تأثیر فلز پرکننده بر خواص اتصال غیر مشابه آلیاژ فولادی 4130 به فولاد زنگ نزن 316L

در این پژوهش، اتصال غیر مشابه فولاد کم آلیاژ 4130. به فولاد زنگ نزن 316L به روش جوشکاری قوسی تنگستن – گاز. مورد بررسی قرار گرفت. از دو فلز پر کننده ERNiCr-3 و فولاد زنگ نزن ER309L به این منظور استفاده شد. پس از جوشکاری، ریزساختار مناطق مختلف هر اتصال شامل فلز جوش. مناطق متأثر از حرارت و فصل مشترک ها با استفاده از میکروسکوپ نوردی و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد. که در آزمون ضربه، شکست نمونه ها به صورت نرم می باشد. در آزمایش کشش نمونه جوش داده شده با سیم جوش ER309L از فولاد پایه 316L دچار شکست شد.

اما نمونه جوش داده شده با سیم جوش ERNiCr-3 از محل جوش دچار شکست شد. بررسی ها نشان دهنده وجود ساختار دندریتی در فلزات جوش پایه نیکلی بود. ریز ساختار فلز پرکننده فولاد ER309L به صورت سلولی – دندریتی بوده. و به دلیل وجود فاز فریت دلتا در نواحی بین دندریتی آستنیت زمینه. هیچ گونه ترکی در این اتصال مشاهده نشد.

این فولاد 4130 AISI فولادی کم آلیاژ با استحکام بالا و عملیات حرارتی پذیر می باشد. این فولاد دارای میزان کربن متوسط بوده و دارای عناصر آلیاژی نظیر کروم، مولیبدن، منگنز و دیگر عناصر می باشد. کاربرد این نوع فولادها در صنایع نفت و نیروگاه های برق می باشد. همچنین به دلیل مقاومت در برابر اکسید شدن. و استحکام بسیار خوب در درجه حرارت های بالا. در انواع مولد ها و مبدل های حرارتی کاربرد دارد. این فولاد همچنین در مخازن تحت فشار در صنایع پتروشیمی نیز استفاده می شود. این گروه فولادها به صورت نرماله، تمپر می شود و کوئنچ – تمپر می شود بکار می رود. کروم در فولاد، مقاومت به خوردگی و مولیبدن استحکام در درجه حرارت های بالا را افزایش می دهد.

فولاد زنگ نزن 316 پس از فولاد زنگ نزن 304 دومین فولاد زنگ نزن رایج. در بین فولادهای زنگ نزن آستنیتی است. این فولاد به فولاد زنگ نزن گرید دریایی نیز معروف است. و معمولاً شامل 16 درصد کروم، 10 درصد نیکل و دو درصد مولیبدن است. تغییر در نسبت کروم و نیکل و افزودن مولیبدن باعث مقاومت بیشتر این فولاد در مقابل خوردگی. به ویژه خوردگی ناشی از کلر می گردد. و به این دلیل برای تجهیزاتی که باید در تماس زیاد. با عوامل خورنده نظیر مواد شیمیایی حلال ها، و آب شور باشند، مناسب است. فولاد زنگ نزن 316 در صنایع مختلفی نظیر نفت، گاز، پتروشیمی، صنایع غذایی و دارویی مصارف گوناگونی دارد. از این آلیاژ برای ساخت لوله و ورق های مقاوم در محیط های اسیدی استفاده می شود. و قیمت آن نسبت به گریدهای مشابه مانند فولاد زنگ نزن 304 بیشتر است.

اتصال غیر مشابه فولادهای زنگ نزن به فولادهای کم آلیاژ با استحکام بالا. در صنایع مختلفی نظیر نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه های حرارتی. و صنایع غذایی دارای کاربردهای فراوان می باشد. در اکثر صنایع مذکور خطوس لوله انتقال دهنده سیالات و نازل ها. از جنس فولاد زنگ نزن و مخازن و قسمت های تحت فشار سیستم. از جنس فولاد کم آلیاژ تولید می شوند. و اتصال این اجزا به روش جوشکاری انجام می گردد. و یکی از اتصالات اساسی موجود در این صنایع می باشد. با توجه به کاربرد گسترده فولادهای کم آلیاژ و فولادهای زنگ نزن در صنایع مختلف. و نیاز فراوان به اتصال این دو نوع فولاد به یکدیگر. توسعه و بهینه سازی خواص این اتصال همواره مورد نظر قرار می گیرد. در گذشته کاربرد فیلرهای مختلف در اتصال این نوع فولادها مورد بررسی قرار گرفته است.

پانیندرا و همکاران به بررسی خواص اتصال غیر مشابه فولادهای AISI 4140. و AISI 316 ایجادی با روش جوشکاری قوسی تنگستن – گاز (GTAW) پرداختند. در این بررسی محققان خواص اتصال را در دو حالت بدون فلز پرکننده. و به استفاده از فلز پرکننده بررسی نمودند. فلز پرکننده مورد استفاده ER309L بود. نتایج نشان داد خواص اتصال در هر دو حالت قابل قبول می باشد. جانگ و همکاران به بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی اتصالات فولادی کم آلیاژی SA508 به فولاد 316 با روش GTAW. به وسیله فلز پرکننده ایکونل 82/182 پرداختند.

این نوع اتصال در راکتورهای هسته ای کاربرد دارد. در این بررسی مشاهده گردید خواص مکانیکی و ریزساختار در طول ضخامت جوش متفاوت می باشد. و در بررسی های انجام شده علت ترک های مورد ایجاد در نمونه ها، تنش پسماند تشخیص داده شد. در این راستا پژوهشی مشابه با تحقیق جانگ و همکاران توسط کیم و همکاران انجام شد. با این تفاوت که در این بررسی محققین از عملیات حرارتی پس گرم در دمای 320 درجه سانتی گراد. برای کاهش تنش پسماند استفاده نمودند. که نتایج حاصل رضایت بخش بود. ریزساختار فلز جوش به صورت دندریتی و بررسی سطح شکست، نشان دهنده شکست نرم بود.

در مورد روش های مختلف جوشکاری این دو نوع فولاد در قبل بررسی هایی صورت پذیرفت. آریواژگان و همکاران به بررسی خواص اتصال فولادهای AISI 4140 و AISI 304 توسط روش های GTAW، جوشکاری اصطکاکی – اعتشاشی (FSW) و جوشکاری پرتوی الکترونی (EBW) پرداختند. نتایج نشان داد که اتصال به روش EBW دارای بیشترین استحکام کششی. و روش GTAW دارای بیشترین مقاومت به ضربه می باشد.

در میان روش های مختلف جوشکاری ذوبی، یکی از پرکاربردترین روش ها در اتصال فلزات غیرمشابه. که در سال های اخیر مورد توجه محققین قرار گرفته است، جوشکاری GTAW می باشد. این روش دارای مزایای فراوان می باشد. که از جمله می توان به تمیز بودن جوش.کنترل نسبی میزان رقت و کم هزینه بودن این روش اشاره کرد. این روش در عین دارا بودن مزایای بسیار. در مقایسه با برخی روش ها نظیر جوشکاری پرتوی الکترونی (EBW). و جوشکاری پرتوی لیزر (LBW) دارای نقاط ضعفی می باشد. که از آن جمله می توان به عمق نفوذ کمتر. ایجاد منطقه HAZ وسیع تر و ایجاد اعوجاج در مقاطع نازک اشاره نمود.

در راستای بهبود خواص جوش GTAW، احمدی و ابراهیمی. به بررسی اثر فلاکس فعال در عمق نفوذ جوشکاری GTAW فولاد 316L پرداختند. که نتایج نشان دهنده افزایش عمق نفوذ و افزایش استحکام بود. چاندر و همکاران تأثیر پارامترهای فرایند جوشکاری بر چقرمگی و سختی اتصال فولادهای 4140 AISI و AISI 304. به روش جوشکاری اصطکاکی را بررسی نمودند. پارامترهای اصلی مورد بررسی در این پژوهش نیروی اصطکاکی و نیروی فورج بود. سهم هر یک از پارامترهای مذکور و اهمیت این پارامترها به روش تاگوچی تعیین گردید. که نتایج نشان داد که پارامتر نیروی اصطکاکی به خصوص در میزان چقرمگی اتصال دارای بیشترین اثر می باشد.

اوزدمیر و همکاران به بررسی خواص اتصال. از نظر سرعت چرخش در جوشکاری اصطکاکی فولاد AISI 304 به فولاد AISI 4340 پرداختند. جوشکاری اصطکاکی با پنج سرعت مختلف چرخش با استفاده از یک دستگاه انجام شد. مشاهده گردید استحکام کششی با افزایش سرعت چرخش افزایش می یابد.

بنابراین تحقیقات انجام شده توسط نگارندگان مقاله. تاکنون گزارشی در مورد اتصال غیر مشابه فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316 L. به فولاد کم آلیاژ AISI 4130 در منابع مشاهده نشده. بنابراین در این پروژه به بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی اتصال غیرمشابه فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316 L. به فولاد کم آلیاژ AISI 4130 توسط فرایند GTAW با پرکننده های ER309L و ERNiCr-3 پرداخته شده است. نویسندگان بر این عقیده هستند. که نتایج حاصل از این پژوهش می تواند. در استفاده بهینه از این دو آلیاژ در کاربردهای صنعتی مثمر ثمر واقع گردد.

فولاد 4130

ارتباط با ما :

09121224227

09371901807

02166800251

فکس: 66800546

ارتباط با ما در شبکه های اجتماعی

https://t.me/foolad_paytakht تلگرام

https://www.instagram.com/folad_paytakht اینستاگرام

https://www.instagram.com/foolad_paytakht.ir اینستاگرام

فولادهای زنگ نزن آستنیتی و داپلکس

جوشکاری استلایت بر روی سطح فولادهای زنگ نزن بسیار متداول است. انجام اینکار کاملاً متفاوت از فولادهای کربنی، کم آلیاژ و ابزار است. در اینجا کربن معادل اهمیت چندانی ندارد. ولی مهم این است که بدانیم چه گروه و گریدی را سخت کاری می کنیم.

شکل 8 مهمترین گریدهای فولادهای زنگ نزن آستنیتی را نشان می دهد. در فولادهای زنگ نزن آستنیتی، نظیر 304 و 316، شکل گیری فاز ترد. در منطقۀ متأثر از حرارت زیر جوش رخ نمی دهد. زیرا وجود مقادیر بالای نیکل مانع از تبدیل شبکه FCC آستنیت به شبکۀ BCC مارتنزیت می شود.

برای جوشکاری سطحی استلایت روی این گروه. دمای پیش گرم 50 درجه سانتی گراد تا 150 درجه سانتی گراد کافی است. و پس از جوشکاری قطعه باید به آرامی سرد شود.

مشکل اصلی در جوشکاری سطحی فولادهای زنگ نزن، ورود کربن از آلیاژ استلایت به منطقۀ متأثر از حرارت است. با توجه به مقادیر بالای کربن در اکثر آلیاژهای استلایت، این پدیده به سادگی روی می دهد. کربن وارد شده به منطقۀ کنار جوش در فولاد زنگ نزن، باعث ایجاد پدیدۀ حساس شدن می شود. این فرآیند که از آن به خوردگی کنار جوش نیز یاد می شود.

در اثر تشکیل کاربید کروم در مرز دانه های فولاد زنگ نزن ایجاد می شود. شکل 9 این پدیده را از نقطه نظر میکروسکوپی نشان می دهد. تشکیل کاربید کروم در مرز دانه ها باعث می شود. تا لایۀ محافظ اکسید کروم پیوسته روی سطح فولاد زنگ نزن در منطقۀ متأثر از حرارت شکل نگرفته. و مقاومت به خوردگی این ناحیه به شدت کاهش یابد.

 

ساختار میکروسکوپی فولادهای زنگ نزن داپلکس شامل دانه های فریت و آستنیت تقریباً با نسبت برابر می باشد. این گروه فولادهای زنگ نزن معمولاً مقاومت به خوردگی تنشی بهتر و استحکام و سختی بالاتری. نسبت به فولادهای زنگ نزن آستنیتی دارند. داپلکس ها کاربردهای وسیعی در صنایع نفت و گاز و پتروشیمی دارند. مقاومت در محیطهای کلریدی، استحکام کششی بالا و مقاومت به کاویتاسیون دلیل این امر است.

 

جدول 2 ترکیب شیمیایی فولادی زنگ نزن داپلکس را نشان می دهد.

در اثر سخت کاری سطحی توسط جوشکاری، داپلکس ها هم مانند فولادهای زنگ نزن آستنیتی حساس شده. و دچار خوردگی منطقۀ کنار جوش می شوند. علاوه بر این در این فولادها امکان تشکیل فازهای ترد ثانویه در زیر لایۀ جوشکاری شده وجود دارد. این فازهای ثانویۀ ترکیبات بین فلزی، کاربیدها و نیتریدهایی هستند. که در اثر قرار گرفتن در دمای بالا تشکیل می شوند. و مقاومت به خوردگی و یا چقرمگی را کاهش می دهند.

از نقطه نظر سخت کاری سطحی، بزرگترین مشکل کار با این فولادها تشکیل فازهای تردی نظیر سیگما.چی، و آلفا پرایم در مدت زمان کوتاه سیکل حرارتی حاصل از جوشکاری است.

 

این فازها در محدوده دمایی 300 درجه سانتی گراد تا 1000 درجه سانتی گراد تشکیل می شوند. طبیعی است که در حین جوشکاری مطنقۀ وسیعی در زیر جوش در این ناحیۀ حرارتی ترد شدن قرار می گیرند. به همین دلیل بهتر است. فولادهای داپلکس پیش گرم نشوند.

بسته به هندسه و ابعاد قطعات و همچنین گرید استلایت مورد استفاده باید سریع تر نرخ سرد شدن ممکن. برای دماهای بین پاسی و آخر کار در نظر گرفته شود. تا منطقه متأثر از حرارت در زمان کمتری در محدوده دمایی ترد شدن قرار گیرد. دمای بین پاسی بهینه برای این فولادها در محدوده 150 درجه سانتی گراد تا 200 است.

البته راهکار بهتر استفاده از یک لایه بافری زیر لایه استلایت می باشد. استفاده از سوپرآلیاژ پایه نیکل Inconel 625 به عنوان اولیه لایه جوشکاری شده بدون انجام هیچ پیش گرمی می تواند. ریسک پدیده های فوق الذکر را تا حد زیادی کاهش دهد.

یکی از پدیده هایی که در حین سخت کاری سطحی آلیاژهای استلایت. بر روی قطعات صنعتی به وفور دیده می شود. پدیده رقیق شدن است. رقیق شدن معمولاً خود را به شکل افت سختی حاصل از سخت کاری. نسبت به سختی مورد انتظار نشان می دهد. ماجرا از آنجا آغاز می شود. که در حین جوشکاری سطحی، مقداری از فلز زیر لایه یا همان قطعه در لایه استلایت حل می شود. و در نتیجه مقدار آهن موجود در لایه را نسبت به ترکیب استاندارد استلایت افزایش می دهد. این وضعیت اثرات زیر را به همراه دارد.

 

کاهش مقاومت به خوردگی آلیاژ استلایت در محیط های با خورندگی بالا. در اثر کاهش درصد کروم لایه سطحی، هرچند در این شرایط ممکن است. مقاومت به خوردگی استلایت از بسیاری فولادهای زنگ نزن بالاتر باشد.

• افت سختی حاصل از جوشکاری استلایت
• کاهش مقاومت به سایش در اثر افزایش انرژی نقص در چیده شدن اتم ها برای زمینه کبالتی. که اثر بالایی به خصوص بر مقاومت به گالینگ دارد.
• کاهش کربن محتوای لایه استلایت که کاهش سختی و مقاومت به انواع سایش را به همراه دارد.
• رقیق شدن به آهن و یا نیکل باعث کاهش حجم فازهای تردی نظیر کاربیدها شده. و مقاومت به ضربه لایه را افزایش می دهد.

همانطور که در شکل 10 دیده می شود. 6 درصد رقیق شدن توانسته است. مقاومت به سایش خراشان استلایت 1 را تا 6 برابر و سایش چسبان را تا حدود دو برابر کاهش دهد.

رقیق شدن پدیده ای غیر قابل اجتناب است. اما سوال اینجاست که تا چه حد مجاز می باشد. پاسخ این سوال با دانستن شرایط کاری نظیر خورندگی محیط، مقاومت به سایش مورد نیاز، سختی قطعات درگیر با قطعه. ضخامت لایه مورد نیاز، مقدار ماشین کاری پس از جوشکاری و … داده شود.

هرچه تعداد پاس های جوش داده شده افزایش یابد. اثر رقیق شدن به ویژه در لایه های رویین کمتر می شود. بهتر است فرآیند کار به نوعی طراحی شود. که پس از ماشین کاری حداقل 2 میلی متر از لایه استلایت روی سطح باقی مانده باشد.

 

پارامترهای جوشکاری، هندسه جوش، مهارت جوشکار، ضخامت لایه اولیه جوشکاری شده. و جنس زیر لایه بر رقیق شدن تأثیر گذار است. شکل 11 موقعیت صحیح تورچ و فیلر را در جوش آرگون نشان می دهد.

مقدم بر پارامترهای فرآیند، نوع خود فرآیند بر میزان رقیق شدن تأثیر به سزایی دارد. شکل 12 رقیق شدن استلایت 12 را در دو روش TIG و PTA مقایسه کرده است. همانطور که دیده می شود. رقیق شدن استلایت از مقدار 50 درصد آهن در خط ذوب. به سرعت به حدود 5 درصد در فاصله حدود 4 میلیمتری از خط ذوب فلز پایه می رسد. روش PTA رقیق شدن کمتری را نسبت به روش FTG نشان می دهد. دقت شود که این دو روش در شرایط تنظیم بهینه پارمترها با هم مقایسه شده اند.

 

همانطور که مشاهده می شود. در روش PTA در فاصله یک میلی متر از خط ذوب، رقیق شدن به کمتر از 10 درصد می رسد.

اثر میزان رقیق شدن بر سختی حاصل از لایه استلایت 12 در شکل 13 نشان داده شده است.

شکل 14 اثر رقیق شدن توسط آهن در دماهای مختلف بر سختی آلیاژ معروف استلایت 6 را نشان می دهد. همانطور که دیده می شود. رقیق شدن بیش از 10 درصد در دماهای مختلف اثر زیادی نداشته. و نمودار بین 10 تا 20 درصد در دماهای مختلف به شکل صاف است.

شکل 15 اثر دما و رقیق شدن توسط آهن بر سختی استلایت 6 را مشخص می کند. همانطور که دیده می شود. با افزایش دما تأثیر رقیق شدن بر افت سختی لایه استلایت بیشتر می شود.

لوله (Pipe) یک مقطع توخالی استوانه ای است که عمدتاً از آن برای انتقال مواد قابل جریان. مانند مایعات، گازها، دوغاب ها و پودرها استفاده می شود. از لوله ها همچنین برای ساخت سازه ها استفاده می شود. مقاطع توخالی لوله ای، به مراتب سفتی بر اساس وزن واحد بیشتری نسبت به مقاطع توپر دارند. لوله از مواد مختلفی از جمله سرامیک، شیشه، فایبرگلاس، بسیاری از فلزات، بتن و پلاستیک ساخته می شود. در گذشته لوله های چوبی و سربی نیز مرسوم بودند.

لوله های فلزی به طور معمول از فولاد آلیاژهای آهن ساخته می شوند. مانند فولاد کربنی، فولاد زنگ نزن، فولاد گالوانیزه و چدن نشکن. لوله های پایه آهنی، در صورت استفاده در جریان آب اکسیژن دار در معرض خوردگی قرار دارند. از لوله های آلومینیوم ممکن است در مواردی استفاده شود که آهن با مایع سرویس ناسازگار باشد. با وزن یک پارامتر مشکل ساز باشد.

از لوله های مسی بیشتر برای سیستم های لوله کشی آب خانگی (قابل شرب). و لوله های سیستم های تبرید و کویل های انتقال حرارت (برای مثال در کندانسورها و رادیاتورها) استفاده میشود. از لوله هایی با جنس آلیاژهای اینکونل . فولاد کروم مولی و تیتانیوم برای دماها و فشارهای بالا در تأسیسات کارخانجات فرآیندی و نیروگاه ها استفاده میشود. ارزش بازار جهانی لوله های فولادی در سال 2019 برابر 142.4 میلیارد دلار بوده. و انتظار می رود از سال 2020 تا 2027 با نرخ رشد مرکب سالانه 6.2% رشد کند. و به 54.68 میلیارد دلار برسد.

لوله بدون درز – لوله یکپارچه

لوله بدون درز – Seamless pipe- که به مانیسمان نیز مشهور است. یکی از پرکابردترین محصولات فولادی است. که در صنعت نفت-پتروشیمی- گاز و همچنین در قطعه سازی مصارف فراوانی دارد. لوله های بدون درز در بازار همچنین به عنوان مقاطع ضخیم و بسیار مقاوم تحت فشار شناخته می شود. زیرا به دلیل یکنواخت بودن و نداشتن درز جوش. دارای مقاومت بسیار بالایی در مقابل فشار و تنش های فیزیکی است. به طوری که به خوبی خود را در هر نوع شرایط آب و هوایی مطابقت می دهد. پروسه تولید مانسمان برای ساخت لوله مانسمان از استاندارد ASTM. – به شماره A106 – A53. و همچنین استاندارد نفت و گاز API 5L استفاده می شود.

پروسه تولید لوله های مانیسمان نیز بدین گونه است که در آن یک شمش فولادی تحت کشش و نورد. افزایش طول یافته و سپس با وارد شدن میله جامد نوک تیز به مرکز شمش گذاخته شده. لوله ای بدون درز را ایجاد می کند.

تولید این نوع از سایزهای بزرگتر به کوچکتر است. و سایزهای 2/1 و 4/3 و 1 اینچ معمولاً به روش سرد است. در تولید این مقاطع عمدتاً از شمش های فولادی گرد استفاده می کنند. البته تولید لوله مانیسمان از مقاطع چهارگوش نیز امکان پذیر است. اما به دلیل اینکه این مقاطع حتماً باید به صورت دایره ای و یکنواخت باشند. گرد کردن شمش های زاویه دار مستلزم صرف هزینه و وقت خواهد بود.

در مجموع پروسه تولید لوله های مانسمان شامل مراحل برش. پیش گرم، مرحله Piercing، عبور از دستگاه الانگاتور، شلیک سمبه. تاب گیری، جداسازی سمبه، کروی سازی، مرحله کشش، خنک سازی، مرحله اندازه گیری. مرحله آزمایش، مرحله کونیک کردن، پولین و در پایان باندل کردن است.

تاریخ ابداع و ساخت لوله های بدون درز به اواخر قرن 19 بر می گردد. و این روش نخستین بار توسط مهندسی آلمانی بنام ((مانسمان))به کار رفت.