جوشکاری فولادهای زنگ نزن دو فازی-بخش اول
فولادهای زنگ نزن دو فازی شامل فریت و آستنیت هستند که استحکام و مقاومت به خوردگی آن ها در محیط های متخاصم بر پایه عملکرد پایداری این دو فاز است که بیش از بیست سال است که توجه محققین را به خود جلب کرده است. رشد سریع، نیاز و مصرف فولادهای زنگ نزن مخصوصا در کاربردهای مهندسی، تولید برق، صنایع دریایی و ... که فولادهای چند فازی می توانند نیازهای تولید را برطرف کنند بسیار مهم بوده است. از طرف دیگر، تولید وسیع و کاربردهای زیاد فولادهای زنگ نزن آستنیتی در دنیا بسیار فراوان است، اما قیمت نیکل هر روز افزایش می یابد و موجب کاهش استفاده فولادهای زنگ نزن آستنیتی شده است. در این شرایط، برای کاهش هزینه ها، اتصال غیرهم جنس فولادها می تواند نیازهای صنعتی را برآورده کند. اتصال آلیاژهای دو فازی یک چالش است و این به دلیل رسوبات ترد زیاد و تغییرات متالورژیکی است. از طرف دیگر، شرایط جوشکاری نامناسب و نسبت فازی نامناسب آستنیت/فریت باعث می شود که به ترک خوردن انجمادی، خوردگی و انعطاف-پذیری حساس شود. با توجه به افزایش تولید در سراسر جهان در بسیاری حوزه ها مثل خطوط لوله، کشتی سازی و ... که مقاطع ضخیم مورد استفاده قرار می گیرند، حرارت ورودی زیادی نیاز است، بهینه سازی دمای بین پاسی، نرخ سرد کردن، انتخاب مناسب مواد مصرفی، اتصالات عاری از عیوب و تولید سریع موردنیاز است. به هر حال، روش های پیشرفته زیادی مثل جوشکاری قوسی پلاسما، لیزر، PCGTAW، TIG-A و فرایندهای جوشکاری ترکیبی برای برطرف کردن این نیازها و تولید بالا بدون اعوجاج توسعه یافته است، اما فریت زایی زیاد موضوع دیگری است که باید بررسی شود. علاوه بر این، استانداردسازی و ارزیابی مناسب آلیاژهای دو فازی برای جریان زیاد (حرارت ورودی بالا) هنوز در شک و شبهه است. با این وجود، تاثیر عملیات جوشکاری غیرمشابه ناشی از فرایندها و شرایط جوشکاری مختلف بررسی می شود.
1-مقدمه
موفقیت خارق العاده فولادهای زنگ نزن دو فازی (Duplex Stainless steel) در مقایسه با فولادهای زنگ نزن آستنیتی ناشی از نوسانات قیمت نیکل در بازار جهانی است. موضوع دیگر با فولادهای زنگ نزن آستنیتی پایداری کم در بسیاری از محیط های متخاصم است. از این رو، صنایع تلاش بر جایگزینی با نیکل کم و عملکرد قابل مقایسه با فولادهای زنگ نزن آستنیتی متداول دارند. فولادهای زنگ نزن دوفازی عملکرد فوق العاده ای در محیط های مهاجم دارند که به دلیل مقاومت به خوردگی موضعی ناشی از نسبت %50 آستنیت و %50 فریت است. فولادهای زنگ نزن دوفازی کاربردهای زیادی در بسیازی صنایع مثل کشتی سازی، صنایع فراساحلی، کاغذسازی، چغندرقند، پتروشیمی، نفت و گاز دارد.
علاوه بر گزارشات علمی در بسیازی از کنفرانس های جهانی، نیاز گسترده به فولادهای زنگ نزن دوفازی رو به افزایش است. این کنفرانس ها از سال 1982 شروع شده است و تا به امروز ادامه دارد. این کنفرانس ها یک ترکیب عالی از سهم علمی و تکنولوژی شامل جنبه های متالورژیکی (یعنی رسوبات فازی، مقاومت به خوردگی، جنبه های مکانیکی) بر مبنای تجریبات صنعتی در حوزه های مختلف کاربردهای استاندارد (نوع 2205)، خاص (2302) و فوق دوفازی (2507) است. گروه های اشاره شده به عنوان خانواده های ارزشمند با عملکرد بسیار عالی هستند که بیش از 20 سال کاربرد سرویس موفق دارند. همه کنفرانس های بین المللی در نهایت به این جمع بندی رسیده اند که لازم است تا فولادهای زنگ نزن دوفازی جایگزین فولادهای زنگ نزن گروه 300 شوند.
در میان خانواده فولادهای زنگ نزن، تولید جهانی فولادهای زنگ نزن دوفازی کمتر از 200 کیلو تن است که حدود %1 از تولید جهانی فولادهای زنگ نزن را به خود اختصاص داده است، با این وجود مصرف آن %100 می-باشد. انجمن فولاد زنگ نزن بین المللی گزارش کرده است که تولید فولادهای زنگ نزن در سال 2004 حدود %6/0 بوده است که در سال 2007 به %1 افزایش یافته است. در کنفرانس فونیکس سال 2008، به این جمع بندی رسیده-اند که تولید فولادهای زنگ نزن دوفازی تا سال 2020 به %4 افزایش می یابد (شکل 1). از طرف دیگر، نیاز به فولادهای زنگ نزن آستنیتی در سال 2004 حدود %1/63 بوده است، که در سال 2007 به %62 رسیده که این به دلیل افزایش قیمت نیکل بوده است. در سال 2013 تولید فولادهای زنگ نزن آستنیتی به %4/52 و در سال 2014 به %6/54 رسیده است که نشان دهنده کاهش تولید این نوع از فولادهای زنگ نزن بوده است.
شکل 1: روند استفاده از فولادهای زنگ نزن .
به هر حال، تولیدکنندگان فولادهای زنگ نزن و مصرف کنندگان با قیمت بالای نیکل دست و پنجه نرم می کنند که هر روز تغییر می کند و رو به افزایش است. تامین کنندگان نیکل توانایی تولید و عرضه این حجم از نیکل برای تولید فولادهای زنگ نزن آستنیتی را ندارند، زیرا نیکل به عنوان جزء اصلی در خانواده فولادهای زنگ نزن آستنیتی (گروه 300) است، بنابراین، گروه های با نیکل کم و/یا گروه های عاری از نیکل به عنوان گروه های 200 (201، 202، Mn-Cr) و گروه های 400 (گروه فریتی) توسعه یافتند و در بسیاری از محیط های با خوردگی متوسط و کاربردهای ساختاری استفاده می شوند (شکل 1). از شکل 1 روشن است که تولید گروه 200 در سال 2007 حدود %10 و در سال 2020 به حدود %6 می رسد. علاوه بر این، تولید گروه 200 در سال 2013 حدود %8/19 بوده است که در سال 2014 کمی کاهش (%9/18) داشته است. از طرف دیگر، نیاز به تولید گروه 400 به دلیل هزینه کم و سایر دلایل مثل هدایت حرارتی خوب، بازیافت راحت و کمک به حفط منابع تولید کننده نیکل افزایش چشمیگری داشته است. در سال 2007، تولید گروه 400 حدود %27 بوده است که تا سال 2020 به حدود %37 خواهد رسید. در حال حاضر، تولید در سال 2013 از %5/25 به %2/25 در سال 2014 رسیده است. تغییر از گروه 300 به گروه 400 بدین معنی است که تولید رقابتی تر شده و مصرف به سمت تولیدات با هزینه کم رفته است.
در سال 2015، نیاز واقعی جهانی به محصوات فولاد زنگ نزن حدود 7/37 میلیون تن بوده است، نسبت به سال 2014 حدود %2 افزایش داشته است. متوسط رشد سالانه فولادهای زنگ نزن حدود %8 در سال 2014-2011 بوده است. در سال 2015، کل تولید جهانی فولاد حدود 6/1 میلیون تن بود که %6/2 آن فولاد زنگ نزن بوده است.
بررسی ها نشان می دهد که افزایش نیاز به فولاد زنگ نزن دوفازی چشم گیر بوده است، در حالی که هنوز %70 مصرف جهانی فولاد زنگ نزن مختص فولادهای زنگ نزن آستنیتی است. با این حال مصرف، فولادهای زنگ نزن دوفازی رو به افزایش است. به عنوان مثال، تانکرهای ذخیره آب در زاپن امروزه با استفاده از سه ترکیب آلیاژی (2205، 304 و 316) ساخته می شود. گزارشات نشان می دهد که برای اتصال فلزات مشابه و غیرمشابه جوشکاری مهمترین ابزار برای حصول یک محصول است و برای تولید وسیع به حرارت ورودی زیاد نیاز است (به عنوان مثال برای اتصال لوله های نفت). Nowacki و Rybicki مقالاتی در مورد تاثیر حرارت ورودی بر ساختار فولاد زنگ نزن ارائه کرده است، اما مطالعات بر تاثیر حرارت ورودی زیاد بر رفتار خوردگی فولادهای زنگ نزن دو فازی ارائه نشده است.
همچنین نویسندگان زیادی بر جوشکاری و رفتار خوردگی فولادهای زنگ نزن کم نیکل در محیط های با خورندگی متوسط مطالعه کرده انداما در محیط های بسیار مخاصم، فولادهای زنگ نزن دو فازی با نیکل کم انتخاب بهتری است و نیاز به مطالاعات بیشتر در این زمینه احساس می شود
در این بخش سعی شده است تا نتایج محققین بر اساس مطالعات آن ها بر تاثیر شرایط جوشکاری (تاثیر محدوده مجاز و غیرمجاز حرارت ورودی)، فرایندهای متفاوت (شامل انرژی ورودی کم و زیاد به عنوان فرایندهای حالت جامد) و مواد مصرفی جوشکاری بر خواص مکانیکی و خوردگی فولاد زنگ نزن دو فازی 2205 و 2507 (به دلیل استفاده و کاربرد بیشتر) بررسی شود. علاوه بر این، اتصال به فولادهای کربنی، فولادهای زنگ نزن آستنیتی، فریتی و سایر آلیاژهای متداول نیز بررسی می شود.
