كيفية اختيار معادن الحشو للحام الفولاذ المقاوم للصدأ

توضح هذه المقالة من شركة ونتشو تيانيو للإلكترونيات المحدودة ما يجب مراعاته عند تحديد معادن الحشو المستخدمة في لحام الفولاذ المقاوم للصدأ.

إنّ الخصائص التي تجعل الفولاذ المقاوم للصدأ جذابًا للغاية - كإمكانية تعديل خصائصه الميكانيكية ومقاومته للتآكل والأكسدة - تزيد أيضًا من تعقيد اختيار معدن الحشو المناسب للحام. فبالنسبة لأي تركيبة معينة من المواد الأساسية، قد يكون أي نوع من أنواع الأقطاب الكهربائية مناسبًا، وذلك تبعًا لعوامل التكلفة، وظروف التشغيل، والخصائص الميكانيكية المطلوبة، ومجموعة من العوامل المتعلقة باللحام.

تُقدّم هذه المقالة الخلفية التقنية اللازمة لتُتيح للقارئ فهم مدى تعقيد الموضوع، ثم تُجيب على بعض الأسئلة الأكثر شيوعًا التي تُطرح على مُورّدي مواد اللحام. كما تُحدّد إرشادات عامة لاختيار مواد اللحام المناسبة من الفولاذ المقاوم للصدأ، ثم تُوضّح جميع الاستثناءات لهذه الإرشادات. ولا تتناول المقالة إجراءات اللحام، إذ يُخصّص لها مقالة أخرى.

أربع درجات، عناصر سبائك عديدة

توجد أربع فئات رئيسية من الفولاذ المقاوم للصدأ:

الأوستنيتي
المارتنسيت
حديدي
دوبلكس

تُشتق هذه الأسماء من البنية البلورية للفولاذ الموجودة عادةً في درجة حرارة الغرفة. عند تسخين الفولاذ منخفض الكربون إلى ما فوق 912 درجة مئوية، تُعاد ترتيب ذرات الفولاذ من البنية المعروفة باسم الفريت في درجة حرارة الغرفة إلى البنية البلورية المعروفة باسم الأوستنيت. عند التبريد، تعود الذرات إلى بنيتها الأصلية، الفريت. تتميز بنية الأوستنيت، التي تتكون عند درجات الحرارة العالية، بأنها غير مغناطيسية، لدنة، ولها قوة أقل وليونة أكبر من بنية الفريت في درجة حرارة الغرفة.

عند إضافة أكثر من 16% من الكروم إلى الفولاذ، تستقر البنية البلورية الفريتية عند درجة حرارة الغرفة، ويبقى الفولاذ في حالته الفريتية عند جميع درجات الحرارة. ومن هنا جاء اسم الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي. أما عند إضافة أكثر من 17% من الكروم و7% من النيكل إلى الفولاذ، فتستقر البنية البلورية الأوستنيتية عند درجات الحرارة العالية، بحيث تبقى في جميع درجات الحرارة من أدنى درجات الحرارة وحتى درجات حرارة الانصهار تقريبًا.

يُشار عادةً إلى الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي باسم "الفولاذ الكرومي النيكل"، بينما يُطلق على الفولاذ المارتنسيتي والفريتي اسم "الفولاذ الكرومي النقي". تعمل بعض عناصر السبائك المستخدمة في الفولاذ المقاوم للصدأ ومعادن اللحام كمثبتات للأوستنيت، بينما تعمل عناصر أخرى كمثبتات للفريت. من أهم مثبتات الأوستنيت: النيكل، والكربون، والمنغنيز، والنيتروجين. أما مثبتات الفريت فهي: الكروم، والسيليكون، والموليبدينوم، والنيوبيوم. ويتحكم توازن عناصر السبائك في كمية الفريت في معدن اللحام.

تُعدّ درجات الفولاذ الأوستنيتي أسهل وأكثر كفاءة في اللحام من تلك التي تحتوي على أقل من 5% نيكل. تتميز وصلات اللحام في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بالقوة والمتانة والصلابة في حالتها بعد اللحام، ولا تتطلب عادةً تسخيناً مسبقاً أو معالجة حرارية لاحقة. تُشكّل درجات الفولاذ الأوستنيتي حوالي 80% من الفولاذ المقاوم للصدأ الملحوم، ويركز هذا المقال التمهيدي عليها بشكل كبير.

الجدول 1: أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ومحتواها من الكروم والنيكل.

tstart{c,80%}

thead{النوع|نسبة الكروم|نسبة النيكل|الأنواع}

tdata{Austenitic|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}

tdata{Martensitic|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}

tdata{Ferritic|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}

tdata{Duplex|18 - 28%|4 - 8%|2205}

ينزع{}

كيفية اختيار معدن الحشو المناسب المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ

إذا كانت المادة الأساسية في كلا اللوحين هي نفسها، فإن المبدأ التوجيهي الأصلي كان "ابدأ بمطابقة المادة الأساسية". وهذا يعمل بشكل جيد في بعض الحالات؛ لربط النوع 310 أو 316، اختر نوع الحشو المقابل.

لربط المواد المختلفة، اتبع هذا المبدأ التوجيهي: "اختر مادة حشو تتناسب مع المادة ذات التركيب الأكثر تعقيدًا". لربط الفولاذ 304 بالفولاذ 316، اختر مادة حشو من الفولاذ 316.

لسوء الحظ، فإن قاعدة "التوافق" لها استثناءات كثيرة، لذا فإن المبدأ الأفضل هو الرجوع إلى جدول اختيار معدن الحشو. على سبيل المثال، يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 أكثر أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ شيوعًا، ولكن لا أحد يُقدّم قطبًا كهربائيًا مصنوعًا من النوع 304.

كيفية لحام الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 بدون استخدام قطب كهربائي من النوع 304

للحام الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304، استخدم حشو النوع 308، حيث أن عناصر السبائك الإضافية في النوع 308 ستعمل على استقرار منطقة اللحام بشكل أفضل.

مع ذلك، يُعدّ الفولاذ المقاوم للصدأ 308L مادة حشو مقبولة أيضًا. يشير الحرف "L" بعد أي نوع إلى انخفاض نسبة الكربون. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 3XXL على نسبة كربون تبلغ 0.03% أو أقل، بينما يمكن أن تصل نسبة الكربون في الفولاذ المقاوم للصدأ القياسي من النوع 3XX إلى 0.08% كحد أقصى.

نظرًا لأن حشو النوع L يندرج ضمن نفس تصنيف المنتج غير المصنف ضمن النوع L، فإنه يُنصح بشدة المصنّعين باستخدامه، إذ يقلل انخفاض محتوى الكربون فيه من خطر مشاكل التآكل بين الحبيبات. في الواقع، يرى الباحثون أن استخدام حشو النوع L سيزداد انتشارًا لو قام المصنّعون بتحديث إجراءاتهم.

قد يرغب المصنّعون الذين يستخدمون عملية اللحام بالقوس المعدني المحمي بالغاز (GMAW) في استخدام حشو من نوع 3XXSi، حيث يُحسّن إضافة السيليكون من تشبّع اللحام. في الحالات التي يكون فيها تاج اللحام مرتفعًا أو خشنًا، أو عندما لا تتصل بركة اللحام جيدًا عند أطراف وصلة الزاوية أو وصلة التراكب، فإن استخدام قطب كهربائي من نوع Si في عملية GMAW يُمكن أن يُنعّم خرزة اللحام ويُحسّن من اندماجها.

إذا كان ترسب الكربيد مصدر قلق، ففكر في استخدام حشو من النوع 347، والذي يحتوي على كمية صغيرة من النيوبيوم.

كيفية لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بالفولاذ الكربوني

يحدث هذا في التطبيقات التي تتطلب فيها إحدى أجزاء الهيكل واجهة خارجية مقاومة للتآكل متصلة بعنصر هيكلي من الفولاذ الكربوني لخفض التكلفة. عند وصل مادة أساسية خالية من العناصر المضافة بمادة أساسية تحتوي على عناصر مضافة، يُنصح باستخدام حشو ذي نسبة عالية من العناصر المضافة بحيث يكون التخفيف داخل معدن اللحام متوازنًا أو أعلى من نسبة العناصر المضافة في المعدن الأساسي المقاوم للصدأ.

لربط الفولاذ الكربوني بالفولاذ من النوع 304 أو 316، وكذلك لربط أنواع مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ، يُنصح باستخدام قطب كهربائي من النوع 309L في معظم التطبيقات. أما إذا كنت ترغب في نسبة أعلى من الكروم، فيُنصح باستخدام النوع 312.

كملاحظة تحذيرية، تتميز الفولاذات الأوستنيتية المقاومة للصدأ بمعدل تمدد يزيد بنحو 50% عن معدل تمدد الفولاذ الكربوني. عند وصلها، قد يؤدي اختلاف معدلات التمدد إلى حدوث تشققات نتيجة الإجهادات الداخلية، ما لم يتم استخدام القطب الكهربائي المناسب وإجراءات اللحام الصحيحة.

استخدم إجراءات التنظيف الصحيحة لتحضير اللحام

كما هو الحال مع المعادن الأخرى، يجب أولاً إزالة الزيوت والشحوم والعلامات والأوساخ باستخدام مذيب غير مكلور. بعد ذلك، فإن القاعدة الأساسية في تحضير لحام الفولاذ المقاوم للصدأ هي "تجنب التلوث من الفولاذ الكربوني لمنع التآكل". تستخدم بعض الشركات مبانٍ منفصلة لورشة الفولاذ المقاوم للصدأ وورشة الفولاذ الكربوني لمنع التلوث المتبادل.

عند تحضير الحواف للحام، خصص عجلات التجليخ وفرش الفولاذ المقاوم للصدأ للاستخدام مع الفولاذ المقاوم للصدأ فقط. تتطلب بعض الإجراءات تنظيف مسافة بوصتين من الوصلة. كما أن تحضير الوصلة أكثر أهمية، لأن معالجة عدم اتساق حركة الإلكترود أصعب منها مع الفولاذ الكربوني.

استخدم إجراء التنظيف الصحيح بعد اللحام لمنع الصدأ

بدايةً، تذكر ما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومًا للصدأ: تفاعل الكروم مع الأكسجين لتكوين طبقة واقية من أكسيد الكروم على سطح المادة. يصدأ الفولاذ المقاوم للصدأ بسبب ترسب الكربيدات (انظر أدناه) ولأن عملية اللحام تسخن معدن اللحام إلى درجة تسمح بتكوّن أكسيد الفريت على سطح اللحام. إذا تُرك اللحام سليمًا تمامًا في حالته الأصلية بعد اللحام، فقد تظهر عليه آثار صدأ واضحة على حدود المنطقة المتأثرة بالحرارة في أقل من 24 ساعة.

لكي تتشكل طبقة جديدة من أكسيد الكروم النقي بشكل صحيح، يتطلب الفولاذ المقاوم للصدأ تنظيفًا بعد اللحام عن طريق التلميع أو التخليل أو التجليخ أو التنظيف بالفرشاة. استخدم أدوات تجليخ وفرش مخصصة لهذه المهمة.

لماذا سلك اللحام المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ مغناطيسي؟

الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي بالكامل غير مغناطيسي. مع ذلك، تُؤدي درجات حرارة اللحام إلى تكوين حبيبات كبيرة نسبيًا في البنية المجهرية، مما يجعل اللحام عرضةً للتشقق. وللحد من هذه الحساسية، يُضيف مُصنّعو الأقطاب الكهربائية عناصر مُسبِّكة، بما في ذلك الفريت. تُؤدي مرحلة الفريت إلى جعل حبيبات الأوستنيت أدق بكثير، وبالتالي يصبح اللحام أكثر مقاومةً للتشقق.

لن يلتصق المغناطيس ببكرة من حشو الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي، ولكن قد يشعر الشخص الذي يحمل المغناطيس بجذب طفيف بسبب بقايا الفريت. لسوء الحظ، يدفع هذا بعض المستخدمين إلى الاعتقاد بأن منتجهم يحمل ملصقًا خاطئًا أو أنهم يستخدمون معدن حشو غير مناسب (خاصةً إذا قاموا بتمزيق الملصق من سلة السلك).

تعتمد الكمية المناسبة من الفريت في القطب الكهربائي على درجة حرارة التشغيل للتطبيق. فعلى سبيل المثال، يؤدي وجود كمية زائدة من الفريت إلى فقدان اللحام لمتانته عند درجات الحرارة المنخفضة. ولذلك، يحتوي حشو النوع 308 المستخدم في أنابيب الغاز الطبيعي المسال على رقم فريت يتراوح بين 3 و6، مقارنةً برقم فريت 8 في حشو النوع 308 القياسي. باختصار، قد تبدو معادن الحشو متشابهة للوهلة الأولى، لكن الاختلافات الطفيفة في التركيب مهمة.

هل توجد طريقة سهلة للحام الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج؟

تتكون البنية المجهرية للفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور عادةً من حوالي 50% من الفريت و50% من الأوستنيت. ببساطة، يوفر الفريت قوة عالية ومقاومة لتشقق التآكل الإجهادي، بينما يوفر الأوستنيت متانة جيدة. يمنح هذان الطوران مجتمعين الفولاذ ثنائي الطور خصائصه المميزة. تتوفر مجموعة واسعة من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ ثنائي الطور، وأكثرها شيوعًا هو النوع 2205؛ الذي يحتوي على 22% كروم، و5% نيكل، و3% موليبدينوم، و0.15% نيتروجين.

عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج، قد تنشأ مشاكل إذا احتوى معدن اللحام على نسبة عالية من الفريت (حيث تتسبب حرارة القوس الكهربائي في ترتيب الذرات في مصفوفة فريتية). وللتعويض عن ذلك، يجب أن تعزز معادن الحشو البنية الأوستنيتية بمحتوى أعلى من السبائك، عادةً ما بين 2 إلى 4% نيكل أكثر من المعدن الأساسي. على سبيل المثال، قد يحتوي سلك اللحام ذو القلب المتدفق المستخدم في لحام النوع 2205 على 8.85% نيكل.

يمكن أن تتراوح نسبة الفريت المطلوبة بعد اللحام بين 25% و55% (وقد تكون أعلى). يُرجى ملاحظة أن معدل التبريد يجب أن يكون بطيئًا بما يكفي للسماح للأوستنيت بإعادة التكوّن، ولكن ليس بطيئًا جدًا لدرجة تكوين أطوار بين فلزية، ولا سريعًا جدًا لدرجة تكوين فائض من الفريت في المنطقة المتأثرة بالحرارة. اتبع الإجراءات الموصى بها من قِبل الشركة المصنعة لعملية اللحام ومعدن الحشو المُختار.

ضبط المعايير عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ

بالنسبة للمصنّعين الذين يُعدّلون باستمرار معايير اللحام (الجهد، شدة التيار، طول القوس، الحث، عرض النبضة، إلخ) عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ، فإن السبب الرئيسي هو عدم اتساق تركيبة معدن الحشو. ونظرًا لأهمية عناصر السبائك، فإن الاختلافات بين دفعات اللحام في التركيب الكيميائي قد تؤثر بشكل ملحوظ على أداء اللحام، مثل ضعف التشبع بالمعدن أو صعوبة إزالة الخبث. كما تؤثر الاختلافات في قطر القطب الكهربائي، ونظافة السطح، وشكل الصب واللولب على الأداء في تطبيقات اللحام بالقوس المعدني المحمي بالغاز (GMAW) واللحام بالقوس المحمي بالغاز مع حشو سلكي (FCAW).

التحكم في ترسيب الكربيد في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي

عند درجات حرارة تتراوح بين 426 و871 درجة مئوية، ينتقل محتوى الكربون الذي يزيد عن 0.02% إلى حدود حبيبات البنية الأوستنيتية، حيث يتفاعل مع الكروم لتكوين كربيد الكروم. إذا كان الكروم مرتبطًا بالكربون، فإنه لا يُصبح متاحًا لمقاومة التآكل. عند التعرض لبيئة أكالة، ينتج عن ذلك تآكل بين الحبيبات، مما يؤدي إلى تآكل حدود الحبيبات.

للتحكم في ترسب الكربيدات، يُنصح بالحفاظ على نسبة الكربون عند أدنى مستوى ممكن (بحد أقصى 0.04%) باستخدام أقطاب لحام منخفضة الكربون. كما يمكن ربط الكربون بالنيوبيوم (الكولومبيوم سابقًا) والتيتانيوم، اللذين يتمتعان بألفة أكبر للكربون من الكروم. صُممت أقطاب اللحام من النوع 347 لهذا الغرض.

كيفية الاستعداد لمناقشة اختيار معدن الحشو

كحد أدنى، يجب جمع معلومات حول الاستخدام النهائي للجزء الملحوم، بما في ذلك بيئة التشغيل (وخاصة درجات حرارة التشغيل، والتعرض للعناصر المسببة للتآكل، ودرجة مقاومة التآكل المتوقعة) والعمر التشغيلي المطلوب. كما أن المعلومات المتعلقة بالخصائص الميكانيكية المطلوبة في ظروف التشغيل تُعدّ مفيدة للغاية، بما في ذلك القوة، والمتانة، والليونة، ومقاومة الإجهاد.

تُقدّم معظم الشركات الرائدة في تصنيع الأقطاب الكهربائية أدلة إرشادية لاختيار معدن الحشو، ويؤكد المؤلفون على هذه النقطة بشدة: استشر دليل استخدام معدن الحشو أو تواصل مع الخبراء الفنيين لدى الشركة المصنّعة. فهم موجودون لمساعدتك في اختيار قطب الفولاذ المقاوم للصدأ المناسب.

للحصول على مزيد من المعلومات حول معادن الحشو المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ من TYUE وللتواصل مع خبراء الشركة للحصول على المشورة، تفضل بزيارة الموقع الإلكتروني www.tyuelec.com.