المعالجة الحرارية لما بعد اللحام

إن المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) هي عملية مصممة لتخفيف وإعادة توزيع أي إجهادات متبقية متولدة أثناء اللحام مع إحداث تغييرات معدنية تزيد من القوة والليونة والمتانة.

قد تكون المعالجة الحرارية الفائقة للحرارة الفائقة (PWHT) إلزامية بموجب قوانين الصناعة لبعض المعادن المستخدمة في معدات الضغط؛ ومع ذلك، يجب تقييم ضرورتها بعناية مقابل تكلفتها وآثارها الضارة المحتملة على خصائص المادة.

الضغوط المتبقية

يمكن أن تنشأ الإجهادات المتبقية أثناء اللحام بسبب تدرجات درجة الحرارة بين مادة اللحام والمادة الأصلية، ويمكن أن تصل إلى مستويات حرجة، مما يؤدي إلى التشقق أو التآكل الإجهادي للمكونات ذات الجدران السميكة. وتنص معظم قوانين أوعية الضغط والأنابيب على المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) في حالة تجاوز اللحامات لعتبات قوة إنتاجية تصميمية معينة وذلك للحد من الكسر الهش المحتمل.

PWHT هي عملية مصممة لإزالة أو إعادة توزيع الإجهادات المتبقية وتعزيز التقسية والترسيب وتأثيرات التقادم في معدن اللحام، مما يزيد في النهاية من المتانة والليونة والمقاومة ضد التشقق الإجهادي والتآكل الإجهادي. ومع ذلك، يجب اكتساب فهم متزايد لآلياتها من أجل عملية فعّالة للمعالجة الحرارية الفائقة الحرارة، ولكن يجب اكتساب فهم متزايد لآلياتها.

ولتحقيق ذلك، يتم استخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) لمحاكاة حقول الإجهاد في كل من نماذج التحليل المرن والمرن-اللدائن المرنة لنماذج تحليل اللدائن المرنة واللدائن المرنة للحامات ذات سماكة الجدار المختلفة. كما يتم استخدام نهج شامل لنمذجة الزحف من أجل فهم كيفية مساهمة الإجهاد البلاستيكي والإجهاد الخلفي في تخفيف الإجهاد المتبقي.

تشير النتائج إلى أن PWHT يمكن أن يؤدي إلى تقليل الإجهاد المتبقي بشكل مرضٍ وتعزيز خصائص المواد عبر مجموعة واسعة من مواد اللحام، مع وصول قوة الشد النهائية إلى ما يقرب من القيمة التصميمية بعد المعالجة. ينبغي أن تركز التحقيقات الإضافية على إنشاء علاقة مناسبة بين الوقت ودرجة الحرارة والسُمك للحامات السميكة التي تخضع للمعالجة الحرارية الفائقة السُمك PWHT لتقليل المخاطر المتعلقة بالكسر الهش وتعزيز الموثوقية الإجمالية للحاماتها.

الصلابة

تعد صلابة المعادن مؤشرًا على بنيتها المجهرية، ويمكن أن يكون لها تأثير كبير على ما إذا كانت عمليات اللحام أو معادن الحشو مناسبة لتطبيقات معينة. في حين أن البنى المجهرية شديدة الصلابة تميل إلى أن تكون أقل قابلية للسحب والصلابة من المعادن الأكثر ليونة، قد تكون المعالجة الحرارية مطلوبة في بعض الأحيان من أجل تعزيز الخواص الميكانيكية أو تقليل قابلية التشقق.

PWHT (المعالجة الحرارية الحرارية الدافئة للعملية) هي شكل من أشكال المعالجة الحرارية المستخدمة للتخلص من الإجهادات المتبقية وتعزيز قوة اللحام والليونة والمتانة. قد تساعد المعالجة الحرارية الدافئة PWHT أيضًا في منع التشقق الناتج عن التدوير الحراري أو التشقق الناتج عن التآكل الإجهادي؛ وتعتمد الحاجة إليها على نوع المعدن/سمكه/بُعده وكذلك معايير اللحام/متطلبات الخدمة.

غالبًا ما تنص الرموز على أن مواد اللحام أو اللحامات التي تزيد سماكتها عن سمك معين تتطلب معالجة حرارية بعد اللحام للحماية. ويرجع ذلك إلى أن بعض المعادن تكون أكثر عرضة للتشقق الإجهادي الناتج عن التآكل الإجهادي أو تكون أكثر عرضة لخطر فشل اللحام من غيرها، بينما تنتج عمليات اللحام المختلفة ترسبات أكثر صلابة من غيرها.

الصلابة

يمكن أن ينتج عن اللحام إجهادات متبقية يمكن أن تؤدي، جنبًا إلى جنب مع إجهادات الحمل، إلى إضعاف صلابة المواد. يمكن أن تساعد عملية التسخين والتبريد المتحكم فيها والمعروفة باسم PWHT في تحسين الخواص الميكانيكية وتخفيف الإجهادات المتبقية وزيادة قوة وصلابة اللحام؛ وتعتمد ضرورتها على عدة عوامل بما في ذلك معلمات اللحام ومتطلبات الخدمة؛ يمكن أن يساعد تحليل ميكانيكا الكسر باستخدام مستويات الإجهاد المفترضة وأحجام العيوب في تحديد ما إذا كانت عملية التسخين والتبريد المتحكم فيها مطلوبة.

تم ابتكار نموذج سهل لحساب الحد الأدنى من المتانة المطلوبة لمواد وسُمك مقطع معين. تم بعد ذلك تقدير متطلبات صلابة الكسر (K mat) لاحتمالين مختلفين من احتمالات الفشل، P f = 0.05 وP f = 0.5 باستخدام الملحق J من BS 7910 للمنحنى الرئيسي للمنحنى BS 7910 الذي يربط بين صلابة الكسر وطاقة تشاربي.

كما هو موضح في الأشكال أدناه، تكشف نتائج تحليلنا أنه حتى الانخفاض الطفيف نسبيًا في درجة حرارة المعالجة الحرارية الحرارية الفائقة PWHT يمكن أن يقلل بشكل كبير من الحد الأدنى المقدر لمتطلبات الحد الأدنى من حصيرة K. ويرجع ذلك على الأرجح إلى تأثير PWHT في تقليل تقييد أطراف الشقوق وتحسين امتداد الشقوق عن طريق التمزق المطيل؛ بالإضافة إلى ذلك، توضح النتائج أن PWHT يمكن أن يحسن أيضًا من صلابة الصدمات للعينات الملحومة بالليزر بشكل كبير من خلال استعادة وضع الكسر الهش الأصلي مع أنماط الكسر النهرية التي لوحظت مع العينات غير المعالجة.

الليونة

تشير ليونة الليونة إلى قدرة المادة على التشوه البلاستيكي قبل أن تتشقق تحت الإجهاد، على عكس التشوه المرن الذي ينعكس عند تحرير الإجهاد. تُعد الليونة عاملاً أساسياً عند تصميم المكونات لأنها توضح مقدار الإجهاد الذي يمكن أن يتحمله المكوّن قبل أن يفشل؛ وتشير الليونة الأكبر إلى فرص أكبر لتشوهه تحت الأحمال القصوى.

تعتمد ليونة المواد بشكل كبير على تركيبها الكيميائي وبنيتها البلورية ودرجة حرارة الاختبار. تميل الفلزات إلى إظهار ليونة أكبر لأن روابطها المعدنية تتيح مشاركة إلكترونات غلاف التكافؤ بين ذرات متعددة، وبالتالي تسمح لذرات الفلزات بالتحرك بسهولة فيما بينها مع استمرار امتصاص القوى التي قد تتسبب في تحطيم مواد أخرى.

على الرغم من ارتباطهما الوثيق بقابلية الطرْق، تظل الليونة وقابلية الطَّرْق خاصيتين مختلفتين. تشير قابلية الليونة إلى قدرة المعدن على تحمل قوى الشد والتمدد بينما تشير قابلية الطراوة إلى مدى تعامله مع الضغوط الانضغاطية الناتجة عن الطرق أو الضغط. يجب أخذ كلتا الخاصيتين في الاعتبار عند اختيار المواد لتطبيقات محددة؛ فالمواد ذات الليونة العالية مثل الذهب يمكن أن تتمدد حتى يحدث الكسر فقط بينما المواد ذات الليونة المنخفضة مثل النحاس قد تتمدد إلى سماكات صغيرة جداً قبل أن تنكسر تحت الضغط.