دنیای گسترده جوشکاری فولاد ضدزنگ
مقدمه
ﺁماده سازی صحیح جوشکاری و آلیاژهای پرکننده بسیار مهم است.
توسعه فولادهای ضدزنگ با ویژگی‌های متمایز که شامل درجات مختلف مقاومت خوردگی، استحکام و قابلیت کارﺁمدی است، از مزیت‌های چشمگیری برای مصرف‌کنندگان برخوردار است. با این حال، این امر سبب شده است که جوشکاری فولاد ضدزنگ پیچیده تر از جوشکاری فولاد کربنی معمولی باشد.
مردم اغلب تعجب میکنند که انواع مختلفی فولاد ضد زنگ وجود دارد. اولین فولاد ضد زنگ که توسط هری برلی در سال ۱۹۱۳ معرفی شد، بسیار مقاوم تر اما با قابلیت شکل پذیری کمتر از فولاد کربنی استاندارد بود. در سال‌های پس از ﺁن، متالورژیست‌هایی که با مقادیر مختلف مواد ﺁلیاژی ﺁزمایش انجام می‌دهند، عملکرد فولاد ضدزنگ را به روش‌های مختلف افزایش داده‌اند.
تکنیک موردنیاز برای جوشکاری فولاد ضد زنگ، به استثنای دو مورد، تفاوت چندانی با روش مورد نیاز برای جوشکاری فولاد کربن استاندارد ندارد. اول اینکه باید مراقبت و کنترل بیشتری در مورد حرارت دادن و خنک کردن فولاد ضدزنگ اتخاذ شود؛ و دوم، لازم است فلزات پرکننده با مواد جوشکاری شده تطابق داشته باشند.
انواع فولاد ضد زنگ
پنج نوع فولاد، هر کدام با انواع مختلف، زیر مجموعه فولاد ضدزنگ قرار دارند. همه بر اساس ریزساختارشان و در نتیجه ساختار شیمیایی و نحوه گرم شدن و عملکرد فولاد دسته بندی می شوند. ریزساختار تاثیر زیادی بر استحکام، شکل پذیری و سایر خصوصیات فیزیکی و شیمیایی فولاد دارد.
به طور معمول سه نوع فولاد ضد زنگ در فروشگاه‌های استاندارد تولیدی استاندارد یافت میشود. فولاد ضدزنگ ﺁستنیتی احتمالا پرکاربرد ترین فولاد است، به خصوص در کاربردهای معمول ماشینی و ساخت. فولاد ضدزنگ مارتنزیتی سخت اغلب در کاربردهای مانند روکش کردن با فلز سخت مورد استفاده قرار می‌گیرد. فولاد ضدزنگ فریتی ارزان‌تر از سایر انواع بی‌زنگ است و به عنوان یکی از محصولات مصرفی مانند اجزای اگزوز خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرد
نوع چهارم، فولاد ضدزنگ دوپلکس، ترکیبی از ریزساختارهای ﺁستنیت و فریت است که این امر از آن فولادی مقاوم‌تر می‌سازد و در عین حال باعث میشود کار با ﺁن نیز دشوارتر باشد. در نهایت، فولادهای ضد زنگ رسوب سخت شامل سایر عناصر ﺁلیاژی مانند نیوبیوم هستند که باعث افزایش استحکام و هم هزینه فولاد می‌شوند. هر دو نوع فولاد دوپلکس و رسوب سخت، انواع خاصی هستند که اساسا در کاربردهای با کارایی بالا، از قبیل صنایع هوافضا و صنایع فرآوری مورد استفاده قرار می گیرند و به جزئیات آنها نمی پردازیم.
ﺁماده‌سازی عملیات جوشکاری
مانند هر نوع کار جوشکاری دیگری، تمیز کردن فولاد ضدزنگ قبل از جوشکاری مهم است؛ اما ﺁنچه که ممکن است اطلاع نداشته باشد اهمیت استفاده از ابزار مانند چکش و برس، بر روی فولاد ضدزنگ به دلیل حساسیت ماده به وجود فولاد کربنی است. برای مثال، اگر از یک برس فولادی ضدزنگ برای تمیز کردن فولاد کربنی استفاده کنید، از ﺁن برای استفاده بر روی فولاد ضدزنگ خودداری کنید. همین موضوع در مورد چکش‌ها و گیره‌ها نیز صادق می‌کند. به این دلیل که ممکن است مقادیر کمی از فولاد کربن بر سطح فولاد ضد زنگ قرار گیرد و باعث زنگ زدگی آن شود.
به همین ترتیب، سنگ‌زنی فولاد کربنی در مجاورت فولاد ضدزنگ می‌تواند منجر به بروز مشکلاتی شود. غبار فولاد کربنی معلق در هوا می‌تواند بر روی فولاد ضد زنگ مجاور آن نشسته و منجر به زنگ زدن فولاد ضد زنگ شود. به همین دلیل بهتر است که فولاد کربنی و فولاد ضد زنگ را جداگانه نگهداری کنید.
عامل مهم دیگر در ﺁماده سازی برای جوش، اطمینان از داشتن مواد پرکننده یا بطانه مناسب است که به این معنی است که بدانید چه نوع ماده پایه‌ای را جوشکاری می‌کنید. در بسیاری از موارد استفاده از فلز پرکننده با همان تعداد فلز پایه ﺁسان است. برای مثال، اگر دو قطعه فلز پایه L ۳۱۶ را جوش دهید، باید از فلز پرکننده ۳۱۶ استفاده کنید. البته، شرایطی وجود دارد که چندان ساده نیست، مثل زمانی که به فلزاتی متفاوت را جوش می‌دهید لایۀ روکشی ایجاد می‌کنید.
از ابزارهای دستی مخصوص تمیز کردن و ﺁماده کردن فولاد ضدزنگ استفاده کنید. فولاد ضد زنگ به شدت نسبت به وجود فولاد کربنی حساس است و حتی مقادیر بسیار کمی ممکن است باعث زنگ زدگی آن شود.
فولاد ضدزنگ ﺁستنیتی
به‌عنوان متداول‌ترین فولاد ضد زنگ در فروشگاه‌های قطعات فلزی، فولاد ضد زنگ ﺁستنیتی به‌عنوان سری ۳۰۰ شناخته میشود. در حالی که فلزات پایه نیاز به پیش گرمایش ندارند، اما دارای حداکثر درجه حرارت بین پاسی هستند. هنگامی که دمای فلز پایه به ۳۵۰ درجه فارنهایت می‌رسد، مانند زمانی که چندین پاس انجام می‌دهید، باید جوشکاری را متوقف کنید و اجازه دهید ماده سرد شود.
برخی از فولادهای سری ۳۰۰، ﺁستنیتی، مانند ۳۱۰، ۳۲۰ و ۳۳۰ کاملا ﺁستنیتی نامیده می‌شوند. باید این موارد را به‌دقت مدیریت کنید تا با استفاده از فرﺁیند حرارت‌دهی کم و جوشکاری محدب از ترک خوردگی جلوگیری شود. در صورت ایجاد یک جوش مسطح یا مقعر بر روی این مواد، در معرض ترک خوردگی قرار خواهد گرفت.
پارامتر دیگری که باید در نظر گرفته شود، ترکیب فلز پایه و فلز پرکننده است. فولاد L316 ضد زنگ را در نظر بگیرید. درجه L نشان دهنده محدود دمایی ۸۰۰ درجه فارنهایت یا کمتر در بیشتر کاربردها است، اما L به معنی درجه حرارت پایین نیست و تعیین کننده محتوای کربن کم معمولا 03/0 درصد است.
همان طور که قبلا ذکر شد، فلز پرکننده مناسب برای استفاده با فلز پایه با همان مشخصه L316 است. با این حال، مطابقت با عدد فلز پایه کافی نیست. ممکن است مقداری فلز پرکننده L316 داشته باشید اما این به آن معنا نیست که میتوانید از آن برای جوش دادن فلز پایه L316 استفاده کنید. "H" مخفف محتوای کربن بالا (high carbon) است و حتی با وجود اینکه بر روی فلز پایه L316 به خوبی جوش داده شود، اما قطعه جوشکاری شده پس از استفاده، بر روی فلز دوام نمی ﺁورد.
یکی از کاربردهای رایج این نوع فولاد، احیای غلتک‌های فولادی در ﺁسیاب‌های ریخته‌گری است که دائما از آنها استفاده شده است. وقتی غلتک‌ها از نقطه‌ای فراتر می‌روند، دوباره با استفاده سیم مارتنزیتی روکاری می‌شوند. قبل از شروع جوشکاری روی غلتک، از یک مشعل یا یک گرمکن مقاومتی برای گرم کردن غلتک تا ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه فارنهایت استفاده می شود. با آغاز جوشکاری، نمی‌توان دما را پایین‌تر از دمای پیش‌گرمایش کاهش داد. فولاد ضد زنگ مارتنزیتی در هنگام خنک کاری بسیار سخت و شکننده میشود که برای مقاومت در برابر سایش بسیار عالی است، اما جوشکاری آنها دشوار است. بالاتر از حداقل دمای بین پاسی، باعث می شود که ناحیه اطراف جوش فوری خنک نشود.
هنگام جوشکاری فولاد ضدزنگ مارتنزیتی، لازم است که در تمام مدت جوشکاری، دمای پیش‌گرمکن دقیق را وارد کرده و در تمام طول کار دمای حداقل بین پاسی را حفظ کنید. در غیر این صورت، ممکن است فولاد دچار ترک خوردگی شود.
همانند سایر فلزات ضد زنگ، برای جوش فلزات پایه مارتنزیتی، احتمالا از یک پرکننده با عدد یکسان استفاده خواهید کرد. در برخی کاربردها میتوان از یک پرکننده فولاد ضدزنگ ﺁستنیتی برای اتصال استفاده نمود. برای لایه‌های روکش که اغلب روی فولاد کربنی قرار می‌گیرند، عدد ۴۱۰ یک گزینه استاندارد برای پرکننده فلز است؛ اما صرف نظر از نوع کار، کلید موفقیت در جوشکاری با فلز پرکننده مارتنزیتی پیش گرمایش مناسب و خنک‌کاری آهسته پس از آن است
فولاد ضدزنگ فریتی
در کاربردهای اتومبیل بیشتر از فولاد ضدزنگ فریتی استفاده میشود. دو درجه رایج مورد استفاده در این رابطه ۴۰۹ و ۴۳۹ است. فولاد ضد زنگ فریتی معمولا دارای ضخامت یک چهارم اینچ یا کمتر است؛ بنابراین اکثر جوشکاری‌ها با این فلز در یک پاس انجام میشود. این ویژگی خوبی است؛ زیرا عملیات جوشکاری فولاد ضدزنگ فریتی با ورودی حرارتی پایین موفقیت‌آمیزتر و حداکثر دمای بین‌پاسی ۳۰۰ درجه فارنهایت است.
اگر طبق این دستورات عمل نکنید، به زودی ﺁن را خواهید فهمید. در گرمای زیاد، ذرات سازنده ماده رشد می‌کند و به سرعت قدرت خود را از دست می‌دهند. در کاربردهای کمتر متداول جوشکاری ضد زنگ فریتی ضخیم‌تر، با دقت حرارت ورودی را محدود کنید. به علاوه، توجه کنید درجه مواد پرکننده را با درجه فلز پایه مطابقت داشته باشید تا عملیات جوشکاری شما به خوبی صورت گیرد.
فولاد ضد زنگ دوپلکس
به‌دلیل پیچیدگی زیاد ترکیب شیمیایی فلز، حرارت بیش از حد بر فولادهای ضدزنگ دوپلکس تاثیر منفی می‌گذارد. به خاطر داشته باشید، فولاد ضدزنگ دوپلکس دربردارنده هر دو نوع فولاد ﺁستنیتی و فریتی ضد زنگ است که این امر انتخاب فلز پرکننده را کمی دشوار تر می‌سازد. بسیاری از فلزات ضدزنگ دوپلکس قابل استفاده به‌عنوان فلز پرکننده نیستند. این امر تا حد زیادی به این دلیل است که فلز پرکننده، سریع‌تر از فلز پایه خنک میشود. مطابقت شیمیایی موجب میشود تا جوش دارای مقاومت و خواص مواد مشابه فلز پایه باشد.
به عنوان نمونه فلز پایه ۲۲۰۵، فلزی دوپلکس است که دارای مقداری فلز نیکل است. فلز پرکننده مورد استفاده ۲۲۰۹ خواهد بود، زیرا جوشکاری با مقادیر مشابه فریت و آستنیت به عنوان فلز پایه صورت می‌گیرد. مثال دیگر فلز پایه ۲۵۰۷ است که با فلز پرکننده ۲۵۹۴ جوش داده میشود.
قطعات جوشکاری شده عموما نیازمند توصیفی از روند جوشکاری هستند، از جمله جوش ﺁزمایشی و تاییدیه‌ای که جزئیات چگونگی ایجاد جوش را توضیح می‌دهند. در روند انجام عملیات نه تنها نوع فلز پرکننده بلکه هر گونه پیش‌گرمایش و دمای بین پاسی نیز باید با جزئیات شرح داده شود. با این حال، زمانی که در حال جوش دادن یک پروژه با استفاده از فولاد ضد زنگ دوپلکس هستید، ممکن است در انتخاب فلز پرکننده نیاز به راهنمایی داشته باشید.
جوشکاری ترکیبی یا فلز پایه ناشناخته
گاه لازم است که فلزات غیرمشابه یا فلزات پایه ناشناخته‌ای مثلا در جوشکاری تعمیرات به کار گیرید. خوشبختانه، با کمک علم شیمی فلزات پرکننده ساخته شده است که برای چنین موقعیت هایی طراحی شده‌اند. برای مثال، غیرمعمول نیست که بخواهیم فولاد ضدزنگ ۳۰۴ و فولاد کربنی را جوش دهیم. در این صورت، ماده پرکننده ۳۰۹ را در نظر بگیرید که احتمالا انتخاب خوبی برای فلزات غیرمشابه تا دمای حدود ۷۵۰ درجه فارنهایت است.
اگر از ترکیب فلز پایه مطمئن نیستید، یکی از الکترودهایی را به‌ویژه برای تعمیرات ساخته شده مانند الکترود ضدزنگ ۳۱۲ در نظر بگیرید. این الکترودهای جوش با نام‌های مختلف تجاری و با قابلیت سازگاری در همه‌جا، از لحاظ شیمیایی دارای استحکام بالا، مقاومت به خوردگی و شکل‌پذیری خوبی دارند. همچنین با اکثر انواع فلزات پایه سازگار هستند و حقیقت این است که ۳۱۲ الکترود و سایر موارد مشابه دارای این ویژگی‌ها هستند. از جوانب منفی آنها میتوان به هزینه سه تا چهار برابری مقدار استاندارد جوشکاری قوسی با گاز (GMAW) اشاره نمود. به هر حال وقتی عملکرد و موفقیت مهم باشد، ارزش هزینه کردن دارد.
هنگام جوشکاری فولاد ضدزنگ، به یاد داشته باشید که ابتدا به‌دنبال فلز پرکننده‌ای همانند فلز پایه باشید. اگر در یافتن یک مورد مشابه با مشکل مواجه شدید، با شرکت جوشکاری موردنظر مشورت کنید تا مواد مناسب را بیابید. وقتی سوالاتی در مورد ترکیب فلز پایه وجود دارد، هنوز باید اطمینان حاصل کنید که توانایی ایجاد جوش خوب را دارید و آگاه باشد که الکترودهای تعمیر تخصصی موجود به شما در انجام صحیح کار کمک میکنند.
بررسی درجه حرارت مواد و جوش
هنگامی که یک فولاد ضدزنگ جوشکاری می‌کنید، مهم است که دمای فلز جوش و فلز پایه را تحت نظر داشته باشید. اگر قادر نباشید محدوده دمایی مشخص شده را حفظ نمانید، احتمالا با مشکلات عملکردی روبرو خواهید شد. در جوشکاری، سه راه برای بررسی دمای فولاد در حال جوش وجود دارد: میله‌های نشان دهنده درجه حرارت بهترین عملکرد را در تعیین دقیق دما دارند. با این حال، دامنه دمایی محدودی دارند و برای هر دمای هدف به میله‌های مختلفی نیاز است.
دماسنج‌های مادون قرمز الکترونیکی دمای سطح فولاد را به سرعت و از فاصله دور دریافت میکنند. این دماسنج‌ها نیاز به یک مسیر دید شفاف دارند که معمولا آنقدر موضوع مهمی نیست. سطوح براق و سایر شرایط مرتبط با نور می‌تواند منجر به خوانش نادرست شود، همانطور که ممکن است در فاصله‌ای دور از سطح تغییر کند؛ اما بیشتر افرادی که از این نوع دستگاه استفاده میکنند با طرز کار آن و این مسائل به‌خوبی آشنا هستند.
کاوشگرهای دمای سطح الکترونی سومین ابزار برای پایش دما مورد استفاده قرار می‌گیرند. ﺁنها دارای دستههایی با طول مختلف هستند که در تماس با فلز قرار می‌گیرد. بعضی از ﺁنها را میتوان روی قطعه کار نصب نمود. این ابزار ساختاری مطلوب در حین انجام یک جوش ﺁزمایشی است زیرا به شما امکان می‌دهد دما را به‌طور مداوم کنترل کنید و حتی نمودار دمای فلز را در حین جوشکاری چاپ کنید.