به فوالدAISI 347 آستنيتي نزن زنگمشابه فوالدريغيها جوش ريزساختاريابيارز تنگستني با گاز محافظيقوسبه روش جوشكاري ASTM A335اژيآل كم

1، مسعود كثيري2انيشمعان، مرتضي1ايمان حاجيان نيا

نجف آباد واحد اسالمي آزاد دانشگاهگروه مهندسي مواد،1 اصفهان صنعتي دانشگاهشكده مهندسي مواد، دان2

چكيدها رنيدر اژيآلكمفوالدبه 347AISIيتيآستن نزن زنگفوالد رمشابهيغيها جوش زساختاريپژوهش،

A335 بديمورد بررس و با دو محافظ با گازي تنگستنيقوس جوشكاري منظور از روشنيقرار گرفت.

ساختار مناطق مختلف هر اتصالزير،يتفاده شد. پس از جوشكاراس ER309Lو ERNiCr-3فلز پركننده

با)UMZ(و مناطق مخلوط نشدهها مشترك، فصل)HAZ(مناطق متأثر از حرارت جوش،شامل فلزات

س)SEM(يروبشيالكترونوينور كروسكوپيم مورد بررسي،)EDS(ييايميشزيآنال ستميمجهز به

بايتيآستن كامالًو محورهميتي، انجماد به صورت دندرERNiCr-3. در فلز جوش قرار گرفت همراه

و كمپلكسديكارب رسوبات رخ داد. انجماد فلز جوشيتيدندرنيبمناطقدروميوبينشيجدابود

ER309L شكل صورت گرفت.ياسكلت فريتيو با مورفولوژتيهمراه با آستنهياول فريت، به صورت

و در فصل مشترك رونشستيرشد347يتيآستن نزن زنگبا فوالد در فصل مشترك فلزات پركننده

شدكيمنطقه باركي A335اژيآلكمفلزات پركننده با فوالد هر دو HAZدر منطقهنيهمچن؛مشاهده

رخ داد.ها دانهدرشت شدن،هيفلز پا

اختارريزس،اژيآلكمفوالد،آستنيتي نزن زنگفوالد،جوشكاري غيرمشابه:يديكل كلمات

1 Iman_hajiannia@yahoo.com

91سمپوزيوم فوالد 208

مقدمه

اي كه به ميزان گسترده باشديمدر صنعت مصرفپريفوالدها، يكي از347آستنيتي نزن زنگفوالد

و همچنين در دماهاي باال مورد استفاده قرار در كاربردهاي مقاوم به خوردگي در محيط هاي آبي

و.گيرد مي و گاز، پااليشگاه برق كاربرد فراوان دارد. مقاومت توليديها روگاهيناين فوالد در صنايع نفت

[فوالد اين كروم به خاطر ميزان بااليبه اكسيداسيون در دماي باال ]. وجود نيكل كه عنصري1است

اژيآلكم ]. فوالدهاي2[ شوديمخواص مقاوم به حرارت اين آلياژ باال رفتن، باعث باشديمزاتيآستن

و مقاومت در برابركه باشنديم از فوالدهاديگريا دسته دار بدنيمول-موكر از مقاومت به سايش

نيها در درجه حرارتو باشنديم برخوردار خوبي نسبتاًخوردگي استحكام خود را از دستزينسبتاً باال

كريز دهندينم نيفوالدها را تأمنيايباالياستحكام در دما بدنيو موليمقاومت به خوردگمورا

وو فشار باالتحتيبندآبهاي عدسيها، دندهي ساخت چرخبرااين فوالدها.كنديم در صنايع نفت

به دليل اتصاالت غيرمشابهريناپذ اجتنابامروزه كاربرد].3و2[ دارنديا گستردهكاربرد نيروگاهي

بهويمالحظات اقتصاد وتر مناسبمكانيكي خواص دستيابي و افزايش عملكرد در كاربردهاي دماي باال

جمله اين اتصاالتاز؛براي بسياري از آلياژها گسترش يافته استيمقاومت در برابر خوردگايش افز

در همين راستا.اشاره نموداژيآلكميفوالدهابه نزن زنگفوالدهاي بين به اتصال توانيمغيرمشابه

روگروهي از محققين، تحقيقات خود را از جمله؛اند ساختهجوشكاري غيرمشابه اين آلياژها متمركزيبر

به فوالد304 نزن زنگمختلف جوشكاري را براي فوالديها روشكه]4[و همكاراننگا واژايار

و بهترين خواص مكانيكي را با استفاده از روش جوشكاري پرتو الكتروني 4140اژيآل كم بررسي كردند

سر سرعت سردبه دليل كه نشان دادهاآننتايج.بدست آوردند و زمان كوتاه در معرضشدن حرارت يع

كاهشها مرزدانهدر كروممقدار كاربيدهاي غني از در اين روش جوشكاري، االت اتص قرار گرفتن

آستنيتي نزن زنگفوالدوMo1-Cr25/2شكست يك اتصال انتقالي بين فوالد]5[ كلوههمچنين. ابدييم

ه قرار داد. تحقيقات او نشان داد را مورد مطالع 182ل اينكون پايه نيكلي ايجاد شده توسط فلز پركننده321

ا كه از حرارت متأثرسال، ناحيه15تا10طي مدت زمانقرارگيري اين اتصال در معرض دماي باالزپس

با.درشت خواهد شد كه در نهايت شكست در اين ناحيه را در پي خواهد داشت فريتيها دانهداراي

ب شده ياد مطالببه توجه به فوالد347آستنيتي نزن زنگفوالده مشاب غير اتصال اينكهبه توجهاو

برخوردار بااليي اهميتازيحرارتيها مبدلدر به خصوصوو گازدر صنايع نفت A335اژيآل كم

و زساختاريرلذا تحقيق بر روي است تعيين بهترين فلز پركننده، با بهترين خواص مناطق مختلف جوش

انجام پذيرفت.خواص مطلوب جهت حصول رمشابهيغاتصالنيا برايمهندسي

209........هاي ارزيابي ريزساختار جوش

روش تحقيق

ازينادر و ضخامت هشت قطرهبيها لولهتحقيق يتيآستننزن از نوع فوالد زنگ متر يليمهشت اينچ

در كار صورتبه 347 و به عنوان فلزات پايه استفاده A335اژيآلكمو فوالديانحالليلآنيطشراشده

دريهپافلزات يمياييشيبكترشد. نشان داده شده است. جهت اتصال1جدولو فلزات تمام جوش

مطالعه مراجع از دو فلز پركننده بر اساسو CASME SEC.II, Partبر طبق استاندارديهپافلزات

ER309L وERNiCr-3 در ازيتماماستفاده شد. يشهرجهت پاس متر يليم4/2با قطرييها مفتولموارد

شدند. طرحيساز آمادهها لوله شكلVاريشاتصال لب به لب با جهت استفاده شد.يبعديها پاسو

هدايتليدلبه AISI 347يتيآستن نزن زنگمونه فوالدن شده است. ارائه1 شكل اتصال مورد استفاده در

و ضريب انبساط پايين و فوالد گرمشيپبدون حرارتي باال توجه به با موليبدن دار-ومكراژيآلكمكردن

يها تنشكاهشوسرد در منطقه مجاور جوشيها تركجلوگيري از ايجاد به منظورضخامت لوله

به ASME SEC.IX QW-406 استاندارد طبق گراديسانتدرجه 150دمايتا گرمشيپ، فرايندداخلي

ر.وسيله مشعل انجام شد الكترود-يقوسيجوشكاروش سپس جوشكاري به صورت دستي با استفاده از

با تحتيتنگستن درG2در وضعيت) GTAW-DCEN( الكترود منفيتيقطبگاز محافظ چهار قالبو

كه؛جوشكاري شدندپاس ازينفوذپاسكيبه طوري و سه پاس پركننده بود. جوشكاري با استفاده

مورد استفاده،ينشدن مصرفانجام شد. الكترود Pars-EL 631دستگاه جوش گام الكتريك مدل

بر30يدببا خالص صنعتي بود. گاز آرگون متر يليم4/2% اكسيد توريم به قطر2الكترود تنگستني ليتر

و در ديگر دقتريل10يدبباها پاسدقيقه در پاس اول به عنوان گاز محافظ كه به دليل محافظتقهيبر

تا گراديسانتدرجه 150يپاسنيبيدماتوسط كامل شدن پاس ريشه بود استفاده شد. در نظر گرفته شد

و سرد شدن فلز جوش به حداقل مقدار ممكن برسد.يناشيها تنش با استفادهيورودحرارت از انقباض

شد)1( از رابطه ].66و2[محاسبه

)1(H.I= (η.I.V)/S

و سرعت جوشكارتييالسبا توجه به وحوضچه مذاب م بر اساسي مقدار پارامترهاي،عراجمطالعه

و ولتاژ در هر پاس انتخاب گرديد. حداقل طول قوس نيز حدود دو نظر گرفتهدر متر يليمشدت جريان

)S(يجوشكارو سرعت ولت11حدود)V(، ولتاژ آمپر 140در هر پاس حدود)I( يانجرشدت شد.

با كنترل پارامترهاي جوشكاريه شد.در نظر گرفت6/0بازده قوسηوبر ثانيه متر يليم1/1تا1در حدود

ويهپافلزات يزساختارريبررسيبرا بدست آمد.882/0در حدوديورودحرارت براي هر دو فلز جوش

شديمتالوگرافجوش در پاس اول از شد.يهتهمناسب با ابعاد منظور از هر اتصال دو نمونهينبد.استفاده

ينيآلومتوسط پودرو سپس شدهصاف 2000تا80 يليسيومسيدكاربيها سنبادهسطوح مورد نظر توسط

µm3/0ازاژيآلكمجهت آشكار شدن ساختار فوالد.ندشد پوليش) % اسيد2محلول محلول نايتال

91سمپوزيوم فوالد 210

ماربل محلولاز يتيآستن نزن زنگفلز جوش فوالد ساختارزيرو براي آشكار شدن)نيتريك در الكل

)10grCuSO4 + 50cc HCl +50cc H2O(شديهثان15به مدت ها در محلول . همچنين نمونهاستفاده

و ليتر يليم60يحاو الكترواچ شدنديهثان10ولت به مدت5و تحت ولتاژ يتريكنيداس ليتر يليم40آب

بايجوشكارقطعات مناطق مختلف يزساختارر].7[مشخص شود يكلنيهپافلز جوش يزساختاررتا شده

مجهز به سيستم Ziessيروبشيالكترون يكروسكوپمو CK40Mمدل Olympusينور كروسكوپمي

و فريتدرصد فازهاي يينتعيبرا. قرار گرفتيبررسمورد ولت كيلو20تحت ولتاژ آناليز شيميايي

طبق استاندارد FMP30مدل Fischer يتوسكوپفراز دستگاه يسيمغناطبه روشها نمونهدريتآستن

ANSI/AWS A4.2M/A4.2:1997 .استفاده شد

و بحثجينتاو فلزات جوش فلزات پايهيزساختاريريهايبررس

گروهدر A335موليبدن دار-كروماژيآلكمنوري فلز پايه فوالد كروسكوپيمتصوير)الف(2شكل

P11 مي فريتدرصد حجمي فاز.است فريت-تيشامل پرليساختارزيرداراي دهد. اين فوالد را نشان

و محاسبات انجام گرفته74اسبه شده با فريتوسكوپ حدود مح درصد بدست آمد. با توجه به شكل

و10حدود فريتيها دانهميكروسكوپ نوري مقدار ميانگين اندازهيافزارها نرمتوسط ميكرومتر

س طور همان ميكرومتر بدست آمد.14پرليت حدوديها دانهميانگين اندازه اختار شامل كه مشخص است،

مي دانه ازپتصوير ميكروسكو)ب(2شكل.باشد هاي روشن فريت به همراه پرليت به رنگ تيره نوري

با مشخص است. محورهمهاي آستنيتي با دانه كامالًزمينه؛دهدميرا نشان347آستنيتي نزن زنگفوالد

ملياستفاده از جداول تبد ها دانهمتوسط قطر ASTM E112تاندارداس اساسبرنيانگياندازه دانه به قطر

به 309Lريزساختار فلز جوش حاصل از فلز پركننده3در شكل.آمد بدست كرومتريم75حدود مربوط

(اول) فلز پركننده سنجي فريتنتايج حاصل از پاس اول نشان داده شده است. 309Lبراي پاس ريشه

ساختار آستنيتي همراه با مقداري شوديممالحظهكه طور همان را نشان داد. فريتدرصد7/5حدود

( فريت ساختار دانه].4[ باشديم FAاز نوع 309Lاسكلتي است، انجماد در فلز جوش به صورت)δدلتا

نشان داده شده است. انجماد فلز جوش4در شكل مربوط به پاس اول ERNiCr-3بندي فلز جوش

ERNiCr-3 آنو بوده اوليه به صورت آستنيت و مناطق بينهاتيدندريك ساختار دو فازي شامل در

مياين فلز جوش حاوي نيوبيو.شوديمدندريتي ديده را محدودهتواندم است. نيوبيوم دماي انجماد

ي استفاده شد.روبشيالكترون كروسكوپيمازجوش ساختارزيرتر دقيقجهت بررسي].1[افزايش دهد

ب ررسوبايتيدندرنيدر مناطق زميرنگديسفزيت مشاهده شد، باشنديمزيكامالً متمانهيكه عمدتاً از

اجفلزيالكترون كروسكوپيمريتصوبيبه ترت6و5شكل و اي نقطهزيآنال7و شكل رسوباتنيوش

211........هاي ارزيابي ريزساختار جوش

ادهدمينشان رسوبات را است، كرومتريم2 باًيتقرهاآنو طول ندارندينيمعيرسوبات شكل هندسني.

غنرسونيا و به شكل كاربيبات درزين Tiيهر چند كه مقدار].3[ باشنديم NbCدياز نيوبيوم بوده

ماي نقطهزيآنال اديت كاربيكه در نها خورديبه چشم شكلدر.دهدميليعناصر را تشكنيكمپلكس از

انشان309L جوشو فلز 347 آستنيتي نزن زنگفصل مشترك فلز پايه فوالد8 .ستداده شده

به فريتمورفولوژي در فريت. باشدمياست به وضوح مشخصهافتيانجماديصورت اسكلتدلتا كه

تشكيل فريت. باشدميكه به خاطر سرعت سرد شدن متوسط جوش شده استليتشكها مرزدانهطول

و احتمال ترك خوردن ذوبيها دانه، رشد HAZهاي مرزدانهشده در ش را كاه HAZ را محدود كرده

با؛دهدميرا نشان 309L جوشو فلز A335اژيآلكمفوالد فصل مشترك فلز پايه9شكل].5[ دهد مي

دراين توجه به .به خوبي قابل مشاهده استها دانه، درشت شدناژيآلكمفوالد HAZمنطقهشكل

درهيمرز ناح كه مشخص شده، طور همان بسكيانتقال مرز ذوب ممكن است تاهكواريفاصله

كه باشدمياي صفحهرشد اين منطقه به صورت رشد كند.رييتغيري) به طور چشمگمتر ميليكي(حدود

(پنج برابر) نسبت به فلز محتوايبا A335اژيآلكمفوالد تغيير در تركيب شيميايي به علت كربن باالتر

از . بنابراين در طي جوشكاري،باشد ميL 309 جوش ذوب وجودهيبه ناح HAZ منطقه مهاجرت كربن

شكل].6[ آمدوجود خواهد به . در اين شرايط يك ناحيه مارتنزيتي باريك در مرز ذوب خواهد داشت

يك.دهديمرا نشان ERNiCr-3و فلز جوش347آستنيتي نزن زنگفصل مشترك فلز پايه فوالد 10

حد].8[ شوديممشاهدهيا صفحهبا رشد همراه پيوسته در سرتاسر مرز جوش كامالًفصل مشترك در

و فلز جوش يك منطقه مخلوط نشده وجود دارد ازآنعلت اين امر؛فاصل بين فلز پايه است كه بخشي

وجود دارد، ذوب شده ولي بدون مذاب كه در مجاورت حوضچه347آستنيتي نزن زنگفلز پايه فوالد

پاييايميشبيمنطقه تركنيا اين، بنابرشده استاينكه با فلز جوش مخلوط شود دوباره منجمد راهيفلز

م و مشخصيا نقطهبا آناليز نشده مخلوط منطقه.باشديدارا كهبررسي تركيب شيميايي اين منطقه، شد

اژيآلكم فوالدفصل مشترك فلز پايه11شكل.باشديم347آستنيتي نزن زنگمشابه فلز پايه فوالد

A335 فلز جوشو ERNiCr-3 ها دانهدرشت شدن،با توجه به شكل.دهدمي ارائهرااي فحهصرشد با

منطقه ذوب ERNiCr-3فلز جوشيبرا همچنين.شودميمشاهده A335اژيآلكمفوالد HAZ منطقه در

نبود. برخورداريشده از عرض چندانـن مخلوطهـو منطقيزئـج

يريگجهينت

در خـالل فراينـد. كنـد مـي ايجاد انجماد پس از ستنيتيآاز نوعيساختارريز ERNiCr-3پركننده فلز-1

در منـاطق بـين دنـدريتي فلـز جـوش كمـپلكس كاربيـدهايو ساختار در NbCترسوباجوشكاري،

ERNiCr-3 آستنيتي نزن زنگ فوالد جوش فلزتشكيل شدند. ريزساختارER309L فريـت به صورت

91سمپوزيوم فوالد 212

اســكلتي فريـتو سـاختار بـا مورفولـوژي بـا آسـتنيت اسـتههمـرا درصـد7/5دلتـا در حـدود اوليـه

.آيدميبدست

تشكيل شده در طول فريت، 309Lفلز پر كننده با347آستنيتي نزن زنگفوالد در فصل مشترك-2

و احتمال ترك خوردن ذوبيها دانه، رشد HAZمنطقه هاي مرزدانه را HAZ منطقه را محدود كرد

و و فلز جوش يك منطقه مخلوط در حد ERNiCr-3براي فلز جوش كاهش داد فاصل بين فلز پايه

به وجود آمد.هنشد

مهاجرت، 309Lفلز پر كنندهيبرا A335اژيآلكمدر فصل مشترك فوالديجوشكار حين فراينددر-3

. در اين شرايط يك ناحيه مارتنزيتي باريك ذوب وجود خواهد داشتهيبه ناح HAZ منطقه كربن از

مخلوطو منطقهيمنطقه ذوب جزئ ERNiCr-3فلز جوشي. براخواهد آمددر مرز ذوب به وجود

نبود. برخوردارينشده از عرض چندان

مراجع[1] H. ShahHosseini, M. Shamanian, A. Kermanpur,"Characterization of

microstructures and mechanical properties of Inconel 617/310 stainless steel dissimilar welds", Materials Characterization, 2011, Vol. 62, pp. 425-431.

[2] J. C. Lippold, D. Koteki, "Welding Metallurgy and Weldability of Stainles Steels", New Jersey, John Wiley and Sons, 2005.

[3] H. Naffakha, M. Shamanian, F. Ashrafizadeh, "Dissimilar Welding of AISI 310 Austenitic Stainless Steel to Nickel-Based Alloy Inconel 657", Journal of Materials Processing Technology, 2008,Vol. 209, pp. 3628-3639.

[4] N. Arivazhagan, S. SurendraSingh, "Investigation on AISI 304 Austenitic Stainless Steel to AISI 4140 Low Alloy Steel Dissimilar Joints by Gas Tungsten Arc, Electron Beam and Friction Welding" , Materials and Design, 2011, Vol. 32, pp. 3036–3050.

[5] R. L. Klueh, L. King, "Austenitict Stainless Steel-Ferritic Steel Weld Joint Failures", Welding Journal, 1982, Vol. 61, pp. 302-311.

[6] A. A. Omar, "Effects Of Welding Parameters On Hard Zone Formation At Dissimilar Metal Welds", Welding Journal, 1998, Vol. 77, pp. 86-93.

[7] ASM Handbook, Volume 9, "Metallography and Microstructures", ASM International, Materials Park, Ohio, 2002.

[8] R. Dehmolaie, M. Shamanian, A. Kermanpour ,"Microstructural characterization of dissimilar welds alloy 800 and HP heat–resistant steel", Materials Characterization , 2008, Vol. 59, pp. 1447-54.

213........هاي ارزيابي ريزساختار جوش

وزني درصد اساسبر استفاده مورد مواد شيميايي تركيب.1 جدول

CCrNiMoMnSiTiCuCoNb Feعنصر

ASTM A3351/012/1-5/03/00/1-08/026/0-بقيه

AISI 347 08/036/

17

65/

10 بقيه37/00/20/101/035/009/055/0

ER 309L 02/07/239/1304/08/15/0-05/0--بقيه

ER NiCr-3 1/01633-35/07/05/012/0 بقيه

ها. لوله اتصال طرح.1شكل

ب الف

بA335اژيآلكمتصوير ميكروسكوپ نوري فوالد)الف.2شكل .347 نزن زنگفوالد)،

تصوير ميكروسكوپ نوري ريزساختار فلز.3 شكل

.309L جوش

تصوير ميكروسكوپ نوري ريزساختار.4شكل

.ERNiCr-3فلز جوش

91سمپوزيوم فوالد 214

در SEMتصوير.6شكلERNiCr-3.فلز جوشSEMتصوير.5شكل فلز جوشرسوبات

ERNiCr-3 .

.ERNiCr-3فلز جوشرسوبات بين دندريتياينقطهزيآنال.7شكل

جوشو فلز347فصل مشترك فوالد.8 شكل

309L.

جوشو فلز A335فوالد . فصل مشترك9شكل

309L.

وشجفلزو347فوالدمشتركفصل.10شكلERNiCr-3 .

جوشفلزوA335فوالدفصل مشترك.11شكل.ERNiCr-3