علت ترک خوردگی در جوش ناهمسان دو فولاد Ck15 و AISI 321: مطالعه موردی

با درود فراوان

در پی سوال مطرح شده از طرف یکی از مخاطبین محترم این وبلاگ مهندسی در خصوص علت ترک خوردگی در اتصال جوش بین دو فلز مختلف (یکی کربن استیل و دیگری استنلس استیل)، موارد زیر با توجه به داده های ورودی از طرف ایشان ایفاد می گردد.

ابتدا، ورودی مساله: اتصال سر به سر، فلز پایه استنلس استیل AISI 321 و کربن استیل  Ck15(Dissimilar Welding)

فرآیند جوش: GTAW یا TIG (آرگون خالص)، سیم جوش AISI 309؛ توضیح اینکه ترک خوردگی حتی با تغییر آمپراژ هم ادامه یافته است.

پاسخ به این سوال از چهار بخش تشکیل شده است: شناخت فلزات پایه (تحلیل شیمیایی)، مقایسه خواص فیزیکی و شیمیایی دو فلز پایه، انتخاب فلز پرکننده، و نتیجه گیری

قبل از شروع صحبت لازم بذکر می دانم که خواص فرآیند جوشکاری، اقتصاد جوش، و احتمال بروز عیوبی غیر از ترک گرم و بازگرمی در محل اتصال، و خواص طرح اتصال در این نوشتار مورد ارزیابی قرار نگرفته است.

الف) شناخت دو فلز پایه

فولاد Ck15 از جمله فولاد های معمولی سازه ای (کربن استیل) عملیات حرارتی پذیر، با سطح کیفی نجیب (بدلیل وجود حرف آلمانی k در کُد معرف آن) می باشد. لازم به توضیح است که حضور حرف k نشاندهنده وجود حداقل 0.035 درصد فسفر و گوگرد در ساختار شیمیایی این فولاد است. این فولاد، بدلیل کربن نسبتا اندکی که دارد، از جوش پذیری خوبی برخوردار است. حضور سیلیسیم باندازه حداکثر 0.35 در این فولاد نشاندهنده استحکام مناسب، در عین انعطاف پذیری لازم است. از طرفی، حضور منگنز باندازه 0.6 درصد در این فولاد نیز خبر خوبی است. چراکه این اندازه از منگنز بیانگر سختی پذیری، استحکام، چقرمگی، و عدم تمایل به ترک گرم است. جدول 1 را ببینید.

جدول 1: تحلیل شیمیایی فولاد Ck15

شکل 1: جایگاه فولاد Ck15 در دیاگرام شفلر

از سوی دیگر، فولاد استنلس AISI 321 را داریم که با توجه به میزان اندک کربنش (جدول 2 را ببینید) جزو کم کربن ها محسوب می شود. بنابراین، جوش پذیر بوده و از انعطاف پذیری لازم نیز برخوردار است. میزان منگنز حاضر در ترکیب شیمیایی AISI 321 نیز نوید بخش چقرمگی خوب، استحکام، و در عین حال، سختی پذیری مناسب است. در عین حال، این مقدار منگنز می تواند تا اندازه زیادی از بروز ترک گرم جلوگیری کند. کروم این فولاد حدود 19 درصد است که نشاندهنده مقاومت به خوردگی، در عین بهبود خواص مکانیکی است. البته، حضور نیکل باندازه 12 درصد می تواند به همراه کروم موجب بهبود مقاومت به خوردگی AISI 321 در دما های بالا (حدود 300 تا 800 درجه سلسیوس) گردد. در ساختار AISI 321 تیتانیوم را داریم که بیشتر با نیت جلوگیری از تشکیل کاربید های کروم به ترکیب آن اضافه شده است.

جدول 2: تحلیل شیمیایی فولاد AISI 321

شکل 2: جایگاه فولاد AISI 321 در دیاگرام شفلر

ب) مقایسه دو فلز پایه

از دیدگاه حساسیت به ترک گرم، محاسبات انجام شده توسط نویسنده این پست نشاندهنده آن است که حساسیت به ترک گرم در Ck15 بیش از 5 برابر AISI 321 است. اما، در ترک بازگرمی، اوضاع Ck15 بهتر است و در این مرحله آلیاژ AISI  321 است که تقریبا حساسیت 10 برابری نسبت به ترک بازگرمی در برابر Ck15 از خود نشان می دهد. این اعداد و ارقام وقتی بیشتر نگران کننده می شود که به نمودار مقایسه خواص فیزیکی این دو فولاد نگاهی بیاندازیم (شکل 3): بیشتر اختلاف این دو ماده پایه در ضریب متوسط انبساط حرارتی است و پس از آن، بیشترین اختلاف را ضریب هدایت گرمایی این دو فولاد به خود اختصاص می دهد. این در حالی است که دانسیته این دو فولاد یکی است که همین می تواند عاملی در جهت تمایل خط جوش به اعوجاج و بروز ترک گرم به حساب آید.

شکل 3: مقایسه ای از خواص فیزیکی دو فلز پایه

جدول 3: مقایسه تمایل به تشکیل ترک گرم و ترک بازگرمی در دو فلز پایه

جایگاه فولاد Ck15 با لوزی سبز رنگ و جایگاه AISI 321 با لوزی قرمز رنگ در دیاگرام شفلر مشخص شده است (شکل 3 را ببینید).

شکل 4: مقایسه ای از جایگاه دو فولاد Ck15 (لوزی سبز) و AISI 321 (لوزی قرمز) در دیاگرام شفلر

با توجه به اینکه گفته نشده بود که از چه میزان رقتی (Dilution) استفاده شده است، بنده از پیش فرض های تجربی استفاده کرده ام. بدین ترتیب که میزان رقت در فرآیند GTAW کاملا به مکانیزم انتقال فلز یا متال ترنسفر بستگی دارد که در حالت اتصال کوتاه یا

Short Circuit=10%

می باشد که مینیمم است (البته اگر بخواهیم از سیم جوش استفاده کنیم!) و در حالت متال اسپری یا

Metal Spray=50%

است. اما، چیزی که باید در اینجا مورد بحث قرار گیرد، تخمین ترکیب احتمالی عناصر در فلز جوش است. چیزی که در بخش بعدی بدان خواهیم پرداخت. اما، می توان نتایج محاسبه درصد وزنی عناصری که باید در فلز جوش حضور داشته باشند را در جدول 4 برای دو حالت از رقت ببینید. فقط توجه داشته باشید که میزان رقت بین دو فلز پایه یکسان نیست. دلیل آن را در بخش بعدی خواهیم فهمید.

در عین حال، تخمین دو عنصر سرنوشت ساز نیکل (Ni) و منگنز (Mn) در فلز جوش در قالب دو نمودار در شکل های 5 و 6 (به ترتیب) نشان داده شده است.

جدول 4: ترکیب شیمیایی فلز جوش در صورت استفاده از سیم جوش های مختلف در دو حالت از رقت (Dilution)

شکل 5: تخمینی از حضور عنصر نیکل (Ni) در فلز جوش در دو حالت از رقت

شکل 6: تخمین حضور عنصر منگنز (Mn) در ترکیب فلز جوش در دو حالت از رقت

ج) انتخاب سیم جوش

علاوه بر سیم جوش AISI 309، بنده سیم جوش های دیگری را نیز به فهرست انتخاب های ممکن افزوده ام که همگی آنها را می توان در جدول 4 مشاهده کرد. شرح ترکیب شیمیایی این سیم جوش ها در جدول 5 نشان داده شده است.

جدول 5: ترکیب شیمیایی سیم جوش های مورد نظر برای اتصال Ck15 و AISI 321

همانطور که می توانید در جدول 5 ببینید، پایینترین نسبت کروم معادل (Cr_E) به نیکل معادل (Ni_E) را در میان سیم جوش های استنلس آستنیتی، سیم جوش 309 دارد. از سوی دیگر، در میان سیم جوش های پایه نیکلی، نسبت کروم معادل به نیکل معادل در سیم جوش ERNiCr-6 پایینتر از همه سیم جوش هاست. نمودار شکل 7 را ببینید.

شکل 7: نسبت کروم معادله به نیکل معادل (Cr_E/Ni_E) در سیم جوش های مختلف

همانطور که می دانیم، نسب کروم معادل به نیکل معادل (Cr_E/Ni_E) شاخصی برای تعیین تمایل به تشکیل ساختار آستنیتی است. هرچه این شاخص کمتر باشد، ساختار فریتی مجال کمتری برای تشکیل یافته و لذا شانش بروز ترک گرم و بازگرمی نیز کمتر می شود.

با نگاهی به دیاگرام شفلر در شکل 8، می توان نتیجه گرفت که انتخاب اولیه در مورد فیلر متال درست بوده است. گرچه، امکان استفاده از فیلر متال نیکل پایه گرید 6 نیز کار را بهتر می کرد.

شکل 8: جایگاه سیم جوش های معرفی شده در جدول 5 در دیاگرام شفلر

بنابراین، باید علت ترک خوردگی را در دیاگرام شفلر و میزان رقت جستجو کرد. با مراجعه به دیاگرام تکمیل شده شفلر در بخش بعدی، علت بروز ترک را می توان حدس زد.

د) نتیجه گیری

براساس استاندارد های انجمن مهندسی جوش آلمان (DVS)، نوع اتصال ناهمسان (Dissimilar Joint) شما جزو کلاس یک محسوب می شود. بدین ترتیب، اگر میزان رقت برای Ck15 پایین نگه داشته شود، ترک گرم کمترین شانس را خواهد داشت. با نگاهی به دیاگرام شفلر، مشخص می شود که اگر میزان رقت Ck15 خیلی بالا رود، فلز جوش وارد فاز آستنیت+مارتنزیت شده و احتمال بروز ترک گرم در آن شدت خواهد یافت. میزان رقت 321 در اینجا خیلی مهم نیست. بنابراین، در اتصال سر به سر با یک پاس، انجام موارد زیر ضروری است: اگر رقت 10 درصد را انتخاب کرده اید، سهم Ck15 نباید از 2 درصد فراتر رود. در واقع، سهم بندی رقت 80 به 20 است.

اما، اگر رقت 50 درصدی را انتخاب کرده اید، سهم Ck15 باید به 10 درصد افزایش یابد که باز هم مقایسه کاملی در این خصوص در شکل 9 نمایان است.

شکل 9: دیاگرام شفلر برای اتصال دو فولاد ناهمسان Ck15 و AISI 321

امیدوارم پاسخ خود را گرفته باشید