جوشکاری غیرمشابه فولادهای زنگ نزن به سایر فلزات-مقدمه
چالش های جوشکاری غیرمشابه اصولا به دلیل خواص متنوع مواد است که در نهایت بر خواص نهایی جوش تاثیر می گذارد. با وجود این که سال های زیادی است که اتصال غیرمشابه فلزات بررسی می شود، اما هنوز موضوعات زیادی در رابطه با اتصال و جوشکاری آن ها وجود دارد که با پیشرفت علم مواد و دانش جوشکاری در حال کامل شدن است. به دلیل نیاز به خواص متنوع در یک قطعه، اتصال غیرمشابه فلزات زمان زیادی است که مورد توجه بوده و فراتر از نیاز کنونی بشر می باشد. فلزات غیرمشابه ترکیب و خواص شیمیایی متفاوتی دارند، از این رو، آن ها خواص متنوعی دارند، مثل نقطه ذوب. بسیاری از این فلزات، آلیاژ یا مخلوطی از چند عنصر هستند که هر کدام در یک دمای خاص ذوب می شوند. بنابراین، هنگامی که جوش (Weld) تشکیل می-شود، در واقع شیب غلظت بین فلزات پایه ایجاد شده که نمی توان از وقوع آن جلوگیری کرد.
دو نمونه متداول نرده های متصل شده به فولاد سازه یا اتصال دو صفحه ای ها به مخازن فولاد زنگ نزن است. در این اتصالات باید تفاوت در خواص فیزیکی مثل هدایت و انبساط حرارتی، خواص مغناطیسی، ساختار متالورژیکی و مقاومت به خوردگی در نظر گرفته شود. در استانداردهای مختلف جزئیات اتصالات غیرمشابه آلیاژهای مختلف آورده شده است، به عنوان مثال در ضمیمه H از استاندارد 2012 : 1554 AS/NZS جزئیات دقیق در مورد جوشکاری فولاد کربنی به فولادهای زنگ نزن فریتی، دو فازی و مارتنزیتی بیان شده است.
جوشکاری مواد غیرمشابه بسیار پیچیده تر از جوشمواد مشابه می باشد، زیرا برخی مناطق قطعه لازم است تا خاصیت خاصی داشته باشند. در اتصالات غیرمشابه هدف شناخت رفتار مکانیکی جوش است. به عنوان مثال، اتصال غیرمشابه HSLA به فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی بررسی شده است تا تاثیر پاس های جوشکای بر خواص جوش مطالعه شود. بررسی ها نشان داده است که فلز پُرکننده L25.10.4 ER در ریزساختار نهایی بهترین تعادل بین فاز فریت و آستنیت در فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی ایجاد می-کند و یک اتصال مارتنزیتی در ریزساختار نهایی فولاد HSLA ایجاد می کند. در این اتصال غیرمشابه، خواص مکانیکی جوش بهتر از HSLA در شرایط تازه دریافت شده (As-Received) و کمتر از فولاد زنگ نزن سوپر دوفازی در شرایط تازه دریافت شده است که نشان دهنده انتخاب فلز پُرکننده مناسب است.
در شکل 1 اختلاف ریزساختار بر حسب چرخه های حرارتی با پاس های جوشکاری را نشان می دهد، این اثر در منطقه متاثر از حرارت (HAZ) فولاد 52-X API مشخص است.
شکل 1: جوشکاری غیرمشابه با تعداد مختلف پاس جوشکاری.
جوشکاری فلزات غیرمشابه (Dissimilar Metal Welding) مواد زیست سازگار فولاد زنگ نزن و آلیاژهای هوشمند نیکل-تیتانیوم (NiTi) توجه خاصی در صنعت زیست پزشکی به دلیل خواص مکانیکی بسیار عالی NiTi و هزینه کم فولاد زنگ نزن 316 دارد. این جفت ماده خاص، از تشکیل ترکیبات بین فلزی قابل توجه بعد از مخلوط شدن مذاب فلزات پایه رنج می برد که باعث تشکیل اتصالات تُرد می شود که توانایی ایستادگی در برابر جابجایی و استفاده را ندارند. تعدادی از فازهای بین فلزی در سیستم های ساده دو تایی آهن-تیتانیوم وجود دارد.
حضور عناصر آلیاژی کروم و نیکل در فولاد زنگ نزن باعث پیچیدگی اتصال آن به NiTi می شود. با کاهش مقدار نیکل از %50 اتمی به %10 اتمی در NiTi می توان این پیچیدگی را کمی کاهش داد، ولیکن هنوز امکان تشکیل ترکیبات بین فلزی آهن-تیتانیوم وجود دارد.
در روش های اتصال دهی متداول (مثل جوشکاری قوسی) اعمال حرارت ورودی زیاد باعث تشکیل حجم زیادی ترکیبات بین-فلزی می شود. در جوشکاری با لیزر به دلیل رقت بالا در اعمال حرارت موضوعی مشکلات جوشکاری کمتر است، ولیکن هنوز احتمال تشکیل ترکیبات بین فلزی وجود دارد.
اتصالات غیرمشابه جوشکاری شده با لیزر بین فولاد زنگ نزن و تیتانیوم گرید 2 به عنوان یک مدل ساده شده از جفت ماده غیرمشابه فولاد زنگ نزن و NiTi بررسی شده است. استحکام کششی اتصالات کمتر از مواد پایه بوده و شکست از طریق ترکیبات بین فلزی اتفاق افتاده است.
بررسی های EDX و EBSD تشکیل دندریت های بین فلزی درشت TiFe در زمینه Ti-β در حوضچه جوش اصلی و (Fe)Ti-β فوق اشاع تک فاز در منطقه جوش پایین تر مشاهده شده است.
آنالیز سطح شکست نشان داده است که شکست بین دندریتی در دندریت هایی که عمود بر نیروی کششی است، مکانیزم اصلی شکست در حوضچه جوش اصلی است، در حالی که شکست متغیر در امتداد جوش فولاد زنگ نزن و فصل مشترک جوش/تیتانیوم در منطقه جوش پایین تر مشاهده شده است. تشکیل مناطق سطحی بسیار بزرگ تر در بخش پایینی جوش نشان دهنده تشکیل ساختار (Fe)Ti-β فوق اشباع تک فاز است که ممکن است برای مقاومت به شکست مفید باشد.
مورفولوژی های شکست خاص و ترک خوردن ترجیحی در ریزساختار دندریتی درشت نزدیک ماده پایه فولاد زنگ نزن در حوضچه جوش اصلی نشان دهنده آن است که هندسه جوش، جریان حرارت و نرخ سرد کردن عوامل کنترل کننده در جوش-های غیرمشابه بین تیتانیوم و فولاد زنگ نزن است.
از طرف دیگر، مشکلات دیگری نیز هنگام جوشکاری غیرمشابه فولادها وجود دارد که مربوط به خواص فیزیکی ، شیمیایی و مکانیکی متفاوت مواد پایه است. فولاد زنگ نزن آستنیتی و فولاد کم کربن شامل ترکیب خوب از خواص مکانیکی، شکل-پذیری، جوش پذیری و مقاومت به خوردگی خوب هستند. این ترکیب فولادها، در صنعت تولید برق کاربرد زیادی دارد.