تأثیر فرآیند جوشکاری بر مقاومت به خوردگی

جوشکاری، در نگاه نخست، فرآیندی برای اتصال دو قطعه فلزی است؛ اما در لایه های عمیق تر، رویدادی متالورژیکی و حرارتی محسوب می شود که ساختار و ماهیت ماده را دگرگون می کند. هر جوش، داستانی از تغییرات پیچیده در ریزساختار، توزیع عناصر آلیاژی، شکل گیری تنش ها و دگرگونی های حرارتی است؛ تغییراتی که هر کدام می توانند رفتار خوردگی فلز را تقویت یا تضعیف کنند.
در صنایع مختلف، از سازه های ساحلی و خطوط انتقال تا تجهیزات فرآیندی، مقاومت به خوردگی یکی از مهم ترین شاخص های عملکردی است. جوشکاری، به دلیل ایجاد ناحیه ای با ویژگی های متفاوت، این مقاومت را تحت تأثیر قرار می دهد. بررسی این اثرات، مستلزم شناخت دقیق فرآیندهای جوشکاری، سازوکارهای خوردگی و تغییرات ساختاری ناشی از حرارت است.

هنگام انتخاب فرآیند جوشکاری برای سازه های مقاوم به خوردگی، توجه به قیمت فولاد آلیاژی می تواند در تصمیم گیری اقتصادی و فنی نقش مهمی ایفا کند.

نقش عملیات جوشکاری در تغییر خواص مواد

جوشکاری با اعمال حرارت موضعی، ساختار فلز را از تعادل خارج می کند. در این مرحله، دما از محدوده ذوب تا نواحی با حرارت کمتر به صورت تدریجی پراکنده می شود و در هنگام سرد شدن، تغییرات متالورژیکی متنوعی شکل می گیرد.
این تغییرات شامل درشت شدن دانه ها، تشکیل رسوبات کاربیدی، حل شدن فازهای مقاوم به خوردگی و ایجاد نواحی با اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی هستند.
به همین دلیل است که جوشکاری تنها یک عملیات حرارتی نیست، بلکه یک فرآیند تغییر دهنده خواص محسوب می شود و مستقیماً بر رفتار خوردگی تأثیر می گذارد.

تأثیر حرارت جوشکاری بر ساختار میکروسکوپی فلز

حرارت، نیروی محرک تغییرات ریزساختاری است. دماهای بالا باعث ذوب و انجماد سریع می شوند، در حالی که مناطق اطراف، تنها دچار تبلور مجدد یا درشت شدن دانه ها می شوند.
این تغییرات باعث تغییر خواص الکتروشیمیایی سطح شده و محیطی با پتانسیل خوردگی متفاوت ایجاد می کند. به همین دلیل، ساختار فلز پس از جوشکاری یک ساختار ناهمگون است که هر بخش آن، رفتار متفاوتی نسبت به خوردگی دارد.

کیفیت جوش در قطعات حاوی ورق های زنگ نزن، به ویژه زمانی که قیمت ورق استیل بالاست، اهمیت بیشتری پیدا می کند زیرا خطای جوشکاری می تواند هزینه های اضافی ایجاد کند.

اثرات فرآیند جوشکاری بر رفتار خوردگی

تغییرات ساختاری در منطقه جوش (Weld Metal)

فلز جوش، حاصل انجماد سریع و حضور فلز پرکننده است. این ناحیه معمولاً دارای دانه های ستونی، ناهمگنی ترکیبی و رسوبات بین دانه ای است.
این ساختار ستون دار و مرزدانه های طولی، مسیری مناسب برای نفوذ مواد خورنده ایجاد می کند. حضور عناصر آلیاژی کمتر یا بیشتر از حد لازم نیز محیط الکتروشیمیایی متفاوتی ایجاد کرده و حفره زایی یا خوردگی گالوانیکی را تشدید می کند.

تغییر خواص در منطقه متاثر از حرارت (HAZ)

HAZ جایی است که فلز پایه بدون ذوب شدن، دماهای مختلفی را تجربه می کند. این منطقه حساس ترین بخش اتصال در برابر خوردگی است.
در فولادهای زنگ نزن، این بخش محل تشکیل کاربیدهای کروم است؛ رسوباتی که کروم را از شبکه فلزی خارج کرده و مقاومت خوردگی را کاهش می دهند.
در فولادهای کربنی، حداکثر سختی یا شکنندگی ممکن است در HAZ ایجاد شود که خوردگی تنشی و ترک خوردگی را تسریع می کند.

تنش های پسماند و نقش آن در تسریع خوردگی

تنش های پسماند، حاصل انقباض ناهمگون پس از انجماد هستند. این تنش ها محیطی مستعد برای خوردگی تنشی یا Stress Corrosion Cracking ایجاد می کنند.
حتی اگر فلز در محیط خورنده نسبتاً پایدار باشد، وجود تنش های پسماند می تواند موجب آغاز ترک های ریز و گسترش آن ها شود. این تنش ها در روش های جوشکاری با حرارت ورودی بالا شدت بیشتری دارند.

ناهمگنی های شیمیایی و ریزساختاری ایجادشده

اختلاف ترکیب شیمیایی میان فلز جوش، HAZ و فلز پایه، یکی از مهم ترین دلایل کاهش مقاومت خوردگی است.
این اختلافات می توانند باعث ایجاد پیل گالوانیکی داخلی شوند؛ به این معنا که نواحی نزدیک به جوش، نقش آند فعال را بر عهده گرفته و سریع تر دچار خوردگی شوند.

در خطوط انتقال و ساخت تجهیزات فرآیندی، انتخاب روش جوشکاری مناسب برای لوله های زنگ نزن ضروری است، خصوصاً با توجه به نوسانات قیمت لوله استیل در بازار.

مقایسه رفتار خوردگی در روش های مختلف جوشکاری

مقایسه TIG و MIG از نظر مقاومت به خوردگی

جوشکاری TIG به دلیل دقت در کنترل حرارت و گاز محافظ بسیار پایدار، جوشی با کمترین آلودگی و ناهمگنی تولید می کند. در نتیجه، رفتار خوردگی در TIG معمولاً بهتر از MIG است.
در مقابل، MIG سرعت بالاتری دارد اما امکان ورود اکسیژن و ذرات اکسیدی در آن بیشتر است. همین موضوع می تواند باعث ایجاد نقاطی با پتانسیل خوردگی متفاوت شود.

تأثیر جوشکاری قوسی دستی (SMAW) بر خوردگی

SMAW جزو روش های سنتی و پرکاربرد است، اما ساختار جوش در این روش معمولاً ناهمگن تر است. سرباره الکترود، تغییر ترکیب فلز جوش و کنترل کمتر حرارت ورودی، احتمال تشکیل حفرات و مرزدانه های فعال را افزایش می دهد.
در نتیجه سازه های جوش شده با SMAW در محیط های خورنده، نیازمند محافظت و پوشش دهی بیشتری هستند.

رفتار خوردگی در جوشکاری لیزری و الکترونی

این دو روش، حرارت ورودی بسیار کم و سرعت سرد شدن بالا دارند. این موضوع باعث شکل گیری ریزساختار بسیار یکنواخت و کوچک می شود.
در نتیجه جوش های لیزری و الکترونی معمولاً بهترین عملکرد را در برابر خوردگی دارند و در صنایع حساسی مانند هوافضا، انرژی و تجهیزات دقیق مورد استفاده قرار می گیرند.

بررسی آلیاژها و فلزات مختلف

هر فلز رفتار متفاوتی در برابر خوردگی پس از جوشکاری دارد:
• فولاد زنگ نزن: حساس به رسوب کاربید کروم و کاهش کروم در HAZ
• فولاد کربنی: مستعد ترک خوردگی تنشی و خوردگی حفره ای
• آلومینیوم: حساس به ایجاد ساختار دندریتی و تخلخل
• تیتانیوم: در صورت نبود گاز محافظ مناسب، آلودگی سطحی و کاهش مقاومت خوردگی رخ می دهد

روش های بهبود مقاومت به خوردگی پس از جوشکاری

عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT)

PWHT با کاهش تنش های پسماند، یکنواخت سازی ساختار و حذف فازهای ناخواسته، یکی از مؤثرترین روش ها برای افزایش مقاومت خوردگی است.
این عملیات مخصوصاً در فولادهای کم آلیاژ و فولادهای زنگ نزن بسیار اهمیت دارد.

استفاده از مواد پرکننده مناسب

انتخاب فلز پرکننده هماهنگ با فلز پایه، یکی از اصول اساسی جلوگیری از خوردگی گالوانیکی است.
در برخی موارد، استفاده از پرکننده با مقدار کروم یا نیکل بالاتر می تواند پایداری ساختار و مقاومت خوردگی را افزایش دهد.

تکنیک های آماده سازی و پاک سازی سطح

حذف آلودگی ها، چربی ها، لایه اکسید و رسوبات سطحی قبل از جوشکاری، نقش مهمی در کاهش نقاط فعال خوردگی دارد.
پس از جوشکاری نیز تمیزکاری، برس زنی و اسیدشویی می تواند سطح را به حالت پایدار بازگرداند.

پوشش دهی و محافظت سطحی

استفاده از رنگ، پوشش های محافظ، گالوانیزه کردن یا آندایزینگ، می تواند سطح جوش را در برابر محیط خورنده پایدار نگه دارد.
پوشش دهی مناسب، تفاوت پتانسیل میان نواحی مختلف را کاهش داده و از تشکیل پیل گالوانیکی جلوگیری می کند.

طراحی و کنترل پارامترهای جوشکاری

کاهش حرارت ورودی، کنترل سرعت جوش، انتخاب مناسب تر فرآیند و استفاده از گاز محافظ استاندارد، همگی از عوامل مؤثر در کاهش تخریب ریزساختاری هستند.
طراحی صحیح اتصال نیز می تواند میزان تمرکز تنش و حساسیت به خوردگی را کاهش دهد.

در پروژه هایی که نیازمند مقاومت خوردگی بالا هستند، فرآیند جوشکاری باید به گونه ای انتخاب شود که از افت خواص مکانیکی میلگردهای زنگ نزن جلوگیری کند، چراکه قیمت میلگرد استیل نیز بخش مهمی از هزینه نهایی پروژه را تشکیل می دهد.

روش های آزمایش و ارزیابی مقاومت به خوردگی در ناحیه جوش

آزمون های الکتروشیمیایی (پتانسیودینامیک، EIS)

این آزمون ها رفتار الکتروشیمیایی سطح را بررسی می کنند و با تحلیل نمودارهای جریان-پتانسیل، می توان میزان فعال شدن سطح و احتمال خوردگی را ارزیابی کرد.
روش EIS امکان بررسی مقاومت لایه محافظ و کیفیت فیلم سطحی را فراهم می کند.

آزمون های شتاب دار خوردگی (نمک پاشی و …)

آزمایش نمک پاشی یکی از رایج ترین روش های شبیه سازی محیط های شدیداً خورنده است.
این آزمون ها امکان مقایسه کیفیت جوش در شرایط برابر را فراهم می کنند و برای کنترل کیفیت تولید انبوه کاربرد زیادی دارند.

روش های بررسی ساختار (میکروسکوپی نوری، SEM، EDX)

بررسی ریزساختار با میکروسکوپ نوری و الکترونی، اطلاعات ارزشمندی از توزیع دانه ها، رسوبات و عیوب سطحی ارائه می دهد. EDX نیز ترکیب شیمیایی نقاط مختلف را مشخص می کند و برای تحلیل ناهمگنی های ایجادشده پس از جوشکاری کاربردی است.

سؤالات متداول