جوشکاری استیل و راهنمای انتخاب الکترود مناسب

در تولید محصولات و تجهیزات استیل، استفاده از روش جوشکاری برای اتصال قطعات به یکدیگر مهم‌ترین روش محسوب می‌شود. فولادهای ضد زنگ قابلیت جوش‌پذیری مطلوبی دارند اما چالش‌هایی در این فرآیند وجود دارد که شامل انتخاب بهترین روش جوشکاری، اتصال آن‌ها به فلزات غیرمشابه یا وقوع عیوب متالورژیکی هنگام جوش می‌شود. در این مقاله به مهم‌ترین روش‌های جوشکاری فولاد ضد زنگ، نحوه انتخاب الکترود و فیلر متریال مناسب و همچنین نحوه جوشکاری استیل به فولاد کربنی اشاره خواهیم کرد.

روش‌های جوشکاری فولاد ضد زنگ

دو روش اصلی جوشکاری فولاد ضد زنگ شامل جوشکاری ذوبی و جوش مقاومتی می‌شوند. در جوشکاری ذوبی، حرارت توسط یک قوس الکتریکی که بین الکترود و فلز جوش برقرار می‌شود، ایجاد می‌شود. در نوع مقاومتی، اتصال از طریق حرارت و فشار برقرار می‌شود. این حرارت از طریق مقاومت در برابر جریان الکتریکی درون قسمت جوش ایجاد می‌شود و فشار نیز توسط الکترود اعمال می‌شود.

مهم‌ترین روش‌های جوشکاری ذوبی استنلس استیل عبارت‌اند از:

• جوشکاری قوس فلز پوشش‌دار (SMAW)
• جوشکاری قوس تنگستن- گاز (GTAW)
• جوشکاری قوس فلز – گاز (GMAW)
• جوشکاری قوس زیر پودری (SAW)

جوشکاری استیل به روش SMAW

روش SMAW یک روش محبوب و سریع برای جوشکاری استیل است که به‌طور ویژه برای جوشکاری مقاطعی که برای جوش‌های اتوماتیک به‌راحتی تنظیم نمی‌شوند، کارایی دارد. این روش مبتنی بر یک الکترود سیمی پوشش‌دار است و به همین دلیل به آن جوشکاری استیک (Stick Welding) نیز گفته می‌شود. جوشکاری SMAW به‌صورت دستی توسط یک اپراتور با نگه‌داشتن الکترود در یک زاویه مشخص برای ایجاد قوس الکتریکی انجام می‌شود. پوشش الکترود نقش مهمی در حفاظت از قوس ایجادشده، جلوگیری از ورود ناخالصی‌ها به منطقه جوش و ایجاد گازهای محافظ دارد.

انتخاب الکترود مناسب برای جوشکاری استیل به روش SMAW بر اساس ترکیب شیمیایی آلیاژ (مطابق با گرید فلز پایه)، نوع پوشش و نوع منبع تغذیه صورت می‌گیرد. معمولاً پوشش این الکترودها از جنس موادی شامل آهک یا تیتانا هستند. دو نوع منبع تغذیه برای جوشکاری SMAW استفاده می‌شود که شامل جریان مستقیم (DC) قطبیت معکوس و جریان متناوب (AC) قطبیت معکوس می‌شوند. بر اساس این دو نوع جریان، الکترودهای نوع 15 یا 16 (دارای پسند عددی 15 یا 16 در کد الکترود) معرفی می‌شوند. نکته مهم، قابلیت استفاده از الکترود نوع 16 فقط در حالت جوشکاری تخت (flat position) است چراکه منجر به ایجاد بستر جوش صاف‌تر می‌شود. همچنین، الکترود نوع 16 هم برای جریان DC و هم AC استفاده می‌شود.

جوشکاری استنلس استیل به روش GTAW

جوشکاری GTAW که گاهی به آن TIG نیز گفته می‌شود یکی دیگر از روش‌های جوشکاری ذوبی برای اتصال مقاطع استنلس استیل است که در آن از یک گاز خنثی مثل آرگون برای محافظت از منطقه جوش در برابر اتمسفر استفاده می‌شود. در GTAW، حرارت از طریق ایجاد قوس بین الکترود تنگستنی و فلز ایجاد می‌شود.

در روش TIG، فلز پرکننده می‌تواند توسط اپراتور به‌صورت دستی اعمال شود یا اینکه برای دستیابی به‌سرعت بیشتر، به‌صورت تمام اتوماتیک اعمال شود. در حالت دوم، به آن hot-wire GTAW می‌گویند و امکان افزایش سرعت جوشکاری تا 100 درصد وجود دارد. تفاوت دیگر روش TIG نسبت به روش SMAW، قابلیت ایجاد قوس متناوب است که امکان کنترل بهتر حوضچه جوش را برای دستیابی به عمق نفوذ بیشتر و تخلخل کمتر فراهم می‌کند. الکترودهای مناسب برای جوشکاری استیل به روش GTAW نیز مشابه روش SMAW بر اساس ترکیب فلز پایه انجام می‌شود.

جوشکاری فولاد ضد زنگ به روش GMAW

یکی دیگر از روش‌های جوشکاری فولاد ضد زنگ به حالت ذوبی، GMAW است که به آن MIG یا جوشکاری فلز- گاز خنثی هم گفته می‌شود. در این روش نیز اتصال از طریق حرارت ایجادشده ناشی از قوس الکتریکی بین سیم پرکننده (الکترود) و فلز پایه برقرار می‌شود. با ذوب شدن سیم پرکننده حین فرآیند، حوضچه جوش در مقابل گازهای اکسیژن و نیتروژن موجود در اتمسفر محافظت می‌شود. به دلیل عدم نیاز به فلاکس و وجود گاز خشک، این روش یک فرآیند کم هیدروژن محسوب می‌شود. سادگی این روش موجب می‌شود تا جوشکار در زمان بسیار کوتاهی بر جوشکاری MIG تسلط پیدا کند.

جوشکاری استیل به روش SAW

جوشکاری SAW شامل ایجاد حرارت از طریق برقراری قوس الکتریکی بین سیم جوش و فلز پایه برای برقراری اتصال می‌شود. در این روش، منطقه جوش توسط یک فلاکس با ترکیب معدنی که همان پودرها هستند محافظت می‌شود. همچنین، هیچ قوس، جرقه، پاشش یا دودی در روش SAW قابل‌مشاهده نیست. فلاکس پودر در وضعیت چند سانتی‌متر جلوتر از نازل جوش در محل جوشکاری ریخته می‌شود و با ذوب شدن آن، یک سرباره محافظ تشکیل می‌شود. به دلیل وجود تلاطم در حوضچه جوش مذاب، هرگونه سرباره یا حباب‌های گازی به‌سرعت به سطح منتقل می‌شوند. معمولا لوله استنلس استیل درزدار به این روش از طریق جوشکاری SAW ورق استیل تولید می‌شود.

تفاوت اصلی این روش با سایر روش‌های جوشکاری ذوبی استنلس استیل‌ها، حرارت ورودی زیادتر و سرعت انجماد و سرمایش آهسته‌تر در روش SAW است. همچنین، درصورتی‌که فلاکس به‌درستی انتخاب نشود ممکن است مقدار سیلیکون در جوش افزایش یابد و موجب کاهش چقرمگی و مقدار ازدیاد طول شود. ضمن اینکه، این روش هنگامی‌که جوش کاملاً آستنیتی یا کنترل برای مقدار فریت زیر 4 درصد در استیل نیاز باشد، توصیه نمی‌شود.

جوشکاری انواع گریدهای استیل

فولادهای ضد زنگ بر اساس ریزساختار به 5 گروه اصلی تقسیم می‌شوند. تفاوت در ترکیب شیمیایی، خواص حرارتی و مکانیکی هر یک از انواع گریدهای استیل سبب تفاوت در آماده‌سازی، نحوه جوشکاری و اقدامات پس از جوشکاری این گریدها می‌شود.

جوشکاری استیل آستنیتی

به‌طورکلی، استیل آستنیتی قابلیت جوشکاری بسیار خوبی دارد اما قبل از جوشکاری نباید پیش‌گرمایش روی آن انجام شود و به عبارتی انجام پیش‌گرمایش مضر است. چراکه هیچ تغییر ساختاری مانند تشکیل مارتنزیت در جوش یا منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) رخ نمی‌دهد و همچنین ممکن است موجب رسوب کاربیدها یا تاب برداشتن قطعه شود.
ضمن اینکه، وقتی در مورد استیل آستنیتی حساس به تنش صحبت می‌شود، مهم است که تنش‌های ایجادشده در قطعه که ناشی از گرم و سرد شدن هنگام حرارت دهی و انجماد جوش است کاهش یابد. در محدوده دمایی گرم و سرد شدن قطعه کار حین جوشکاری، میکرو شکاف‌هایی در مرزدانه‌ها ایجاد می‌شوند که درنهایت تشکیل ترک‌ها را به دنبال دارند. مهم‌ترین راهکار برای کاهش تنش‌های یادشده، مهار دقیق قطعه کار حین جوشکاری و ایجاد یک بستر جوش نازک است.

جوشکاری استنلس استیل فریتی

استنلس استیل فریتی نیز قابلیت جوشکاری مناسبی دارد اما باید مراقب سخت شدن بیش‌ازحد منطقه HAZ در آن بود چراکه موجب تردی بیش‌ازحد و ترک می‌شود. این امر از طریق اعمال پیش‌گرمایش قابل‌کنترل است. بااین‌حال، قطعات سنگین‌تر (با ضخامت بیش از 1/4 اینچ) در هنگام جوشکاری در معرض خطر ترک‌خوردگی قرار دارند. پیش‌گرمایش در محدوده دمایی 150 تا 230 درجه سانتی‌گراد برای قطعات ضخیم توصیه می‌شود. اما برای قطعات استیل فریتی با ضخامت کمتر از 1/4 اینچ پیش‌گرمایش نامطلوب است.

جوشکاری استیل مارتنزیتی

در رابطه با جوشکاری استیل مارتنزیتی، انجام پیش‌گرمایش و کنترل دمای بین پاس‌های جوشکاری به‌منظور جلوگیری از تشکیل ترک‌ها لازم است. دمای پیش‌گرمایش معمولاً حدود 200 تا 320 درجه سانتی‌گراد توصیه شده است. برای انتخاب دقیق‌تر محدوده دمایی پیش‌گرمایش باید به مقدار کربن در ترکیب شیمیایی استیل مارتنزیتی دقت شود:

• کمتر از 0.1 درصد کربن: نیاز به پیش‌گرمایش یا عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیست.
• بین 0.1 تا 0.2 درصد کربن: پیش‌گرمایش تا 260 درجه سانتی‌گراد، جوشکاری و سرمایش آهسته.
• بین 0.2 تا 0.5 درصد کربن: پیش‌گرمایش تا 260 درجه سانتی‌گراد، جوشکاری و عملیات حرارتی پس از جوش.
• بیش از 0.5 درصد کربن: پیش‌گرمایش تا 260 درجه سانتی‌گراد، جوشکاری با حرارت ورودی بالا و عملیات حرارتی پس از جوش.

برای انجام عملیات حرارتی پس از جوشکاری استیل مارتنزیتی نیز دو حالت توصیه شده است:

1. آنیل در دمای 815 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر همراه با کنترل سرمایش با سرعت 50 درجه بر ساعت تا رسیدن به دمای 600 درجه سانتی‌گراد و سپس خنک‌سازی در هوا.
2. حرارت دهی در محدوده 730 تا 760 درجه سانتی‌گراد و سپس سرمایش مشابه حالت اول.

انتخاب فلز پرکننده (فیلر متریال) جوشکاری بر اساس گرید استیل

فلز پرکننده یک متریال به شکل سیم، میله یا پودر است که در حین جوشکاری یا لحیم‌کاری به‌منظور پر کردن فضای خالی بین دو فلز استفاده می‌شود. این ماده با ذوب شدن و جریان یافتن بین این فضای خالی، اتصال بین فلز جوش و فلز پایه را برقرار می‌کند. انتخاب فیلر مناسب برای جوشکاری بسیار اهمیت دارد چراکه کیفیت و خواص ناحیه جوش به‌طور مستقیم تحت تأثیر آن قرار می‌گیرد. فلز پرکننده مناسب برای جوشکاری انواع گریدهای استیل در جدول زیر آورده شده است. لازم به ذکر است فیلرهای یادشده پیشنهادی بوده و ممکن است بر اساس شرایط تغییر کنند. بنابراین، برای تأیید نهایی نوع فیلر متریال حتماً به متخصص یا جوشکار ماهر مراجعه نمایید.

الکترودهای مناسب برای جوشکاری فولاد ضد زنگ

مهم‌ترین الکترودها برای جوشکاری فولاد ضد زنگ عبارت‌اند از:

• الکترود E308/E308L: در میان الکترودهایی که بیشترین استفاده را در جوشکاری فولادهای ضد زنگ دارند، الکترود E308 بیشترین مقاومت به خوردگی را ارائه می‌دهد و برای جوشکاری استیل‌های حاوی 18 درصد کروم و 8 درصد نیکل بسیار مناسب است. الکترود E308L با مقدار کربن کمتر برای جوش‌هایی که جلوگیری از تشکیل کاربیدها در آن‌ها اهمیت دارد مناسب است.
• الکترود E309: این الکترود برای جوشکاری و اتصال استیل‌های غیرمشابه به یکدیگر و جوشکاری استنلس استیل به فولاد ساده کربنی یا فولاد کم آلیاژ استفاده می‌شود. برخورداری از استحکام عالی و مقاومت بسیار خوب در برابر تشکیل ترک، الکترود E309 را به انتخاب اول برای جوشکاری بویلرها و مخازن تحت‌فشار در صنایع پتروشیمی بدل کرده است.
• الکترود E316/E316L: برای جوشکاری استیل‌هایی که شامل 18 درصد کروم، 12 درصد نیکل و تا 2 درصد مولیبدن هستند کارایی دارد. الکترود E316 برای کاربردهایی که مقاومت به خوردگی حفره‌ای و شیاری اهمیت دارد استفاده می‌شود. الکترود E316L نیز با مقدار کربن کمتر برای جوشکاری مقاطعی که به خوردگی بین‌دانه‌ای حساس هستند مورداستفاده قرار می‌گیرد.
• الکترود E310: این نوع الکترود برای جوشکاری آلیاژهای مقاوم به حرارت (آتشخوار) و آلیاژهای دمابالا که تا دمای 1150 درجه سانتی‌گراد تحت سرویس قرار می‌گیرند کارایی دارد. حفظ یکپارچگی ساختاری و استحکام موجب استفاده از الکترود E310 برای جوشکاری قطعات کوره و تجهیزات دمابالا شده است.
• الکترود E347/E347L: برخورداری از مقاومت به تشکیل کاربیدها و خوردگی بین‌دانه‌ای، الکترود E347 را برای جوشکاری استیل‌های پایدار شده همچون گرید 321 ایده‌ال کرده است. از این الکترود برای اتصال مقاطع استیل در صنایع خودروسازی و هوافضا به‌وفور استفاده می‌شود.

جوشکاری استنلس استیل به فولاد کربنی

به دلیل تفاوت در ترکیب شیمیایی، خواص فیزیکی و مکانیکی، جوشکاری استنلس استیل به فولاد کربنی با چالش‌هایی همراه است. این چالش‌ها شامل تشکیل ترک گرم، تشکیل کاربیدهای کروم و تنش‌های پسماند در منطقه جوش می‌شوند. برای به حداقل رساندن اثرات یادشده، انتخاب الکترود و فیلر متریال مناسب بسیار ضروری است تا یک جوش باکیفیت بین استیل و فولاد کربنی ایجاد شود.

بهترین الکترودها و فیلر متریال برای جوشکاری فولاد ضد زنگ به فولاد کربنی عبارت‌اند از:

• E309/E309L/E309-16
• E310
• E312

در این میان، الکترود نوع 309 بیشترین استفاده را دارد و مقدار فریت آن بین 5 تا 10 درصد است که بهینه‌ترین حالت برای پیشگیری از تشکیل ترک گرم است. برای مواقعی که جلوگیری از تشکیل کاربیدهای بین‌دانه‌ای اهمیت دارد، نوع کم‌کربن یعنی E309L باید استفاده شود. همچنین، وقتی استحکام مکانیکی و جلوگیری از تشکیل ترک گرم مدنظر باشد، استفاده از الکترود 312 اولویت دارد.

جوشکاری استیل ضد زنگ به آلومینیوم

استیل ضد زنگ را نمی‌توان به روش‌های جوشکاری ذوبی به ورق آلومینیم جوش داد. دلیل این امر عبارت است از:

• اختلاف فاحش نقطه ذوب: دمای ذوب آلومینیوم 660 درجه سانتی‌گراد و برای استیل در محدوده 1325 تا 1530 درجه سانتی‌گراد قرار دارد.
• تشکیل لایه اکسید پایدار روی آلومینیوم (Al2O3): مانع‌تر شوندگی کافی مذاب یا فلز پرکننده می‌شود.
• تشکیل فازهای بین فلزی ترد: تشکیل ترکیبات تردی مانند FeAl، FeAl3 و Fe2Al5 که موجب شکنندگی اتصال می‌شوند.
• تفاوت در ضریب انبساط حرارتی: در هنگام سرمایش پس از جوشکاری موجب ایجاد تنش‌های حرارتی و ترک‌خوردگی می‌شود.

برای جوشکاری استیل به آلومینیوم باید از روش‌های غیر ذوبی مانند اتصال حالت جامد همچون جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی FSW یا روش‌های لحیم‌کاری استفاده کرد. استفاده از لایه‌های میانی (مانند Ni/Cu) یا اتصالات چسبی و مکانیکی از دیگر روش‌های اتصال استیل به آلومینیوم هستند.