لحام المعادن
لحام المعادن بالضغط
إن تقانة اللحام لا تقتصر في الوقت الحاضر على المعادن فحسب، وإنما تتعداها إلى المواد غير المعدنية (كالزجاج واللدائن وغيرها) وصولاً إلى لحام مواد مختلفة التركيب والخواص مع بعضها (مواد معدنية مع مواد غير معدنية). ورغم كل هذا يبقى لحام المعادن أكثر تقانات اللحام استخداماً وخاصة ً عند صناعة أجزاء الآلات والإنشاءات بمختلف أنواعها لذلك سنتناول في هذا المقال تقانة لحام المعادن وتصنيفاتها واساليبها المتنوعة وللبدء بكل هذا يجب علينا أولا معرفة المفهوم الفيزيائي لعملية اللحام والارتباط المعدني.
إن الهدف الأساسي لعملية اللحام هو إيجاد ارتباط بين سطوح القطع المعدنية ويتم هذا الارتباط بروابط معدنية تختلف عن الروابط المعروفة لدينا (التكافؤية، الايونية ، الجزيئية)
فالروابط المعدنية تنشأ بواسطة قوى التجاذب الكهروستاتيكية التي تتشكل بين الايونات الموجبة والالكترونات الحرة السالبة.
يتم تصنيف أنواع اللحام وفق مجموعتين هما مجموعة لحام الضغط ومجموعة لحام الصهر وتتفرع كل مجموعة إلى عدة أنواع وفق المخطط التالي ،حيث سنناقش في هذا المقال مجموعة لحام الضغط
مجموعة اللحام بالضغط :
1. اللحام على البارد Cold welding : تم اكتشاف اللحام على البارد بعد إطلاق مركبة هابل الفضائية حيث عند وصولها إلى الفضاء تم إلتحام أجزاء منها عاقت عملية استمداد الطاقة من المظلة الشمسية وعند توجه الفرق لإصلاحها وجدوا إن بعض قطع المظلة الشمسية المعدنية إلتحمت.
يكمن السبب وراء هذا إلى اندماج ذرات المعادن قليلة الاكسدة ببعضها البعض بروابط معدنية نتيجة زوال الطبقة المؤكسدة من على الأجزاء الملتحمة نتيجة الاهتزازات وغياب إعادة تشكل هذه الطبقة في الفضاء لغياب وجود الاكسجين والغلاف الجوي (وجود خلاء) وبالتالي تحقق شروط الترابط المعدني (ذرات قريبة من بعضها البعض +غياب الطبقة المؤكسدة المعيقة من على سطح المعدن) وبالتالي هذا اللحام يتم في الخلاء عند زوال الطبقة المؤكسدة من على الأجزاء المراد لحامها بشرط قربها من بعضها البعض.
2. اللحام الإنفجاري Explosive welding :
يتم هذا النوع من اللحام عند لحام القطع المعدنية الكبيرة جداً ذات الأسطح الواسعة المراد وصلها مع بعضها والتي تكون سماكتها كبيرة ،تتم عملية اللحام هذه على المعادن التي لا يمكن ربطها بعمليات اللحام التقليدية، ومن أجل لحام صفائح الألمنيوم الكبيرة مع الفولاذ المقاوم للصدأ، وكذلك لتغطية صفائح الفولاذ الكربوني بطبقة قليلة السماكة من مادة مقاومة للتآكل, نستطيع من خلال هذا النوع من اللحام وصل شريحة واسعة من المواد مع بعضها البعض تصل إلى أكثر من 260 مادة.
تتم عملية اللحام هذه بدقة ووفق طبقات معينة يتم وضعها بالترتيب للحصول على أفضل وصلة لحام وهي بالترتيب من الأسفل إلى الأعلى :
1- Backer plate أو لوحة الدعم : تعد هذه الطبقة من أهم الطبقات التي توفر دعم وتثبيت لوحة الأساس Base plate عند الإنفجار وذلك لمنع حدوث أي تشوه.
2- Base Plate أو لوحة المعدن الأساس :وهي طبقة إحدى المعادن المراد لحامها وتوضع كطبقة أساس وذلك لثقلها و لكبر ابعادها بالمقارنة مع الطبقة الأُخرى من المعدن المراد لحامها معها.
3- Standoff distance أو المسافة الفاصلة :وهي فجوة بين طبقة الأساس وطبقة المعدن الآخر المراد لحامه لها دور مهم في تشكيل الوصلة اللحامية.
4- Flyer plate أو طبقة المعدن الثانية : وهي طبقة المعدن الأخف التي لها مقاومة شد أخف من مادة معدن الأساس ويتم وضعها بشكل موازي أو مائل بزاية تبعاً لنوع الوصلة اللحامية المراد إنتاجها.
5- Buffer plate اللوحة العازلة: يتم وضعها بين طبقة المتفجرات وطبقة المعدن الأخف أو flyer plate حيث تمنع هذه الطبقة حدوث أي ضرر قد يلحق بطبقة ال flyer وتقلل من تأثير الإنفجار.
6-طبقة المتفجرات :تتوضع هذه الطبقة في الأعلى وتتكون من خليط من المتفجرات أهمها( TNT(TriNitroTolune ويتم وصل صاعق في أحد أطراف هذه الطبقة لتفجير عن بعد.
آلية العمل
أولا يتم تنظيف سطحي اللحام من الطبقة المتأكسدة وذلك للحصول على نوعية لحام جيدة ثم يتم ترتيب الطبقات كما ذكرنا بالأعلى
عند التفجير بإشعال الصاعق عن بعد يُحدِث الإنفجار موجة ضغط كبيرة جداً مع حرارة متوسطة تؤدي هذه الموجة إلى تسريع لوحة النشر في أثناء انطباقها إلى سرعة فوق صوتية معينة فتبدأ هذه الطبقة بالإلتحام مع طبقة الأساس تدريجيا من بداية نقطة الإنفجار وحتى كامل سطح اللحام مم يؤدي إلى تشوه هذه الطبقة وتكوّن رابطة معدنية أقوى من نوع المعدن الأساسي ولا يؤثر هذا الإنفجار على خواص المعدن كون هذه العملية تستغرق أقل من ثانية.
3. اللحام الإحتكاكي :
يعد اللحام الإحتكاكي من أبرز أنواع اللحام المستخدم في المنشآت الصناعية الثقيلة كونه لا يتطلب العديد من الأجهزة المعقدة وكذلك لإنه يوفر لحام مجموعة واسعة من القطع الميكانيكية الدورانية و العادية.
إن مبدأ عملية اللحام هذه تعتمد بشكل أساسي على الإحتكاك بين معدنين لهما شروط وخواص معينة قد يكونان من نفس النوع وقد يختلفان وأبرز أنواع هذا اللحام هي :
أ) - لحام الاحتكاك الدوراني: يتم هذا النوع من اللحام على الاشكال الإسطوانية المصمتة وعلى الأنابيب حيث يتم تثبيت أحد القطعتين المراد لحامها على آلة التدوير والقطة الأخرى على منصة تثبيت وفق محور واحد لكلا القطعتين اي قطعة تدور والأخرى تبقى ثابتة أو قد تكون كلا القطعتين في حالة دوران في بعض الحالات ومع بدء عملية التدوير لأحد القطعتين يتم دفع احد القطعتين بإتجاه الأخرى بقوة ثابتة ثم في نهاية عملية اللحام عندما تصل درجة حرارة منطقة الإحتكاك إلى درجة حرارة الأنصار يتم تطبيق قوة كبيرة جدا ينطبق منحاها على محور أحد الإسطوانتين.
ب) -لحام الإحتكاك الخطي : في هذا النوع يكون مقطع كلا القطعتين المراد لحامهما بشكل مستطيل أو مربع حيث تتم هذه العملية بحركة ترددية وفق مطال معين لأحد القطعتين وبثبات القطعة الأخرى مع تطبيق قوى محورية من كلا طرفي القطعتين عمودية على سطح اللحام وبتسريع الحركة الخطية وزيادة قوة الضغط ترتفع حرارة سطح الإحتكاك وتبدأ منطقة اللحام بالتشكل.
ج) - لحام الدمج الإحتكاكي Friction stir welding : يعد هذا النوع من اللحام دمج بين النوعين السابقين إلى حد ما حيث تتم عملية اللحام هذه بدوران أداة معدنية دورانية التصميم تنتهي بقطر محدد بسرعة كبيرة على الخط الفاصل بين قطعتين مراد لحامهما حيث يتم تثبيت هاتين القطعتين وتحريكهما بشكل خطي بعملية تشبه عملية التفريز ولكن هنا سرعة الدوران الكبيرة للأداة واحتكاكها مع ذرات القطعتين المراد لحامهما يؤدي إلى تشكل منطقة حرارية حول هذه الأداة ومع الدوران فإن ذرات المعدنين تندمج وتخطلت مشكلة وصلة لحامية ذات صفات جيدة جداً ذات سطح ناعم.
4. اللحام بالتماس الكهربائيّ (لحام المقاومة) :
يصنف هذا النوع من اللحام تحت أنواع اللحام بالضغط إذ يتم تسخين القطع المراد لحامها بتمرير تيار كهربائي عبرها مع أحداث انفعالات لدنة في منطقة تماس القطعتين ويتم ذلك بتسليط قوة ضغط خارجية على هاتين القطعتين.
يتميز هذا النوع من اللحام بالانتاجية الكبيرة والمستوى الدقيق في الأتمتة لآلات اللحام وكذلك بجودة الوصلات اللحامية الناتجة.
ويقسم هذا النوع من اللحام إلى ثلاث انواع تبعا لطريقة اللحام وفق:
1)-لحام التماس التناكبي :
يتم في هذه الطريقة لحام كامل مساحة التماس بين القطعتين وتصنف هذه الطريقة باللحام تبعا لحالة المعدن في منطقة اللحام إلى قسمين :
أ- لحام التماس بالمقاومة : تقوم آلة بهذا النوع؛ حيث يتم تثبيت القطعتين المراد لحامهما في فكوك الآلة وتتصل هذه الفكوك بمنبع التغذية الكهربائي بشرط أن يكون أحد الفكوك قابلاً للحركة يتم من خلاله تطبيق قوة ضغط من خلاله على القطعة الأخرى الموجودة في الفك.
عند تمرير التيار الكهربائي ينتقل هذا التيار من الفكوك إلى القطعتين ومن ثم إلى منطقة التماس حيث تبدأ عملية التسخين وبعد وصول درجة الحرارة الى درجة قريبة من درجة الأنصار يتم تطبيق قوى افقية على الفك المتحرك تؤدي إلى انتقال معين ومنه تشكل انفعالات لدنة في منطقة اللحام وبالتالي تشكل الوصلة اللحامية.
ب-لحام التماس بالصهر : يتم في هذه الطريقة تقريب القطعتين من بعضهما ببطء مع تسليط قوة ضغط صغيرة بشرط أن تكون محولة اللحام في وضع التشغيل.
تنبدا حواف القطعتين بالانصهار نتيجة التماس بين بعضها حيث تتشكل طبقة كاملة من المعدن المنصهر تُضغط إلى خارج منطقة التناكب جارفة معها القشور الاكسيدية وبالتالي نحصل على الوصلة اللحامية.
2)- لحام التماس النقطي : في هذه الطريقة يتم اللحام في نقاط تماس معينة وليس على كامل المقطع ولذلك يتم جمع القطعتين بشكل تراكبي ثم تضغط هاتين القطعتين بالالكترودات التي تقوم بذات الوقت بنقل التيار الكهربائي إلى القطع من محولة اللحام.
حيث بتشغيل محولة اللحام يتم تسخين القطع بتيار كهربائي ذي نبضات قصيرة حتى تظهر نواة النقطة اللحامية وبعد ظهورها تتم المحافظة على قوة الضغط مدة زمنية بعد قطع التيار الكهربائي ليتبلور المعدن المنصهر الموجود في النواة اللحامية بتأثير القوى الضاغطة.
3)-لحام التماس التدريزي : تتشكل بهذه الطريقة الوصلة اللحامية المستمرة نتيجة لوضع نسق متتابع من نقاط اللحام؛ حيث تغطي كل نقطة لحام جزء من سابقتها.
تستخدم في هذا النوع من اللحام الالكترودات القرصية الدورانية لإيصال التيار الكهربائي إلى القطع المراد لحامها وكذلك من أجل توفير حركة هذه القطع و لتأمين قوة الضغط المناسبة.
يتم جمع القطعتين بشكل تراكبي ويتم تسخين هذه القطع بتيار كهربائي دون استخدام أي وسائط لحماية المعدن.
ويقسم إلى نوعين تبعاً لوضع الالكترودات في أثناء مرور التيار الكهربائي
أ-اللحام التدريزي المستمر:
يمر التيار الكهربائي عندما تكون الالكترودات في حالة حركة دورانية.
ب-اللحام التدريزي المتقطع:
يمر التيار الكهربائي عندما تكون الالكترودات ثابتة بدون حركة.
5. اللحام بالإهتزازات فوق الصوتية:
تعد هذه التقنية من اللحام من التقنيات السريعة والسلة التي لا تتطلب الكثير من العمليات والخطوات للقيام بها حيث يقوم بها جهاز خاص يقوم بتحويل الترددات العالية للتيار التي يصدرها المحول إلى اهتزازات ميكانيكية ومن ثم يتم تضخيم هذه الاهتزازات من قبل مضخم يوجد داخل الجهاز لتصبح اهتزازات فوق صوتية.
تتم عملية اللحام في هذه التقنية بسبب الاهتزاز السريع جدا وفق مطال صغير جدا لذرات القطعتين المراد لحامهما والذي يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة منطقة التماس وبالتالي ارتباط القطعتين المراد لحامهما في تلك المنطقة المعرضة للاهتزازت.
6. اللحام بالغاز والكبس :
تشبه آلية هذا اللحام إلى حد ما آلية لحام التماس الكهربائي ولكن هنا تتم عملية رفع درجة الحرارة عن طريق مصدر حراري غازي حيث يتم تطبيق قوة ضاغطة على منطقة اللحام ومن ثم تبدأ عملية التسخين باللهب الغازي وعند تشكل النواة اللحامية يتم إيقاف اللهب ولكن تستمر عملية الضغط لكي يتبلور المعدن تحت تأثير القوة الضاغطة.
7. اللحام بالانتشار :
يعود تاريخ هذا اللحام إلى آلاف السنين وإلى الآن يستخدم في الصناعات الحديثة والدقيقة.
تم استخدامه في الزمن الماضي بشكل كبير وذلك لتغشية المواد المختلفة بالذهب حيث كان يتم وضع طبقة من الذهب الرقيق على النحاس أو الخشب أو اية مادة أخرى و كانت تتم هذه العملية بتطبيق اجهادات لدنة صغيرة على سطح المعدن ومن ثم التسخين بفرن حراري لكي تصبح الرابطة أقوى.
اما الآن يستخدم هذا النوع من اللحام في الصناعات الفضائية وذلك من أجل ربط القطع التي لا يمكن اذابتها يسبب مقاومتها الحرارية الكبيرة جداً مثل (التيتانيوم والتنجستين.... إلخ.).
تتم هذه العملية في غرفة محكمة الإغلاق مفرغة من الهواء تماماً وذلك لتجنب عمليات الاكسدة بعد تنظيف طبقتي القطعتين جيداً.
تتم عملية رفع درجة الحرارة عن طريق تيار كهربائي ذو تردد عالي حتى تصل إلى 75% من درجة حرارة انصهار المعدنين.
يتم تطبيق الاجهادات بشكل صغير بواسطة المكابس الهيدروليكية تتدريجياً حتى تبدأ الطبقة الميكروية لهذين المعدنين بالتلاصق والاندماج حتى الوصول إلى الاندماج التام؛ حيث هذا الاندماج يتم بين التشوهات على سطحي المعدنين الموجودة على المستوى الميكروي كما في الشكل حيث تبدأ كل طبقة بتاخمة حدود الأخرى حتى ترتبط فيها بشكل كامل.
وهكذا نكون قد وصلنا إلى نهاية المقال بتحدثنا وشرحنا عن جميع أنواع اللحام بالضغط وتشعباتها.
في المقالات القادمة سنتحدث عن مجموعة اللحام بالصهر وجميع أنواعها.
شكراً للقراءة.
تعليقات
إرسال تعليق