AISI/SAE 4140 قابلة للحام عندما يتم التعامل معها بضوابط مدروسة: التحضير النظيف، والمواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين، والتسخين المسبق المناسب ودرجة الحرارة البينية المتحكم فيها، وعند الحاجة، المعالجة الحرارية بعد اللحام. إذا تم اتباع هذه الضوابط الوقائية وتأهيل إجراءات اللحام، يمكن أن تلبي الوصلات الملحومة 4140 نفس متطلبات القوة والمتانة التي تجعل 4140 شائعًا في الأعمدة والتروس والمكونات عالية الإجهاد. ومع ذلك، فإن الفشل في التحكم في معدل التبريد والهيدروجين ودرجات حرارة المقطع قد يؤدي إلى خطر حدوث مناطق صلبة وهشة متأثرة بالحرارة وتصدع بارد.
ما هو الفولاذ 4140؟
SAE/AISI 4140 عبارة عن فولاذ منخفض السبائك من الكروم والموليبدينوم ومتوسط الكربون (يشار إليه عادةً باسم UNS G41400). النطاقات الكيميائية النموذجية هي تقريباً: C 0.38-0.43%، Mn 0.75-1.00%، Cr 0.80-1.10%، Mo 0.15-0.25% و Si 0.15-0.30%. تنتج هذه الكيمياء صلابة جيدة وقوة إجهاد عالية وصلابة بعد المعالجة الحرارية المناسبة. ونظرًا لقابليتها للتصلب، تُستخدم 4140 على نطاق واسع في الأجزاء عالية الإجهاد التي يمكن توفيرها في ظروف طبيعية أو مخففة أو مروية ومقواة.
ما أهمية ذلك بالنسبة للحام: يزيد مستوى الكربون والسبائك من ميل الفولاذ إلى تكوين المارتينسيت الصلب أثناء التبريد السريع. تكون الهياكل المجهرية المارتنسيتية HAZ صلبة وهشة ويمكن أن تتشقق في حالة وجود الهيدروجين أو الضغوطات المتبقية. وبالتالي فإن إدارة معدل التبريد والهيدروجين هو الموضوع الرئيسي للحام الناجح.
2. سبب أهمية قابلية اللحام للمكونات المصنوعة من 4140
يُستخدم 4140 في الحالات التي يكون فيها تعطل الأجزاء له آثار عالية التكلفة أو السلامة: الأعمدة، والمحاور، والتروس، والوصلات، ومكونات حقول النفط. غالبًا ما يكون اللحام مطلوبًا للإصلاحات أو الملحقات أو تصنيع التجميعات. يمكن أن يتسبب اللحام غير السليم الذي ينتج عنه صلابة عالية أو تشقق في HAZ في حدوث فشل كارثي أثناء الخدمة. الأثر العملي هو التالي: لحام 4140 ليس مستحيلًا، ولكن بدون إجراءات مؤهلة يكون الخطر أعلى ماديًا من الفولاذ منخفض الكربون.
3. العوامل المعدنية التي تتحكم في قابلية اللحام 4140
3.1 معادلة الكربون والصلابة
تجمع معادلات معادلة الكربون (CE) - على سبيل المثال معادلات IIW أو AWS الكلاسيكية - بين الكربون وعناصر السبائك للإشارة إلى الصلابة وقابلية التكسير على البارد. معادل الكربون في 4140 أعلى من الفولاذ الطري، لذا فهو يتطلب المزيد من التسخين المسبق أو المعالجة الحرارية على البارد لتجنب التصلب الهش الهش. القاعدة العملية: تعامل مع 4140 كسبيكة قابلة للمعالجة الحرارية أكثر من الفولاذ الطري عند التخطيط للحامات.
3.2 الحالة السابقة للمادة
-
ملدنة أو طبيعية: أسهل في اللحام؛ صلابة أقل ومخاطر تشقق أقل.
-
مروي ومقوّى/مصلد مسبقاً: أعلى المخاطر. عادةً ما يتطلب اللحام للأقسام المقواة مسبقًا عادةً ضوابط خاصة أو تليين موضعي (على سبيل المثال، التسخين المسبق لدرجات حرارة عالية أو التلدين الموضعي) وغالبًا ما يتطلب اللحام بعد اللحام PWHT. تنصح العديد من المصادر بعدم لحام 4140 المقوى بالكامل إلا إذا كان لا مفر منه.
3.3 سمك القسم وتأثير المشتت الحراري
المقاطع الرقيقة تبرد بسرعة وتنتج تصلبًا أقل في منطقة HAZ؛ أما المقاطع السميكة فهي عبارة عن بالوعات حرارية كبيرة ولكن يمكن أن تخلق تدرجات حرارية حادة تشجع على التشقق. يجب أن يتناسب التحكم في التسخين المسبق والتجاوز البيني مع سُمك المقطع.
3.4 الهيدروجين والتلوث
يزيد الهيدروجين الناجم عن الرطوبة أو مواد التشحيم أو الزيوت أو الصدأ أو الطلاءات أو الأقطاب الكهربائية الرطبة بشكل كبير من مخاطر التشقق البارد. استخدم المواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين والتنظيف الصارم؛ تحكم في الرطوبة المحيطة إذا لزم الأمر.
4. التحكم في التسخين المسبق ودرجة الحرارة البينية والتبريد
سبب استخدام التسخين المسبق ودرجة الحرارة البينية
يعمل التسخين المسبق على إبطاء معدل التبريد، مما يسمح للهيدروجين القابل للانتشار بالخروج ويمنع تكوين المارتينسيت غير المقوى في منطقة HAZ. تمنع درجة الحرارة البينية معدن اللحام المترسب سابقًا أو منطقة HAZ من التبريد تحت درجة الحرارة الحرجة بين التمريرات. تقلل هذه الخطوات من الضغوط الحرارية وتقلل من قابلية التشقق.
النطاقات الموصى بها (الجدول العملي)
هذه هي التوصيات الهندسية المستخدمة في صياغة WPS. يجب تحديد القيم النهائية من خلال معادلة الكربون والسماكة وحرجية الجزء واختبار التأهيل.
| حالة المعدن الأساسي | السُمك (مم/بوصة) | التسخين المسبق النموذجي (درجة مئوية / درجة فهرنهايت) | درجة الحرارة البينية (درجة مئوية / درجة فهرنهايت) | الملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ملدن/مطبع | <6 مم (¼ بوصة) | 100-150 درجة مئوية (212-300 درجة فهرنهايت) | الحفاظ على نفسه | التسخين المسبق الخفيف للنظافة والتحكم في الهيدروجين. |
| تطبيع | 6-25 مم (¼-1 بوصة) | 150-260 درجة مئوية (300-500 درجة فهرنهايت) | 150-260°C | ممارسات الورشة الشائعة: 200-250 درجة مئوية نموذجية. |
| مروي/مخفف | 6-25 مم | 200-260 درجة مئوية (400-500 درجة فهرنهايت) | 200-260°C | الأجزاء الحرجة الأعلى نهاية أعلى؛ ضع في اعتبارك PWHT. |
| مقاطع سميكة > 25 مم (> 1 بوصة) | > 25 مم (> 1 بوصة) | 260-370 درجة مئوية (500-700 درجة فهرنهايت) | الحفاظ على التسخين المسبق | تزداد مع زيادة درجة حرارة CE ودرجة حرارة الخدمة الحرجة؛ بعض WPS تستدعي 250-370 درجة مئوية. |
ملاحظات عملية: أبلغ العديد من الصانعين عن لحام موثوق به مع التسخين المسبق/التجاوز من 200-300 درجة فهرنهايت (100-150 درجة مئوية) على الأجزاء الصغيرة و500-700 درجة فهرنهايت (260-370 درجة مئوية) على الأجزاء الحرجة أو الأكثر سمكًا أو المقواة مسبقًا. تعتمد الأرقام الدقيقة على CE والمعالجة الحرارية المسبقة.
5. المعالجة الحرارية لما بعد اللحام (PWHT)
يخفف المعالجة الحرارية الحرارية الفائقة PWHT من الإجهاد المتبقي ويخفف من المارتنسيت الصلب في منطقة الخطر الحرجية ويستعيد الليونة. بالنسبة للمكونات الحرجة، غالبًا ما تكون المعالجة الحرارية الفائقة (PWHT) مطلوبة. تتراوح التوصيات النموذجية للمعالجة بالحرارة الفائقة (PWHT) (تقسية تخفيف الإجهاد) ل 4140 تقريبًا 550-650 درجة مئوية (1020-1200 درجة فهرنهايت) مع أزمنة الانتظار التي يُعبَّر عنها عادةً ب 1 ساعة لكل بوصة (25 مم) من السُمك مع تبريد بطيء متحكم به. يجب أن تتبع الدورات الدقيقة مواصفات التصميم أو متطلبات العقد أو الرموز.
عندما يكون PWHT إلزامياً
-
الأجزاء الموردة مروية ومخففة حتى تصل إلى صلابة عالية ثم يتم لحامها.
-
مكونات عالية الضغط أو المكونات الحساسة للإجهاد.
-
عندما يتطلب WPS أو الكود الحاكم تقسية ما بعد اللحام.
عندما يكون PWHT اختياريًا
-
إصلاحات صغيرة على القِطع الملدنة 4140 الملدنة ذات الخدمة المنخفضة CE وغير الحرجة؛ مع توخي الحذر والاختبار.
6. معدن الحشو واختيار العملية
اختيار عمليات اللحام
-
GMAW (MIG/MAG) بسلك مناسب منخفض الهيدروجين شائع للإنتاج.
-
SMAW (عصا) باستخدام الأقطاب الكهربائية منخفضة الهيدروجين (H4/H8) المستخدمة على نطاق واسع في الإصلاحات الميدانية.
-
GTAW (TIG) تُستخدم للحامات الدقيقة والمقاطع الرقيقة.
-
SAW يمكن استخدامها للمقاطع الثقيلة حيث يمكن التحكم في مدخلات الحرارة.
اختيار معدن الحشو (جدول ملخص)
| التطبيق | حشو نموذجي | تطابق القوة | الملاحظات |
|---|---|---|---|
| القوة والتركيب المطابق | ER80S-D2 (GMAW) أو E9018M-H4 (SMAW) أو المواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين ذات القوة العالية | تطابق أو تطابق زائد | استخدام حشوات مخلوطة ومنخفضة الهيدروجين للاقتراب من قوة وصلابة المعدن الأساسي. |
| خيار متحفظ للإصلاح | ER70S-2 (GMAW) مع PWHT | قوام أقل ما لم يكن PWHT | أسهل في اللحام ولكن قد يتطلب لحامًا أسهل ولكن قد يتطلب PWHT لتجنب ضعف HAZ أو للتلطيف. |
| اللحام غير المتماثل للصلب الطري | الحشوات المصممة للانتقال؛ النظر في الطبقات البينية | معتمد على التطبيق | انتبه إلى التخفيف والمتانة. |
الإرشادات: مطابقة قوة الحشو حيثما أمكن. يستخدم العديد من الصانعين أسلاك أو أقطاب كهربائية من سلسلة ER80 للحصول على أفضل استمرارية للخصائص الميكانيكية؛ إذا كان استخدام الحشو أقل قوة، فخطط للمعالجة الحرارية الفائقة والتحقق من صلاحيتها من خلال الاختبارات الميكانيكية ومسوحات الصلابة.
7. أساسيات إجراء اللحام (WPS) وبارامترات العينة
يجب أن يوثق WPS المؤهل ل 4140: حالة المعدن الأساسي، ونوع الحشو وتصنيفه، والتسخين المسبق والتجاوز البيني، ومدخلات الحرارة، وسرعة الحركة، وعدد التمريرات، وهندسة الوصلة، وPWHT، ومعايير قبول اختبار عدم الفحص والاختبار غير الفحصي ومعايير قبول اختبار عدم الفحص والاختبار، ومؤهلات عامل اللحام وسجلات اختبار الجودة النوعية.
نموذج لملخص معلمة WPS (مثال للوح 4140 مطبع، بسمك 12 مم)
| البند | القيمة (مثال) |
|---|---|
| المعدن الأساسي | AISI 4140، عادي |
| السُمك | 12 مم (0.47 بوصة) |
| العملية | GMAW (نابض أو دائرة قصيرة للحامات الرقيقة) |
| الحشو | ER80S-D2 (قطر السلك 1.2 مم) |
| غاز الدرع | 98% Ar / 2% O₂ أو مزيج Ar/CO₂ CO₂ حسب معيار المتجر |
| التسخين المسبق | 180-220 درجة مئوية (350-430 درجة فهرنهايت) - الحفاظ عليه حتى يبرد اللحام إلى 100 درجة مئوية |
| إنتربرايز | ≤220°C |
| مدخلات الحرارة | 1.0-2.0 كيلوجول/ملم (تحكم لتقليل النمو المفرط في المنطقة الوعائية الوعائية الحادة) |
| بي دبليو إتش تي | 600 درجة مئوية لمدة 1 ساعة لكل بوصة إذا كان ذلك مطلوبًا حسب التصميم |
| NDT | التصوير المرئي 100%؛ التصوير بالأشعة أو الموجات فوق الصوتية حسب الكود للأجزاء الحرجة |
| الصلابة | الحد الأقصى للمناطق الخطرة 350 HV (أو حسب المواصفات)؛ الاختبار حسب PQR |
يجب تحويل هذا المثال إلى لغة WPS الرسمية والتحقق من صلاحيته من خلال اختبار PQR والاختبارات الميكانيكية (الشد والانحناء وشاربي V-notch عند الحاجة).
8. الفحص والاختبار غير التعريفي بعد اللحام
-
مسح الصلابة: قياس صلابة HAZ عبر المقطع العرضي للحام. بالنسبة للقِطع 4140 المروية/المخفوقة/المقواة يجب تحديد صلابة HAZ المسموح بها حسب التصميم؛ غالبًا ما تكون صلابة HAZ غير المنضبطة التي تزيد عن 350 HV تقريبًا (حوالي 32-36 HRC) علامة على أن PWHT مطلوبة.
-
الفحوصات البصرية والتحقق من الأبعاد: الشقوق، والتقويض، وعدم الاندماج.
-
NDT: الفحص بالأشعة أو الفحص بالموجات فوق الصوتية للمكونات الحرجة.
-
علم المعادن: من أجل أعمال الطب الشرعي أو التأهيل، للتحقق من البنية المجهرية HAZ وفعالية PWHT.
9. أنماط الفشل النموذجية واستراتيجيات الإصلاح
9.1 التكسير البارد (الهيدروجين)
السبب: صلابة عالية في منطقة HAZ + هيدروجين قابل للانتشار + إجهاد الشد المتبقي.
التخفيف من الآثار: التسخين المسبق، والمواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين، والممر البيني المتحكم فيه، والمعالجة الحرارية البينية PWHT.
9.2 تقصف HAZ والصلابة المفرطة
السبب: التبريد السريع إلى المارتينسيت؛ وغالبًا ما يُلاحظ ذلك عند لحام 4140 المروي المروي دون استخدام المعالجة الحرارية الفائقة.
الإصلاح: إعادة التسخين لدرجات حرارة التقسية (PWHT) لتقليل صلابة المنطقة الوعائية الوعائية الحادة؛ في حالة وجود شقوق، قم بإزالة معدن اللحام المعيب والمنطقة الوعائية الحادة إلى معدن سليم، وأعد اللحام وفقًا ل WPS المؤهل وطبِّق PWHT.
9.3 التشويه وانحراف الأبعاد
السبب: الدورات الحرارية واللحامات المقيدة.
التخفيف من الآثار: تسلسل اللحام وتسلسل اللحام والتشغيلات القصيرة والبطانيات الحرارية والتبريد المتحكم فيه.
10. الجداول والمرئيات الموصى بها
-
جدول التركيب الكيميائي (نطاقات SAE الرسمية) - تساعد الزوار الفنيين على تأكيد الدرجة بسرعة.
-
مرجع سريع للتسخين المسبق/التسخين المسبق/التسخين البيني/التسخين البيني/التسخين البيني حسب السُمك - عملي لعمال اللحام والمفتشين.
-
مصفوفة اختيار فلز الحشو - يقارن بين عائلة ER80 وعائلة ER70 ويعطي إيجابيات/سلبيات.
-
جدول قائمة مراجعة WPS - الحد الأدنى من العناصر المطلوبة لإجراء متوافق مع الكود.
-
جدول الصلابة مقابل درجة الحرارة المعتدلة - لدعم اختيار PWHT والخصائص الميكانيكية المستهدفة.
11. الأسئلة الشائعة
س1: هل يمكن لحام 4140 بدون تسخين مسبق؟
ج: يمكن لحامها بدون تسخين مسبق فقط في حالات محدودة وغير حرجة (المقاطع الرقيقة والحالة الملدنة). بالنسبة للأجزاء العادية أو المروية أو الأكثر سمكًا، يوصى بشدة بالتسخين المسبق لتجنب تصلب HAZ والتشقق الهيدروجيني.
س2: ما هي درجة حرارة التسخين المسبق التي يجب أن أستخدمها للوح 4140 مقاس 12 مم؟
ج: الممارسة النموذجية في الورشة هي 150-250 درجة مئوية (300-480 درجة فهرنهايت) اعتمادًا على المعالجة الحرارية المسبقة والاستخدام. استخدم الحد الأعلى للأجزاء المصلدة مسبقًا أو الأجزاء الحرجة وتأهل بواسطة PQR.
س3: هل أحتاج إلى المعالجة الحرارية الفائقة بعد لحام 4140؟
ج: بالنسبة للأجزاء الحرجة، والمواد الملحومة المروية والمخففة أو عندما تكون صلابة HAZ عالية، نعم. بالنسبة للإصلاحات الصغيرة على المواد الملدنة قد لا يكون ذلك ضروريًا.
س4: ما هو معدن الحشو الأفضل ل 4140؟
ج: استخدم مواد حشو منخفضة الهيدروجين وذات قوة أعلى مثل عائلة ER80S أو أقطاب كهربائية مغطاة مصنفة بشكل مناسب. ويعتمد الاختيار على الخواص الميكانيكية المطلوبة والحاجة إلى PWHT.
س5: كيف يمكنني التحكم في الهيدروجين؟
ج: استخدم أقطاب/أسلاك جافة منخفضة الهيدروجين، وقم بخبز الأقطاب المغطاة حسب الشركة المصنعة، ونظف المعدن الأساسي من الزيوت والصدأ، وتحكم في الرطوبة، واستخدم التسخين المسبق لتشجيع الانتشار.
س6: ما هي الصلابة المقبولة في منطقة HAZ؟
ج: تعتمد صلابة HAZ المقبولة على التصميم؛ العديد من المواصفات تحد من صلابة HAZ إلى رقم HRC معين (على سبيل المثال 30-36 HRC لبعض الأجزاء). قم دائمًا بتعيين الحدود بالتشاور مع التصميم والاختبار للتحقق من الصلابة.
س7: هل يمكنني لحام 4140 المروي دون تقسية؟
ج: هذه مخاطرة عالية. يمكن أن يؤدي لحام 4140 المروي المروي دون تقسية لاحقة إلى جعل المنطقة الخطرة هشة وعرضة للتشقق. خطط للمعالجة بالحرارة الفائقة أو استشر أخصائي المعادن.
س8: هل لحام TIG مناسب لـ 4140؟
ج: نعم. يوفر GTAW/TIG تحكماً ممتازاً في المقاطع الرقيقة وللربط حيثما تكون الدقة والتخفيف المنخفض مطلوبين، مع الاستمرار في التسخين المسبق عند الحاجة.
س9: كيف يمكنني تأهيل WPS لـ 4140؟
ج: إجراء اختبار جودة PQR باستخدام قسيمة (قسائم) تمثيلية، وتسجيل جميع البارامترات، وإجراء الاختبارات الميكانيكية (الشد، والانحناءات الموجهة، وشاربي V عند الاقتضاء) ورسم خرائط الصلابة.
Q10: ماذا لو وجدت تشققات بعد اللحام؟
ج: التوقف، والتحقيق في السبب الجذري، وإزالة اللحام المتأثر ومنطقة الخطر إلى المعدن السليم، وإعادة التنظيف، وضبط التحكم في التسخين المسبق/الهيدروجين وإعادة إجراء إعادة التأهيل. غالبًا ما يلزم إجراء المعالجة الحرارية الفائقة قبل إعادة الجزء إلى الخدمة.
12. قائمة مراجعة عملية قبل لحام 4140
-
تأكد من المعالجة الحرارية للمادة وصلابتها.
-
حساب مكافئ الكربون.
-
تنظيف منطقة اللحام: قم بإزالة الزيت، والشحوم، والطلاء، والصدأ، والقشور.
-
اختر المواد الاستهلاكية منخفضة الهيدروجين وأقطاب الخبز إذا لزم الأمر.
-
ضبط درجات حرارة التسخين المسبق والتحقق منها باستخدام أقلام تلوين الحرارة أو المزدوجات الحرارية.
-
قم بإعداد WPS وPQR أو اتبع نظام حماية الأجور المؤهلين الحاليين.
-
التخطيط للمعالجة الحرارية الفائقة للمياه والصرف الصحي إذا كان التصميم يتطلب ذلك.
-
جدولة فحوصات NDT والصلابة بعد اللحام.
13. ملاحظات ختامية للخبراء
يُعد 4140 عنصرًا هندسيًا أساسيًا بسبب قوته المتوازنة وصلابته ومقاومته للتآكل. لحامها بأمان هو عملية هندسية يمكن التنبؤ بها عندما يتم احترام المعادن. بالنسبة لأي مكون حساس، لا تتعامل مع 4140 مثل الفولاذ الطري: خطط للتسخين المسبق، وتحكم في الهيدروجين وقم بتأهيل اللحام باستخدام اختبار فيزيائي. في حالة الشك، استشر خبير معادن أو مهندس لحام، واعتمد على سجلات PQR/ WPS الموثقة واختبارات ما بعد اللحام لحماية عمر الخدمة.
AR 
EN 
JA 
KO 
DE 
IT 
ES