การเชื่อมเหล็ก นิกเกิล และโลหะผสมนิกเกิล คำถามที่พบบ่อย

การแนะนำ

ในการผลิตอุปกรณ์ทางเคมีและปิโตรเลียม เพื่อประหยัดต้นทุนของนิกเกิล จึงมักมีการเชื่อมเหล็กเข้ากับนิกเกิลและโลหะผสมต่างๆ

ปัญหาหลักของการเชื่อม

ในการเชื่อมนั้น ส่วนประกอบหลักในรอยเชื่อมคือเหล็กและนิกเกล ซึ่งสามารถละลายซึ่งกันและกันได้อย่างไม่จำกัดและไม่เกิดสารประกอบโลหะระหว่างกัน โดยทั่วไปแล้ว ปริมาณนิกเกลในรอยเชื่อมจะค่อนข้างสูง ดังนั้นในบริเวณหลอมเหลวของรอยเชื่อมจึงไม่มีชั้นการแพร่กระจายเกิดขึ้น ปัญหาหลักของการเชื่อมคือแนวโน้มที่จะเกิดรูพรุนและรอยแตกร้าวจากความร้อนในรอยเชื่อม

1. ความพรุน

ในการเชื่อมเหล็กและนิกเกิลรวมถึงโลหะผสมของทั้งสองชนิด ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเกิดรูพรุนในรอยเชื่อม ได้แก่ ออกซิเจน นิกเกิล และธาตุผสมอื่นๆ

① ผลกระทบของออกซิเจน ในระหว่างการเชื่อม โลหะเหลวอาจละลายออกซิเจนได้มากขึ้น และออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงจะทำให้เกิดการออกซิเดชันของนิกเกิล ก่อให้เกิด NiO ซึ่ง NiO สามารถทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนและคาร์บอนในโลหะเหลว ทำให้เกิดไอน้ำและคาร์บอนมอนอกไซด์ในบ่อหลอมเหลวที่กำลังแข็งตัว หากออกซิเจนเหล่านี้ระเหยออกไปไม่ทัน ก็จะตกค้างอยู่ในรอยเชื่อมและก่อให้เกิดรูพรุน ในการเชื่อมแบบจุ่มอาร์คด้วยนิกเกิลบริสุทธิ์และ Q235-A ระหว่างเหล็กกับนิกเกิล ในกรณีที่ปริมาณไนโตรเจนและไฮโดรเจนไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก ยิ่งปริมาณออกซิเจนในรอยเชื่อมสูงเท่าไร จำนวนรูพรุนในรอยเชื่อมก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

② ผลกระทบของนิกเกล ในการเชื่อมเหล็ก-นิกเกล ความสามารถในการละลายของออกซิเจนในเหล็กและนิกเกลนั้นแตกต่างกัน ความสามารถในการละลายของออกซิเจนในนิกเกลเหลวนั้นมากกว่าในเหล็กเหลว ในขณะที่ความสามารถในการละลายของออกซิเจนในนิกเกลแข็งนั้นน้อยกว่าในเหล็กแข็ง ดังนั้น ความสามารถในการละลายของออกซิเจนในการตกผลึกของนิกเกลที่เปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันจึงเด่นชัดกว่าในการตกผลึกของเหล็กที่เปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน ด้วยเหตุนี้ แนวโน้มการเกิดรูพรุนในรอยเชื่อมเมื่อปริมาณนิกเกลอยู่ที่ 15%~30% จึงมีน้อย และเมื่อปริมาณนิกเกลสูงขึ้นไปถึง 60%~90% แนวโน้มการเกิดรูพรุนก็จะเพิ่มขึ้นอีก และปริมาณเหล็กที่ละลายก็จะลดลง ทำให้แนวโน้มการเกิดรูพรุนเพิ่มมากขึ้น

③ อิทธิพลของธาตุผสมอื่นๆ เมื่อรอยเชื่อมเหล็ก-นิกเกิลมีแมงกานีส โครเมียม โมลิบเดนัม อะลูมิเนียม ไทเทเนียม และธาตุผสมอื่นๆ หรืออยู่ในสัดส่วนที่เหมาะสม จะช่วยเพิ่มความต้านทานการเกิดรูพรุนของรอยเชื่อมได้ เนื่องจากแมงกานีส ไทเทเนียม และอะลูมิเนียม เป็นต้น มีบทบาทในการกำจัดออกซิเจน ในขณะที่โครเมียมและโมลิบเดนัมช่วยเพิ่มความสามารถในการละลายของโลหะในรอยเชื่อม ดังนั้นรอยเชื่อมระหว่างนิกเกิลกับเหล็กกล้าไร้สนิม 1Cr18Ni9Ti จึงมีคุณสมบัติในความต้านทานการเกิดรูพรุนดีกว่ารอยเชื่อมระหว่างนิกเกิลกับเหล็กกล้า Q235-A นอกจากนี้ อะลูมิเนียมและไทเทเนียมยังสามารถตรึงไนโตรเจนในสารประกอบที่เสถียร ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการเกิดรูพรุนของรอยเชื่อมได้อีกด้วย

2. การแตกร้าวจากความร้อน

ในการเชื่อมเหล็กและนิกเกิล รวมถึงโลหะผสมของเหล็กและนิกเกิล สาเหตุหลักของการแตกร้าวจากความร้อนคือ การเชื่อมที่มีนิกเกิลสูงและมีโครงสร้างแบบเดนไดรต์ ทำให้บริเวณขอบของเกรนหยาบมีการสะสมของผลึกร่วมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำจำนวนมาก ส่งผลให้การเชื่อมต่อระหว่างเกรนอ่อนลง และลดความต้านทานการแตกร้าวของโลหะเชื่อม นอกจากนี้ ปริมาณนิกเกิลในโลหะเชื่อมที่สูงเกินไปยังส่งผลกระทบอย่างมากต่อแนวโน้มการแตกร้าวจากความร้อนของโลหะเชื่อมเหล็ก-นิกเกิล และออกซิเจน กำมะถัน ฟอสฟอรัส และสิ่งเจือปนอื่นๆ ก็มีผลอย่างมากต่อแนวโน้มการแตกร้าวจากความร้อนของโลหะเชื่อมเช่นกัน

เมื่อใช้ฟลักซ์ที่ปราศจากออกซิเจน เนื่องจากปริมาณออกซิเจน กำมะถัน ฟอสฟอรัส และสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายอื่นๆ ในรอยเชื่อมลดลง โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริมาณออกซิเจนลดลง ทำให้ปริมาณการแตกร้าวลดลงอย่างมาก เนื่องจากการตกผลึกในบ่อหลอมเหลว ออกซิเจนและนิกเกลสามารถก่อตัวเป็นยูเทคติก Ni + NiO ซึ่งมีอุณหภูมิยูเทคติกที่ 1438 ℃ และออกซิเจนยังสามารถเสริมฤทธิ์ที่เป็นอันตรายของกำมะถันได้อีกด้วย ดังนั้นเมื่อปริมาณออกซิเจนในรอยเชื่อมสูง แนวโน้มการแตกร้าวจากความร้อนก็จะมากขึ้น

แมงกานีส (Mn), โครเมียม (Cr), โมลิบเดนัม (Mo), ไทเทเนียม (Ti), ไนโอเบียม (Nb) และธาตุผสมอื่นๆ สามารถปรับปรุงความต้านทานการแตกร้าวของโลหะเชื่อมได้ Mn, Cr, Mo, Ti, Nb เป็นสารเปลี่ยนรูป ซึ่งสามารถปรับปรุงโครงสร้างของรอยเชื่อมและขัดขวางทิศทางการตกผลึกได้ นอกจากนี้ Al และ Ti ยังเป็นสารลดออกซิเจนที่แข็งแกร่ง สามารถลดปริมาณออกซิเจนในรอยเชื่อมได้ Mn สามารถสร้างสารประกอบทนไฟกับ S ทำให้เกิด MnS ซึ่งช่วยลดผลกระทบที่เป็นอันตรายของกำมะถันได้

คุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อม

คุณสมบัติทางกลของรอยเชื่อมเหล็ก-นิกเกิลนั้นเกี่ยวข้องกับวัสดุโลหะเติมและพารามิเตอร์การเชื่อม เมื่อเชื่อมระหว่างนิกเกิลบริสุทธิ์กับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ หากปริมาณนิกเกลเทียบเท่าในรอยเชื่อมต่ำกว่า 30% ภายใต้การเย็นตัวอย่างรวดเร็วของรอยเชื่อม โครงสร้างมาร์เทนไซต์จะปรากฏขึ้นในรอยเชื่อม ทำให้ความยืดหยุ่นและความเหนียวของรอยเชื่อมลดลงอย่างมาก ดังนั้น เพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นและความเหนียวที่ดีขึ้นของรอยเชื่อม ปริมาณนิกเกลเทียบเท่าในรอยเชื่อมเหล็ก-นิกเกิลควรมากกว่า 30%