لحام حديد الدكتايل بالفولاذ الطري: الطرق والمعادن الحشو والإجراءات

ينطوي لحام حديد الدكتايل بالفولاذ الطري على معالجة الخصائص المعدنية المميزة لكلتا المادتين لتحقيق وصلة سليمة ومتينة. تشمل الاعتبارات الرئيسية فهم المحتوى العالي من الكربون ومورفولوجيا الجرافيت لحديد الدكتايل مقابل البنية الحديدية للفولاذ الطري في الغالب، واختيار عمليات اللحام المناسبة (على سبيل المثال، اللحام بالليزر أو اللحام بالليزر أو اللحام بالليزر أو اللحام بالليزر)، وتنفيذ التحكم الحراري الدقيق من خلال التسخين المسبق ودرجة الحرارة البينية والمعالجة الحرارية بعد اللحام. يقلل التصميم السليم للمفصل، واختيار معادن الحشو القائمة على النيكل، والالتزام بالإجراءات المعمول بها من مخاطر التشقق ويضمن السلامة الميكانيكية. تتحقق تقنيات الفحص مثل الفحص البصري واختبار الصبغة المخترقة وقياسات الصلابة من جودة اللحام.

1. الأساسيات والتحديات المعدنية

1.1 الاختلافات في البنية المجهرية

يحتوي حديد الدكتايل على عقيدات الجرافيت الكروية داخل مصفوفة حديدية أو مصفوفة لؤلؤية، مما يساهم في قوته وصلابته الممتازة ولكنه يجعله أيضًا عرضة للتشقق إذا تم لحامه بشكل غير صحيح. على النقيض من ذلك، يحتوي الفولاذ الطري على بنية حديدية متجانسة مع الحد الأدنى من محتوى الكربون، مما يوفر سلوكًا مطيلًا متوقعًا تحت الحرارة.

1.2 عدم تطابق التمدد الحراري

ويختلف معامل التمدد الحراري لحديد الدكتايل (حوالي 11.7 ميكرومتر/م-درجة مئوية) عن معامل التمدد الحراري للحديد الطري (حوالي 12 ميكرومتر/م-درجة مئوية)، مما يخلق إجهادات متبقية في واجهة اللحام إذا لم يتم التحكم في تبريد اللحام.

1.3 هجرة الكربون واضمحلال الجرافيت

أثناء عملية اللحام، يمكن أن ينتقل الكربون من حديد الدكتايل إلى معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، مما يشكل كربيدات صلبة أو مناطق منزوعة الكربنة التي تزيد من مخاطر الصلابة والتقصف. إن منع الانتشار المفرط للكربون من خلال اختيار الحشو المناسب والإدارة الحرارية أمر بالغ الأهمية لسلامة الوصلة.

1.4 قابلية التشقق

إن البنية المجهرية لحديد الدكتايل تجعله عرضة للتشقق الساخن في منطقة HAZ إذا حدث تبريد سريع. يساعد التسخين المسبق المتحكم به (عادةً 300-550 درجة مئوية) والتبريد البطيء بعد اللحام بمعدلات تتراوح بين 12-25 درجة مئوية/ساعة على تخفيف الإجهادات الحرارية وتقليل التشقق.

2. عمليات اللحام وملاءمتها

2.1 لحام القوس المعدني المحمي (SMAW)

يوصى على نطاق واسع باستخدام SMAW مع أقطاب النيكل والحديد مثل ENiFe-CI أو Ni-Rod 55 في وصلات حديد الدكتايل إلى الفولاذ؛ حيث تشجع هذه المواد الاستهلاكية عقيدات الجرافيت على التكون في معدن اللحام، مما يحسن من قابلية التشغيل الآلي ويقلل من إجهادات الانكماش. يمكن أيضًا استخدام قضبان النيكل العالي (على سبيل المثال، سبائك Inco Alloys Ni-Rod 55) باردة مع "طريقة اللمس" - وضع حبات اللحام القصيرة والسماح لها بالتبريد حتى تصل إلى درجة حرارة اللمس قبل الاستمرار - لتقليل مدخلات الحرارة والإجهاد.

2.2 اللحام بقوس التنغستن الغازي (GTAW/TIG)

يوفر GTAW تحكمًا فائقًا في الحرارة ولحامات أنظف، مما يجعله مناسبًا للمقاطع الرقيقة أو حيثما يكون مظهر اللحام الدقيق مطلوبًا. عادةً ما يتم اختيار حشوات النيكل النقي (ERNi-CI) أو حشوات النيكل والحديد مع 55% Ni لمطابقة التخفيفات وإدارة تخفيف الكربون من المعادن الأساسية.

2.3 لحام القوس المحفور بالتدفق (FCAW)

تجمع الأسلاك المتخصصة ذات التدفق المتدفق مثل Ni-Rod FC55 بين معدلات الترسيب العالية والمزايا المعدنية لمعدن اللحام المصنوع من النيكل والحديد، مما يوفر إنتاجية ومفاصل مقاومة للتشقق.

2.4 اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW)

FSW هي طريقة ناشئة في الحالة الصلبة تولد الحرارة من خلال الاحتكاك دون ذوبان المعادن الأساسية، مما يؤدي إلى ربط حديد الدكتايل بالفولاذ الطري بفعالية مع تقليل التقصف الوعائي والإجهادات المتبقية.

2.5 اللحام بالليزر

يمكن أن يؤدي اللحام بالليزر عالي الطاقة إلى توطين مدخلات الحرارة وتحقيق مناطق لحام ضيقة، ولكن التحديات تشمل التحكم في كيمياء حوض الذوبان وإدارة هجرة الكربون بمعدلات تبريد عالية للغاية.

3. إجراءات وبارامترات اللحام

3.1 التصميم المشترك والتركيب

• الوصلات التناكبية: تُستخدم لتجميعات الأنابيب أو الألواح؛ تتطلب محاذاة دقيقة وفتحات جذرية من 1.5-3 مم للعمليات المحمية بالغاز.

• وصلات الفيليه: شائع في إصلاح الشفة؛ يجب أن تكون أطوال الأرجل حوالي 6-10 مم، مع حواف مشطوفة لاستيعاب معدن الحشو.

3.2 التسخين المسبق

يتم التسخين المسبق إلى 300-550 درجة مئوية لإبطاء التبريد، وتعزيز الجرافيت في منطقة الخطر، وتقليل خطر التشقق في خط الوسط. يعد التسخين المنتظم باستخدام لفائف الحث أو الشعلة أو الفرن أمرًا بالغ الأهمية للتوزيع الحراري المتسق.

3.3 التحكم في درجة الحرارة البينية

الحفاظ على درجات حرارة بينية بين 150-300 درجة مئوية. استخدم الطباشير الملونة التي تشير إلى درجة الحرارة أو موازين الحرارة بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة منطقة اللحام قبل إضافة الممرات اللاحقة.

3.4 المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT)

يتم رفع درجة الحرارة إلى 350-450 درجة مئوية بعد اللحام وتثبيتها لمدة ساعة واحدة لكل بوصة من السُمك، ثم تبريدها بمعدل مضبوط يتراوح بين 10-25 درجة مئوية/ساعة إلى درجة حرارة الغرفة. يخفف ذلك من الإجهادات المتبقية ويتجنب التحولات المارتنسيتية.

3.5 معلمات اللحام

4. الفحص والاختبار

4.1 الفحص البصري والاختراقي

يبرز الفحص البصري لتحديد الشقوق السطحية أو الشقوق السفلية أو الاندماج غير الكامل متبوعًا باختبار الصبغة المخترقة الانقطاعات السطحية الدقيقة.

4.2 اختبار الصلابة

تنتقل الصلابة من خط اللحام المركزي إلى المعادن الأساسية للكشف عن المناطق الهشة التي تتجاوز 350 HV، والتي يمكن أن تشير إلى معالجة حرارية غير مناسبة أو التقاط كربون زائد.

4.3 الاختبار الإشعاعي والموجات فوق الصوتية

يكشف التصوير بالأشعة عن المسامية الداخلية أو شوائب الخبث، بينما يمكن للاختبار بالموجات فوق الصوتية ذات المصفوفة المرحلية (PAUT) الكشف عن العيوب المستوية ونقص الترابط في منطقة HAZ.

4.4 الاختبار الميكانيكي

اختبارات الشد والانحناء والصدمات على القسائم الملحومة للتحقق من صلابة الوصلة وليونتها، مع معايير القبول وفقًا لمعايير ASME IX أو AWS D10.11.

5. أفضل الممارسات والتطبيقات

5.1 التطبيقات الصناعية

• إصلاح مكونات الحديد الزهر: تستفيد أجسام الصمامات وأغلفة الماكينات الثقيلة وأغلفة المضخات من معدن اللحام القائم على النيكل بسبب التمدد الحراري المماثل وتكوين الجرافيت.

• لحام الأنابيب والشفة: يتطلب اللحام الميداني لأنابيب المياه المصنوعة من حديد الدكتايل بالصمامات والصنابير الفولاذية تجميعات وصلات ميكانيكية وحماية دقيقة من التآكل.

5.2 الحماية من التآكل بعد اللحام

بعد اللحام، ضع طلاءات البيتومين أو الإيبوكسي خارجيًا، وأعد وضع بطانة أسمنتية من الملاط الأسمنتي داخليًا لخدمة المياه، باتباع إرشادات ANSI/AWWA C104/A21.4 وC105/A21.5.

5.3 مقارنة بين الطرق

الأسئلة الشائعة (FAQs)

س1: ما هو معدن الحشو الأفضل للحام حديد الدكتايل بالفولاذ الطري؟

A1: إن معادن الحشو المثالية للحام الحديد المطيل إلى الفولاذ الطري هي المواد الاستهلاكية القائمة على النيكل مثل ENiFe-CI (مع نيكل 55% تقريبًا) أو النيكل النقي (ERNi-CI). تعمل هذه الحشوات على تعزيز تكوين عقيدات الجرافيت أثناء التصلب، والتي تعوض عن الانكماش وتقلل من الضغوط المتبقية التي يمكن أن تسبب التشقق. يخفف حشو النيكل أيضًا من المحتوى العالي من الكربون في حديد الدكتايل مما يمنع الكربيدات الصلبة والهشة في المنطقة المتأثرة بالحرارة. بالنسبة إلى SMAW، يشيع استخدام أقطاب Ni-Rod 55 أو أقطاب Ni-Rod 44 من سبائك Inco Alloys؛ وبالنسبة إلى GTAW، يوصى باستخدام قضبان ERNi-1 أو ERNi-CI. عندما تكون هناك حاجة إلى معدلات ترسيب عالية، توفر الأسلاك ذات التدفق المغلف مثل Ni-Rod FC55 المزايا المشتركة لمعدن النيكل والترسيب المعدني الفعال.

س2: ما مدى أهمية المعالجة الحرارية قبل اللحام وما بعد اللحام؟

A2: تعتبر المعالجة الحرارية المسبقة والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) ضرورية لتقليل التشقق والإجهادات المتبقية عند لحام حديد الدكتايل. يؤدي التسخين المسبق إلى 300-550 درجة مئوية إلى إبطاء التبريد، مما يعزز التصلب المتحكم فيه وتكوين الجرافيت في منطقة HAZ. وبدون التسخين المسبق، يمكن أن يتسبب التبريد السريع في حدوث مناطق مارتينسيتية صلبة وتشقق في خط الوسط. ينطوي التسخين المسبق للتبريد الحراري على الثبات عند 350-450 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة تقريبًا لكل بوصة من السماكة، متبوعًا بتبريد بطيء (10-25 درجة مئوية/ساعة) إلى درجة الحرارة المحيطة. تعمل دورة تخفيف الإجهاد هذه على تجانس التدرجات الحرارية وتقلل من احتمالية حدوث كسور بعد اللحام.

س3: هل يمكن أن يحل اللحام بالتقليب الاحتكاكي محل اللحام بالانصهار في لحام حديد الدكتايل إلى الفولاذ الطري؟

A3: يوفر لحام اللحام بالتقليب الاحتكاكي (FSW) العديد من المزايا مقارنةً بطرق اللحام التقليدية للوصلات المختلفة من الحديد والصلب. وباعتبارها عملية في الحالة الصلبة، يتجنب اللحام بالتقليب الاحتكاكي الانصهار، وبالتالي يقلل من العيوب المرتبطة بالتخفيف، والمسامية، وتكوين الكربيد في منطقة اللحام. كما أنها تنتج بنية مجهرية دقيقة الحبيبات ومعاد بلورتها بخصائص ميكانيكية ممتازة وإجهادات متبقية منخفضة. ومع ذلك، فإن معدات اللحام بالتخفيض الميكانيكي FSW باهظة الثمن وتتطلب تركيبات صارمة وتحكم دقيق في المعلمات (على سبيل المثال، سرعة دوران الأداة من 800-1200 دورة في الدقيقة وسرعات اجتياز تتراوح بين 2-4 مم/ثانية)، مما يجعلها أكثر ملاءمة لبيئات الإنتاج بدلاً من الإصلاحات الميدانية.

س4: ما هي الاختبارات غير المتلفة التي ينبغي إجراؤها على لحامات حديد الدكتايل والصلب؟

A4: لضمان سلامة اللحام، قم بإجراء مزيج من الفحص البصري، واختبار الصبغة المخترقة (للشقوق السطحية)، والتصوير الإشعاعي (للمسامية الداخلية والخبث)، والاختبار بالموجات فوق الصوتية (للعيوب المستوية ومشاكل الترابط). تحدد اختبارات الصلابة عبر اللحام والمنطقة الوعرة والمعادن الأساسية المناطق الصلبة والهشة؛ وعادةً ما تظل الصلابة المقبولة أقل من 350 HV. عند الاقتضاء، قم بإجراء اختبارات الانحناء واختبارات الشد على العينات التمثيلية للتأكد من توافق الأداء الميكانيكي مع معايير ASME IX أو AWS D10.11، مثل الحد الأدنى للاستطالة 15% وقوة الخضوع المطابقة للمعدن الأساسي الأضعف.

س5: كيف تمنع انتقال الكربون من حديد الدكتايل إلى اللحام؟

A5: يمكن التخفيف من هجرة الكربون باستخدام معادن حشو أساسها النيكل تعمل كحاجز لانتشار الكربون والتحكم في الدورات الحرارية. يتميز النيكل بقابلية عالية للذوبان في الكربون، لذلك أثناء التصلب، يترسب الكربون الزائد على شكل عقيدات جرافيت بدلاً من تشكيل كربيدات هشة. كما أن الحفاظ على درجات حرارة مناسبة بينية (150-300 درجة مئوية) يقلل أيضًا من تدرجات الحرارة التي تدفع انتشار الكربون. تعمل دورات التسخين المسبق المناسب ودورات PWHT على زيادة استقرار البنية المجهرية، مما يضمن بقاء الكربون متمركزًا في شكل جرافيت داخل معدن اللحام بدلًا من الانتقال إلى منطقة HAZ أو جانب الفولاذ.

المراجع:

• AWS - لحام الحديد الزهر وحديد الدكتايل
• كود ASME للمراجل وأوعية الضغط (BPVC) - القسم التاسع: مؤهلات اللحام والنحاس والصهر بالنحاس
• ويكيبيديا - فلزات حديد الدكتايل وخواصه
• ASTM A352 - المواصفة القياسية لمسبوكات حديد الدكتايل للأجزاء المحتوية على الضغط
• المواصفات القياسية C104/A21.4 و C105/A21.5 للبطانة الأسمنتية - الهاون وطلاء البولي إيثيلين لأنابيب وتجهيزات حديد الدكتايل