بخشی از مقاله
بررسی تاثیر حرارت ورودی و فرآیند جوشکاری بر گسترش ناحیه متاثر از حرارت در اتصال غیر مشابه هستلوی به فولاد مقاوم به حرارت
چکیده
جوشکاری سوپرآلیاژها بویژه در حالت غیر مشابه به دلیل کاربرد گسترده ی آن ها در صنایع نفت و گاز از اهمیت بالایی برخوردار است. میزان حرارت ورودی و نوع فرآیند جوشکاری اثرات مهمی را بر ناحیه ی جوش و خواص اتصال دارند. در این پژوهش تاثیر میزان حرارت ورودی و نوع فرآیند جوشکاری بر ریزساختار نواحی مختلف جوش و گسترش ناحیه ی HAZ در اتصال غیر مشابه هستلوی به فولاد مقاوم به حرارت بررسی گردیده است. نمونه ای از دو آلیاژ تهیه و با سه حرارت ورودی مختلف و سیم جوش Inconel 28 به روش GTAW جوشکاری شدند. نمونه ی دیگری نیز توسط الکترود E Ni Cr Mo-3 و با روش SMAW جوشکاری شدند. سپس ریزساختار ناحیه جوش و منطقه HAZ و تغییرات آن توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی SEM مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش حرارت ورودی باعث درشت شدن دانه ها در ناحیه HAZ و گسترش آن گردید. نتایج همچنین نشان داد که با استفاده از روش SMAW ناحیه HAZ به میزان بیشتری گسترش یافت.
کلمات کلیدی: حرارت ورودی، فرآیند جوشکاری، ناحیه متاثر از حرارت، سوپرآلیاژ هستلوی، فولاد مقاوم به حرارت
مقدمه
سوپرآلیاژها فولادهای مقاوم به حرارتی هستند که در دمای بالای 540 درجه سانتیگراد استفاده میشوند و به 3 دسته ی پایه نیکل، پایه نیکل-کروم و پایه کبالت تقسیم میشوند. [1] این مواد در توربین های گازی ، صنایع پتروشیمی و مکان هایی که نیاز به مقاومت در برابر حرارت و خوردگی هست استفاده میشوند3]،.[1 از ویژگی سوپرآلیاژهای پایه نیکل استفاده از آن ها در کاربردهای تحمل بار در دمای %80 نقطه ذوب آن است که این ویژگی منحصر به فرد این سوپرآلیاژها را با اهمیت کرده است. این سوپرالیاژها به طور گسترده در قطعات صنعتی با کارکرد دمای بالا استفاده میشوند. بیش از %50 وزن موتور هواپیماهای پیشرفته را نیز تشکیل میدهند. [4] سوپرالیاژهای محلول جامد در شرایط انیل انحلالی جوشپذیری خوبی دارند. معمولا فلز پرکننده برای جوشکاری آلیاژهای محلول جامد به کار میرود. که این فلزات پرکننده اغلب الیاژهای آستنیتی یا فلزات پایه هستند. سوپرآلیاژ پایه نیکلی که در این تحقیق مورد استفاده قرار گرفته است Hastelloy X میباشد.Hastelloy سوپرالیاژ پایه نیکل محلول جامد است که وقتی به مدت زیاد در سرویس قرار بگیرد کاربید ها رسوب میکنند. این سوپرآلیاژها مقاومت بسیار خوبی در برابر اکسیداسیون تا دمای 1200 درجه سانتیگراد و استحکام خوب تا دمای 870 درجه سانتیگراد دارند .[5]
تولید فولادهای ریختگی مقاوم به حرارت به دلیل کاربرد وسیع انها در صنایع پتروشیمی ، سیمان، توربین های گازی ، کوره های عملیات حرارتی و... از اهمیت خاصی برخوردارند. این فولاد ها نیز عموما در دمای 650 درجه سانتیگراد کار میکنند و مفاومت خوبی در برابر ترک خوردن، تاب برداشتن ، خزش ، خستگی حرارتی، پیچیدگی و خوردگی در دمای بالا دارد این الیاژها به دلیل بالا بودن کروم در مقابل اکسید شدن، سایش و سولفیده شدن مقاومت خوبی دارند ضمن اینکه مقاومت آنها در مقابل شوکهای حرارتی و همچنین مقاومت به خزش به دلیل وجود نیکل ، بسیار بالاست.[6] جوش پذیری این فولادها و سوپرالیاژها به دلیل استفاده ی عظیم جوشکاری در تولید و تعمیر قطعات در دمای بالا مخصوصا در صنایع هوافضا ، توربین گاز و ... بسیار مهم شده اند. فولاد مورد استفاده فولاد مقاوم به حرارت 862 Cr – 122 Ni میباشد. این فولاد داکتیلیته و قابلیت جوشکاری مناسبی دارد.[7]
کاربردها و ویژگی های مشترک این دو فولاد از جمله استفاده در دمای بالا و همچنین کاربرد هردو در صنعت گاز و پتروشیمی، جوشکاری غیرهمجنس این دو فولاد را در صنعت پر اهمیت کرده است. جوشکاری غیر همجنس به خاطر تفاوتی که در خواص فیزیکی ، شیمیایی و متالورژیکی فلزهای پایه وجود دارد چالش برانگیزتر از جوشکاری همجنس است.[8] از این رو هدف از این تحقیق بررسی تاثیر حرارت ورودی و فرایند جوشکاری بر گسترش ناحیه متاثر از حرارت در اتصال غیر مشابه هستلوی به فولاد مقاوم به حرارت است. این دو فولاد را با روش های متداول جوشکاری SMAW و GTAW میتوان جوشکاری کرد. حرارت ورودی به فلز پایه به متغییرهای متعددی از جمله ولتاژ و شدت جریان جوشکاری، بازده منبع حرارتی، درجه حرارت قطعه قبل از جوشکاری، سرعت جوشکاری، هدایت حرارتی، ضخامت قطعه، نفوذ پذیری حرارتی، نحوه طراحی فلز پایه، چگالی، گرمای ویژه و درجه حرارت ذوب فلز پایه بستگی دارد.[9]
نمونه ای از دو آلیاژ تهیه و با سه حرارت ورودی مختلف و سیم جوش Inconel 28 به روش GTAW جوشکاری شدند. نمونه ی دیگری نیز توسط الکترود E Ni Cr Mo-3 و با روش SMAW جوشکاری شدند. سپس ریزساختار
ناحیه جوش و منطقه HAZ و تغییرات آن توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی SEM مجهز به آنالیز نقطه ای EDS مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش حرارت ورودی باعث درشت شدن دانه ها در ناحیه HAZ و گسترش آن گردید. نتایج همچنین نشان داد که با استفاده از روش SMAW ناحیه HAZ به میزان بیشتری گسترش یافت.
روش تحقیق
در این پژوهش از فولاد مقاوم به حرارت و سوپرآلیاژ hastelloy x که به مدت طولانی در دمای 850 درجه سانتی گراد به عنوان مخزن بخار کارکرده بود (پیر شده) استفاده شد. ترکیب شیمیایی دقیق هردو الیاژ که بوسیله ی XRF بدست آمد در جدول 1 آورده شده است. ترکیب شیمیایی فلزات پرکننده نیز در جدول 2 آورده شده است. تعدادی از دو الیاژ به صورت مکانیکی با پخ 30 درجه با ابعاد 82mm 42 1 تهیه گردید. ابتدا به وسیله ی جوشکاری قوسی تنگستنی با گاز محافظ ارگون خالص و با سیم جوش Inconel 28 و با سه جریان 55 A و 02 A و 25 A به صورت لب به لب با فاصله ی 1mm در حالت DCEN هستلوی به فولاد مقاوم به حرارت جوش داده شد. سپس قطعات دیگری با فرایند جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی با الکترود E NiCrMo 3 یه صورت لب به لب با فاصله 1mm جوشکاری شدند.
برای بدست آوردن خواص مکانیکی بهینه از جریان مستقیم استفاده شد. [4 ] جزئیات جوشکاری در جدول 3 قرار دارد.
نمونه های مناسبی با ابعاد 15 32 1 از قطعات جوش خورده به منظور متالوگرافی جدا شدند به صورتی که هم فلزات پایه و هم فلز جوش را در بر داشتند. نمونه ها با سنباده های مناسب سنباده زنی شدند و سپس پرداخت نهایی با الومینا صورت گرفت. اچ بوسیله محلول ماربل به مدت 15 ثانیه انجام شد .به منظور بررسی و تحلیل ناحیه HAZ از میکروسکوپ نوری و الکترونی مجهز به آنالیز نقطه ای استفاده شد.
نتایج و بحث:
شکل (1 ) ریزساختار فلزات پایه را در شرایط مختلف نشان میدهد. شکل -1)الف) نشان میدهد که ریزساختار فولاد مقاوم به حرارت دارای زمینه ی استنیتی همراه با شبکه پیوسته ای از رسوبات مختلف در مرزدانه ورسوباتی در درون دانه است. این رسوبات به وسیله ی انالیز نقطه ای EDS مورد بررسی قرار گرفت که نشان داد این رسوبات کاربید های کروم میباشند. این انالیز در شکل (2) به همراه تصویر میکروسکوپ الکترونی آمده است. در نزدیکی های خط ذوب در ناحیه ی متاثر از حرارت شاهد رسوبات مربعی شکل و بزرگی در فولاد مقاوم به حرارت هستیم . EDS و عکس میکروسکوپی این رسوبات در شکل (3) آورده شده است. آنالیز نقطه ای حکایت از وجود پیک های شدید تیتانیوم و نیتروژن دارد که نشان میدهد این رسوب نیترید تیتانیوم است. از آنجایی که در سیم جوش مقداری تیتانیوم وجود دارد این تیتانیوم در ناحیه متاثر از حرارت میتواند از فلز جوش در حرارت های بالا به ناحیه HAZ نفوذ کرده و تشکیل نیترید تیتانیوم را بدهد. شکل -1) ب) ریزساختار سوپرالیاژ هستلوی پیر شده را نشان میدهد که مملو از رسوبات مختلف هم در دانه استنیتی و هم در مرزدانه است. این رسوبات کاربیدهای M23C6 و M6C هستند11]و[12 که در شکل -1) ج) این رسوبات با میکروسکوپ الکترونی روبشی نمایش داده شده است که شامل دو نوع رسوب میباشد.یکی رسوبات بزرگ و ریز مکعبی که هم در درون دانه و هم در مرزدانه سفیدرنگ دیده میشوند و دیگری رسوبات نامنظم و کوچک که انها نیز هم در مرز و هم در درون دانه وجود دارند. انالیز نقطه ای EDS نیز وجود کاربیدهای مولیبدن را که دارای شدیدترین پیک میباشد تایید میکند که این انالیز در شکل (4) امده است.
