اللحــام … Welding
اللحام هو عبارة عن عملية للحصول على وصلة غير قابلة للفك ، من خلال التسخين الموضعي لأطراف الأجزاء الموصلة ، وللتعرف على الجانب العملي في عمليات وصل المعادن باللحام ، فإنه يمكن تلخيص ذلك من خلال تأمل أي جسم معدني في درجة حرارته العادية … أي في درجة حرارة الجو المحيط . نجد أن أساس تماسك هذا الجسم وعدم تفككه ، هو قوة الجذب المتبادلة بين الذرات المكونة لمادة هذا الفلز (المعدن) ، ومقاومة جزيئاته للانفصال عن بعضها البعض ، لذلك عند إجراء عملية وصل للأجزاء المعدنية المتشابهة عن طريق اللحام ، فأنه يجب العمل على تهيـئة الأطراف المراد وصـلها ، لكي تتقارب ذراتها مع بعضهما البعض وتندمـج أكثر ، بحيث تتماثل ظروف كل منهما مع الجزء الآخر ، ومن ثم فإن وصل هذه الأطراف سيكون أمراً حتمياً ، الذي سيؤدي إلى وصلة دائمة غير قابلة للتفكك.
ومن خلال تقدم التكنولوجيا الهندسية التي خطت بخطاً واسعة في شتى أنحاء العالم ، حيث بنيى العديد من المنشآت المعدنية ومكوناتها من ماكينات حديثة التي تكفل مستوى عالى من الدقة والجودة ، أدى ذلك إلى تحقق مزيداً من الإنتاج . ينبغي أن يدفعنا ذلك إلى زيادة الإهتمام بالتكنولوجيا التي تعرف بعلم الفنون الصناعية من جهة ، وعلم الأساليب والأعمال المتصلة بالتطبيقات الصناعية من جهة أخرى.
تشتمل التكنولوجيا على كافة أعمال التخطيط والاعداد والاشراف اللازمة للعمليات الفنيـة ، والتي يقصـد بها تنظيم عمليات الإنتاج بشكل إقتصادي ، على أن يؤخذ في الإعتبار كافة العاملين في هذا المجال وقدراتهم.
أدى تنظيم العمليات التكنولوجية بشكل إقتصادي إلى الإهتمام بوصـل المعادن باللحام ، فقد كانت النظرة إلى وصل المعادن باللحام نظرة قاصرة على إنها مجرد حرفة وليس علماً تطبيقياً ، وتغير هذا المفهوم وأصبح اللحام علماً في مقدمة علوم الهندسية الميكانيكية الحديثة ، ويكفي للدلالة على ذلك إلقاء نظرة سريعة على أهم المنشآت المعدنية في العصر الحديث إبتداءً من المفاعلات النووية ـ الصواريخ ـ سـفن الفضاء ـ الأقمار الصناعية ـ الطائرات ـ السـفن ـ الجسور (الكباري) ـ وسائل النقل المختلفة … إلى أصغر وأدنى الأجهزة الإلكترونية ، لنجد أنها ليست في واقع الأمر إلا إنها سوى مكونات معدنية تم تجميعها مع بعضها البعض بواسطة طرق اللحام المختلفة.
وقد أدى الإهتمام بهذا العلم إلى التقدم في عمليات اللحام باستخدام أشعة الليزر ، والتحكم عن بعد في عمليات ما كان من الممكن تحقيقها من سنوات قليلة مضت ، مثل لحام وإصلاح أجزاء بمركبة فضاء أثناء دورانها حول الأرض من خلال التحكم بجهاز تشغيل من على سطح الأرض ، أو لحام أسلاك لا يزيد قطرها عن بضعة أجزاء من الألف من الملليمتر ، أو إجراء عمليات لحام في داخل مفاعل نووي عامل دون خطر التعرض للإشعاعات النووية المدمرة ، ومن ثم فقد أدى ذلك إلى إنتشار وسائل الوصل باللحام بإعتبارها من أفضل أنواع الوصلات الدائمة ، وبالتالي فقد حلت محل وسيلة الوصل بمسامير البرشام بشكل كبير ، بالإضافة إلى أنه في الوقت الحالي قد بدأت الأجزاء الموصلة باللحام تحل محل أجزاء الماكينات المشكلة بالطرق والسبك بنجاح . هذا بالإضافة إلى عمليات اللحام والقطع باستخدام اللهب والكهرباء ، وأيضاً بأساليب اللحام الحديثة وعلى سبيل المثال لا الحصر … كاللحام بالقوس الكهربائي المحجب بغاز واق أو خامل ـ اللحام بالقوس المغمور ـ اللحام بقوس البلازما ـ اللحام بالحزمة الالكترونية ـ اللحام بالحزمة الضوئية من خلال استخدام حزمة ضوئية حادة من أشعة الليزر ذات مقطع مجهري صغير تولد كثافة حرارية عالية ـ اللحام بأشعة الليزر ـ اللحام بالذبذبات فوق السمعية ـ اللحام بالاحتكاك ـ اللحام بالتكسية ـ التكسية السطحية بطبقات صلدة ـ التكسية بقوس البلازما ـ التكسية برش المعادن ـ لحام الثرميت ـ اللحام بالقوس باستخدام الهيدروجين الذري ـ لحام القوس المحجب بغاز ثاني أكسيد الكربون ـ اللحام الكهربائي الخبثي ـ القطع القوسي الهوائي ـ القطـع باللهب ـ القطع بقوس نافذ بالبلازما ـ القطع أسفل سطح الماء باستخدام الأكسوجين وغاز الأكسي إستيلين أو باستخدام القوس والأكسوجين.
ومن ثم فإنه يمكن تفسير عمليات اللحام بأنها عمليات للوصل الدائم بين المعادن باستخدام الحرارة أو باستخدام الضغط والحرارة ، حيث تتخالط جزيئات القطع المراد وصلها ببعضها البعض عند منطقة التأثير ، وذلك عن طريق اسـتخدام معدن إضافي أو بدونه ، وعمليات اللحام هي وسيلة للحصول على وصـلات قوية دائمة غير قابلة للفك … وأيضا غير قابلة للتسرب ، حيث أنها تعطي نفس خواص المعدن الأساسي.
يتناول هذا الموضوع عرض لبعض عمليات اللحام والقطع ، كاللحام بالصهر عن طريق استخدام الغاز.
لحام وقطع المعادن
اللحام هو عبارة عن عملية للحصول على وصلة غير قابلة للفك ، من خلال التسخين الموضعي لأطراف الأجزاء الموصلة ، وللتعرف على الجانب العلمي في عمليات وصل المعادن باللحام ، فإنه يمكن تلخيص ذلك من خلال تأمل أي جسم معدني في درجة حرارته العادية … أي في درجة حرارة الجو المحيط . نجد أن أساس تماسك هذا الجسم وعدم تفككه ، هو قوة الجذب المتبادلة بين الذرات المكونة لمادة هذا الفلز (المعدن) ، ومقاومة جزيئاته للانفصال عن بعضها البعض.
لذلك عند إجراء عملية وصل للأجزاء المعدنية المتشابهة عن طريق اللحام ، فأنه يجب العمل على تهيئة الأطراف المراد وصلها ، لكي تتقارب ذراتها مع بعضهما البعض وتندمج أكثر ، بحيث تتماثل ظروف كل منهما مع الجزء الآخر ، ومن ثم فإن وصل هذه الأطراف سيكون أمراً حتمياً ، الذي سيؤدي إلى وصلة دائمة غير قابلة للتفكك.
تعتبر وسيلة الوصل باللحام من أفضل أنواع الوصلات الدائمة ، لذلك فإنها حلت محل وسيلة الوصل بمسامير البرشام بشكل كبير ، بالإضافة إلى أنه في الوقت الحالي قد بدأت الأجزاء الموصلة باللحام تحل محل الأجزاء المشكلة بالطرق والسبك بنجاح.
تعريف اللحام :
هو وصل دائم للأجزاء المعدنية باستخدام الحرارة ، أو باستخدام الضغط والحرارة معا.
ولكي تكون الوصلة بين الجزأين المراد لحامهما من الوصلات الجيدة ، فلا بد أن يكن هناك تقارب بين ذرات الجزأين المراد وصلهما حتى تتكون بلورات معدنية مشتركة تحقق ذلك الوصل ، والارتباط المثالي.
ومن خلال التسخين تتباعد الجزيئات عن بعضهما البعض ، وتنخفض قوى الجذب فيها ، وبازدياد التسخين تتباعد الجزيئات عن بعضهما أكثر فأكثر ، وتنخفض بالتالي قوة تماسكهما وترابطهما ، ويكون من السهل أن يتحرك أي جسم أخر خلالها ، ويسهل بذلك مزجها مع مادة متعجنة أخرى من نفس التركيب ، عن طريق استخدام معدن إضافي أو بدونه.
وعند تجمد منطقة الوصل يصير هذا المخلوط المتجانس من المادتين كتلة واحدة متماسكة . وعلى ذلك يمكن تفسير عملية اللحام بأنها وصل دائم للمعادن باستخدام الحرارة ، أو باستخدام الضغط والحرارة معا.
والغرض من عمليات اللحام المختلفة هو الحصول على وصلات قوية دائمة وغير قابلة للفك … وأيضا غير قابلة للتسرب ، كما تعطي نفس خواص المعدن الأساسي.
مميزات اللحام :
تتميز عمليات اللحام بتحقيق الوصل الدائم بين الأجزاء ، كما تتميز بالمميزات التالية :-
1. تحقيق وفرة كبيرة في المعدن.
2. تخفيض الأوزان.
3. تبسيط لإنشاء وتصميم المنتجات والمنشآت.
4. سهولة التصنيع والتجميع.
5. الاقتصاد في الأيدي العاملة.
6. الاقتصاد في زمن التشغيل.
7. تخفيض ثمن المنتج المصنع.
أساليب لحام المعادن
لتحقيق لحام مثالي ، فإنه يجب وجود طاقة بمقدار معين لتحقيق الإقتراب أو الإرتباط الذري بين الأطراف المراد وصلها ، نجد أن هذه الطاقة تأخذ صوراً مختلفة وهي ، أما أن تكون طاقة ميكانيكـية … أي بالضـغط الميكانيكي دون الحاجة إلى تسخين (كالحام على البارد) Cold welding ، أما أن تكون طاقة حرارية … أي بالتسخين حتى تصل إلى درجـة حرارة إنصهار الوصلة … أي تحويل الأطراف من الحالة الجامدة إلى الحالة المنصهرة ، وبذلك تتمكن ذرات الأطراف من الإقتراب وإختلاط بضعها ببعض ، وعند التجمد بالتبريد نجد أن ذرات طرفي الوصلة ترتبط ببعضيهما البعض ، كما هو الحال في عملية الصـب (السباكة) ، وهو ما يسمى بلحام الصهر Fusion welding وقد تكون تكون الطاقة المستخدمة في اللحام بالتسخين والضغط.
ويمكن تلخيض أساليب لحام المعادن الشائعة الاستخدام من خلال الرسم التخطيطي التالي :-
قابلية المعادن الحديدية وسبائكها للحام : Ferrove Metals Weldability
توجد المعادن الحديدية وسبائكها بأنواع مختلفة ، يختلف كل منها عن الآخر باختلاف خواصها الطبيعية وتركيبها الكيميائي ، كما تختلف قابلية اللحام من معدن إلى آخر … أو من سبيكة إلى أخرى ، وكذلك الطريقة المستخدمة في اللحام لكل منهم.
وللحصول على أفضل النتائج عند لحام المعادن المختلفة ، فإنه يجب أن تكون الأجزاء المراد وصلها بالمواصفات التالية :-
1. جيدة التوصيل للحرارة.
2. قليلة الانكماش.
3. معامل التمدد الطولي لها صغير.
4. عدم زيادة نسبة الكربون عن 0.2 % ، حيث أنه كلما ارتفعت نسبة الكربون ، تنخفض قابلية المعدن للحام ، علما بأن وجود الكربون بنسبة تزيد عن 0.6 % يكون اللحام صعباً.
5. عدم وجود الشوائب الفسفورية والكبريتية بقطع الصلب المراد لحامها ، حيث يؤثر ذلك تأثير بالغ على قابلية الصلب للحام.
ملاحظة :
يؤدي رداءة التوصيل للحرارة إلى تركيز الحرارة في جزء صغير وعدم تساوي درجة الحرارة بالأجزاء المراد لحامها ، ومن ثم تكون الإجهادات الداخلية المتكونة أشد كلما كان معامل التمدد الطولي للمعدن وإنكماشه أكبر.
قابلية المعادن غير الحديدية للحام : None Ferrove Metals Weldability
تتميز المعادن الغير حديدية وسبائكها بسهولة لحامها . ومع ذلك فإنه يجب الأخذ في الاعتبار سهولة تأكسد هذه المواد ، وارتفاع معامل تمددها الطولي ، وبالتالي صعوبة انصهار الأكاسيد المتكونة.
أنواع اللحام : Welding Type
فيما يلي عرض لبعض أنواع الوصل اللحام مثل اللحام على البارد ، ولحام الصهر بنوعية الرئيسيين ، واللحام الذاتي ، واللحام غير الذاتي.
اللحام على البارد: Cold Welding
لو أردنا وصل قطعتين من المعدن باللحام على البارد أي دون أي تسخين ، نجد أن ذلك ممكن من الناحية النظرية طالما كانت لدينا فترة كافية لإرغام الذرات السطحية للقطعة الأولى على الاقتراب من الذرات السطحية للقطعة الثانية ، بحيث يصل البعد بين هذه الذرات مساوية للبعد الذري لجزيآت وبللورات المعدن داخل القطعة (قوة حفظ مثلا) ، ولا توجد في الحقيقة حدود تحد استخدام اللحام بالضغط على البارد ، إلا أنه يجب أن يتميز المعدن المطلوب وصله بلدونة عالية ، ليقاوم الإنخفاض في سمكه بسبب الانفعال العنيف الذي يمارس أثناء اللحام بالضغط على البارد ، وإن تكون القوى اللازمة لإنجاز عمليات اللحام بهذه الطريقة ممكنة ، ويحد من استخدام هذه الطريقة مشكلات اختيار المواد المناسبة لسبائك الضغط والمعدات المساعدة.
اللحام الذاتي : Subjective Welding
هو الطريقة التي بمقتضاها توصل قطعتان من معدن واحد بواسطة صهر حافتيهما ، ويستعان في ذلك بسلك لحام إضافي من نفس المعدن المراد لحامه ، والغرض من هذا اللحام تكوين قطعة متماسكة يكون موضع اللحام فيها نفس خواص المعدن الملحوم ، من حيث الخواص الكيمائية أو الميكانيكية.
وقد ظل مفهوم اللحام الذاتي لمدة طويلة قاصراً على اللحام بالأكسي إستيلين فقط ، ولكنه أصبح الآن يشمل على جميع طرق اللحام بالصهر … كاللحام بالقوى الكهربائية واللحام بالسائل (الثرميت) ، طالما أن القطعتين المراد وصلهما والمعدن الإضافي المستخدم (السلك أو السائل) من نفس المادة.
اللحام غير الذاتي : Non-subjective Welding
يختلف طريقة هذا اللحام عن طريقة اللحام الذاتي في أن الحواف المراد لحامها لا تصهر بل تسخن فقط ، وإن سلك اللحام المساعد يكون من معدن آخر يختلف عن المعدن المراد لحامه ، كما أن درجة حرارة انصهاره أقل من درجة حرارة انصهار المعدن.
تستخدم هذه الطريقة في لحام المعادن التي تغير خواصها وتتلف إذا تعرضت لدرجات حرارة عالية أثناء اللحام ، ومن أمثلة ذلك … اللحام بالبرونز واللحام بالقصدير . ومن البديهي أن الوصلة الناتجة بهذه الطريقة لا تتمتع بنفس الخواص الكيمائية والميكانيكية لمعدن طرفي الوصلة.
لحام الصهر: Fusion Welding
يحتاج هذا النوع من اللحام إلى طاقة كبيرة للتغلب على تماسك ذرات طرفي الوصلة حتى يمكن لها التداخل الأجزاء المراد لحامها مع بعضها البعض ، بحيث تحقيق الوصل الذري.
يستخدم في هذا اللحام طاقة حرارية كافية لتسخين وصهر طرفي الجزء المطلوب لحامه ، ويمكن أن تكون الطاقة الحرارية المطلوبة من أي مصدر ، فهي إما أن تكون مصادر كيمائية أو من مصادر كهربائية أو ضوئية مثل اللحام بالقوى الكهربائية باستخدام الطاقة الكهربائية ، ونركز الضوء على أكثر هذه الأنواع شيوعاً وهو اللحام بمصدر حراري كيمائي.
لحام الصهر بمصدر حراري كيميائي :
يتم في هذه الطريقة لحام وتوليد الحرارة اللازمة لصهر طرفي الوصلة من تفاعل كيميائي طارد للحرارة ويتم ذلك بين وقـود (هيدروكربوني) جامد أو سائل أو غازي أو أكسوجين منفرد ، ويختار في هذا المجال أنواع الوقود التي تعطي مقداراً كبيراً من الحرارة في زمن قصير (معدل تولد مرتفع للحرارة) ، لتيسير تركيز الحرارة عند طرفي الوصلة قبل تسربها بسبب قابلية التوصيل الحراري المرتفع للمعادن.
ومن أهم أنواع الوقود المستخدمة هو غاز الإستيلين (الذي يمثل أهم وقود) ، حيث أنه يولد أعلى درجة حرارة بالمقارنة مع أنواع الوقود الغازية الأخرى ، ولما كان غاز الإستيلين يمثل أهم أنواع الوقود في عمليات اللحام ، فإنه سيولى عناية خاصة في هذا الباب.
تصنيف عمليات اللحام :
يمكن تصنيف عمليات وصل المعادن عن طريق عمليات اللحام المختلفة من حيث أسلوب اللحام إلى نوعين هما :-
أولا : اللحام بالصهر Fusion Welding
في عمليات اللحام بالصهر تستخدم مادة إضافية للحشو لملئ الفراغ المجهز بين الجزأين المراد وصلهما ، بحيث تكون مادة الحشو غالباً من مادة مماثلة لنوع معدن الأجزاء المراد لحامها ولها نفس الخواص.
ولإجراء عمليات اللحام بالصهر تسخن منطقة اللحام ، وكذلك مادة الحشو حتى تصل درجة الحرارة إلى درجة الانصهار ، عندئذ تنصهر مادة الحشو وتتساقط لتملأ الفراغ المجهز بالجزئين المراد لحامهما ، مختلطة مع المعدن المنصهر في منطقة التسخين . وتتم عملية الوصل باللحام عند تجمد المادة المنصهرة بمنطقة التسخين.
طرق اللحام بالصهر : Ways Of Fusion Welding
توجد طرق مختلفة لعمليات اللحام بالصهر ، ويمكن تصنيفها حسب مصدر الطاقة الحرارية المستخدمة في تسخين الأجزاء المراد لحامها إلى الأنواع التالية :-
1. لحام الغاز.
2. لحام القوس الكهربائي.
3. لحام الكهرباء بالقوس المغمور.
4. لحام الثرميت.
ثانيا : اللحام بالضغط والحرارة Heat Pressure Welding
تعتمد هذه الطريقة على تسخين الأجزاء المراد وصلها باللحام حتى تصل إلى حالة التعجن ، ثم تتعرض منطقة التسخين إلى الضغط ، حيث يتم وصل الأطراف باللحام.
تتميز هذه الطريقة بعدم استخدام مواد حشو ، وبالتالي ضمان عدم تغيير التركيب الكيميائي لأطراف وصلة اللحام.
طرق اللحام بالضغط والحرارة :
توجد طريقتين أساسيتين للحام بالضغط والحرارة وهما كالآتي : -
1. لحام حدادة.
2. لحام المقاومة الكهربائية.
اللحام بغازات الاحتراق
Gas Welding
تستخدم الغازات بصفة خاصة في وصل المعادن المتشابهة التي يتراوح سمكها ما بين 2 إلى 50 ملليمتر ، وأيضا للحالات التي يتعذر فيها الوصول بسهولة إلى مواضع الوصلات المراد لحمها.
في هذا الأسلوب تصهر الأطراف عند المواضع المراد وصلها بواسطة لهب غازي ناتج عن احتراق غاز مختلط مع أكسوجين نقي ، حيث تصل حرارة اللهب إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية ، وقد يستخدم الهواء بدلا من الأكسوجين في حالة لحام الرصاص .
يفضل في أسلوب اللحام بالغاز استخدام الاستيلين أو الهيدروجين وقودا غازياً ، كما قد يستخدم أحد غازات الاحتراق الأخرى مثل غاز الاستصباح – غاز المدن – غاز الميثان – غاز البرويان – بخار البنزين.
الجدول التالي يوضح مجالات استخدام غازات الوقود المختلفة ، كما يوضح أهمية غاز الاستيلين وتميزه على الغازات الأخرى.
جدول
مجالات استخدام غازات الوقود المختلفة
[CENTER][CENTER]غاز الوقود
درجة حرارة اللهب بالدرجة المئوية
أقصى تخانة للوح الصلب بالملليمتر لتناسب الغاز[/center]
غاز المدن
[CENTER]1700
3[/center]
الهيدروجين
[CENTER]1900
7 [/center]
الميثان
[CENTER]2000
7[/center]
الغاز المائي
[CENTER]2300
8[/center]
بخار البنزين
[CENTER]2700
12[/center]
الإستيلين
[CENTER]3200
50[/center]
[/center]
لمحة تاريخية عن الإستيلين :
غاز الأستيلين هو ناتج عن تركيب كيميائي لعنصرين هما الكربون والهيدروجين ، وقد اكتشفه لأول مرة أدموند ديفي في عام 1835 ميلادية ، لكن طريقته في تصنيع الغاز كانت بطيئة جدا ، هذا بالإضافة إلى تكاليفها المرتفعة.
وفي عام 1892 م ، أجرى المخترع الكندي توماس.ل.ويلسون تجارب في ورشته من خلال تسخين حجر جيري مع فحم الكوك في فرن كهربائي . وانتهت تجربته بالفشل ، وعندما أفرغ النفاية في وعاء صغير خلف ورشته ، حدثت حالات تلوث عن تسرب غاز ، وقد كان الغاز المتسرب ناتج عن تفاعل بين عناصر نفاية التجارب ، وتبين أن هذا الغاز هو غاز الاستيلين ، وبهذه الصدفة تم اكتشاف طريقة غير مكلفة لتصنيع غاز الاستيلين.
اللحام بغاز الاكسي إستيلين : Oxy – Acetylene Welding
اللحام بالغاز يسمى أيضا اللحام الذاتي ، حيث تنصهر المعادن عند موضع اللحام بلهب شديد الحرارة لأحد غازات الاحتراق مثل الاستيلين – الهيدروجين – البروبين – الغاز الطبيعي (غاز الاستصباح).
ويستخدم في اللحام غاز الاستيلين بالدرجة الأولى وذلك لمميزاته العديدة مثل ارتفاع شدة حرارة لهبه – ارتفاع سعته الحرارية – فضلا عن سهولة تحضيره وانخفاض تكاليفه.
تصهر الأجزاء المراد وصلها باللحام باستخدام اللهب الناتج عن احتراق خليط غاز الاستيلين والأكسوجين . ويسمى اللحام في هذه الحالة بلحام الاكسي استيلين . تصل درجة الحرارة المتولدة من هذا الخليط إلى حوالي 3300˚م.
تجري عملية اللحام بإعداد أطراف الأجزاء المراد وصلها بالشكل المطلوب ، وتنظيفها جيدا ، ثم يسخن موضع اللحام حتى ينصهر المعدن المعرض له ، وحينئذ يضاف سلك حشو من مادة تشبه المعدن الأصلي على هيئة سيخ لحام ينصهر طرفه كما هو موضح بالشكل التالي من خلال شدة حرارة اللهب ، حيث ينصهر طرف سلك اللحام ويختلط مع المعدن المنصهر حتى يمتلئ الفراغ المجهز في منطقة اللحام.
يبعد اللهب وتترك وصلة اللحام حتى تتجمد ، بذلك يتم وصل الأجزاء المراد لحامها اتصالا دائماً … أي بوصلة اللحام المطلوبة.
1. معدن اللحام المتجمد.
2. معدن الشغلة الأساسي.
3. معدن اللحام المنصهر.
4. المخروط المضيء … يسمي أيضاَ بمنطقة النواة ، أو بالشمعة المضيئة ، أو بالسهم المضيء.
5. فوهة المشعل.
6. غلاف اللهب.
7. سلك اللحام.
8. اتجاه اللحام.