فولادهاي زنگ نزن آستنيتي در حين جوشكاري بشدت مستعد ترك گرم ميباشند. بدين منظور در اغلب موارد براي جوشكاري اين فولادها از فلز پركننده اي استفاده ميشود كه جوش حاصل از آن داراي مقداري فاز فريت باشد. فاز فريت در احتمال ايجاد ترك گرم در جوش فولادهاي زنگ نزن آستنيتي نقش موثري ايفا ميكند. فريت در مقايسه با آستنيت، ناخالصيهايي مانند گوگرد، فسفر، سرب و قلع را بهتر در خود حل ميكند. اين عناصر ميتوانند از ساختار خارج شده و در مرزدانه ها فازهاي ثانويه با دماي ذوب پايين تشكيل دهند كه در خلال سرد شدن فلز جوش ميتوانند ايجاد ترك گرم نمايند. اين موضوع، در ادامه مطلب تشريح شده است.

در خلال انجماد معمولا فلز جوش منجمد شده تركيب شيميايي متفاوتي از فلز مذاب دارد. اين تفاوت ناشي از اختلاف اكتيويته شيميايي عناصر آلياژي در حالت جامد و مذاب در يك غلظت مشخص ميباشد. در نتيجه اين پديده، در قسمت جلوي جبهه انجماد يك لايه نازك مذاب با غلظت بيشتر يا كمتر عناصر موجود تشكيل ميشود.

در سيستم Fe-Cr-Ni و خصوصا فولادهاي زنگ نزن آستنيتي اين پديده بسيار پيچيده تر است. حلاليت برخي از عناصر مانند گوگرد، فسفر، سرب و قلع در فاز آستنيت بسيار پايين ميباشد، در نتيجه در خلال انجماد و تشكيل فاز جامد آستنيت، لايه مذاب ذكر شده از اين عناصر غني ميگردد. با پيشرفت انجماد، به نقطه اي ميرسيم كه تنها مقدار كمي مذاب بين دانه هاي منجمد شده باقي ميماند كه دراصل تشكيل دهنده مرزدانه ها است(شكل 1). اما اين لايه مذاب داراي درصد بالاتري از عناصر ناخالصي مانند گوگرد است در نتيجه با تشكيل تركيبات زود ذوب حاصل از اين عناصر، دماي انجماد آن پايين تر از فلز زمينه ميباشد. وجود چند صدم درصد سولفور آهن در مذاب باقيمانده بين كريستالها، دماي انجماد آنرا تا حدود 980 درجه سانتيگراد كاهش ميدهد.

شكل1- تشكيل ترك گرم حين انجماد در جوش فولاد زنگ نزن آستنيتي

 

از طرفي در حين سرد شدن، فلز پايه شروع به انقباض ميكند و در اثر اين انقباض يك تنش كششي به ناحيه جوش اعمال ميگردد. اگر مقدار اين تنش بيشتر از 1 bar باشد، باعث گسيختگي جوش از ناحيه لايه هاي مذاب باقيمانده بين دانه ها ميشود. اين موضوع متاثر از عامل نحوه انجماد و مقدار تنشهاي انقباضي و يا به عبارت ديگر ضريب انقباض فلز جوش است.

اما در فاز فريت احتمال وقوع اين مشكل بسيار كم است، چراكه از يك طرف مقدار حلاليت عناصر ناخالصي مزبور در فاز فريت بيشتر از آستنيت بوده و در نتيجه احتمال ايجاد فازهاي زود ذوب ناشي از غني شدن اين عناصر در لايه هاي مذاب باقيمانده بين دانه ها بسيار كمتر خواهد شد. از طرف ديگر ضريب انبساط و انقباض فاز فريت تقريبا دو سوم فاز آستنيت بوده و به تبع آن تنشهاي انقباضي ايجاد شده حين انجماد در آن نيز كمتر خواهد بود.

با توجه به توضيحات ارائه  شده ميتوان نتيجه گرفت در صورتيكه بتوان ترتيبي اتخاذ كرد كه جوش فولاد زنگ نزن آستنيتي در هنگام انجماد به فاز فريت تبديل شود و يا به عبارت ديگر انجماد آن فريتي باشد، احتمال ايجاد ترك گرم بشدت كاهش خواهد يافت. براي توضيح بيشتر اين موضوع از نمودار فازي آهن-كرم-نيكل در 72% آهن (شكل 2) استفاده ميكنيم.

شكل 2- نمودار فازي آهن-كرم-نيكل در مقدار آهن 72%

 

 همانطور كه در شكل 2 ملاحظه ميكنيد، چهار آلياژ با مقادير مختلف كرم و نيكل در خلال انجماد در نظر گرفته شده اند. آلياژ 1 داراي 12% كرم و 16% نيكل ميباشد و انجماد آن با ايجاد فاز آستنيت آغاز شده و در انتها نيز ساختار آن كاملا آستنيتي خواهد بود. در آلياژ 2 انجماد با فاز آستنيت آغاز شده و مقاديري فريت نيز در بين دانه ها ايجاد ميشود. آلياژ 3 عكس آلياژ 2 رفتار كرده و انجماد با فاز فريت شروع شده و مقداري آستنيت نيز بين دانه ها ايجاد ميگردد. اما آلياژ 4 بطور كامل در فاز فريت منجمد ميشود. شكل 3 ساختار اين چهار آلياژ را در زمان انجماد، بصورت شماتيك نمايش ميدهد.

شكل 3- شماتيك ساختار چهار آلياژ مشخص شده در شكل 2 حين انجماد

 

در حين سرد شدن ساختار هر سه آلياژ 2،3 و 4 بايد استحاله يافته و به آستنيت تبديل شوند. اما اين پديده در حالت تعادلي اتفاق مي افتد و احتياج به زمان بالا و سرد شدن آهسته دارد. در جوشكاري بدليل بالا بودن سرعت سرد شدن امكان تكميل فرآيند استحاله وجود نداشته و همواره مقداري فريت در ساختار اين آلياژ ها باقي ميماند. اين مقدار فريت باقيمانده ميتواند شاخص خوبي در انتخاب صحيح مشخصات جوشكاري در مورد كاهش ريسك ترك گرم باشد. شكل 4 ميكروساختار چهار نمونه فوق را پس از سرد شدن و استحاله نشان ميدهد.

شكل 4 - ميكروساختار چهار آلياژ مشخص شده در شكل 2 پس از سرد شدن

 

از مجموع موارد گفته شده ميتوان به اين نتيجه رسيد كه براي كاهش خطر ترك گرم در جوشكاري فولادهاي زنگ نزن آستنيتي بايد فلز پركننده جوش به گونه اي انتخاب شود كه تركيب فلز جوش حاصله بصورت فريتي منجمد شده و يا به عبارت ساده تر اينكه ميزان فريت باقيمانده جوش از مقدار معيني بيشتر باشد.

مقدار فريت را ميتوان بروشهاي مختلفي تعيين نمود. بعنوان مثال ميتوان آنرا طبق استاندارد ASTM E562 بر اساس نسبت حجمي مشخص كرد. هرچند كه روش فوق دقيقترين روش است اما اجراي آن زمان بر بوده و هزينه بردار است. بهمين دليل مقدار فريت اغلب از طريق استفاده از تجهيزاتي مثل سنجه (Gage) مغناطيسي يا فريت اسكوپ و يا بروش محاسباتي با استفاده از تركيب شيميايي فلز جوش تعيين ميگردد. به اين منظور، استاندارد AWS 4.2-91 دستورالعمل استانداردي تدوين نمود كه به كمك آن ميتوان اندازه فاز فريت دلتاي موجود در فولاد زنگ نزن آستنيتي را با تكنيك خاص مغناطيسي اندازه گيري كرد.

در روش استفاده از آناليز، مقدار فريت را ميتوان بصورت درصد و يا بوسيله عدد فريتي (FN) نمايش داد. البته اغلب استفاده از عدد فريتي ترجيح داده ميشود. عدد فريتي را ميتوان با استفاده از نمودار ديلانگ (DeLong) و يا نمودار WRC-92 بدست آورد.

نمودار ديلانگ ابزار فوق العاده ايست براي تعيين فازها (مثلا مقدار فريت) در فلز جوش. بايد اين نكته را يادآور شد كه نمودارها براي شرايط جوشكاري صادق است كه فلز با سرعت نسبتا بالايي سرد ميشود، نه براي شرايط ساخت فلز پايه كه سرعت سرد شدن نسبتا كم است.

در اين قسمت با كمك شكل 5 يك مثال از نحوه بكارگيري نمودار ديلانگ براي تعيين عدد فريتي جوش آورده شده است. اگر يك ورق از فولاد كربني (نقطه 1) به يك ورق از فولاد زنگ نزن 316 (نقطه 2) با استفاده از الكترود AWS A5.4:E309MoL-17 (نقطه 5) جوشكاري شود، براي تعيين ساختار جوش حاصله بروش زير عمل ميشود:

شكل 5- نمودار ديلانگ و نحوه انتخاب فلز پركننده