فرآیند Hydrogen Cracking در فولاد ها

فرآیند Hydrogen Cracking در فولاد ها

فرآیند Hydrogen Cracking با عناوین Cold Cracking یا Delayed Cracking نیز شناخته می شود. ویژگی اصلی این نوع ترک ها این است که در فولاد های ferritic رخ می دهد. بیشتر وقت ها بلافاصله و یا کمی بعد از جوشکاری این پدیده صورت می گیرد.

ترک های هیدروژنی می توانند بر اثر موارد زیر باشند:

• در فولادهای C-Mn ، ترک مهمولا در ناحیه آسیب دیده heat affected zone (HAZ) پدید
  می آید و حتی ممکن است به ناحیه جوش داده شده هم گشترش پیدا کند.
• همچنین ترک می تواند در بستر جوش رخ دهد. معمولا به عرض جوش و در جهت زاویه 45 درجه به سطح جوش.
• در فولاد های با آلیاژ کمتر ، ترک می تواند در در عرض و عمود بر سطح جوش، اما غیر شاخه ای و اساسا بصورت سطحی ایجاد شود.

متالوگرافی

معمولا ترک هایی که در HAZ پدید می آید با شکاف هایی درشت همراه است. ترک ها می توانند ، Transgranular  و یا ترکیبی از دو نوع یاشد. Intergranular بیشتر HAZ های دارای ساختار سخت شکل گرفته ور در فلزات با کربن بالا رخ می دهد. Transgranular عموما در ساختار فولاد های C-Mn یافت می شود.

در جوش های fillet ، کرک های موجود در HAZ معمولا با روت جوش و موازی با آن همراه هستند. در جوش های butt ، کرک های HAZ معمولا موازی بستر جوش متمایل می شود.

علت ها

ترکیبی از سه مورد زیر می تواند موجب ایجاد ترک شود:

• هیدروژن تولید شده در فرآیند جوشکاری
• یک ساختار ریز سخت که حساس به ترک خوردن است
• عمل تنش کششی در محل اتصال جوش

ترک ها معمولا در دمای محیط رخ می دهند. ترک ناشی از انتشار هیدروژن در استرس زیاد و قسمت سخت به هم جوش خورده است.

در فولاد های C-Mn ، چون یک ریز ساختار شکننده در HAZ وجود دارد، بیشتر ترکهای هیدروژنی در فلزات اصلی یافت می شود. با انتخاب صحیح الکترود ، فلز جوش مقدار کربن کمتری از فلز اصلی خواهد داشت. با این حال در جوشکاری در جوشکاری قطعات ضخیم ترک های متقاطع در فلز جوش می تواند رخ دهد. بویژه زمانی که ضخامت افزایش می یابد.

زمانی که مقدار کربن های فلز جوش از فلز اصلی بیشتر باشد، ریسک Cracking افزایش می یابد.در فولاد های کم آلیاژ ، همانطور که ساختار فلز جوش خیلی حساس تر از HAZ است، فرآیند Cracking ممکن است در بستر جوش پدید آید.

فاکتور های اصلی تاثیرگذار بر ریسک ترک خوردگی:

• هیدروژن فلز جوش
• ضخامت مواد اصلی
• ایجاد تنش بر جوش در حین جوشکاری یا کمی بعد از آن
• حرارت وارد شده

مقدار هیدروژن موجود در فلز جوش:

منبع اصلی هیدروژن ، رطوبت موجود در شار است.یعنی پوشش الکترود های MMA ، شار در سیم الکترود، شار مورد استفاده جهت ایجاد Arc در زیر آب.مقدار هیدروژن تولید شده تحت تاثیر نوع اکترود مصرفی است. مقدار هیدروژن های تولید شده در الکترود های پایه، معمولا کمتر از الکترود های روتیل (rutile) و سلولوزی (Cellulosic) می باشد.

بهتر است توجه داشته باشیم که منابع قابل توجه دیگری از هیدروژن نیز وجود دارد . به عنوان مثال، از موادی که در طول فرآیند از سطح فولاد با سطح قابل توجهی از هیدروژن و یا رطوبت جدا شده است، هیدروژن نیز ممکن است از سطح ماده مشتق گیری شود.

منابع هیدروژن شامل موارد زیر است:

• روغن ، چربی و آلودگی
• زنگ زدگی
• رنگ و روکش ها
• مواد شوینده

ترکیبات فلزات اصلی

این مبحث تاثیر اصلی بر سختی پذیری با نرخ بالای ریسک فرم دادن یک ساختار ترد در HAZ خواهد داشت. میزان سختی یک ماده معمولا به میزان کربن موجود در آن بستگی دارد.

میزان CE بیشتر یعنی احتمال وقوع Hydrogen Cracking بیشتر. عموما فولاد های با  نسبت به HAZ Hydrogen Cracking حساس نیستند تا زمانی که مواد مصرفی با فرآیند جوشکاری کم هیدروژن استفاده شوند.

ضخامت مواد اصلی

ضخامت مواد بر میزان خنک کنندگی و در نتیجه سطح سختی زیرساخت های تولید شده در HAZ و میزان هیدروژن نگهداری شده در جوش تاثیر گذارد. ضخامت ترکیبی ئر محل اتصال یعنی جمع ضخامت مواد در خط اتصال جوش مطابق شکل ، جوش fillet از خطر بیشتری نسبت به جوش Butt برخوردار است.

حرارت وارد شده

حرارت ایجاد شده در متریال در اثر فرآیند جوش، همراه با ضخامت مواد، دمای پیش گرم Thermal Cycle و ریزساختار و ساختار HAZ و فلز جوش را تعیین می کند.

افزایش حرارت ورودی موجب کاهش میزان سختی و در نتیجه کاهش ریسک HAZ Cracking می شود.
 بنابر این بدلیل اینکه با افزایش حرارت ورودی ، فاصله انتشار برای فرار هیدروژن از بستر جوش افزایش می یابد، ریسک Cracking نیز افزایش می یابد.

حرارت ورودی بر واحد طول بکمک فرمول زیر محاسبه می شود.

(v) ولتاژ Arc: V

(A) آمپر جوشکاری: A

(mm/min) سرعت جوشکاری: S

راندمان حرارتی : K

در محاسبه گرمای ورودی ، فاکتور راندمان حرارتی باید مورد توجه قرار بگیردکه در EN 1011-1:2009 برای فرآیندهای جوشکاری قوس اصلی ارائه شده است: