المعالجة الحرارية بعد اللحام وتخفيف الإجهاد

تُعد المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) عملية مهمة تُستخدم لتقليل الإجهاد الداخلي وتعزيز القوة في مكونات الصلب، وكذلك لمنع التشقق والكسور الهشة في المواد.

تتضمن تقنية PWHT (التسخين بالغسيل بالضغط والحرق) تسخين المواد تحت درجة حرارة التشوه الحرجة ثم السماح لها بالتبريد المنتظم خلال فترة زمنية محددة. يمكن استخدام مجموعة متنوعة من درجات حرارة PWHT وأوقات النقع من أجل تحقيق النتيجة المرجوة.

الحد من الضغوط الداخلية

يمكن أن يؤدي اللحام إلى توليد إجهادات داخلية عالية في المواد، مما يضر بخصائص صلابة الكسر ويزيد من قابليتها للتشقق الإجهادي التآكلي (SCC). تُعد المعالجة الحرارية الفعالة PWHT عملية معالجة حرارية فعالة لتقليل هذه الضغوط المتبقية؛ حيث تتضمن تسخين منطقة اللحام إلى ما دون نطاق التحول قبل تبريدها ببطء لتقليل الضغوط الداخلية مع تحسين الخواص الميكانيكية لمفاصل اللحام في الوقت نفسه.

عادةً ما تكون المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) مطلوبة عادةً بموجب الكود لمعدات الضغط التي تتجاوز سماكتها عتبات معينة، وتستخدم أيضًا لحماية المكونات الهيكلية مثل الخزانات والأوعية والأنابيب. هناك العديد من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند تحديد ما إذا كان المشروع يتطلب المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) مثل نوع المادة ومتطلبات درجة الحرارة وأوقات النقع عند اتخاذ هذا القرار.

غالبًا ما يتم استخدام المعالجة الحرارية الفائقة PWHT لاستعادة تفاوت الأبعاد وتقليل التشوه الناجم عن ظروف التسخين والتبريد غير المتساوية. يمكن لمعدن اللحام أن يبرد بمعدلات مختلفة عن المعدن الأساسي المحيط به، مما يؤدي إلى ضغوط غير موزعة بشكل غير منتظم يجب تخفيفها للمساعدة في تقليل التشوه. يزيل تخفيف الإجهاد هذه الضغوط ويعيد توزيعها للمساعدة في تقليل التشويه.

كما يمكن للمعالجة بالحرارة الفائقة (PWHT) أن تقلل من التشقق الناتج عن الهيدروجين (HIC). يحدث التشقق الناجم عن الهيدروجين عندما تتعرض معادن الدكتايل لإجهادات الشد في بيئة حمضية وتتعرض للإجهاد، مما يجعل التشخيص والعلاج أمرًا صعبًا. يمكن أن يساعد المعالجة الحرارية الفائقة (PWHT) في تقليل حدوث التشقق الهيدروجيني الناجم عن الهيدروجين من خلال تخفيف الضغوط الشدّية التي تساهم في حدوث التشقق المجلفن.

تقليل الصلابة

يمكن أن يتسبب اللحام في حدوث إجهادات داخلية في المواد التي تؤدي إلى التآكل الإجهادي والتشقق الناتج عن الهيدروجين، ولمعالجة هذا الخطر، غالبًا ما يتم استخدام عملية المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). تعمل المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) عن طريق تسخين المواد لفترة طويلة من الوقت قبل تبريدها تدريجيًا؛ بالإضافة إلى أنها تقلل أيضًا من الصلابة مما يجعل العمل أسهل على عمال اللحام.

تعتمد درجة الحرارة والمدة على المادة التي يتم لحامها، وعملية اللحام المستخدمة، والنتيجة المرجوة. ولتحقيق فعالية PWHT، من الضروري استخدام المعدات والمرافق المناسبة، وأن يتم التسخين لفترة زمنية كافية عند درجة حرارة مقبولة، والتحكم في معدل التبريد وفقًا لذلك.

قد تتسبب إجراءات PWHT غير الصحيحة أو المهملة في أن تتحد الضغوط المتبقية مع ضغوط الحمل لتتجاوز حدود تصميم المواد، مما يؤدي إلى فشل اللحام وزيادة احتمالية التشقق وقابلية الكسر الهش. وقد يتسبب ذلك في النهاية في حدوث أعطال اللحام.

يمكن أن تساعد المعالجة بالحرارة الفائقة (PWHT) في التخفيف من حدة هذه المشكلات، وتوفر العديد من المزايا في هذه العملية. على سبيل المثال، يمكن أن يقلل من صلابة المعدن، مما يسهل التعامل معه. وعلاوة على ذلك، قد تساعد المعالجة الحرارية الفائقة PWHT في التخفيف من التشقق الناتج عن الهيدروجين عن طريق طرد أي هيدروجين ممتص قد يساهم في التشقق الناتج عن الهيدروجين في بعض عمليات اللحام.

زيادة القوة

وغالبًا ما تفرض القوانين تخفيف الإجهاد كوسيلة فعالة لتخفيف الضغوط الداخلية في مكونات الصلب بعد اللحام. تساعد هذه الممارسة على تحسين القوة مع تجنب التشقق في ظل ظروف التحميل الديناميكية؛ وعلاوة على ذلك، فإن تخفيف الإجهاد يسمح للحامات بالاحتفاظ بخصائص الليونة والمتانة.

تنطوي العملية على تسخين منطقة اللحام إلى درجة حرارة معينة قبل تبريدها، مما يقلل من الضغوط ويعيد توزيعها بالتساوي في جميع أنحاء المعدن، مما يحسن الصلابة والليونة، مما يزيد من مقاومة التعب، بالإضافة إلى المساعدة في تخفيف التشقق الناجم عن الهيدروجين في بعض درجات الفولاذ.

استنادًا إلى نوع المادة واللحام الذي تتم معالجته، يمكن تنفيذ طرق مختلفة للمعالجة الحرارية، مثل التلدين والتلطيف والتبريد والتبريد والتطبيع. ولكل منها فوائدها وعيوبها، لذا من الضروري استخدام الطريقة المناسبة والالتزام بمعايير الوقت/درجة الحرارة الموصى بها.

وقد أسفرت الأبحاث في ميكانيكا تخفيف الإجهاد المتبقي عن نتائج متباينة وغير مفهومة في كثير من الأحيان، مما يجعل التفسير أكثر صعوبة مما كان متوقعًا. لا يزال من غير الواضح ما إذا كان التشوه اللدن كما يتضح من التغيرات في قوة الخضوع ومعامل يونج يلعب أي دور في تخفيف الإجهاد؛ وفي الوقت الحاضر، لا توجد علاقة كمية بين درجة حرارة PWHT وزمن الانتظار للحصول على النتائج المرجوة.

الحد من التشقق الناتج عن الإرهاق

يمكن أن تؤثر الضغوط الناتجة عن اللحام على أداء المكوّن على المدى الطويل وتتسبب في حدوث تصدع إجهادي، ولكن يمكن أن يخفف تخفيف الإجهاد من هذا القلق من خلال التخلص من الضغوط الناتجة عن اللحام وجعل المكوّن أكثر مقاومة لفشل الإجهاد تحت الأحمال الدورية. وعلاوة على ذلك، يسمح تخفيف الإجهاد بحدوث عمليات الترسيب أو التقادم في المواد - مما قد يحسن من ليونة المواد مع تقليل مخاطر الكسر الهش.

تتضمن تقنية PWHT تسخين الجزء فوق درجة حرارة التحول لفترة محددة. وهذا يخلق تدرجًا في درجة الحرارة يؤدي إلى استرخاء الإجهادات الداخلية، مما يساعد على منع التآكل الإجهادي والتشقق الناتج عن الهيدروجين مع تقليل حساسية اللحام للأحمال أثناء الخدمة في الوقت نفسه. قد يكون PWHT ضروريًا عند العمل مع المصنوعات المعقدة أو المسبوكات ذات التفاوتات الضيقة الأبعاد والأحمال الحرجة التي تحتاج إلى مراعاة خاصة أثناء عمليات اللحام أو الصب.

لقد أظهرت الدراسات أن المعالجة الحرارية الفائقة المنتظمة PWHT يمكن أن تنتج تخفيفًا كبيرًا للإجهاد المتبقي على بعض اللحامات، مع وجود اختلافات تعتمد على عوامل مختلفة مثل خصائص المواد والهندسة وحجم اللحامات. يلعب تطور الإجهاد الزاحف دورًا أكبر بكثير من التشوه البلاستيكي في عمليات المعالجة الحرارية الفائقة الحرارية المنتظمة القائمة على الفرن - ويحدث معظم تطور الإجهاد الزاحف قبل بدء أوقات تثبيت المعالجة الحرارية الفائقة الحرارة، وبالتالي من غير المحتمل أن يحقق وقت تثبيت أقصر للمعالجة الحرارية الفائقة الحرارة، تأثيرات تخفيف إجهاد مماثلة لتلك الطويلة.