تأثیر پیش‌گرم و پس‌گرم در جوشکاری فولادهای کم‌آلیاژ

در دنیای جوشکاری فولادهای کم‌آلیاژ، موفقیت واقعی زمانی حاصل می‌شود که شما نه‌فقط قوس را تنظیم کنید، بلکه حرارت را مدیریت کنید. در واقع، پیش‌گرم و پس‌گرم دو مرحله‌ای هستند که بین شکست پرهزینه و جوشی بادوام تفاوت ایجاد می‌کنند. این مقاله بر اساس داده‌های فنی از منابع معتبر جهانی از جمله AWS D1.1، ASM Handbook، TWI Global و مقالات تحقیقاتی Lincoln Electric تنظیم شده است تا به شما، متخصصان صنعت جوشکاری و متالورژی، دیدی عمیق و کاربردی ارائه دهد.

اهمیت حرارت در جوشکاری فولادهای کم‌آلیاژ

یکی از مشکلات اصلی فولادهای کم‌آلیاژ، حساسیت بالایشان نسبت به نرخ سرد شدن است. اگر این نرخ بیش‌ازحد باشد، فازهای سخت و شکننده مانند مارتنزیت تشکیل می‌شوند و مکانیزم ترک هیدروژنی فعال می‌شود. این ترک‌ها معمولاً در مناطق تنش‌زا ظاهر می‌شوند و می‌توانند مقاومت کششی اتصال را تا ۲۵ ٪ کاهش دهند. بر اساس استاندارد AWS D1.1، مرحله‌ی پیش‌گرم باید به‌گونه‌ای طراحی شود که توزیع حرارتی یکنواخت قبل از ایجاد قوس برقرار گردد تا اختلاف دمای ناگهانی بین فلز پایه و منطقه‌ی جوش حذف شود.

پیش‌گرم چیست و چگونه عمل می‌کند؟

پیش‌گرم (Preheating) به فرایند گرم‌کردن کنترل‌شده فلز پایه پیش از جوشکاری گفته می‌شود و هدف آن کاهش سرعت سرد شدن و جلوگیری از تمرکز هیدروژن است. برای فولادهایی با کربن معادل (CE) بین ۰٫۳۵ تا ۰٫۴۵، دمای معمول پیش‌گرم بین ۱۰۰ تا ۱۸۰ °C انتخاب می‌شود. عوامل کلیدی مؤثر بر دمای پیش‌گرم عبارت‌اند از:

• ترکیب شیمیایی فلز پایه (Carbon Equivalent CE)
• ضخامت و هندسه قطعه
• فرآیند جوشکاری (SMAW، GTAW، GMAW)
• وضعیت محیط و دمای محیطی

برای کنترل دقیق، از سنسورهای Thermocouple Type K یا Infra-red Gun استفاده می‌شود تا دمای حقیقی سطح پایش گردد. این کنترل دقیق، احتمال تشکیل مارتنزیت را به‌طور محسوس کاهش می‌دهد و توزیع حرارت را در منطقه‌ی HAZ یکنواخت می‌سازد.

پس‌گرم؛ مرحله‌ی آرام‌سازی تنش و تثبیت ساختار داخلی

پس‌گرم (Post‑Weld Heat Treatment) یا همان عملیات حرارتی پس از جوشکاری، مرحله‌ای حیاتی در فولادهای کم‌آلیاژ است. در این فرایند، قطعه پس از انجماد با دمای کنترل‌شده بین ۵۵۰ تا ۶۵۰ °C حرارت می‌بیند تا تنش‌های پسماند ناشی از انجماد و انقباض از بین برود. اگر این مرحله انجام نشود، فولاد دچار تنش‌های داخلی شده و ساختار دانه‌های اطراف منطقه‌ی جوش از تعادل خارج می‌شوند.

مزایای عملی پس‌گرم شامل موارد زیر است:

• رفع تنش پسماند و جلوگیری از ترک تأخیری
• افزایش چقرمگی ضربه‌ای (Impact Toughness) تا بیش از ۲۰ ژول
• کند شدن رسوب کربیدهای شکننده و تثبیت فازهای فریت و پرلیت
• توزیع مجدد تنش‌ها برای دوام بلندمدت

در صنایع نفت و پتروشیمی، نظارت دقیق این مرحله معمولاً با استفاده از سیستم PID Controller و داده‌نگار PLC انجام می‌شود تا اختلاف دمایی بیش از ±۱۰ °C در سطح قطعه وجود نداشته باشد.

رابطه‌ی نرخ سرد شدن با کیفیت ناحیه‌ی HAZ

هنگامی که اختلاف دمای شدید میان منطقه‌ی جوش و فلز پایه ایجاد شود، نرخ سرد شدن بالا می‌رود و ساختار متالوگرافیکی تمایل به تشکیل فازهای سخت پیدا می‌کند. پیش‌گرم دمای اولیه را افزایش می‌دهد تا منحنی زمان‑دما‑تحول (TTT) به سمت ناحیه‌ی فریت‑پرلیت جابجا شود. این جابجایی ساختاری باعث جلوگیری از تشکیل فازهای ترد و حفظ انعطاف‌پذیری اتصال می‌شود.

مطالعات موسسه‌ی TWI Global نشان می‌دهد که افزایش دمای پیش‌گرم به میزان ۲۵ °C تا ۴۰ °C می‌تواند احتمال ترک هیدروژنی را تا ۱۵ ٪ کاهش دهد و میزان نفوذ هیدروژن محلول در جوش را تا نصف کم کند. این ارقام در فولادهای دارای عناصر آلیاژی مانند کروم و مولیبدن بسیار تعیین‌کننده است.

استانداردها و کنترل کیفی جوش

مطابق بند QW‑406.5 از استاندارد ASME IX، ثبت پارامترهای دمایی در WPS (Procedure Specification) الزام‌آور است. همچنین جدول ۴.۲ AWS D1.1 دمای پیش‌گرم توصیه‌شده برای هر ضخامت و ترکیب شیمیایی فلز پایه را مشخص می‌کند. اضافه بر این، توصیه می‌شود میزان حرارت بین پاس‌ها (Interpass Temperature) نیز ثبت گردد تا از انجماد ناهمگون جلوگیری شود.

در پروژه‌های صنعتی بزرگ، با استفاده از Induction Heating System دمای یکنواخت به‌صورت القایی در سراسر سطح حفظ می‌شود. این روش ضمن کاهش مصرف انرژی، پایداری دمایی بالاتری نسبت به گرمایش مشعل گازی دارد.

مطالعه‌ی موردی: پروژه مخزن تحت فشار فولاد A387 Gr 11

در پروژه‌ای واقعی از کارگاه پروولد ایران، جوشکاری ورق فولاد A387 Gr 11 با ضخامت ۳۲ میلی‌متر با دمای پیش‌گرم ۱۵۰ °C و پس‌گرم ۶۲۰ °C انجام شد. پس از اتمام تست‌های UT و PT، هیچ ترک عرضی یا عیب انقباضی مشاهده نشد. سختی منطقه HAZ از HV ۲۶۰ به HV ۲۲۰ کاهش یافت و در تست Impact، جذب انرژی به میزان ۲۲ J ثبت شد. این داده‌ها نشان دادند که اجرای درست مراحل پیش‌گرم و پس‌گرم، کیفیت جوش را به‌صورت کمی و قابل‌ارزیابی بهبود می‌دهد.

اشتباهات رایج در کنترل دمای جوشکاری

یکی از تصورهای نادرست رایج این است که دمای زیاد همیشه ایمن‌تر است، حال‌آنکه گرمای بیش از حد می‌تواند دانه‌ها را بیش از اندازه رشد دهد و باعث کاهش مقاومت فشاری شود. در مقابل، سرد شدن ناگهانی پس از هر پاس، می‌تواند ریزترک‌های مخفی ایجاد کند. این ترک‌ها در آزمون NDT دیده نمی‌شوند اما در عمل عمر مفید سازه را به‌شدت کاهش می‌دهند. برای جلوگیری از این خطاها، باید حداقل و حداکثر دمای بین پاس‌ها طبق WPS کنترل شود.

ملاحظات اقتصادی و ایمنی

گرچه اجرای پیش‌گرم و پس‌گرم هزینه‌ی اولیه‌ی پروژه را افزایش می‌دهد، اما این هزینه نسبت به خسارت‌های ناشی از شکست یا دوباره‌کاری فلز ناچیز است. از دیدگاه ایمنی نیز، کنترل حرارت موجب پایداری ساختاری سازه‌هایی نظیر خطوط انتقال گاز و بویلرهای فشار بالا می‌شود. مهندسان جوشکاری باتجربه همواره تأکید می‌کنند که «هر درجه حرارت اضافه‌شده، یک روز عمر بیشتر برای جوش شماست».

پرسش‌های متداول

۱. آیا پیش‌گرم در تمام جوش‌های فولادهای کم‌آلیاژ الزامی است؟

در ضخامت‌های پایین یا قطعات با CE کم‌تر از ۰٫۳۵ ممکن است ضروری نباشد، اما در اغلب پروژه‌های صنعتی توصیه می‌شود.

۲. در چه شرایطی پس‌گرم انجام می‌شود؟

وقتی ضخامت زیاد باشد یا سازه در معرض تنش‌های پسماند قرار گیرد، اجرای پس‌گرم لازم است.

۳. تفاوت گرمایش مشعل و القایی در دقت کنترل چیست؟

سیستم القایی دقت بالاتری دارد و دما را یکنواخت‌تر پخش می‌کند؛ مخصوصاً در قطعات حجیم.

۴. چگونه می‌توان دمای دقیق را پایش کرد؟

بهترین روش استفاده از ترموکوپل نوع K متصل به PLC است تا داده‌ها به‌صورت زنده ثبت و کنترل شوند.

۵. آیا دمای بیش‌ازحد پس‌گرم آسیب‌زننده است؟

بله، دمای بالاتر از حد مجاز می‌تواند باعث رشد دانه‌های فریت و کاهش toughness فلز شود.

نتیجه‌گیری و کال‌تو‌اکشن صنعتی

پیش‌گرم و پس‌گرم را نه به‌عنوان دو مرحله‌ی جانبی، بلکه به‌عنوان قلب فرآیند جوشکاری فولادهای کم‌آلیاژ در نظر بگیرید. کنترل دقیق حرارت قبل و بعد از جوشکاری، تضمین‌کننده‌ی دوام سازه، کاهش خطای انسانی، و افزایش عمر مفید قطعه است. اکنون زمان آن است که تیم‌های فنی خود را با جدول‌های حرارتی استاندارد تجهیز کنید، سنسورهای دیجیتال را جایگزین روش‌های سنتی نمایید، و با مشاوره متخصصان پروولد ایران، مراحل کنترل دمای خود را به سطحی حرفه‌ای ارتقا دهید. جوش با حرارت درست، یعنی اعتماد صنعتی واقعی.