عيب في اللحام

تُعرَّف نقطة التقاء القوس الكهربائي بأنها انقطاع ناتج عن قوس كهربائي، ويتكون من أي معدن منصهر موضعيًا، أو معدن متأثر بالحرارة، أو تغير في شكل سطح أي جسم معدني. ^{[ 6 ]} تؤدي نقاط التقاء القوس الكهربائي إلى تسخين موضعي للمعدن الأساسي وتبريد سريع جدًا. وعندما تقع خارج منطقة اللحام المقصودة، فقد تؤدي إلى تصلب أو تشقق موضعي، وقد تُشكِّل مواقع محتملة للكسر اللاحق. في المنشآت المعرضة لأحمال ثابتة، لا يلزم إزالة نقاط التقاء القوس الكهربائي إلا إذا نصت وثائق العقد على ذلك. أما في المنشآت المعرضة لأحمال دورية، فقد تؤدي نقاط التقاء القوس الكهربائي إلى تركيزات إجهاد تُضر بصلاحية هذه المنشآت للاستخدام، ولذا يجب صقل نقاط التقاء القوس الكهربائي وفحصها بصريًا بحثًا عن الشقوق. ^{[ 7 ]}

التصدع البارد - المعروف أيضًا بالتصدع المتأخر، أو التصدع بمساعدة الهيدروجين (HAC)، أو التصدع الناجم عن الهيدروجين (HIC) - هو نوع من العيوب التي غالبًا ما تتطور بعد تصلب اللحام عندما تبدأ درجة الحرارة بالانخفاض من حوالي 190  درجة مئوية (375  درجة فهرنهايت). تظهر هذه الظاهرة عادةً في درجة حرارة الغرفة، وقد يستغرق ظهورها ما يصل إلى 24 ساعة حتى بعد التبريد الكامل. ^{[ 8 ]} تتطلب بعض المواصفات اختبار الأجسام الملحومة بعد 48 ساعة من عملية اللحام. يُلاحظ هذا النوع من التصدع عادةً في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، خاصةً مع الفولاذ الكربوني ذي قابلية التصلب المحدودة . أما بالنسبة لأنواع الفولاذ الأخرى ذات قابلية التصلب العالية، فقد يحدث التصدع البارد في كل من معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة. يمكن أن ينتشر هذا النوع من التصدع بين الحبيبات وعبرها. ^{[ 9 ]} من العوامل التي قد تُساهم في حدوث التصدع البارد: ^{[ 10 ]}

• كمية الهيدروجين (H2) المذابة في معدن اللحام:

يرتبط الهيدروجين المذاب في معدن اللحام بتقصف الهيدروجين. ويمكن تقليل محتوى الهيدروجين باستخدام مواد استهلاكية خالية منه. في حالة حشو اللحام (خاصةً في لحام القوس المعدني المحمي (SMAW)) المعرض للهواء، يُنصح بتسخين القطب الكهربائي جيدًا لإزالة الرطوبة من التدفق. كما يُعد التسخين المسبق للمادة الأساسية إحدى التقنيات المستخدمة لتحرير الهيدروجين من الجسم المراد لحامه.

• الإجهاد الشدّي المتبقي:

يمكن أن يتسبب الإجهاد الشدّي المتبقي في انتشار الشقوق دون أي إجهاد خارجي. ويمكن تجنب ذلك بتسخين المعدن الأساسي مسبقًا، مما يقلل من معاملات التمدد الحراري المختلفة التي تؤثر على معدل تبريد معدن اللحام. كما يُفضل استخدام معدن حشو ذي مقاومة خضوع منخفضة، لأن مقدار الإجهادات المتبقية قد يساوي مقاومة الخضوع (σ) للمعدن. لذلك، يمكن النظر في استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي أو معدن حشو ذي أساس نيكل نظرًا لطبيعته المطيلية. بالإضافة إلى ذلك، تعمل المعالجة الحرارية اللاحقة للحام (PWHT) على إزالة أي إجهادات متبقية على وصلة اللحام.

• صلابة معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ):

ترتبط الصلابة بهشاشة المادة. ولتقليل الصلابة المفرطة، يمكن تطبيق التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام على الجسم. وتكون قيم الصلابة الأقل من 350 فيكرز أقل عرضة للتشقق. ^{[ 10 ]}

• بنية معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة:

يرتبط التصدع البارد في الفولاذ بتكوّن المارتنسيت أثناء تبريد اللحام. يتميز الهيدروجين بانخفاض ذوبانيته في المارتنسيت، مما قد يؤدي إلى انحباس الغاز داخل اللحام إذا لم يُتخذ الحذر اللازم. تساعد معدلات التبريد البطيئة أثناء عملية اللحام على تجنب تكوّن المارتنسيت. إضافةً إلى ذلك، يعني معدل التبريد البطيء بقاء درجة الحرارة مرتفعة لفترة أطول، مما يسمح بخروج كمية أكبر من الهيدروجين. يُمكن تحقيق معدل تبريد أبطأ باستخدام مدخلات حرارية عالية والحفاظ عليها أثناء اللحام.

يلعب تركيب سبيكة المعدن الأساسي دورًا أساسيًا في احتمالية حدوث تشقق بارد، إذ يرتبط هذا التركيب بقابلية المواد للتصلب. مع معدلات التبريد العالية، يزداد خطر تكوّن بنية صلبة هشة في معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة. تُعبّر قابلية المادة للتصلب عادةً عن محتواها من الكربون، أو عند أخذ عناصر أخرى في الاعتبار، عن قيمتها المكافئة للكربون .

${\displaystyle {\ce {CE_{IIW}= C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15}}}$^{[ 8 ]} (يتم عرض التركيز كنسبة مئوية من الوزن)

ثم، وبناءً على محتوى الكربون (مع وجود عناصر إضافية تؤثر على مؤشر مكافئ الكربون)، يمكن تصنيف الفولاذ إلى ثلاث مناطق، من خلال سلوك التصدع البارد، كما هو موضح في مخطط جرافيل. ^{[ 11 ]}

• تشمل المنطقة الأولى أنواع الفولاذ منخفضة الكربون ومنخفضة السبائك التي يقل محتواها من الكربون عن 0.10%. وتُعتبر المواد التي تقع في هذه المنطقة غير حساسة للتشقق.
• تشمل المنطقة الثانية معظم أنواع الفولاذ الكربوني التي يزيد محتواها من الكربون عن 0.10%. قد يكون الفولاذ في هذه المنطقة عرضةً للتشققات الباردة. في هذه الحالة، يُفضّل استخدام حشو منخفض الهيدروجين وإبطاء معدل التبريد أثناء عملية اللحام.
• تشمل المنطقة الثالثة سبائك الصلب التي يزيد محتواها من الكربون عن 0.10% ولها مؤشر مكافئ كربوني مرتفع. تُعتبر المواد في هذه المنطقة صعبة اللحام لأن تكوّن المارتنسيت أمر لا مفر منه، حتى في ظل التبريد المُتحكم به. لذلك، يلزم اتخاذ إجراءات إضافية، مثل التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام، أثناء عملية اللحام.

تحدث تشققات الحفرة عندما ينقطع قوس اللحام، وتتشكل الحفرة إذا توفرت كمية كافية من المعدن المنصهر لملء تجويف القوس. ^{[ 12 ]}

تُعرف شقوق القبعة بهذا الاسم نسبةً إلى شكل المقطع العرضي للحام، حيث يتسع اللحام عند سطحه. يبدأ الشق من خط الانصهار ويمتد لأعلى عبر اللحام. وعادةً ما يكون سببها زيادة الجهد الكهربائي أو عدم كفاية السرعة. ^{[ 12 ]}

يمكن أن يحدث التصدع الساخن، المعروف أيضًا بتصدع التصلب، في جميع المعادن، ويحدث في منطقة الانصهار للحام. ينبغي تجنب التقييد المفرط في استخدام المواد لتقليل احتمالية حدوث هذا النوع من التصدع، كما ينبغي استخدام مادة حشو مناسبة. ^{[ 13 ]} تشمل الأسباب الأخرى تيار اللحام العالي جدًا، وسوء تصميم الوصلة الذي لا يوزع الحرارة، والشوائب (مثل الكبريت والفوسفور )، والتسخين المسبق ، وسرعة اللحام العالية جدًا، وأقواس اللحام الطويلة. ^{[ 14 ]}

يتشكل الشق تحت اللحام، المعروف أيضًا بشق المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)، ^{[ 15 ]} على مسافة قصيرة من خط الانصهار؛ ويحدث في الفولاذ منخفض السبائك وعالي السبائك . لا تزال الأسباب الدقيقة لهذا النوع من الشقوق غير مفهومة تمامًا، ولكن من المعروف أن وجود الهيدروجين المذاب ضروري لحدوثه. ومن العوامل الأخرى المؤثرة في هذا النوع من الشقوق الإجهادات الداخلية الناتجة عن: الانكماش غير المتساوي بين المعدن الأساسي ومعدن اللحام، وتقييد حركة المعدن الأساسي، والإجهادات الناتجة عن تكوين المارتنسيت، والإجهادات الناتجة عن ترسب الهيدروجين من المعدن. ^{[ 16 ]}

تمتد الشقوق الطولية على طول خرزة اللحام. وهناك ثلاثة أنواع: شقوق التضييق ، وشقوق الجذر ، وشقوق خط المنتصف الكاملة . تكون شقوق التضييق مرئية من السطح وتمتد جزئيًا داخل اللحام. وعادةً ما تنتج عن إجهادات انكماش عالية ، خاصةً في الطبقات النهائية، أو عن آلية التصدع الساخن. تبدأ شقوق الجذر من الجذر وتمتد جزئيًا داخل اللحام. وهي أكثر أنواع الشقوق الطولية شيوعًا نظرًا لصغر حجم خرزة اللحام الأولى. إذا لم يُعالج هذا النوع من الشقوق، فإنه عادةً ما ينتشر إلى طبقات اللحام اللاحقة، وهي الطريقة التي تتشكل بها الشقوق الكاملة (شق من الجذر إلى السطح) عادةً. ^{[ 12 ]}

يُعدّ تشقق إعادة التسخين نوعًا من التشققات التي تحدث في فولاذ HSLA ، وخاصةً فولاذ الكروم والموليبدينوم والفاناديوم ، أثناء التسخين اللاحق. وقد لوحظت هذه الظاهرة أيضًا في الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي. ويعود سبب هذه التشققات إلى ضعف مطيلية الزحف في المنطقة المتأثرة بالحرارة. كما أن أي عيوب أو شقوق موجودة تُفاقم تكوّن التشققات. وتشمل الظروف التي تُساعد على منع تشقق إعادة التسخين المعالجة الحرارية الأولية بنقعها في درجة حرارة منخفضة ثم تسخينها بسرعة إلى درجات حرارة عالية، وصقل أو تشكيل حواف اللحام، واستخدام تقنية اللحام ثنائي الطبقات لتحسين بنية حبيبات المنطقة المتأثرة بالحرارة . ^{[ 17 ] [ 18 ]}

يتشكل الشق الجذري نتيجةً لقصر حبة اللحام عند جذر اللحام (في مرحلة تحضير الحافة) - في بداية عملية اللحام، مع استخدام تيار منخفض في البداية، ومادة حشو غير مناسبة. والسبب الرئيسي لهذا النوع من الشقوق هو التقصف الهيدروجيني. ويمكن التخلص من هذه العيوب باستخدام تيار عالٍ في البداية ومادة حشو مناسبة. أما الشق الطرفي فيحدث نتيجةً لوجود الرطوبة في منطقة اللحام؛ وهو شق سطحي يسهل اكتشافه. ويُعد التسخين المسبق وتكوين الوصلة بشكل صحيح أمرين ضروريين للتخلص من هذه العيوب.

الشقوق العرضية هي شقوق عمودية على اتجاه اللحام. وتنتج عادةً عن إجهادات الانكماش الطولية المؤثرة على معدن اللحام ذي الليونة المنخفضة. أما شقوق الحفرة فتحدث في الحفرة عند توقف قوس اللحام قبل الأوان. وتكون شقوق الحفرة عادةً شقوقًا سطحية ساخنة، وغالبًا ما تشكل شقوقًا مفردة أو نجمية. تبدأ هذه الشقوق عادةً من أنبوب الحفرة وتمتد طوليًا داخلها. ومع ذلك، قد تنتشر لتشكل شقوقًا طولية في بقية اللحام.