أساسيات تقنية اللحام
اللحام هو وصل المعادن ذات التركيب نفسه أو المتشابه بفعل الحرارة، مع أو دون إضافة معدن من النوع نفسه أو المتشابه. وبواسطة اللحام تُربط الأجزاء بعضها ببعض على نحو غير قابل للانفصال بحيث تتكون وحدة متكاملة. ويلزم للحام الجيد التحام حميم، ولا يتحقق ذلك إلا إذا انصهر عند موضع اللحام أيضًا المعدن الأساسي (منطقة التماس).
اللحام بالقوس الكهربائي
بالنسبة للمنشآت الفولاذية يُؤخذ في المقام الأول اللحام بالقوس الكهربائي، حيث تُولد الحرارة اللازمة بواسطة القوس الكهربائي. ويتكوّن القوس بين القطعة الأساسية وما يُسمى بالقطب الكهربائي، الذي ينصهر في هذه العملية ويعطي مادة إضافية. إن الاختيار الصحيح لمادة الإضافة (القطب) له التأثير الأكبر على خصائص الوصلة الملحومة. وتُختار الأقطاب تبعًا للمقاومات المميزة للمادة الأساسية المراد لحامها. إن اختيار الأقطاب وتحديد شروط اللحام يتطلب معرفة متخصصة، ولذلك أُنشئت مؤسسة «مهندسين متخصصين في تقنية اللحام» المؤهلين تأهيلًا خاصًا، وتتمثل مهمتهم، إلى جانب أمور أخرى، في الإشراف على أعمال اللحام وإعادة إجراء اعتماد اللحامين بصورة منتظمة.
اللحام والقطع بالغاز
في اللحام بالغاز تُولَّد الحرارة اللازمة من احتراق الغاز، بحيث تنصهر المادة الأساسية والمادة المضافة. والأهم هو القطع. فـ شعلة القطع تحتوي، إلى جانب أنبوب الحرارة الذي يعمل كما في اللحام، على أنبوب آخر للأكسجين الخاص بالقطع. ويُحرق الفولاذ المسخن باللهب الحار ويُنفخ بتيار الأكسجين. ويعطي القطع أسطحًا ملساء ودقيقة تكفي لكثير من أغراض المنشآت الفولاذية من دون معالجة إضافية.
قابلية اللحام
عند تقييم الوصلات الملحومة يجب مراعاة أنه أثناء عملية اللحام يمكن أن يتغير تركيب مادة الإضافة وكذلك المادة الأساسية بشكل ملحوظ. كما أن لتغير البنية أهمية كبيرة أيضًا – فبين خط اللحام المنصهر والمادة الأساسية غير المتغيرة توجد، تبعًا لدرجة التأثير الحراري، منطقة ذات بنية مختلفة وبالتالي ذات خصائص مختلفة. وبجوار خط اللحام توجد منطقة انصهرت فيها المادة الأساسية (منطقة الالتحام) وفيها يتم الربط بين منطقة اللحام والمادة الأساسية. كما أن المنطقة المحيطة من المادة تكون قد سُخِّنت بشدة أيضًا، رغم أنه لم يتم فيها بلوغ نقطة الانصهار بعد. وفي هذه المنطقة المتعرضة لفرط التسخين تحدث تغيرات بنيوية كبيرة، بحيث تكون غالبًا حاسمة لخصائص الوصلة الملحومة كلها.
تَشَقُّق الوصلة يعني ظهور شقوق في الوصلة، تنشأ مباشرة بعد اللحام، حتى عند درجة حرارة مرتفعة، أو ربما لا تظهر إلا عند التبريد في منطقة التوهج الأزرق (نحو 300 درجة مئوية). ويُعَدّ التشقق إلى حدّ كبير خاصيةً للأقطاب الكهربائية؛ إذ يظهر تقريبًا فقط مع الأقطاب المغلَّفة، وهي المهمة بالفعل للمنشآت الفولاذية. ولحدوث الشقوق يلزم تحقق شرطين، وهما: إجهادات مرتفعة بسبب عملية اللحام أو مؤثرات خارجية أخرى، وكذلك زيادة صلابة المادة.
إلى جانب التغيرات المعدنية في تركيب المادة وبنيتها، تكتسب العمليات الفيزيائية أهمية أيضًا، وهي مرتبطة بالكميات الكبيرة من الحرارة التي تُنقل إلى المادة أثناء اللحام وبدرجات الحرارة العالية المتحققة عندئذ. ولا يحدث التسخين بصورة منتظمة، بل فقط في مناطق محدودة للغاية. ويتم منع التمدد الحراري المرتبط بالتسخين بواسطة إجهادات داخلية في المنطقة المسخنة من المادة غير المسخنة. وإلى جانب ذلك يوجد أيضًا إجهاد خارجي، لأن الأجزاء أثناء اللحام يجب أن تُثبت بإحكام، ولذلك تظهر عند التسخين انضغاطات لدنة. وعند التبريد ينكمش اللحام ومحيطه بأكبر قدر (الانكماش). وأثناء التبريد يجب أن تنشأ إجهادات قسرية (إجهادات الانكماش) بسبب منع التمدد. وبالتسخين المسبق للأجزاء المراد لحامها إلى 200 oC حتى 300 oC يمكن إبطاء التبريد بدرجة كبيرة. ونتيجة تقليل تأثير التقسية نحصل على تشكل أفضل للبنية، وتبقى القساوة أقل.
فحص المواد وأعمال اللحام
عام: بما أن جودة أعمال اللحام تعتمد على جملة من الظروف، وليس أقلها مهارة العامل المتخصص وموثوقيته، فمن الضروري الإشراف الدقيق على جميع أعمال اللحام وفحصها. ومن الفحوصات ما يهدف إلى تحديد قابلية المواد والأقطاب للحام، ومقارنة شروط اللحام وطرائق اللحام لحالة معينة، وفحوصات العينات، إلخ.
شكل 1 - اختبار انحناء اللحام
اختبار انحناء لحام الوصلة: وهو اختبار انحناء لعارضة بسيطة ذات مقطع مستطيل (الشكل 1), يُعاد فيها لحام أخدود طولي مُشغَّل بشكل نصف دائري في الليف المشدود بطبقة واحدة، وذلك عند درجة حرارة الغرفة. وتؤدي الوصلة إلى انخفاض كبير في قابلية التشوه، لذلك كثيرًا ما تنكسر العينات كسرًا هشًا تمامًا ومفاجئًا. وتكون زاوية الانحناء في الصفائح الرقيقة أكبر، وتتناقص مع زيادة سُمك الصفيحة.
المتانة عند الشق: في اختبار انحناء الوصلة تظهر الشقوق في الغالب أولًا في الوصلة نفسها، فتحدث كسرة هشة. ويجب أن تكون المادة الأساسية قادرة على تحمّل الحمل الذي ينشأ فجأة عند التمزق الهش للوصلة. وينبغي اشتراط ألا ينتشر الشق في منطقة اللحام سريعًا عبر المادة الأساسية، بل يُسمح له بالتقدم ببطء فقط. ويجب أن تكون المادة الأساسية متينة بما يكفي لتحمّل هذا الحمل المفاجئ، وأن تبقى هذه القدرة محفوظة بدرجة كافية أيضًا عند درجات الحرارة المنخفضة. وتعتمد المتانة عند الشق، وكذلك الخواص الميكانيكية الأخرى، بدرجة كبيرة على درجة الحرارة التي يُجرى عندها الاختبار. وعند درجات الحرارة المنخفضة، مثلًا دون 0 درجة مئوية، قد تهبط إلى جزء من قيمتها عند 20 درجة مئوية. وموقع هذا الانخفاض الحاد مهم لتقييم المادة. وبالنسبة للمنشآت الفولاذية الملحومة يُشترط اليوم أن تكون المادة ذات مقاومة جيدة للشيخوخة، أي ذات قوة عالية عند الشق في اختبار الصدمة على عينات مسحوبة على البارد.
الشكل 2 - التشوه في حالات الإجهاد عند الشقوق
الصلادة: للظواهر الصلادية أهمية كبيرة في منطقة اللحام. ومن المهم معرفة ازدياد الصلادة، لأن الاستطالة عند الكسر تنخفض سريعًا مع زيادة الصلادة (الشكل 3), في حين ترتفع مقاومة الشد σB تقريبًا بنسبة تتناسب طرديًا مع صلادة برينل HB. وبالنسبة إلى الفولاذ الإنشائي فإن σB ≈ 0,36*HB. ويُعرض مثال على صلادة اللحام الزاوي الرئيسي لعامة I في الشكل 4. وفي منطقة الانتقال توجد فروق كبيرة في الصلادة على مسافات صغيرة جدًا. ويعتمد منحنى الصلادة على البنية المتكوّنة. كما يتغير خط σ-ε-l بالصلادة على نحو مشابه لتغيره بالحالة الإجهادية للثلمة (الشكل 2).
الشكل 3 - صلادة برينل والاستطالة
الشكل 4 - الصلادة في منطقة اللحام عند عنق أحد الكمرات I الملحومة
الفحص غير الإتلافي للوصلات الملحومة الجاهزة
الاختراق الإشعاعي – عند فحص السماكات الصغيرة بالإشعاع، يمكن إظهار الصورة الشعاعية على شاشة واحدة. وبدلاً من الأشعة السينية يمكن استخدام أشعة غاما للمواد المشعة. وتتيح الصورة الشعاعية الاستدلال على جودة اللحام. وبذلك يمكن تحديد الشوائب المتضمنة أو المسام، وكذلك عيوب الالتحام والشقوق، وإزالتها في الحالة المعينة.
التدفق المغناطيسي – يُنشأ مجال مغناطيسي في الجزء من الفولاذ الذي يُختبر، ثم تتوزع البرادة المضافة تبعًا للمجال. ومن أي اضطرابات محتملة في المجال المغناطيسي يمكن كشف الشقوق. وتكون الطريقة فعالة خاصة في العثور على الشقوق السطحية، لكنها غير حساسة نسبيًا للضمائم الخبثية والمسام، وكذلك للشقوق الواقعة في داخل الصفائح السميكة.
الاختبار بالموجات فوق الصوتية – تنعكس الموجات الصوتية القصيرة جدًا ليس فقط عند الأسطح الحدودية، بل أيضًا عند الأسطح الفاصلة في الداخل، مثل الشقوق أو الانفصالات.