مطالعه ریز ساختاری و خواص مکانیکی اتصالات لیزری غیر مشابه بین فولاد زنگ نزن فریتی 430. و فولاد زنگ نزن دو فازی 2340 با هدف بهینه سازی نیروی شکست اتصالات

مطالعه ریز ساختاری-بمنظور اتصال غیر مشابه میان ورق های فولاد زنگ نزن فریتی 430. و فولاد زنگ نزن دو فازی 2340 از فرآیند جوشکاری لیزری استفاده گردید. در ابتدا به مطالعات ریز ساختاری، تحولات فازی و تغییرات خواص مکانیکی در اثر جوشکاری پرداخته شد. سپس، بهینه ساز پارامترهای فرآیند جوشکاری لیزری با هدف بهبود خواوص مکانیکی و با استفاده از. روشهای آماری انجام شد، بنابراین، از روش طراحی آزمایش رویه سطح با تکنیک مرکب مرکزی جهت بهینه سازی. پارامترهای مؤثر فرآیند شامل، توان لیزر، سرعت جوشکاری و عمق فوکوس استفاد شد.

مطالعه ریز ساختاری

و پارامترهای بهینه با در نظر گرفتن پاسخی مانند نیروی شکست اتصالات، تعیین شدند، از آزمایش کشش تک محوره. برای تعیین استحکام اتصالات و از میکروسکوب نوری برای مشاهدات ریز ساختاری و تغییر تحولات فازی بهر گرفته شد. نتایج نشان میدهد که با کاهش سرعت جوشکاری و افزایش توان لیزر میزان نیروی شکست اتصالات،. حداکثر تا 3587 نیوتون افزایش می یابد. با توجه به نتایج تغییرات ریز ساختاری، رشد دانه ها و وجود کاربیدهای پراکنده در منطقه جوش مشاهده گردید،. همچنین تأثیر حرارت ورودی ناشی از تغییر پارامترهای جوشکاری لیزر، روی پروفیل ریز سختی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج، حداکثر میزان سختی در منطقه جوش نمونه با حرارت ورودی کم به دست آمد. که میزان آن در حدود 332 ویکرز اندازه گیری شد.

مقدمه

فولادهای زنگ نزن دوفازی بعنوان جایگزین مناسب برای فولادهای زنگ نزن آستنیتی و آلیاژهای پایه نیکل. بطور گسترده ای مورد استفاده قرار میگیرند. فولادهای زنگ نزن دوفازی در کاربردهایی استفاده میشوند که نیاز به استحکام بالا و مقاومت به خوردگی عالی باشد. این ترکیب مناسب خواص، سبب افزایش کاربرد این فولادها در صنایع نفت و گاز،. صنایع شیمیایی و صنایع هسته ای شده است.

این فلزات تقریباً بصورت کاملاً فریتی منجمد میشوند و ریز ساختار آستنیتی-فریتی نهای محصول استحاله حالت جامد آستنیت است. فاز فریت موجب افزایش استحاکام و بهبود مقاومت در برابر خوردگی تنشی در محیط حاوی یون های کلر میشود،. اگرچه موجب کاهش چقرمگی در دمای پایین میشود. برای دستیابی به ریز ساختار مطلوب به هنگام جوشکاری باید به دقت کنترل گردد. حرارت ورودی کم موجب درصد بالای فریت در ریزساختار شده و همچنین موجبات تشکیل نیترید کروم را فراهم می آورد. از سوی دیگر حرارت ورودی بالا، موجب تشکیل فازهای مضر سیگما و چی میشود.

مطالعه ریز ساختاری

از طرف دیگر فولادهای زنگ نزن فریتی در مقایسه با فولادهای زنگ نزن آستنیتی،. دارای هدایت حرارتی بالاتر، مقاومت به خوردگی تنشی بیشتر هستند. و قیمت پایین تری نسبت به سایر فولادهای زنگ نزن دارند. ریز ساختار فولاد زنگ نزن فریتی ممکن است، بطور کامل فریت. یا شامل مخلوط فریت و مارتنزیت در مرزدانه های فریت باشد. ریز ساختار کاملاً فریتی را میتوان با جلوگیری از تشکیل آستنیت در دمای بالا به دست آورد،. همچنین مارتنزیت موجود در مرزدانه میتواند توسط استحاله آستنیت حالت جامد یا در آخرین مرحله از انجماد تشکیل شود. که استحاله حالت جامد آستنیت در فولاد 430 رایج است.

مطالعه ریز ساختاری

یکی از مشکلات عمده در کاربرد صنعتی فولادهای زنگ نزن فریتی کاهش چقرمگی و انعطافپذیری. به دلیل حرارت ورودی بالا و رشد دانه ها در منطقه جوش است. که دلیل آن حرارت ورودی بالا جوشکاری و رشد دانه هاست، همچنین امکان تشکیل برخی از. فازهای بین فلزی از جمله، سیگما در صورت قرارگیری فولاد زنگ نزن برای مدت زمان معین. در محدوده دمایی 650 الی 850 درجه سانتیگراد وجود دارد. با استفاده از فرآیندهایی که شامل حرارت ورودی کمی هستند. (نظیر جوشکاری پرتو لیزر) می توان رشد دانه ها و تشکیل فاز سیگما را کنترل کرد.

مطالعه ریز ساختاری

جوشکاری پرتو لیزر را میتوان برای اتصال دهی اغلب فلزات به خودشان و فلزات غیر همجنس بکار برد. که از نظر متالوژیکی سازگار هستند. اتصالات غیر همجنس فولادهای زنگ نزن بخصوص فولادهای زنگ نزن فریتی و آستنیتی بصورت. وسیع در صنایع مختلف شامل، پتروشیمی، مبدل های حرارتی، مخازن تحت فشار و صنایع هسته ای بکار برده میشود. جوشکاری مواد غیر مشابه به سبب تفاوت در خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی فلزات پایه. چالش های بیشتری نسبت به جوشکاری مشابه دارد.

توجه به هزینه های بالای جوشکاری لیزر YAG:Nd،بهینه سازی پارامترهای جوشکاری از اهمیت بالایی برخوردار بوده. و معمولاً کیفیت یک اتصال مانند خواص مکانیکی بطور مستقیم تحت تأثیر پارامترهای جوشکاری لیزری است.

پاراباکاران و همکارانش، پارامترهای فرآیند جوشکاری لیزر بین اتصال غیر مشابه. فولاد زنگ نزن آستنیتی 316 و فولاد کم کربن 1018 را با استفاده از طراحی آزمایش تاگوچی بهینه سازی کردند. پس از بررسی نتایج، به دلیل تشکیل فاز مارتنزیت بهترین مقاومت کششی در نمونه عملیات حرارتی شده. در دمای 960 درجه سانتیگراد به دست می آمد.

در تحقیق مشابهی که توسط ناگاراجو و همکارانش انجام شد، ویژگیهای هندسه جوش مانند. عمق نفوذ، عرض جوش و استحکام کششی اتصال غیر مشابه فولاد زنگ نزن آستنیتی 304 و فولاد کم کربن. با استفاده از روش طراحی آزمایش فاکتوریل کامل مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج، افزایش سرعت جوشکاری، موجب کاهش حرارت ورودی گردید و عرض مهره جوش کاهش پیدا کرد. در پژوهشی دیگر، ریسگن و همکارانش، با استفاده از روش رویه پاسخ، تأثیر پارامترهای جوشکاری لیزری. را روی حرارت ورودی، هندسه جوش، استحکام کششی مورد بررسی قرار دادند.

نتایج نشان میدهد که در اتصال غیر مشابه میان فولاد DP 600 و TRIP 700، سرعت جوشکاری در مقایسه با. سایر پارامترهای فرآیند بیشترین تأثیر را در طول فرآیند جوشکاری دارد. عمادی و همکارانش، ریز ساختار و اتصال غیر مشابه اینکونل 625 به فولاد زنگ نزن 430 را با استفاده از. لیزر Nd:YAG پالسی مورد بررسی قرار دادند. با توجه به نتایج بدست آمده، سختی فلز جوش در نمونه ها از سمت. فولاد زنگ نزن فریتی به سمت اینکونل 625 افزایش یافت، علت آن میتواند ناشی از کاهش اندازه دانه. و کاهش اندازه و نحوه توزیع کاربیدها در فلز جوش باشد .

که این پدیده ناشی از سرعت بالای انجماد در جوشکاری لیزر است، همچنین پاکمنش و همکارانش،. تأثیر پارامترهای جوشکاری لیزر پالسی nD:yag بدون فلز پرکننده را بر اتصال لبه روی هم فویل فولاد زنگ نزن 316،. جهت کاربرد در پیل سوختی پلیمری مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که در توان و زمان روشنی پالس پایین بعلت وجود عیب نفوذ ناقص،. شکست از ریشه جوش اتفاق افتاد و استحکام برشی جوش 490 مگا پاسکال اندازه گیری شد.

بنا بر مطالعات و جستجوهای صورت گرفته توسط نویسندگان این مقاله مشخص گردید. که مطالعات جامعی در رابطه با جوشکاری غیر مشابه فولادهای زنگ نزن فریتی 430 و دوفازی 2304. توسط پرتوهای پر انرژی انتشار یافته است، همچنین در منابع در رابطه با بهینه سازی اتصالات حاصل از پرتو لیزر. روی این دسته از آلیاژها، مطلب گسترده ای وجود ندارد،. لذا هدف از انجام این پژوهش، وجود خلا محسوس در بررسی تأثیر پارامترهای جوشکاری لیزر بر نیروی شکست اتصالات است. نوآوری این پژوهش، بررسی امکان اتصال موفقیت آمیز لیزر مناسب بین فولادهای زنگ نزن فریتی و دو فازی. و دست یابی به پارامترهای بهینه فرآیند با استفاده از مدلسازی ریاضی است.

داپلکس

بر این اساس، در این پژوهش، پارامترهای مؤثر جوشکاری پرتو لیزر شامل، عمق فوکوس،. سرعت جوشکاری و توان لیزر توسط روش طراحی آزمایش رویه سطح و به کمک نرم افزار Minitab بهینه سازی شدند. نیروی شکست بعنوان پاسخ متغیرهای جوشکاری انتخاب گردید. و کیفیت اتصال غیر مشابه بین فولاد زنگ نزن دو فازی 2304 و فولاد زنگ نزن فریتی 430. به کمک خواص مکانیکی و متالوژیکی آنها مورد بررسی قرار گرفت.

مواد و روشهای انجام آزمایش

مواد جوشکاری

در این مطالعه از ورقهای فولادی زنگ نزن 430 و فولاد زنگ نزن دوفازی 2304 با ابعاد 1mm 3 × 40×80. بعنوان فلزات پایه استفاده گردید که ترکیب شیمیایی مواد پایه ارائه شده است. طرح اتصال بصورت لب به لب، انجام گردید. بمنظور اتصال از فرآیند جوشکاری لیزر با منبع Nd:YAG با حداکثر توان متوسط 280 وات استفاده شد. قبل از جوشکاری نمونه ها جهت حذف هرگونه آلودگی سطحی و لایه های اکسیدی،. محل اتصال با استفاده از برس سیمی و استون چربی زدایی شد. در طول فرایند جوشکاری برای محافظت از حوضچه مذاب، گاز آرگون خالص مورد استفاده قرار گرفت.

بررسی های ریز ساختاری و آزمایشهای تعیین خواص مکانیکی

نمونه های جوشکاری شده با استفاده از دستگاه برش وایر کات از سطح مقطع عرضی خط جوش برش داده شدند. جت بررسی های ریز ساختاری، سطح مقطع نمونه ها تا سنباده شماره 2500 سنباده زنی شده. و سپس با استفاده از خمیر الماس با مش 1 میکرون پولیش نهایی انجام گردید. برای حکاکی نمونه فولاد زنگ نزن فریتی 430 از محلول ویلا طبق استاندارد ASTM E407-2015 استفاده شد. و هم چنین فولاد زنگ نزن دوفازی 2304 توسط محلول KOH %20 در ولتاژ 3 ولت. و به مدت 30 ثانیه تحت اچ الکترولیتی قرار گرفت. نمونه ها سپس توسط میکروسکوپ نوری، مورد بررسی و تحلیل قرار گرفتند.

بعلاوه آزمون ریز سختی سنجی ویکرز جهت بررسی تغییرات سختی از منطقه جوش تا فلزات پایه با نیروی 200 گرم. و زمان اعمال نیروی 8 ثانیه انجام شد. آزمایش کشش نیز با آهنگ 5 میلیمتر بر دقیقه و در دمای محیط انجام گردید.

بحث نتیجه گیری

ریز ساختار

درشت ساختار نواحی مختلف اتصال غیر مشابه فولاد زنگ نزن فریتی 430. و فولاد زنگ نزن دوفازی 2304 را نشان میدهد. ریز ساختار فولاد زنگ نزن فریتی 430 را نشان میدهد. که شامل دانه های هم محور فریت همراه با رسوبات تیره کاربید کروم در مرزدانه است.تشکیل این رسوبات ناشی از عملیات آنیل قبلی است که علاوه بر آن. دانه ها را به شکل هم محور در آورده است. هما نطور مشخص است، ریز ساختار فولاد زنگ نزن دوفازی 2304. حاوی فاز آستنیت (فاز روشن) در زمینه فریت (فاز تیره) با نسبت تقریباً مساوی است. با توجه به اینکه این فولاد در شرایط کار شده استفاده گردیده است. کشیدگی دانه ها در جهت نورد قابل رویت است. در تصاویر مشاهده میشود.

که در ناحیه متأثر از حرارت فولاد دوفازی، با افزایش حرارت ورودی ناشی از جوشکاری رشد دانه رخ داده است. در ناحیه متأثر از حرارت فولاد دو فازی میزان فاز فریت. به مقدار فایل ملاحظه ای بیشتر از فاز آستنیت است. دلیل این امر این است که در ناحیه متأثر از حرارت، دما تا منطقه کاملاً فریتی بالا میرود. و پس از سرد شدن حجم عمده ریز ساختار بصورت فریتی تشکیل میشود. البته فاز آستنیت میتواند در مکانهای مناسب مانند مرزدانه های فریت جوانه زنی کند،. چون تبدیل فاز فریت به آستنیت یک استحاله نفوذی و مستلزم گذشت زمان است، بنابراین استحاله بطور کامل انجام نمیشود.

منطقه جوش اتصال فلزات غیر مشابه فریتی و دوفازی شامل،. دانه های درشت فلز فریت همراه با آستنیت سوزنی شکل در مرزدانه های فریت است. بعلاوه رسوبات ریز و پراکنده کاربید کروم در منطقه جوش مشاهده گردید. بنابر آنچه در مورد انجماد فولادهای زنگ نزن دوفازی گزارش شده است. و بر اساس مشاهدات صورت گرفته در این پژوهش، انجماد فلز جوش. در این اتصال با شروع جوانه زنی فاز فریت آغاز شده است.

بسته به ترکیب شیمیایی و سرعت سرد شدن، فاز فریت تا پایان انجماد نیز پایدار بوده. و در دماهای به اندازه کافی بالا نیز بصورت پایدار باقی خواهد ماند،. اما پس از گذر از دمای انحلال فریت، فاز فریت شروع به تجزیه کرده و استحاله تشکیل آستنیت آغاز میشود. این استحاله همان استحاله ای است. که تعادل نهایی بین فریت و آستنیت و همچنین نحوه توزیع آستنیت را در فلز جوش تعیین میکند. ترتیب استحاله در فلز جوش مورد مطالعه به صورت زیر پیشنهاد میشود.

مذاب ← فریت+مذاب←فریت←فریت+آستنیت

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک

مطالعه ریز ساختاری و خواص مکانیکی اتصالات لیزری غیر مشابه-فولاد داپلکس-فولاد زنگ نزن-فولاد 2304-ورق آتشخوار-ورق آلیاژی-فولاد آلیاژی-www.foolad-paytakht.ir

شرکت خشکه و فولاد پایتخت صنعتگران عزیز، افتخار داریم که سالها تجربه گرانبهای خویش را در زمینه عرضه انواع ورق آلیاژی و انواع فولاد آلیاژی برای خدمت رسانی به شما هموطنان کشور عزیزمان ایران ارائه می دهیم. پیشاپیش از اینکه شرکت خشکه و فولاد پایتخت را جهت خرید خود انتخاب می نمایید سپاسگزاریم.
ارتباط با ما:
۰۹۱۲۱۲۲۴۲۲۷
۰۹۳۷۱۹۰۱۸۰۷
تلفن: ۰۲۱۶۶۸۰۰۲۵۱
فکس: ۶۶۸۰۰۵۴۶