بخشی از مقاله
در این پژوهش، خواص مکانیکی اتصال غیر مشابه فولاد زنگ نزن آستنیتی AISI 316L و فولاد کم آلیاژ استحکام بالاي API X70 به روش جوشکاري قوسی تنگستن گاز و با استفاده از دو فلز پرکننده ER316L و ER309L مورد مطالعه قرار گرفته است. براي ارزیابی خواص مکانیکی، آزمون کشش طبق استاندارد ASTM E8، آزمون ضربه طبق استاندارد ASTM E23 و همچنین آزمون سختیسنجی و ریزسختیسنجی انجام شد. نتایج نشان داد که نمونههاي جوشکاري شده با فلز جوش 309L داراي استحکام نهایی و استحکام تسلیم بالاتري نسبت به نمونههاي جوشکاري شده با فلز جوش 316L میباشد. در حالی که انرژي ضربه نمونه جوشکاري شده با فلز پرکننده 316L بیشتر از انرژي ضربه نمونه جوشکاري شده با فلز پرکننده 309L است که ناشی از میزان آستنیت بالاتر فلز پرکننده 316L بوده و سختی فلز پرکننده 309L نیز بیشتر از سختی فلز پرکننده 316L میباشد.
مقدمه
فولادهاي زنگ نزن از وسیعترین آلیاژهاي ویژهاي هستند که اغلب براي مقاومت در برابر خوردگی توسعه یافتهاند. فولادهاي زنگ نزن آستنیتی بزرگترین گروه فولادهاي زنگ نزن هستند و فولاد 316 و 304 پرمصرف ترین فولادهاي زنگ نزن آستنیتی میباشند . این فولادها به طور کلی بسیار جوشپذیر تلقی میشوند ولی از جهت دیگر مشکلاتی از قبیل ترك گرم و پدیده حساس شدن در فلز جوش و ناحیه متاثر از حرارت در این فولادها به وجود میآید که براي حل مشکل استفاده از نوع کم کربن نظیر 316L و 304L در جوشکاري رواج پیدا کردهاست . فولادهاي کم آلیاژ استحکام بالا - HSLA - کاربرد گستردهاي از جمله کاربرد در خطوط انتقال نفت و گاز را دارا میباشند. دستیابی به راندمان انتقال بالا با ساخت لولههاي انتقال با استفاده از فولادهاي استحکام بالا که امکان استفاده از فشار کاري بالاتر و نرخ انتقال بالا را مهیا میسازند، امکانپذیر خواهد بود. جوشکاري غیرمشابه به دلیل منافع اقتصادي و همچنین استفاده کامل از عملکرد برجسته دو فلز مختلف مانند استحکام و مقاومت به خوردگی به طور گستردهاي در صنایع نفت و گاز استفاده میشود .
لابانفسکی ، با بررسی ریزساختاري و خوردگی اتصال غیرمشابه فولاد زنگ نزن آستتنیتی AISI 316L به فولاد زنگ نزن دوفازي 2205 با روش جوشکاري زیر پودري بیان کرد که حرارت ورودي تأثیر قابل ملاحظهاي بر روي خواص مکانیکی ندارد. مندوزا و همکارانش [5] با بررسی میکرو ساختار و خواص اتصال غیرمشابه فولاد زنگ نزن دوفازي 2507 و فولاد کم آلیاژ استحکام بالاي API-X52 با فلز پرکننده 2209 به روش GTAW نشان دادند در پاسهاي متفاوت ریزساختارهایی متفاوت در فلز جوش تشکیل میشود . آنها این اختلاف ریزساختاري را تفاوت سیکلهاي حرارتی در پاسهاي مختلف و بازگرمایش فلز پایه دانستند.
مواد و روش تحقیق
در این پروژه از ورق فولاد زنگ××نزن آستنیتی AISI 316L و ورق فولاد کم آلیاژ استحکام بالاي API 5L X70 به ابعاد 100 70 10mm به عنوان مواد اولیه استفاده شد. شماتیک طرح اتصال و مشخصات ابعادي آن در شکل 1 نشان داده شده است. براي جوشکاري نمونهها از فلز پرکننده زنگ نزن آستنیتی ER316L-16 و ER309L-16استفاده شد. ترکیب شیمیایی فلزات پایه و فلز پرکننده در جدول 1 آورده شده است. پارامترهاي جوشکاري در جدول 2 نشان داده شده است. به منظور تعیین درصد فازهاي فریت و آستنیت فلزات جوش و فلزات پایه، از دستگاه فریت اسکوپ مدل FMP30 ساخت شرکت Fischer روسیه استفاده گردید. ابعاد نمونه ي تست کشش طبق استاندارد ASTM E8 در نظر گرفته شد و آزمون کشش با استفاده از دستگاه کشش مدل Hounsfield انجام× شد.× براي انجام تست ضربه از هر نمونه جوشکاري، سه نمونه طبق استاندارد ASTM E23 با ابعاد 55 10 10 میلیمتر تهیه شد و آزمون ضربه با استفاده از دستگاه آزمون ضربه مدل wolpert انجام شد. همچنین آزمون سختیسنجی با بار 30 کیلوگرم و آزمون ریزسختی سنجی با بار 100 گرم و زمان 10 ثانیه و براي هر نمونه 3 مرتبه انجام شد. آزمون سختی سنجی با استفاده از دستگاه سختی سنج مدل leitz ساخت کشور آلمان انجام شد.
نتایج و بحث بررسی ریزساختار فلزات پایه و فلزات جوش
در شکل 2 تصاویر میکروسکوپ نوري از ریزساختار فولاد 316L و فولاد X70 نشان داده شدهاست. همانطور که مشاهده میشود، ریزساختار فولاد زنگ نزن 316L داراي زمینه کاملاً آستنیتی بوده و از دانههاي هم محور تشکیل شدهاست. همچنین دوقلوییهاي آنیل در سرتاسر ساختار به چشم میخورند. همچنین ریز ساختار فولاد X70 نشان میدهد که فولاد X70 داراي زمینه فریتی پرلیتی میباشد. مناطق روشن ساختار فریت و مناطق تیره رنگ پرلیت میباشد. شکلهاي 3 ریزساختار فلزات پرکننده 316L و 309L را نشان میدهد. با توجه به این شکلها و نتایج حاصل از دستگاه فریت اسکوپ مشاهده میشود که ریزساختار هر دو فلز پرکننده به صورت فریت اسکلتی در زمینه آستنیتی میباشد. با مقایسه ریزساختار فلز جوش ER316L و ER309L مشاهده میشود که مورفولوژي فریت اسکلتی در فلز جوش ER316L از پیوستگی کمتري نسبت به فلز جوش ER309L برخوردار است که علت آن میزان فریت دلتاي کمتر فلز جوش ER316L و تفاوت در نسبت Creq/Nieq دو فلز جوش میباشد.
بررسی خواص مکانیکی
نتایج آزمون کشش نشان میدهد که تمامی نمونهها از ناحیه متاثر از حرارت فولاد X70 شکسته شد. دلیل شکست نمونهها از ناحیه متاثر از حرارت فولاد X70 از بین رفتن نابجایی ها و نرم شدگی در ناحیه متاثر از حرارت میباشد که این عامل باعث افت شدید در استحکام میشود. جدول 3 تاثیر نوع فلز پرکننده را بر استحکام نهایی و تنش تسلیم نمونههاي جوشکاري شده نشان میدهد. مشاهده میشود که استحکام نهایی و استحکام تسلیم نمونههاي جوشکاري شده با فلز پرکننده ER309L در مقایسه با نمونههاي جوشکاري شده با فلز پرکننده ER316L بیشتر است. علت را میتوان به تفاوت مقادیر فریت دلتا در این دو فلز جوش نسبت داد. با توجه به نتایج حاصل از فریت اسکوپ که در
