استكشاف تحديات لحام الفولاذ عالي الكربون
لماذا يمثل لحام الفولاذ عالي الكربون تحديًا كبيرًا؟ تتطرق هذه المقالة إلى الصعوبات الفريدة المرتبطة بهذه المادة، مثل ميلها إلى تكوين المارتينسيت الهش، مما يؤدي إلى...
كيف يمكن أن يكون لحام الفولاذ الكربوني ممارسة شائعة وتحديًا معقدًا في نفس الوقت؟ يستكشف هذا الدليل عالم لحام الفولاذ الكربوني المعقد، ويغطي أنواع الفولاذ الكربوني وقابليتها للحام وتقنيات محددة لضمان وصلات قوية وموثوقة. سيتعرف القراء على الاختلافات في لحام الفولاذ منخفض ومتوسط وعالي الكربون والاحتياطات اللازمة لتجنب عيوب اللحام الشائعة. تعمق في فهم الخطوات الحاسمة وأفضل الممارسات لنجاح لحام الفولاذ الكربوني.
1. ما هو الفولاذ الكربوني؟
يتم تصنيف الصلب إلى فئتين رئيسيتين بناءً على تركيبه الكيميائي: الصلب الكربوني وسبائك الصلب. وينقسم الفولاذ الكربوني إلى ثلاثة أنواع أخرى وفقاً لمحتواه من الكربون:
يحتوي الفولاذ منخفض الكربون، المعروف أيضاً باسم الفولاذ الطري، على أقل من 0.251 تيرابايت 3 تيرابايت من الكربون. ويتميز بـ:
تشمل التطبيقات ما يلي:
تخضع بعض أنواع الفولاذ منخفض الكربون إلى الكربنة أو غيرها من معالجات تصلب السطح لتعزيز مقاومة التآكل لتطبيقات ميكانيكية محددة.
2. الفولاذ الكربوني المتوسط
فولاذ متوسط الكربون، بمحتوى كربون يتراوح بين 0.251 تيرابايت إلى 0.601 تيرابايت إلى 0.601 تيرابايت، يوفر
الخصائص الرئيسية:
التطبيقات:
3. فولاذ عالي الكربون
يحتوي الفولاذ عالي الكربون، الذي يشار إليه غالبًا باسم فولاذ الأدوات، على 0.60% إلى 1.70% كربون. ويتميز بـ:
تطبيقات تعتمد على محتوى الكربون:
عادةً ما يتم معالجة الفولاذ عالي الكربون بالحرارة (مروي ومخفف) لتحقيق الخصائص الميكانيكية المثلى للاستخدامات المقصودة.
وتتأثر قابلية لحام الفولاذ في المقام الأول بتركيبته الكيميائية، حيث يكون محتوى الكربون هو العامل الأكثر أهمية. في حين أن عناصر السبائك الأخرى في الفولاذ يمكن أن تؤثر على اللحام، إلا أن تأثيرها أقل أهمية بشكل عام مقارنة بالكربون.
يُظهر الفولاذ منخفض الكربون (عادةً 25 مم)، أو درجات الحرارة المحيطة المنخفضة ( 0.05%)، من الضروري اتخاذ احتياطات إضافية:
يكون الفولاذ متوسط الكربون (0.25-0.60% C) أكثر عرضة للتشقق البارد أثناء اللحام. مع زيادة محتوى الكربون، ترتفع صلابة منطقة HAZ، مما يؤدي إلى زيادة احتمالية التشقق البارد وانخفاض قابلية اللحام. كما أن مستويات الكربون المرتفعة في المادة الأساسية تزيد أيضًا من محتوى الكربون في معدن اللحام، والذي يمكن أن يؤدي مع أي كبريت موجود إلى تعزيز التشقق الساخن. للتخفيف من هذه المشكلات عند لحام الفولاذ الكربوني المتوسط:
يمثل الفولاذ عالي الكربون (>0.60% C) أهم تحديات اللحام بسبب محتواه العالي من الكربون. أثناء اللحام، تتطور إجهادات حرارية كبيرة، وتصبح منطقة HAZ عرضة للتصلب والتشقق البارد، ويكون معدن اللحام عرضة للتشقق الساخن. وبالتالي، يتميز الفولاذ عالي الكربون بأقل قابلية لحام بين الفئات الثلاث. عادةً ما يتم تجنب استخدامه في الهياكل الملحومة بشكل عام، مما يقصر الاستخدامات على اللحام للإصلاح أو التصلب في المكونات المقاومة للتآكل. عندما يكون لحام الفولاذ عالي الكربون ضرورياً:
يشير الفولاذ الكربوني المتوسط إلى الفولاذ الكربوني الذي يتراوح محتواه الكربوني من 0.251 تيرابايت إلى 0.601 تيرابايت، والذي يتضمن الكربون عالي الجودة درجات الصلب الإنشائي مثل 30، و35، و45، و45، و50، و55، ورتب الصلب الكربوني المصبوب مثل ZG230-450، وZG270-500، وZG310-570، وZG340-640.
نظرًا لارتفاع محتوى الكربون في الفولاذ متوسط الكربون مقارنةً بالفولاذ منخفض الكربون، فإن قابلية اللحام تكون أقل جودة. عندما يكون الجزء الكتلي من الكربون قريبًا من 0.30% ولا يكون محتوى المنجنيز مرتفعًا، تظل قابلية اللحام جيدة، ولكن مع زيادة محتوى الكربون، تسوء قابلية اللحام تدريجيًا.
عندما يصل الجزء الكتلي من الكربون إلى حوالي 0.50%، تسوء قابلية اللحام بشكل كبير.
تتمثل المشاكل التي يمكن أن تحدث عند لحام الفولاذ الكربوني المتوسط فيما يلي:
نظرًا لارتفاع محتوى الكربون في الفولاذ، يمكن أن تنتج المنطقة المتأثرة بالحرارة بسهولة صلابة وهشاشة بنية المارتينسيت أثناء اللحام، مما يؤدي إلى حدوث تشققات باردة.
في حالة استخدام مواد لحام غير مناسبة أو عملية اللحام لم تتم صياغته بشكل صحيح، يمكن أن تحدث تشققات باردة بسهولة في اللحام.
أثناء اللحام، سوف تذوب المادة الأم عالية الكربون وتدخل الكربون في اللحام، وبالتالي زيادة محتوى الكربون في اللحام. يمكن أن يكثف الكربون من تأثير الكبريت والفوسفور في المعادن ليتسبب في حدوث تشققات ساخنة.
ولذلك، عند لحام الفولاذ الكربوني المتوسط، يمكن أن تحدث تشققات ساخنة بسهولة في اللحام. وينطبق هذا الأمر بشكل خاص عندما يكون محتوى الكبريت والفوسفور في المادة الأصلية أو مواد اللحام لا تخضع لرقابة صارمة، مما يزيد من احتمالية حدوث تشققات ساخنة.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا أن يزيد المحتوى العالي من الكربون في الفولاذ من ميل اللحام إلى إنتاج مسام غاز ثاني أكسيد الكربون.
نظرًا لميل الفولاذ الكربوني المتوسط إلى تشكيل عيوب مثل الشقوق الباردة والساخنة عند اللحام، يجب تنفيذ تدابير فنية خاصة لضمان نجاح اللحام.
يمكن استخدام طرق لحام القوس المختلفة للحام القوسي للكربون المتوسط لحام الصلب. نظرًا لأن الفولاذ الكربوني المتوسط يستخدم عادةً في إنتاج أجزاء الماكينات بدلاً من هياكل اللحام على نطاق واسع، فإن الفولاذ المحمي اللحام بالقوس الكهربائي الأكثر استخدامًا.
لمنع تكوّن الشقوق الباردة والساخنة في اللحام، تُستخدم الأقطاب الكهربائية منخفضة الهيدروجين عادةً في اللحام المحمي قوس معدني اللحام. لا تحافظ هذه الأقطاب الكهربائية على محتوى منخفض من الهيدروجين في اللحام فحسب، بل تُظهر أيضًا تأثيرات إزالة الكبريت وإزالة الفسفرة مما يعزز من مرونة اللحام وصلابته.
عندما يحتوي الفولاذ على نسبة أقل من الكربون وتكون الوصلة أقل صلابة، يمكن استخدام أقطاب الروتيل أو الأقطاب الكهربائية الأساسية. ومع ذلك، ينبغي تنفيذ تدابير تقنية صارمة، مثل تقليل نسبة الانصهار إلى الحد الأدنى، والتسخين المسبق الصارم لقطعة العمل، والتحكم في درجة حرارة الطبقة البينية.
إذا كان التسخين المسبق غير ممكن، يمكن استخدام أقطاب الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ، مثل E308L-16 (A102)، E308L-15 (A107)، E309-16 (A302)، E309-15 (A307)، E310-16 (A402)، E310-15 (A407).
التسخين المسبق هو التقنية الأكثر فعالية لمنع التشقق عند لحام الفولاذ الكربوني المتوسط. فالتسخين المسبق لا يقلل فقط من معدل تبريد الوصلة، مما يمنع تكوين المارتينسيت ولكنه يقلل أيضًا من إجهاد اللحام ويسرع انتشار الهيدروجين.
في معظم الظروف، يكون التسخين المسبق والحفاظ على درجة حرارة الطبقة البينية ضروريين.
يعتمد اختيار درجات حرارة التسخين المسبق والطبقة البينية على المكافئ الكربوني للفولاذ، وسمك المعدن الأساسي، وصلابة الهيكل، ونوع القطب الكهربائي.
يمكن تحديد درجة حرارة التسخين المسبق من خلال اختبارات اللحام، أو من خلال الصيغة التجريبية T0=550(C-0.12)+0.4δ. في هذه الصيغة، يمثل T0 درجة حرارة التسخين المسبق (℃)، ويمثل C الجزء الكتلي من الكربون في المعدن الأساسي الذي يتم لحامه (%)، ويمثل δ سمك صفيحة فولاذية (مم).
يمكن الرجوع إلى درجات حرارة التسخين المسبق والطبقات البينية للحام الفولاذ 30 و35 و45 في الجدول 1.
الجدول 1 درجة حرارة التسخين المسبق ودرجة حرارة ما بعد اللحام للكربون لحام الصلب
| درجة الفولاذ | سُمك اللحام /مم | عملية التشغيل | قضيب اللحام الفئة | ملاحظة | |
| درجة حرارة التسخين المسبق للطبقة البينية /℃ | درجة حرارة التخفيف من الإجهاد /℃ | ||||
| 30 | -25 | >50 | 600-650 | قضبان لحام من النوع غير الهيدروجيني المنخفض | 1. نطاق التسخين على جانبي الأخدود للتسخين الموضعي هو 150-200 مم 2. أثناء عملية اللحام، يمكن استخدام الطرق بالمطرقة لتقليل اللحام الإجهاد المتبقي. |
| قضيب لحام من نوع الهيدروجين المنخفض | |||||
| 35 | 25-50 | >100 | نوع منخفض الهيدروجين | ||
| >150 | نوع غير منخفض الهيدروجين | ||||
| 50-100 | >150 | نوع منخفض الهيدروجين | |||
| 45 | -100 | >200 | نوع منخفض الهيدروجين | ||
يجب أن يكون لقطعة العمل بشكل مثالي أخدود على شكل حرف U أو V لتقليل نسبة ذوبان المعدن الأساسي في اللحام. في حالة إصلاح العيوب في المسبوكات، يجب أن يكون الأخدود المحفور على شكل حرف U أو V ذو شكل خارجي أملس لتقليل كمية المعدن الأساسي الذي يذوب في اللحام.
يجب استخدام التيار المباشر للقطبية العكسية للتيار المباشر في اللحام. بالنسبة للحام متعدد الطبقات، والأقطاب الكهربائية ذات القطر الصغير، والتيار المنخفض، والبطيء سرعة اللحام يجب استخدامها لأن نسبة المعدن الأساسي الذي يذوب في الطبقة الأولى من اللحام يمكن أن تصل إلى 30%.
بعد اللحام، يجب أن تخضع قطعة العمل بشكل مثالي للمعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد على الفور. وهذا الأمر مهم بشكل خاص للحامات ذات السماكة الكبيرة والهياكل شديدة الصلابة واللحامات التي تعمل تحت أحمال ديناميكية أو صدمات.
درجة الحرارة لتخفيف الضغط التلدين بشكل عام بين 600 و650 درجة مئوية.
إذا لم يكن بالإمكان إجراء المعالجة الحرارية لتخفيف الإجهاد بعد اللحام مباشرة، فيجب إجراء المعالجة الحرارية بعد التسخين، والتي تتضمن تسخينًا أعلى قليلاً من درجة حرارة التسخين المسبق، مع مدة احتجاز تبلغ ساعة واحدة تقريبًا لكل 10 مم من السُمك.
(ط) 35 من الفولاذ والصلب الكربوني المصبوب ZG270-500
تتراوح كتلة الكربون في الفولاذ 35 من 0.32% إلى 0.39%، وفي الفولاذ الكربوني المصبوب ZG270-500 تتراوح الكتلة من 0.31% إلى 0.40%. يبلغ المكافئ الكربوني حوالي 0.45%، ومن ثم فإن قابلية اللحام لهذا نوع الفولاذ مقبولة.
ومع ذلك، في المنطقة المتأثرة بالحرارة أثناء اللحام، يكون هناك صلابة وهشاشة التركيب المارتنسيتي الذي يميل إلى التشقق. لذلك، يجب اتخاذ بعض التدابير الفنية عند لحام هذا النوع من الفولاذ.
عند استخدام اللحام بالقوس الكهربائي، إذا كان درز اللحام ذات قوة مساوية للمادة الأصلية، يمكن استخدام قضبان اللحام E5016 (J506) أو E5015 (J507). إذا لم تكن هناك حاجة إلى قضبان لحام ذات قوة مساوية للمادة الأصلية، يمكن اختيار قضبان اللحام E4316 (J426) أو E4315 (J427) أو E4303 (J422) أو E4310 (J423) وغيرها.
بالنسبة للحام القوسي المغمور، يمكن اختيار تدفقات HJ430 أو HJ431 وأسلاك H08MnA أو H10Mn2.
بالنسبة للحام الخبث، يمكن اختيار أسلاك HJ430 وHJ431 وHJ360 المتدفقة وأسلاك H10Mn2 وH08Mn2Si وH08Mn2SiA.
عند لحام الفولاذ 35 والفولاذ المصبوب ZG270-500، تكون درجة حرارة التسخين المسبق ودرجة حرارة الطبقة البينية النموذجية للأجزاء الملحومة حوالي 150 ℃. إذا كانت صلابة الأجزاء الملحومة كبيرة نسبيًا، فيجب زيادة درجة حرارة التسخين المسبق ودرجة حرارة الطبقة البينية إلى 200-250 ℃.
نطاق التسخين للتسخين الموضعي هو 150-200 مم على جانبي الأخدود.
بالنسبة للأجزاء الملحومة ذات السماكة العالية أو الصلابة العالية أو التي تعمل تحت أحمال ديناميكية أو أحمال الصدمات، يجب إجراء التلدين لتخفيف الضغط مباشرةً بعد اللحام. تكون درجة حرارة التلدين بشكل عام 600-650 ℃.
بالنسبة للأجزاء الملحومة ذات السُمك العام، يمكن استخدام التسخين اللاحق للسماح بانتشار الهيدروجين.
تتراوح درجة حرارة ما بعد التسخين بشكل عام من 200-350 درجة مئوية، ويتراوح وقت التثبيت من 2-6 ساعات، اعتمادًا على سُمك الأجزاء الملحومة.
(II) فولاذ 45 و ZG310-570 من الفولاذ الكربوني المصبوب
يتراوح الجزء الكتلي من الكربون في الفولاذ 45 من 0.421 تيرابايت إلى 0.51 تيرابايت إلى 0.51 تيرابايت إلى 0.51 تيرابايت إلى 0.501 تيرابايت إلى 0.501 تيرابايت إلى 0.501 تيرابايت إلى 0.501 تيرابايت. يبلغ المكافئ الكربوني حوالي 0.56%. هذا الصلب لديه ميل أكبر للتصلب وعرضة للتشقق، مما يجعل قدرته على اللحام ضعيفة نسبيًا.
بالنسبة للحام بالقوس الكهربائي، يجب اختيار قضبان لحام منخفضة الهيدروجين. إذا كانت هناك حاجة إلى خط لحام مساوٍ في القوة للمادة الأصلية، يمكن استخدام قضبان اللحام E5516-G (J556) أو E5515-G (J557).
إذا لم تكن هناك حاجة لدرزة لحام ذات قوة مساوية للمادة الأصلية، يمكن اختيار قضبان اللحام E4316 (J426)، E4315 (J427)، E5016 (J506)، E5015 (J507)، E4303 (J422)، E4301 (J423) وغيرها.
بالنسبة للحام القوسي المغمور، يمكن اختيار تدفقات HJ350 أو SJ101 وأسلاك H08MnMoA.
عند لحام الفولاذ 45 والفولاذ الكربوني المصبوب ZG310-570، يجب اختيار تيار لحام أصغر لتقليل نسبة الاندماج في خط اللحام وتقليل كمية الكربون المنتقل من المادة الأم إلى خط اللحام.
عند لحام هذا النوع من الفولاذ، من الأفضل تسخين القطعة بالكامل إلى درجة حرارة أعلى من 200 درجة مئوية.
بالنسبة للمفاصل على شكل حرف T، نظرًا لأن لها اتجاهات تبديد حرارة أكثر من الوصلات التناكبية؛ فإن سرعة تبريد وصلة ملحومة سيزداد، مما يزيد من الميل لإنتاج تشققات باردة.
ولذلك، يجب زيادة درجة حرارة التسخين المسبق بشكل مناسب إلى 250-400 ℃، اعتمادًا على سُمك الأجزاء الملحومة.
يجب ألا تكون درجة حرارة الطبقة البينية أقل من درجة حرارة التسخين المسبق.
بعد اللحام، يجب أن تخضع الأجزاء الملحومة على الفور لعملية التلدين لتخفيف الضغط. درجة حرارة التلدين هي 600-650 ℃.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO