اللحام المطروق

اللحام بالحدادة ، أو ما يُعرف أيضًا باللحام الناري ، هو عملية لحام في الحالة الصلبة ^{[ 1 ]} يتم فيها وصل قطعتين معدنيتين بتسخينهما إلى درجة حرارة عالية ثم طرقهما معًا. ^{[ 2 ]} وقد يشمل أيضًا تسخين المعدنين وضغطهما معًا باستخدام مكابس أو وسائل أخرى، مما يُولّد ضغطًا كافيًا لإحداث تشوه لدني على أسطح اللحام. ^{[ 3 ]} على الرغم من صعوبة هذه العملية، إلا أنها تُعدّ طريقةً لوصل المعادن منذ العصور القديمة، وهي عنصر أساسي في الحدادة التقليدية . ^{[ 4 ]} يتميز اللحام بالحدادة بتعدد استخداماته، إذ يُمكنه وصل مجموعة واسعة من المعادن المتشابهة والمختلفة. مع اختراع اللحام الكهربائي واللحام بالغاز خلال الثورة الصناعية ، تم استبدال اللحام اليدوي بالحدادة إلى حد كبير، على الرغم من أن اللحام الآلي بالحدادة لا يزال عملية تصنيع شائعة.

اللحام بالحدادة هو عملية ربط المعادن بتسخينها إلى درجة حرارة تتجاوز حدًا معينًا، ثم ضغطها معًا بقوة كافية لإحداث تشوه في سطح اللحام، مما يُنشئ رابطة معدنية بين ذرات المعادن. يختلف الضغط المطلوب تبعًا لدرجة الحرارة وقوة وصلابة السبيكة . [ 5 ] ^{يُعد اللحام بالحدادة} أقدم تقنيات اللحام ، وقد استُخدم منذ العصور القديمة.

يمكن تصنيف عمليات اللحام عمومًا إلى فئتين رئيسيتين: اللحام الانصهاري واللحام الانتشار . يتضمن اللحام الانصهاري انصهارًا موضعيًا للمعادن عند أسطح اللحام، وهو شائع في تقنيات اللحام الكهربائي أو الغازي. يتطلب هذا النوع من اللحام درجات حرارة أعلى بكثير من درجة انصهار المعدن لإحداث انصهار موضعي قبل أن تنتقل الحرارة بالتوصيل الحراري بعيدًا عن منطقة اللحام، وغالبًا ما يُستخدم معدن حشو لمنع انفصال المعدن في اللحام نظرًا لارتفاع التوتر السطحي . أما اللحام الانتشار، فيتم فيه وصل المعادن دون صهرها، أي لحام الأسطح معًا وهي في الحالة الصلبة. ^{[ 6 ]}

في لحام الانتشار، غالبًا ما تكون درجة حرارة مصدر الحرارة أقل من درجة انصهار المعدن، مما يسمح بتوزيع الحرارة بشكل أكثر تجانسًا وبالتالي تقليل الإجهادات الحرارية عند منطقة اللحام. في هذه الطريقة، لا يُستخدم عادةً معدن حشو، بل يحدث اللحام مباشرةً بين المعدنين عند سطح التماس. يشمل ذلك طرقًا مثل اللحام البارد ، ولحام الانفجار ، ولحام الحدادة. على عكس طرق الانتشار الأخرى، في لحام الحدادة، تُسخّن المعادن إلى درجة حرارة عالية قبل صهرها معًا، مما ينتج عنه عادةً مرونة أكبر عند أسطح اللحام. هذا يجعل لحام الحدادة أكثر تنوعًا من تقنيات الانتشار البارد، التي تُجرى عادةً على المعادن اللينة مثل النحاس أو الألومنيوم. ^{[ 7 ]}

في لحام الحدادة، يتم تسخين مناطق اللحام بأكملها بالتساوي. ويمكن استخدام لحام الحدادة لمجموعة أوسع بكثير من المعادن والسبائك الصلبة، مثل الفولاذ والتيتانيوم. ^{[ 8 ]}

يعود تاريخ وصل المعادن إلى العصر البرونزي ، حيث كان يتم وصل قطع البرونز ذات الصلابة المختلفة غالبًا عن طريق الصب. وتتمثل هذه الطريقة في وضع قطعة صلبة في معدن منصهر داخل قالب وتركها تتصلب دون صهر المعدنين معًا، مثل وصل نصل السيف بمقبضه أو وصلة رأس السهم برأسه. كما كان اللحام بالنحاس واللحام بالقصدير شائعين خلال العصر البرونزي. ^{[ 9 ]}

بدأت عملية اللحام (ربط جزأين صلبين عن طريق الانتشار) بالحديد. وكانت أول عملية لحام هي اللحام المطروق، الذي بدأ عندما تعلم الإنسان صهر الحديد من خام الحديد ؛ على الأرجح في الأناضول (تركيا) حوالي عام 1800 قبل الميلاد. لم يكن بإمكان القدماء توليد درجات حرارة عالية كافية لصهر الحديد بالكامل، لذا أنتجت عملية الصهر الأولي المستخدمة كتلة (كتلة) من حبيبات الحديد المتلبدة مع كميات صغيرة من الخبث والشوائب الأخرى، والتي تُعرف باسم الحديد الإسفنجي بسبب مساميتها .

بعد الصهر، كان من الضروري تسخين الحديد الإسفنجي فوق درجة حرارة اللحام وتشكيله بالطرق أو "التشكيل". هذا أدى إلى إخراج جيوب الهواء وصهر الخبث، مما جعل حبيبات الحديد على اتصال وثيق لتشكيل كتلة صلبة (قضيب).

عثر علماء الآثار على العديد من القطع المصنوعة من الحديد المطاوع ، والتي تُظهر أدلة على اللحام بالحدادة، ويعود تاريخها إلى ما قبل عام 1000 قبل الميلاد. ولأن الحديد كان يُصنع عادةً بكميات صغيرة، فقد كان لا بد من لحام أي جسم كبير، مثل عمود دلهي ، بالحدادة من قطع أصغر. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

تطورت تقنية اللحام بالحدادة من أسلوب التجربة والخطأ، لتصبح أكثر دقة على مر القرون. ^{[ 12 ]} ونظرًا لضعف جودة المعادن القديمة، شاع استخدامها في صناعة الفولاذ المركب، وذلك بربط الفولاذ عالي الكربون، المقاوم للتشوه ولكنه سهل الكسر، مع الفولاذ منخفض الكربون، المقاوم للكسر ولكنه سهل الانحناء، مما ينتج عنه جسم ذو صلابة وقوة أكبر مما يمكن إنتاجه باستخدام سبيكة واحدة. ظهرت هذه الطريقة في اللحام النمطي لأول مرة حوالي عام 700 قبل الميلاد، واستُخدمت بشكل أساسي في صناعة الأسلحة مثل السيوف؛ ومن أشهر الأمثلة عليها السيوف الدمشقية واليابانية والميروفنجية . [ ^{13 ] [ 14 ] كما} شاع استخدام هذه العملية في صناعة الأدوات، من المحاريث الحديدية المشغولة ذات الحواف الفولاذية إلى الأزاميل الحديدية ذات الأسطح القاطعة الفولاذية. ^{[ 13 ]}

يمكن لحام العديد من المعادن بالحدادة، وأكثرها شيوعًا الفولاذ عالي ومنخفض الكربون . كما يمكن لحام الحديد ، وحتى بعض أنواع الحديد الزهر تحت اليوتكتيكي . ويمكن أيضًا لحام بعض سبائك الألومنيوم بالحدادة. ^{[ 15 ]} أما معادن مثل النحاس والبرونز والنحاس الأصفر ، فلا تُلحم بالحدادة بسهولة. ورغم إمكانية لحام سبائك النحاس بالحدادة ، إلا أن ذلك غالبًا ما يكون صعبًا للغاية نظرًا لميل النحاس لامتصاص الأكسجين أثناء التسخين. ^{[ 16 ]} وعادةً ما يكون من الأفضل لحام النحاس وسبائكه باستخدام اللحام البارد ، أو اللحام الانفجاري ، أو غيرها من تقنيات اللحام بالضغط. أما في حالة الحديد أو الفولاذ، فإن وجود كميات ضئيلة من النحاس يقلل بشكل كبير من قدرة السبيكة على اللحام بالحدادة. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

تُلحم سبائك التيتانيوم عادةً بالتشكيل على البارد. ونظرًا لميل التيتانيوم إلى امتصاص الأكسجين عند انصهاره، فإن رابطة الانتشار في الحالة الصلبة للحام التشكيل على البارد غالبًا ما تكون أقوى من رابطة الانصهار التي يكون فيها المعدن سائلاً. ^{[ 19 ]}

ينتج عن اللحام بالحدادة بين المواد المتشابهة انتشار الحالة الصلبة، مما يؤدي إلى لحام يتكون فقط من المواد الملحومة دون أي مواد مالئة أو رابطة. أما اللحام بالحدادة بين المواد غير المتشابهة فينتج عن تكوّن خليط يوتكتيكي ذي درجة انصهار منخفضة بين المواد، ولذلك يكون اللحام الناتج أقوى في كثير من الأحيان من المعادن الفردية.

تُعدّ طريقة الطرق اليدوي أشهر وأقدم طرق اللحام بالحدادة. تتم هذه الطريقة بتسخين المعدن إلى درجة الحرارة المناسبة، ثم تغطيته بمادة اللحام المساعدة (الفيلوكس)، وتداخل أسطح اللحام، ثم ضرب الوصلة بشكل متكرر بمطرقة يدوية . غالبًا ما تُشكّل الوصلة للسماح بتدفق مادة اللحام المساعدة للخارج، وذلك بشطف أو تقريب الأسطح قليلًا، ثم تُطرق بشكل متتابع نحو الخارج لإخراج المادة. عادةً ما تكون ضربات المطرقة أقل قوة من تلك المستخدمة في التشكيل، مما يمنع خروج مادة اللحام المساعدة من الوصلة عند الضربة الأولى.

عند تطوير المطارق الميكانيكية ، أصبح بالإمكان إجراء اللحام بالحدادة عن طريق تسخين المعدن ثم وضعه بين المطرقة الميكانيكية والسندان. كانت المطارق الميكانيكية الحديثة تعمل في الأصل بواسطة دواليب المياه ، ولكنها تعمل الآن بالهواء المضغوط والكهرباء والبخار ومحركات الغاز وغيرها من الوسائل. ومن الطرق الأخرى اللحام بالحدادة باستخدام قالب ، حيث تُسخّن قطع المعدن ثم تُدفع داخل قالب يوفر الضغط اللازم للحام ويحافظ على شكل الوصلة النهائي. يُعدّ اللحام بالدرفلة عملية لحام بالحدادة أخرى، حيث تتداخل المعادن المسخنة وتُمرر عبر بكرات تحت ضغط عالٍ لتكوين اللحام. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

تُعدّ عمليات اللحام بالحدادة الحديثة مؤتمتة في كثير من الأحيان، حيث تُستخدم الحواسيب والآلات والمكابس الهيدروليكية المتطورة لإنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات من عدد من السبائك المختلفة. ^{[ 22 ]} على سبيل المثال، غالبًا ما تُلحم أنابيب الصلب بالحدادة أثناء عملية التصنيع. تُسخّن الصفائح المعدنية وتُغذّى عبر بكرات مصممة خصيصًا، تعمل على تشكيل الصلب في أنبوب، وتوفر في الوقت نفسه الضغط اللازم للحام الحواف في وصلة متصلة. ^{[ 23 ]}

يُعدّ اللحام الانتشارى طريقة شائعة للحام سبائك التيتانيوم في صناعة الطيران. في هذه العملية، يُسخّن المعدن داخل مكبس أو قالب. وعند تجاوز درجة حرارة حرجة محددة، تختلف باختلاف السبيكة، تحترق الشوائب وتُضغط الأسطح معًا. ^{[ 24 ]}

تشمل الطرق الأخرى اللحام الوميضي واللحام الصدمي . وهما تقنيتان للحام بالتشكيل المقاوم، حيث يتم تزويد المكبس أو القالب بالكهرباء، مما يؤدي إلى تمرير تيار عالٍ عبر السبيكة لتوليد الحرارة اللازمة للحام. ^{[ 25 ]} أما اللحام بالتشكيل المحمي بالغاز النشط فهو عملية لحام بالتشكيل في بيئة تفاعلية مع الأكسجين، لحرق الأكاسيد، باستخدام غاز الهيدروجين والتسخين بالحث . ^{[ 26 ]}

يمكن لحام الحديد وأنواع مختلفة من الفولاذ، وحتى الحديد الزهر، معًا، شريطة أن يكون محتواها من الكربون متقاربًا بما يكفي لتداخل نطاقات اللحام. يمكن لحام الحديد النقي عندما يكون ساخنًا جدًا (يكاد يكون أبيضًا)، أي بين 1400 درجة مئوية (2500 درجة فهرنهايت) و 1500 درجة مئوية (2700 درجة فهرنهايت) . أما الفولاذ الذي يحتوي على نسبة كربون 2.0%، فيمكن لحامه عندما يكون لونه أصفر برتقاليًا، أي بين 900 درجة مئوية (1700 درجة فهرنهايت) و 1100 درجة مئوية (2000 درجة فهرنهايت) . بينما يُلحم الفولاذ العادي، الذي تتراوح نسبة الكربون فيه بين 0.2% و0.8%، عادةً عند درجة حرارة صفراء زاهية. ^{[ 27 ]}        

من أهم متطلبات اللحام بالحدادة تسخين سطحي اللحام إلى نفس درجة الحرارة ولحامهما قبل أن يبردا كثيراً. عندما يصل الفولاذ إلى درجة الحرارة المناسبة، يبدأ بالالتصاق بسهولة بالغة، لذا فإن قضيباً رفيعاً أو مسماراً مسخناً إلى نفس درجة الحرارة سيميل إلى الالتصاق عند أول تلامس، مما يستدعي ثنيه أو ليّه لفكّه.

يجب توخي الحذر لتجنب تسخين المعدن إلى درجة تسببه في إطلاق شرارات نتيجة الأكسدة السريعة (الاحتراق)، وإلا ستكون اللحام رديئة وهشة. ^{[ 28 ]}

عند تسخين الفولاذ إلى درجة حرارة الأوستنة ، يبدأ الكربون بالانتشار عبر الحديد. وكلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد معدل الانتشار. عند هذه الدرجات العالية، يتحد الكربون بسهولة مع الأكسجين لتكوين ثاني أكسيد الكربون ، مما يسهل انتشاره من الفولاذ إلى الهواء المحيط. بنهاية عملية الحدادة، يكون محتوى الكربون في الفولاذ أقل مما كان عليه قبل التسخين. لذلك، تُجرى معظم عمليات الحدادة بأسرع وقت ممكن للحد من فقدان الكربون، ومنع الفولاذ من أن يصبح ليناً للغاية.

للحصول على الصلابة المطلوبة في المنتج النهائي، يبدأ الحداد عادةً بفولاذ ذي نسبة كربون أعلى من المرغوبة. في العصور القديمة، كان الحدادة يبدأ غالبًا بفولاذ ذي نسبة كربون أعلى بكثير من اللازم للاستخدام العادي. وكانت معظم عمليات اللحام بالحدادة القديمة تبدأ بفولاذ فوق يوتكتويدي ، يحتوي على نسبة كربون تتجاوز أحيانًا 1.0%. عادةً ما يكون الفولاذ فوق اليوتكتويدي هشًا جدًا بحيث لا يصلح للاستخدام في المنتج النهائي، ولكن بنهاية عملية الحدادة، كان الفولاذ يحتوي عادةً على نسبة كربون عالية تتراوح بين 0.8% (فولاذ الأدوات اليوتكتويدي) و0.5% (فولاذ النوابض تحت اليوتكتويدي). ^{[ 29 ]}

استُخدمت اللحام بالحدادة على مر التاريخ في صناعة معظم المنتجات من الفولاذ والحديد. وشملت استخداماته كل شيء بدءًا من صناعة الأدوات والمعدات الزراعية وأواني الطبخ، وصولًا إلى صناعة الأسوار والبوابات وزنازين السجون. وفي بدايات الثورة الصناعية، شاع استخدامه في صناعة الغلايات وأوعية الضغط، إلى أن ظهر اللحام الانصهاري . كما شاع استخدامه خلال العصور الوسطى في إنتاج الدروع والأسلحة.

من أشهر تطبيقات اللحام بالحدادة إنتاج الشفرات الملحومة بنقوش . خلال هذه العملية، يقوم الحداد بسحب قطعة من الفولاذ بشكل متكرر، ثم يطويها ويلحمها على نفسها. ^{[ 30 ]} ومن التطبيقات الأخرى صناعة سبطانات البنادق. حيث يُلف سلك معدني على مغزل ، ثم يُطرق ليُشكّل سبطانة رقيقة ومتجانسة وقوية. في بعض الحالات، تُعالج القطع الملحومة بالحدادة بالحمض لإظهار النقش المعدني الأساسي، وهو نقش فريد لكل قطعة ويُضفي عليها جمالًا مميزًا.

على الرغم من تنوعها، كانت لحامات الحدادة تعاني من العديد من القيود. تمثلت إحدى القيود الرئيسية في حجم الأجسام التي يمكن لحامها. فالأجسام الأكبر حجماً تتطلب مصدراً حرارياً أكبر، كما أن حجمها يحد من إمكانية لحامها يدوياً قبل أن تبرد كثيراً. لم يكن لحام القطع الكبيرة، مثل الصفائح الفولاذية أو العوارض، ممكناً في العادة، أو على الأقل غير عملي، إلى أن تم اختراع لحام الانصهار، مما استلزم تثبيتها بالمسامير بدلاً من ذلك. في بعض الحالات، أنتج لحام الانصهار لحاماً أقوى بكثير، كما هو الحال في بناء الغلايات.

تتطلب عملية اللحام بالحدادة أن تكون أسطح اللحام نظيفة للغاية ، وإلا فلن يلتحم المعدن بشكل صحيح، أو قد لا يلتحم على الإطلاق. تميل الأكاسيد إلى التكوّن على السطح، بينما تميل الشوائب مثل الفوسفور والكبريت إلى الهجرة نحو السطح. غالبًا ما يُستخدم عامل مساعد للحام لمنع أسطح اللحام من التأكسد ، مما قد ينتج عنه لحام رديء الجودة، ولاستخلاص الشوائب الأخرى من المعدن. يختلط العامل المساعد للحام مع الأكاسيد المتكوّنة ، مما يخفض درجة انصهارها ولزوجتها . وهذا يسمح للأكاسيد بالتدفق خارج الوصلة عند طرق القطعتين معًا. يمكن تحضير عامل مساعد بسيط للحام من البوراكس ، مع إضافة برادة الحديد المسحوقة أحيانًا. ^{[ 31 ]}

كان أقدم عامل صهر يُستخدم في لحام الحدادة هو رمل السيليكا الناعم . يُسخّن الحديد أو الفولاذ في بيئة مُختزلة داخل فحم الفرن. وبسبب انعدام الأكسجين، تتشكل على سطح المعدن طبقة من أكسيد الحديد تُسمى الوستيت . عندما يسخن المعدن بدرجة كافية، ولكن دون درجة حرارة اللحام، يرش الحداد بعض الرمل عليه. يتفاعل السيليكون الموجود في الرمل مع الوستيت لتكوين الفاياليت ، الذي ينصهر عند درجة حرارة أقل بقليل من درجة حرارة اللحام. ينتج عن ذلك عامل صهر فعال للغاية يُساعد على الحصول على لحام قوي. ^{[ 32 ]}

استخدمت الأمثلة المبكرة للمواد المساعدة على اللحام تركيبات مختلفة وكميات متفاوتة من برادة الحديد ، والبورق ، وملح الأمونيا ، وبلسم الكوبيبا ، وسيانيد البوتاسيوم ، وفوسفات الصودا . ويشير كتاب حقائق وصيغ مجلة ساينتفك أمريكان الصادر عام 1920 إلى سر تجاري شائع يتمثل في استخدام كبريتات النحاس ، ونترات البوتاسيوم ، وملح الطعام ، وأكسيد المنغنيز الأسود ، وبروسيات البوتاسيوم ، و"رمل لحام جيد" (سيليكات).

• لحام الأنماط
• اللحام الاحتكاكي
• لحام المسامير الاحتكاكية