارد فولادهای مقاوم به حرارت از نوع فریتی کرم دار را معمولا ۱۰۰ تا ۳۰۰ درجه پیش گرم و در ۷۵۰ درجه هم پس گرم و آنیل می‌کنند. علت اینکار هم غلبه بر درشت دانگی و تمایل به ترد شدن HAZ است.

قطعات ریختگی از جنش فریت_آستنیت را باید در حالت گرم ۷۰۰تا۸۰۰ درجه جوش داد و اجازه داد که به تدریج سرد گردد.

جوشکاری فولادهای فریتی و فریتی-پرلیتی با الکترودهای هم جنس قطعه کار کاهش در استحکام ضربه ضربه‌ای فلز جوش را نشان می‌دهد لذا پیشنهاد می‌شود این نوع فولاد‌ها را باالکترودهای آستنیتی مقاوم به حرارت جوش داد. در این حالت نیز باید توجه داشت که مقاومت به حرارت فلز جوش آستنیتی در محیط احتراق با گازهای اکسید کننده با هوا تقویت می‌شود و طبیعتا این مقاومت به حرارت در محیط گازهای احیا کننده به مقدار زیادی کاهش می‌یابد برای غلبه بر محیط احتراق با مقدار زیاد گاز گوگرد استفاده از الکترودهایی با کرم زیاد توصیه می‌گردد.