การเสียรูปเนื่องจากความร้อนและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของท่อเหล็กเชื่อมผนังหนา

ประการแรก การเสียรูปจากความร้อนและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของท่อเหล็กเชื่อมผนังหนา: ท่อเหล็กเชื่อมผนังหนาเป็นโลหะผสมนิกเกลทนความร้อนสูงที่เสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอน ซึ่งยากต่อการเสียรูป มีองค์ประกอบคล้ายกับโลหะผสม ЭИ929 ของอดีตสหภาพโซเวียต และมีการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของธาตุโลหะผสมและการเสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอนของเฟส γ' ในระดับสูง มีความต้านทานต่อการออกซิเดชัน ความต้านทานต่อการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง ความแข็งแรงคราก ความแข็งแรงดึง และความแข็งแรงต่อการคืบที่อุณหภูมิสูงที่ดีเยี่ยม ส่วนใหญ่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ความเค้นที่ซับซ้อน และสารกัดกร่อน เช่น การผลิตใบพัดกังหันสำหรับเครื่องยนต์อากาศยาน เนื่องจากโลหะผสมมีช่วงพารามิเตอร์การแปรรูปที่อุณหภูมิสูงค่อนข้างแคบ เมื่อใช้เป็นวัสดุขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูงสำหรับใบพัดกังหัน ชิ้นงานขึ้นรูปจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่อง เช่น ความไม่เสถียรของโครงสร้างและรอยแตก ส่งผลให้มีอัตราการสูญเสียสูง ดังนั้น การศึกษาพฤติกรรมการเสียรูปทางความร้อนของโลหะผสมภายใต้สภาวะการเสียรูปด้วยความร้อนที่แตกต่างกันจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตชิ้นงานขึ้นรูปที่มีคุณภาพ นักวิจัยได้วิเคราะห์ลักษณะพฤติกรรมทางรีโอโลยีของโลหะผสมผ่านข้อมูลที่ได้จากการทดสอบการอัดที่อุณหภูมิสูงของท่อเหล็กเชื่อมผนังหนา สร้างสมการโครงสร้างของท่อเหล็กเชื่อมผนังหนาภายในช่วงพารามิเตอร์การเสียรูปด้วยความร้อน และศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิการเสียรูปและอัตราความเครียดต่อโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสม วัตถุดิบที่ใช้ในการทดลองคือแท่งเหล็กรีดร้อนของท่อเหล็กเชื่อมผนังหนา โครงสร้างดั้งเดิมส่วนใหญ่ประกอบด้วยเกรนแบบสมมาตรที่มีขนาดเกรน 10 ถึง 30 ไมโครเมตร แท่งเหล็กถูกแปรรูปเป็นชิ้นงานทรงกระบอกขนาด Φ8 มม. × 12 มม. มีการทำร่องตื้นสำหรับเก็บสารหล่อลื่นอุณหภูมิสูงที่ปลายทั้งสองข้างของชิ้นงาน การทดสอบการอัดแบบไอโซเทอร์มอลดำเนินการบนเครื่องทดสอบ Gleeble-1500 อุณหภูมิการเสียรูปคือ 1090, 1120, 1150 และ 1180℃ อัตราการเปลี่ยนแปลงรูปร่างคือ 0.1, 1, 10 และ 50 s-1 และระดับการเสียรูปสูงสุดประมาณ 60% ในระหว่างการทดลอง เครื่องทดสอบจะเก็บรวบรวมและคำนวณข้อมูลระยะการเคลื่อนที่ แรงกด ความเค้น และความเครียดโดยอัตโนมัติ หลังจากเสร็จสิ้นการเสียรูปแล้ว ชิ้นงานจะถูกทำให้เย็นด้วยน้ำ จากนั้นตัดตามแนวยาว ขัด เจียร และกัดกร่อนด้วยสารละลาย CuSO4 (20 กรัม) + H2SO4 (5 มล.) + HCl (50 มล.) + H2O (100 มล.) โครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมจะถูกสังเกตภายใต้กล้องจุลทรรศน์โลหะวิทยา ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า:
1. เมื่อท่อเหล็กเชื่อมผนังหนาถูกทำให้เสียรูปภายใต้เงื่อนไขต่างๆ การอ่อนตัวทางรีโอโลยีจะเกิดขึ้นเมื่อความเครียดเพิ่มขึ้น สาเหตุของการอ่อนตัวทางรีโอโลยีคือโลหะผสมเกิดการตกผลึกใหม่แบบไดนามิกในระหว่างกระบวนการเสียรูปที่อุณหภูมิสูง เมื่ออัตราความเครียดลดลง ความเครียดและแรงเค้นสูงสุดเมื่อแรงเค้นไหลถึงค่าสูงสุดก็จะลดลงทั้งคู่
2. สมการโครงสร้างสำหรับการเสียรูปที่อุณหภูมิสูงของท่อเหล็กเชื่อมผนังหนาได้รับการกำหนดขึ้น ค่าที่คำนวณได้จากสมการมีความสอดคล้องกับค่าทดลองเป็นอย่างดี และความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์น้อยกว่า 8% ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสมการดังกล่าวสามารถอธิบายพฤติกรรมทางรีโอโลยีของโลหะผสมในระหว่างการเสียรูปที่อุณหภูมิสูงได้อย่างแม่นยำ
3. อุณหภูมิการเสียรูปมีผลอย่างมากต่อโครงสร้างจุลภาคของท่อเหล็กเชื่อมผนังหนา เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การตกผลึกใหม่แบบไดนามิกจะเกิดขึ้นอย่างเพียงพอมากขึ้น ขนาดของเกรนจะใหญ่ขึ้น และความสม่ำเสมอของโครงสร้างเกรนก็จะเพิ่มขึ้น ในขณะที่เมื่ออัตราการเสียรูปเพิ่มขึ้น ขนาดของเกรนจะลดลงก่อนแล้วจึงเพิ่มขึ้น เมื่ออัตราการเสียรูปอยู่ที่ 1 s⁻¹ โครงสร้างเกรนจะค่อนข้างละเอียด
ประการที่สอง การเชื่อมแบบยึดแนวนอนของท่อสแตนเลสผนังหนา: ท่อสแตนเลสเป็นเหล็กเส้นยาวกลวงชนิดหนึ่ง ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นท่อส่งของเหลว เช่น น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ น้ำ ก๊าซถ่านหิน ไอน้ำ เป็นต้น ท่อสแตนเลสมีน้ำหนักเบาเมื่อความแข็งแรงในการดัดและการบิดเท่ากัน จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรและโครงสร้างทางวิศวกรรม และมักใช้ในการผลิตอาวุธทั่วไปต่างๆ ลำกล้องปืน กระสุน เป็นต้น สำหรับท่อเหล็กที่ทนต่อแรงดันของของเหลว จำเป็นต้องมีผนังท่อที่หนาขึ้น และต้องทำการทดสอบทางไฮดรอลิกเพื่อทดสอบความทนทานต่อแรงดันและตรวจสอบว่าไม่รั่วซึม ดูดซับน้ำ หรือขยายตัวภายใต้แรงดันที่กำหนด ท่อสแตนเลสแบ่งออกเป็นแบบไร้รอยต่อและแบบมีรอยต่อ ท่อสแตนเลสไร้รอยต่อเรียกอีกอย่างว่าท่อสแตนเลสแบบไม่มีรอยต่อ ทำจากเหล็กแท่งหรือท่อตันโดยการเจาะรูเพื่อขึ้นรูปท่อหยาบ จากนั้นจึงรีดร้อน รีดเย็น หรือดึงเย็น ข้อกำหนดของท่อเหล็กไร้รอยต่อจะแสดงเป็นมิลลิเมตรของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก × ความหนาของผนัง ท่อเหล็กสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti นิยมใช้กันทั่วไป ตัวอย่างต่อไปนี้จะยกท่อเหล็กสแตนเลส 1Cr18Ni9Ti ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง Ф159 มม. × 12 มม. มาอธิบายวิธีการเชื่อมแบบยึดแนวนอน

1. การวิเคราะห์งานเชื่อม:
①ท่อเหล็กกล้าไร้สนิม Cr18Ni9Ti ขนาด Ф159 มม. × 12 มม. แบบต่อชนแนวนอนขนาดใหญ่ ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์โรงไฟฟ้านิวเคลียร์และอุปกรณ์เคมีบางชนิดที่ต้องการความทนทานต่อความร้อนและกรด การเชื่อมมีความยากสูง และข้อกำหนดสำหรับรอยเชื่อมก็สูงมาก พื้นผิวด้านในต้องมีการขึ้นรูป มีความนูนปานกลาง และไม่มีความเว้า ต้องมีการตรวจสอบ PT และ RT หลังการเชื่อม ในอดีตมีการใช้การเชื่อม TIG หรือการเชื่อมแบบอาร์คด้วยมือ ซึ่งแบบแรกไม่มีประสิทธิภาพและมีค่าใช้จ่ายสูง ส่วนแบบหลังนั้นยากต่อการรับประกันและไม่มีประสิทธิภาพ เพื่อให้มั่นใจและปรับปรุงประสิทธิภาพ จึงใช้การเชื่อม TIG แบบใช้ลวดภายในและภายนอกสำหรับชั้นล่าง และใช้การเชื่อม MAG สำหรับชั้นเติมและชั้นปิด เพื่อรับประกันทั้งประสิทธิภาพและความทนทาน
②1 เหล็กกล้าไร้สนิม Cr18Ni9Ti มีความแตกต่างอย่างมากในอัตราการขยายตัวทางความร้อนและการนำความร้อนจากเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าอัลลอยต่ำ และบ่อหลอมเหลวมีความลื่นไหลและขึ้นรูปได้ไม่ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเชื่อมแบบเต็มตำแหน่ง ในอดีต การเชื่อม MAG (Ar+1%～2%O2) ของเหล็กกล้าไร้สนิมโดยทั่วไปใช้สำหรับการเชื่อมแบบเรียบและการเชื่อมมุมแบบเรียบเท่านั้น ในระหว่างกระบวนการเชื่อม MAG ความยาวของลวดเชื่อมจะน้อยกว่า 10 มม. ความกว้างของการแกว่งของปืนเชื่อม ความถี่ ความเร็ว และเวลาหยุดนิ่งของขอบจะต้องประสานกันอย่างเหมาะสม การเคลื่อนไหวต้องประสานกัน และมุมของปืนเชื่อมจะถูกปรับตลอดเวลาเพื่อให้ขอบของพื้นผิวเชื่อมหลอมรวมกันอย่างเรียบร้อยและสวยงาม เพื่อให้แน่ใจว่ามีการเติมและปกคลุมชั้นอย่างดี
2. วิธีการเชื่อม:
วัสดุคือ 1Cr18Ni9Ti ขนาดท่อ Ф159mm×12mm ใช้การเชื่อมแบบอาร์คทังสเตนด้วยแก๊สเฉื่อยแบบแมนนวลสำหรับการเชื่อมฐาน ใช้การเชื่อมแบบก๊าผสม (CO2+Ar) สำหรับการเชื่อมเติมและปิดผิว และใช้การเชื่อมแบบกำหนดตำแหน่งคงที่ทั้งแนวตั้งและแนวนอน
3. การเตรียมการก่อนการเชื่อม:
① ทำความสะอาดคราบน้ำมันและสิ่งสกปรก และขัดผิวร่องและบริเวณรอบๆ 10 มม. เพื่อให้ได้ความเงางามแบบโลหะ
② ตรวจสอบว่าท่อน้ำ ท่อไฟฟ้า และท่อแก๊สไม่มีสิ่งกีดขวาง และอุปกรณ์และเครื่องใช้ต่างๆ ควรอยู่ในสภาพดี
③ ประกอบชิ้นส่วนตามขนาด และใช้แผ่นยึดเพื่อกำหนดตำแหน่งการเชื่อม (ใช้แผ่นยึดแบบ 2 จุด 7 จุด และ 11 จุด) การเชื่อมกำหนดตำแหน่งในร่องก็สามารถทำได้เช่นกัน แต่ต้องระมัดระวังเรื่องการกำหนดตำแหน่งการเชื่อม