المعالجة الحرارية لما بعد اللحام

المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) هي طريقة قياسية في الصناعة للمعالجة الحرارية لما بعد اللحام للأجزاء المعدنية واللحامات في درجات حرارة أقل من درجة حرارة التحول الحرجة الأدنى، وعادةً ما تكون قبل اللحام أو التطبيقات المعدنية مثل أوعية الضغط والأنابيب.

إن المعالجة الحرارية الفائقة الموضعية PWHT هي طريقة لتقليل التشوه خارج المستوى. دُرست هذه الطريقة باستخدام تحليل العناصر المحدودة وتمت مقارنة توزيعات الإجهاد المحلية مع تلك الناتجة عن PWHT الفرن.

قوة اللحام

تُعد المعالجة الحرارية لما بعد اللحام، والتي تُعرف اختصارًا باسم PWHT، خطوة مهمة بعد اكتمال اللحام تتضمن تسخين المعدن إلى ما دون درجة حرارة التحول الحرجة وتثبيته في هذه الدرجة لفترة زمنية محددة. يساعد ذلك على تخفيف الضغوط المتبقية داخل منطقة اللحام مع زيادة المتانة والمساعدة في منع الكسور الهشة داخل وصلات اللحام. يجب أن يتم ذلك في أقرب وقت ممكن بعد الانتهاء من اللحام - لا ينبغي تجاهل أهميته!

يلزم إجراء المعالجة الحرارية الفائقة للحرارة الفائقة (PWHT) بسبب عمليات اللحام التي تخلق تدرجات حرارة عالية بين المادة الأم ومعدن اللحام، مما يخلق إجهادات في مادة اللحام تتجاوز حدود الإجهاد التصميمية. يمكن أن يقلل PWHT من هذه الضغوط بشكل كبير، مما يحسن من قوة ومتانة الهياكل الملحومة.

يتطلب ضمان دورة درجة حرارة مستقرة أن تتلقى الهياكل أو المكونات التي يتم ترجيحها الدعم المناسب. وتساعد المساند المصممة لتلائم منحنيات الجسم على مسافات منتظمة على تقليل التشوه؛ وهذا مهم بشكل خاص مع المكونات الطويلة أو ذات الأشكال غير الملائمة حيث يمكن أن تتسبب اختلافات التمدد الحراري بين المقاطع في ثنيها أو تشويهها بمرور الوقت.

صُممت أفران PWHT المتقدمة لتكون مرنة ومتعددة الاستخدامات، وقادرة على تنفيذ العديد من العمليات المختلفة مثل التلدين والتعتيق والتطبيع وتخفيف الإجهاد والتلطيف. ويحد هيكلها المزدوج الجدار من فقدان الحرارة مع الحفاظ على الطاقة؛ وتتبع أنظمة التحكم الدقيقة ملامح التسخين/التبريد الإلزامية التي تفرضها قوانين اللحام مع المزدوجات الحرارية التي تقيس درجة حرارة الفرن الداخلية وكذلك درجة حرارة اللحام للحصول على نتائج دقيقة.

إجهاد اللحام المتبقي

يلعب الإجهاد المتبقي دورًا أساسيًا في أداء اللحامات الموضعية. تدفع الإجهادات المتبقية الانضغاطية المواد إلى بعضها البعض بينما تسحب الإجهادات المتبقية الشدية، ويعزز الضغط بشكل عام قوة الكلال وعمر الكلال مع إبطاء انتشار التشقق مع زيادة مقاومة التشقق بمساعدة البيئة مثل التشقق الناتج عن الهيدروجين أو التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي.

تتسبب الإجهادات المتبقية للشد في تقليل عمر التعب، وزيادة احتمالية التشقق وقابلية الكسر الهش في الهياكل الملحومة. وتعتمد طبيعتها ومداها الدقيق على عدة عوامل بما في ذلك هندسة الهيكل، وإجراءات التصنيع، وطرق اللحام المستخدمة، ومعالجات ما بعد اللحام المطبقة بعد اللحام، وظروف الخدمة وما إلى ذلك.

إن التنبؤ بعوامل الإجهاد وتخفيفها ليس بالمهمة البسيطة بسبب التفاعلات المعقدة غير الخطية بين المتغيرات المختلفة. علاوة على ذلك، غالبًا ما تُظهر قياسات الإجهاد المتبقي والتنبؤات التحليلية تشتتًا وتباينًا كبيرًا بسبب العديد من الأسباب المختلفة، بما في ذلك أوجه عدم اليقين في مواقع القياس/المواد المستخدمة وكذلك الأخطاء التي يتم إدخالها في البيانات المقاسة أو الافتراضات غير الصحيحة في النمذجة التحليلية.

للتنبؤ الدقيق بالإجهادات المتبقية وتخفيفها، من الضروري اكتساب معرفة متعمقة بالعمليات الأساسية التي تحكم تطورها في الهياكل الملحومة. للمساعدة في هذا المسعى، يضم هذا العدد الخاص 13 مقالة بحثية أصلية تركز على النماذج الرياضية والتقنيات التجريبية ومنهجيات القياس التي تم تطويرها خصيصًا لاكتشاف وتخفيف الإجهادات المتبقية الناتجة عن اللحام لمختلف الأشكال الهندسية للمفاصل وظروف اللحام.

تكسير اللحام

يمكن إجراء المعالجة الحرارية الفائقة في العديد من المشاريع، بدءًا من بكرات الأنابيب وأوعية الضغط إلى كرات التخزين ومجالات التخزين، في أفران منصوبة خصيصًا في الموقع. ومع ذلك، عند التعامل مع هياكل أكبر و/أو أثقل مثل الأوعية، قد تقوم الشركات الهندسية بإنشاء أفران مصممة خصيصًا لتلبية احتياجات عملائها.

يعد PWHT ضروريًا بسبب الإجهادات المتبقية الناتجة أثناء لحام المواد السميكة. عندما تقترن هذه الإجهادات المتبقية بإجهادات الحمل، يمكن أن تتجاوز هذه الإجهادات المتبقية حدود المواد وتؤدي إلى فشل اللحام. يساعد PWHT على تقليل هذه الإجهادات المتبقية؛ ومع ذلك، تحدث تغيرات في البنية المجهرية مما يقلل من صلابة المادة وليونتها نتيجة لذلك.

إن الفولاذ منخفض السبائك وعالي الكربون، على وجه الخصوص، أكثر عرضة للتشقق على البارد نظرًا لكونه أكثر هشاشة وفقدان قوة الشد عند التبريد من منطقة مقدمة اللحام.

تتطلب رموز اللحام انتقالًا سلسًا لمعدن اللحام إلى معدن القاعدة عند مقدمة اللحام لتجنب تكوين “ناهض الإجهاد” الذي يؤدي إلى التشقق. يمكن أن يساعد تحقيق هذا الهدف باستخدام سرعات حركة وإعدادات جهد مناسبة بالإضافة إلى حوامل اللحام المصممة خصيصًا للمكون في تجنب التشوه المفرط؛ يجب أن يساعد الوضع المنتظم على ضمان لحام متساوٍ.

كسر اللحام

نظرًا لأن لحام المعادن ينتج عنه دورات تسخين وتبريد غير منتظمة، مما يؤدي إلى تراكم قوى داخلية تُعرف بالإجهادات المتبقية في المادة، وقد يؤدي ذلك إلى تشويه وانخفاض الخواص الميكانيكية التي تؤدي إلى فشل اللحام وزيادة احتمالية التشقق - مما يستلزم المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد بعد اللحام كوسيلة حاسمة لحماية قوة وأداء التصنيع الملحوم.

يُستخدم فرن المعالجة الحرارية PWHT لتقليل الضغوط المتبقية وإعادة توزيعها من خلال دورات التسخين والتبريد المتكررة، مما يؤدي إلى التقسية التي تحسن ليونة المواد ومقاومة الكسر الهش. هذه المعالجة الحرارية مطلوبة في العديد من القوانين والمعايير لضمان سلامة الهياكل الملحومة.

يمكن أن تتم المعالجة الحرارية للمكونات في فرن حراري للمكونات، سواءً كان مثبتًا بشكل دائم أو محمولاً أو منصوبًا ميدانيًا. للحصول على أفضل النتائج، يجب وضع هذه الأفران بحيث تتجنب المناطق التي يمكن أن تنتج تدرجات أو اختلافات مفرطة في درجات الحرارة؛ وإلا فإن هذه المناطق قد تتسبب في تجاوز درجة حرارة تحول المكون لدرجة حرارة تحوله الطوري وتؤدي إلى تغيرات غير متوقعة في الحجم والطور.

يتضمن PWHT تسخين أجزاء من الهيكل الملحوم إلى درجات حرارة عالية وتثبيتها هناك لفترة طويلة. ويقترح المبدأ التوجيهي القياسي تخصيص ساعة واحدة لكل 25 مم سمك؛ وقد يكون من الممكن أيضًا إجراء المعالجة الحرارية الفائقة للحرارة الفائقة PWHT الموضعية، على الرغم من ضرورة مراعاة بعض القيود.