بررسی چقرمگی ضربه و خواص مکانیکی فلزجوش فولاد ساده کربنی جوشکاری شده به روش SMAW با الکترودهای پوشش سلولزی و روتیلی

محورهای موضوعی : عملیات حرارتی

نوید شجاعی ¹ , حامد ثابت ^{2 *} , بنفشه کاربخش راوری ³

1 - مهندسی مواد و متالورژی (جوشکاری)، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج، ایران
2 - دانشیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج، ایران.
3 - گروه مهندسی مواد و متالورژی ، واحد کرج ، دانشگاه آزاد اسلامی ، کرج ، ایران.

تاریخ دریافت : 1402/09/28 تاریخ پذیرش : 1402/12/05 تاریخ انتشار : 1403/10/12

کلید واژه: فولاد ساده کربنی, جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی, ریزساختار, فلزجوش, چقرمگی ضربه,

چکیده مقاله :

در تحقیق حاضر اتصال فولاد ST37 با الکترودهای E6010 و E6013 به روش SMAW انجام شد. پس از تهیه نمونه، بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی انجام شد و جهت بررسی خواص مکانیکی، آزمون­های ضربه، کشش، خمش و میکروسختی انجام گردید. نتایج نشان داد، که با کاهش زمان و افزایش سرعت سردشدن، ریزساختار فریت ویدمن اشتاتن و فریت ظریف در منطقه فلزجوش نمونه E6013 به ریزساختار فریت سوزنی و فریت ریز هم محور (با متوسط اندازه دانه کمتر) در منطقه فلزجوش نمونه E6010 تبدیل شده است. همچنین، نمونه E6010 دارای قطر میانگین و کسرحجمی آخال کمتر (3/2 %) نسبت به نمونهE6013 (6/3 %) می­باشد. علاوه بر این، انرژی ضربه نمونه E6010 پس از فرآیند جوشکاری در دمای محیط برابر 87 و در دمای 30- درجه سانتیگراد برابر 5/25 ژول است، در صورتی که نمونه E6013 به ترتیب برابر 61 و 5/17 ژول می­باشد. همچنین، انرژی ضربه نمونه E6010 پس از گذشت 562 روز از فرآیند جوشکاری در دمای محیط برابر 83 و در دمای 30- درجه سانتیگراد برابر 5/18 ژول است، در صورتی که نمونه E6013 به ترتیب برابر 51 و 8 ژول می­باشد. نتایج آزمون کشش نشان داد، نمونه E6010 و E6013 دارای استحکام تسلیم و استحکام کشش نهایی تقریباً یکسانی در منطقه فلزجوش می­باشند. نتایج آزمون خمش نشان داد، دو نمونه جوشکاری شده به دلیل یکسان بودن استحکام تسلیم ناشی از نوع ساختار و اندازه دانه­های تشکیل شده، دارای انعطاف پذیری و نرمی یکسانی می­باشند. نتایج آزمون میکروسختی نشان داد، میانگین سختی دو نمونه تفاوتی با یکدیگر ندارند و این مقدار در مقطع فلزجوش نمونه­های E6010 و E6013  به طور میانگین، به ترتیب برابر 148و150 HV می­باشد.

چکیده انگلیسی:

In the current research, ST37 Steel was Joined with E6010 and E6013 Electrodes by SMAW. After samples preparation, the evolution of Microstructure was carried out by OM and SEM in addition  the  Impact, Tensile, Bending and Microhardness tests were performed. The results shows that by decreasing time and increasing Cooling Rate, the Microstructure of Weld Metal that Welded with E6013 Electrode from Widmannstatten and Fine Ferrite has changed to Acicular and Fine Coaxial ferrite with lower average Grain size of Weld Metal using E6010 Electrode. Also, Welded sample with E60l0 Electrode shows smaller mean diameter and volume fraction of Inclusions (2.3%) compared to Weld Metal using E6013 Electrode (3.6%). Additionally, Impact Energy of specimen E6010 After the Welding process was changed from 87 to 25.5J with changing Temperature from 25 to -30℃ meanwhile, Impact Energy of sample that welded with E6013 was changed from 61 to 17.5J. Also, Impact Energy of specimen E6010 After 562 days of the Welding process was changed from 83 to 18.5J with changing Temperature from 25 to -30℃ meanwhile, Impact Energy of sample that Welded with E6013 was changed from 51 to 8J. The results of Tensile test shows that both samples that Welded with E6010 and E6013 Electrodes have same Yield Strength and Ultimate Tensile Strength in Weld Zone. The result of Bending test shows that both samples have equal Ductility and Flexibility. The results of Microhardness test shows that the average of Hardness for both samples is same and the quantity of Hardness are 148 and 150 HV for Welded sample with E6010 and E6013 Electrodes, respectively. 

منابع و مأخذ:

[1] J. Slania, B. Slazak & M. Fidali, "Application of fast Fourier transform (FFT) in the analysis of a welding current instantaneous values waveforms during welding with a covered electrode", Archives of Metallurgy and Materials, vol. 59, no. 2, pp. 569-573, 2014.

[2] O. S. Odebiyi, S. M. Adedayo, L. A. Tunji & M. O. Onuorah, "A review of weldability of carbon steel in arcbased welding processes", Cogent Engineering, vol. 6, no. 1, pp. 1-32, 2019.

[3] ا. ح. کوکبی و م. غزنوی، "تکنولوژی جوشکاری"، انتشارات علمی دانشگاه صنعت شریف، چاپ پنجم، 1396.

[4] D. Dwivedi, K. Lepkova& T. Becker, "Carbon steel corrosion: a review of key surface properties and characterization methods", Royal Society Chemistrt (RSC Advances)/CrossMark, vol. 7, no. 8, pp. 4580-4610, 2017.

[5] D. Sumardiyanto & S. E. Susilowati, "Effect of Welding Parameters on Mechanical Properties of Low Carbon Steel API 5L Shielded Metal Arc Welds", American Journal of Materials Science, vol. 9, no. 1, pp. 15-21, 2019.

[6] م. داریوندپور، ر. دهملائی و خ. رنجبر، "ارتباط ریزساختار با رفتار مکانیکی فلزجوش فولاد HSLA-100 تولید شده با روش GTAW"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 3، صفحه 35-48، 1400.
[7] R. Chiong, N. Khandoker, S. Islam & E. Tchan, "Effect of SMAW parameters on microstructure and mechanical properties of AISI 1018 low carbon steel joints: An experimental approach", IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 495, no. 1, pp. 1-9, 2019.

[8] T. Welt, M. Junaid, R. Mory & J. Kenney, "Evaluating impact toughness as a qualification testing requirement for welds", Elsevier/Constructional Steel Research, vol. 165, no. 1, pp. 1-10, 2019.

[9] م. ح. عوض کننده قراول، م. ح. سبزوار و ع. حائریان اردکانی، "تاثیر کروم بر ریزساختار و آخال¬های جوش¬های چند راهه فولادهای کم آلیاژی در جوشکاری به روش الکترود دستی"، مهندسی متالورژی و مواد، دوره 21، شماره 2، صفحه 13-28، 1389.

[10] ح. ثابت، "تکنولوژی و متالورژی جوشکاری"، شرکت کاوش جوش، نشر فنی امیر ، چاپ دوم، 1394.

[11] F. Khamouli, M. Zidani, K. Digheche, A. Saoudi & L. Atoui, "Effect of E6010 and E8018-G Fluxes Utilization on SMAW Multi-pass Welded steel", Scientific.Net, vol. 18, no. 1, pp. 55-64, 2018.

[12] S. D. Ramdani, A. Subhan, H. Febnesia & M. Hidayat, "Comparison of penetration depth based on effect of DCEP and DCEN polarity on SMAW process using E6013 with ASTM A36", AIP Conference proceedings, vol. 2671, no. 2, pp. 020008/1-020008/9, 2023.

[13] ن. خدابنده لو و ح. ثابت، "بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی ناحیه اتصال فولاد ساده کربنی جوشکاری شده با فرآیند FCAW و مقایسه با فرآیندGMAW "، مواد نوین، دوره 8، شماره 2، صفحه 1-14، 1396.

[14] A. Ghosh, S. Das, S. Chatterjee & P. R. Rao, "Effect of cooling rate on structure and properties of an ultra-low carbon HSLA-100 grade steel", Materials Characterization, vol. 56, no. 1, pp. 59-65, 2010.

[15] G. O. Schumann & I. E. French, "Effect of microstructure and non-metallic inclusions on the impact properties of flux-cored weld metals", scripta materialia, vol. 36, no. 12, pp. 1443-1450, 1997.

[16] "راهنمای فنی محصولات تولیدی شرکت صنعتی آما"، شرکت صنعتی آما، چاپ بیست و دوم، 1392.

[17] A. Kesuma, Sepfitrah Rinaldi & A. Khair, "Effect of arc welding amperage on the toughness of low alloy steel", Journal of Ocean Mechanical and Aerospace, vol. 31, no. 1, pp. 21-24, 2016.

[18] S. I. Talabi, O. B. Owolabi, J. A. Adebisi & T. Yahaya, "Effect of welding variables on mechanical properties of low carbon steel welded joint, Advances in Production Engineering & Management", vol. 9, no. 4, pp. 181-186, 2014.

[19] M. Shi, P. Zhang, C. Wang & F. Zhu, "Effect of high heat input on toughness and microstructure of coarse grain heat affected zone in Zr bearing low carbon", ISIJ International, vol. 54, no. 4, pp. 932-937, 2014.

[20] M. A. Bodude & I. Momohjimoh, "Studies on Effects of Welding Parameters on the Mechanical Properties of Welded Low-Carbon Steel", Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 142-153, 2015.

[21] Y. R. A. Pradana, A. Aminnudin, H. Suryanto & D. Z. Lubis, "Hardness Distribution and Impact Toughness of Carburized Steel Welded by SMAW", International Conference on Mechanical Engineering Research and Application, vol. 494, no. 1, pp. 1-7, 2019.

[22] AWS A5.1/A5.1M:2012, "Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding", An American National Standard, 2012.
[23] ASME SECTION V, "Boiler and Pressure Vessel Code / Nondestructive Examination", AN INTERNATIONAL CODE, 2019.

[24] ASTM Standard E94/E94M-17, "Standard Guide for Radiographic Examination Using Industrial Radiographic Film", ASTM INTERNATIONAL, 2019.

[25] ش. شفیع نیا، ش. میردامادی، ح. ثابت و س. ر. امیر آبادی زاده، "تعیین مقدار بهینه عنصر بور موثر بر انرژی ضربه در دماهای پایین فلزجوش فولاد ساده کربنی جوشکاری شده به روشSAW "، مواد نوین، دوره 6، شماره 1، صفحه 19-36، 1394.

[26] ASTM Standard E3-11, "Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens", ASTM INTERNATIONAL, 2017.

[27] ASTM Standard E883-11, "Standard Guide for Reflected-Light Photomicrography", ASTM INTERNATIONAL, 2012.

[28] AWS B4.0:2016, "Standard Methods for Mechanical Testing of Welds", An American National Standard, 2016.

[29] ASTM Standard E384-05a, "Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials", ASTM INTERNATIONAL, 2005.

[30] J. S. Lee, S. H. Jeong, D. Y. Lim, J. O. Yun & M. H. Kim, "Effects of welding heat and travel speed on the impact property and microstructure of FC welds", Metals and Materials International, vol. 16, no. 5, pp. 827-832, 2010.

[31] G. Krauss, Steels: Processing, "Structure and Performance", 1th Eddition, pp. 113-129, ASM International, 2015.

[32] ASTM Standard E45-05, "Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel", ASTM INTERNATIONAL, 2005.

[33] K. T. Park, S. W. Hwang, J. H. Ji & C. H. Lee, "Inclusions Nucleating Intragranular Polygonal Ferrite and Acicular Ferrite in Low Alloyed Carbon Manganese Steel Welds", Metals and Materials International, vol. 17, no. 2, pp. 349-356, 2011.
[34] S. Kumar & S. K. Nath, "Effect of heat input on impact toughness in transition temperature region of weld CGHAZ of a HY 85 steel", springer, vol. 236, no. 5, pp. 216-224, 2016.

[35] ع. طالبی هنزائی، پ. مرعشی، ا. رنجبر نوده و ا. حمداله زاده، "تاثیر مقدار هیدروژن و شرایط جوشکاری بر ترک هیدروژنی در جوش فولاد API X70"، نشریه علوم و فناوری جوشکاری ایران، دوره 4، شماره 1، صفحه 29-41، 1397.

[36] ر. پیری، ب. قاسمی و م. یوسف پور، "تاثیر کسرحجمی بینیت حاصل از عملیات حرارتی بین بحرانی بر خواص مکانیکی و رفتار شکست فولاد دوفازی فریتی-بینیتی"، مهندسی متالورژی، دوره 20، شماره 1، صفحه 54-46، 1396.
[37] W. T. Becker & S. Lampman, "Fracture appearance and mechanisms of deformation and fracture", ASM Handbook, vol. 11, 2002.

[38] ASTM Standard E23-16b, "Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials", ASTM INTERNATIONAL, 2018.

[39] ASTM Standard E290-09, "Standard Test Methods for Bend Testing of Material for Ductility", ASTM INTERNATIONAL, 2009.

[40] AWS D1.1/D1.1M:2020, "Structural Welding Code-Steel", An American National Standard, 2020.

متن کامل:



فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال هجدهم –  شماره سوم –  پاییز 1403 (شماره پیاپی 70)، ص­ص. 59-80
	فصلنامه علمی پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد ma.iaumajlesi.ac.ir

 

بررسی چقرمگی ضربه و خواص مکانیکی فلزجوش فولاد ساده کربنی جوشکاری شده به روش SMAW با الکترودهای پوشش سلولزی و روتیلی

مقاله پژوهشی

 

 

 نوید شجاعی1، حامد ثابت2*، بنفشه کاربخش راوری3

 

1- دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مواد و متالورژی (جوشکاری)، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج، ایران.

2- دانشیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج، ایران.

3- استادیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، واحد کرج، دانشگاه آزاد اسلامی، کرج، ایران.

* [e-mail]

 

اطلاعات مقاله		چکیده
دریافت: 28/09/1402 پذیرش: 05/12/1402		در تحقیق حاضر اتصال فولاد ST37 با الکترودهای E6010 و E6013 به روش SMAW انجام شد. پس از تهیه نمونه، بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی انجام شد و جهت بررسی خواص مکانیکی، آزمون­های ضربه، کشش، خمش و میکروسختی انجام گردید. نتایج نشان داد، که با کاهش زمان و افزایش سرعت سردشدن، ریزساختار فریت ویدمن اشتاتن و فریت ظریف در منطقه فلزجوش نمونه E6013 به ریزساختار فریت سوزنی و فریت ریز هم محور (با متوسط اندازه دانه کمتر) در منطقه فلزجوش نمونه E6010 تبدیل شده است. همچنین، نمونه E6010 دارای قطر میانگین و کسرحجمی آخال کمتر (3/2 %) نسبت به نمونهE6013 (6/3 %) می­باشد. علاوه بر این، انرژی ضربه نمونه E6010 پس از فرآیند جوشکاری در دمای محیط برابر 87 و در دمای 30- درجه سانتیگراد برابر 5/25 ژول است، در صورتی که نمونه E6013 به ترتیب برابر 61 و 5/17 ژول می­باشد. همچنین، انرژی ضربه نمونه E6010 پس از گذشت 562 روز از فرآیند جوشکاری در دمای محیط برابر 83 و در دمای 30- درجه سانتیگراد برابر 5/18 ژول است، در صورتی که نمونه E6013 به ترتیب برابر 51 و 8 ژول می­باشد. نتایج آزمون کشش نشان داد، نمونه E6010 و E6013 دارای استحکام تسلیم و استحکام کشش نهایی تقریباً یکسانی در منطقه فلزجوش می­باشند. نتایج آزمون خمش نشان داد، دو نمونه جوشکاری شده به دلیل یکسان بودن استحکام تسلیم ناشی از نوع ساختار و اندازه دانه­های تشکیل شده، دارای انعطاف پذیری و نرمی یکسانی می­باشند. نتایج آزمون میکروسختی نشان داد، میانگین سختی دو نمونه تفاوتی با یکدیگر ندارند و این مقدار در مقطع فلزجوش نمونه­های E6010 و E6013  به طور میانگین، به ترتیب برابر 148و150 HV می­باشد.
کلید واژگان: فولاد ساده کربنی جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی ریزساختار فلزجوش چقرمگی ضربه.

Investigation of Impact Toughness and Mechanical Properties of the Plain Carbon Steel Weld Metal Fabricated By SMAW with Cellulose and Rutile Coated Electrodes

 

Navid Shojaei 1, Hamed Sabet 2*, Banafsheh Karbakhsh Ravari 3

 

1- MSc student of Materials Engineering, Department of Materials Engineering, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran.

2- Associate prof. of Materials Engineering, Department of Materials Engineering, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran.

3- Assistant prof. of Materials Engineering, Department of Materials Engineering, Karaj Branch, Islamic Azad University, Karaj, Iran.

* [e-mail]

 

 

Abstract		Article Information
In the current research, ST37 Steel was Joined with E6010 and E6013 Electrodes by SMAW. After samples preparation, the evolution of Microstructure was carried out by OM and SEM in addition the Impact, Tensile, Bending and Microhardness tests were performed. The results shows that by decreasing time and increasing Cooling Rate, the Microstructure of Weld Metal that Welded with E6013 Electrode from Widmannstatten and Fine Ferrite has changed to Acicular and Fine Coaxial ferrite with lower average Grain size of Weld Metal using E6010 Electrode. Also, Welded sample with E60l0 Electrode shows smaller mean diameter and volume fraction of Inclusions (2.3%) compared to Weld Metal using E6013 Electrode (3.6%). Additionally, Impact Energy of specimen E6010 After the Welding process was changed from 87 to 25.5J with changing Temperature from 25 to -30℃ meanwhile, Impact Energy of sample that welded with E6013 was changed from 61 to 17.5J. Also, Impact Energy of specimen E6010 After 562 days of the Welding process was changed from 83 to 18.5J with changing Temperature from 25 to -30℃ meanwhile, Impact Energy of sample that Welded with E6013 was changed from 51 to 8J. The results of Tensile test shows that both samples that Welded with E6010 and E6013 Electrodes have same Yield Strength and Ultimate Tensile Strength in Weld Zone. The result of Bending test shows that both samples have equal Ductility and Flexibility. The results of Microhardness test shows that the average of Hardness for both samples is same and the quantity of Hardness are 148 and 150 HV for Welded sample with E6010 and E6013 Electrodes, respectively.		Original Research Paper Doi:
		Keywords: Lead Composite Polyaniline Orange Peel Adsorption.

 

1- مقدمه

فولادهای ساده کربنی يكي از پركاربردترين مواد فلزي هستند و کربن، اصلیترین عنصر آلیاژی سازنده آنها است. قطعاتي كه از اين فلزات توسط فرآیند جوشکاری تولید می­شوند در بسیاری از صنایع نظیر نفت و پتروشیمی، صنعت حمل و نقل زمینی، صنایع شیمیایی و صنعت ساختمان بكار مي­روند [1-2]. معمولاٌ می­توان از تمامی فرآیندهای جوشکاری بخصوص روش­های جوشکاری به کمک انرژی الکتریکی (جوشکاری ذوبی) برای اتصال این نوع فولادها استفاده نمود [3]. اصولاً در فولادهای ساده کربنی با افزایش درصد کربن خواصی از قبیل چقرمگی ضربه و قابلیت جوش پذیری کاهش و در مقابل سختی و استحکام کششی افزایش می­یابد [4]. خواص مکانیکی فلزجوش فولادهای ساده کربنی به ریزساختار میکروسکوپی فلزجوش بستگی دارد. شدت تمرکز حرارت و سرعت سردشدن در روش­های مختلف جوشکاری فولادهای ساده کربنی متفاوت است و بر ریزساختار میکروسکوپی فلزجوش تاثیر گذار می­باشد [5-6]. جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی (SMAW)، یکی از پرکاربردترین روش جوشکاری بوده و الکترود آن از نوع مصرفی (ذوب شونده) و پوشش­دار می­باشد. با تغییر نوع الکترود، جریان (مستقیم یا متناوب) و بسته به مهارت جوشکار، این فرآیند برای انواع فولادها و در تمام موقیعت­ها قابل استفاده می­باشد [7-8]. در اکثر روش­ها، بخصوص روش الکترود دستی، کیفیت متالورژیکی جوش نیز متاثر از حرارت ورودی جوشکاری، ترکیب شیمیایی فلزجوش، عناصرآلیاژی و قابلیت جوش پذیری می­باشد [3-9]. الکترودهایی که در جوشکاری فولادهای ساده کربنی به کار برده می­شوند، دارای عناصر مختـلفی در پـوشش خـود می­بـاشند کـه نقش مهمی را ایفـا می­کنند. این عناصر شامل مواد معدنی نظیر اکسید تیتانیوم (رتیل)، اکسید آهن، کربنات­های مختلف، مواد اکسیژن زدا، سیلیکات­ها، پودر آهن و در برخی موارد عناصر آلیاژی هستند [10]. دو الکترود پر کاربرد در صنعت را می­توان، الکترودهای E6010 و E6013 نام برد. روپوش الکترودهای E6010 (سلولزی) از جنس اکسید تیتانیوم (روتیل) و مقداری سلولز است. از این الکترودها در جوشکاری خطوط لوله انتقال نفت و گاز و سایر سیالات استفاده می­شوند. حجم سرباره آن­ها کم بوده و به راحتی از روی کار کنده می­شوند. به دلیل وجود هیدروژن در ترکیبات روکش (سلولز)، حرارت بالایی ایجاد شده و عمق نفوذ جوش افزایش می­یابد. جوش حاصل از این نوع الکترودها دارای خواص مکانیکی خوبی بوده است و دانه بندی فلزجوش که از این نوع الکترود حاصل می­شود، بسیار ظریف و تقریباً عاری از اکسیژن است [11]. روپوش الکترودهایE6013 (روتیلی-پتاسیم دار) عمدتاً از ماده تشکیل دهنده اکسید تیتانیوم (روتیل) می­باشد که باعث آرام­تر شدن قوس می­گردد. جوشکاری با این نوع الکترود در هر حالتی و با هر جریانی امکان پذیر است و ظاهر جوش مناسبی حاصل می­شود. به همین دلیل بیشترین کاربرد را در بین انواع الکترودها دارد [12]. تاثیر انرژی جوشکاری (حرارت ورودی) و نرخ سردشدن بر ریزساختار فلزجوش و اندازه دانه­های فلزجوش تاثیر بسزایی در خواص ضربه پذیری، انعطاف پذیری و استحکام کششی دارد [4]. نرخ سردشدن در جوشکاری به عوامل مختلفی از قبیل میزان حرارت ورودی، خواص فیزیکی و ضخامت فلزپایه بستگی دارد. از نقطه نظر متالورژیکی و تغییرات ساختاری موثر (بر خواص مکانیکی و ضربه پذیری جوش فولادهای ساده کربنی و کم آلیاژ)، در فاصله نزول درجه حرارت از 800 به 500 درجه سانتیگراد از اهمیت خاصی برخوردار بوده و معمولاً تنها نرخ (سرعت یا زمان) سردشدن در این فاصله در نظر گرفته شده و به اختصار  نشان داده می­شود [10]. با افزایش مدت زمان سردشدن (کاهش نرخ سردشدن) ساختار فلزجوش از فریت ویدمن اشتاتن و فریت مرزدانه­ای به فریت سوزنی تبدیل می­شود [13-14]. با توجه به اهمیت ساختار میکروسکوپی، بالاترین میزان چقرمگی ضربه فقط در ریزساختار نامنظم فریت سوزنی بدست می­آید [13]. بعضی از عناصر آلیاژی بر روی خواص مکانیکی فلزجوش تاثیرگذار می­باشند و منجر به ایجاد ترکیبات غیرفلزی (اکسیدی) در فلزجوش شده و خواص چقرمگی ضربه فلزجوش را کاهش می­دهند. این عناصر شامل منگنز، سیلیسیم و آلومینیـوم می­باشند که در نقش عناصر اکسیژن زدا عمل می­کنند [9]. عناصر اصلی که بر روی کسرحجمی آخال­ موثر می­باشند گوگرد و اکسیژن هستند. مکانیزم تاثیر­گذاری عیوب جوش شامل حفره­ها و آخال سرباره­های جامانده از پاس­های قبلی موجب تمرکز تنش و محل شروع ترک در نزدیکی این عیوب در حین آزمون ضربه می­شوند که این امر خواص ضربه پذیری ماده را کاهش می­دهد [15]. آخال­های موجود در منطقه فلزجوش، از یک جهت می‌توانند محل جوانه‌زنی فریت سوزنی باشند که این خاصیت، منجر به افزایش چقرمگی ضربه می­شود. از جهتی دیگر، می­توانند محل شروع شکست (نرم یا ترد) باشند که در این حالت برای خواص مکانیکی بخصوص چقرمگی ضربه مضر هستند [13]. آخال­های میکروسکوپی عمدتاً محل جوانه­زنی فریت سوزنی می­باشند و خواص چقرمگی ضربه را بهبود می­بخشند [15]. چقرمگی ضربه فلزجوش با الکترود E6010 در دمای 30- درجه سانتیگراد بیشتر از 27 ژول و در دمای 20 درجه سانتیگراد برابر 80 ژول گزارش شده است، همچنین چقرمگی ضربه­ای فلزجوش با الکترود E6013 در دمای 20 درجه سانتیگراد برابر بیش از 60 ژول گزارش شده است [16]. کاسوما و همکاران1 [17] اعلام نمودند که شدت جریان جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی با الکترود E6013، تأثیر قابل توجهی بر چقرمگی ضربه فلزجوش در فولاد کم آلیاژ دارد. آنها گزارش دادند که با افزایش شدت جریان جوشکاری (و در نتیجه افزایش حرارت ورودی) مقاومت در برابر چقرمگی ضربه فلزجوش کاهش می­یابد. طلابی و همکاران2 [18] اثر جریان جوشکاری، ولتاژ قوس، سرعت جوشکاری و قطر الکترود را بر روی خواص مکانیکی ورق­های فولاد ساده کربنی کم کربن جوشکاری شده به روش قوس الکتریکی با الکترود دستی با الکترود کم هیدروژن E7018 را بررسی نمودند. نتایج آن­ها نشان داد، افزایش ولتاژ و جریان جوشکاری منجر به افزایش حرارت ورودی و در نتیجه سختی و استحکام کششی فلزجوش افزایش و چقرمگی ضربه فلزجوش کاهش می­یابد. شی و همکاران3 [19] مستقیماً تأثیر حرارت ورودی بر چقرمگی ضربه را در مناطق مجاور جوش فولاد ساده کربنی کم کربن بررسی نمودند. نتایج آن­ها نشان داد، افزایش حرارت ورودی منجر به افزایش اندازه دانه­های آستنیت ناحیه متاثر از حرارت درشت دانه شده و در نتیجه کـاهش چقرمگی ضربـه در این منطقه می­شود. بدود و همکارش4 [20] اثر پارامترهای جوشکاری بر روی خواص مکانیکی فولاد کم کربن (ضخامت 10 میلیمتر) جوشکاری شده به روش جوشکاری اکسی استیلن و جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی با الکترود E6013 را بررسی نمودند. نتایج آن­ها نشان داد، با افزایش حرارت ورودی، چقرمگی ضربه افزایش و در مقابل، استحکام کششی و سختی کاهش یافت. پرادانا و همکاران5 [21] توزیع سختی و انرژی ضربه فولاد ST37 جوشکاری شده توسط الکترود E7016 با جریان­های مختلف به روش جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود دستی را بررسی کردند. نتایج آن­ها نشان داد، با افزایش حرارت ورودی، چقرمگی ضربه کاهش و در مقابل، سختی به واسطه غنی سازی کربن، افزایش یافت. به دلیل گزارشات ارائه شده در صنعت، مبنی بر انرژی ضربه بهتر الکترود روتیلی E6013 نسبت به الکترود سلولزی E6010 در دمای محیط (بر خلاف نتایج گزارش شده توسط سازندگان الکترود [16])، این تحقیق انجام گردید تا بررسی علمی بر روی این موضوع و سایر خواص مکانیکی (کشش، خمش و سختی) فلزجوش حاصل از این الکترودها جهت بر طرف نمودن ابهامات و اختلاف نظرات به وجود آمده در صنعت با گزارشات ارائه شده انجام گیرد. همچنین، در این پژوهش مقدار انرژی ضربه در دمای 30- درجه سانتیگراد برای دو نمونه و مقدار انرژی ضربه پس از گذشت 562 روز از فرآیند جوشکـاری در دو بازه دمایی محاسبه گردید تا اطلاعات دقیق­تری نسبت به سایر تحقیقات به عمل آمده، کسب شود.

2- مواد و رو­ش تحقيق

در این تحقیق از ورق فولادی ST37 با ضخامت 12 میلیمتر استفاده شد. جدول (1) ترکیب شیمیایی فولاد مورد استفاده در این پژوهش را که به روش اسپکتروسکوپی نشر نوری (کوانتومتری) انجام شده است، ارائه می­دهد. برای انجام تحقیق، نمونـه­هایی بـا ابعـاد 100×300 میلیمتر تـوسط وایـرکـات بـریده و ناحیه اتصال ورق­ها، مطابق استاندارد AWS A5.1-A5.1M [22]، به کمک فرآیند ماشین کاری، آماده سازی شده و سپس پشت­بند فلزی (از جنس فولاد ST37) مابین ورق­ها متصل شد. شرایط طرح اتصال در شکل (1) ارائه شده است. جوشکاری مطابق با شرایط و پارامترهای ارائه شده در جدول (2) انجام شد. پس از فرآیند جوشکاری صحت و سلامت جوش­ها توسط آزمون رادیوگرافی طبق استاندارد ASME SECTION V، Article 2&22 [23]، ASTM E94/E94M-17  [24] و شرایط مندرج در جدول (3) مورد بررسی قرار گرفته شدند. همچنین جهت تخمین انرژی جوشکاری (حرارت ورودی) و تعیین زمان سردشدن بعد از جوشکاری از معادلات (1) و (2) استفاده شد [10]:

 

 

که در آن Qw انرژی جوشکاری یا حرارت ورودی بر حسب J∕mm ،  گرمای جوشکاری، V اختلاف پتانسیل برحسب ولت (v)، A شدت جریان جوشکاری بر حسب آمپر (A)، S سرعت پیشروی جوشکاری بر حسب mm/min و K راندمان قوس الکتریکی می­باشد که برابر 85/0 (k) است. همچنین با استفاده از معادله (2)، زمان عبور از 800 تا 500 درجه سانتیگراد یا زمان سردشدن  تعیین گردید [25]:

 

(1)

 

که در آن  درجه حرارت فلزپایه قبل از جوشکاری (دمای پیشگرم، دمای بین پاسی) بر حسب درجه سانتیگراد و λ ضریب انتقال حرارت (هدایت حرارتی) بر حسب  است که برابر 12/0 می­باشد. لازم به توضیح است که زمان عبور از 800 تا 500 درجه سانتیگراد () و سرعت سردشدن، با توجه به شرایط جوشکاری در جدول (2) محاسبه شد و حل معادلات به کمک نرم افزار Excel با اعمال تبدیل واحدها صورت گرفت و  بر روی دیاگرام CCT فلزجوش فولاد ساده کربنی، نرخ سردشدن مشخص گردید.

در ادامه نمونه­هایی جهت بررسی ریزساختار توسط میکروسکوپ نوری و الکترونی و انجام آزمون­های کشش، خمش، میکروسختی و ضربه مطابق شکل (2) تهیه شدند (اعداد مندرج برحسب میلیمتر می­باشد). پس از نمونه برداری از قطعه مطابق استانداردASTM E3-11 [26] و آماده­سازی نمونه­ها به کمک فرآیند سنباده­زنی و پولیش، ریزساختار نمونه­ها طبق استاندارد ASTM E883-11 [27]، توسط میکروسکوپ نوری مدل Meiji بعد از حکـاکی به مدت 5 ثانیه با محلول نـایتال 4% در نواحی مشخص شده مطابق شکل (3) مورد مطالعه قرار گرفته شدنـد و متـوسط اندازه دانه­های تشکیل شده با استفاده از نرم افزار آماری Image J محاسبه گردیدند. برای بررسی دقیق­تر سطح ناحیه اتصال و فازها از میکروسکوپ الکترونی روبشی مدل AIS2300C Seron teach مجهز به سیستم آنالیز EDS تحت ولتاژ کاری 30KV استفاده شد. همچنین جهت بررسی توزیع عناصر آلیاژی از آنالیز نقشه عنصری (Map) استفاده شد. در نهایت، جهت بررسی دقیق­تر سطح ناحیه اتصال و شکست نگاری نمونه­ها بعد از آزمون ضربه از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد.

شرایط و موقعیت نمونه­برداری نمونه­های آزمون خواص مکانیکی، به ترتیب در جدول (4) و شکل (2) نشان داده شده است.

آزمون­های ضربه و کشش طبق استانداردAWS B4.0  [28] تـوسط دستگـاه GOTECH بـا مدل­هـای بـه ترتیب GT-7052-D30 (300 J)  و AL-7000-LA30 (30tonne) انجـام گرفت و نمونه آزمـون خمش U طبـق استـاندارد AWS B4.0 [28] تـوسط دستـگاه خمش سه نقطه­ای انجام شد و در نهایت نتایج هر آزمون به صورت میانگین گزارش شد. همچنین، خاصیت شیمیایی روکش الکترودها، با توجه به درجه قلیائی بودن آن­ها به کمک معادله (3) تعیین شد که در جدول (5) لحاظ شده است [10].

 

(2)

 

تعیین مقدار سختی ناحیه فلزجوش توسط آزمون میکروسختی تحت بار 200 گرم به مدت 10 ثانیه بر اساس استانداردASTM E-384-05a [29] توسط دستگاه مدل HVS-1000 انجام گرفت. این آزمون در بخش­های فوقانی، میانی و تحتانی مقطع فلزجوش (به صورت عرضی از مقطع جوش) برای هر دو نمونه جوشکاری شده انجام گرفته است، که به ترتیب برای هر بخش، تعداد 16، 14 و 11 نقطه سختی­سنجی شده است و متوسط نتایج آن گزارش شد. لازم به ذکر است، فاصله­ی بین نقاط سختی­سنجی شده 5/0 میلیمتر می­باشد. همچنین، فاصله­ی بخش فوقانی تا سطح جوش و بخش تحتانی تا ریشه جوش برابر 2 میلیمتر و بخش میانی در مرکز مقطع جوش در فاصله 5/5 میلیمتر تا سطح جوش می­باشد.

 

جدول (1): درصد (وزنی) عناصر موجود در فلزپايه.

(3)

عناصر شیمیایی	%Fe	%C	%Si	%P	%S	%Mn
فلزپایه	740/98	070/0	020/0	007/0	010/0	520/0

 

 

شکل(1): طرح اتصال و ابعاد طبق استاندارد AWS A5.1-2012.

 

 

 

جدول (2): شرایط و پارامترهای جوشکاری. 

 

جدول (3): شرایط آزمون رادیوگرافی نمونه­های جوشکاری شده.

نوع الکترود	کد الکترود	شرکت سازنده الکترود	قطر الکترود (mm)	وضعیت جوشکاری	قطبیت دستگاه	تعداد پاس جوش (حالت پاس جوش)	دمای بین پاسی ()	جریان جوشکاری (A)	ولتاژ جوشکاری (V)	سرعت پیشروی (mm/min)	انرژی جوشکاری (حرارت ورودی) (KJ/mm)
E6010	1047P	شرکت صنعتی آما	25/3	تخت	DCEP	11 (خطی)	110 الی 150	104 الی 112	20	100	14/1 – 06/1
E6013	2000	شرکت صنعتی آما	25/3	تخت	DCEN	11 (خطی)	110 الی 150	120 الی 130	20	110	21/1 – 11/1

نوع فیلم	توان اشعه X (KW)	ولتاژ تصویر برداری (KV)	زمان تابش اشعه (برای هر قطعه)	فاصله منبع تابش تا فیلم (mm)	دانسیته فیلم	ضخامت قطعه در محل جوش (mm)	سایز فیلم (cm)
FOMADOXR7-D7	160	160	4 دقیقه و 30 ثانیه	700	5/2 – 5/3	20	32×10

 

 

 

 

شکل(2): شماتیک نمونه­برداری آزمون­های خواص مکانیکی به صورت عرضی از مقطع جوش.

 

جدول (4): شرایط نمونه­برداری آزمون­های مکانیکی برای هر یک از نمونه­های جوشکاری شده.

آزمون ضربه
استاندارد مرجع:  ASTM E23-16b (2018) / AWS B4.0 (2016)
نمونه	دمای آزمون (سانتیگراد)	تعداد آزمون پس از فرآیند جوشکاری		تعداد آزمون پس از گذشت 562 روز
E6010	دمای محیط	3		2
	30-	2		2
E6013	دمای محیط	3		2
	30-	2		2
آزمون کشش
استاندارد مرجع:  AWS D1.1/D1.1M (2020) / AWS B4.0 (2016)
نمونه	سطح مقطع ()	سرعت کشش (mm/min)	دمای آزمون (سانتیگراد)		تعداد نمونه
E6010	48/416	10	دمای محیط		2
E6013	09/420	10	دمای محیط		2
آزمون خمش
استاندارد مرجع:  AWS D1. 1/D1.1M (2020) / AWS B4.0 (2016)
نمونه	دمای آزمون (سانتیگراد)			تعداد نمونه
E6010	دمای محیط			1
E6013	دمای محیط			1

 

 

شکل(3): شماتیک از نقاط بررسی شده توسط میکروسکوپ نوری (پنج نقطه قرمز رنگ).

 

 

 

جدول (5): خواص مکانیکی و ترکیب شیمیایی فلزجوش خالص در این پژوهش [16].

 

 

3- نتایج و بحث

تصاویر فیلم رادیوگرافی فلزجوش نمونه­ها در شکل (4) نشان داده شده است. نتایج آزمون رادیوگرافی در جدول (6) ارائه شده است. با توجه به نتایج بدست آمده، صحت و سلامت جوش­ها مورد تایید می­باشند.

 

 

نمونه	ترکیب شیمیایی
E6010	عنصر	فسفر	گوگرد	سیلیسیم	منگنز	اکسیژن	کربن	درجه قلیائی
	درصد وزنی %	02/0<	02/0<	15/0	5/0	04/0	12/0	2/1
	خواص مکانیکی
	مقاومت به ضربه ( J ) ISO - V					ازدیاد طول A5 (%)	استحکام تسلیم (n/)	استحکام کششی (n/)
	30- درجه سانتیگراد			20+ درجه سانتیگراد
	27>			80		22>	360>	420>
نمونه	ترکیب شیمیایی
E6013	عنصر	فسفر	گوگرد	سیلیسیم	منگنز	اکسیژن	کربن	درجه قلیائی
	درصد وزنی %	02/0<	02/0<	40/0	50/0	08/0	55/0	درصد وزنی %
	خواص مکانیکی
	مقاومت به ضربه ( J ) ISO - V					ازدیاد طول A5 (%)	استحکام تسلیم (n/)	استحکام کششی (n/)
	20+ درجه سانتیگراد
	60>					22>	360>	420>

(الف)

(ب)

شکل(4): تصاویر فیلم رادیوگرافی از فلزجوش نمونه­های جوشکاری شده با الکترود: الف) نمونه E6010، ب) نمونهE6013.

 

جدول (6): نتایج آزمون رادیوگرافی نمونه­های جوشکاری شده.

نمونه	Weld NO. (cm)	FFD  (cm) 6	حساسیت (%)	تکنیک	تراکم	اندازه عیوب و سطح شدت	نوع عیب و محل / موقعیت (cm)	نتیجه
E6010	30 - 0	80	1-2	SWSI7	2-4	حداکثر قطر یا طول کمتر از 2/1 میلیمتر	تخلخل: 16	مجاز
E6013	30 - 0	80	1-2	SWSI	2-4	حداکثر قطر یا طول کمتر از 8/0 میلیمتر	تخلخل: 18 - 19	مجاز

 

 

شکل (5) ریزساختار فلزپایه (فولادST37 ) را نشان می­دهد. ریزساختارهای فلزپایه شامل فریت و پرلیت می­باشد که میانگین متوسط اندازه دانه در شش نقطه مختلف برابر 82/42 میکرومتر است. شکل (6) و (7) به ترتیب، تصویر ریزساختار منطقه فلزجوش در سه ناحیه فوقانی، میانی و تحتانی (پاس­های مشخص شده مطابق شکل (3)) به همراه نوع ریزساختار و متوسط اندازه دانه نمونه­های جوشکاری شده با فلز پر­کننده E6010 و E6013 را نشان می­دهد. شایان ذکر است، نقاط کروی شکل تیره رنگ، آخال ناشی از عملیات جوشکاری می­باشد. همانگونه که در تصویر میکروسکوپ نوری شکل (6) و (7) مشاهده می­شود، با تغییر نوع فلز پرکننده در مناطق فلزجوش دو نمونه، نوع فاز و میزان فازهای تشکیل دهنده نیز تغییر می­کنند. ساختار فریتی و پرلیتی این مناطق در دو نوع الکترود مصرفی از لحاظ نوع فریت تشکیل دهنده (جزء ریزساختار) مشابه یکدیگر نبوده و عدم یکنواختی در ریزساختار در بخش­های مختلف، قابل مشاهده می­باشد، که این امر ناشی از تفاوت در حرارت ورودی جوشکاری (جدول (2)) و جنس پوشش الکترودها است [10]. از تصاویر متالوگرافی ارائه شده در شکل­های (6) و (7) می­توان استنباط نمود که در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013، با کاهش زمان سردشدن (افزایش سرعت سردشدن)، ریزساختار از فریت ویدمن اشتاتن در پاس­های رویه و فریت ظریف در پاس­های ریشه و میانی، به فریت سوزنی و فریت ریز­هم محور در پاس­های رویه و پاس­های میانی و فریت/پرلیت­ریز در پاس ریشه در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 تبدیل شده است. همانطور که در شکل (6) مشاهده می­شود، ریزساختار میکروسکوپی در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 در پاس دهم (رویه)، فریت سوزنی با متوسط اندازه دانه 4/11 میکرومتر، در پاس پنجم ریزساختار فریت سوزنی و فریت ویدمن اشتاتن با متوسط اندازه دانه 4/13 میکرومتر، در پاس ششم ریزساختار فریت سوزنی با متوسط اندازه دانه 8/13 میکرومتر، در مرز بین پاس شش و پنج دارای ساختار فریت ریز با متوسط اندازه دانه 6/13 میکرومتر و در پاس ریشه دارای ساختار فریت و پرلیت­ریز با متوسط اندازه دانه 2/11 میکرومتر می­باشد. در شکل (7)، مشاهده می­شود که ریزساختار میکروسکوپی در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 در پاس دهم (رویه)، فریت خشن ویدمن اشتاتن با متوسط اندازه دانه 4/60 میکرومتر، در پاس پنجم ریزساختار فریت ظریف با متوسط اندازه دانه 9/15 میکرومتر، در پاس ششم ریزساختار فریت ظریف با متوسط اندازه دانه 3/17 میکرومتر، در مرز بین پاس شش و پنج ریزساختار فریت ظریف با متوسط اندازه دانه 6/13 میکرومتر و در پاس ریشه ریزساختار فریت ظریف با متوسط اندازه دانه 3/13 میکرومتر تشکیل شده است. با توجه به شرایط حرارت ورودی یکسان و تشکیل ریزساختارها و اندازه دانه­ها، می­توان تفاوت در چقرمگی ضربه نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 را نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 انتظار داشت [30].

با توجه به محاسبات زمان سردشدن دو نمونه در محدوده دمایی 800 تا 500 درجه سانتیگراد  مطابق جدول (7) و انطباق با دیاگرام CCT فلزجوش فولاد ساده کربنی (شکل (8))، می­توان به این نتیجه رسید که افزایش سرعت سردشدن (یا کاهش زمان سردشدن) نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 به میزان جزئی نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 موجب افزایش کسرحجمی فازهای مناسب­تر (از جمله فریت سوزنی) در منطقه فلزجوش شده است که موجب چقرمـگی ضربـه و استحکام مکانیکی مطلوب­تـری می­شود [31-10].

 

 

شکل(5): تصوير ميکروسکوپی فولاد ST37 با متوسط اندازه دانه 43 میکرون (درصد فریت و پرلیت به ترتیب برابر 60 و 40 می­باشد).

 

 

شکل(6): تصاوير ميکروسکوپی نوري از منطقه فلزجوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010. (AF: فریت سوزنی، FF: فریت ریز، FP: پرلیت ریز، FSP: فریت ویدمن اشتاتن).

 

 

شکل(7): تصاوير ميکروسکوپی نوري از منطقه فلزجوش نمونه جوشکاری شده با الکترودE6013 . (FF: فریت ظریف، FSP: فریت خشن ویدمن اشتاتن).

 

 

 

 

 

 

جدول (7): زمان و سرعت سردشدن محاسبه شده برای نمونه­های جوشکاری شده.

 

جدول (8): نوع و کسرحجمی آخال در منطقه فلزجوش نمونه­های جوشکاری شده.

نمونه	زمان سردشدن  () (s)	سرعت سردشدن
E6010	6/14 – 5/14	55/20 – 69/20
E6013	2/15 – 15	94/19 – 20

نمونه	نوع آخال	رده (کلاس)	میانگین کسرحجمی آخال (%)
E6010	اکسیدی گلبولار Type D	1	3/2
E6013	اکسیدی گلبولار Type D	1	6/3

 

 

شکل(8): نمودار شماتیکی CCT برای فولاد .[10]ST37

 

شکل (9)، تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از منطقه فلزجوش و جدول (8)، نوع آخال­ها بر اساس استانداردASTM E45-05[32]  و میانگین کسرحجمی آخال نمونه­های جوشکاری شده با الکترودهای E6010 و E6013 را نشان می­دهد. با توجه به استاندارد نامبرده، می­توان بیان کرد مورفولوژی آخال­های تشکیل شده در دو نمونه جوشکاری شده از نوع اکسیدی گلبولار (کروی) Type D می­باشد. همچنین بر اساس ضخامت یا قطر آخال با توجه به استاندارد نامبرده، این نوع آخال­ها در کلاس 1 (Heavy) قرار می­گیرند، که این طبقه بندی طبق عرض آخال­ می­باشد. کسرحجمی آخال­ها در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 برابر 3/2 درصد و نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 برابر 6/3 درصد تعیین شد که در این صورت خواص چقرمگی ضربه بیشتری را در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 می­توان پیش بینی نمود. همانطور که در شکل (9) مشاهده می­شود، توزیع آخال­ها کاملاً اتفاقی بوده است و متوسط قطر آخال­های تشکیل شده در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 کمتر می­باشد که ناشی از مقـدار اکسیـژن کمتر در فلز جوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010، مطابـق شکل (10) و (11) می­باشد [33]. غالباً هرچه شعاع میانگین آخال­ها کوچکتر باشد، چقرمگی ضربه افزایش می­یابد. در مقابل، هر چه اندازه­ی آخال بزرگتر باشد، تمرکز تنش در فصل مشترک آن با زمینه بیشتر است و نتیجه جوانه­زنی و رشد حفره تسهیل می­شود [15].

 

(الف)

(ب)

شکل(9): تصاوير ميکروسکوپ الکترونی روبشی از منطقه فلزجوش و آخال­های نمونه جوشکاری شده با فلز پرکننده: الف) E6010، ب) E6013.

 

شکل (10) و (11) به ترتیب، تصاویر تجزیه و تحلیل عنصری آخال­ها به کمک طیف سنجی تفکیک انرژی (EDS) در نمونه­های جوشکاری شده با فلز پرکننده E6010 و E6013 را نشان می­دهد. با توجه به شکل­ها و نتایج آنالیز عنصری، اکسیدی بودن ماهیت این آخال­ها تایید می­شود. از آنجایی که آخال­های تشکیل شده در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 مطابق شکل (11)، دارای درصد بیشتری اکسیژن نسبت به آخال­های موجود در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 می­باشد (آخال­های نمونه E6010 دارای 70/3-18/2 درصد وزنی اکسیژن و آخال­های نمونه E6013 دارای 36/35-82/9 درصد وزنـی اکسیـژن می­بـاشد)، لـذا کسرحجمی آخال­های اکسیدی در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 بیشتر از نمونـه جـوشکاری شده با الکترود E6010 می­باشد. در نتیجه، با توجه به مقدار کسرحجمی و قطر میانگین آخال­ها، پیش­بینی می­شود که چقرمگی ضربه نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 بیشتر باشد. مورفولوژی آخال­ها در هر دو نمونه جوشکاری شده به شکل کروی و یا مدور بوده است و با وجود تفاوت در نوع جنس پوشش الکترودها تغییری در مورفولوژی آن­ها به وجود نیامده است و تغییر قانون­مندی در مشخصه­های ظاهری آخال­ها دیده نمی­شود. شکل (12) و (13) به ترتیب، تصاویر نقشه توزیع عناصر آلیاژی فلزجوش نمونه­های مختلف را نشان می­دهند. همانطور که در شکل (12) مشخص است توزیع عناصر آلیاژی در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 بصورت یکنواخت در زمینه و آخال­ها بوده ولی در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 (شکل (13)) تجمع و توزیع عناصر آلیاژی سیلیسیم، منگنز و تیتانیوم در اطراف آخال­ها مشهودتر است.

 

 

 

شکل(10): تصوير حاصل از ميکروسکوپ الکترونی روبشی از ناحيه جوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 به همراه آناليز عنصري از آخال نشان داده شده در تصوير.

شکل(11): تصوير حاصل از ميکروسکوپ الکترونی روبشی از ناحيه جوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 به همراه آناليز عنصري از آخال نشان داده شده در تصوير.

 

شکل(12): تصاویر آنالیز شده از موقعیت و تجمع عناصر موجود در تصاویر میکروسکوپی برای نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 در ناحیه فلزجوش.

شکل(13): تصاویر آنالیز شده از موقعیت و تجمع عناصر موجود در تصاویر میکروسکوپی برای نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 در ناحیه فلزجوش و آخال­ها.

 

 

میزان انرژی ضربه فلزجوش (چقرمگی ضربه) نمونه­های جوشکاری شده با الکترودهای  E6010و E6013در جدول (9) و شکل (14) نشان داده شده است. با توجه به نتایج آزمون ضربـه (نتـایج آزمـون پس از فرآینـد جوشکاری) مشخص می­گردد که نمونه جوشکاري شده با الکترود E6010، دارای متوسط انرژی ضربه 87 ژول در دمای محیط و 5/25 ژول در دمای 30- درجه سانتیگراد می­باشد و نسبت به نمونه جوشکاري شده با الکترود  E6013که دارای متوسط انرژی ضربه 61 ژول در دمای محیط و 5/17 ژول در دمای 30- درجـه سانتیگراد بوده است، چقرمگی ضربه بیشتری را دارا می­باشد. با توجه به نتایج ارائه شده در شکل (14) (نتایج آزمون پس از فرآیند جوشکاری)، کمترین چقرمگی ضربه مربوط به فلزجوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 در دمای 30- درجه سانتیگراد و بیشترین چقرمگی ضربه مربوط به فلزجوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 در دمای محیط می­باشد. تفاوت در مقدار انرژی (چقرمگی) ضربه دو نمونه جوشکاری شده، وابسته به نوع ریزساختار تشکیل شده، متوسط اندازه دانه­ها، میانگین قطر آخال­، کسرحجمی آخال­ می­باشد که تمامی این عوامل موجب افزایش انرژی (چقرمگی) ضربه نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 در هر دو دمای آزمون (دمای محیط و 30- درجه سانتیگراد) شده است[34]. با توجه به جدول (9) و شکل (14)، نتایج آزمون ضربه پس از گذشت 562 روز از فرآیند جوشکاری نشان دهنده­ی آن است که نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010، دارای متوسط انرژی ضربه 83 ژول در دمای محیط و 5/18 ژول در دمای 30- درجه سانتیگراد می­باشد و در مقابل، نمونه جوشکاري شده با الکترود E6013، دارای متوسط انرژی ضربه 51 ژول در دمای محیط و 8 ژول در دمای 30- درجه سانتیگراد بوده است. کاهش مقدار انرژی ضربه دو نمونه جوشکاری شده به مقدار ناچیز پس از گذشت 562 روز، حاکی از نفوذ هیدروژن اتمی به واسطه پوشش الکترودها در منطقه فلزجوش بوده است که می­تواند به نواحی با تمرکز تنش بالا منتقل و منجر به کاهش انعطاف پذیری، کاهش استحکام شکست، تشکیـل و انتشار عیـوب سطحی و داخلی مانند ترک­های هیدروژنی (HIC)، ایجاد عیوب ماکروسکوپی به دلیل به دام افتادن در فصل مشترک­ها و در نهایت سبب شکست شود [35]. با توجه به شکل (14)، می­توان مشاهده کرد که نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 دارای افت بیشتر انرژی ضربه (حدود 50%) نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 (حدود 30%) می­باشد که دلیل این اتفاق به درجه قلیایی بودن (B) پوشش الکترود باز می­گردد. لازم به ذکر است که چنانچه B از 1 کمتر باشد، پوشش الکترود از نوع اسیدی بوده و برای بالاتر از 1 از نوع قلیایی خواهد بود [10]. با توجه به محاسبات انجام شده، الکترودهای روتیلی (E6013) دارای 55/0 درجه قلیائیت که نشان دهنده خاصیت اسیدی و در مقابل، الکترودهای سلولزی (E6010) دارای 2/1 درجه قلیائیت که نشان دهنده خاصیت خنثی می­باشند. درنتیجه می­توان استنباط نمود که دلیل افت بیشتر انرژی ضربه نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013، افزایش جذب هیدروژن نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 می­باشد. همچنین، با توجه به بیشتر بودن کسرحجمی آخال (مطابق جدول (8)) در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترودE6010  (با توجه به خاصیت اسیدی و خنثی بودن پوشش الکترود) و تشکیل ساختار ویدمن اشتاتن در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 و در نهایت، تشکیل ساختاری ترد تر، افت به وجود آمده قابل توجیح می­باشد [10].

 

 

 

جدول (9): نتایج آزمون شارپی نمونه­های جوشکاری شده.

نمونه	نتایج آزمون پس از فرآیند جوشکاری			نتایج آزمون پس از گذشت 562 روز از فرآیند جوشکاری			نتیجه آزمون برای هر نمونه در دو بازه زمانی انجام شده
	انرژی ضربه (J)			انرژی ضربه (J)
	دمای محیط (23 درجه سانتیگراد)				30- درجه سانتیگراد			دمای محیط (23 درجه سانتیگراد)			30- درجه سانتیگراد
E6010	86	98	76		35	16		87	79		20	17	جدا شد
E6013	50	70	62		20	15		52	50		9	7	جدا شد

 

 

شکل(14): میانگین نتایج آزمون شارپی نمونه­های جوشکاری شده (نمودار A وB: نمونه آزمون پس از فرآیند جوشکاری، نمودار C وD: نمونه آزمون پس از گذشت 562 روز).

 

 

در شکل (15) و (16)، تصاویر مقطع شکست نمونه­های آزمون ضربه نشان داده شده است. همچنین در شکل (17) و (18) به ترتیب، تصاویر میکروسکوپی سطح شکست نمونه­های آزمون ضربه پس از فرآیند جوشکاری در دمای محیط و 30- درجه سانتیگراد برای نمونه­های جوشکاری شده با الکترود E6010 و E6013 نشان داده شده است. با توجه به شکل (17-الف) و شکل (18-الف)، می­توان مشاهده نمود که مورفولوژی سطح شکست تقریباً ناهموار، سطحی روشن و کدر، دارای لبه­های برشی، مسیرهای رودخانه­ای (شکست نرم) و مسیر اشاعه ترک در سطح شکست و ریز­حفرات می­باشد که این موضوع بیانگر درصد بیشتر شکست نرم نسبت به شکست ترد می­باشد [37-36]. لازم به ذکر است که هرگاه مقطع شکسته شده نمونه­ها به صورت لب به لب به یکدیگر چسبانده شود، قطعه به حالت اولیه باز می­گردد که این موضوع نشانگر یک شکست ترد در هر دو نمونه می­باشد [36]. نمونه­های آزمون ضربه هر دو نمونه در دمای 30- درجه سانتیگراد (شکل (17-ب) و شکل (18-ب))، سطوح شکست روشن­تر، رشد ترک مرزدانه­ای و شکست بین دانه­ای مشاهده می­شود که نشان دهنده سطح شکست ترد تری نسبت به دمای محیط می­باشد. در این راستا، مطابق استانداردASTM E23-16b  [38] به بررسی و تعیین سطح شکست برشی (شکست نرم) نمونه­های آزمون ضربه پرداخته شد و نتایج بدست آمده بدین صورت می­باشد که درصد شکست نرم نمونه جوشکاری شده با الکترودE6010  (پس از فرآیند جوشکاری) در دمای محیط و دمای 30- درجه سانتیگراد به ترتیب برابر 60%  و 10% می­باشد. در مقابل، درصد شکست نرم نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 در دمای محیط و دمای 30- درجه سانتیگراد به ترتیب برابر 68% و 6% بوده است. در نتیجه همانطور که بیان شد، نمونه­های جوشکاری شده با الکترود E6010 و E6013 در دمای محیط دارای درصد بیشتـری شکست نـرم نسبت بـه شکست تـرد می­باشد. همچنین، شرایط شکست در دمای 30- درجه سانتیگراد، حاکی از یک شکست ترد در هر دو نمونه می­باشد. بطور کلی، می­توان بیان نمود که دو نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 و E6013 دارای شرایط یکسانی در مورفولوژی سطح شکست نمونه­ها نسبت به یکدیگر در دماهای مشابه می­باشند و چنین شرایطی موجب ایجاد خواص کمی و کیفی در منطقه فلزجوش به صورت یکسان می­شود [37]. 

 

 

 

 

 

 

نمونه پس از فرآیند جوشکاری	(الف)	نمونه پس از گذشت 562 روز
نمونه پس از فرآیند جوشکاری	(ب)	نمونه پس از گذشت 562 روز

شکل(15): نمونه­های آزمون ضربه در دمای محیط با الف: الکترود E6013 و ب: الکترود E6010. 

 

نمونه پس از فرآیند جوشکاری	(الف)	نمونه پس از گذشت 562 روز
نمونه پس از فرآیند جوشکاری	(ب)	نمونه پس از گذشت 562 روز

شکل(16): نمونه­های آزمون ضربه در دمای 30- درجه سانتیگراد با الف: الکترود E6013 و ب: الکترود E6010.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(الف)

(ب)

شکل(17): تصاوير ميـکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح شکست نمونه­هاي آزمون ضربه نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010:  الف) دمای 23 درجه سانتیگراد و (ب) دمای 30- درجه سانتیگراد.

 

(الف)

(ب)

شکل(18): تصاوير ميـکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح شکست نمونه­هاي آزمون ضربه نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013:  الف) دمای 23 درجه سانتیگراد و (ب) دمای 30- درجه سانتیگراد.

 

نتایج آزمایش کشش مربوط به فلزپایه و نمونه­های جوشکاری شده توسط الکترودهای E6010 و E6013 در شکل (19) نشـان داده شده است. همان­طور کـه در این شکل مشاهـده می­شود، نتایج بدست آمده در نمونه­های جوشکاری شده با الکترود E6010 و E6013 تقریباً مشابه یکدیگر هستند. بدین صورت که، نمونه جوشکاری شده با الکترودهای E6010  وE6013 به ترتیب دارای میانگین استحکام تسلیم (MPa245 و MPa243) و استحکام کشش نهایی (MPa491 و MPa498) می­باشد. در حالت کلی اختلاف جزئی در میزان استحکام کششی نهایی و استحکام تسلیم را می­توان به نوع ریزساختار، اندازه دانه­ها و کسرحجمی آخال­ها مرتبط دانست [10]. با توجه به نوع ریزساختار در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013، می­توان بیان کرد که تشکیل فاز فریت ویدمن اشتاتن و فریت ظریف در منطقه فلزجوش موجب افزایش جزئی استحکام کششی نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 شده است و در مقابل، متوسط اندازه دانه کمتر و تشکیل فاز فریت سوزنی و فریت ریز هم محور در نمونه جوشکاری شده با الکترود  E6010موجب افزایش جزئی استحکام تسلیم نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013  شده است.

 

 

 

 

شکل (19): نتایج آزمون کشش نمونه­­های جوشکاری شده.

 

 

تصاویر نمونه­های آزمون خمش در شکل (20) نشان داده شده است و نتایج آزمایش مربوط به فلزپایه و نمونه­های جوشکاری شده توسط الکترودهای E6010 و E6013 در جدول (10) ارائه شده است. با توجه به استاندارد ASTM E290-09 [39]، نتایج آزمون خمش در جهت بررسی خواص انعطاف پذیری، ارزیـابی مـواد بـا توانایی مقـاومت در بـرابـر تـرک یا سایر  بی­نظمی­های سطحی در طول یک خم مداوم صورت می­گیرد. در این تحقیق ضخامت و عرض نمونه به ترتیب برابر 38 و 5/10 میلیمتر و زاویه خمش 180 درجه می­باشد. خمش، موجب اعمال تنش در منطقه فلزجوش می­شود. پاسخ به این تنش، ایجاد کرنش می­باشد و درجه این کرنش بستگی به استحکام تسلیم دارد. همانطور که قبلاً ذکر شد، استحکام تسلیم در دو نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 و E6013 به واسطه نوع ساختار تشکیل شده، اندازه دانه و کسرحجمی آخال­ها در ناحیه فلزجوش تقریباً یکسان می­باشد. در نتیجه می­توان گفت که دو نمونه جوشکاری شده به دلیل استحکام تسلیم یکسان و مقدار زاویه خمش نهایی (مطابق جدول (10)) دارای انعطاف پذیری و نرمی یکسانی می­باشند. دیگر نتیجه بدست آمده از آزمون خمش، جوش­هایی با نفوذ ریشه مناسب و نبود عیب عدم نفوذ در پاس ریشه می­باشد. در نتایج بدست آمده، ترکی به طول 5/0 میلیمتر در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 مشاهده شد که با توجه به حد مجاز استاندارد AWS D1.1/D1.1M [40]، نمونه مورد تایید می­باشد. بروز ترک می­تواند ناشی از پارامترهای جوشکاری و دانه­های ریز و سوزنی در مقطع جوش باشد که در هنگام اعمال تنش، دچار حداکثر تغییر شکل شده و رشد ترک در آن رخ داده است [3].

 

(الف)

(ب)

شکل(20): تصاوير نمونه­های آزمون خمش جوشکاری شده با الکترودهای: الف) E6010، ب) E6013.

 

جدول (10): نتایج آزمون خمش نمونه­های جوشکاری شده.

نمونه	مقطع نمونه (ضخامت)	نوع مقطع آزمون	محل نمونه برداری	قطر ماندریل (mm)	زاویه خمش نهایی	توضیحات	حد مجاز استاندارد AWS D1.1/D1.1M(2020) (mm)	نتیجه آزمون
E6010	کامل	تخت	ریشه	1/38	62	ترکی به طول 5/0 میلی متر در جوش مشاهده شده است.	Max. 3	قابل قبول
E6013	کامل	تخت	ریشه	1/38	64	هیچگونه عیبی مشاهده نشده است.	_	قابل قبول

 

 

پـروفیل تغییرات میکروسختی­سنجی منطقه فلزجوش برای نمونه­های جوشکاری شده با الکترودهای E6010 و E6013 در سه ناحیه فوقانی، میانی و تحتانی در شکل (21) نشان داده شده است. در این شکل، محور عمودی مقدار میکروسختی بر حسب HV و محور افقی، فاصله بین نقاط سختی­سنجی شده را بر حسب میلیمتر نشان می­دهد. نتایج آزمون میکروسختی­سنجی نشان می­دهد که میانگین مقدار سختی در مقطع فلزجوش نمونه­های  E6010وE6013 به طور میانگین، به ترتیب برابر 148و150 HV می­باشد. به عبارتی، میانگین مقدار سختی در سه ناحیه فوقانی، میانی و تحتانی فلزجوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 به ترتیب برابر 162، 143 و 140 HV می­باشد. در مقابل، مقدار سختی نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 در سه ناحیه گفته شده به ترتیب برابر 154، 146 و 152 HV می­باشد که تفاوت در مقدار سختی در هر دو نمونه (نواحی مختلف) را می­توان ناشی از نوع ساختار تشکیل شده و متوسط اندازه دانه­ها (مطابق شکل­های (6) و (7)) دانست. همانطور که در شکل (21) مشاهده می­شود، نتایج بدست آمده در راستای نمایش تغییرات سختی برای این فولاد و فلزجوش در این دامنه تعریف شده است. مقادیر سختی اندازه گیری شده در نواحی مختلف هر دو نمونه دارای پراکندگی می­باشند که دلیل این پراکندگی را می­توان عدم یکنواختی ریزساختار تشکیل شده با متوسط اندازه دانه­های متفاوت در بخش­های مختلف ریزساختار عنوان نمود. میزان سختی در هر دو نمونه با نزدیک شدن به مرزجوش در ناحیه اتصال و سپس مرکز فلزجوش بیشتر می­شود که می­توان آن را به وجود آخال­ها، همگن بودن ساختار، متوسط اندازه دانه و ریزساختار تشکیل شده نسبت داد [9]. با توجه به رابطه مستقیم سختی با استحکام نهایی، نتایج بدست آمده بیانگر استحکام معادل بالاتر در فلزجوش نسبت به فلزپایه می­باشند و لازم به ذکر است، در منطقه فلز جـوش، مناطق تمپر شده ناشی از پاس­های بعد، سختی نسبت به قسمت سطح فوقانی جوش به میزان قابل ملاحظه­ای پایین­تر دیده می­شود [9].

مشاهده و بررسی نتایج بدست آمده در منطقه فلزجوش بیانگر آن است که، سختی نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013، در قسمت­های فوقانی، میانی و تحتانی فلزجوش تفاوت چندانی نسبت به نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 ندارد و تفاوت ناچیز در مقدار سختی نمونه­ها ناشی از نوع ریزساختار و متوسط اندازه دانه­ها می­باشد. با این وجود، مقدار سختی در ناحیه فوقانی دو نمونه جوشکاری شده با الکترودهای E6010 و E6013 به ترتیب برابر 162 و 154HV بدست آمده است. دلیل افزایش سختی در نمونه E6010، متوسط اندازه دانه­های بسیار کوچکتر نسبت به نمونه E6013 می­باشد. مقدار سختی در ناحیه میانی دو نمونه جوشکاری شده با الکترودهای E6010 و E6013 به ترتیب برابر 143 و 146HV می­باشد که نوع ریزساختار تشکیل شده در این ناحیه (فریت­ریز و فریت ظریف) با توجه به متوسط اندازه دانه برابر (6/13 میکرومتر) موجب سختی به نسبت یکسان شده است. همچنین، مقدار سختی در ناحیه تحتانی دو نمونه جوشکاری شده با الکترودهای E6010 و E6013 به ترتیب برابر 140 و 152HV می­باشد. دلیل افزایش سختی در نمونه E6013، نوع ریزساختار تشکیل شده (فریت ظریف) نسبت به نمونهE6010  (فریت و پرلیت­ریز) می­باشد که می­توان کاهش سختی در نمونه E6010 را ناشی از تشکیل فاز پرلیت در این ناحیه دانست. به طور کلی، سختی فلزجوش نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013 به واسطه نوع ریزساختار، دارای مقدار سختی بالایی بوده و در مقابل، نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 به واسطه متوسط اندازه دانه­های کمتر دارای مقدار سختی به همان اندازه بالا می­باشد. عموماً با افزایش استحکام و یا سختی به دلیل وجود فاز فریت ویدمن اشتاتن، قابلیت تغییر فرم پلاستیک ماده و در نتیجه چقرمگی ضربه در حین شکست کاهش می­یابد [10].

 

 

 

 

شکل(21): نتایج آزمون میکروسختی­سنجی نمونه­های جوشکاری شده در منطقه فلزجوش.

 

 

4- نتیجه‌گیری

در این پژوهش، چقرمگی ضربه و خواص مکانیکی فلزجوش فولاد ST37 جوشکاری شده به روش SMAW با الکترودهای E6010 و E6013 بررسی گردید با توجه به نتایج بدست آمده در این پژوهش و بررسی­های صورت گرفته، می­توان نتیجه گرفت که انرژی ضربه دو الکترود E6010 و E6013، با یکدیگر همسو بوده و تناقضی که توسط مصرف کنندگان الکترود گزارش شده بود مشاهده نگردید. همچنین مهمترین نتایج حاصل از این تحقیق به شرح ذیل قابل ارایه است:

1- نتایج بررسی ریزساختار نشان داد، با کاهش زمان سردشدن و افزایش سرعت سردشدن، ساختار از فریت ویدمن اشتاتن و فریت ظریف (نمونه E6013) به فریت سوزنی و فریت­ریز هم محور (E6010) تبدیل شده است. عواملی همچون نوع ساختار تشکیل شده در نمونه E6010 و متوسط اندازه دانه کمتر، موجب افزایش چقرمگی ضربه نمونه E6010 نسبت به نمونه E6013  می­شود.

2- زمان سردشدن و سرعت سردشدن به ترتیب برای نمونه E6010 برابر با 6/14–5/14 ثانیه و 55/20–69/20 درجه سانتیگراد بر ثانیه و نمونه E6013 برابر 2/15–15 ثانیه و 94/19–20 درجه سانتیگراد بر ثانیه می­باشد. افزایش سرعت سردشدن (یا کاهش زمان سردشدن) نمونه E6010، موجب تشکیل ساختار ظریف­تری در منطقه فلزجوش شده است که موجب افزایش چقرمگی ضربه می­شود. لذا نمونه E6013، نتیجه عکس را نشان می­دهد.

3- مورفولوژی آخال­ها در  فلزجوش هر دو نمونه به شکل کروی و یا مدور بوده است. همچنین کسرحجمی آخال­ها در نمونه E6010 3/2 درصد و در نمونه E6013 6/3 درصد تعیین شد. قطر میانگین آخال­ها در نمونه E6010 نسبت به نمونه E6013 کمتر بود.

4- نتایج آزمون ضربه نشان داد، نمونه E6010 پس از فرآیند جوشکاری، دارای متوسط انرژی ضربه 87 ژول در دمای محیط و 5/25 ژول در دمای 30- درجه سانتیگراد می­باشد و در مقابل، نمونه E6013 دارای متوسط انرژی ضربه 61 ژول در دمای محیط و 5/17 ژول در دمای 30- درجه سانتیگراد است. همچنین، نمونه E6010 پس از گذشت 562 روز از فرآیند جوشکاری، دارای انرژی ضربه 83 ژول در دمای محیط و 5/18 ژول در دمای 30- درجه سانتیگراد می­باشد و در مقابل، نمونه E6013 دارای انرژی ضربه 51 ژول در دمای محیط و 8 ژول در دمای 30- درجه سانتیگراد است. در نتیجه نمونهE6010  چقرمگی ضربه بالاتری در هر دو بازه زمانی دارد.

5- درصد شکست نرم نمونه E6010 (پس از فرآیند جوشکاری) در دمای محیط و دمای 30- درجه سانتیگراد به ترتیب برابر 60% و 10% می­باشد. در مقابل، درصد شکست نرم نمونهE6013  در دمای محیط و دمای 30- درجه سانتیگراد به ترتیب برابر 68% و 6% تعیین شد.

6- نتایج آزمون کشش نشان داد، نمونه جوشکاری شده با الکترود E6010 و E6013 به ترتیب دارای میانگین استحکام تسلیم (MPa245 و MPa243)  و استحکام کشش نهایی (MPa491 و MPa498) تقریباً یکسان، همراه با خواص مکانیکی یکسان در فلزجوش می­باشند. نوع ریزساختار تشکیل شده و کسرحجمی آخال­ها در نمونه جوشکاری شده با الکترود E6013، موجب افزایش جزئی استحکام کششی و متوسط اندازه دانه کمتر در نمونه جوشکاری شده با الکترود  E6010 موجب افزایش جزئی استحکام تسلیم شده است.

7- نتایج آزمون خمش نشان داد، هر دو نمونه جوشکاری شده به دلیل یکسان بودن استحکام تسلیم ناشی از نوع ساختار و اندازه دانه­های تشکیل شده، دارای انعطاف پذیری و نرمی یکسانی می­باشند.

8- نتایج آزمون میکروسختی نشان داد، میانگین سختی دو نمونه تفاوت فاحشی با یکدیگر ندارند و این مقدار در فلزجوش نمونه­های  E6010 وE6013 به طور میانگین، به ترتیب برابر 148و150HV می­باشد که ناشی از نوع ساختار و اندازه دانه می­باشد. به طوریکه نمونه E6013 به واسطه نوع ساختار، دارای مقدار سختی بالایی بوده و در مقابل، نمونه E6010 به واسطه متوسط اندازه دانه­های کمتر دارای مقدار سختی به همان اندازه می­باشد.

 

6- مراجع

[1] J. Slania, B. Slazak & M. Fidali, "Application of fast Fourier transform (FFT) in the analysis of a welding current instantaneous values waveforms during welding with a covered electrode", Archives of Metallurgy and Materials, vol. 59, no. 2, pp. 569-573, 2014.

 

[2] O. S. Odebiyi, S. M. Adedayo, L. A. Tunji & M. O. Onuorah, "A review of weldability of carbon steel in arcbased welding processes", Cogent Engineering, vol. 6, no. 1, pp. 1-32, 2019.

 

[3] ا. ح. کوکبی و م. غزنوی، "تکنولوژی جوشکاری"، انتشارات علمی دانشگاه صنعت شریف، چاپ پنجم، 1396.

 

[4] D. Dwivedi, K. Lepkova&  T. Becker, "Carbon steel corrosion: a review of key surface properties and characterization methods", Royal Society Chemistrt (RSC Advances)/CrossMark, vol. 7, no. 8, pp. 4580-4610, 2017.

 

[5] D. Sumardiyanto & S. E. Susilowati, "Effect of Welding Parameters on Mechanical Properties of Low Carbon Steel API 5L Shielded Metal Arc Welds", American Journal of Materials Science, vol. 9, no. 1, pp. 15-21, 2019.

 

[6] م. داریوندپور، ر. دهملائی و خ. رنجبر، "ارتباط ریزساختار با رفتار مکانیکی فلزجوش فولاد HSLA-100 تولید شده با روش GTAW"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 15، شماره 3، صفحه 35-48، 1400. 

[7] R. Chiong, N. Khandoker, S. Islam & E. Tchan, "Effect of SMAW parameters on microstructure and mechanical properties of AISI 1018 low carbon steel joints: An experimental approach", IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 495, no. 1, pp. 1-9, 2019.

 

[8] T. Welt, M. Junaid, R. Mory & J. Kenney, "Evaluating impact toughness as a qualification testing requirement for welds", Elsevier/Constructional Steel Research, vol. 165, no. 1, pp. 1-10, 2019.

 

[9] م. ح. عوض کننده قراول، م. ح. سبزوار و ع. حائریان اردکانی، "تاثیر کروم بر ریزساختار و آخال­های جوش­های چند راهه فولادهای کم آلیاژی در جوشکاری به روش الکترود دستی"، مهندسی متالورژی و مواد، دوره 21، شماره 2، صفحه 13-28، 1389.

 

[10] ح. ثابت، "تکنولوژی و متالورژی جوشکاری"، شرکت کاوش جوش، نشر فنی امیر ، چاپ دوم، 1394.

 

[11] F. Khamouli, M. Zidani, K. Digheche, A. Saoudi & L. Atoui, "Effect of E6010 and E8018-G Fluxes Utilization on SMAW Multi-pass Welded steel", Scientific.Net, vol. 18, no. 1, pp. 55-64, 2018.

 

[12] S. D. Ramdani, A. Subhan, H. Febnesia & M. Hidayat, "Comparison of penetration depth based on effect of DCEP and DCEN polarity on SMAW process using E6013 with ASTM A36", AIP Conference proceedings, vol. 2671, no. 2, pp. 020008/1-020008/9, 2023.

 

[13] ن. خدابنده لو و ح. ثابت، "بررسی ریزساختار و خواص مکانیکی ناحیه اتصال فولاد ساده کربنی جوشکاری شده با فرآیند FCAW و مقایسه با فرآیندGMAW "، مواد نوین، دوره 8، شماره 2، صفحه 1-14، 1396.

 

[14] A. Ghosh, S. Das, S. Chatterjee & P. R. Rao, "Effect of cooling rate on structure and properties of an ultra-low carbon HSLA-100 grade steel", Materials Characterization, vol. 56, no. 1, pp. 59-65, 2010.

 

[15] G. O. Schumann & I. E. French, "Effect of microstructure and non-metallic inclusions on the impact properties of flux-cored weld metals", scripta materialia, vol. 36, no. 12, pp. 1443-1450, 1997.

 

[16] "راهنمای فنی محصولات تولیدی شرکت صنعتی آما"، شرکت صنعتی آما، چاپ بیست و دوم، 1392.

 

[17] A. Kesuma, Sepfitrah Rinaldi & A. Khair, "Effect of arc welding amperage on the toughness of low alloy steel", Journal of Ocean Mechanical and Aerospace, vol. 31, no. 1, pp. 21-24, 2016.

 

[18] S. I. Talabi, O. B. Owolabi, J. A. Adebisi & T. Yahaya, "Effect of welding variables on mechanical properties of low carbon steel welded joint, Advances in Production Engineering & Management", vol. 9, no. 4, pp. 181-186, 2014.

 

[19] M. Shi, P. Zhang, C. Wang & F. Zhu, "Effect of high heat input on toughness and microstructure of coarse grain heat affected zone in Zr bearing low carbon", ISIJ International, vol. 54, no. 4, pp. 932-937, 2014.

 

[20] M. A. Bodude & I. Momohjimoh, "Studies on Effects of Welding Parameters on the Mechanical Properties of Welded Low-Carbon Steel", Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 142-153, 2015.

 

[21] Y. R. A. Pradana, A. Aminnudin, H. Suryanto & D. Z. Lubis, "Hardness Distribution and Impact Toughness of Carburized Steel Welded by SMAW", International Conference on Mechanical Engineering Research and Application, vol. 494, no. 1, pp. 1-7, 2019.

 

[22] AWS A5.1/A5.1M:2012, "Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding", An American National Standard, 2012.

[23] ASME SECTION V, "Boiler and Pressure Vessel Code / Nondestructive Examination", AN INTERNATIONAL CODE, 2019.

 

[24] ASTM Standard E94/E94M-17, "Standard Guide for Radiographic Examination Using Industrial Radiographic Film", ASTM INTERNATIONAL, 2019.

 

[25] ش. شفیع نیا، ش. میردامادی، ح. ثابت و س. ر. امیر آبادی زاده، "تعیین مقدار بهینه عنصر بور موثر بر انرژی ضربه در دماهای پایین فلزجوش فولاد ساده کربنی جوشکاری شده به روشSAW "، مواد نوین، دوره 6، شماره 1، صفحه 19-36، 1394.

 

[26] ASTM Standard E3-11, "Standard Guide for Preparation of Metallographic Specimens", ASTM INTERNATIONAL, 2017.

 

[27] ASTM Standard E883-11, "Standard Guide for Reflected-Light Photomicrography", ASTM INTERNATIONAL, 2012.

 

[28] AWS B4.0:2016, "Standard Methods for Mechanical Testing of Welds", An American National Standard, 2016.

 

[29] ASTM Standard E384-05a, "Standard Test Method for Microindentation Hardness of Materials", ASTM INTERNATIONAL, 2005.

 

[30] J. S. Lee, S. H. Jeong, D. Y. Lim, J. O. Yun & M. H. Kim, "Effects of welding heat and travel speed on the impact property and microstructure of FC welds", Metals and Materials International, vol. 16, no. 5, pp. 827-832, 2010.

 

[31] G. Krauss, Steels: Processing, "Structure and Performance", 1th Eddition, pp. 113-129, ASM International, 2015.

 

[32] ASTM Standard E45-05, "Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel", ASTM INTERNATIONAL, 2005.

 

[33] K. T. Park, S. W. Hwang, J. H. Ji & C. H. Lee, "Inclusions Nucleating Intragranular Polygonal Ferrite and Acicular Ferrite in Low Alloyed Carbon Manganese Steel Welds", Metals and Materials International, vol. 17, no. 2, pp. 349-356, 2011.

[34] S. Kumar & S. K. Nath, "Effect of heat input on impact toughness in transition temperature region of weld CGHAZ of a HY 85 steel", springer, vol. 236, no. 5, pp. 216-224, 2016.

 

[35] ع. طالبی هنزائی، پ. مرعشی، ا. رنجبر نوده و ا. حمداله زاده، "تاثیر مقدار هیدروژن و شرایط جوشکاری بر ترک هیدروژنی در جوش فولاد API X70"، نشریه علوم و فناوری جوشکاری ایران، دوره 4، شماره 1، صفحه 29-41، 1397.

 

[36] ر. پیری، ب. قاسمی و م. یوسف پور، "تاثیر کسرحجمی بینیت حاصل از عملیات حرارتی بین بحرانی بر خواص مکانیکی و رفتار شکست فولاد دوفازی فریتی-بینیتی"، مهندسی متالورژی، دوره 20، شماره 1، صفحه 54-46، 1396.

[37] W. T. Becker & S. Lampman, "Fracture appearance and mechanisms of deformation and fracture", ASM Handbook, vol. 11, 2002.

 

[38] ASTM Standard E23-16b, "Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials", ASTM INTERNATIONAL, 2018.

 

[39] ASTM Standard E290-09, "Standard Test Methods for Bend Testing of Material for Ductility", ASTM INTERNATIONAL, 2009.

 

[40] AWS D1.1/D1.1M:2020, "Structural Welding Code-Steel", An American National Standard, 2020.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7- پی­نوشت

[1] Kesuma et al

[2] Talabi et al

[3] Shi et al

[5] Bodude & Momohjimoh

[6] Pradana et al

[7] Focus to Film Distance

[8] Single Wall Single Image

 

 

 

 

 

برای ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید:

Please cite this article using:

Navid Shojaei, Hamed Sabet, Banafsheh Karbakhsh Ravari, Investigation of Impact Toughness and Mechanical Properties of the Plain Carbon Steel Weld Metal Fabricated By SMAW with Cellulose and Rutile Coated Electrodes, New Process in Material Engineering, 2021, 15(4), 59-80.

---

مقالات مرتبط