چالش های جوشکاری فولاد ULC چیست؟

به عنوان تامین کننده فولاد بسیار کم کربن (ULC)، من از نزدیک شاهد چالش های منحصر به فرد جوشکاری این ماده تخصصی بوده ام. فولاد ULC که به دلیل محتوای کربن بسیار کم خود شناخته شده است، چندین مزیت مانند شکل پذیری بالا، شکل پذیری عالی و جوش پذیری خوب در تئوری را ارائه می دهد. با این حال، در کاربردهای عملی، جوشکاری فولاد ULC مجموعه ای از موانع را ارائه می دهد که باید به دقت مورد توجه قرار گیرد.

1. تشکیل تخلخل

یکی از رایج ترین چالش ها در جوشکاری فولاد ULC، تشکیل تخلخل است. تخلخل به وجود سوراخ ها یا حفره های کوچک در فلز جوش اشاره دارد. در فولاد ULC، این موضوع اغلب با وجود ناخالصی ها و حساسیت زیاد به گیر افتادن گاز در طول فرآیند جوشکاری تشدید می شود.

محتوای کربن پایین در فولاد ULC به این معنی است که حلالیت نسبتاً بالایی از گازها مانند هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن در دماهای بالا دارد. در طی فرآیند جوشکاری، این گازها می توانند از محیط اطراف جذب شوند یا از فلز پایه و مواد پرکننده آزاد شوند. با سرد شدن و جامد شدن حوضچه جوش، حلالیت این گازها کاهش می یابد و در نتیجه حباب هایی تشکیل می شود که در فلز جوش به دام می افتد و در نتیجه تخلخل ایجاد می شود.

برای کاهش تشکیل تخلخل، انتخاب مناسب گاز محافظ بسیار مهم است. گازهای محافظ، مانند آرگون یا مخلوطی از آرگون و دی اکسید کربن، می توانند به محافظت از حوضچه جوش در برابر آلودگی جوی و کاهش احتمال گیر افتادن گاز کمک کنند. علاوه بر این، تمیز کردن کامل فلز پایه و مواد پرکننده قبل از جوشکاری می‌تواند آلاینده‌های سطحی را که ممکن است در طی فرآیند جوشکاری گاز آزاد کنند، حذف کند. پیش گرم کردن فلز پایه همچنین می تواند به کاهش سرعت خنک شدن حوضچه جوش کمک کند و زمان بیشتری را برای خروج گازها قبل از انجماد فراهم کند.

2. نرم شدن منطقه متاثر از حرارت (HAZ).

چالش مهم دیگر در جوشکاری فولاد ULC، نرم شدن ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) است. HAZ ناحیه ای از فلز پایه است که تحت تأثیر گرمای فرآیند جوشکاری قرار می گیرد اما ذوب نمی شود. در فولاد ULC، HAZ می تواند کاهش قابل توجهی در سختی و استحکام به دلیل تغییرات ریزساختاری که در طول گرمایش و سرمایش رخ می دهد، تجربه کند.

محتوای کربن پایین در فولاد ULC باعث می شود در مقایسه با فولادهای کربن بالاتر، کمتر مستعد سخت شدن در حین جوشکاری باشد. با این حال، چرخه های گرمایش و سرمایش سریع در طول فرآیند جوشکاری همچنان می تواند باعث تشکیل ریزساختارهای فریت و پرلیت نرم در HAZ شود که منجر به کاهش سختی و استحکام می شود. این می تواند تأثیر مضری بر خواص مکانیکی اتصال جوش داده شود، به ویژه در کاربردهایی که به استحکام و چقرمگی بالا نیاز است.

برای به حداقل رساندن نرم شدن HAZ، کنترل پارامترهای جوشکاری مانند جریان جوش، ولتاژ و سرعت حرکت بسیار مهم است. استفاده از ورودی گرمای کمتر می تواند اندازه HAZ را کاهش دهد و میزان تغییرات ریزساختاری را به حداقل برساند. عملیات حرارتی پس از جوش، مانند بازپخت یا نرمال کردن، همچنین می تواند برای بازیابی سختی و استحکام HAZ استفاده شود. با این حال، این فرآیندهای عملیات حرارتی باید به دقت کنترل شوند تا از گرم شدن بیش از حد فلز پایه و ایجاد آسیب بیشتر جلوگیری شود.

3. ترک خوردگی فلزات جوش

ترک خوردگی فلز جوش یکی دیگر از چالش های مهم در جوشکاری فولاد ULC است. ترک می تواند در خود فلز جوش یا در HAZ رخ دهد و می تواند به طور قابل توجهی یکپارچگی و عملکرد اتصال جوش داده شده را به خطر بیندازد. انواع مختلفی از ترک خوردگی فلز جوش می تواند در فولاد ULC رخ دهد، از جمله ترک خوردگی گرم، ترک سرد و پارگی لایه ای.

ترک داغ که به عنوان ترک انجماد نیز شناخته می شود، در حین انجماد حوضچه جوش رخ می دهد. این به دلیل جدا شدن ناخالصی ها مانند گوگرد و فسفر در مرزهای دانه فلز جوش جامد کننده ایجاد می شود. این ناخالصی‌ها می‌توانند ترکیباتی با نقطه ذوب پایین ایجاد کنند که مرزهای دانه‌ها را ضعیف کرده و آن‌ها را تحت تنش‌های ایجاد شده در طول انجماد مستعد ترک‌خوردگی می‌کنند. برای جلوگیری از ترک داغ، استفاده از مواد پرکننده با محتوای ناخالصی کم و کنترل پارامترهای جوشکاری برای اطمینان از یک حوضچه جوش صاف و پایدار مهم است.

ترک سرد که به عنوان ترک ناشی از هیدروژن نیز شناخته می شود، پس از سرد شدن جوش تا دمای اتاق رخ می دهد. این به دلیل وجود هیدروژن در فلز جوش و تنش های پسماند ایجاد شده در طول فرآیند جوشکاری است. هیدروژن را می توان از گاز محافظ، فلز پایه یا ماده پرکننده به فلز جوش وارد کرد. برای جلوگیری از ترک سرد، استفاده از فرآیندهای جوشکاری کم هیدروژن و مواد پرکننده و کنترل رطوبت فلز پایه و مواد پرکننده مهم است. پیش گرم کردن فلز پایه و عملیات حرارتی پس از جوش نیز می تواند به کاهش محتوای هیدروژن در فلز جوش و کاهش تنش های پسماند کمک کند.

پارگی لایه ای نوعی ترک خوردگی است که در فلز پایه، معمولاً در HAZ، رخ می دهد و موازی با جهت نورد فولاد است. این به دلیل وجود آخالهای غیر فلزی مانند سولفیدها و اکسیدها در فلز پایه ایجاد می شود. این آخال ها می توانند به عنوان متمرکز کننده تنش عمل کرده و تحت تنش های ایجاد شده در طی فرآیند جوشکاری شروع به ترک کنند. برای جلوگیری از پارگی لایه، مهم است که از فولاد با محتوای درگیری کم و کنترل پارامترهای جوشکاری برای به حداقل رساندن غلظت تنش در HAZ استفاده شود.

4. قابلیت جوشکاری فلزات غیر مشابه

در بسیاری از کاربردها، فولاد ULC ممکن است نیاز به جوشکاری به فلزات دیگر مانند فولاد ضد زنگ یا آلومینیوم داشته باشد. جوشکاری فلزات غیرمشابه به دلیل تفاوت در خواص فیزیکی و شیمیایی آنها، مانند نقطه ذوب، ضریب انبساط حرارتی و ترکیب شیمیایی، چالش های بیشتری را به همراه دارد.

یکی از چالش های اصلی در جوشکاری فلزات غیر مشابه، تشکیل ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک جوش است. این ترکیبات بین فلزی می توانند خواص مکانیکی ضعیفی داشته باشند و باعث ایجاد ترک و خوردگی در اتصال جوش شده شوند. برای جلوگیری از تشکیل ترکیبات بین فلزی، انتخاب مواد پرکننده مناسب و فرآیند جوشکاری مهم است. به عنوان مثال، هنگام جوشکاری فولاد ULC به فولاد ضد زنگ، می توان از ماده پرکننده با ترکیبی که با هر دو فلز سازگار است استفاده کرد تا تشکیل ترکیبات بین فلزی را به حداقل برساند.

چالش دیگر در جوشکاری فلزات غیر مشابه، تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی است. این می تواند باعث ایجاد تنش های پسماند قابل توجهی در اتصال جوش شده شود که می تواند منجر به ترک و اعوجاج شود. برای به حداقل رساندن تنش های پسماند، کنترل پارامترهای جوشکاری و استفاده از روش های مناسب پیش گرمایش و عملیات حرارتی پس از جوشکاری بسیار مهم است.

5. آلودگی سطحی

آلودگی سطحی عامل دیگری است که می تواند جوش پذیری فولاد ULC را تحت تأثیر قرار دهد. آلاینده هایی مانند روغن، گریس، زنگ و رنگ می توانند از همجوشی مناسب بین فلز پایه و ماده پرکننده جلوگیری کنند و همچنین می توانند ناخالصی هایی را به فلز جوش وارد کنند که منجر به تخلخل، ترک خوردگی و سایر عیوب شود.

برای اطمینان از جوش پذیری خوب، مهم است که سطح فلز پایه و مواد پرکننده را قبل از جوشکاری به طور کامل تمیز کنید. این کار را می توان با استفاده از روش های تمیز کردن مکانیکی، مانند آسیاب کردن یا سندبلاست، یا روش های تمیز کردن شیمیایی، مانند چربی زدایی یا ترشی انجام داد. علاوه بر این، نگهداری فلز پایه و مواد پرکننده در محیطی تمیز و خشک برای جلوگیری از آلودگی سطح بسیار مهم است.

نتیجه گیری

جوشکاری فولاد ULC مجموعه ای از چالش ها را ارائه می دهد که برای اطمینان از کیفیت و یکپارچگی اتصال جوش داده شده باید به دقت مورد توجه قرار گیرد. تشکیل تخلخل، نرم شدن HAZ، ترک خوردگی فلزات جوش، قابلیت جوشکاری فلزات غیرمشابه و آلودگی سطحی برخی از چالش های اصلی هستند که باید در نظر گرفته شوند. با درک این چالش ها و اجرای تکنیک های جوشکاری مناسب و اقدامات کنترل کیفیت، می توان بر این چالش ها غلبه کرد و در فولاد ULC جوش هایی با کیفیت تولید کرد.

اگر علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد فولاد ULC هستید یا در مورد فرآیند جوشکاری آن سؤالی دارید، لطفاً برای بحث بیشتر و فرصت های خرید احتمالی با ما تماس بگیرید. ما متعهد به ارائه محصولات ULC Steel با کیفیت بالا و پشتیبانی فنی برای رفع نیازهای خاص شما هستیم.

مراجع

• AWS D1.1/D1.1M:2020، کد جوش سازه - فولاد
• کد دیگ بخار و مخزن تحت فشار ASME، بخش نهم، شرایط جوش و لحیم کاری
• کتاب راهنمای جوشکاری، جلد 1: علوم و فناوری جوشکاری، انجمن جوشکاری آمریکا