هل تساءلت يومًا ما عن كيفية لحام أنواع مختلفة من الفولاذ المقاوم للصدأ بفعالية؟ تتعمق هذه المقالة في طرق اللحام المتخصصة للفولاذ المقاوم للصدأ المارتنسيتي والمزدوج، وتوضح بالتفصيل التحديات والحلول الخاصة بكل نوع. من خلال استكشاف تقنيات التسخين المسبق، واختيار المواد، ومعالجات ما بعد اللحام، ستتعلم كيفية تحقيق لحامات قوية ومتينة مع تقليل المخاطر مثل التشقق البارد والتقصف. يوفر هذا الدليل رؤى مهمة لأي شخص يتطلع إلى إتقان الفروق الدقيقة في لحام هذه المواد المعقدة.
يُعد الفولاذ المارتنسيتي غير القابل للصدأ فئة فريدة من السبائك الحديدية التي تتميز ببنية بلورية مارتينسيتية في درجة حرارة الغرفة. وتنتج هذه البنية المجهرية من التبريد السريع (التبريد) من مرحلة الأوستينيت، مما يخلق بنية صلبة وقابلة للاستقرار. السمة المميزة للفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ هي قدرته على الخضوع لتغييرات كبيرة في الخواص الميكانيكية من خلال عمليات المعالجة الحرارية.
تشتهر هذه السبائك بقابليتها للتصلب، والتي يتم تحقيقها من خلال دورة معالجة حرارية يتم التحكم فيها بعناية من خلال المعالجة الحرارية التي تشمل التصلب والتبريد والتبريد. تسمح هذه العملية بتكييف الخصائص مثل الصلابة والقوة والمتانة لتلبية متطلبات الاستخدام المحددة.
يحتوي الفولاذ المارتنزيتي المقاوم للصدأ عادةً على 11.5-181 تيرابايت 3 تيرابايت من الكروم، الذي يوفر مقاومة التآكل، و0.1-1.21 تيرابايت 3 تيرابايت من الكربون، الذي يتيح تكوين المارتينسيت ويساهم في التصلب. قد تشتمل بعض الدرجات أيضًا على كميات صغيرة من النيكل أو الموليبدينوم أو الفاناديوم لتعزيز خصائص معينة.
تشمل الدرجات الشائعة من الفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ ما يلي:
قراءة ذات صلة: درجات الفولاذ المقاوم للصدأ
يمكن لحام الفولاذ المرتنزيتي غير القابل للصدأ باستخدام تقنيات لحام القوس الكهربائي المختلفة، حيث يقدم كل منها مزايا محددة اعتمادًا على التطبيق والنتائج المرجوة.
لا يزال اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW)، والمعروف أيضًا باسم اللحام اللاصق، هو الطريقة الأساسية نظرًا لتعدد استخداماته وفعاليته من حيث التكلفة. ومع ذلك، اكتسبت العمليات المتقدمة مثل اللحام بالقوس الغازي المعدني الغازي (GMAW) باستخدام غاز التدريع بثاني أكسيد الكربون أو اللحام بالقوس الغازي التنغستن (GTAW) باستخدام غاز التدريع المختلط بين الأرجون وثاني أكسيد الكربون أهمية كبيرة في السنوات الأخيرة. وتقلل هذه الطرق بشكل كبير من محتوى الهيدروجين في حوض اللحام، وبالتالي تقلل من خطر التشقق البارد الناجم عن الهيدروجين في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ).
وللحصول على أفضل النتائج، غالبًا ما تكون المعالجة الحرارية قبل اللحام وبعد اللحام ضرورية عند لحام الفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ. يساعد التسخين المسبق إلى 200-300 درجة مئوية (392-572 درجة فهرنهايت) على تقليل معدلات التبريد والإجهادات الحرارية، في حين أن المعالجة الحرارية بعد اللحام عند 650-750 درجة مئوية (1202-1382 درجة فهرنهايت) يمكن أن تخفف من الإجهادات المتبقية وتلطيف بنية المارتينسيت، مما يعزز الخصائص الميكانيكية للحام ومقاومة التآكل.
عند اختيار معادن الحشو، من المهم اختيار التركيبات التي تتطابق بشكل وثيق مع المعدن الأساسي أو توفر قوة مطابقة قليلاً. ويفضل استخدام الأقطاب الكهربائية منخفضة الهيدروجين (E410 أو E410NiMo) في عملية SMAW، بينما أسلاك ER410 أو ER410NiMo مناسبة لعمليات GMAW وGTAW.
كما تُظهر التقنيات الناشئة مثل اللحام بأشعة الليزر (LBW) واللحام بالحزمة الإلكترونية (EBW) نتائج واعدة لربط الفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ، مما يوفر دقة عالية وأقل قدر من الحرارة المدخلة، وهو ما يمكن أن يكون مفيدًا للمقاطع الرقيقة أو المكونات الحساسة للحرارة.
بشكل عام، عندما تكون هناك حاجة إلى قوة أعلى في اللحام، فإن Cr13 المارتنسيتي لحام الفولاذ المقاوم للصدأ يتم استخدام قضبان وأسلاك لجعل التركيب الكيميائي لمعدن اللحام مشابهًا لمعدن القاعدة، ولكن هذا يزيد من احتمالية التشقق البارد.
الاعتبارات:
a. التسخين المسبق ضروري قبل اللحام ويجب ألا تتجاوز درجة الحرارة 450 درجة مئوية لمنع التقصف عند 475 درجة مئوية.
يجب إجراء معالجة حرارية بعد اللحام.
وبمجرد أن تبرد درجة الحرارة إلى 150-200 درجة مئوية، يجب إجراء معالجة حرارية بعد اللحام لمدة ساعتين للسماح بتحويل جميع أجزاء الأوستينيت إلى مارتينسايت، متبوعًا بالتقسية في درجة حرارة عالية حيث ترتفع درجة الحرارة إلى 730-790 درجة مئوية.
يجب أن يكون وقت التثبيت 10 دقائق لكل 1 مم من سُمك اللوحة، على ألا يقل عن ساعتين، وأخيرًا يجب تبريدها بالهواء.
b. لمنع التشقق، يجب أن يكون محتوى S وP في قضبان وأسلاك اللحام أقل من 0.015%، ويجب ألا يزيد محتوى Si عن 0.3%.
يمكن أن تتسبب الزيادة في محتوى Si في تكوين فريت أولي خشن، مما يقلل من مرونة المفصل.
إن محتوى الكربون يجب أن يكون عادةً أقل من المعدن الأساسي، مما قد يقلل من صلابته.
يتميز معدن اللحام من الفولاذ الأوستنيتي من الكروم والنيكل باللدونة العالية، والتي يمكن أن تخفف من الإجهاد الناتج أثناء التحول المارتنسيتي في المنطقة المتأثرة بالحرارة.
بالإضافة إلى ذلك، فإن اللحامات المصنوعة من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ من نوع Cr Ni تتميز بقابلية ذوبان عالية للهيدروجين، مما يقلل من انتشار الهيدروجين من معدن اللحام إلى المنطقة المتأثرة بالحرارة ويمنع بشكل فعال تشققات باردةوبالتالي فإن التسخين المسبق ليس ضروريًا.
ومع ذلك، فإن قوة اللحام منخفضة نسبيًا ولا يمكن تعزيزها من خلال المعالجة الحرارية بعد اللحام.
يحتوي الفولاذ المارتنزيتي المقاوم للصدأ على نسبة عالية من الكروم، مما يزيد بشكل كبير من قدرته على التصلب.
بغض النظر عن حالتها الأولية قبل اللحام، يؤدي اللحام دائمًا إلى تكوين مارتينسايت بالقرب من خط التماس.
ومع زيادة ميل التصلب، تصبح الوصلة أكثر عرضة للتشقق البارد، خاصةً عند وجود الهيدروجين. في مثل هذه الظروف، يكون الفولاذ المارتنسيتي غير القابل للصدأ المارتنسيتي أيضًا عرضة لتكوين التشقق المتأخر الخطير الناجم عن الهيدروجين.
Mإجراءات التخفيف:
الفولاذ المرتنزيتي غير القابل للصدأ، وخاصةً الفولاذ الذي يحتوي على مستويات أعلى من العناصر المكونة للفريت لديه ميل أعلى لنمو الحبيبات.
يمكن أن يؤدي معدل التبريد البطيء إلى تكوين الفريت الخشن والكربيد في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة (HAZ)، في حين أن معدل التبريد السريع يمكن أن يسبب تصلبًا وتكوين المارتينسيت الخشن في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة (HAZ).
تقلل هذه الهياكل الخشنة من مرونة وصلابة منطقة HAZ للفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ، مما يجعله هشًا.
التدابير المضادة:
يعد التسخين المسبق قبل اللحام تقنية حاسمة لمنع التشققات الباردة وضمان السلامة الهيكلية للحام. وتقلل هذه العملية من معدل التبريد في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) وتقلل من الإجهادات المتبقية، وبالتالي تقلل من خطر التشقق الناتج عن الهيدروجين.
بالنسبة للفولاذ الذي يتراوح محتواه من الكربون بين 0.1% إلى 0.2%، تتراوح درجة حرارة التسخين الموصى بها عادةً من 200 درجة مئوية إلى 260 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت إلى 500 درجة فهرنهايت). يعد نطاق درجة الحرارة هذا كافيًا لطرد الرطوبة وتقليل التدرج الحراري بين اللحام والمعدن الأساسي.
وغالبًا ما يتطلب الفولاذ عالي القوة، وخاصةً الفولاذ ذو قوة الخضوع التي تتجاوز 690 ميجا باسكال (100 كيلو باسكال)، درجات حرارة أعلى للتسخين المسبق. بالنسبة لهذه المواد، يعد التسخين المسبق إلى درجات حرارة تتراوح بين 400 درجة مئوية إلى 450 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت إلى 842 درجة فهرنهايت) أمرًا شائعًا. يساعد هذا النطاق المرتفع من درجات الحرارة على تقليل معدلات التبريد بشكل أكبر وإدارة تكوين البنى المجهرية الصلبة والهشة في منطقة HAZ.
من المهم ملاحظة أن درجة الحرارة المثلى للتسخين المسبق لا تعتمد فقط على محتوى الكربون ولكن أيضًا على عناصر السبائك الأخرى وسُمك المقطع ودرجة الحرارة المحيطة وعملية اللحام المحددة المستخدمة. يجب على مهندسي اللحام الرجوع إلى المعايير ذات الصلة (مثل AWS D1.1 أو ISO 13916) وإجراء الحسابات اللازمة (على سبيل المثال، مكافئ الكربون) لتحديد نظام التسخين المسبق الأنسب لكل تطبيق.
يُعد التبريد بعد اللحام خطوة حاسمة في عملية اللحام، خاصةً بالنسبة للفولاذ عالي القوة والأقسام السميكة. يجب ألا يتم تسخين اللحام مباشرةً من درجة حرارة اللحام إلى درجة حرارة التقسية، حيث أن الأوستينيت المتكون أثناء اللحام قد لا يكون قد تحول بالكامل.
يمكن أن يؤدي التسخين والتلطيف الفوري بعد اللحام إلى العديد من الآثار الضارة:
تقلل هذه التغييرات في البنية المجهرية بشكل كبير من الصلابة والخصائص الميكانيكية الكلية للحام.
للتخفيف من حدة هذه المشاكل، من الضروري إجراء عملية تبريد خاضعة للرقابة:
1. للحامات منخفضة القوة:
2. للحامات عالية القوة والسميكة:
تضمن عملية التبريد المضبوطة هذه ما يلي:
قد يختلف معدل التبريد المحدد ودرجات حرارة التثبيت الوسيطة حسب تركيبة المادة وسُمك المقطع والخصائص الميكانيكية المطلوبة. من الضروري اتباع مواصفات إجراء اللحام (WPS) أو استشارة خبراء المعادن للحصول على أفضل النتائج.
في بعض الحالات، قد يتم استخدام تقنيات تبريد متقدمة مثل التبريد بالهواء القسري أو حتى التبريد بالتبريد، ولكن يجب التحكم فيها بعناية لتجنب حدوث مشاكل جديدة مثل التشويه أو التشقق.
تُعد المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT) عملية بالغة الأهمية مصممة لتحسين الخواص الميكانيكية والسلامة الهيكلية للمكونات الملحومة. وتتمثل أهدافها الرئيسية في تقليل الصلابة في اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، وتعزيز الليونة والمتانة، وتخفيف الضغوط المتبقية في اللحام.
وعادةً ما ينطوي المعالجة بالحرارة العالية جداً على عمليتين رئيسيتين: التقسية والتلدين الكامل. بالنسبة للتلطيف فإن نطاق درجة الحرارة الموصى به هو 650-750 درجة مئوية (1202-1382 درجة فهرنهايت). يجب الاحتفاظ بالمكوّن عند درجة الحرارة هذه لمدة ساعة واحدة تقريبًا، يليها التبريد بالهواء الخاضع للتحكم. تخفف هذه العملية بشكل فعال من الضغوط الداخلية مع الحفاظ على التوازن بين القوة والليونة.
في الحالات التي تتطلب تصنيع آلي بعد اللحام، يمكن استخدام التلدين الكامل لتحقيق الحد الأدنى من الصلابة وأقصى قدر من القابلية للتشغيل الآلي. تتضمن عملية التلدين تسخين اللحام إلى درجة حرارة تتراوح بين 830-880 درجة مئوية (1526-1616 درجة فهرنهايت) والحفاظ على درجة الحرارة هذه لمدة ساعتين. بعد ذلك، يخضع المكوّن لعملية تبريد بطيئة في الفرن إلى 595 درجة مئوية (1103 درجة فهرنهايت)، يليها تبريد الهواء إلى درجة حرارة الغرفة. يعد معدل التبريد المتحكم فيه هذا أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق البنية المجهرية والخصائص المطلوبة.
من المهم ملاحظة أن المعلمات المحددة للمعالجة الحرارية الفائقة قد تختلف اعتمادًا على عوامل مثل تركيبة المادة وسُمك المقطع ومتطلبات الخدمة. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، يُنصح بالرجوع إلى معايير الصناعة ذات الصلة (على سبيل المثال، ASME BPVC القسم التاسع) وإجراء اختبار ميكانيكي للتحقق من فعالية عملية المعالجة الحرارية.
يُعد اختيار أقطاب اللحام للفولاذ المارتنسيتي المقاوم للصدأ أمرًا بالغ الأهمية وينقسم إلى فئتين رئيسيتين: أقطاب الفولاذ المقاوم للصدأ المصنوعة من الكروم والنيكل وأقطاب الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ المصنوعة من الكروم والنيكل. ويؤثر هذا الاختيار بشكل كبير على الخواص الميكانيكية للحام ومقاومة التآكل والسلامة العامة.
يشيع استخدام أقطاب الكروم الفولاذية المقاومة للصدأ، مثل E410-15 (AWS A5.4) أو E410-16. وتوفر هذه الأقطاب الكهربائية، التي تتوافق مع المعايير الصينية E1-13-15 (G207) وE1-13-16 (G202) على التوالي، قوة جيدة ومقاومة معتدلة للتآكل. وهي مناسبة بشكل خاص عند الرغبة في مطابقة التركيب المعدني الأساسي.
بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب ليونة معززة ومقاومة للتآكل، يفضل استخدام أقطاب الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي المصنوعة من الكروم والنيكل. تشمل الخيارات الشائعة ما يلي:
تحتوي أقطاب الدرجة "L" (على سبيل المثال، 308L، 316L) على محتوى أقل من الكربون، مما يقلل من خطر التحسس ويحسن مقاومة التآكل بين الخلايا الحبيبية في الخدمة في درجات الحرارة العالية.
يعتمد الاختيار بين هذه الأقطاب على عوامل مثل:
يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج بمزايا وعيوب كل من الفولاذ الأوستنيتي والفولاذ الحديدي، ويقلل من نقاط ضعف كل منهما.
(1) خطر التشقق الساخن أقل بكثير مقارنةً بالفولاذ الأوستنيتي.
(2) خطر التشقق على البارد أقل بكثير مقارنةً بالسبائك المنخفضة العادية فولاذ عالي القوة.
(3) بعد التبريد في المنطقة المتأثرة بالحرارة، يتم الاحتفاظ بكمية أكبر من الفريتة، مما يزيد من خطر التآكل والتشقق الناجم عن الهيدروجين (التقصف).
(4) إن وصلة ملحومة من الفولاذ المقاوم للصدأ على الوجهين عرضة لترسيب الطور δ، وهو مركب بين فلزي من الكروم والحديد.
وتتراوح درجة حرارة تكوينه بين 600 درجة مئوية و1000 درجة مئوية ويمكن أن تختلف بناءً على درجة الفولاذ المحددة.
الجدول 1 نطاق درجة حرارة معالجة المحلول، المرحلة δ و 475 ℃ هشاشة الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج
| المحتوى | 2205 فولاذ ثنائي الطور 2205 و2507، إلخ | الفولاذ المزدوج الفائق 00Cr25Ni25Ni7Mo3CuN |
| درجة حرارة المحلول الصلب/℃ | 1040 | 1025~1100 |
| درجة حرارة التقشير عند تسخينها في الهواء/℃ | 1000 | 1000 |
| الطور δ درجة حرارة التكوين/℃ | 600~1000 | 600~1000 |
| 475 درجة مئوية درجة حرارة التقصف/℃ | 300~525 | 300~525 |
إن عملية اللحام بالنسبة للفولاذ المزدوج المقاوم للصدأ على الوجهين يتضمن لحام TIG أولاً، يليه لحام القوس الكهربائي.
عند استخدام اللحام بالقوس المغمور، يجب مراقبة مدخلات الحرارة ودرجة الحرارة البينية عن كثب ويجب تجنب التخفيف المفرط.
ملاحظة:
عند استخدام لحام TIG، يجب إضافة 1-2% النيتروجين إلى غاز التدريع (إضافة أكثر من 2% نيتروجين قد يزيد من المسامية ويسبب عدم الاستقرار في القوس). تساعد إضافة النيتروجين على امتصاص النيتروجين من معدن اللحام، مما يمنع فقدان النيتروجين من خلال الانتشار في منطقة سطح اللحام، ويساهم في استقرار طور الأوستينيت في وصلة ملحومة.
يتم اختيار مواد اللحام التي تحتوي على مستويات أعلى من العناصر المكونة للأوستينيت (مثل Ni، N) لتشجيع تحول الفريت في اللحام إلى أوستينيت.
يشيع استخدام القطب الكهربائي أو سلك اللحام 22.8.3L في لحام الفولاذ 2205، بينما يستخدم القطب الكهربائي 25.10.4L أو 25.10.4R في لحام الفولاذ 2507.
الجدول 2 مواد اللحام و FN من الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج النموذجي
| المعدن الأساسي | مواد اللحام | التركيب الكيميائي | الاسم | FN （%） | ||||||||
| C | سي | من | كر | ني | مو | N | النحاس | W | ||||
| 2507 | أسلاك اللحام | 0.02 | 0.3 | 0.5 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | 2507/P100 | 40~100 |
| 0.02 | 25 | 10 | 4 | 0.25 | - | - | سانديفيك 25.10.4 لتر | |||||
| قلب اللحام | 0.03 | 0.5 | 1 | 25 | 9.5 | 3.6 | 0.22 | - | - | أفيستا 2507/ص100 | ||
| 0.04 | 25 | 10.5 | 4 | 0.25 | - | - | سانديفيك 25.10.4 لتر | |||||
| زيرون 100 | سلك لحامأسلاك اللحامقلب اللحام | 0.04 | 1.2 | 2.5 | 25 | 10 | 4 | 0.22 | 1 | 1 | 22.9.9.4CuWL 22.9.9.4CuWLB | 40~60 |
| 2205 | أسلاك اللحام | 0.02 | 0.5 | 1.6 | 22.5 | 8 | 3 | 0.14 | - | - | سانديفيك 22.8.3 لتر | 40~60 |
| قلب اللحام | 0.03 | 1.0 | 0.8 | 22.5 | 9.5 | 3 | 0.14 | - | - | سانديفيك 22.8.3R 22.8.3R | ||
(1) أثناء عملية اللحام، سيؤثر التحكم في طاقة اللحام، ودرجة الحرارة البينية، والتسخين المسبق، وسمك المادة على معدل التبريد، وبالتالي سيؤثر على هيكل وخصائص اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة.
لتحقيق الخصائص المثلى لمعدن اللحام، يوصى بالتحكم في درجة الحرارة القصوى للتجاوز عند 100 درجة مئوية. إذا كانت المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية، يمكن رفع قيود درجة الحرارة البينية.
(2) يفضل تجنب المعالجة الحرارية بعد اللحام للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج.
إذا كانت المعالجة الحرارية بعد اللحام ضرورية, التبريد بالماء هي الطريقة المستخدمة. أثناء المعالجة الحرارية، يجب أن يكون التسخين سريعاً، ويجب أن يكون وقت الثبات عند درجة حرارة المعالجة الحرارية بين 5-30 دقيقة، وهو ما يكفي لاستعادة توازن الطور.
تعتبر أكسدة المعدن مصدر قلق أثناء المعالجة الحرارية، لذلك يجب النظر في استخدام غاز خامل للحماية.
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