جوشکاری فولاد و نیکل و آلیاژ نیکل، سوالات متداول

مقدمه

هنگام ساخت تجهیزات شیمیایی و نفتی، به منظور صرفه‌جویی در مصرف نیکل گران‌قیمت، فولاد اغلب به نیکل و آلیاژهای آن جوش داده می‌شود.

مشکلات اصلی جوشکاری

هنگام جوشکاری، اجزای اصلی در جوش، آهن و نیکل هستند که قادر به حلالیت متقابل نامحدود هستند و ترکیبات بین فلزی تشکیل نمی‌دهند. به طور کلی، میزان نیکل در جوش نسبتاً زیاد است، بنابراین در ناحیه ذوب اتصال جوش داده شده، هیچ لایه نفوذی تشکیل نمی‌شود. مشکل اصلی جوشکاری، تمایل به ایجاد تخلخل و ترک‌های داغ در جوش است.

۱. تخلخل

فولاد و نیکل و آلیاژهای آن هنگام جوشکاری، عوامل اصلی مؤثر بر تشکیل تخلخل در جوش، اکسیژن، نیکل و سایر عناصر آلیاژی هستند.

① اثر اکسیژن. جوشکاری، فلز مایع ممکن است اکسیژن بیشتری را در خود حل کند و اکسیژن در دماهای بالا و اکسیداسیون نیکل، تشکیل NiO می‌دهد. NiO می‌تواند با هیدروژن و کربن موجود در فلز مایع واکنش داده و بخار آب و مونوکسید کربن در حوضچه مذاب تولید کند و باعث انجماد شود، مانند زمانی که برای فرار خیلی دیر شده است، باقیمانده در جوش باعث تشکیل تخلخل می‌شود. در جوشکاری قوسی زیرپودری آهن و نیکل خالص و Q235-A، در مورد محتوای نیتروژن و هیدروژن تغییر زیادی نمی‌کند، هرچه محتوای اکسیژن در جوش بیشتر باشد، تعداد منافذ در جوش بیشتر است.

② اثر نیکل. در جوش آهن-نیکل، حلالیت اکسیژن در آهن و نیکل متفاوت است، حلالیت اکسیژن در نیکل مایع بیشتر از آهن مایع است، در حالی که حلالیت اکسیژن در نیکل جامد کمتر از آهن جامد است، بنابراین، حلالیت اکسیژن در تبلور نیکل با تغییر ناگهانی، برجسته‌تر از تبلور آهن با تغییر ناگهانی است. بنابراین، تمایل به تخلخل در جوش وقتی نیکل 15٪ ~ 30٪ است، کم است و وقتی محتوای نیکل زیاد است، تمایل به تخلخل بیشتر به 60٪ ~ 90٪ افزایش می‌یابد و مقدار فولاد حل شده قطعاً کاهش می‌یابد، بنابراین باعث می‌شود تمایل به تشکیل تخلخل بیشتر شود.

③ تأثیر سایر عناصر آلیاژی. هنگامی که جوش آهن-نیکل حاوی منگنز، کروم، مولیبدن، آلومینیوم، تیتانیوم و سایر عناصر آلیاژی باشد یا با آلیاژسازی مطابقت داشته باشد، می‌تواند ضد تخلخل جوش را بهبود بخشد، این به دلیل آن است که منگنز، تیتانیوم و آلومینیوم و غیره نقش اکسیژن‌زدایی را دارند، در حالی که کروم و مولیبدن حلالیت جوش را در فلز جامد بهبود می‌بخشند. بنابراین جوش نیکل و فولاد ضد زنگ 1Cr18Ni9Ti ضد تخلخل‌تر از جوش نیکل و فولاد Q235-A است. آلومینیوم و تیتانیوم همچنین می‌توانند نیتروژن را در ترکیبات پایدار تثبیت کنند، که می‌تواند ضد تخلخل جوش را نیز بهبود بخشد.

۲. ترک خوردگی حرارتی

دلیل اصلی ترک خوردگی حرارتی در فولاد و نیکل و آلیاژهای آن در جوش این است که به دلیل وجود جوش با ساختار دندریتی بالا، در لبه دانه‌های درشت، تعدادی از هم‌بلورهای نقطه ذوب پایین متمرکز شده‌اند و در نتیجه اتصال بین دانه‌ها را تضعیف می‌کنند و مقاومت فلز جوش در برابر ترک خوردگی را کاهش می‌دهند. علاوه بر این، مقدار نیکل فلز جوش برای ایجاد ترک خوردگی حرارتی در فلز جوش بسیار زیاد است و تأثیر قابل توجهی در جوش آهن-نیکل دارد. اکسیژن، گوگرد، فسفر و سایر ناخالصی‌ها نیز بر تمایل به ترک خوردگی حرارتی جوش تأثیر زیادی دارند.

هنگام استفاده از پودر جوشکاری بدون اکسیژن، به دلیل کاهش کیفیت اکسیژن، گوگرد، فسفر و سایر ناخالصی‌های مضر در جوش، به ویژه کاهش محتوای اکسیژن، میزان ترک خوردگی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. از آنجا که در حین تبلور حوضچه مذاب، اکسیژن و نیکل می‌توانند یوتکتیک Ni + NiO تشکیل دهند، دمای یوتکتیک 1438 درجه سانتیگراد است و اکسیژن نیز می‌تواند اثرات مضر گوگرد را تقویت کند. بنابراین، هنگامی که محتوای اکسیژن در جوش زیاد است، تمایل به ترک خوردگی حرارتی بیشتر است.

منگنز، کروم، مولیبدن، تیتانیوم، نیوبیم و سایر عناصر آلیاژی می‌توانند مقاومت به ترک فلز جوش را بهبود بخشند. منگنز، کروم، مولیبدن، تیتانیوم، نیوبیم عامل دگرگونی هستند، می‌توانند ساختار جوش را اصلاح کنند و جهت تبلور آن را مختل کنند. آلومینیوم، تیتانیوم همچنین یک عامل اکسیژن‌زدای قوی است که می‌تواند مقدار اکسیژن موجود در جوش را کاهش دهد. منگنز می‌تواند با گوگرد و منگنز سولفید ترکیبات نسوز تشکیل دهد که اثرات مضر گوگرد را کاهش می‌دهد.

خواص مکانیکی اتصالات جوش داده شده

خواص مکانیکی اتصالات جوشکاری آهن-نیکل به مواد پرکننده و پارامترهای جوشکاری مربوط می‌شود. هنگام جوشکاری نیکل خالص و فولاد کم کربن، هنگامی که معادل نیکل در جوش کمتر از 30٪ باشد، تحت خنک شدن سریع جوش، یک ساختار مارتنزیتی در جوش ظاهر می‌شود که باعث می‌شود پلاستیسیته و چقرمگی اتصال به شدت کاهش یابد. بنابراین، برای دستیابی به پلاستیسیته و چقرمگی بهتر اتصال، معادل نیکل در جوش آهن-نیکل باید بیشتر از 30٪ باشد.