Kaynak Isıl İşlemleri: Kaynak Öncesi ve Sonrası Temel Bilgiler

Kaynak, metaller için ısıl işlem yöntemlerinden biridir. Özellikle yaygın düşük alaşımlı yapı çelikleri ve yüksek karbon içerikli kalın plakalar kaynaklanırken, yerel metal, yüksek sıcaklıkta ısıtma ve soğutmanın kaynak termal döngüsünden etkilenerek metalin iç yapısında çeşitli değişikliklere neden olur ve bu da kaynak bağlantısının mekanik özelliklerini doğrudan etkiler.

Ayrıca, kaynak metalurjik koşulları ve farklı ısıtma ve soğutma oranlarının etkileri nedeniyle, kaynak ve ısıdan etkilenen bölgenin yapısı düzensizdir ve bu da kaynak bağlantısının mekanik özelliklerini dolaylı ve doğrudan etkiler. Bu nedenle, kaynak öncesinde, sırasında ve sonrasında ısıtma, ısı koruma ve soğutma hızını lokal olarak veya tamamen kontrol ederek kaynak bağlantısının mekanik özelliklerini değiştirmek veya iyileştirmek çok gereklidir.

 I. Kaynak öncesi ön ısıtma

 1. Ön ısıtmanın rolü

1) Ön ısıtma, soğuk çatlakları, sıcak çatlakları ve ısıdan etkilenen bölgede sertleşmiş yapıların oluşumunu önlemek için etkili bir önlemdir. Yüksek karbonlu çelik, düşük alaşımlı çelik, ısıya dayanıklı çelik ve yüksek sertliğe sahip sıradan düşük karbonlu çelik bileşenlerin kaynağı yapılırken, kaynağın hızlı soğuma hızı, kaynakta ve ısıdan etkilenen bölgede kolayca sertleşmiş yapıların oluşmasına ve dolayısıyla çatlaklara neden olabilir. Bu nedenle, kaynağın ön ısıtması gereklidir. Ön ısıtma, soğuma hızını yavaşlatma amacına ulaşabilir ve bu da kaynakta çatlak oluşumunu önleyebilir.

2) Ne zaman kaynak bağlantıları Yüksek kısıtlama ile hızlı soğutma ve ısıtma, bağlantı alanında büzülme gerilimine neden olarak çatlaklara yol açabilir. Kaynaktan önce birleştirme alanının önceden ısıtılması büzülme stresini azaltabilir ve çatlak oluşumunu önleyebilir.

3) Soğuk bölgelerde kaynak yaparken, çatlak oluşumunu önlemek için, kalınlığı 20 m'yi aşan düşük karbonlu çelikler bile ön ısıtmaya tabi tutulmalıdır.

4) Ön ısıtma ayrıca yağı, nemi ve kaynak kalitesini etkileyen diğer faktörleri ortadan kaldırabilir ve kaynaktaki hidrojenin kaçışını teşvik edebilir, böylece gözeneklilik gibi kusurların önlenmesinde ve ayrıca çatlak oluşumunun önlenmesinde uygun bir rol oynar.

 Ön Isıtma Sıcaklığı

İş parçasını uygun şekilde ön ısıtmak için, esas olarak farklı metal malzemelere göre farklı ön ısıtma sıcaklıkları belirlemek gerekir. Örneğin, karbon çeliği için ön ısıtma sıcaklığı genellikle karbon içeriğine göre belirlenir. Karbonun kütle oranı 0,2%'den büyükse, ön ısıtma sıcaklığı 100~200°C'dir; karbon içeriği arttıkça, ön ısıtma sıcaklığı da orantılı olarak artmalıdır. Diğer malzemeler de malzemeye bağlı olarak farklı ön ısıtma sıcaklıklarına sahiptir.

 Yaygın olarak kullanılan çelik kaliteleri için kaynak ön ısıtma sıcaklıkları Tablo 2-30'da gösterilmektedir.

 Tablo 2-30 Bazı Çelik Kaliteleri için Kaynak Ön Isıtma Sıcaklıkları

Ön Isıtma Yöntemleri

Birçok ön ısıtma yöntemi vardır: alevle ısıtma, güç frekanslı indüksiyonla ısıtma, uzak kızılötesi ısıtma, fırınla ısıtma vb. Ön ısıtma yöntemi, ısıtma aralığına göre seçilmelidir. Şu anda, iyi ısıtma etkileri ve geniş bir ısıtma aralığı sağlayan uzak kızılötesi ısıtıcılar yaygın olarak kullanılmaktadır.

Genel olarak, kaynaklı bağlantının her iki tarafındaki ön ısıtma genişliği plaka kalınlığının 5 katından az olmamalı ve eğimin her iki tarafında 75 ~ 100 mm'lik düzgün bir ısıtma bölgesi korunmalıdır. Nihai ön ısıtma sıcaklığı proses testi ile belirlenmelidir.

Ara Katman İzolasyonu

Kaynak yapımında, özellikle çok katmanlı kaynak sırasında, belirli çelikler, katmanlar arası sıcaklık olarak bilinen her kaynak katmanı sırasında belirli bir sıcaklığın korunmasını gerektirir. Ara katman sıcaklığının rolü ön ısıtmaya benzer, kaynak ve ısıdan etkilenen bölgede hidrojenin difüzyonunu ve kaçışını teşvik eder ve soğuk çatlamayı önlemede rol oynar.

Karbon çeliği, düşük alaşımlı çelik ve ısıya dayanıklı çelik için ara katman sıcaklığının alt sınırı genellikle kaynağın ön ısıtma sıcaklığıdır ve üst sınır genellikle 350~400°C'dir; östenitik paslanmaz çelik için ara katman sıcaklığı genellikle daha düşük, genellikle 250°C'den daha az kontrol edilir.

Ön ısıtma ve ara katman sıcaklıklarının çok yüksek olmaması gerektiği, aksi takdirde bazı çelik kaynak bağlantılarının mikroyapısında ve özelliklerinde değişikliklere neden olacağı unutulmamalıdır.

Kaynak sonrası ısıl işlem

Yeni kaynaklanmış kaynak parçasını hemen asbest külü, sıcak kum (kireç) içine yerleştirmek veya kaynak bağlantısını yavaşça soğutmak için fırınla soğutmak, iç gerilimi azaltmayı, deformasyonu en aza indirmeyi ve çatlamayı önlemeyi amaçlar. Yüksek su verme eğilimi ve yüksek rijitliğe sahip kaynaklarda, kaynak sonrası soğutma kaynak kalitesini sağlamak için önemli bir teknolojik önlemdir.

Isıtma sonrası, hidrojen salınımı işlemi

"Sonradan ısıtma", tüm kaynak işlemleri tamamlandıktan sonra kaynak bağlantısının belirli bir süre boyunca ara katman sıcaklığına eşit veya daha yüksek bir sıcaklıkta tutulmasıdır. Isıtma sıcaklığı ve "son ısıtma" süresi, kaynak parçasının kalınlığına, birleştirme türüne, kaynaktaki ilk hidrojen içeriğine ve çeliğin hidrojen çatlamasına karşı hassasiyetine bağlıdır.

Genel olarak, son ısıtma sıcaklığı 250~350°C'dir ve bekletme süresi kaynak parçasının kalınlığına bağlıdır, genellikle 1~3 saattir. Bazı düşük alaşımlı yüksek mukavemetli çelik kalın duvarlı kaplar için, 1 saat boyunca 300~350°C'de son ısıtma kullanmak gecikmiş çatlamayı tamamen önleyebilir ve ön ısıtma sıcaklığını 50°C azaltabilir. Son ısıtma hidrojenin difüzyonunu ve kaçışını hızlandırabilir, bu nedenle "hidrojen salma işlemi" olarak da adlandırılır.

Son ısıtmanın temel amacı, hidrojenin difüzyonunu ve kaçışını hızlandırarak gecikmeli çatlama oluşumunu önlemektir. Ön ısıtma, katmanlar arası sıcaklık ve diğer önlemler gecikmeli çatlamayı nihai olarak ortadan kaldıramadığında, son ısıtma basit, uygulanabilir ve etkili bir yöntemdir. Son ısıtma esas olarak yüksek mukavemetli düşük alaşımlı çeliğin kaynak yapıları için kullanılır.

Son ısıtma, kaynak sonrası ısıl işlem ile birçok benzerliğe sahiptir, ancak genellikle son ısıtma, kaynak sonrası ısıl işlemin yerini alamaz. Kaynak sonrası ısıl işlem gerektiren ve kaynaktan hemen sonra kaynak sonrası ısıl işlem uygulanabilen kaynaklar için kaynak sonrası ısıtma ihmal edilebilir. Kaynak sonrası ısıl işlem kaynaktan hemen sonra yapılamıyorsa ve kaynak parçasının zamanında hidrojeninin giderilmesi gerekiyorsa, kaynak sonrası ısıtma ihmal edilemez.

Örneğin, kaynak sonrası hata tespit denetimini geçen büyük bir yüksek basınçlı kap vardır, ancak kaynaktan sonra zamanında ısıl işlem görmediği ve hidrojen giderme işlemi yapılmadığı için depolama sırasında gecikmeli çatlama meydana gelmiştir. Kap ısıl işleme tabi tutulup hidrostatik teste tabi tutulduğunda, test basıncı tasarım çalışma basıncına ulaşmamış ve kap ciddi bir gevrek kırılma kazası geçirerek tüm kabın hurdaya çıkarılmasına neden olmuştur.

Son ısıtma için ısıtma yöntemi, ısıtma bölgesi genişliği ve sıcaklık ölçüm yeri gereksinimleri ön ısıtma ile aynıdır. Yerel son ısıtma da ön ısıtmaya benzer şekilde eğimin her iki tarafında 75 ~ 100 mm'lik eşit bir ısıtma bölgesi sağlamalıdır. Su verilmiş ve temperlenmiş çelikler, temperleme sıcaklığının ötesinde yerel aşırı ısınmayı önlemelidir.

Kaynak sonrası ısıl işlem

Isıl işlem, katı maddelerin iç yapısını iyileştiren bir işlemdir. metaller Isıtma, tutma ve soğutma yoluyla istenen özellikler elde edilir. Kaynak bağlantılarının kaynak sonrası ısıl işlemi, kaynak bağlantılarının yapısını ve özelliklerini iyileştirmek veya artık gerilmeleri ortadan kaldırmak içindir. Yaygın kaynak sonrası ısıl işlemler arasında gerilim giderme tavlaması, normalleştirme, normalleştirme artı temperleme ve su verme artı temperleme (temperleme işlemi) yer alır.

Kaynak sonrası ısıl işlemin temel amacı, artık gerilmeleri azaltmak, yapısal stabiliteyi artırmak, sertleştirilmiş bölgeyi yumuşatmak, hidrojen kaçışını teşvik etmek, stres korozyonuna karşı direnci artırmak ve eklemin plastisitesini, tokluğunu ve yüksek sıcaklık mekanik özelliklerini iyileştirmektir. Gerilim giderme, kaynak sonrası ısıl işlemin birincil işlevi olduğundan, genellikle kaynak sonrası ısıl işlem olarak adlandırılır.

Kaynak sonrası ısıl işlem genellikle sadece önemli ürünler için özel koşullar altında gereklidir. Bazı kaynaklı ürünler için, kaynak sonrası artık gerilme önemli değilse veya bir miktar artık gerilmenin korunması gerekiyorsa (çok katmanlı kap sarılı plakaların kaynak sonrası artık gerilmesi gibi), kaynak sonrası ısıl işlem gerekli değildir. Sertleşmiş yapı hiç yoksa veya çok az miktarda varsa, ancak yine de çalışma sırasında olumsuz etkilere neden olmayan belirli plastisite ve tokluğu koruyorsa, kaynak sonrası ısıl işlem de gerekli değildir.

Gerilim giderme tavlaması

Gerilim giderme tavlaması için ısıtma sıcaklığı aralığı, yüksek sıcaklıkta temperleme ile aynıdır, genellikle kaynak parçasının tamamını veya bir kısmını 550 ~ 650 ° C'ye kadar ısıtır, ardından yeterli bekletme ve yavaş soğutma yapılır. Genel çelik için bekletme süresi 1 mm kalınlık başına 2,5 dakika olarak hesaplanır, ancak 15 dakikadan az olmamalıdır. 50mm'nin üzerindeki kalınlıklar için, her ilave 25mm için 15dk ekleyin.

 Genel ısıl işlem

Kaynak parçasının genel ısıl işlem için bir ısıtma fırınına yerleştirilmesi tatmin edici sonuçlar elde edilmesini sağlayabilir. Fırına girerken ve çıkarken kaynak parçasının sıcaklığı 300°C'nin altında olmalıdır. Isıtma ve soğutma hızları plaka kalınlığı ile ilişkili olmalı ve aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır:

Formülde, U soğutma hızı, °C/h; δ plaka kalınlığı, mm'dir.

Kalın duvarlı kaplar için, ısıtma ve soğutma hızları 50 ~ 150 ° C / s'dir ve genel ısıl işlem sırasında fırın içindeki maksimum sıcaklık farkı 50 ° C'yi geçmemelidir. Kaynak parçası çok uzunsa ve iki seansta ısıl işlem görmesi gerekiyorsa, üst üste binen ısıtma parçası 1,5 m'den fazla olmalıdır.

Yerel ısıl işlem

Genel ısıl işlem için çok uzun olan ancak düzenli bir şekle sahip olan basit kaplar ve borular için lokal ısıtma işlemi uygulanabilir. Lokal ısıtma işlemi sırasında, kaynağın her iki tarafında yeterli ısıtma genişliği sağlayın. Silindir için ısıtma genişliği silindir yarıçapı ve duvar kalınlığı ile ilgilidir ve aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

Formülde,

• B silindirin ısıtma genişliğidir, mm;
• R silindir yarıçapıdır, mm;
• δ silindir duvar kalınlığıdır, mm.

Örneğin, 1200 mm çapında ve 24 mm et kalınlığında silindirik bir kaynak için, kaynak merkezli ısıtma genişliği yukarıdaki formül kullanılarak hesaplanır. Yani, bu silindirik kaynağın lokal ısıl işlemi sırasında, kaynağı merkez alan 600 m'lik aralık belirtilen ısıl işlem sıcaklığına kadar ısıtılmalıdır.

Lokal ısıl işlem için yaygın yöntemler arasında alevli ısıtma, kızılötesi ısıtma ve endüstriyel frekans indüksiyonlu ısıtma yer alır.

Aşağıdaki durumlarda gerilim giderme tavlama işlemi dikkate alınmalıdır: yüksek mukavemet dereceli ana metal, çatlamayı geciktirme eğilimi olan yaygın düşük alaşımlı çelik; düşük sıcaklık koşullarında çalışan basınçlı kaplar ve diğer kaynaklı yapılar, özellikle kırılgan geçiş sıcaklığının altında kullanılanlar; yorulma mukavemeti gerektiren değişken yüklere maruz kalan bileşenler; büyük basınçlı kaplar; gerilim korozyon direnci ve kaynak sonrası boyutsal kararlılık gerektiren kaynaklı yapılar.

Gerilim giderme tavlaması genellikle bir fırında gerçekleştirilir ve bu da artık gerilimin 80%'den fazlasını ortadan kaldırabilir. Yerel gerilim giderme tavlaması temelde genel gerilim giderme tavlaması ile aynı etkiyi sağlayabilir.

 Bu ısıl işlem, kristal yapıda değişiklik içermez.

 2. Normalleştirme veya normalleştirme artı temperleme

Bu kaynak sonrası ısıl işlem genellikle bağlantıların yapısını ve performansını iyileştirmek için elektroslag kaynak yapıları için uygundur.

Normalleştirme, çeliğin Ac'nin üzerine kadar ısıtılmasını içerir.₃ 1 mm kalınlık başına 2 dakika olarak hesaplanan, ancak 30 dakikadan az olmayan bir tutma süresi ile fırından çıktıktan sonra havada soğutulur. Bir yeniden kristalleştirme işlemi olduğundan, daha ince bir tane yapısı elde edebilir ve mekanik özellikleri iyileştirebilir.

Normalleştirme artı temperleme, normalleştirmeden sonra temperlemedir. Menevişlemenin amacı, normalleştirmenin soğutma işlemi sırasında oluşan yapısal gerilimi ortadan kaldırarak çeliğin veya kaynaklı bağlantıların kapsamlı performansını daha da iyileştirmektir.

 3. Su verme ve temperleme işlemi

Bu kaynak sonrası ısıl işlem, su verilmiş ve temperlenmiş çelik veya kaynak sonrası su verme ve temperleme işlemi gerektiren diğer kaynaklı yapılar için uygundur. Söndürme ve temperlemeden sonra, çelik veya kaynaklı bağlantılar kapsamlı mekanik özelliklerde iyi bir mukavemet ve tokluk kombinasyonu elde edebilir.

Su verme, çeliğin kritik bir noktaya kadar ısıtılmasıdır.₁ veya Ac₃ artı 30~50°C'de bir süre tutulur ve ardından yüksek sertlikte bir yapı elde etmek için su veya yağda hızla soğutulur.

 Kaynak sonrası ısıl işlemde dikkat edilmesi gereken hususlar

Çözelti işlemi, kaynak bağlantısının 1000~1050°C'ye ısıtılmasını, kaynak işlemi sırasında tane sınırlarında çökelen karbürlerin östenit içinde yeniden erimesine izin verilmesini ve ardından östenitik yapıyı sabitlemek için hızla soğutulmasını içerir. Stabilizasyon işlemi, kaynak bağlantısının 850~900°C'ye ısıtılmasını, 2 saat bekletilmesini ve ardından havayla soğutulmasını, östenit tanelerindeki kromun kademeli olarak tane sınırlarına yayılmasına izin verilmesini, tane sınırlarındaki kromu tükenmiş tabakanın ortadan kaldırılmasını ve böylece taneler arası korozyona karşı direncin artırılmasını içerir.

Hem çözelti işlemi hem de stabilizasyon işlemi, östenitik paslanmaz çelik kaynak bağlantılarının taneler arası korozyona karşı direncini artırmayı amaçlamaktadır.

 Kaynak sonrası ısıl işlemde dikkat edilmesi gereken hususlar aşağıdaki gibidir.

• Belirli miktarda V, Ti veya Nb içeren düşük alaşımlı çelikler için, yaklaşık 600°C'de uzun süreli bekletmeden kaçınmak gerekir, çünkü bu, malzeme mukavemeti artarken plastisite ve tokluğun önemli ölçüde azaldığı temper kırılganlığına yol açabilir.
• Kaynak sonrası gerilim giderme tavlaması genellikle ana malzemenin temperleme sıcaklığından 30~60°C daha düşük olmalıdır.
• Cr, Mo, V, Ti, Nb gibi elementler içeren bazı düşük alaşımlı çelik kaynak yapılarında, yeniden ısınma çatlamasını önlemek için gerilim giderme tavlaması sırasında dikkatli olunmalıdır.
•  Isıl işlem sırasında yapısal deformasyonu önlemek için dikkatli olunmalıdır.

Tablo 2-31 ila 2-34, yaygın olarak kullanılan bazı kaynak sonrası ısıl işlem spesifikasyonlarının ana parametrelerini göstermektedir.

Tablo 2-31 Kaynak sonrası ısıl işlem (400°C'nin üzerinde) ısıtma ve soğutma oranları

Tablo 2-32 Belirli Çelik Kaliteleri için Kaynak Sonrası Gerilim Giderme Tavlaması Gerektiren Kalınlık Aralığı

 Tablo 2-33 Seçilen Çelik Kaliteleri için Kaynak Sonrası Gerilim Giderme Tavlama Sıcaklıkları

 Tablo 2-34 Yaygın düşük alaşımlı çelik kaynak sonrası ısıl işlem sıcaklıkları

Farklı kaynaklı yapıların kaynak sonrası ısıl işlemi, ilgili ürün imalat teknik şartlarına uygun olarak yapılmalıdır.