جوشکاری فولادهای ضد سایش هاردوکس (HARDOX)

احمد قیاسوند – رئیس توسعه و تحقیقات شرکت صنعتی آما

شرکت SSAB فولادهای مقاوم به سایش را تحت نام تجاری هاردوکس تولید می­نماید. ورق­های ضد سایش Hardox به طور گسترده در هر نوع آب و هوا و محیطی قابل استفاده می­باشند. از فولادهای هاردوکس در صنایع مختلف همچون تولید سیمان، معادن، بازیافت مواد و.... به منظور ساخت تجهیزات همچون بیل مکانیکی، لودر، کامیون­های حمل مواد معدنی، نوار نقاله انتقال مواد (صنایع معدنی-صنایع بازیافت مواد)، سنگ شکن، میکسر و .. استفاده می­شود. فولاد هاردوکس به علت اینکه از سختی و چقرمگی مناسبی برخوردار است، عملکرد بهتری نسبت به سایر مواد مقاوم در برابر سایش دارد. ورق­های فولاد ضدسایش هاردوکس از مقاومت به سایش بالایی در برابر ذرات ساینده نرم و سخت برخوردار است. آنالیز شیمیایی و خواص مکانیکی فولادهای ضد سایش شرکت SAAB در جداول 1 و 2 ارائه شده است. این فولاد از جوش‌پذیری خوبی برخوردار است و همچنین به علت اینکه نسبت به سایر فولادهای مقاوم در برابر سایش کربن معادل نسبتا کمتری دارد، مقاومت بیشتری در برابر بروز ترک هیدروژنی دارد.

جدول 1- آنالیز شیمیایی انواع مختلف فولاد هاردوکس

جدول 2- خواص مکانیکی انواع مختلف فولاد هاردوکس

جوشکاری فولاد هاردوکس

برای ایجاد جوش سالم و با کیفیت، قبل از انجام جوشکاری می­بایست محل جوش عاری از هرگونه رطوبت، روغن یا هر گونه آلودگی باشد. همچنین موارد زیر نیز باید در نظر گرفته شود:

• انتخاب الکترود جوشکاری مناسب
• کنترل حرارت ورودی
• دمای پیشگرم و دمای بین پاسی مناسب
• ترتیب صحیح پاس­های جوشکاری و استفاده از طراحی اتصال مناسب (به منظور کنترل اعوجاج اتصال)

حرارت ورودی پارامتر بسیار تاثیرگذاری بر کیفیت فولادهای ضد سایش جوشکاری شده دارد. حرارت ورودی بیش از اندازه سبب افزایش اندازه HAZ می­شود که منجر به افت خواص مکانیکی و همچنین کاهش مقاومت به سایش در HAZ می­شود. از جمله مزایای جوشکاری با حرارت ورودی کم و کنترل شده می­توان به موارد زیر اشاره نمود:

• افزایش مقاومت به سایش HAZ
• عدم ایجاد اعوجاج در اتصال
• افزایش چقرمگی اتصال
• افزایش استحکام اتصال

همچنین جوشکاری با حرارت ورودی خیلی پایین نیز منجر به کاهش تافنس اتصال می­شود. حرارت ورودی مجاز برای جوشکاری انواع فولادهای ضد سایش هاردوکس متناسب با ضخامت ورق در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1 ماکزیمم حرارت ورودی برای انواع فولادهای ضد سایش hardox

بروز ترک سرد هیدروژنی فاکتور مهم دیگر در جوشکاری این نوع از فولادها است. با کنترل موارد زیر خطر بروز ترک سرد هیدروژنی کاهش می­یابد:

• محل جوش تا دمای پیشنهاد شده قبل از جوشکاری گرم شود.
• دمای پیشگرم پیشنهاد شده تا فاصله مناسبی از طرفین محل جوشکاری کنترل و اندازه­گیری شود.
• از الکترود قلیایی مناسب با حداکثر مقدار هیدروژن نفوذی H5 (5 میلی لیتر در 100 گرم فلز جوش) استفاده شود.
• محل جوشکاری عاری از هرگونه آلودگی مانند زنگ زدگی، گریس و روغن باشد.
• به منظور به حداقل رساندن تنش های پسماند، می­بایست از ترتیب جوشکاری مناسب استفاده شود و ترجیحاً بهتر است که شروع و خاتمه جوشکاری از گوشه های اتصال حداقل100-50 میلی­متر فاصله داشته باشد.
• همچنین بهتر است که فاصله ریشه اتصال بیش از 3 میلی متر نباشد.

دمای پیشگرم و بین پاسی مناسب

در صورت استفاده از فلز پرکننده بدون آلیاژ یا کم آلیاژ، حداکثر دمای بین پاسی و حداقل دمای پیش گرم پیشنهاد شده برای جوشکاری فولادهای هاردوکس به ترتیب در جدول 1 و نمودار شکل 2 نشان داده شده است. برای جوشکاری فولاد ضد سایش با ضخامت­های مختلف، دمای پیش گرمایش و بین پاسی مورد نیاز با توجه به قطعه ضخیم­تر تعیین می­شود.

به منظور جوشکاری فولاد ضد سایش غیرمشابه به یکدیگر، دمای پیش گرم و بین پاسی متناسب با توجه به قطعه­ای که بالاترین دمای پیش گرم را نیاز دارد تعیین می­شود.

دماهای پیشنهادی در شکل 2 برای شرایط جوشکاری با حرارت ورودی  1.70 kJ/mm یا بیشتر قابل استفاده است. لذا در صورتیکه حرارت ورودی 1.69 kJ/mm  باشد، توصیه می­شود که دمای پیشگرم 25 درجه سانتی گراد بیشتر از دمای پیش گرم پیشنهاد شده در شکل 2 درنظر گرفته شود.

همچنین درصورتیکه رطوبت محیط زیاد باشد یا دمای محل جوشکاری کمتر از 5 درجه سانتیگراد باشد، می­بایست به دمای پیشنهادی در شکل دو  25 درجه سانتیگراد افزوده شود.

همچنین برای جوشکاری ورق با ضخامت بیشتر از 25 میلی‌متر، توصیه می­شود که طراحی اتصال به صورت Double V غیر متقارن باشد بصورتیکه پاس ریشه 5 میلی­متری با مرکز ضخامت ورق فاصله داشته باشد.

دمای بین پاسی پیشنهاد شده در جدول 3 حداکثر دمای اندازه گیری شده روی فلز جوش یا دقیقا در کنار جوش در ابتدای خط جوش قبل از شروع پاس بعدی است. سرد شدن جوش می­بایست در شرایط کاملا ایده­آل و با یک سرعت ثابت صورت پذیرد به گونه­ای که از وزش باد و یا هر عامل دیگری که سبب سریع سرد شدن جوش می­شود جلوگیری شود. ضمنا تمامی دماهای پیشنهادی در جدول 3 و شکل 2 در مرحله مونتاژ قطعات و جوشکاری پاس ریشه نیز می­بایست رعایت شود. همچنین طول جوش­های انجام شده برای مونتاژ قطعات می­بایست حداقل 50 میلی­متر باشد. در مورد ورقهای با ضخامت کمتر از 8 میلی­متر، طول جوش می­تواند کوتاه­تر از 50 میلی­متر باشد.

جدول 3 دمای پیشگرم پیشنهادی و بیشترین دمای بین پاسی مجاز

ضخامت ورق در شکل 2 ضخامت یکی از ورق­های اتصال در حال جوشکاری است. همچنین حداقل مدت زمان مورد نیاز به منظور اندازه­گیری دمای پیشگرم، 2 دقیقه به ازای هر 25 میلی­متر ضخامت قطعه است.

شکل 2 - دمای پیشگرم پیشنهادی

همچنین دمای پیشگرم می­بایست در فاصله 75 میلی­متری از محل جوشکاری مطابق با آنچه که در شکل 3 نشان داده شده است، اندازه­گیری شود. اندازه­گیری دمای بین پاسی نیز به دو شکل قابل انجام است، دمای بین پاسی می­تواند دقیقا دمای روی پاس جوش و یا دمای فلز پایه مجاور خط جوش باشد.

شکل 3-  محل و شرایط اندازه­گیری دمای پیشگرم و بین پاسی

کنترل اعوجاج اتصال

مقدار اعوجاج اتصال به ضخامت قطعه و فرآیند جوشکاری وابسته است. با درنظر گرفتن موارد زیر مقدار اعوجاج بخصوص در مورد ورق­های با ضخامت کم قابل پیشگیری است:

جوشکاری با کمترین حرارت ورودی ممکن انجام شود. (جوشکاری تک پاس)

طراحی اتصال به گونه­ای انجام شود که حجم جوشکاری حداقل مقدار ممکن را داشته باشد.

از طراحی اتصال متقارن استفاده شود.

قبل از جوشکاری از گیره یا پیش زاویه استفاده شود تا پس از تغییر شکل ناشی از جوشکاری، اتصال به حالت صحیح خود تغییر حالت دهد.

فاصله ریشه بیش از حد نباشد.

در مورد جوش­های Fillet گلویی جوش کمترین مقدار ممکن باشد.

فاصله بین جوش های نگهدارنده در مرحله مونتاژ قطعات کاهش یابد.

از تکنیک جوشکاری back-step welding استفاده شود. در این روش جوشکاری، تمام پاس­های متوالی جوش در خلاف جهت اصلی جوشکاری انجام می­شود.

قبل از جوشکاری دقت شود که مقدار فاصله ریشه از 3 میلی­متر بیشتر نباشد و همچنین بررسی شود که این مقدار فاصله ریشه در طول درز اتصال به طور یکنواخت رعایت شده باشد. همچنین از شروع یا پایان پاس جوش در محل­هایی که تمرکز تنش وجود دارد جلوگیری شود. در صورت امکان نقاط شروع و پایان جوشکاری می­بایست از گوشه­های اتصال 50 تا 100 میلی­متر فاصله داشته باشد. در صورتیکه جوشکاری در گوشه­های قطعه انجام شود، می­بایست با استفاده از ورقهای کمکی (runoff weld tab) جوشکاری خارج از قطعه اصلی تمام شود.

انتخاب فلز پرکننده مناسب

فولاد هاردوکس می­تواند با استفاده از دو گروه فلز پرکننده شامل گروه اول فلزات پرکننده بدون آلیاژ و کم آلیاژ و گروه دوم فلز پرکننده آلیاژی (فلز پرکننده فولاد زنگ نزن) جوشکاری شود.

فلزات پرکننده بدون آلیاژ و کم آلیاژ

معمولا برای جوشکاری فولاد هاردوکس استفاده از فلزات پرکننده بدون آلیاژ و کم آلیاژ با حداکثر استحکام تسلیم 500 مگاپاسکال پیشنهاد می­شود. همچنین در مواردی به منظور جوشکاری فولاد هاردوکس 400 و 450 با محدوده ضخامت 0.7-6 mm امکان دارد از فلزات پرکننده با استحکام بیشتر (استحکام تسلیم 900Mpa) استفاده شود. استفاده از فلزات پرکننده کم آلیاژ، سختی فلز جوش را افزایش داده و این امر منجر به کاهش نرخ سایش فلز جوش می­شود. اگر فلز جش نیز می بایست در برابر سایش مقاوم باشد لذا پس از جوشکاری می­توان سطح جوش را با فلزات پرکننده روکشی سخت پوشش داد. همچنین هیدروژن فلز جوش بدون آلیاژ یا کم آلیاژ مورد استفاده می­بایست در حدود H5 باشد. فلزات پرکننده مناسب برای جوشکاری فولادهای هاردوکس به روش جوشکاری الکترود دستی در جدول 4 ارائه شده است. در صورت انجام صحیح فرآیند جوشکاری و رعایت دمای پیشگرم و بین پاسی ذکر شده، نیازی به عملیات حرارتی تنش زدایی و حذف هیدروژن نمی­باشد.

جدول 4- فلز پرکننده مناسب برای جوشکاری فولاد هاردوکس

فلز پرکننده آلیاژی

از فلزات پرکننده زنگ نزن آستنیتی نیز می­توان به منظور جوشکاری انواع فولادهای هاردوکس استفاده کرد. فولادهای هاردوکس بجز فولاد هاردوکس 600 وExtreme  را می­توان با استفاده از فلزات پرکننده آستنیتی بدون نیاز به انجام پیشگرم قطعه ( در دمای اتاق بین 5 تا 20 درجه سانتیگراد) جوشکاری نمود. به همین منظور از دو نوع الکترود زنگ نزن آستنیتی برای جوشکاری این نوع از فولادها می­توان استفاده نمود. از هر یک از دو الکترود E307-15 و الکترود E309-16 برای جوشکاری این فولادها می­توان استفاده کرد. فلز جوش این نوع الکترودها استحکام تسلیمی نزدیک به 500Mpa دارند. فلز پرکننده E307-15 از مقاومت به ترک انجمادی (ترک گرم) بیشتری نسبت به فلز پرکننده E309-16 برخوردار است. از آنجایی که مقدار هیدروژن فلزات پرکننده زنگ نزن آستنیتی بر خواص مکانیکی فلز جوش تاثیرگذار نیست، لذا ذکر مقدار هیدروژن در مورد این دسته از فلزات پرکننده مرسوم نیست اما در صورت وجود هیدروژن در روکش الکترود، عملکرد جوشکاری با مشکل مواجه می­شود.

مطابق موارد ذکر شده مبنی بر جوشکاری فولادهای هاردوکس از دو نوع الکترود کم آلیاژ و آلیاژی عنوان شده برای جوشکاری این فولادها می­توان استفاده کرد که در ادامه مشخصات فنی این دو نوع الکترود از برند شرکت صنعتی آما ارائه شدهاست.

در صورت استفاده از الکترودهای کم آلیاژ دو کلاس استحکامی 70Ksi و 80Ksi پیشنهاد شده است. به منظور دستیابی به استحکام مورد نیاز استفاده از کلاس استحکامی 80Ksi پیشنهاد می­شود. به همین منظور می­توان از الکترود قلیایی کم هیدروژن AMA1282N با استاندارد AWS A5.5/E8018-GH4 استفاده نمود. قبل از جوشکاری حتما الکترود مطابق دستورالعمل پیشنهادی پخت مجدد گردد. در صورت استفاده از الکترودهای زنگ نزن می­توان از الکترودهای AMA1803J با استاندارد _~AWS A5.4-E307-15 و AMA1464JA با استاندارد _~AWS A5.4-E309L-16 استفاده کرد.

در این بخش مطابق با نمودار شکل 2 در صورت استفاده از الکترودهای زنگ نزن آستنیتی برای جوشکاری هاردوکس 600 با ضخامت تا 65 میلی­متر و هاردوکس Extreme تا ضخامت 20 میلی­متر، اعمال حداقل پیشگرم 100 درجه سانتیگراد لازم است. همچنین در حین جوشکاری رعایت دمای بین پاسی ماکزیمم 150 درجه سانتیگراد نیز توصیه می­شود. نمونه الکترودهای کم آلیاژ و آلیاژی تولید شرکت صنعتی آما مناسب برای جوشکاری فولادهای هاردوکس و معادل نام استانداردی آنها در جدول زیر ارایه شده است.

استاندارد مربوطه	نام تجاری شرکت صنعتی آما		نوع فلز پرکننده
AWS A5.5-E8018-G-H4	AMA 1282N		فلز پرکننده کم آلیاژ
AWS A5.4-E307-15~	AMA 1803J		فلز پرکننده آلیاژی
AWS A5.4-E309L-16	AMA 1464JA

مرجع:

راهنمای جوشکاری فولادهای هاردوکس شرکت SAAB - Welding of hardox wear plate

E 8018–G–H4	AWS/ASME SFA-5.5
E Y 5076 Mn 1 Ni B H5	DIN 8529
E  50 6 Mn 1 Ni B 42 H5	EN 499

خواص و كاربرد:

الکترود قليايی براي جوشكاري فولادهاي دانه‌ريز كه در مخازن تحت فشار، ديگ‌ها، لوله‌ها، اسكلتهای فولادی، سدسازی و كشتی سازی استفاده می شوند. جوش آن چقرمه و مقاوم به ترک بوده و دارای مقدار هيدروژن كمی می باشد. اين الكترود دارای قوس پايدار و متمركز بوده و به اين جهت برای وضعيت‌های اجباری مناسب می باشد. جوش آن از نظر آزمايش راديوگرافی از كيفيت مناسبی برخوردار است.

تركيبات شيميايی فلز جوش خالص (درصد):

C	Mn	Si	Ni
0.06	1.6	0.50	0.5

خواص مکانیکی فلز جوش خالص :

استحكام كششی ( N/mm 2 )	استحكام تسليم ( N/mm 2 )	ازدياد طول A5 (%)	(J)مقاومت به ضربه ISO - V +20°C       -60°C
590 - 690	>510	>23	200       60

قطر،نوع و مقدار جریان :

جريان مستقيم قطب معکوس
قطر الكترود (ميليمتر)	طول الكترود (ميليمتر)	جريان مورد توصيه (آمپر)
2.5	350	95 – 65
3.25	450	135 – 95
4.0	450	180 – 140
5.0	450	240 – 190

حالات جوشکاری: تخت،افقی ، عمودی سربالا،بالاسر

موارد مصرف:

DIN Standard	StE 420 to StE 500; St 37-3 to St 52-3; WStE 420 to WStE 500; TStE 255 to TStE 500; StE 240.7 TM to StE 445.7 TM; StE 210.7 to StE 445.7; EStE 255 to EStE 460.
EN Standard	S255N to S355N;S235J2G3 to S355J2G3; P255NH to P500NH; S255NL to S500NL; L245MB to L450MB; L210-L450NB; E295 to E335; P355 NL 1 to P460NL1; S380N to S460N; P355NH to P460NH; S380NL to S460NL; S255NL1 to S420NL1.
ASTM Standard	A516 Gr.65, A572 Gr.55, 60, 65, A633 Gr. E, A612, A618 Gr. I, A537 Gr. 1-3. A678 Gr. A-D.

ملاحظات:

• فقط الكترود خشک مصرف شود.
• خشک كردن مجدد: به مدت 2 ساعت در دمای 300 تا 350 درجه سانتيگراد

E 307–15 (mod.)	AWS/ASME SFA-5.4
1.4370	Comparable No. of material
E 18 8 Mn B 20+	DIN 8556
E 18 8 Mn B 42	prEN 1600

خواص و كاربرد:

الکترود قليايی كه برای جوشكاری فولادهای غير همجنس و روكش‌كاری استفاده می شود. فلز جوش شامل فولاد اوستنيتی كروم، نيكل و منگنز با مقدار كمی فريت دلتا می باشد كه تا دمای 850 درجه سانتيگراد پوسته نمی زند. به علت مقاومت بالای فلز جوش در مقابل ترک خوردن، برای جوشكاری فولادهای بدجوش، يا به عنوان لايه تنش‌گير روی فلزات پايه حساس به ترک و يا مواردی كه روكشی سخت انجام می شود مورد استفاده قرار می گيرد. بالاترين دمای كاری حدود 300 درجه سانتيگراد می باشد كه برای دماهای بالاتر بايستی الكترود AMA 1604G استفاده شود. فلز جوش اين الكترود قابل كار سخت شدن می باشد.

تركيبات شيميايی فلز جوش خالص (درصد):

C	Mn	Si	Cr	Ni
0.12	0.6	0.4	19	9

خواص مکانیکی فلز جوش خالص :

استحكام كششی ( N/mm 2 )	استحكام تسليم %0.2 ( N/mm 2 )	ازدياد طول A5 (%)	(J) مقاومت به ضربه ISO - V +20°C       -60°C
650	400	35	100          60

قطر،نوع و مقدار جریان  :

جريان مستقيم قطب معکوس
قطر الكترود (ميليمتر)	طول الكترود (ميليمتر)	جريان مورد توصيه (آمپر)
2.5	250	70– 65
3.25	300	120– 95
4.0	350	160 – 110
5.0	350	190 – 150

حالات جوشکاری: تخت،افقی ، عمودی سربالا،بالاسر

موارد مصرف:

نوع روپوش: قليايی .

ملاحظات:

خشک کردن مجدد : به مدت 2 ساعت در دمای 300 درجه سانتیگراد

در مورد جوشکاری فولادهای بدون آلیاژ بیش از 0.25 درصد کربن بسته به

ضخامت ورق و مقدار کربن ، پیشگرم کردن بین 150 تا 300 درجه سانتیگراد

توصیه می شود.

در حرارتهای بیش از 300 درجه سانتیگراد ، فولادهای منگنزدار سخت شده و نرمی

خود را از دست می دهند و برای آنکه بتوان اتصال خوب و مطمئن در قطعات

تعمیری فولادهای منگنزدار بدست آورد ، بایستی موارد زیر مورد توجه قرار گیرند :

الف - در محل اتصال با سنگ زدن یک شیار تمیز ایجاد می گردد .

ب - هر گونه زایده با سنگ زدن برطرف گردد.

ج - محل اتصال از هرگونه روغن ، زنگ زدگی و گرد و خاک کاملا پاک شود.

د - گرده جوش بسیار نازک و جوشکاری بدون نوسان باشد .

ه - فواصل زمانی لازم جهت خنک شدن رعایت گردد .

و - از الکترودهای با قطر کم استفاده شود .

ح - به هیچ وجه قطعه مورد جوشکاری را نباید پیشگرم کرد .

E307-15

E 309 L–16	AWS/ASME SFA-5.4
1.4332	Comparable No.of material
E 2312 L R 26	DIN 8556
E 23 12 L R 12	prEN 1600

خواص و كاربرد:

الکترود روتیلی که برای اتصال فولادهای غیر همجنس (فولادهای اوستنیتی به فولادهای فریتی) و همچنین روکش کاری لایه زنگ نزن روی فولادهای معمولی مناسب مي‌باشد. فلز جوش آن شامل اوستنيت و حدود 15 درصد فريت دلتا مي‌باشد. روكش‌ها روي فولادهاي كم‌آلياژ يا آلياژي در اولين لايه مقاوم به خوردگي هستند. بالاترين دماي كاري براي اتصالات فولادهاي غيرهمجنس 300 درجه سانتيگراد مي‌باشد. براي دماهاي بالاتر بايستي از الكترود AMA 1604G استفاده نمود. انتقال فلز بصورت قطرات ريز، تميزي و يكنواختي سطح گرده، جدا شدن آسان سرباره، روشن شدن و دوباره روشن شدن آسان قوس الكتريكي از مشخصات اين الكترود مي‌باشد.

تركيبات شيميايي فلز جوش خالص (درصد):

Ni	Cr	Si	Mn	C
13.0	24	0.9	0.70	0.025

خواص مكانيكي فلز جوش خالص:

مقاومت به ضربه (J) ISO - V	ازدياد طول A5 (%)	استحكام تسليم %0.2 (N/mm2)	استحكام كششي (N/mm2)
+ 20 ° C
60	30	400	600

جريان مستقيم قطب معكوس و جريان متناوب
قطر الكترود (ميليمتر)	طول الكترود (ميليمتر)	جريان مورد توصيه (آمپر)
2.5	250	60 – 90
3.25	350	90 – 120
4.0	350	100 – 160
5.0	350	140 - 210

موارد مصرف:

1.4406 X2CrNiMoN 17 12 2; 1.4401 X5CrNiMo 17 12 2; 1.4404 X2CrNiMo 17 13 2 G-X2CrNiMoN 18 10; 1.4311 X2CrNiN 18 10	DIN EN Standard
ASTM/ACI A240/A312/A351 : (TP)304LN; (TP)304L; CF-3; (TP)304	other Standard

ملاحظات:

• فقط الکترود خشک مصرف شود.
• خشک کردن مجدد: به مدت 2 ساعت در دمای 350  تا 400 درجه سانتیگراد