المعالجات الحرارية للحام: أساسيات ما قبل اللحام إلى ما بعد اللحام

اللحام هو أحد طرق المعالجة الحرارية للمعادن. خاصة عند لحام الفولاذ الهيكلي منخفض السبائك الشائعة والألواح السميكة ذات المحتوى العالي من الكربون، يتأثر المعدن المحلي بدورة اللحام الحرارية للتسخين والتبريد بدرجة حرارة عالية، مما يسبب تغيرات مختلفة في البنية الداخلية للمعدن، مما يؤثر مباشرة على الخواص الميكانيكية لمفصل اللحام.

بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لظروف اللحام المعدنية وتأثيرات معدلات التسخين والتبريد المختلفة، يكون هيكل اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة غير متساوٍ، مما يؤثر أيضًا بشكل غير مباشر ومباشر على الخواص الميكانيكية لمفصل اللحام. لذلك، من الضروري جدًا تغيير أو تحسين الخواص الميكانيكية لمفصل اللحام أو تحسينها عن طريق التسخين والحفاظ على الحرارة والتحكم في معدل التبريد محليًا أو كليًا قبل اللحام وأثناءه وبعده.

 I. التسخين المسبق قبل اللحام

 1. دور التسخين المسبق

1) التسخين المسبق هو إجراء فعال لمنع الشقوق الباردة والشقوق الساخنة وتشكيل الهياكل المتصلبة في المنطقة المتأثرة بالحرارة. عند لحام الفولاذ عالي الكربون، والفولاذ منخفض السبائك، والفولاذ المقاوم للحرارة، ومكونات الفولاذ العادي منخفض الكربون ذات الصلابة العالية، يمكن أن يؤدي معدل التبريد السريع للحام بسهولة إلى تكوين هياكل متصلبة في اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة، مما يسبب تشققات. ولذلك، فإن التسخين المسبق للحام ضروري. يمكن أن يحقق التسخين المسبق الغرض من إبطاء معدل التبريد، والذي يمكن أن يمنع تكوين التشققات في اللحام.

2) عندما وصلات اللحام مع ضبط النفس العالي، يمكن أن يتسبب التبريد والتسخين السريع في حدوث إجهاد انكماش في منطقة الوصلة، مما يؤدي إلى حدوث تشققات. يمكن أن يقلل التسخين المسبق لمنطقة الوصلة قبل اللحام من إجهاد الانكماش ويمنع تكون الشقوق.

3) عند اللحام في المناطق الباردة، لمنع تكون الشقوق، حتى الفولاذ منخفض الكربون الذي يتجاوز سمكه 20 مترًا يجب تسخينه مسبقًا.

4) يمكن أن يزيل التسخين المسبق أيضًا الزيت والرطوبة والعوامل الأخرى التي تؤثر على جودة اللحام، ويمكن أن يعزز هروب الهيدروجين في اللحام، وبالتالي يلعب دورًا مماثلًا في منع العيوب مثل المسامية ويمنع أيضًا تكوين الشقوق.

 درجة حرارة التسخين المسبق

لتسخين قطعة العمل بشكل صحيح، من الضروري بشكل أساسي تحديد درجات حرارة التسخين المسبق المختلفة وفقًا للمواد المعدنية المختلفة. على سبيل المثال، بالنسبة للصلب الكربوني، يتم تحديد درجة حرارة التسخين المسبق عمومًا بناءً على محتواه من الكربون. إذا كان الجزء الكتلي من الكربون أكبر من 0.2%، تكون درجة حرارة التسخين المسبق 100 ~ 200 درجة مئوية؛ ومع زيادة محتوى الكربون، يجب أن تزيد درجة حرارة التسخين المسبق أيضًا بشكل متناسب. كما أن المواد الأخرى لها درجات حرارة مختلفة للتسخين المسبق حسب المادة.

 يوضح الجدول 2-30 درجات حرارة التسخين المسبق للحام لدرجات الصلب شائعة الاستخدام.

 الجدول 2-30 درجات حرارة التسخين المسبق للحام لبعض درجات الصلب

طرق التسخين المسبق

هناك العديد من طرق التسخين المسبق: مثل التسخين باللهب، والتسخين بالحث بتردد الطاقة، والتسخين بالأشعة تحت الحمراء البعيدة، وتسخين الفرن، إلخ. يجب اختيار طريقة التسخين المسبق بناءً على نطاق التسخين. حاليًا، يتم استخدام سخانات الأشعة تحت الحمراء البعيدة على نطاق واسع، مما يوفر تأثيرات تسخين جيدة ونطاق تسخين كبير.

وبوجه عام، يجب ألا يقل عرض التسخين المسبق على كل جانب من جوانب الوصلة الملحومة عن 5 أضعاف سُمك الصفيحة، ويجب الحفاظ على منطقة تسخين موحدة 75 ~ 100 مم على جانبي الشطبة. يجب تحديد درجة الحرارة النهائية للتسخين المسبق من خلال اختبار العملية.

طبقات العزل البيني

في بناء اللحام، وخاصةً أثناء اللحام متعدد الطبقات، تتطلب بعض أنواع الفولاذ الحفاظ على درجة حرارة محددة أثناء كل طبقة من طبقات اللحام، والمعروفة باسم درجة الحرارة البينية. ويتشابه دور درجة حرارة الطبقة البينية مع التسخين المسبق، حيث تعمل على تعزيز انتشار الهيدروجين وهروبه في اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة، كما أنها تلعب دورًا في منع التشقق البارد.

بالنسبة للفولاذ الكربوني والفولاذ منخفض السبائك والفولاذ المقاوم للحرارة، يكون الحد الأدنى لدرجة حرارة الطبقة البينية عمومًا هو درجة حرارة التسخين المسبق للحام، ويكون الحد الأعلى عمومًا 350 ~ 400 درجة مئوية؛ وبالنسبة للفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، يتم التحكم في درجة حرارة الطبقة البينية عمومًا بدرجة حرارة أقل، وعادةً ما تكون أقل من 250 درجة مئوية.

وتجدر الإشارة إلى أن التسخين المسبق ودرجات الحرارة البينية يجب ألا تكون عالية جدًا، وإلا سيؤدي ذلك إلى تغيرات في البنية المجهرية وخصائص بعض وصلات اللحام الفولاذية.

المعالجة الحرارية لما بعد اللحام

يهدف الوضع الفوري للحام الملحوم للتو في رماد الأسبستوس أو الرمل الساخن (الجير) أو التبريد بالفرن لتبريد وصلة اللحام ببطء، إلى تقليل الإجهاد الداخلي وتقليل التشوه ومنع التشقق. بالنسبة للحامات ذات الميل العالي للتبريد والصلابة العالية، يعتبر التبريد بعد اللحام إجراءً تقنيًا مهمًا لضمان جودة اللحام.

معالجة ما بعد التسخين، معالجة إطلاق الهيدروجين

"التسخين اللاحق" هو الحفاظ على مفصل اللحام عند درجة حرارة تساوي أو أعلى من درجة حرارة الطبقة البينية لفترة معينة بعد اكتمال جميع عمليات اللحام. وتعتمد درجة حرارة التسخين ومدة "التسخين اللاحق" على سُمك اللحام ونوع الوصلة ومحتوى الهيدروجين الأولي في اللحام وحساسية الفولاذ للتشقق الهيدروجيني.

بشكل عام، تكون درجة حرارة التسخين اللاحق 250 ~ 350 درجة مئوية، ويعتمد وقت التثبيت على سُمك اللحام، وعمومًا من 1 ~ 3 ساعات. بالنسبة لبعض الأوعية ذات الجدران السميكة المصنوعة من الفولاذ منخفض السبائك عالية القوة، يمكن أن يؤدي استخدام التسخين اللاحق عند 300 ~ 350 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة إلى تجنب التشقق المتأخر تمامًا وتقليل درجة حرارة التسخين المسبق بمقدار 50 درجة مئوية. يمكن أن يؤدي التسخين اللاحق إلى تسريع انتشار الهيدروجين وهروب الهيدروجين، ومن ثم يطلق عليه أيضًا "معالجة إطلاق الهيدروجين".

ويتمثل الغرض الرئيسي من التسخين اللاحق في تسريع انتشار الهيدروجين وهروب الهيدروجين، وتجنب حدوث التشقق المتأخر. عندما لا يمكن للتسخين المسبق ودرجة الحرارة البينية والتدابير الأخرى القضاء على التشقق المتأخر في نهاية المطاف، فإن التسخين اللاحق هو طريقة بسيطة ومجدية وفعالة. يُستخدم التسخين اللاحق بشكل أساسي في لحام هياكل الفولاذ منخفض السبائك عالي القوة.

تتشابه المعالجة اللاحقة للتسخين مع المعالجة الحرارية بعد اللحام، ولكن بشكل عام، لا يمكن أن تحل المعالجة الحرارية اللاحقة للتسخين محل المعالجة الحرارية بعد اللحام. بالنسبة للحامات التي تتطلب المعالجة الحرارية بعد اللحام ويمكن أن تخضع فورًا للمعالجة الحرارية بعد اللحام بعد اللحام، يمكن حذف المعالجة الحرارية بعد اللحام. إذا لم يكن بالإمكان إجراء المعالجة الحرارية بعد اللحام مباشرةً بعد اللحام، ويجب إزالة الهيدروجين من اللحام في الوقت المناسب، فلا يمكن حذف المعالجة الحرارية بعد اللحام.

على سبيل المثال، هناك وعاء كبير عالي الضغط اجتاز فحص الكشف عن الخلل بعد اللحام، ولكن نظرًا لعدم معالجته حراريًا في الوقت المناسب بعد اللحام، ولم يتم إجراء معالجة إزالة الهيدروجين له، حدث تصدع متأخر أثناء التخزين. عندما عولج الوعاء بالحرارة وخضع لاختبار هيدروستاتيكي، لم يصل ضغط الاختبار إلى ضغط التشغيل التصميمي، وتعرض الوعاء لحادث كسر هش شديد، مما أدى إلى تخريد الوعاء بأكمله.

إن طريقة التسخين، وعرض منطقة التسخين، ومتطلبات موقع قياس درجة الحرارة للتسخين اللاحق هي نفسها للتسخين المسبق. يجب أن يحافظ التسخين اللاحق الموضعي أيضًا على منطقة تسخين موحدة من 75 إلى 100 مم على جانبي الشطبة على غرار التسخين المسبق. يجب أن يمنع الفولاذ المسخن والمخفف من السخونة الموضعية الزائدة عن درجة حرارة التسخين الموضعي.

المعالجة الحرارية لما بعد اللحام

المعالجة الحرارية هي عملية تعمل على تحسين البنية الداخلية للمادة الصلبة المعادن من خلال التسخين والتثبيت والتبريد، وبالتالي الحصول على الخصائص المطلوبة. تهدف المعالجة الحرارية لمفاصل اللحام بعد اللحام إلى تحسين بنية وخصائص مفاصل اللحام أو التخلص من الإجهادات المتبقية. تشمل المعالجات الحرارية الشائعة لما بعد اللحام التلدين لتخفيف الإجهاد، والتطبيع، والتطبيع بالإضافة إلى التقسية، والتبريد بالإضافة إلى التقسية (المعالجة بالتقسية).

الغرض الرئيسي من المعالجة الحرارية لما بعد اللحام هو تقليل الإجهادات المتبقية، وزيادة الاستقرار الهيكلي، وتليين المنطقة المتصلبة، وتعزيز تسرب الهيدروجين، وتعزيز مقاومة التآكل الإجهادي، وتحسين اللدونة والمتانة والخصائص الميكانيكية عالية الحرارة للمفصل. ونظرًا لأن تخفيف الإجهاد هو الوظيفة الأساسية للمعالجة الحرارية بعد اللحام، يشار إليها عادةً باسم المعالجة الحرارية بعد اللحام.

لا تكون المعالجة الحرارية بعد اللحام مطلوبة بشكل عام إلا في ظروف خاصة للمنتجات المهمة. بالنسبة لبعض المنتجات الملحومة، إذا لم يكن الإجهاد المتبقي بعد اللحام كبيرًا أو إذا كان من الضروري الاحتفاظ ببعض الإجهاد المتبقي (مثل الإجهاد المتبقي بعد اللحام للألواح المغلفة بأوعية متعددة الطبقات)، فإن المعالجة الحرارية بعد اللحام غير مطلوبة. إذا لم يكن هناك هيكل متصلب أو كان هناك كمية صغيرة فقط من الهيكل المتصلب ولكنه لا يزال يحافظ على بعض اللدونة والمتانة، والتي لا تسبب آثارًا ضارة أثناء التشغيل، فإن المعالجة الحرارية بعد اللحام ليست ضرورية أيضًا.

التلدين المخفف للإجهاد

إن نطاق درجة حرارة التسخين لتخفيف الإجهاد هو نفس نطاق درجة حرارة التلدين لتخفيف الإجهاد هو نفس نطاق درجة حرارة التلدين في درجات الحرارة العالية، حيث يتم تسخين اللحام بالكامل أو جزء منه إلى 550 ~ 650 درجة مئوية، متبوعًا بتثبيت كافٍ وتبريد بطيء. يتم حساب وقت التثبيت بالنسبة للصلب العام على أنه 2.5 دقيقة لكل سُمك 1 مم، ولكن ليس أقل من 15 دقيقة. بالنسبة للسماكات التي تزيد عن 50 مم، أضف 15 دقيقة لكل 25 مم إضافية.

 المعالجة الحرارية الشاملة

يمكن أن يحقق وضع اللحام في فرن تسخين للمعالجة الحرارية الشاملة نتائج مرضية. يجب أن تكون درجة حرارة اللحام عند دخول الفرن والخروج منه أقل من 300 درجة مئوية. يجب أن تكون معدلات التسخين والتبريد مرتبطة بسُمك الصفيحة ويجب أن تفي بالمتطلبات التالية:

في المعادلة، U هو معدل التبريد، درجة مئوية/ساعة؛ δ هو سُمك اللوحة، مم.

بالنسبة للأوعية سميكة الجدران، تكون معدلات التسخين والتبريد 50 ~ 150 درجة مئوية/ساعة، ويجب ألا يتجاوز الحد الأقصى لفرق درجة الحرارة داخل الفرن أثناء المعالجة الحرارية الكلية 50 درجة مئوية. إذا كانت اللحامة طويلة جدًا وتحتاج إلى المعالجة الحرارية في جلستين، يجب أن يكون جزء التسخين المتداخل أكثر من 1.5 متر.

المعالجة الحرارية الموضعية

بالنسبة للحاويات والأنابيب البسيطة التي تكون طويلة جدًا للمعالجة الحرارية الشاملة ولكن لها شكل منتظم، يمكن إجراء المعالجة بالتسخين الموضعي. أثناء المعالجة بالتسخين المحلي، تأكد من عرض تسخين كافٍ على جانبي اللحام. يرتبط عرض التسخين للأسطوانة بنصف قطر الأسطوانة وسُمك الجدار، ويمكن حسابه باستخدام المعادلة التالية:

في الصيغة

• B هو عرض التسخين للأسطوانة، مم;
• R هو نصف قطر الأسطوانة، مم;
• δ هو سمك جدار الأسطوانة، مم.

على سبيل المثال، بالنسبة للحام أسطواني قطره 1200 مم وسمك جداره 24 مم، يتم حساب عرض التسخين المتمركز على اللحام باستخدام المعادلة أعلاه. وهذا يعني أنه أثناء المعالجة الحرارية المحلية لهذا اللحام الأسطواني، يجب تسخين نطاق 600 متر الذي يتمركز على اللحام إلى درجة حرارة المعالجة الحرارية المحددة.

تشمل الطرق الشائعة للمعالجة الحرارية الموضعية التسخين باللهب والتسخين بالأشعة تحت الحمراء والتسخين بالحث بالتردد الصناعي.

يجب أن تأخذ الحالات التالية في الاعتبار معالجة التلدين المخفف للإجهاد: المعدن الأساسي ذو درجة القوة العالية، وسبائك الصلب المنخفضة الشائعة ذات الميل إلى تأخير التشقق؛ أوعية الضغط وغيرها من الهياكل الملحومة التي تعمل في ظروف درجات حرارة منخفضة، خاصةً تلك المستخدمة تحت درجة حرارة الانتقال الهش؛ المكونات المعرضة لأحمال متناوبة تتطلب قوة إجهاد؛ أوعية الضغط الكبيرة؛ الهياكل الملحومة التي تتطلب مقاومة التآكل الإجهادي وثبات الأبعاد بعد اللحام.

يتم إجراء عملية التلدين لتخفيف الإجهاد بشكل عام في فرن، وهو ما يمكن أن يزيل أكثر من 80% من الإجهاد المتبقي. يمكن أن يحقق التلدين الموضعي لتخفيف الإجهاد بشكل أساسي نفس تأثير التلدين الكلي لتخفيف الإجهاد.

 لا تتضمن هذه المعالجة الحرارية تغييرات في البنية البلورية.

 2. التطبيع أو التطبيع مع التقسية

تعد هذه المعالجة الحرارية بعد اللحام مناسبة بشكل عام لهياكل اللحام بالخرق الكهربائي لتحسين هيكل وأداء الوصلات.

تتضمن عملية التطبيع تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة أعلى من Ac₃ مع احتساب زمن الاحتفاظ بدقيقتين لكل سُمك 1 مم، ولكن ليس أقل من 30 دقيقة، ثم التبريد في الهواء بعد الخروج من الفرن. نظرًا لأنها عملية إعادة بلورة، يمكنها الحصول على بنية حبيبات أدق وتحسين الخواص الميكانيكية.

التطبيع بالإضافة إلى التقسية هو التقسية بعد التطبيع. والغرض من التقسية هو التخلص من الإجهاد الهيكلي الناجم أثناء عملية التبريد في عملية التطبيع، مما يزيد من تحسين الأداء الشامل للصلب أو الوصلات الملحومة.

 3. معالجة التسقية والتلطيف

هذه المعالجة الحرارية لما بعد اللحام مناسبة للفولاذ المروي والمقسى أو الهياكل الملحومة الأخرى التي تتطلب معالجة التبريد والتلطيف بعد اللحام. بعد التسقية والتبريد، يمكن أن يحقق الفولاذ أو الوصلات الملحومة مزيجًا جيدًا من القوة والمتانة في الخواص الميكانيكية الشاملة.

التسقية هي تسخين الفولاذ إلى نقطة حرجة Ac₁ أو Ac₃ بالإضافة إلى 30 ~ 50 درجة مئوية، مع الاحتفاظ بها لفترة ثم تبريدها بسرعة في الماء أو الزيت للحصول على بنية عالية الصلابة.

 المشكلات التي يجب الانتباه إليها في المعالجة الحرارية بعد اللحام

تتضمن المعالجة بالمحلول تسخين وصلة اللحام إلى 1000 ~ 1050 درجة مئوية، مما يسمح للكربيدات المترسبة على حدود الحبيبات أثناء عملية اللحام بإعادة الذوبان في الأوستينيت، ثم التبريد السريع لتثبيت البنية الأوستنيتية. تنطوي معالجة التثبيت على تسخين وصلة اللحام إلى 850 ~ 900 درجة مئوية، مع الاحتفاظ بها لمدة ساعتين، ثم التبريد بالهواء، مما يسمح للكروم في حبيبات الأوستينيت بالانتشار التدريجي إلى حدود الحبيبات مما يزيل الطبقة المستنفدة من الكروم عند حدود الحبيبات وبالتالي تحسين مقاومة التآكل بين الحبيبات.

تهدف كل من المعالجة بالمحلول ومعالجة التثبيت إلى تحسين مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية لمفاصل اللحام المصنوعة من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ.

 فيما يلي المشكلات التي يجب الانتباه إليها في المعالجة الحرارية بعد اللحام.

• بالنسبة إلى الفولاذ منخفض السبائك الذي يحتوي على كمية معينة من V أو Ti أو Nb، من الضروري تجنب الاحتفاظ المطول عند درجة حرارة 600 درجة مئوية تقريبًا، حيث قد يؤدي ذلك إلى هشاشة المزاج، حيث تزداد قوة المادة بينما تنخفض اللدونة والصلابة بشكل كبير.
• يجب أن تكون درجة حرارة التلدين لتخفيف الإجهاد بعد اللحام أقل من درجة حرارة التقسية للمادة الأساسية بمقدار 30 ~ 60 درجة مئوية.
• بالنسبة لبعض هياكل اللحام المصنوعة من سبائك الصلب منخفضة السبائك التي تحتوي على عناصر مثل Cr، Mo، V، Ti، Nb، يجب توخي الحذر أثناء التلدين لتخفيف الإجهاد لمنع التشقق الناتج عن إعادة التسخين.
•  أثناء المعالجة الحرارية، يجب توخي الحذر لمنع التشوه الهيكلي.

توضح الجداول من 2-31 إلى 2-34 المعلمات الرئيسية لبعض مواصفات المعالجة الحرارية الشائعة الاستخدام بعد اللحام.

الجدول 2-31 معدلات التسخين والتبريد بعد المعالجة الحرارية بعد اللحام (فوق 400 درجة مئوية)

الجدول 2-32 نطاق السماكة الذي يتطلب التلدين لتخفيف الإجهاد بعد اللحام لدرجات معينة من الصلب

 الجدول 2-33 درجات حرارة التلدين بعد اللحام لتخفيف الإجهاد لدرجات الصلب المختارة

 الجدول 2-34 درجات حرارة المعالجة الحرارية الشائعة للصلب منخفض السبائك بعد اللحام

يجب إجراء المعالجة الحرارية لما بعد اللحام للهياكل الملحومة المختلفة وفقًا للشروط الفنية لتصنيع المنتج ذات الصلة.