الکترود و سیم جوش مناسب فولاد زنگ نزن دوفازی

فولاد زنگ نزن دوفازی دارای ریزساختاری شامل فریت و آستنیت در کنار یکدیگر است. ریزساختار این نوع فولادها در شکل ۱ نشان داده شده است. این نوع فولادهای زنگ نزن به دلیل مقاومت بیشتر در برابر ترک‌های ناشی از خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking)، نسبت به بسیاری از انواع دیگر فولادها عملکرد بهتری دارند.

این نوع فولاد نسبت به فولاد زنگ نزن آستنیتی از مقاومت بیشتری در برابر ترک‌خوردگی تنشی برخوردار است و نسبت به فولاد زنگ نزن فریتی، چقرمگی شکست بهتری دارد. با توجه به این ویژگی‌ها، از فولاد زنگ نزن دوفازی در صنایع مختلفی همچون پتروشیمی، مخازن حمل مواد شیمیایی، سازه‌های دریایی و پل‌ها استفاده می‌شود.

خواص فولادهای زنگ نزن دوفازی

ریزساختار فولاد زنگ نزن دوفازی شامل دانه‌های آستنیت و فریت با تعادل فازی تقریباً 50 درصد فریت و 50 درصد آستنیت است. در این شرایط پایدارترین ریزساختار ایجاد میشود و در این حالت خواص فولاد زنگ نزن دوفازی در بهترین حالت خود قرار دارد.

فولاد زنگ نزن دوفازی در مقایسه با فولاد زنگ نزن آستنیتی از برتریهای عنوان شده در ادامه برخوردار است:

• ضریب انبساط حرارتی کمتر و رسانایی حرارتی بیشتر
• استحکام بیشتر در دمای اتاق
• مقاومت بسیار عالی در برابر خوردگی حفره‌ای و ترک خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking)

اما در مقابل، این نوع فولاد نسبت به فولاد زنگ نزن آستنیتی معایبی نیز دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مقدار نیتروژن (N) بیشتر
• تغییرات ریزساختاری بزرگتر ناشی از عملیات حرارتی و کاهش بیشتر مقاومت در برابر خوردگی

پس از جوشکاری این نوع از فولادها تغییرات ریزساختاری به ویژه در منطقه متاثر از حرارت (HAZ) رخ میدهد. فولاد زنگ نزن دوفازی با توجه به ترکیب شیمیایی، عمدتا به سه نوع تقسیم‌بندی می‌شود:

1. فولاد زنگ نزن دوفازی استاندارد: دارای 22% کروم- 5% نیکل- 3% مولیبدن- 0.15% نیتروژن است.
2. فولاد زنگ نزن ویژه: عناصر Mo و N به آن افزوده می‌شود تا استحکام و مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای در دمای اتاق بیشتر شود. 
3. فولاد زنگ نزن ویژه / Lean Duplex stainless steel: مقادیر نیکل و مولیبدن از مقدار مشخص شده در استاندارد کمتر است و همین امر باعث کاهش قیمت آن می‌شود.

آنالیز شیمیایی معمول سه نوع فولاد زنگ نزن دوفازی در جدول 1 نشان داده شده است. همچنین در شکل 1 مقایسه نسبی بین استحکام کششی و شاخص مقاومت به خوردگی حفره‌ای [PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N] برای فولادهای زنگ نزن مختلف نشان داده شده است. 

بررسی جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوفازی

HAZ در فولادهای زنگ نزن دوفازی:

در فولاد زنگ نزن دوفازی، دو فاز آستنیت و فریت پس از یک فرآیند عملیات حرارتی متعادل می‌شوند. به همین دلیل مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای و خواص مکانیکی به مراتب کاهش می‌یابد. تعادل فازی و ترکیب شیمیایی هر دو فاز به سرعت سرد شدن فلز جوش بستگی دارد و این وابسته به مقدار حرارت ورودی و ضخامت قطعه در حال جوشکاری است. 

به طور دقیق‌تر، در موارد HAZ با دمای بالا (HT-HAZ) در نزدیک مرز جوش، در ابتدا دانه‌های آستنیت در فاز فریت حل می‌شوند و سپس به‌عنوان دانه‌های آستنیتی در طی فرآیند سرد شدن رسوب می‌کنند و ریزساختارهای دوتایی را ایجاد می‌کنند. با این حال، زمانی که به دلیل حرارت ورودی کم، سرعت سرد شدن بسیار زیاد است، رسوب مجدد دانه های آستنیت به تاخیر افتاده و کاربیدها و یا نیتریدهای کروم در دانه های فریتی رسوب می‌کنند. در نتیجه، لایههای خالی از کروم در اطراف HAZ به وجود می‌آید و موجب کاهش مقاومت به خوردگی میشود. 

از سوی دیگر در HAZ با دمای پایین (LT-HAZ) در فاصله‌ای دورتر از مرز جوش، به دلیل حرارت ورودی زیاد و در پی آن سرعت سرد شدن کم، این امر می‌تواند باعث درشت شدن دانه های فریت و رسوب فاز سیگما (σ) شود و همچنین کاربیدها و نیتریدهای کروم نیز منجر به کاهش انرژی شکست و مقاومت به خوردگی میشوند.

در نتیجه، سرعت سرد شدن پایین در موارد HAZ با دمای بالا HT-HAZ منجر به این میشود که دانه‌های آستنیت بتوانند به اندازه کافی رسوب کنند، در حالی که موارد HAZ با دمای پایین LT-HAZ با سرعت سرد شدن سریعتر منجر به این میشود که رسوبات مضر ناشی از فرآیند رسوب گذاری را از بین ببرد. بر این اساس، برای برآورده کردن الزامات هر دو شرایط HT-HAZ و LT-HAZ از طریق حرارت ورودی مناسب، استفاده از پیش گرمایش مناسب و رعایت دمای بین پاسی مناسب بسیار ضروری است.

فلز جوش فولادهای زنگ نزن دوفازی:

در فولاد زنگ نزن دوفازی، دو فاز آستنیت و فریت پس از فرآیند عملیات حرارتی به تعادل می‌رسند. این تعادل فازی برای حفظ مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای و خواص مکانیکی مناسب اهمیت دارد. تعادل فازی و ترکیب شیمیایی هر دو فاز به سرعت سرد شدن فلز جوش بستگی دارد و این سرعت نیز به مقدار حرارت ورودی و ضخامت قطعه در حال جوشکاری وابسته است.

به‌طور دقیق‌تر، در منطقه HAZ با دمای بالا (HT-HAZ) و در نزدیکی مرز جوش، در ابتدا دانه‌های آستنیت در فاز فریت حل می‌شوند و سپس در طی فرآیند سرد شدن، به‌صورت دانه‌های آستنیتی رسوب می‌کنند و ریزساختار دوفازی را ایجاد می‌کنند. با این حال، زمانی که به دلیل حرارت ورودی کم، سرعت سرد شدن بسیار زیاد باشد، رسوب مجدد دانه‌های آستنیت به تأخیر می‌افتد و کاربیدها و نیتریدهای کروم در دانه‌های فریتی رسوب می‌کنند. در نتیجه، لایه‌های فقیر از کروم در اطراف HAZ به وجود می‌آیند و موجب کاهش مقاومت در برابر خوردگی می‌شوند.

از سوی دیگر، در منطقه HAZ با دمای پایین (LT-HAZ) و در فاصله‌ای دورتر از مرز جوش، حرارت ورودی زیاد و در پی آن سرعت سرد شدن کم می‌تواند باعث درشت شدن دانه‌های فریت و رسوب فاز سیگما (σ) شود. همچنین، رسوب کاربیدها و نیتریدهای کروم نیز می‌تواند موجب کاهش انرژی شکست و مقاومت در برابر خوردگی شود.

در نتیجه، سرعت سرد شدن مناسب در مناطق HAZ با دمای بالا (HT-HAZ) و HAZ با دمای پایین (LT-HAZ) اهمیت زیادی دارد. در HT-HAZ، سرعت سرد شدن باید به‌گونه‌ای باشد که دانه‌های آستنیت فرصت کافی برای رسوب مجدد داشته باشند. در مقابل، در LT-HAZ باید از شرایطی که موجب تشکیل رسوبات مضر می‌شوند جلوگیری شود. بر این اساس، برای دستیابی به شرایط مناسب در هر دو منطقه HT-HAZ و LT-HAZ، کنترل حرارت ورودی، استفاده از پیش‌گرمایش مناسب و رعایت دمای بین‌پاسی مناسب ضروری است.

Impact energy (j) ISO -V -20°C

Elongation A5 (%)

Tensile Strength ( N/mm 2 )

Yield Strength ( N/mm 2 )

N

Mo

Ni

Cr

Si

Mn

C

کد استاندارد

کد شناسایی آما

>47

>20

>690

>550

0.12

3.2

9

21.5

0.8

0.9

0.025

AWS/ASME SFA – 5.4:   E 2209-16

AMA 1335JB

@+25ºC:160

26

720

560

0.08-0.2

2.5-3.5

7.5-9.5

21.5-23.5

≤0.9

0.5-2

≤0.03

AWS/ASME SFA-5.9 ER2209

AMA     30-25T

انتخاب الکترود مناسب

هنگام جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوفازی، بسته به شرایط، توصیه می‌شود فلز پرکننده مورد استفاده دقیقاً مشابه یا بالاتر از نوع فلز پایه در حال جوشکاری انتخاب شود. به‌عنوان مثال، هنگام جوشکاری فولاد زنگ نزن دوفازی استاندارد، می‌توان از الکترود جوشکاری معادل AWS A5.4: E2209 استفاده کرد. نحوه انتخاب فلز پرکننده مناسب برای فولادهای زنگ نزن دوفازی در جدول ۳ نشان داده شده است.

جدول 3: انتخاب مواد مصرفی جوشکاری فولاد ضد زنگ دوفازی

2209 type	Welding consumable grade
AMA 30-25T	GTAW	Product name Base metal	Duplex stainless steel grade
AMA 1335 JB	SMAW
	UNS S32101UNS S32304		lean
	UNS S31803UNS S32205		standard
	UNS S32750UNS S32760		super

  مناسب

  قابل قبول

غیر مناسب                                       

انتخاب الکترود برای جوشکاری‌های غیر هم‌جنس

در صورت جوشکاری بین فولاد کربنی یا فولاد زنگ نزن آستنیتی و فولاد زنگ نزن دوفازی، می‌توان از الکترودهای E309L (AMA1464JA) و E309Lmo (AMA1474LMo) یا الکترود مورد استفاده برای جوشکاری فولاد زنگ نزن دوفازی، یعنی E2209 (AMA1335JB)، استفاده کرد. نحوه انتخاب الکترود مناسب در جدول ۴ نشان داده شده است.

Austenitic stainless steel		Carbon steel /  Low alloy steel	Duplex stainless steel grade
316L type	304L type
1464JB- A5.4: 2307	1464JA -1464JB- A5.4: 2307	1464JA-1464JB-A5.4: 2307	Lean
1464JB-1335JB	1464JA -1464JB-1335JB	1464JA -1464JB-1335JB	Standard
1464JB- A5.4: 2594	1464JA -1464JB- A5.4: 2594	1464JA -1464JB- A5.4: 2594	Super

نکات مهم در جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوفازی

جوشکاری فولادهای زنگ نزن دوفازی در حالت کلی مشابه جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی است، اما برای دستیابی به جوشی باکیفیت و استحکام مناسب، باید دقت زیادی به خرج داد. در ادامه، برخی از عوامل مؤثر در دستیابی به این هدف بررسی می‌شوند.

مقدار حرارت ورودی

کنترل مقدار حرارت ورودی در همه فرآیندهای جوشکاری اهمیت دارد. با این حال، فولاد زنگ نزن دوفازی از مقادیر کروم و مولیبدن بیشتری نسبت به دیگر فولادهای زنگ نزن برخوردار است. اگر فلز جوش به دلیل حرارت ورودی بیش از حد، بسیار آرام سرد شود و برای مدت زمان زیادی در محدوده دمایی ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار گیرد، فاز سیگما تشکیل می‌شود و باعث کاهش انرژی شکست می‌شود.

از سوی دیگر، هنگامی که سرعت سرد شدن فلز جوش به دلیل حرارت ورودی بسیار کم، بیش از حد افزایش یابد، نیتریدهای کروم در HAZ و در نزدیکی مرز جوش رسوب می‌کنند و در نتیجه، لایه‌ای فقیر از کروم باقی می‌ماند. این امر باعث کاهش مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. از آنجایی که سرعت سرد شدن بر مقدار عدد فریت فلز جوش تأثیرگذار است، لازم است از ایجاد حرارت ورودی بسیار کم یا بسیار زیاد جلوگیری شود. معمولاً سعی می‌شود مقدار حرارت ورودی بین ۰.۵۰ تا ۲.۵۰ KJ/mm قرار گیرد.

ترکیب گاز محافظ در جوشکاری GTAW

معمولاً از جوشکاری TIG با گاز محافظ ۱۰۰ درصد آرگون به‌عنوان روش مناسبی برای جوشکاری پاس ریشه لوله‌های فولادی زنگ نزن استفاده می‌شود. با این حال، اگر از گاز محافظ ۱۰۰ درصد آرگون برای جوشکاری TIG با فلز پرکننده توپر در فولاد زنگ نزن دوفازی استفاده شود، ممکن است مقدار نیتروژن در فلز جوش کاهش یابد. در این حالت، مقداری از نیتروژن به‌صورت گاز N₂ از حوضچه مذاب جوش خارج می‌شود. این امر باعث کاهش بیش از حد فریت و PREW در فلز جوش می‌شود و در نتیجه، انرژی شکست و مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای کاهش می‌یابد. به‌منظور جلوگیری از بروز چنین مشکلاتی، توصیه می‌شود بسته به مقدار نیتروژن موجود در فلز جوش یا فلز پایه، حدود ۲ درصد گاز N₂ به گاز محافظ اضافه شود.

جلوگیری از بروز ترک در جوشکاری زیرپودری Submerged Arc Welding

جوشکاری فولاد زنگ نزن دوفازی نسبت به جوشکاری فولاد زنگ نزن آستنیتی، حساسیت بیشتری به بروز ترک گرم دارد. بنابراین، احتمال بروز ترک گرم در جوشکاری زیرپودری زیاد است. امکان بروز ترک گرم به پروفیل جوش بستگی دارد. به همین منظور، توصیه می‌شود برای جلوگیری از بروز ترک گرم در جوشکاری زیرپودری، از جوشکاری به روش شیار باریک و استفاده از جریان و سرعت جوشکاری زیاد پرهیز شود. همچنین، باید پیش از انجام جوشکاری، حتماً تست‌های تأییدیه (PQR) تهیه و سپس جوشکاری انجام شود.

الکترود AMA 1335JB

Standards
AWS/ASME SFA – 5.4	E 2209-16
Comparable No.of material	1.4462
prEN 1600	E 22 9 3 N L R 12

خواص و کاربرد:

الکترود روتیلی که برای اتصال فولادهای زنگ نزن دوفازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. فلز جوش آن تقریباً حاوی ۲۵ تا ۳۵ درصد فریت دلتا است. فلز جوش این الکترود مقاومت بالایی در برابر انواع خوردگی بین‌دانه‌ای، خوردگی حفره‌ای و خوردگی تحت شرایط تنشی (SCC) دارد. انتقال فلز به‌صورت قطرات ریز، تمیزی و یکنواخت بودن سطح گرده، سهولت در برداشتن سرباره و روشن شدن و دوباره روشن شدن آسان، از خصوصیات این الکترود است.

تركیبات شیمیایی فلز جوش خالص (درصد):
C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	N
0.025	0.9	0.8	21.5	9	3.2	0.12

خواص مکانیکی فلز جوش خالص:
مقاومت به ضربه (J)ISO –V-20℃	ازدیاد طولA5 (%)	استحكام تسلیم(N/mm2)	استحكام كششی(N/mm2)
>47	>20	>550	>690

نوع جریان مصرفی

قطر الكترود (میلیمتر)	طول الكترود (میلیمتر)	جریان مورد توصیه (آمپر)
2.5	300	55 - 85
3.25	300	80 - 120
4.0	350	110 - 150
5.0	350	140 - 210

حالات جوشکاری: تخت، افقی، عمودی سربالا، بالاسر

موارد مصرف:

اتصال فولادهای غیر آلیاژی، کم‌آلیاژ و زنگ نزن دوفازی X2CrNiMoN 22 5 3 1.4462

ملاحظات:

فقط الکترود خشک استفاده شود.

خشک کردن مجدد: به مدت ۲ ساعت در دمای ۳۰۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد

خواص و کاربرد:

سیم جوش تیگ مقاوم به خوردگی برای جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی از نوع 20Cr-25Ni-4.5Mo-1.5Cu است. فلز جوش آن در برابر خوردگی تنشی و خوردگی مرزدانه‌ای مقاوم است. مقاومت به خوردگی حفره‌ای و خوردگی شیاری فلز جوش این محصول بهتر از نمونه فولادهای 18Cr-8Ni-Mo است. فلز جوش این محصول کاملاً آستنیتی است و باید با مقدار Heat Input کم جوشکاری شود.

تركیبات شیمیایی فلز جوش (درصد):
Cu	Mo	Ni	Mn	Cr	Si	C
1.2 - 2	4.2 – 5.2	24 - 26	1 – 2.5	19.5 – 21.5	≤0.5	≤0.025

گاز محافظ: 100% آرگون     

خواص مكانیكی فلز جوش خالص:
انرژی ضربه‌ای (J)ISO –V+25℃	ازدیاد طولLo = 4d%	استحکام تسلیم 0.2% (N/mm2)	استحكام كششی(N/mm2)
120	36	350	550

موارد مصرف:

جوشکاری فلزات با آنالیز شیمیایی مشابه مانند 904L (UNS N08904)

ساخت تجهیزات و مخازن حمل‌ونقل و انبار اسید سولفوریک و اسید فسفریک

تحویل:

به وزن ۵ کیلوگرم در قطرهای ۱/۶، ۲/۴ و ۳/۲ میلی‌متر و طول ۱۰۰۰ میلی‌متر

سیم جوش AMA 30-25T

Standards
AWS/ASME SFA-5.9	ER2209

خواص و کاربرد:

سیم جوش تیگ دوفازی مقاوم به خوردگی برای جوشکاری آلیاژهای زنگ نزن آستنیتی-فریتی 22Cr-5Ni-3Mo است. فلز جوش آن مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارد. در محیط‌های کلرید و سولفید هیدروژن، مقاومت خوبی در برابر خوردگی مرزدانه‌ای، خوردگی حفره‌ای و خوردگی تنشی دارد.

تركیبات شیمیایی فلز جوش (درصد):
N	Mo	Ni	Mn	Cr	Si	C
0.08 - 0.2	2.5 – 3.5	7.5 – 9.5	0.5 - 2	21.5 – 23.5	≤0.9	≤0.03

گاز محافظ: 100% آرگون     

خواص مكانیكی فلزجوش خالص:
انرژی ضربه‌ای (J)ISO –V+25℃	ازدیاد طولLo = 4d%	استحكام تسلیم 0.2% (N/mm2)	استحكام كششی(N/mm2)
160	26	560	720

اطلاعات اپراتوری:

افزودن تا ۲ درصد نیتروژن (N₂) و ۲۰ تا ۳۰ درصد هلیم (He) مفید است و اثر مثبتی بر خواص مکانیکی و همچنین مقاومت در برابر خوردگی دارد. افزودن هلیم انرژی قوس را افزایش می‌دهد.

دبی گاز: ۴ تا ۸ L/min

به‌طور کلی، پیش‌گرم مورد نیاز نیست. دمای بین‌پاسی و Heat Input باید کنترل شود.

موارد مصرف:

به‌طور وسیعی در صنایع فراساحل و فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نیروگاه برق هسته‌ای (ساخت و تعمیرات)

Alloy 2205، Alloy 2304

تحویل:

به وزن ۵ کیلوگرم، در قطرهای ۱.۶، ۲.۴ و ۳.۲ میلی‌متر و طول ۱۰۰۰ میلی‌متر

جمع‌بندی 

فولادهای زنگ نزن دوفازی به دلیل ترکیب هم‌زمان فازهای فریت و آستنیت، استحکام بالا، چقرمگی مناسب و مقاومت مطلوب در برابر خوردگی، در صنایع مختلفی مانند پتروشیمی، صنایع شیمیایی، سازه‌های دریایی و نیروگاه‌ها کاربرد گسترده‌ای دارند. با این حال، جوشکاری این فولادها به کنترل دقیق عواملی مانند حرارت ورودی، سرعت سرد شدن، دمای بین‌پاسی و ترکیب گاز محافظ نیاز دارد تا تعادل فازی و خواص مکانیکی و خوردگی فلز جوش و منطقه متاثر از حرارت حفظ شود. انتخاب صحیح فلز پرکننده نیز اهمیت زیادی دارد. برای جوشکاری فولادهای دوفازی، الکترود E2209 و سیم جوش ER2209 از گزینه‌های متداول هستند و در برخی اتصالات غیرهم‌جنس نیز می‌توان از مواد مصرفی مناسب مانند E309L استفاده کرد. در نهایت، رعایت پارامترهای صحیح جوشکاری و استفاده از مواد مصرفی متناسب با گرید فولاد پایه، نقش مهمی در دستیابی به یک اتصال مقاوم و باکیفیت دارد.