جوشکاری با پرتو لیزر فولاد A517GRB حرارت یافته و سرد و سخت شده

چکیده

فولادهای سرد شده و حرارت داده شده برای ترکیب استحکام کشش با چقرمگی ، اشکال پذیری و قابلیت جوشکاری مورد استفاده قرار می گیرند . اگرچه چقرمگی و sound ness بودن این فولادها را می توان بوسیله عملیات جوشکاری تحت تاثیر قرار داد، بویژه ناحیه تحت تاثیر گرما (HAZ) ممکن است باعث توسعه شکست ها در طی سیکل های گرمایشی گردد .

در این مقاله، بررسی ابتدایی روی جوشکاری فولاد ASTM A515Gr.B بوسیله بهینه سازی فرایند LBW بدون استفاده از فلز فیلر انجام شده است . کار آزمایشی شامل بررسی متالوگرافیک و بررسی microhardness می باشد . نتایج نشان می دهد که تشکیل ساختارهای بینیت-مارتنزیت در ناحیه تحت تاثیر گرما (HAZ) ناشی از نرخ سرمایشی بالای ناحیه آستنیت شده نزدیک به ناحیه مذاب می باشد . اگر روش LBU را با فرایند SMAW مقایسه نمائیم، این تکنیک مزیت کاهش نواحی ذوب و ناحیه تحت تاثیر گرما را افزایش می دهد . HAZ اندازه گیری شده دارای وسعت mm4/0 است با وجود نرخ های سرمایشی بالاتر فرایند LBW مقادیر سختی با فرایند SMAW یکسان است .

مقدمه

فولادهای حرارت داده شده و سرد شده می تواند استحکام کششی بالا را با خواص سختی، شکل پذیری، قابلیت جوشکاری را ترکیب نماید . این فولادها اغلب برای ساختارهای جوشکاری شده مورد استفاده قرار گرفته است بویژه برای افزایش مقاومت مکانیکی وکاهش متناسب وزن بکار می رود . مطالعات گوناگونی پیرامون ویژگیهای اتصالات جوشکاری شده انجام شده است . سختی، sound ness این فولادها می تواند به وسیله عملکردهای جوشکاری که شامل تغییرات متالورژیکی در HAZ است تحت تاثیرقرار گیرد . جوشکاری با پرتولیزر (LBW) از میان دیگر فرایندهای با ورودی حرارتی کم پیشنهاد شده و همانند تکنیک اتصال که در اتومبیل ها و صنعت عمل می نماید . مزایای مورد انتظار تکنیک LBW ، بهبود خواص مکانیکی به دلیلکاهش ناحیه ذوب و HAZ و اتوماتیک سازی آسان عملیات جوشکاری است .

1- مواد مورد نیاز

مواد مورد استفاده در آزمایشات جوشکاری فولاد کم آلیاژ ASTM A517 Gr.B به فرم صفحات با ضخامت 10 میلیمتر است که در شرایط حرارتی سخت شده است . در جدول 1 و 2 ترکیب و خواص مکانیکی فولاد شرح داده شده است .

جدول 1-ترکیب فولاد

جدول 2 خواص مکانیکی فولاد (از آزمایشات مکانیکی)

استفاده از فلز فیلر بافرایند LBW تاثیر عمده ای دارد و تشکیل ناحیه ذوب دارا می باشد بویژه از انتقال مارتنزیت در فلز جوش جلوگیری میکند . در مورد کنونی، هدف تمرکز روی خواص HAZ بدون فلز فیلر است . برخی از جوشکاری ها روی سطح صفحه با پارامترهای جوشکاری گزارش شده در جدول 3 انجام می گیرد .

جدول 3 پارامترهای جوشکاری با پرتو لیزر (LBW)

به منظور مقایسه LBW و فرایند جوشکاری قوس با فلز محافظ شیلر شده به صورت مرسوم (SMAW) جوشکاری با آخرین تکنیک انجام شده و از الکترود روکش شده مناسب و پارامترهای جدول 4 استفاده می نماید .

جدول 4 پارامترهای جوشکاری قوس (SMAW)

2- آزمایش و نتایج

مقاطع عرضی جوش برای آزمایش submit شده است، مشاهدات متالورژیکال با میکروسکوپ نوری انجام میشود . برشی از ریزگرافهای نوری در شکل 3-1- برای فرایند LBW نشان داده شده است، همچنین شکل 6 فرایند SMAW را نشان می دهند . نمودارهای ریزسختی در شکل 4 و 5 برای هر دو فرایند نشان داده شده است.

3- مباحث

بررسی خواص جوش از ارزیابی انتقالات متالورژیکال ارزیابی شده روی دیاگرام انتقال ایزوترمال آغاز می گردد . این فولاد دارای ترکیبات مهمی است نظیر، دوام طولانی قبل از انتقال آستنیت بر پرلیت-فرلیت در درجه حرارت 550-650 درجه سانتیگراد بیانیت کمتر و ساختارهای مارتنزیت، بجای ساختارهای ترکیب شده بیانیت پراز پرلیت-فریت به سادگی حاصل میشود و دارای چقرمگی و یکنواختی خوبی بویژه بعد از گرمایش می باشد . مارتنزیت در درجه حرارت نسبتاً بالا(حدود 400 درجه سانتیگراد) شروع به تشکیل شدن می کند وبنابراین مقاومت خوبی را در مقابل شکست ها دارا می باشد . دیگر فریت آن وابسته به سخت شدن ثانویه حاصل از رسوب کربیدهای وانادیم در درجه حرارت 570 درجه سانتیگراد می باشد . فولاد شامل مارتنزیت حرارت یافته با کربیدهای ریز است .

گرمای جوشکاری ناحیه ذوب را مذاب نموده و درجه حرارت ناحیه نزدیک به خط ذوب را در درجه حرارت بالا افزایش می دهد در اینصورت فریت کاملاً به آستنیت تبدیل می شود . تغییرات ریزساختاری در HAZ انجام می گردد که وابسته به سنتیک های ناشی از تشکیل آستنیت و سایز دانه آن می باشد . مشاهدات میکروسکوپی تشکیل نواحی زیر را آشکار می سازد :

a) ناحیه ذوب، بسرعت منجمد و سرد می شود با ساختاری که شامل مارتنزیت سفید ترکیب شده با بیانیت تیره می باشد (شکل 1 و 2)

b) HAZ ، زیرناحیه 1 با mm30/0 وسعت در اینجا آستنیت در طی گرمایش در نقطه A3 (حدود 820 درجه سانتیگراد) تشکیل می شود که باعث انتقال کامل فریت به آستنیت شده و ایجاد ساختار بیانیت-مارتنزیت را میسر می سازد (شکل1) با ریز سختی HV~=520

c) HAZ ،  زیرناحیه 2 ، با وسعت 10/0 میلیمتر ، در اینجا درجه حرارت بین A1 , A3 است (حدود 720 درجه سانتیگراد) .

d) فلز اصلی غیر انتقالی که درجه حرارت آن کمتر از 720 درجه سانتیگراد است . با سختی HV=260-280

مقایسه ساختارها و سختی بدست آمده با فرایند SMAW جالب است . با وجود نرخ های سرمایش بالاتر فرایند LBW ، اوج سختی (شکل 5) HV=530

ساختارهای شکل 6 مشابه با ساختارهای شرح داده شده برای LBW است . اگرچه به دلیل ورودی گرمای بالاتر یک HAZ وسیع تر (حدود 5/1 میلیمتر) بدست آمده است . تکنیک LBW دارای مزیت کاهش نواحی ذوب و ناحیه تحت تاثیر گرما می باشد . اگر ان را با فرایند SMAW مقایسه نمائید، انحراف کمتر و تنش های باقیمانده نیز کاسته خواهد شد .

4- نتایج

نتایج نشان می دهد تشکیل ساختارهای ترکیب شده مارتنزیت-بیانیت در اتصال جوشکاری شده تک گذر، ناشی از نرخ سرمایش بالا در ناحیه نزدیک به ناحیه مذاب می باشد . HAZ ، ناشی از حضور ساختار مارتنزیت است که باعث افزایش سختی و کاهش چقرمگی می شود . در مورد جوشکاری قوس مرسوم، عرض HAZ معمولاً بیشتر از LBW است . بعلاوه ، تنش های باقیمانده عموماً سطح ناحیه جوش را افزایش می دهد . بنابراین چگالی انرژی بالا در LBW بعد از جوشکاری امکان ایجاد دارند و افزایش یافته، مکانیسم های خستگی و توسعه شکست را گزارش می دهد .