جوش پذیری فولاد ها

جوش پذیری فولاد ها :

به طور کلی، اصطلاح جوش پذیری می تواند اینگونه تعریف شود.

"توانایی مواد برای جوش داده شدن با یکی از پروسه های جوشکاری مرسوم و دارا بودن خاصیتی که برای آن طراحی صورت گرفته است."

جوش پذیری فولادها می تواند متاثر از بسیاری فاکتورها باشد که به نوع فولاد ، پروسه و خواص مکانیکی خواسته شده بستگی دارد .

مهندسین جوشکاری فقط با فولادهای ساختمانی کربن و منگنز دار سروکار دارند و ممکن است جوش پذیری از روی کربن معادل تعیین شود، گرچه این یک کاربرد کوچک از ترم جوش پذیری است. 

عموما جوش پذیری ضعیف، پیدایش بعضی از انواع ترکها را باعث می شود، اگر چه اغلب فولادها درجه ای از جوش پذیری را دارند.

هنگامی که همه انواع مکانیزم های ترک برداشتن جوش را در نظر می گیریم، سه مولفه اساسی قبل از اتفاق افتادن ترک وجود دارد:

1)    تنش

2)    محدودیت ها و قیدها

3)    ریز ساختار حساس

1.    تنش های پسماند همواره در قطعات جوشکاری وجود دارد ( به دلیل انبساط و انقباض موضعی )

2.     قید ممکن است یک قید موضعی باشد یا از طریق صفحه ای که به قطعات دیگر جوش داده شده باشد .

3.    ریز ساختار اغلب بوسیله  پروسه  جوشکاری به ترک حساس می شود.

انواع مکانیزم ترک های متداول در فولادها که باید در رابطه با آنها دانش و علم داشته باشیم عبارتند از :

1.    ترک حاصل از هیدروژن وارده به منطقه تفتیده

2.    ترک حاصل از هیدروژن وارده به فلز جوش

3.    ترک های انقباضی

4.    پاره شدگی لایه ای

5.    خوردگی درون شبکه ای

تعاریف :

برای این فصل نیاز است مفاهیم زیر بصورت پایه ای فهمیده شود:

حلالیت : توانایی حل شدن یک ماده در ماده دیگر، مانند شکر در چای

ماکزیمم حلالیت : ماکزیمم در صد ماده ای که می تواند در ماده ای دیگر حل شود .

فولاد : یک آلیاژ آهن با کربن غیر فلزی است ( مقدار کربن آن از %0.01 تا %1.4 است )

فولادهای کم آلیاژی : فولادهای که آهن و کربن و دیگر عناصر آلیاژی را دارند.کلا مولیدن، نیکل ، کرم و منگنز < %7

فولادهای پر آلیاژی : فولادهای که آهن و کربن و دیگر عناصر آلیاژی را دارند.کلا مولیدن، نیکل ، کرم و منگنز > %7

فرم : معادل لاتین آهن که علامت Fe را از آن گرفته اند .

فریت : ساختار دمای پایین محلول آهن و کربن است . ماکزیمم حلالیت کربن در این ساختار 0.02% است .

آستنیت : ساختار دمای بالای محلول آهن و کربن است . ماکزیمم حلالیت کربن در این ساختار 2.6% است .

مارتنزیت : یک ساختار سخت که در بعضی فولادها که با سرد کردن آستنیت از دمای بالا تولید می شود . به طور کلی در دمای زیر 300 درجه سانتی گرداد اتفاق می افتد.

نفوذ : حرکت اتم ها یا ملکول های حل شونده از طریق شبکه کریستالی ( بلوری ) و بطور کلی با بالا رفتن سطح انرژی در مواد نفوذ سریعتر اتفاق می افتد.

اثرات عناصر آلیاژی :

عناصر آلیاژی برای دستیابی به خواص مورد نظر در فولاد ها اضافه میشوند

Al: به فولاد اضافه میشود تا دانه های ساختار را ریز کند و نیز به عنوان اکسیژن زدا

C: اولین و اساسی ترین عنصر در عناصر آلیاژی است . افزایش کربن در فولاد سختی را افزایش داده و چکشخواری را کم میکند

Cr: بیشتر از 12 % باعث تولید فولاد ضد زنگ میشود ، اما اغلب در فولاد های کم آلیاژی به مقدار کمتر از 5% اضافه میشود تا استحکام سختی را افزایش دهد و مقاومت به اکسداسیون را در دمای بالا بسیار بیشتر کند . کروم تشکیل کاربید را پایدار میکند اما اگر به تنهایی به فولاد اضافه شود به رشد دانه ها کمک میکند . بنابراین همراه با ni-mo به فولاد اضافه میشود .

Mn: برای افزایش چقرمگی و استحکام به مقدار1.6% به فولاد های ساختمانی افزوده میشود همچنین منگنز برا کنترل ترکهای انقباضی در فولاد فریتی اضافه یشود و تا 14% در فولادهای هاد فیلد مقاوم به سایش / ضربه اضافه میشود

Mo: برای کنترل اثرات خزش به فولاد های کم آلیاژ اضافه میشود . همچنین به عنوان عنصر پایدار کننده در فولادهای ضد زنگ به کار میرود و اثرات رشد دانه  را محدود میکند با cr/ niدر فولاد های کم آلیاژی مخلوط میشود تا اثری به نام تردی تمپر را کنترل کند.

Ni:نیکل به مقدار بیش از 9%در فولاد ،فولاد ضد زنگ آستنیت تولید میکند همد های نیکلی کم دما به مقدار کمتر از 9% اضافه میشود به گرافیته شدن کمک میکند ، اما به خوبی دانه ها را ریز میکند و اغلب برای جبران اثرات کروم اضافه میشود ، نیکل بسیار گران است اما استحکام ، چقرمگی ، چکشخواری و مقاومت به خوردگی فولادها رابهبود میبخشد .

Ni:تشکیل دهنده کاربید برای پایداری ضد زنگ و نیز به مقدا:تشکیل دهنده کاربید برای پایداری ضد زنگ و نیز به مقدار کمتر از 5 صدم درصد در hsla استفاده میشود

Ti:عمدتا به فولاد های ابزار پر آلیاژ سرعت بالا اضافه میشود که سختی در دما بالا این فولاد ها را افزایش میدهد ، به دلیل اثر تمپر کردن گرمای اصطکاکی بر روی فولاد های دیگر هنگامی که از برشکاری استفاده می شود .

Va: به عنوان اکسیژن زدا یا به عنوان فلزات دو تایی در فولاد های hsla به مقدار کمتر از 5 صدم درصد استفاده میشود .

باید خاطر نشان کنیم که اضافه کردن اغلب عناصر آلیاژی توانایی فولاد را برای سخت شدن در پروسه سختی سازی حرارتی افزایش میدهد  به این خاصی قابلیت سختی پذیری گویند .

نوع ترک : ترک هیدروژنی ( ترک سرد )

مکان : به صورت طولی در منطقه تفتیده – در فلز جوش به صورت طول یا عرضی

نوع فولاد : همه فولادهای سختی پذیر یعنی : فولادهای کم آلیاژی و hslaو کربن متوسط و کربن بالا .

ساختارهای حساس و مستعد : مارتنزیت

علل :

ترک برداشتن هیدروژنی یک مکانیزم ترک برداشتن سرد است که معمولا در زیر دمای 300 درجه اتفاق میافتد و ممکن است در منطقه تفتیده یا فلز جوش پدیدار شود بسته به اینکه چه نوع فولادی جوش داده میشود. هیدروژن ممکن است در قوس جوشکاری از مناطق مختلفی جذب شود مثل : رطوبت روی صفحات یا هوا ، رنگ یا روغن موجود روی صفحات یا قوس بلند یا ناپایدار و غیره . الکترود سلولزی e6010هیدروژن زیادی را به عنوان گاز محافظ تولید میکند . هیدروژن به راحتی در فلز جوش ذوب شده حل میشودو هنگام انجماد در ناحیه دلتای فریتی یا آستنیتی باقی میماند . به محض اینکه جوش تا زیر lctسرد شود فلز جوش به آلفای فریت / پرلیت تبدیل میشود که مقدار حلالیت هیدروژن بسیار کمتر است و در این نقطه هیدروژن مایل است که به منطقه تفتیده برود چرا که در آنجا هنوز آستنیت باقی مانده است . پروسه را نفوذ میگویند که در دماهای بالاتر بسیار سریعتر انجام میشود . اگر منطقه تفتیده سختی پذیری پاینی داشته باشد خودش به فریت / پرلیت تبدیل میشود . و هیدروژن در محلول باقی خواهد ماند و در نهایت به خارج از از قطعه جوشکاری نفوذ میکند . اگر منطقه تفتیده سختی پذیری بیشتری داشته باشد از آستنیت به مارتنزیت تبدیل خواهد شد که مانند یک محلول فوق اشباع آهن و کربن هیچ گونه حلالیتی را برای  هیدروژن نشان نمیدهد این عمل باعث خروج گازهای هیدروژن از محلول شده و میزان بسیار بالایی از تنشهای داخلی را در این ساختار ترد و شکننده که هیچ گونه چکشخواری ندارد ، ایجاد میکند در جایی که تمرکز تنش زیادی میشود ممکن است ترک ایجاد شود . مانند پنجه جوش و عموما از طریق منطقه تفتیده سخت شده عبور میکند و یا در بعضی موارد از میان فلز جوش حرکت میکند .

چهار فاکتور بهرانی برای که به احتمال زیاد باعث تولید ترک هیدروژنی میشود عبارتند از :

1)   مقدار هیدروژن : بیشتر از 15 میلی لیتر در هر 100 گرم فلز جوش راسب شده

2)   سختی : بیشتر از hv350

3)   تنش ها : بیشتر از نصف استحکام تسلیم

4)   دما : بالاتر از 300 درجه

جلوگیر ی از ایجاد ترک هیدروژنی در منطقه تفتیده :

برای کنترل ترک هیدروژنتی در منطقه تفتیده ممکن است لازم باشد که فلزات جوشکاری پیشگرم شوند . پیشگرم کردن سرعت سرد کردن را کم میکند و از تبدیل شدن به مارتنزیت و دیگر ساختار های سخت جلوگری میکند . این عمل همچنین نفوذ گاز های هیدروژن به دام افتاده را به اتمسفر تشویق میکند .

آنچه که برای محاسبه مایحتاج پیشگرم باید در نظر گرفته شود عبارتند از :

1) سختی پذیری اتصال        2) ضخامت فلز و نوع اتصال

3) انرژی قوس وارده          4) محدوده قابل دسترسی هیدروژن

 هیدروژنی که باعث ترک خوردن میشود :

این عیوب هنگام جوشکاری فو لادهای hslaاتفاق می افتد . این ولاد ها با تیتانیوم ،وانادیم آلیاژمیشوند . از انجا که با افزایش کربن استحکام افزایش می یابد ، برای سازگاری ارزانتر استحکام جوش با استحکام فلز پایه ،از فلز جوش با مقدار کربن بیشتر استفاده میشود .

نمودار اثر کربن را روی خواص فولا د های کربنی ساده نشان میدهد . این عمل باعث ایجاد شده یک منطقه ی جوش با قابلیت سختی پذیری خوب میشود که در آنجا آستنیت به طور مستقیم به مارتنزیت تبدیل میشود و همان شرایطی را که قبلا در منطقه تفتیده گفته شده را ایجاد میکند و حالا ممکن است ترک در فلز جوش ایجاد شود.هر دو ترک هیدروژنی در هر دو منطقه تفتیده و فلز جوش به عنوان ترک سرد در نظر گرفته میشوند و در فرصت های بعدی به عنوان ترکهای تاخیری توسط هیدروژن ارجاع داده میشوند . اگر در وجود ترک هیدروژنی ترددی وجود داشته باشد بازرسی نهایی ممکن است بیسته به کاربرد استاندارد تا 72 ساعت به تاخیر بیافتد چرا که ممکن است در طول این مدت زمان ظاهر شود.

همانطور که در بالا اشاره شد . اضافه کردن کربن تا 0.38 % کربن یا ترکیب یوتکتوید استحکام کشش فولاد ساده کربنی را زیاد میکند . این کار هدف جور کردن استحکام فلز جوش را با فلز پایه را بر آورد میکند اما مزان سختی پذیری فلز جوش را هم به شدت بالا میبرد.

حالا این شرایط به گونه ای هست که ممکن است ترک هیدروژنی در فلز جوش اتفاق بیافتد جایی که جوش مستقیما از آستنیت به مارتنزیت تبدیل میشود و هیدروژن را به دام می اندازد و از نفوذ آن به منطقه تفتیده جلوگیری میکند.

همچنین از نمودار میتوان فهمید که هر چه مقدار کربن فولاد بالا برود میزان چکشخواری آن کم میشود . از آنجا که تنشهای پسماند اصلی در جهت طولی اند ، ترک ها میل دارند که در جهت عرضی قرار گیرند ، اگر چه این امکان وجود دارد که آنها به دلیل طولی باشند و با حتی تحت زاویه 45 درجه نسبت به فلز جوش قرار گیرند.

جلوگیری از ایجاد ترک برای این فولاد ها شبیه ترکهای هیدروژنی در منطقه تفتیده است . پیشگرم کردن ناحیه جوش باعث میشود که در آن دما هیدروژن به دام به دام افتاده ازجوش و منطقه تفتیده به اتمسفر نفوذ کند و مهمتر از ان تشکیل ساختار مارتنزیت سخت را به تاخیر میاندازد .

خلاصه روشهای جلوگیری از ترک های هیدروژنی در فولاد های کم آلیاژی و میکرو آلیاژی:

1)    استفاده از پروسه های کم هیدروژن

2)    به ماکزیمم رساندن انرژی قوس

3)    استفاده ی صحیح از تجهیزات مصرفی کنترل کننده هیدروژن

4)    قید وبند کردن

5)    استفاده از طول قوس ثابت و صحیح

6)    اطمینان داشتن از انجام جوشکاری تحت شرایط محیطی کنترل شده

به این نکته باید توجه کرد که برای گازهای تک اتمی هیدروژن این امکان وجود دارد که در ساختار مارتنزیت به دام بیفتد ، این اتفاق میتواند در دمایی که هیدروژن در اتمی پایدار است رخدهد. این عمل باعث ایجاد نیروهای تک اتمی بین ساختار میشود و باید به عنوان یک فاکتور توزیعی در مکانیزم های ترک در جوش و منطقه تفتیده در نظر گرفته شوند.

نوع ترک : ترک هیدروژنی (ترک سرد هیدروژنی )

مکان : 1) به صورت طولی در منطقه تفتیده

          2) به صورت طولی یا عرضی در فلز جوش