استكشاف تحديات لحام الفولاذ عالي الكربون

يتميّز الفولاذ عالي الكربون بمحتوى كربوني يتجاوز 0.61 تيرابايت 3 تيرابايت، وهو ما يؤثر بشكل كبير على خواصه المعدنية وعمليات التصنيع. تُظهر هذه الدرجة من الفولاذ قابلية متزايدة للتصلب مقارنةً بالفولاذ متوسط الكربون، مما يشكل هياكل مارتينسيت عالية الكربون عرضة للتشقق على البارد.

أثناء عملية اللحام، تخضع المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) من الفولاذ عالي الكربون إلى تحول سريع، مما يؤدي إلى تكوين المارتنسيت. وعلى الرغم من صلابة هذه البنية المجهرية بشكل استثنائي، إلا أنها هشة بطبيعتها. وبالتالي، تتعرض مرونة وصلابة الوصلة الملحومة للخطر بشكل كبير، مما يؤدي إلى ضعف قابلية اللحام بشكل عام. للحفاظ على سلامة الوصلة وأدائها، يجب استخدام تقنيات وإجراءات لحام متخصصة.

ونظرًا لتحديات اللحام هذه، فإن الفولاذ عالي الكربون ليس الخيار المفضل عمومًا للتطبيقات الهيكلية الملحومة. ومع ذلك، فإن صلابته الاستثنائية ومقاومته للتآكل تجعله لا يقدر بثمن لمكونات ماكينات معينة مثل الأعمدة الدوارة والتروس الكبيرة والوصلات. وغالبًا ما تتطلب هذه الأجزاء الربط من خلال اللحام لتحسين استخدام المواد وتبسيط عمليات التصنيع.

في إنتاج الآلات الثقيلة، قد يكون لحام مكونات الفولاذ عالي الكربون أمرًا لا مفر منه. عند تطوير إجراءات اللحام لمثل هذه التطبيقات، من الضروري إجراء تحليل شامل لعيوب اللحام المحتملة. يجب أن يسترشد بهذا التحليل في تنفيذ معلمات عملية اللحام المناسبة، بما في ذلك:

1. تحكم دقيق في المدخلات الحرارية
2. اختيار مواد الحشو المتخصصة
3. بروتوكولات المعالجة الحرارية الصارمة قبل التسخين المسبق وبعد اللحام
4. التحكم في معدلات التبريد لتقليل تكوين المارتنسيت إلى الحد الأدنى
5. طرق الاختبار غير المتلفة المتقدمة لضمان الجودة

1. قابلية لحام الفولاذ عالي الكربون

1.1 طرق اللحام

يتم لحام الفولاذ عالي الكربون، الذي يتميز بصلابته الاستثنائية ومقاومته للتآكل، في الغالب باستخدام اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW) أو اللحام بالقوس المعدني الغازي (GMAW) أو اللحام بالقوس المغمور (SAW). تقدم كل طريقة مزايا مميزة اعتمادًا على التطبيق المحدد والظروف البيئية.

1.2 مواد اللحام الاستهلاكية

يعد اختيار مستهلكات اللحام للفولاذ عالي الكربون أمرًا بالغ الأهمية ولا يستلزم دائمًا مطابقة قوة الوصلة مع المعدن الأساسي.

في حالة SMAW، يُفضل استخدام أقطاب الهيدروجين المنخفضة الهيدروجين بسبب

• قدرات فائقة في إزالة الكبريت
• الحد الأدنى من محتوى الهيدروجين القابل للانتشار في المعدن المودع
• خصائص صلابة معززة

عندما تكون مطابقة القوة بين معدن اللحام والمعدن الأساسي مطلوبة، اختر قطبًا كهربائيًا منخفض الهيدروجين بدرجة قوة مناسبة. وعلى العكس من ذلك، إذا لم تكن مطابقة القوة ضرورية، فاختر قطبًا كهربائيًا منخفض الهيدروجين بقوة أقل قليلاً من المعدن الأساسي. من الضروري تجنب الأقطاب الكهربائية ذات مستويات قوة أعلى من المعدن الأساسي لمنع التشقق المحتمل للحام.

في السيناريوهات التي لا يكون فيها التسخين المسبق ممكنًا، يمكن استخدام أقطاب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. تنتج هذه الأقطاب الكهربائية بنية لحام أوستنيتي مع مرونة فائقة ومقاومة للتشقق، مما يقلل بشكل فعال من خطر التشقق البارد في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).

1.3 التحضير المشترك

للحد من تخفيف الكربون في معدن اللحام، من الضروري تقليل نسبة الانصهار. وعادةً ما يتم تنفيذ تصميمات الأخدود على شكل حرف U أو V لتحقيق ذلك. يعد الإعداد السليم للسطح أمرًا بالغ الأهمية؛ تأكد من التنظيف الشامل لأي بقايا زيت أو صدأ في نطاق 20 مم على جانبي الأخدود قبل اللحام.

1.4 التسخين المسبق

عند استخدام أقطاب الصلب الإنشائية، يكون التسخين المسبق إلزاميًا ويجب إجراؤه قبل اللحام. يتراوح نطاق درجة حرارة التسخين المسبق الأمثل عادةً بين 250 درجة مئوية و350 درجة مئوية، اعتمادًا على محتوى الكربون في الفولاذ وسُمك المقطع.

1.5 إدارة الممرات البينية

لعمليات اللحام متعدد الطبقات ومتعدد الممرات:

• ابدأ التمريرة الأولى باستخدام قطب كهربائي صغير القطر بإعدادات تيار منخفضة.
• ضع قطعة العمل من أجل اللحام شبه العمودي أو استخدم تقنية النسيج مع القطب الكهربائي لضمان تسخين سريع وموحد لمنطقة HAZ بأكملها.
• يجمع هذا النهج بفعالية بين التسخين المسبق والاحتفاظ بالحرارة، مما يعزز تطور البنية المجهرية الأكثر ملاءمة في اللحام ومنطقة اللحام الوعائية.

1.6 المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT)

بعد اللحام مباشرة، قم بإخضاع قطعة العمل لعملية التلدين لتخفيف الضغط:

• ضع المكوِّن في فرن تسخين خاضع للتحكم.
• الحفاظ على درجة حرارة 650 درجة مئوية لمدة تحددها سماكة المقطع.
• تقلل هذه العملية بشكل فعال من الإجهادات المتبقية وتعزز البنية المجهرية وتحسن الخواص الميكانيكية الكلية للمفصل الملحوم.

2. عيوب اللحام في الفولاذ عالي الكربون والتدابير الوقائية

يتسم الفولاذ عالي الكربون بميل قوي إلى التصلب، مما يجعله عرضة لكل من الشقوق الساخنة والشقوق الباردة أثناء اللحام.

2.1 تدابير الوقاية من التشققات الحرارية

(1) التحكم في التركيب الكيميائي للحام

يعد التحكم الصارم في محتوى الكبريت والفوسفور أمرًا بالغ الأهمية، حيث يمكن أن تزيد هذه العناصر بشكل كبير من قابلية التكسير الساخن. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تؤدي زيادة محتوى المنجنيز ضمن الحدود المحددة إلى تحسين البنية المجهرية للحام وتعزيز الليونة وتقليل ميول الفصل. بالنسبة للفولاذ عالي القوة، ضع في اعتبارك عناصر السبائك الدقيقة مثل النيوبيوم أو الفاناديوم لتحسين بنية الحبيبات وتحسين مقاومة التشقق.

(2) التحسين الأمثل لشكل مقطع اللحام

يجب التحكم في نسبة العرض إلى الارتفاع للحام (نسبة العمق إلى العرض) بعناية، مع الحفاظ عادةً على قيمة تتراوح بين 0.8 و1.2. يساعد هذا النطاق على تقليل فصل خط الوسط مع ضمان الاختراق الكافي. بالنسبة للمقاطع السميكة، ضع في اعتبارك استخدام تقنيات اللحام ذات الفجوة الضيقة لتحقيق نسب العرض إلى الارتفاع المثلى وتقليل الضغوط المتبقية.

(3) إدارة صلابة اللحام (3)

بالنسبة للحامات عالية الصلابة، قم بتنفيذ استراتيجية لحام شاملة:

• حدد معلمات اللحام المناسبة، بما في ذلك التيار، والجهد، وسرعة الحركة، للتحكم في مدخلات الحرارة.
• صمم تسلسل لحام مثالي، مثل اللحام الخلفي أو اللحام بالكتلة، لتوزيع الحرارة بالتساوي وتقليل التقييد.
• اختر اتجاهات اللحام التي تسمح بتخفيف الضغط، وعادةً ما يتم الانتقال من المناطق ذات التقييد العالي إلى المناطق ذات التقييد المنخفض.

(4) تقنيات الإدارة الحرارية

تنفيذ الإدارة الحرارية المستهدفة:

• قم بتسخين المادة الأساسية إلى درجة حرارة تتراوح عادةً بين 100 درجة مئوية و300 درجة مئوية، اعتمادًا على سُمك المادة وتركيبها. وهذا يقلل من معدلات التبريد وانتشار الهيدروجين.
• التحكم في درجة الحرارة البينية للحفاظ على ظروف حرارية متسقة خلال اللحامات متعددة الممرات.
• قم بتطبيق المعالجة الحرارية بعد اللحام أو تدابير التبريد البطيء، مثل استخدام البطانيات العازلة، للسماح بتخفيف الضغط وتقليل خطر التشقق البارد.

(5) تحسين تركيبة القطب الكهربائي والتدفق الكهربائي

زيادة مؤشر قاعدية الأقطاب الكهربائية أو التدفقات إلى أعلى من 1.5 عادةً. هذا:

• يقلل من إمكانات الأكسجين في حوض اللحام، مما يقلل من تكوين الأكسيد.
• يعزز إزالة الشوائب مثل الكبريت والفوسفور.
• يحسن من قدرة معدن اللحام على امتصاص مزيلات الأكسدة، مما يقلل من المسامية ويعزز الخواص الميكانيكية.

2.2 تدابير الوقاية من التشققات الباردة

(1) التسخين المسبق والتبريد المتحكم فيه

يعد التسخين المسبق للمعدن الأساسي قبل اللحام وتنفيذ التبريد المتحكم فيه بعد اللحام استراتيجيات حاسمة للتخفيف من التشقق البارد. يقلل التسخين المسبق من معدل التبريد، مما يقلل من تكوين البنى المجهرية الهشة في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ). يسمح التبريد المتحكم فيه، الذي يتم تحقيقه غالبًا من خلال استخدام البطانيات الحرارية أو الأفران، بتخفيض درجة الحرارة تدريجيًا، مما يعزز انتشار الهيدروجين خارج معدن اللحام ومنطقة HAZ. وتعتمد درجة الحرارة المثلى للتسخين المسبق ومعدل التبريد على عوامل مثل تركيب المواد وسُمك المقطع ومحتوى الهيدروجين في المواد الاستهلاكية.

(2) اختيار بارامترات اللحام المناسبة

يعد اختيار معلمات اللحام المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لمنع التشقق البارد. ويشمل ذلك اختيار تيار اللحام الصحيح، والجهد، وسرعة الحركة، ومدخلات الحرارة. تؤدي المدخلات الحرارية المنخفضة عمومًا إلى معدلات تبريد أسرع، مما يزيد من خطر التشقق البارد. وعلى العكس من ذلك، يمكن أن تؤدي المدخلات الحرارية العالية بشكل مفرط إلى خشونة الحبيبات وانخفاض الصلابة. يمكن لتقنيات اللحام النبضي أن تقدم مزايا في التحكم في مدخلات الحرارة ومعدلات التبريد، خاصةً بالنسبة للمواد الحساسة.

(3) تنفيذ التجميع السليم وتسلسل اللحام

إن التجميع المصمم جيدًا وتسلسل اللحام يقلل بشكل كبير من إجهادات التقييد في الوصلات الملحومة، مما يحسن حالة الإجهاد الكلية للحام. يمكن لتقنيات مثل اللحام بالخطوة الخلفية أو اللحام التخطي أو استخدام تسلسلات اللحام المتوازن توزيع الحرارة بشكل متساوٍ وتقليل التشوه. يمكن أن تكون النمذجة ثلاثية الأبعاد وبرامج محاكاة اللحام أدوات قيمة في تحسين هذه التسلسلات للهياكل المعقدة.

(4) الاختيار المناسب للمواد الاستهلاكية للحام والتعامل معها

يلعب اختيار المواد الاستهلاكية للحام دورًا حيويًا في منع التشققات الباردة. يفضل استخدام الأقطاب الكهربائية منخفضة الهيدروجين (على سبيل المثال، E7018 للصلب) للمواد سريعة التأثر. التخزين والمناولة والتحضير المناسبين للمواد الاستهلاكية مهمان بنفس القدر. يجب تخزين قضبان اللحام والتدفقات في بيئات خاضعة للرقابة وخبزها وفقًا لمواصفات الشركة المصنعة مباشرة قبل الاستخدام لتقليل امتصاص الرطوبة. بالنسبة للأسلاك ذات التدفق والأسلاك ذات التدفق المعدني، يعد اختيار خليط غاز التدريع المناسب أمرًا بالغ الأهمية أيضًا.

(5) الإعداد الشامل للسطح

يعد الإعداد الدقيق للسطح أمرًا ضروريًا للحد من خطر التشقق البارد. وهذا لا يتضمن فقط إزالة الملوثات المرئية مثل الماء والصدأ والزيت، ولكن أيضًا التخلص من مصادر الهيدروجين الأقل وضوحًا مثل قشور الطواحين والطلاء والبقايا العضوية. يجب استخدام تقنيات مثل الطحن أو التنظيف بالفرشاة السلكية أو السفع الكاشط، يليها التنظيف بالمذيبات المناسبة إذا لزم الأمر. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، يمكن التحقق من نظافة السطح باستخدام طرق مثل اختبار كسر الماء.

(6) المعالجة بنزع الهيدروجين

يعد تنفيذ معالجة إزالة الهيدروجين مباشرة قبل اللحام إجراءً فعالاً لتقليل محتوى الهيدروجين في منطقة اللحام. ويمكن أن يتضمن ذلك التسخين المسبق الممتد أو استخدام تقنيات تسخين متخصصة مثل التسخين بالحث. يجب التحكم في درجة حرارة المعالجة ومدتها بعناية بناءً على خصائص المادة وسماكتها لضمان إزالة الهيدروجين بفعالية دون التأثير سلبًا على البنية المجهرية للمعدن الأساسي.

(7) المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT)

تُعد المعالجة الحرارية بعد اللحام، بما في ذلك التلدين لتخفيف الإجهاد، خطوة حاسمة في منع التشقق البارد المتأخر. تخدم المعالجة الحرارية بعد اللحام PWHT أغراضًا متعددة: فهي تقلل من الإجهادات المتبقية، وتعزز انتشار الهيدروجين خارج اللحام، ويمكنها تحسين البنية المجهرية لمنطقة HAZ ومعدن اللحام. يجب أن تكون معلمات PWHT المحددة (درجة الحرارة، ووقت الاحتفاظ، ومعدل التبريد) مصممة خصيصًا حسب متطلبات المواد والمفصل الملحوم. بالنسبة للهياكل الكبيرة، يمكن استخدام تقنيات PWHT المحلية باستخدام الحث أو التسخين بالمقاومة عندما تكون المعالجة الكاملة للفرن غير عملية.