Investigation of microstructure, corrosion, and mechanical properties of MIG welded API X70 and SS401 joints

Editorial Board PCSS Journal; Лочан Шарма; Амман Джахар; Каніка Шарма; Мухтіар Сінгх; Мандіп Сінгх Раят; Марія Лясковська; Рашад Абаcзаде

doi:10.15330/pcss.27.2.242-252

Автор(и)

Лочан Шарма Факультет досліджень і розвитку, Університет Чандігарх, Мохалі, Пенджаб, Індія
Амман Джахар Факультет машинобудування, Університет Чандігарх, Мохалі, Пенджаб, Індія
Каніка Шарма Факультет комп'ютерних наук та інженерії, Університет Чандігарх, Мохалі, Пенджаб, Індія
Мухтіар Сінгх Університет Lovely Professional, Джаландхар - Делі, Grand Trunk Rd, Фагвара, Пенджаб, Індія
Мандіп Сінгх Раят Університет Lovely Professional, Джаландхар - Делі, Grand Trunk Rd, Фагвара, Пенджаб, Індія
Марія Лясковська Кафедра біологічної та медичної хімії імені академіка Г.О. Бабенка, Івано-Франківський національний медичний університет, Івано-Франківськ, Україна
Рашад Абаcзаде Кафедра електроніки та автоматики, Азербайджанський державний нафтовий і промисловий університет, Баку, Азербайджан; Кафедра екології, Азербайджанський університет архітектури та будівництва, Баку, Азербайджан; Кафедра матеріалознавства та технологій нових матеріалів, Ташкентський державний технічний університет імені Іслама Карімова, Ташкент, Узбекистан; Кафедра електротехніки та електроніки, Міжнародний науково-дослідний інститут «Туран», Баку, Азербайджан

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.242-252

Ключові слова:

зварювання металів, X70, SS401, зона термічного впливу, зона плавлення, корозійна стійкість, мікроструктура, фрактографія

Анотація

У даному дослідженні для зварювання сталей API X70 та SS 401 використано процес зварювання в середовищі інертного газу (MIG) із застосуванням аустенітного присадного дроту ER309L. Такі з’єднання широко застосовуються в нафтогазовій галузі, де необхідно поєднувати нержавіючу сталь із трубопроводами з високоміцної низьколегованої вуглецевої сталі. Процес MIG-зварювання є економічно ефективним для промислового виготовлення та ремонту завдяки високій продуктивності та швидкості наплавлення. Дослідження спрямоване на вивчення впливу двох рівнів тепловкладення – HI-1 (0,814 кДж/мм) та HI-2 (0,573 кДж/мм) – на мікроструктуру, механічні властивості та корозійну стійкість зварних з’єднань у середовищах модельної морської води та тіосульфату натрію. Мікроструктурний аналіз показав, що менше тепловкладення (HI-2) сприяє формуванню грубозернистої структури та зменшенню частки мартенсит-аустенітної (MA) складової у зоні сплавлення, що забезпечує підвищення ударної в’язкості. Натомість більше тепловкладення (HI-1) призводить до формування дрібнозернистої структури, але супроводжується зростанням крихкості. У зоні термічного впливу (ЗТВ) сталь API X70 демонструє розм’якшення, зумовлене укрупненням зерен, тоді як для SS 401 характерні сенсибілізація та формування MA-фази, що негативно впливає на корозійну стійкість. Дослідження корозії показали вищу стійкість SS 401 порівняно з API X70, з мінімальною швидкістю втрати матеріалу (0,75 мм/рік) у морській воді завдяки захисній пасивній плівці, збагаченій хромом. Водночас різнорідні зварні з’єднання, особливо отримані при HI-1, продемонстрували значне корозійне руйнування (2,1 мм/рік у тіосульфатному середовищі), що пов’язано з мікроструктурною неоднорідністю та гальванічною взаємодією. Результати механічних випробувань показали, що зварні з’єднання, отримані при HI-2, мають вищу ударну в’язкість (196 Дж у зоні сплавлення) порівняно з HI-1 (154 Дж), хоча для зони термічного впливу сталі API X70 при HI-2 спостерігається зниження в’язкості (120 Дж), ймовірно внаслідок термічного розм’якшення. Вимірювання твердості показали максимальні значення поблизу межі сплавлення (~380 HV для зразків HI-1) із помітним розм’якшенням у зоні термічного впливу. Отримані результати свідчать, що оптимізація тепловкладення є ключовим чинником для забезпечення балансу між механічною цілісністю та корозійною стійкістю різнорідних зварних з’єднань.

Посилання

S. Liu, Y. Zhang, H. Li, X. Wang Weldability of API 5L X70 steel under submerged arc welding conditions, Journal of Manufacturing Processes, 28, 560 (2017); https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2017.07.016.

W. D. Callister, Materials science and engineering: An introduction, 7th ed., Wiley, New York (2007).

H. Yang, L. Zhang, Y. Li, Q. Chen Corrosion inhibition in API 5L X70 steel using rare earth compounds, Corrosion Science, 182, 109278 (2021); https://doi.org/10.1016/j.corsci.2020.109278.

A. Singh, R. K. Singh, S. Das Hydrogen embrittlement susceptibility in API 5L X70 steel: Effects of microstructure and cold rolling, Journal of Materials Research and Technology, 9(5), 10456 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.053.

J. W. Park, S. H. Lee, Y. M. Kim, Microstructure evolution during thermomechanical controlled processing of API 5L X70 steel, Materials Science Forum, 980, 55 (2019); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.980.55.

S. Kou Welding metallurgy, 2nd ed., Wiley-Interscience, Hoboken, NJ (2003).

American Welding Society Dissimilar metal welding guidelines, AWS, Miami, FL (n.d.).

J. C. Lippold, D. J. Kotecki, Welding metallurgy and weldability of stainless steels, Wiley-Interscience, Hoboken, NJ (2005).

ASM International ASM Handbook, Volume 6: Welding, Brazing, and Soldering, ASM International, Materials Park, OH (1993).

R. S. Mishra, M. W. Mahoney, Friction stir welding and processing, ASM International, Materials Park, OH (2007).

STM International ASTM E8/E8M-21: Standard test methods for tension testing of metallic materials, ASTM International, West Conshohocken, PA (2021); https://doi.org/10.1520/E0008_E0008M-21

D. H. Kim, S. J. Kim, C. Y. Kang, Effect of heat input on microstructure and mechanical properties of API 5L X70 pipeline steel welds, Welding Journal, 94(2), 45s (2015).

Y. Wang, X. Liu, J. Zhang, Impact of cooling rates on microstructure and mechanical properties in API X70 welds, Metallurgical and Materials Transactions A, 46(2), 600 (2015); https://doi.org/10.1007/s11661-014-2665-4

J. F. Santos, T. Watanabe, H. Okado, Optimization of dissimilar welding parameters for API X70 and SS400 using gas metal arc welding, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 135(4), 041009 (2013); https://doi.org/10.1115/1.4024701.

M. Sharma, V. K. Singh, R. Kumar, Strategies for minimizing cold cracking in API X70 to SS400 weld joints, Welding International, 32(6), 456 (2018); https://doi.org/10.1080/09507116.2017.1343634.

V. Ramasamy, S. K. Albert, A. K. Bhaduri, Effect of filler material on mechanical properties of dissimilar welded joints between API X70 and SS400 steels, Materials & Design, 55, 483 (2014); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.10.018.

T. Kamal, M. A. Raza, S. A. Hussain,Mechanical, microstructure, and corrosion characterization of dissimilar austenitic 316L and duplex 2205 stainless-steel ATIG welded joints, Materials, 15(7), 2470 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15072470.

N. Ghosh, S. K. Albert, A. K. Bhaduri, GMAW dissimilar welding of AISI 409 ferritic stainless steel to AISI 316L austenitic stainless steel by using AISI 308 filler wire, Engineering Science and Technology, an International Journal, 20, 1334 (2017); https://doi.org/10.1016/j.jestch.2017.05.009.

M. Rahmani, M. K. Besharati-Givi, Evaluation of microstructure and mechanical properties in dissimilar austenitic/super duplex stainless steel joint, Journal of Materials Engineering and Performance, 23, 3745 (2014); https://doi.org/10.1007/s11665-014-1153-3.

J. Labanowski, Stress corrosion cracking susceptibility of dissimilar stainless steels welded joints, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, 20, 255 (2007).

L. Peguet, B. Malki, B. Baroux Influence of cold working on the pitting corrosion resistance of stainless steels, Corrosion Science, 49, 1933–1948 (2007); https://doi.org/10.1016/j.corsci.2006.11.010.

S. Jana, Effect of heat input on the HAZ properties of two duplex stainless steels, Journal of Materials Processing Technology, 33, 247 (1992); https://doi.org/10.1016/0924-0136(92)90234-6.

J. Verma, V. Taiwade, A comparative study on the effect of electrode on microstructure and mechanical properties of dissimilar welds of 2205 austeno-ferritic and 316L austenitic stainless steel, Materials Transactions, 57, 494 (2016); https://doi.org/10.2320/matertrans.M2015403.