المبادئ الأساسية للحام

يمكن تعريف اللحام بأنه اندماج المعادن الناتجة عن التسخين إلى درجة حرارة مناسبة مع أو بدون تطبيق الضغط، ومع أو بدون استخدام مادة حشو.

في لحام الاندماج، يولد مصدر الحرارة حرارة كافية لإنشاء وصيانة مجموعة من المعدن المنصهر بالحجم المطلوب. يمكن توفير الحرارة عن طريق الكهرباء أو عن طريق لهب الغاز. يمكن اعتبار اللحام بالمقاومة الكهربائية لحامًا بالانصهار نظرًا لتكوين بعض المعدن المنصهر.

---

تنتج عمليات الطور الصلب اللحامات دون ذوبان المادة الأساسية ودون إضافة معدن حشو. يتم استخدام الضغط دائمًا، ويتم توفير بعض الحرارة عمومًا. يتم تطوير حرارة الاحتكاك في وصلات الموجات فوق الصوتية والاحتكاك، وعادة ما يتم استخدام تسخين الفرن في ربط الانتشار.

القوس الكهربائي المستخدم في اللحام عبارة عن تفريغ عالي التيار ومنخفض الجهد بشكل عام في نطاق 10-2000 أمبير عند 10-50 فولت. يعد عمود القوس معقدًا، ولكنه بشكل عام يتكون من كاثود يصدر إلكترونات، وبلازما غازية لتوصيل التيار، ومنطقة أنود تصبح أكثر سخونة نسبيًا من الكاثود بسبب قصف الإلكترونات. عادة ما يتم استخدام قوس التيار المباشر (DC)، ولكن يمكن استخدام أقواس التيار المتردد (AC).

إجمالي الطاقة المدخلة في جميع عمليات اللحام يتجاوز ما هو مطلوب لإنتاج وصلة، لأنه لا يمكن استخدام كل الحرارة المتولدة بشكل فعال. وتتراوح الكفاءة من 60 إلى 90 بالمائة، اعتمادًا على العملية؛ بعض العمليات الخاصة تنحرف بشكل كبير عن هذا الرقم. يتم فقدان الحرارة عن طريق التوصيل من خلال المعدن الأساسي وعن طريق الإشعاع إلى المناطق المحيطة.

تتفاعل معظم المعادن عند تسخينها مع الجو أو مع معادن أخرى مجاورة. يمكن أن تكون ردود الفعل هذه ضارة للغاية بخصائص الوصلة الملحومة. على سبيل المثال، تتأكسد معظم المعادن بسرعة عندما تنصهر. يمكن لطبقة من الأكسيد أن تمنع الترابط الصحيح للمعدن. تصبح قطرات المعدن المنصهر المطلية بالأكسيد محاصرة في اللحام وتجعل المفصل هشًا. تتفاعل بعض المواد القيمة المضافة لخصائص محددة بسرعة كبيرة عند تعرضها للهواء بحيث لا يكون للمعدن المترسب نفس التركيب الذي كان عليه في البداية. وقد أدت هذه المشاكل إلى استخدام التدفقات والأجواء الخاملة.

في اللحام بالانصهار، يلعب التدفق دورًا وقائيًا في تسهيل التفاعل المتحكم فيه للمعدن ومن ثم منع الأكسدة عن طريق تشكيل بطانية فوق المادة المنصهرة. يمكن أن تكون التدفقات نشطة وتساعد في العملية أو غير نشطة وتحمي الأسطح ببساطة أثناء الانضمام.

تلعب الأجواء الخاملة دورًا وقائيًا مشابهًا لدور التدفقات. في لحام القوس المعدني المحمي بالغاز وقوس التنغستن المحمي بالغاز، يتدفق غاز خامل - عادة الأرجون - من الحلقة المحيطة بالشعلة في تيار مستمر، مما يؤدي إلى إزاحة الهواء من حول القوس. لا يتفاعل الغاز كيميائيًا مع المعدن ولكنه يحميه ببساطة من ملامسة الأكسجين الموجود في الهواء.

تعد تعدين وصلات المعادن مهمة للقدرات الوظيفية للمفصل. يوضح اللحام القوسي جميع الميزات الأساسية للمفصل. ثلاث مناطق تنتج عن مرور قوس اللحام: (1) معدن اللحام، أو منطقة الانصهار، (2) المنطقة المتأثرة بالحرارة، و(3) المنطقة غير المتأثرة. معدن اللحام هو ذلك الجزء من الوصلة الذي تم صهره أثناء اللحام. المنطقة المتأثرة بالحرارة هي المنطقة المجاورة لمعدن اللحام والتي لم يتم لحامها ولكنها تعرضت لتغيير في البنية المجهرية أو الخواص الميكانيكية بسبب حرارة اللحام. المادة غير المتأثرة هي التي لم يتم تسخينها بدرجة كافية لتغيير خصائصها.

يؤثر تكوين معدن اللحام والظروف التي يتجمد فيها (يتصلب) بشكل كبير على قدرة المفصل على تلبية متطلبات الخدمة. في اللحام القوسي، يشتمل معدن اللحام على مادة حشو بالإضافة إلى المعدن الأساسي الذي ذاب. بعد مرور القوس، يحدث تبريد سريع لمعدن اللحام. يحتوي اللحام ذو المسار الواحد على هيكل مصبوب مع حبيبات عمودية تمتد من حافة البركة المنصهرة إلى مركز اللحام. في اللحام متعدد الممرات، يمكن تعديل هيكل الصب هذا، اعتمادًا على المعدن المحدد الذي يتم لحامه.

يتعرض المعدن الأساسي المجاور للحام، أو المنطقة المتأثرة بالحرارة، لمجموعة من دورات درجة الحرارة، ويرتبط تغير هيكله ارتباطًا مباشرًا بأعلى درجة حرارة عند أي نقطة معينة، ووقت التعرض، ومعدلات التبريد. أنواع المعادن الأساسية كثيرة جدًا بحيث لا يمكن مناقشتها هنا، لكن يمكن تجميعها في ثلاث فئات: (1) مواد لا تتأثر بحرارة اللحام، (2) مواد تصلب بسبب التغير الهيكلي، (3) مواد تصلب بسبب عمليات الترسيب.

اللحام ينتج الضغوط في المواد. يتم إحداث هذه القوى عن طريق تقلص معدن اللحام وعن طريق تمدد ثم انكماش المنطقة المتأثرة بالحرارة. يفرض المعدن غير المسخن قيدًا على ما سبق، ومع سيطرة الانكماش، لا يمكن لمعدن اللحام أن ينكمش بحرية، ويتراكم الإجهاد في المفصل. يُعرف هذا عمومًا بالإجهاد المتبقي، وبالنسبة لبعض التطبيقات الهامة يجب إزالته عن طريق المعالجة الحرارية للتصنيع بأكمله. لا يمكن تجنب الإجهاد المتبقي في جميع الهياكل الملحومة، وإذا لم يتم التحكم فيه، فسوف يحدث انحناء أو تشويه اللحام. يتم التحكم من خلال تقنية اللحام، والأدوات والتركيبات، وإجراءات التصنيع، والمعالجة الحرارية النهائية.