سخونة مسبقة: التحكم في درجة الحرارة الحاسمة في تصنيع الفولاذ

تعريف ومفهوم أساسي

التسخين المسبق في صناعة الصلب يشير إلى التطبيق المنضبط للحرارة على قطعة معدنية قبل اللحام أو القطع أو التشكيل أو عمليات المعالجة الحرارية الأخرى. ويتضمن رفع درجة حرارة المعادن الأساسية إلى مستوى محدد مسبقًا والحفاظ عليها طوال العملية للسيطرة على معدلات التبريد وتقليل التدرجات الحرارية.

يعمل التسخين المسبق كمعامل عملية حرج يؤثر بشكل كبير على الخصائص المعدنية والسلامة الهيكلية وأداء الخدمة لمكونات الصلب. ويعمل كإجراء وقائي ضد عيوب متعددة بما في ذلك التشقق البارد والتشويه وتطور الضغوط المتبقية.

ضمن المجال الأوسع للمعادن، يمثل التسخين المسبق تقنية إدارة حرارية أساسية تربط بين مبادئ علم المواد وعمليات التصنيع العملية. إنه يعتبر اعتبارًا أساسيًا في استخدام المعادن، وبروتوكولات المعالجة الحرارية، وتسلسلات المعالجة الحرارية لكل من الدرجات التقليدية والمتقدمة من الفولاذ.

الطبيعة الفيزيائية والأساس النظري

الآلية الفيزيائية

على المستوى المجهري، يعدل التسخين المسبق الدورة الحرارية التي يتعرض لها الفولاذ، مما يؤثر بشكل مباشر على تحولات الطور والعمليات التي تتحكم فيها الانتشار. تقلل درجة الحرارة الأولية المرتفعة من معدلات التبريد في منطقة تأثير الحرارة (HAZ)، مما يسمح للهيدروجين بالانتشار خارج منطقة اللحام بدلاً من أن يصبح محبوسًا في البنية المجهرية.

يغير التسخين المسبق كيمياء تحلل الأوستنيت خلال التبريد، مفضلًا تكوين هياكل مجهرية أكثر مرونة مثل الفريت والبرليت بدلاً من المارتنسيت الهش. يحدث ذلك لأن معدلات التبريد الأكثر بطئًا توفر وقتًا كافيًا لانتشار الكربون وتكوين الطور المتوازن.

تقلل العملية أيضًا من التدرجات الحرارية عبر العمل، مما يقلل من الضغوط الداخلية التي تتطور بسبب التمدد والانكماش الحراري غير المتساوي. تساعد هذه التدرجات المنخفضة في الحفاظ على استقرار الأبعاد ومنع التشويه في الأشكال المعقدة.

النماذج النظرية

النموذج النظري الأساسي الذي يصف متطلبات التسخين المسبق هو مفهوم المعادل الكربوني (CE)، الذي يحدد قابلية صلابة الفولاذ بناءً على تركيبه الكيميائي. تم تطوير هذا النموذج في منتصف القرن العشرين، ويقدم أساسًا عدديًا لتحديد أدنى درجات حرارة التسخين المسبق.

تطورت الفهم التاريخي من الملاحظات التجريبية في أوائل القرن العشرين إلى نماذج حسابية متطورة اليوم. وقد أدرك مهندسو اللحام الأوائل العلاقة بين التشقق البارد ومعدلات التبريد السريعة، ولكنهم كانوا يفتقرون إلى طرق كمية للتنبؤ بالسلوك.

تتضمن الأساليب الحديثة نموذج التحكم في الهيدروجين، الذي يركز على معدلات انتشار الهيدروجين، ونموذج شدة القيود، الذي يأخذ بعين الاعتبار القيود الهندسية. تعالج هذه النظريات التكميلية جوانب مختلفة من الظواهر المعدنية المعقدة المتعلقة بالتسخين المسبق.

أسس علم المواد

يؤثر التسخين المسبق بشكل مباشر على سلوك الهياكل البلورية خلال تحولات الطور، مما يؤثر بشكل خاص على تحول الأوستنيت إلى المارتنسيت الذي يحدث في الفولاذ القابل للتصلب. تعزز درجات حرارة التسخين المسبق المرتفعة إعادة ترتيب الذرات بشكل أكثر انتظامًا خلال التبريد.

تؤثر العملية بشكل كبير على ظواهر حدود الحبوب، بما في ذلك تشتت الشوائب وترسب الفازات الثانوية. من خلال التحكم في معدلات التبريد، يؤثر التسخين المسبق على حركة حدود الحبوب وتوزيع حجم الحبوب الناتج.

تتصل هذه التقنية للإدارة الحرارية بمبادئ أساسية في علم المواد بما في ذلك كيمياء الانتشار، ونظرية تحول الطور، وتطور الإجهاد الحراري. إنها توضح كيفية تطبيق المبادئ الديناميكية الحرارية والحركية عمليًا للسيطرة على الهيكل المجهرى والخصائص.

العبارة الرياضية وطرق الحساب

معادلة التعريف الأساسية

تعمل معادلة المعادل الكربوني (CE) كأساس لتحديد متطلبات التسخين المسبق:

$$CE = C + \frac{Mn}{6} + \frac{(Cr + Mo + V)}{5} + \frac{(Ni + Cu)}{15}$$

حيث يمثل C وMn وCr وMo وV وNi وCu النسب المئوية للوزن للكربون، والمنغنيز، والكروم، والموليبدينوم، والفاناديوم، والنيكل، والنحاس على التوالي في تركيبة الصلب.

معادلات الحساب ذات الصلة

يمكن حساب معدل التبريد عند درجة حرارة محددة باستخدام:

$$\frac{dT}{dt} = \frac{2\pi k(T - T_0)}{ρc\left(\frac{1}{2\alpha t} + \frac{1}{h}\right)}$$

حيث $\frac{dT}{dt}$ هو معدل التبريد، و$k$ هو الموصلية الحرارية، و$T$ هو درجة الحرارة الحالية، و$T_0$ هو درجة حرارة التسخين المسبق، و$ρ$ هو الكثافة، و$c$ هو السعة الحرارية النوعية، و$\alpha$ هو الانتشار الحراري، و$t$ هو الوقت، و$h$ هو سمك اللوحة.

يمكن تقدير معدل التبريد الحرج لتجنب تكوين المارتنسيت باستخدام:

$$CR_{critical} = 10^{(9.81 - 4.62C - 1.05Mn - 0.54Ni - 0.5Cr - 0.66Mo - 0.00183CE^{-2})}$$

تساعد هذه المعادلة في تحديد ما إذا كانت درجة حرارة التسخين المسبق المعطاة ستقلل بشكل كافٍ من معدل التبريد الفعلي تحت العتبة الحرجة.

الشروط والقيود التطبيقية

تعتبر هذه المعادلات عامة صالحة للفولاذات منخفضة السبائك والفولاذ الكربوني بمحتوى كربوني أقل من 0.6% والعناصر السبائكية الإجمالية أقل من 5%. يجب استخدام معادلات متخصصة تتجاوز هذه الحدود.

تفترض طريقة المعادل الكربوني سمك مقطع موحد ولا تأخذ في الاعتبار بالكامل الأشكال الهندسية المعقدة أو ظروف القيود الشديدة. يجب النظر في عوامل إضافية للوصلات التي تحتاج إلى قيود عالية.

تفترض هذه النماذج ظروف تبريد شبه توازني وقد لا تتنبأ بدقة بالسلوك أثناء الدورات الحرارية السريعة أو عند التعامل مع الفولاذ الذي يحتوي على عناصر تشكل كاربيد قوية مثل النيوبيوم أو التيتانيوم.

طرق القياس والتوصيف

المواصفات القياسية للاختبار

ASTM A1038: الممارسة القياسية للاختبار الصلابة المحمولة بواسطة طريقة مقاومة الاتصال بالموجات فوق الصوتية - تغطي التحقق من درجات حرارة التسخين المسبق المحققة من خلال اختبار الصلابة.

ISO 13916: اللحام - إرشادات قياس درجة حرارة التسخين المسبق، ودرجة حرارة بين العمليات ودرجة حرارة صيانة التسخين المسبق - توفر إرشادات شاملة لقياس درجات الحرارة أثناء عمليات اللحام.

AWS D1.1: كود اللحام الهيكلي - الصلب - يحدد متطلبات الحد الأدنى من التسخين المسبق لمختلف درجات الصلب وسماكاتها في التطبيقات الهيكلية.

أدوات ومبادئ الاختبار

تقوم موازين الحرارة بالاتصال، بما في ذلك المجسات الحرارية وكواشف درجة الحرارة المقاومة (RTDs)، بقياس درجات الحرارة السطحية مباشرة من خلال الاتصال الفيزيائي مع العمل. تعمل هذه الأجهزة على مبدأ الخصائص الكهربائية المعتمدة على درجة الحرارة.

تقيس مقاييس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء وكاميرات التصوير الحراري درجة الحرارة من خلال طرق غير متصلة عن طريق كشف الإشعاع تحت الأحمر المنبعث من سطح العمل. تتطلب هذه الأدوات إعدادات انبعاث مناسبة للحصول على قراءات دقيقة.

تغير ألوان أقلام وقطع الطلاء التي تشير إلى درجة الحرارة شكلها عند درجات حرارة محددة من خلال التغيرات في الطور أو التفاعلات الكيميائية. على الرغم من أنها أقل دقة من الأدوات الإلكترونية، إلا أنها توفر تحققًا مرئيًا سريعًا لعوامل درجة الحرارة الدنيا.

متطلبات العينة

يجب أن تكون مواقع قياس درجة الحرارة على المعدن الأساسي المجاور للوصلات، وغالبًا ما تكون على مسافة تساوي سمك المادة ولكن لا تقل عن 75 مم من خط مركز اللحام.

تشمل متطلبات تحضير السطح إزالة التكلس والصدأ والرطوبة والشوائب الأخرى التي قد تؤثر على قراءات درجة الحرارة أو الاتصال الحراري.

بالنسبة للأقسام السميكة، يجب مراقبة درجات الحرارة السطحية وعبر السُمك، حيث يمكن أن توجد تدرجات حرارية هامة بين السطح والمناطق المركزية.

معلمات الاختبار

يجب أن تتم قياسات درجة الحرارة القياسية في ظروف بيئية تتراوح بين 10 درجة مئوية و35 درجة مئوية مع رطوبة نسبية أقل من 85% لضمان دقة الأدوات.

يجب أن تؤخذ القياسات في فترات مناسبة للعملية المحددة، عادةً كل 30-60 دقيقة خلال عمليات التسخين المسبق المطولة.

يجب أن تكون سرعة الرياح أقل من 8 كم/س عند قياس عمليات التسخين المسبق في الهواء الطلق، حيث يمكن أن تؤثر التبريد بالتوصيل بشكل كبير على قراءات درجات الحرارة السطحية.

معالجة البيانات

عادةً ما يتم جمع بيانات درجة الحرارة في مواقع متعددة لتحديد توزيع درجة الحرارة عبر العمل.

تشمل التحليلات الإحصائية حساب متوسط درجات الحرارة، وتحديد القيم الدنيا، وتحديد التدرجات الحرارية عبر المكون.

يتطلب التحقق من التسخين المسبق النهائي أن تلبي جميع النقاط المقاسة أو تتجاوز درجة الحرارة الدنيا المحددة، مع توثيق الوقت والموقع وطريقة القياس.

نطاقات القيم النموذجية

تصنيف الفولاذ	نطاق درجة حرارة التسخين المسبق النموذجي	ظروف الاختبار	المعيار المرجعي
فولاذ منخفض الكربون (<0.30% C)	10 درجة مئوية - 100 درجة مئوية	سمك < 25 مم، قيود منخفضة	AWS D1.1
فولاذ متوسط الكربون (0.30-0.45% C)	100 درجة مئوية - 200 درجة مئوية	سمك = 25-50 مم، قيود معتدلة	AWS D1.1
فولاذ عالي الكربون (>0.45% C)	200 درجة مئوية - 350 درجة مئوية	سمك > 50 مم، قيود عالية	AWS D1.1
فولاذ منخفض السبائك (Cr-Mo)	150 درجة مئوية - 300 درجة مئوية	جميع السماكات	ASME BPVC القسم التاسع

تتوقف التvariations داخل كل تصنيف بشكل أساسي على سمك المقطع، وقيود الوصلات، وإمكانات الهيدروجين في عملية اللحام. تتطلب المقاطع الأكثر سمكًا وظروف القيود المرتفعة درجات حرارة تسخين مسبق أعلى.

تعتبر هذه القيم متطلبات دنيا، حيث يتم تحديد درجات الحرارة الفعلية أعلى لتوفير هامش سلامة. ويتم عادةً تحديد الحد الأعلى أقل من درجة حرارة المعالجة الحرارية للمادة لتجنب التأثير على المعالجة الحرارية السابقة.

يوجد اتجاه واضح عبر أنواع الصلب حيث يتناسب زيادة محتوى الكربون ومحتوى السبائك مع متطلبات درجات حرارة التسخين المسبق الأعلى بسبب زيادة القابلية للتصلب.

تحليل تطبيقات الهندسة

اعتبارات التصميم

يتم تضمين متطلبات التسخين المسبق في مواصفات إجراءات اللحام (WPS) بناءً على تركيبة المادة وسمكها وتكوين الوصلات. تصبح هذه المواصفات مستندات تعاقدية تنظم جودة التصنيع.

تتراوح عوامل الأمان لدرجات حرارة التسخين المسبق عادةً بين 25 درجة مئوية و50 درجة مئوية فوق الحد الأدنى المحسوب للتعويض عن عدم اليقين في القياسات وتغيرات البيئة. يساعد هذا الهامش في ضمان نتائج متسقة عبر بيئات الإنتاج.

تؤثر متطلبات التسخين المسبق بشكل كبير على قرارات اختيار المواد، خاصة في التصنيع الميداني حيث قد تكون قدرات التسخين محدودة. يؤدي ذلك غالبًا إلى اختيار معادلات كربونية أقل للمكونات الملحومة في الميدان.

المجالات الرئيسية للتطبيق

في تصنيع أوعية الضغط، يعتبر التسخين المسبق حرجًا للمكونات ذات الجدران السميكة المصنوعة من الفولاذات السبائكية مثل SA-387 (درجات Cr-Mo). تحتاج هذه التطبيقات إلى التحكم الصارم في مخاطر تشقق الهيدروجين بسبب المتطلبات العالية للسلامة وقيود المعالجة الحرارية بعد اللحام.

تتطلب التصنيع الهيكلي الضخم، خاصة لمعدات التعدين والبحرية، تسخينًا مسبقًا واسع النطاق للصلب منخفض السبائك عالي القوة. تتسم هذه التطبيقات بأشكال وصلات معقدة ذات قيود عالية تزيد من قابلية التشقق.

يمثل لحام قضبان السكك الحديدية تطبيقًا حرجًا آخر حيث يمنع التسخين المسبق تكسر هش في الفولاذات البرليتيكية. التحدي الفريد هنا هو تحقيق تسخين مسبق كافٍ في ظروف ميدانية مع الوصول المحدود للأجهزة.

توازن الأداء

يتعارض التسخين المسبق مباشرة مع كفاءة الإنتاج، حيث تتطلب درجات الحرارة المرتفعة دورات تسخين أطول وتقلل من الإنتاجية. وغالبًا ما يدفع هذا التوازن الابتكار في تقنيات التسخين وتحسين الإجراءات.

يمكن أن تؤثر درجات حرارة التسخين المسبق المرتفعة سلبًا على الخصائص الميكانيكية في بعض الفولاذات، خاصة تلك المقواة من خلال العمل البارد أو التصلب بالترسيب. يجب على المهندسين تحقيق توازن بين prevention من التشقق ومخاطر تقليل القوة.

في عمليات اللحام متعددة المسارات، يمثل الحفاظ على درجة الحرارة بين العمليات تحديًا بين ضمان التسخين المسبق الكافي وتجنب الدخل الحراري المفرط الذي قد يتسبب في نمو الحبوب أو تقليل الصلابة في منطقة التأثير الحراري.

تحليل الفشل

يمثل التشقق البارد الناجم عن الهيدروجين أكثر أشكال الفشل شيوعًا المرتبطة بالتسخين المسبق غير الكافي. تتشكل هذه الشقوق عادةً في منطقة تأثير الحرارة خلال 48 ساعة بعد اللحام، وغالبًا ما تبدأ في المناطق ذات التركيز العالي من الإجهاد.

تشمل آلية الفشل diffusion الهيدروجين إلى المناطق ذات الإجهاد الثلاثي العالي، حيث تقلل من القوة التماسك بين الحبوب. تتطلب هذه العملية وجود هيدروجين وبنية مجهرية حساسة وإجهاد شد في وقت واحد.

تشمل استراتيجيات التخفيف استخدام عمليات لحام منخفضة الهيدروجين، والتخزين السليم والتعامل مع المستهلكات، والمعالجة الحرارية بعد اللحام لدفع الهيدروجين خارج اللحام قبل أن يسبب أضرارًا.

عوامل التأثير وطرق التحكم

تأثير التركيب الكيميائي

يمارس محتوى الكربون أقوى تأثير على متطلبات التسخين المسبق، حيث يتطلب كل زيادة بنسبة 0.1% عادة زيادة بمقدار 50 درجة مئوية في درجة حرارة التسخين المسبق. تنشأ هذه العلاقة من تأثير الكربون السائد على القابلية للتصلب.

تزيد العناصر النادرة مثل البورون بشكل كبير من القابلية للتصلب حتى عند التراكيز التي تقل عن 0.005%، مما يتطلب درجات حرارة تسخين مسبق أعلى مما يمكن التنبؤ به من خلال معادلات المعادل الكربوني القياسية.

تتضمن أساليب تحسين التركيب تحديد الحدود القصوى للكربون والسبائك لفئات اللحام، وتطوير المعادن الحشو المتخصصة التي تستوعب تباين تركيبات المعادن الأساسية.

تأثير الهيكل المجهرى

تتطلب الهياكل الدقيقة عمومًا درجات حرارة تسخين مسبق أقل مقارنةً بالمواد ذات الحبيبات الخشنة بسبب تحسين الصلابة وتقليل القابلية للهشاشة الناتجة عن الهيدروجين. يمكن أن يقلل تحسين الحبوب من متطلبات التسخين المسبق.

يؤثر توزيع الطور بشكل كبير على احتياجات التسخين المسبق، حيث تتطلب الهياكل الفائقة بشكل عام تسخينًا مسبقًا أقل من الهياكل المارتنسيتية بسبب تحملها المحسن للهيدروجين وقلق الإجهادات الداخلية.

تعمل الشوائب والعيوب كنقاط محتملة لاحتجاز الهيدروجين ومراكز تركيز الإجهاد، مما يزيد من مخاطر التشقق البارد. قد تسمح الفولاذات الأكثر نقاءً بتسخين مسبق أقل في ظروف مماثلة.

تأثير المعالجة

تؤثر تاريخ المعالجة الحرارية بشكل مباشر على متطلبات التسخين المسبق، حيث تتطلب الفولاذات المعالجة بشكل طبيعي عمومًا درجات حرارة تسخين مسبق أقل من المواد التي تم تصلبها وتلطيفها بنفس التركيب بسبب بنيتها المجهرية الأكثر تجانسًا.

يزيد العمل البارد من كثافة التشوه والإجهاد المتبقي، مما يتطلب درجات حرارة تسخين مسبق أعلى لمواجهة القابلية المتزايدة لتشقق الهيدروجين في المناطق المعالجة بشدة.

يصبح التحكم في معدل التبريد من خلال التسخين المسبق أكثر أهمية مع زيادة سمك المقطع بسبب الكتلة الحرارية الأكبر وانخفاض معدلات التبريد الطبيعية في الأقسام السميكة.

العوامل البيئية

تؤثر درجة الحرارة المحيطة بشكل كبير على متطلبات التسخين المسبق، حيث تتطلب الظروف الباردة درجات حرارة تسخين مسبق أعلى للحفاظ على السيطرة المناسبة على التبريد. يتطلب التصنيع في فصل الشتاء عادةً درجات حرارة تسخين مسبق أعلى من 25-50 درجة مئوية مقارنةً بالعمل في الصيف.

تزيد البيئات الرطبة من خطر الهيدروجين من خلال تلوث الرطوبة لمستهلكات اللحام وسطح العمل. وغالبًا ما يتم تحديد درجات حرارة تسخين مسبق أعلى للعمل في ظروف عالية الرطوبة.

يمكن أن تؤدي أوقات التصنيع الممتدة إلى تآكل درجات حرارة التسخين المسبق، خاصة في الهياكل الكبيرة. قد تكون أنظمة التسخين الصيانة مطلوبة للتجمعات المعقدة ذات تسلسلات التصنيع الطويلة.

طرق التحسين

تشمل التحسينات المعدنية تطوير فولاذات ذات معادل كربوني منخفض مع قابلية لحام جيدة من خلال تقنيات التوزيع الصغري. تحافظ هذه الفولاذات على القوة مع تقليل أو إلغاء متطلبات التسخين المسبق.

تشمل الأساليب المعتمدة على العملية استخدام أنظمة التسخين بالحث التي توفر توزيع حرارة أكثر اتساقًا مقارنةً بأساليب التسخين باللهب التقليدية. تعمل هذه التقنية على تحسين كفاءة التسخين ودقة التحكم في درجة الحرارة.

تشمل تحسينات التصميم تحديد تفاصيل الوصلات التي تقلل القيود واستخدام تسلسل اللحام لتحقيق التوازن بين الضغوط المتبقية. يمكن أن تقلل هذه الأساليب من متطلبات التسخين المسبق مع الحفاظ على السلامة الهيكلية.

المصطلحات والمعايير ذات الصلة

المصطلحات ذات الصلة

تشير المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) إلى التسخين المنضبط للوحدة الملحومة المكتملة إلى درجات حرارة عادة ما تكون أعلى من التسخين المسبق لتخفيف الضغوط المتبقية وتلطيف الهياكل المجهرية الصلبة.

تعرف درجة حرارة بين العمليات على أنها درجة حرارة منطقة اللحام مباشرة قبل تطبيق كل تمريرة لحام لاحقة في لحام متعدد، مما يتحكم في آثار الحرارة التراكمية.

يوفر مؤشر قابلية التشقق الهيدروجيني قياسًا كميًا لضعف الفولاذ في مواجهة التشقق البارد المساعد على الهيدروجين استنادًا إلى التركيب والبنية المجهرية، وغالبًا ما يستخدم جنبًا إلى جنب مع حسابات المعادل الكربوني.

تشكل هذه المصطلحات إطارًا متصلاً لإدارة الحرارة خلال دورة عملية اللحام، من الإعداد وحتى الانتهاء وتخفيف الإجهاد.

المعايير الرئيسية

يحدد قسم IX من كود ASME للغلايات وأوعية الضغط متطلبات شاملة للتسخين المسبق لمعدّات الضغط، بما في ذلك نطاقات درجات حرارة محددة بناءً على تصنيفات المواد P-Number.

يوفر EN ISO 13916:2017 إرشادات مفصلة لطرق قياس درجات الحرارة، ومعايرة المعدات، ومتطلبات التوثيق لعمليات التسخين المسبق في التصنيع الأوروبي.

يقدم JIS Z 3700 (المعيار الصناعي الياباني) طرقًا خاصة بالمنطقة لمتطلبات التسخين المسبق تأخذ في الاعتبار الخصائص الفريدة لدرجات الصلب اليابانية وممارسات التصنيع.

اتجاهات التطوير

يركز البحث الحالي على نمذجة حسابية لانتشار الهيدروجين خلال دورات اللحام الحرارية، مما يتيح التنبؤ الدقيق بدرجات حرارة التسخين المسبق الآمنة الدنيا للأشكال الهندسية المعقدة.

تشمل التقنيات الناشئة أنظمة مراقبة التسخين المسبق المؤتمتة المتكاملة مع مصادر الطاقة للحام لضمان امتثال درجة الحرارة طوال عملية التصنيع، مع توثيق في الوقت الحقيقي لضمان الجودة.

من المحتمل أن تتضمن التطورات المستقبلية أنظمة التسخين المسبق القابلة للتكيف التي تعدل أنماط التسخين بناءً على تغذية التصوير الحراري في الوقت الحقيقي، مما يحسن استخدام الطاقة مع ضمان توزيع درجة حرارة متسقة عبر المكونات المعقدة.