ترک انجماد در جوش‌های فولاد ضد زنگ کاملا آستنیتی: کنترل عدد فریت - دانش

به طور کاملفولاد ضد زنگ آستنیتیجوش ها در حین انجماد ترک می خورند زیرا بدون وجود مقدار کمی دلتا فریت، ناخالصی های گوگرد و فسفر ذوب کم-در امتداد مرزهای دانه های در حال انجماد به لایه های مایع نازک جدا می شوند و تحت تنش خنک کننده از هم جدا می شوند. کنترل استاندارد صنعت، هدف قرار دادن عدد فریت (FN) تقریباً 3 تا 10 با استفاده از نمودار WRC-1992 است - فریت کافی برای به دام انداختن این ناخالصی ها، اما نه آنقدر که مقاومت در برابر خوردگی را کاهش دهد یا فاز سیگما شکننده را در سرویس ارتقا دهد.

Solidification Cracking in Fully Austenitic Stainless Steel Welds

جوش‌های فولاد زنگ نزن آستنیتی - 304، 316، و انواع مختلف آن‌ها - از رایج‌ترین مواد جوش‌کاری شده در صنعت هستند و اکثر آنها جوشکاری را به خوبی تحمل می‌کنند. اما زیرمجموعه خاصی از کاربردها، از مخازن برودتی گرفته تا گریدهای کاملا آستنیتی مانند 310 و 330، ویژگی خاصی را که معمولاً از این جوش ها در برابر ترک محافظت می کند حذف می کند: فریت دلتا. این مقاله مکانیسم پشت ترک خوردگی انجماد را توضیح می‌دهد، چرا عدد فریت اهرم اصلی برای کنترل آن است، و وقتی برنامه واقعاً نمی‌تواند فریت را تحمل کند که در غیر این صورت مشکل را حل می‌کند، چه باید کرد.

ترک خوردن انجماد زمانی اتفاق می‌افتد که ناخالصی‌های گوگرد و فسفر باقی‌مانده به لایه‌های مایع نازک{0} با ذوب کم در امتداد مرزهای دانه‌های در حال انجماد جدا می‌شوند و تنش خنک‌کننده قبل از اینکه بتوانند کاملاً جامد شوند، مرزهای ضعیف- را از هم جدا می‌کند.

وقتی فلز جوش از مایع به جامد سرد می‌شود، به یکباره جامد نمی‌شود - دانه‌ها شکل می‌گیرند و رشد می‌کنند، و ناخالصی‌های باقی‌مانده که در ساختار کریستالی قرار نمی‌گیرند، جلوتر از جبهه جامد پیش‌رونده رانده می‌شوند. گوگرد و فسفر متخلفان اصلی هستند: هر دو با عناصر ماتریکس ترکیب می‌شوند تا ترکیباتی با نقطه ذوب پایین‌تر از فلز اطراف ایجاد کنند، و هر دو به راحتی تا آخرین--منطقه‌ای در مرز دانه‌ها منجمد می‌شوند.

همانطور که جوش به خنک شدن و انقباض ادامه می دهد، در سراسر آن مرزها تنش کششی ایجاد می کند. اگر یک لایه مایع نازک از این ناخالصی‌های کم ذوب-هنوز در هنگام رسیدن آن تنش وجود داشته باشد، مرز اساساً قدرتی برای مقاومت در برابر آن ندارد و پاره می‌شود و یک ترک انجماد ایجاد می‌کند، گاهی اوقات روی سطح قابل مشاهده است، گاهی اوقات در داخل جوش مدفون می‌شود.

عدد فریت (FN) یک شاخص استاندارد شده و مغناطیسی اندازه‌گیری شده از میزان دلتا فریت در فلز جوش آستنیتی است و این فریت اهمیت دارد زیرا گوگرد و فسفر را بسیار راحت‌تر از آستنیت حل می‌کند و از تمرکز آن ناخالصی‌ها در لایه‌های ترک{0}مایع جلوگیری می‌کند.

What Is Ferrite Number and Why Does a Small Amount of Ferrite Prevent Cracking

دلتا فریت در حل کردن فسفر و گوگرد مفید است، ناخالصی‌های ذوب کم-که در غیر این صورت در طول انجماد جدا می‌شوند و منجر به ترک خوردن در طول جوشکاری‌های بعدی می‌شوند. فریت دارای حد حلالیت بالاتری برای این عناصر نسبت به آستنیت است، بنابراین هنگامی که یک جوش با وجود مقدار کمی فریت جامد می شود، آن فریت به جای اینکه اجازه دهد آنها را در لایه های مایع نازک در مرز دانه ها متمرکز کند، به عنوان یک سینک - جذب گوگرد و فسفر در محلول جامد عمل می کند.

همچنین اعتقاد بر این است که فریت به عنوان یک اتصال دهنده فیزیکی بین ستون های دندریت آستنیتی جامد عمل می کند. با وجود فریت بسیار کم، آن ستون‌های دندریتی موازی می‌توانند در طول خود به صورت شکاف باز شوند. از آنجایی که FN با ابزارهای مغناطیسی استاندارد اندازه‌گیری می‌شود و در مقیاس بین‌المللی شناخته شده گزارش می‌شود، به‌جای تکیه بر حس کیفی «کافی» فریت، به مهندسان جوش یک عدد عملی و قابل تکرار برای هدف - می‌دهد.

عمل صنعت عموماً FN را در محدوده تقریباً 3 تا 10 برای گریدهای آستنیتی استاندارد مانند 308، 308L، 309 و 316 - هدف قرار می‌دهد تا به اندازه کافی در برابر ترک‌خوردگی انجماد مقاومت کند، بدون اینکه مشکلات خوردگی یا شکنندگی ناشی از فریت اضافی ایجاد شود.

این محدوده دلخواه نیست: نشان دهنده نقطه تعادل بین دو ریسک رقیب است. در زیر تقریباً 3 FN، معمولاً فریت کافی در سطح ثابت و قابل پیش‌بینی در سرتاسر جوش وجود ندارد تا مقاومت در برابر ترک - تغییر در سرعت سرد شدن، رقیق‌سازی، یا تغییرات شیمیایی جزئی را تضمین کند که می‌تواند مناطق جدا شده جوش را به سمت فریت صفر سوق دهد، حتی زمانی که هدف روی کاغذ به نظر می‌رسد.

در بالای 10 FN، مشکلات دیگری شروع به ظهور می کنند که در زیر با جزئیات بیشتر پوشش داده شده است. برای فلزات پایه کاملا آستنیتی با محتوای گوگرد و فسفر غیرمعمول کم و فلز پرکننده با ناخالصی کم، گاهی اوقات جوشکاری خارج از این محدوده - با موفقیت انجام می شود، اما این نیاز به شیمی مهندسی شده عمدی دارد، نه تمرین استاندارد.

این نمودارهای ساختاری معادل کروم جوش را در برابر معادل نیکل آن ترسیم می‌کنند تا هم محتوای فریت حاصل و هم حالت انجماد را پیش‌بینی کنند، با نمودار WRC-1992 که اکنون به عنوان دقیق‌ترین و رایج‌ترین نسخه در نظر گرفته می‌شود.

How Do the Schaeffler DeLong and WRC-1992 Diagrams Predict Ferrite Content

هر سه نمودار بر اساس یک اصل اساسی کار می کنند: برخی از عناصر آلیاژی مانند کروم در تقویت فریت (خود کروم، مولیبدن، نیوبیم، سیلیکون) رفتار می کنند، در حالی که برخی دیگر مانند نیکل در ترویج آستنیت (نیکل، کربن، نیتروژن، منگنز، مس) رفتار می کنند. با ترکیب ترکیب واقعی یک فلز جوش در یک مقدار کروم-معادل (Creq) و نیکل-معادل (Nieq) و رسم نسبت، این نمودارها هم محتوای دلتا فریت حاصل را پیش‌بینی می‌کنند و هم - به طور بحرانی - حالت جامد را پیش‌بینی می‌کنند.

نمودار WRC{1}}1992 با افزودن ضریب مس در محاسبه معادل نیکل{1}}1992 نسبت به پیشینیان خود بهبود یافت، و گرایش نمودار WRC-1988 قبلی برای بیش از حد تخمین زدن FN در فلزات جوش حاوی مس را تصحیح کرد، و اعتبار سنجی فلزات برتر را در مقایسه با فلزات بیش از 2 مورد تأیید قرار داد. نمودارهای قدیمی تر شفلر و دلانگ.

نمودار	مشخصه کلیدی	بهترین حالت استفاده
شافلر (1949)	نمودار قانون اساسی اصلی؛ فرمول های هم ارزی ساده تر	مرجع تاریخی؛ برآورد کلی
دلانگ (1956)	تصفیه شده برای فلزات جوش آستنیتی؛ نیتروژن را در خود جای داده است	دقت بهبود یافته برای نمرات رایج سری 300
WRC-1992	دقیق ترین؛ تصحیح بیش از حد مس. به طور گسترده ای از جمله توسط ASME پذیرفته شده است	استاندارد فعلی صنعت برای پیش بینی FN

جوشی که به عنوان فریت اولیه جامد می شود (حالت FA) ذاتاً در برابر ترک خوردگی بسیار مقاوم تر از جوشی است که به عنوان آستنیت اولیه (حالت AF) جامد می شود، حتی در یک محتوای فریت نهایی مشابه - زیرا توالی تشکیل فازها تعیین می کند که چگونه ناخالصی ها به طور مؤثری جاروب می شوند تا آخرین بار به مایع جامد در فریت منتقل شوند.

بیشتر جوش‌های فولاد زنگ نزن آستنیتی برای انجماد در حالت فریتی-آستنیتی (FA) طراحی شده‌اند: ابتدا فریت دلتا اولیه تشکیل می‌شود، سپس آستنیت از طریق تبدیل حالت جامد یا یوتکتیک{2}} شکل می‌گیرد. این توالی چیزی است که به فریت اجازه می دهد تا گوگرد و فسفر را در طول انجماد به طور موثری از بین ببرد. جایگزین، انجماد آستنیتی-فریتی (AF) یا کاملا آستنیتی (A) محافظت بسیار کمتری ارائه می‌کند، زیرا ناخالصی‌ها فاز فریتی در اوایل انجماد ندارند تا جذب شوند.

انتقال بین این حالت‌ها توسط نسبت Creq/Nieq کنترل می‌شود: نسبت زیر تقریباً 1.5 به سمت انجماد آستنیت اولیه می‌رود، در حالی که نسبت‌های بالاتر از این آستانه به سمت فریت اولیه تغییر می‌کنند، با مطالعات مختلف نقطه گذار دقیق برای فرآیندهای جوشکاری رایج از حدود 1.11 تا بسته به فرمول خاص مورد استفاده در محدوده 1.5 تا 90.

به همین دلیل است که دو جوش با یک FN اندازه‌گیری شده نهایی مشابه می‌توانند-مقاومت در برابر ترک خوردگی جهانی بسیار متفاوتی داشته باشند. نمودارها به طور خاص حالت انجماد را پیش‌بینی می‌کنند، زیرا حالت، نه فقط کمیت فریت نهایی، کنترل می‌کند که چگونه ناخالصی‌ها در طول پنجره آسیب‌پذیر انجماد کنترل می‌شوند.

برخی از سرویس‌های - رگ‌های برودتی که به حداکثر سختی-درجه حرارت پایین و درجه‌های کاملا آستنیتی نیاز دارند مانند 310، 320 و 330 که به هیچ وجه نمی‌توانند به‌طور قابل اعتمادی فریت تشکیل دهند - حاشیه ایمنی فریت را به‌طور کامل حذف می‌کنند، به همین دلیل است که این جوش‌ها به‌طور قابل‌توجهی به فرآیندهای کنترلی حساس‌تر و قابل‌توجهی نیاز دارند{6}. نسبت به جوش استاندارد 308/316.

What Happens When the Application Truly Requires Zero or Near-Zero Ferrite

برای{0}}سرویس دمایی برودتی،-قدرت ضربه در دمای پایین با افزایش محتوای فریت کاهش می‌یابد و یک تضاد مستقیم ایجاد می‌کند: فریتی که در برابر ترک مقاومت می‌کند، همچنین چقرمگی مورد نیاز برنامه را در دمای پایین کاهش می‌دهد، بنابراین این جوش‌ها برای دستیابی به مقاومت در برابر ترک کافی در کنار مقاومت در برابر ضربه ماکزیمم خوب{2} به یک FN نزدیک به تعادل نیاز دارند.

گریدهای پرکننده کاملا آستنیتی - 310، 320، و 330 - یک مورد حتی دشوارتر را ارائه می‌دهند: ترکیبات آنها ذاتاً به ترک-از اقوام مستحکم‌شده‌شان به فریت- حساس‌تر است و در نتیجه تمام مراحل جوشکاری و بازرسی نیاز به توجه بیشتری دارد. برای این گریدها، روش پذیرفته شده جبران از طریق شیمی فلز پرکننده و نظم فرآیندی به جای محتوای فریت است: استفاده از فلز پرکننده با گوگرد و فسفر کم و افزایش محتوای منگنز، زیرا منگنز به اتصال گوگرد و کاهش اثر تردی آن حتی بدون وجود فریت برای انجام همان کار کمک می کند.

بله - یک رابطه مستقیم و مستند بین محتوای ترکیبی فسفر-به علاوه-فسفر و حساسیت ترک، مستقل از سطح فریت وجود دارد، به این معنی که اگر محتوای ناخالصی به اندازه کافی زیاد باشد، جوش با FN کافی همچنان می‌تواند ترک بخورد.

تحقیقاتی که به طور خاص جوشکاری خودزا فولاد ضد زنگ نوع 309 را بررسی می‌کند، رابطه واضحی بین مجموع محتوای فسفر و گوگرد، سطح فریت در فلز جوش و حساسیت به ترک حاصل را شناسایی کرد. مفهوم عملی این است که کنترل فریت و کنترل ناخالصی دو اهرم مجزا هستند که هر دو باید کشیده شوند، نه اینکه یکی جایگزین دیگری شود: محدودیت‌های شدید کربن، فسفر و گوگرد هم در مواد پایه و هم در مواد مصرفی جوش، حتی در جوش‌هایی با FN کافی ضروری باقی می‌مانند، و دو مورد که بیشترین استفاده را دارند - 310 دارای درجه‌بندی{3}} هستند. مواردی که کنترل ناخالصی باید حاشیه فریت را که به طور قابل اعتمادی در دسترس نیست، جبران کند.

بله - بالای تقریباً 10 FN، فریت اضافی خطر تشکیل فاز سیگما را در{2}}سرویس دمای بالا افزایش می‌دهد و در گریدهای مولیبدن- مانند 316، محتوای فریت بالاتر می‌تواند به طور معنی‌داری مقاومت خوردگی را در محیط‌های اکسیدکننده داغ کاهش دهد.

خطر فاز سیگما: بالاتر از حدود 10 FN، خطر فریت - وجود دارد که کروم را در محلول جامد نگه می دارد - زمانی که دمای سرویس در محدوده تقریباً 1000-1650 درجه فارنهایت (540-900 درجه) کاهش می یابد، به فاز سیگما شکننده تبدیل می شود، و در برخی از فازهای جوشی چند پاسی، به تنهایی باعث تولید گرمای سیگما می شود. جوش‌های-فریت بالا بدون قرار گرفتن در معرض دمای بالاتر{8} جداگانه.

مقاومت در برابر خوردگی در مولیبدن-درجات بلبرینگ: در گریدهای مولیبدن-مثل 316 و 317، محتوای فریت بالاتر می‌تواند باعث کاهش عمده مقاومت به خوردگی در محیط‌های اکسیدکننده داغ، مانند سرویس اوره شود.

کاهش چقرمگی دمای پایین-: همانطور که قبلاً برای کاربردهای برودتی ذکر شد، با افزایش محتوای فریت، قدرت ضربه در دمای پایین کاهش می‌یابد و مستقیماً در برابر مقاومت در برابر ترک در آن شرایط خدمات خاص عمل می‌کند.

به همین دلیل است که کنترل FN به‌عنوان یک محدوده هدف به‌جای استراتژی حداکثرسازی «بیشتر، بهتر» ارائه می‌شود - عدد صحیح به درجه خاص، دمای سرویس و محیط خوردگی بستگی دارد، نه یک سقف یا کف جهانی.

برای گریدهای{0}}حساس به ترک و کم-فریت، محدودیت را به حداقل برسانید، ورودی گرما و دمای بین گذر را پایین نگه دارید، از خنک شدن کندتر در محدوده انجماد آسیب‌پذیر استفاده کنید، و عمداً از پروفیل‌های مهره‌های جوشی صاف و-که به خوبی شسته شده‌اند به نفع مهره‌های محدب و تاج‌دار بیشتر اجتناب کنید.

What Welding Practice Changes Reduce Cracking Risk in Low-Ferrite Grades

محدودیت مکانیکی را در طراحی و اتصالات اتصال به حداقل برسانید، زیرا ترک اساساً ناشی از تنش است که بر روی یک مرز ثابت-ضعیف و تا حدی منجمد شده است.

گرمای ورودی را پایین نگه دارید و دمای بین‌گذر را کنترل کنید - راهنمایی برای حساس‌ترین درجات ترک-به‌طور خاص توصیه می‌کند دمای بین‌گذر را کمتر از حدود ۲۱۰ درجه فارنهایت (۹۹ درجه) نگه دارید.

نمایه مهره جوش را عمداً کنترل کنید: مهره‌های صاف، مسطح، خوب شسته شده-در درجات حساس‌تر به ترک، راحت‌تر می‌ترکند، در حالی که پروفیل‌های مهره‌ای محدب‌تر و تاج‌دارتر در برابر ترک-مقاوم‌تر هستند، یک دستورالعمل عملی غیرمستند اما مستند{3}.

محتوای سیلیکون در فلز جوش را کنترل کنید، به ویژه در جوشکاری با قوس زیر آب، زیرا فلز جوش سیلیکونی بالا-در مقایسه با فلز جوش سیلیکونی کم-به ترک-مستعدتر است و جذب سیلیکون از شار جوشکاری باید در نظر گرفته شود.

شیمی فلز پرکننده را عمداً برای گریدهای کاملا آستنیتی - کم گوگرد و فسفر، منگنز بالا - انتخاب کنید نه اینکه بر پایه-فریت فلزی متکی باشید که این گریدها نمی توانند به طور قابل اعتماد ارائه کنند.

FN باید با یک ابزار اندازه‌گیری فریت مغناطیسی کالیبره‌شده در جوش‌های تولیدی یا کوپن‌های آزمایش نماینده تأیید شود،{0}}در برابر پیش‌بینی نمودار ساختاری مورد استفاده در مرحله صلاحیت فرآیند جوشکاری بررسی شود، زیرا FN واقعی اندازه‌گیری شده و نمودار{1}}FN پیش‌بینی‌شده می‌تواند با رقت‌سازی و فرآیند متغیر باشد.

ابزار اندازه گیری فریت مغناطیسی یک روش عملی و غیر مخرب برای تأیید FN واقعی در جوش های تکمیل شده ارائه می دهد، و این مقدار اندازه گیری شده چیزی است که در نهایت باید بر پذیرش - حاکم باشد نه فقط پیش بینی محاسبه شده از یک نمودار ساختاری. همچنین شایان ذکر است که FN همانطور که اندازه‌گیری می‌شود همیشه با درصد حجم واقعی فریت موجود برابر نیست: تقریباً در 8 تا 10 FN و پایین‌تر، FN تقریباً برابر است با میانگین درصد حجمی فریت دلتا در یک جوش، اما در مقادیر FN بالاتر، اندازه‌گیری می‌تواند به طور فزاینده‌ای بیش از حد واقعی را تخمین بزند، که یک دلیل دیگر برای اندازه‌گیری محدوده F3-10 FN است. خود قابل اعتمادترین و از نظر فیزیکی معنادار باقی می ماند.

چه عدد فریت به طور کلی برای جلوگیری از ترک خوردگی انجماد توصیه می شود؟

تقریباً 3 تا 10 FN برای گریدهای آستنیتی استاندارد مانند 308، 308L، 309، و 316، با استفاده از نمودار WRC-1992 محاسبه شده و بر روی جوش واقعی با یک ابزار فریت مغناطیسی مدرج شده تأیید شده است.

چرا گریدهای کاملا آستنیتی مانند 310 و 330 سخت تر برای جوشکاری کراک-آزاد هستند؟

ترکیبات آنها به طور قابل اعتمادی فریت دلتا را تشکیل نمی دهد که از اکثر جوش های آستنیتی در برابر ترک محافظت می کند، بنابراین مقاومت در برابر ترک باید از شیمی فلز پرکننده کاملاً کنترل شده - گوگرد و فسفر کم، افزایش منگنز - و روش جوشکاری منظم به جای محتوای فریت ناشی شود.

آیا جوش می تواند ترک بخورد حتی اگر عدد فریت آن در محدوده توصیه شده باشد؟

بله، اگر میزان گوگرد و فسفر به اندازه کافی زیاد باشد. کنترل فریت و کنترل ناخالصی عوامل جداگانه ای هستند که هر دو باید مدیریت شوند. FN کافی خطر ترک ناشی از ناخالصی های بیش از حد باقیمانده را کاهش می دهد اما از بین نمی برد.

آیا فریت بیشتر همیشه برای جوش های فولاد زنگ نزن آستنیتی ایمن تر است؟

خیر. بیش از حدود 10 FN، جوش‌ها در خدمات دمای بالا به فاز سیگما حساس‌تر می‌شوند و در درجه‌های مولیبدن-، فریت بالاتر می‌تواند مقاومت به خوردگی را در محیط‌های اکسیدکننده داغ کاهش دهد، بنابراین FN به عنوان یک محدوده هدف مدیریت می‌شود، نه حداکثر.

کدام نمودار ساختاری برای پیش بینی عدد فریت دقیق ترین در نظر گرفته می شود؟

نمودار WRC-1992 به طور کلی به عنوان دقیق ترین نمودار موجود در حال حاضر در نظر گرفته می شود، که در برابر بیش از 200 فلز جوش مستقل تایید شده و به عنوان مرجع در کدهایی از جمله کد بویلر ASME پذیرفته شده است.