لحام القوس: المبادئ والتقنيات والتطبيقات في انضمام الفولاذ

التعريف والمفهوم الأساسي

لحام القوس هو عملية أساسية لربط المعادن تستخدم قوسًا كهربائيًا لتوليد الحرارة اللازمة لدمج مكونات الصلب. يتضمن إنشاء اتصال كهربائي بين القطب الكهربائي وقطعة العمل، مما يخلق قوسًا مكثفًا ومحليًا يذوب المواد الأساسية ومواد التعبئة (إذا تم استخدامها)، مما يشكل رابطة معدنية عند التصلب. تتميز هذه العملية بكثافة الطاقة العالية، مما يمكّن من لحام أقسام الصلب السميكة والهندسات المعقدة.

أساسًا، يعمل لحام القوس على مبادئ التوصيل الكهربائي والديناميكا الحرارية والتحول المعدني. ينتج القوس الكهربائي، المستمر بين القطب الكهربائي وقطعة العمل، درجات حرارة تتجاوز 3000 درجة مئوية، وهو ما يكفي لذوبان الصلب ومواد التعبئة. تعتمد العملية على معلمات كهربائية مضبوطة للحفاظ على قوس مستقر، مما يضمن إدخال حرارة متسقة وجودة لحام.

ضمن التصنيف الأوسع لطرق ربط الصلب، يتم تصنيف لحام القوس كطريقة لحام انصهارية. على عكس الربط الميكانيكي أو اللاصق، يتضمن اللحام الانصهاري ذوبان المواد الأساسية لإنشاء وصلة معدنية مستمرة. يشمل لحام القوس أنواعًا فرعية مختلفة، بما في ذلك لحام القوس المعدني المحمي (SMAW)، ولحام القوس المعدني الغازي (GMAW)، ولحام القوس التنجستي (GTAW)، كل منها يتميز بمصادر الطاقة وأنواع الأقطاب وطرق الحماية الخاصة بها.

أساسيات العملية والآليات

مبدأ العمل

في جوهره، يتضمن لحام القوس تمرير تيار كهربائي عبر القطب الكهربائي وقطعة العمل، مما يولد قوسًا يوفر حرارة محلية مكثفة. يتم تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية عبر التسخين المقاوم، بشكل أساسي من خلال تأثير جول. تتسبب درجة حرارة القوس العالية في ذوبان أسطح الصلب، مما يشكل بركة منصهرة تتصلب عند التبريد لتشكل رابطة معدنية.

عادةً ما تكون مصدر الطاقة عبارة عن وحدة تيار مباشر (DC) أو تيار متردد (AC)، توفر مستويات تيار وجهد مضبوطة. تعتمد استقرار القوس على معلمات مثل شدة التيار، والجهد، وزاوية القطب، وسرعة السفر. تحمي الغازات الحامية أو الطلاءات من بركة اللحام المنصهرة من التلوث الجوي، مما يمنع الأكسدة ويضمن سلامة اللحام.

تبدأ سلسلة تحويل المواد ببدء القوس، تليها ذوبان المعدن الأساسي ومواد التعبئة (إذا تم استخدامها). مع تبريد البركة المنصهرة، يحدث التصلب، مما يؤدي إلى الترابط المعدني. تتضمن العملية ديناميات تدفق حراري معقدة، مع توصيل الحرارة إلى المعدن الأساسي والحرارة داخل البركة المنصهرة، مما يؤثر على البنية المجهرية والخصائص الميكانيكية للحام.

ديناميات تشكيل الوصلات

على المستوى المجهرى، يتضمن تشكيل الوصلات إنشاء منطقة انصهار (FZ) حيث ذابت المعادن الأساسية ومواد التعبئة (إذا كانت قابلة للتطبيق) وتصلبت. تبرد المعادن المنصهرة وتتصلب بنمط مميز، غالبًا ما تحكمه التدرجات الحرارية ومعدل التصلب. تتكون البنية المجهرية الناتجة عادةً من هياكل شجرية أو خلوية، مع مراحل مثل الفريت، والبيرلايت، أو المارتنسيت اعتمادًا على ظروف التبريد.

تحدث الروابط المعدنية من خلال عمليات التصلب والانتشار، مما يؤدي إلى واجهة مستمرة خالية من الفراغات أو الانقطاعات. تشمل الجوانب الديناميكية الحرارية تقليل الطاقة الحرة أثناء التصلب، مما يفضل تشكيل مراحل وهياكل حبيبية مستقرة. تؤثر العوامل الحركية، مثل معدل التبريد وإدخال الحرارة، على حجم الحبيبات، وتوزيع المراحل، والضغوط المتبقية.

تشمل الآليات الرئيسية دورة الذوبان والتصلب السريعة، والتي يمكن أن تسبب تباينًا مجهرًا. يضمن التحكم المناسب في إدخال الحرارة ومعدلات التبريد خصائص مرغوبة، مثل المتانة ومقاومة التآكل، في منطقة اللحام.

متغيرات العملية

يشمل لحام القوس عدة متغيرات رئيسية، كل منها مصمم لتطبيقات ومتطلبات مواد محددة:

• لحام القوس المعدني المحمي (SMAW): يستخدم قطبًا استهلاكيًا مغطى بالطلاء، مما ينتج غاز حماية وخبث لحماية بركة اللحام. إنه محمول ومتعدد الاستخدامات، مناسب للإصلاحات الميدانية وأقسام الصلب السميكة.

• لحام القوس المعدني الغازي (GMAW): يستخدم قطبًا سلكيًا يتم تغذيته باستمرار وغاز حماية خام أو نشط، مما يوفر معدلات ترسيب عالية وإمكانية الأتمتة. يُستخدم على نطاق واسع في التصنيع والبناء.

• لحام القوس التنجستي (GTAW): يستخدم قطبًا تنجستي غير استهلاكي مع مادة تعبئة منفصلة، مما يوفر تحكمًا دقيقًا ولحامات عالية الجودة. يُفضل للتطبيقات الحرجة التي تتطلب الحد الأدنى من العيوب.

• لحام القوس الغاطس (SAW): يتميز بقطب استهلاكي يتم تغذيته باستمرار تحت غطاء من الطلاء الحبيبي، مما يمكّن من معدلات ترسيب عالية للأقسام السميكة في البيئات الصناعية.

أدى التطور التكنولوجي من العمليات اليدوية المعتمدة على القضبان إلى الأنظمة الآلية والروبوتية، مما يحسن من الاتساق والسلامة والإنتاجية. تستمر التطورات في مصادر الطاقة وأنظمة التحكم والمواد الاستهلاكية في تحسين قدرات لحام القوس.

المعدات ومعلمات العملية

المكونات الرئيسية للمعدات

تشمل المعدات الأساسية للحام القوس مصدر الطاقة، ومسدس اللحام أو حامل القطب، والأجهزة المساعدة مثل مغذيات الأسلاك أو أنظمة توصيل الغاز. يوفر مصدر الطاقة المعلمات الكهربائية اللازمة، مع ميزات مثل التيار القابل للتعديل، والجهد، والتحكم في استقرار القوس.

يوجه مسدس اللحام أو حامل القطب القطب، وفي بعض المتغيرات، يوفر غازات الحماية. على سبيل المثال، في GMAW، تعتبر مغذية السلك وفوهة الغاز مكونات أساسية، تضمن توصيل القطب بشكل مستمر والحماية المناسبة. في GTAW، يتضمن المسدس حاملًا للقطب التنجستي مع تحكم دقيق في موضع القطب.

تم دمج قدرات الأتمتة من خلال أنظمة اللحام الروبوتية، ووحدات التحكم القابلة للبرمجة، وأجهزة الاستشعار التي تراقب معلمات مثل طول القوس، والتيار، ودرجة الحرارة. تشمل واجهات المشغل لوحات التحكم، والشاشات، وخيارات التشغيل عن بُعد، مما يسهل تحسين العملية.

مصادر الطاقة وأنظمة التوصيل

عادةً ما تكون مصادر طاقة لحام القوس وحدات محول-مقوم، أو أنظمة قائمة على العاكس، أو مولدات مدفوعة بمحركات، تقدم تيارًا مباشرًا أو مترددًا مع معلمات قابلة للتعديل. تتميز الأنظمة الحديثة بالتحكم النبضي، وتعديل شكل الموجة، وواجهات رقمية لتوصيل الطاقة بدقة.

تنظم آليات التحكم التيار والجهد للحفاظ على قوس مستقر، مع التعديل في الوقت الحقيقي لتغيرات في هندسة قطعة العمل أو استهلاك القطب. تشمل ميزات السلامة حماية من الحمل الزائد، واكتشاف الدائرة القصيرة، وأنظمة الإيقاف الطارئ.

تشمل أنظمة الحماية خطوط إمداد غاز الحماية، واستخراج الدخان، وحماية من وميض القوس. يعتبر التأريض والعزل المناسبين أمرين حاسمين لمنع المخاطر الكهربائية وضمان جودة لحام متسقة.

معلمات العملية الحرجة

تشمل المعلمات القابلة للتحكم الرئيسية:

• التيار: يتراوح عادةً من 50 إلى 600 أمبير، اعتمادًا على سمك المادة ونوع العملية. تزيد التيارات الأعلى من