المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) للفولاذ الكربوني

تعتبر المعالجة الحرارية لما بعد اللحام أو PWHT جزءًا لا يتجزأ من عملية اللحام، حيث تعمل على تخفيف الإجهادات المتبقية الناتجة عن اللحام مع تلطيف المناطق الصلبة أو التي يحتمل أن تكون هشة في البنية المجهرية.

يمكن إكمال المعالجة الحرارية الفائقة في أفران تعمل بالكهرباء أو الغاز الطبيعي أو النفط؛ ومع ذلك، سنركز في هذه المقالة على درجة الحرارة التي يجب الوصول إليها لتحقيق أفضل النتائج مع المعالجة الحرارية الفائقة للصلب الكربوني.

الديناميكا الحرارية

اللحام هو أحد أكثر عمليات التصنيع الهندسية انتشارًا. ومع ذلك، قد تتكون ضغوط متبقية بعد اللحام تؤدي إلى صعوبات تشغيلية. وللتخفيف من هذه التوترات الداخلية يمكن أن تساعد المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) في تخفيف الضغوطات المتبقية عن طريق تليين المناطق المتصلبة، وتحسين البنية المجهرية والخصائص الكيميائية، وخفض محتوى الهيدروجين في منطقة اللحام وتخفيف الضغوطات المتبقية؛ ومع ذلك فإن درجات الحرارة المفرطة أو غير المناسبة أو أوقات الاحتفاظ تؤثر سلبًا على الخواص الميكانيكية [1].

يتطلب الفولاذ الكربوني وسبائك الفولاذ منخفضة السبائك المعالجة بالحرارة الفائقة PWHT من أجل تقليل الضغوطات المتبقية والتحكم في صلابة المواد وتعزيز القوة الميكانيكية. وتعتمد متطلبات كل مادة محددة لدرجات حرارة PWHT على كود الاستخدام الخاص بها؛ فدرجات حرارة PWHT لبعض التركيبات الكيميائية أو نطاقات السماكة مثل فولاذ الأنابيب وأوعية الضغط التي تحتوي على أقل من 1.5% من الكروم تتطلب عادةً درجات حرارة أعلى من 1050 درجة مئوية كما هو محدد في متطلبات الكود. على سبيل المثال، عند استخدامه للأنابيب وأوعية الضغط مع هذه المتطلبات كما هو الحال على سبيل المثال مع الفولاذ الذي يحتوي على 1.5% من الكروم يتطلب درجة حرارة PWHT أعلى من 1050 درجة مئوية لتعزيز القوة الميكانيكية كما هو محدد في متطلبات الكود التي تفرضها الأكواد التي تنظم كيفية عمل PWHT وتلبية هذه الأهداف بفعالية.

ومع ذلك، فإن الدرجات الإنشائية العامة مثل BS 5400 للجسور وBS 5958 للمباني وEEMUA 158 للهياكل البحرية تسمح بحدود سمك أكثر سمكًا بشكل كبير عند اللحام مرتبطة بمتطلبات طاقة تشاربي أكبر. يبدو أن هذه الاختلافات مرتبطة بعوامل مثل درجة حرارة التسخين المسبق ومحتوى السبيكة وتكوين المارتينسيت - هدف هذه المقالة هو مساعدة القراء على فهم هذه التأثيرات بشكل أفضل عند تحديد درجة حرارة PWHT للصلب الخاص بك.

البنية المجهرية

تتطلب بعض المواد المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) من أجل تحقيق القوة والليونة المطلوبة. تتضمن المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) تسخين المصنوعات الملحومة بين 580 درجة مئوية و620 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لكل 25 مم من أجل تخفيف أي ضغوط متبقية ناتجة أثناء اللحام؛ وهذا يساعد على ضمان قوة شد كافية وقوة تأثير تشاربي بالإضافة إلى تقليل خطر الكسر.

استُخدم الفحص المجهري STEM لفحص بنية الخلع والتغير في كربونيتريدات MX الكربونية في أوقات مختلفة من PWHT. أظهرت العينة الملحومة كما هي ملحومة كثافة عالية من الخلع المتشابك بشدة داخل مصفوفتها البينيتية؛ لم يمكن تمييز أي هياكل مرتبة مثل شبكات الخلع أو حدود الحبوب الفرعية في هذه المرحلة. وبزيادة زمن PWHT، انخفضت كثافة الخلع بشكل كبير؛ وأصبحت البنى الجديدة المنظمة مثل شبكات الخلع أو حدود الحبوب الفرعية واضحة، كما ظهرت كربونات MX الخشنة التي قللت من تأثيرها على الخلع؛ مما أدى في النهاية إلى ظهور حدود الحبوب الفرعية مرة أخرى.

في أوقات PWHT التي تتراوح بين 8 و16 ساعة، يتحسن شكل معدن اللحام مع انخفاض كثافة الخلع؛ ومع ذلك، تظل كثافة الخلع أعلى بكثير من الفولاذ المروي. علاوةً على ذلك، تكون الرواسب عند حدود الحبيبات والحبيبات الفرعية خشنة بشكل كبير بسبب نضج أوستوالد لكربونات MX، مما يؤدي إلى جسيمات أكبر على حدود الحبيبات/الحبيبات الفرعية مقارنةً بالحبوب نفسها.

تخفيف التوتر

تُعد عملية المعالجة الحرارية الفائقة PWHT للفولاذ الكربوني والفولاذ الكربوني المنغنيز خطوة أساسية بعد اللحام لتقليل الكسر الهش. تستلزم هذه العملية تسخين منطقة اللحام إلى درجات حرارة عالية لفترة طويلة، ثم التبريد. في درجات الحرارة المرتفعة، يصبح توزيع الإجهاد أكثر اتساقًا، وبالتالي يقلل من الإجهادات المتبقية بينما يعمل التقسية على تليين المناطق المجهرية الصلبة من المواد الأساسية التي يمكن أن تؤدي إلى التشقق.

يُدخل اللحام مستويات عالية من الإجهادات المتبقية في المعادن، خاصةً اللحامات السميكة. عندما تقترن هذه الإجهادات المتبقية مع إجهادات حمل الخدمة، يمكن أن تؤدي هذه الإجهادات المتبقية إلى انخفاض صلابة الكسر وقابلية التصدع الإجهادي (SCC). تعمل تقنية PWHT على تخفيف هذه الإجهادات المتبقية وتعزيز الخواص الميكانيكية للمفصل الذي يتم لحامه معًا.

تتطلب تقنية PWHT تعريض الهياكل لدرجات حرارة عالية لأوقات ثبات طويلة، وهو ما قد يكون صعبًا ومكلفًا بالنسبة للإنشاءات الهيكلية الكبيرة. لضمان العزل والتسخين المناسبين في منطقة اللحام، مع قراءة دقيقة لدرجة الحرارة من مسجل/متحكم رقمي.

يمكن أن يقلل PWHT غير السليم من قوة المادة. علاوةً على ذلك، يمكن أن يؤدي معدل التبريد غير الفعال أثناء المعالجة الحرارية الفائقة PWHT إلى حدوث تشوهات وتقليل قوة الشد النهائية.

القوة

كما هو مذكور أعلاه، تميل قوة الشد والخضوع في الفولاذ الكربوني إلى الانخفاض مع زيادة درجة الحرارة؛ ومع ذلك، تزداد ليونة (KJc) بسبب التقسية التي تنتج مكونات أكبر من المارتينسيت-الأوستنيت التي تعزز صلابة الصدمات.

وعلى هذا النحو، من الأهمية بمكان أن تكون ظروف التقسية PWHT مصممة ليس فقط لخصائص الصلب الذي يتم تسليمه كما هو، ولكن أيضًا لظروف الخدمة المتوقعة للمكون الملحوم. ولذلك، يجب أن يأخذ صانعو الصلب هذا الأمر في الاعتبار عند تحديد درجة حرارة التقسية لمنتجاتهم من المطاحن.

وغالبًا ما تنص قوانين ومعايير البناء (مثل BS 1113 وASME VIII) على حد أدنى لسُمك PWHT. يتم تحديد هذه الحدود بناءً على افتراض أن كلاً من قوة الشد وقوة الخضوع تظل ضمن المعايير المقبولة بعد حدوث المعالجة بالحرارة الفائقة PWHT.

وبالطبع، هذا ليس ممكنًا دائمًا، ولهذا السبب يجب أن يخضع أي أنبوب أو وعاء مصمم لخدمة الهيدروجين للمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT). يجب اختيار كل من درجة الحرارة والمدة بعناية لإحداث التغييرات المعدنية المرغوبة مع تلبية جميع مواصفات الكود/المعيار/العقود ذات الصلة؛ كما يجب طلب مشورة الخبراء فيما يتعلق بالأوقات ودرجات الحرارة الخاصة بأنواع الفولاذ الكربوني.