طرق معالجة الإجهاد المتبقي من اللحام في تصنيع الجسور الفولاذية

مع التقدم المستمر في تكنولوجيا معالجة المواد المعدنية وهندسة البناء، أصبحت الهياكل الفولاذية بشكل متزايد الشكل الهيكلي السائد في هندسة الجسور الحديثة بسبب قوتها العالية، وليونتها الجيدة، وكفاءتها الإنشائية الممتازة، وسهولة توحيدها وأتمتتها في الإنتاج. في تصنيع وتركيب الجسور ذات الهياكل الفولاذية، تُستخدم تكنولوجيا اللحام، باعتبارها وسيلة مهمة لربط المكونات الفولاذية، على نطاق واسع في معالجة وتشكيل الأجزاء الرئيسية مثل العوارض والعقد والصناديق.

ومع ذلك، فإن درجات الحرارة المرتفعة الموضعية أثناء اللحام، وما يترتب عليها من عملية تبريد غير منتظمة، يمكن أن تُسبب بسهولة إجهادات لحام متبقية داخل المكونات، مما يؤدي إلى سلسلة من المخاطر الخفية، مثل التشوه الهيكلي والتشقق وتقصير عمر التعب، مما يؤثر بشكل خطير على سلامة الخدمة ومتانة الجسر. ولتحقيق هذه الغاية، ستستكشف هذه المقالة بشكل منهجي تقنيات الوقاية والتحكم في إجهادات اللحام المتبقية في جسور الهياكل الفولاذية من ثلاثة جوانب: التصميم الهيكلي، وعملية التصنيع، ومعالجة ما بعد اللحام. وفي الوقت نفسه، ستقدم أيضًا تدابير محددة وسيناريوهات قابلة للتطبيق لتخفيف الإجهاد من خلال طرق مثل المعالجة الحرارية، والاهتزاز الميكانيكي، والطرق عند تكون الإجهاد المتبقي بالفعل.

لمزيد من المعلومات حول تعريف إجهاد اللحام ومظاهره في الإنتاج، يُنصح بقراءة منشور المدونة السابق: تحليل إجهاد اللحام ومشاكل التشوه في جسور الهياكل الفولاذية.

الأفكار الرئيسية للوقاية من إجهاد اللحام والسيطرة عليه

أثناء التصميم الهيكلي الأولي

للمكونات الفولاذية، يجب على الفنيين مراعاة الوضع الفعلي واختيار الطرق المناسبة لتقليل عدد ونوع اللحامات في الهيكل. وبشكل أكثر تحديدًا، يُقلل كل لحام يُزال من مصدر مماثل للإجهاد المتبقي. فاللحامات الأصغر تُقلل المساحة المُسخنة أثناء اللحام؛ في المقابل، تُؤدي اللحامات الكبيرة جدًا إلى مساحة أكبر مُسخنة أثناء اللحام. وهذا لا يُسبب تشوهًا للمكونات فحسب، بل يُزيد أيضًا بشكل كبير من بقايا اللحام في مناطق التشوه البلاستيكي. لذلك، لتجنب اللحامات المُركزة بشكل مفرط، يجب الحفاظ على مسافة معينة بين اللحامات.

علاوة على ذلك، قد يؤدي التركيز المفرط للحام في أحد المكونات إلى توزيع غير متساوٍ لإجهاد اللحام، وربما تركيزات معقدة له. تجدر الإشارة إلى أن صلابة وصلة اللحام العالية قد تُسبب إجهادات تقييد كبيرة أثناء اللحام، مما يزيد من احتمالية التشقق. لذلك، يكمن الحل الأمثل في استخدام وصلات لحام ذات صلابة أقل لتجنب إجهادات اللحام المتبقية الطولية والعرضية .

فيما يتعلق بعملية لحام مكونات الفولاذ، ينبغي على الأقسام الفنية اعتماد تسلسل معقول للازدواج واللحام. يضمن تسلسل اللحام المناسب في التجميع أن يكون كل لحام في المكون في حالة تمدد حر قصوى بعد اللحام. تجدر الإشارة إلى أنه عند اللحام على نفس مستوى المكون، يجب ترك مساحة للتمدد الحر أفقيًا ورأسيًا. على سبيل المثال، عند لحام اللحامات التناكبية، يضمن تسلسل اللحام المناسب (لحام اللحامات القصيرة أولًا، ثم اللحامات الطويلة) تمددًا منظمًا للحام ويقلل من الإجهاد المتبقي. علاوة على ذلك، يجب لحام اللحامات ذات الانكماش الأكبر أولًا، تليها اللحامات ذات الانكماش الأقل. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن اللحامات التي تُلحم أولًا تتعرض لمقاومة أقل للانكماش، مما ينتج عنه إجهاد متبقٍ أقل.

عند لحام عوارض حرف I ذات الأغطية، يجب لحام اللحام التناكبي على الغطاء أولًا، متبوعًا بلحامات الحشوة بين العارضة حرف I والغطاء. وذلك لأن لحامات الحشوة تنكمش بشكل أقل بعد اللحام من اللحامات التناكبية. عند لحام اللحامات شديدة الإجهاد، مثل عوارض I الكبيرة، يجب لحام اللحام التناكبي المجهد أولاً، يليه اللحام التناكبي غير المجهد، وأخيراً اللحام الشريحي المحجوز. علاوة على ذلك، عند لحام اللحامات المتقاطعة، تتولد إجهادات متبقية كبيرة بسهولة عند التقاطعات، مما يزيد من الضغط على تسلسل لحام قائد فريق اللحام.

علاوة على ذلك، قبل اللحام، يجب تسخين المكون، إما جزئيًا أو كليًا، إلى درجة حرارة معينة (قيمة مرجعية تتراوح من 150 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية). بالنسبة للمواد المعدنية الهشة أو الصلبة نسبيًا، يُنصح عمومًا بالتسخين المسبق. كبديل، يمكن استخدام اللحام البارد (باستخدام الحد الأدنى من الحرارة). تقلل هذه الطريقة من فرق درجة الحرارة بين اللحام وبقية المكون عن طريق تقليل مساحة السطح الساخن. وأخيرًا، أثناء اللحام، يجب تقليل تقييد اللحام إلى الحد الأدنى. يرجع ذلك إلى أن اللحامات المغلقة عادةً ما تتعرض لضغط كبير، وتكون إجهادات الشد الناتجة في الاتجاهين العرضي والطولي للحام عالية، مما يزيد من احتمالية تكوّن الشقوق. لذلك، لتقليل الإجهادات المتبقية، يجب على اللحامين اتخاذ تدابير لتقليل ضغط اللحامات المغلقة.

اختيار طريقة اللحام

: وفقًا للنظرية المذكورة أعلاه، ولمنع الإجهاد المتبقي في لحام المكونات، يجب على العمال محاولة استخدام بعض طرق اللحام عالية الكثافة أثناء عملية اللحام الفعلية. طاقة خط اللحام لهذه اللحامات صغيرة نسبيًا، كما أن إجهاد اللحام الناتج صغير جدًا.

• لحام شعاع الإلكترون
• اللحام بالليزر
• لحام الفجوة الضيقة

في عمليات التصنيع العامة، يزداد استخدام اللحام المحمي بغاز ثاني أكسيد الكربون، ليس فقط لكفاءته العالية، بل لقدرته على تقليل تشوه اللحام أيضًا. عند لحام مكونات الصفائح الرقيقة، يمكن استخدام لحام قوس الغاز الخامل بالتنغستن النبضي أو اللحام بالمقاومة لمنع الانبعاج. في حال عدم توفر طرق منخفضة الطاقة، يمكن استخدام التبريد المباشر بالماء أو الهواء لتغيير توزيع المجال الحراري. يقلل هذا النهج من تشوه اللحام دون المساس بمواصفات اللحام.

حلول للتخلص من ضغوط اللحام

كما هو معروف، نظرًا لتعقيد اللحام، قد تبقى إجهادات متبقية كبيرة في المكونات الفولاذية بعد اللحام. بعض الهياكل أيضًا عرضة لتطوير إجهادات متبقية أثناء التجميع، مما يؤثر حتمًا على أداء المكونات الفولاذية. يتم تحديد ما إذا كانت معالجة تخفيف الإجهاد ضرورية بعد اللحام بشكل عام بناءً على تحليل شامل لخصائص مادة المكون وعملية التصنيع والتاريخ التشغيلي. تتناول هذه المقالة فقط الطرق الشائعة لإزالة ومنع الإجهادات المتبقية.

المعالجة الحرارية

هي طريقة شائعة في تشغيل المعادن، حيث تقضي على الإجهادات المتبقية من خلال وسائل كبيرة أو سطحية أو كيميائية. في الأيام الأولى، كانت التأثيرات الحرارية تُستخدم للتخفيف من التشوه والإجهادات المتبقية قبل وأثناء اللحام لمعالجة التشوه الهيكلي الناتج عن لحام الألواح رقيقة الجدران. تشمل طرق التسخين المسبق قبل اللحام للمكونات الفولاذية التسخين بالجملة في الفرن والتسخين الموضعي بالأشعة تحت الحمراء البعيدة والتسخين الموضعي بتردد الطاقة والتسخين باللهب. تتضمن هذه الطرق تسخين المنطقة المحيطة بدرزة اللحام إلى درجة حرارة محددة من خلال طرق مختلفة، ثم الحفاظ على درجة الحرارة والسماح بالتبريد البطيء والطبيعي.

مع التقدم التكنولوجي المستمر، يعتمد إنتاج جسور الهياكل الفولاذية الحديثة بشكل أساسي على طريقتين للتخلص من إجهادات اللحام المتبقية: المعالجة الحرارية الكلية والمعالجة الحرارية الموضعية. تتضمن المعالجة الحرارية عمومًا تسخين المكون الفولاذي بالكامل ببطء في فرن إلى درجة حرارة محددة، مع الحفاظ على هذه الدرجة لفترة زمنية محددة، ثم تركه ليبرد طبيعيًا في الفرن. بشكل عام، تُعد فعالية التخلص من إجهادات اللحام المتبقية باستخدام المعالجة الحرارية الكلية أفضل بكثير من المعالجة الحرارية الموضعية. ومع ذلك، بالنسبة للمكونات الفولاذية الكبيرة التي لا يمكن إخضاعها للمعالجة الحرارية الكلية، فإن المعالجة الحرارية الموضعية تكون أكثر ملاءمة للتخلص من الإجهادات المتبقية. يعتمد هذا بشكل أساسي على درجة حرارة التسخين، ومدة التثبيت، ومعدل التبريد، وطريقة التسخين، ونطاق تسخين المكون، وعادةً ما تُزيل 50% إلى 70% من إجهادات اللحام المتبقية.

تُستخدم عملية التلدين في المعالجة الحرارية لما بعد اللحام بكثرة في تصنيع أوعية الضغط وخطوط الأنابيب، ولكنها نادرًا ما تُطبّق على هياكل الهندسة المدنية الكبيرة مثل الجسور الفولاذية. عادةً، توضع الوحدات القياسية في أفران تلدين كبيرة للمعالجة، وتُخفّض الإجهادات المتبقية في الوصلات الملحومة بشكل ملحوظ بعد هذه العملية. تشير الأبحاث إلى أن إضافة مصدري تسخين متحركين على جانبي مسدس اللحام لتسخين المنطقة القريبة من خط التماس، وخلق مجال حراري موحد أثناء عملية تبريد منطقة انصهار اللحام والمادة الأساسية المجاورة، يمكن أن يُقلّل من تكوّن الإجهادات المتبقية. تُظهر النتائج أن ذروة الإجهادات المتبقية الموازية لاتجاه خط التماس قد انخفضت بنسبة 21% تقريبًا. وبالمثل، عند استخدام تقنية التسخين الموازي لإجراء المعالجة الحرارية لما بعد اللحام على اللحام القريب من منطقة اللحام، أظهرت النتائج أن الإجهادات المتبقية في الاتجاه الموازي للحام انخفضت بنسبة 37% تقريبًا. لذلك، في حين أن أجهزة التدفئة المحلية المتحركة يمكنها التحكم بشكل فعال في تشوه اللحام، فإن النتائج تشير إلى أن تأثيرها في القضاء على الإجهاد المتبقي ليس كبيرا.

في عام ٢٠١٤، استخدم أحد المتخصصين في البداية جهاز تسخين خطي لتسخين منطقة لحام التماس على السطح العلوي لسطح جسر فولاذي إلى ٦٢٥ درجة مئوية مع الحفاظ على درجة الحرارة لمدة ثلاث ساعات. أظهرت نتائج الاختبار انخفاضًا ملحوظًا في الإجهاد المتبقي بالتوازي مع لحام التماس. كما استخدم المتخصص جهاز تسخين سيراميكي على شكل صفيحة لتسخين عينة واحدة من ضلع U إلى ٦٠٠ درجة مئوية مع الحفاظ على درجة الحرارة لمدة ساعة، وحصل على نتائج تجريبية مماثلة تُظهر أن المعالجة الحرارية قللت بشكل كبير من الإجهاد المتبقي للحام في لحام التماس بين اللوحة العلوية والضلع U. علاوة على ذلك، وللتحقق من آثار التسخين والتبريد على الخواص الميكانيكية لفولاذ الجسر، أجرى مختبر لحام في المملكة المتحدة سلسلة من الاختبارات الإضافية. أظهرت النتائج عدم وجود أي تغيير يُذكر في معامل مرونة المادة، ومقاومة الخضوع، ومقاومة الشد القصوى. إن استخدام جهاز تسخين حثي عالي التردد لتسخين طرف اللحام موضعيًا يقلل الإجهاد المتبقي بنسبة ٩٠٪ تقريبًا. تُظهر نتائج اختبار التعب تحسنًا ملحوظًا في عمر التعب عند نفس سعة الإجهاد.

باختصار، تُعد المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) طريقةً فعالةً للغاية وحديثةً وسهلةَ التصنيع للتخلص من الإجهاد المتبقي من اللحام. فهي تؤثر بشكل كبير على أداء التعب في اللحامات الحرجة في اللحامات المتكاملة لهياكل الجسور الفولاذية. يتضمن

الطرق الميكانيكي

التأثير ميكانيكيًا على مقدمة اللحام لإحداث تشوه بلاستيكي، مما يُعوّض بعض الضغط والتشوه البلاستيكي، مما يُقلل من الإجهاد المتبقي من اللحام. تشمل ممارسات إنتاجه عادةً الطرق، والثقب بالخردق، والنفخ الرملي. وقد أُجريت العديد من الدراسات على هذه الطريقة، محليًا ودوليًا. وقد أظهر بحثٌ أجراه بورغ وآخرون وجود مجال إجهاد متبقٍ ضاغط على سطح العينات المطروقة. علاوةً على ذلك، تُشير النتائج التجريبية التي أجراها باحثون أمريكيون إلى زيادة كبيرة في عدد دورات التحميل لبدء التشقق وانتشاره في مواد الاختبار المطروقة. علاوة على ذلك، اكتشف يامادا أن طرق الشقوق يُنشئ مجال إجهاد ضاغط متبقٍ لا يُغلق الشقوق الموجودة فحسب، بل يُحسّن أيضًا مقاومة التعب.

ومع ذلك، نظرًا للبنية المعقدة واللحامات الكثيرة في أسطح الجسور الفولاذية، يصعب حاليًا طرق كل لحام في الهياكل المعقدة في تصنيع أسطح الجسور الفولاذية. وقد أظهرت الممارسة طويلة الأمد أن هذه التقنية لا تتطلب مهارة وخبرة عالية للمشغل فحسب، بل تتأثر أيضًا بمعايير شكل رأس المطرقة، مما يجعل من الصعب تكيفها مع جميع الظروف ومكونات الفولاذ.

طريقة مكون الاهتزاز

تستخدم هذه الطريقة تقنية شيخوخة الاهتزاز لإزالة الإجهاد المتبقي من اللحام أثناء تصنيع مكونات الفولاذ. تعتمد فعاليتها على نوع الهزاز، وموقع نقطة ارتكازه، وتردد الاهتزاز، ومدته. لذلك، بالنسبة لمكونات الفولاذ الصلبة والمعقدة، يمكن استخدام اهتزازات متعددة في مواقع متعددة، وتكون مدة الاهتزاز المثلى 45 دقيقة. علاوة على ذلك، تُعد هذه الطريقة مناسبة لاهتزاز مكونات الفولاذ الكبيرة، حيث تتميز بالبساطة والمرونة وكفاءة الوقت وتوفير الطاقة والتكلفة المنخفضة.

طريقة التمدد باختلاف درجة الحرارةفي إنتاج وتصنيع مكونات الهياكل الفولاذية، تُستخدم طريقة التمدد باختلاف درجة الحرارة بشكل شائع أيضًا للتخلص من إجهاد اللحام المتبقي. ويشبه مبدأها بشكل أساسي مبدأ التمدد الميكانيكي. تتضمن الطريقة الأساسية استخدام مسدس لهب لتسخين جانبي اللحام على المكون، مما يرفع درجة حرارة السطح إلى مستوى معين. وفي الوقت نفسه، تُستخدم فوهة رذاذ ماء خلف مسدس اللهب للتبريد. يُنتج هذا مجالًا حراريًا خاصًا تكون فيه درجات الحرارة على جانبي المكون مرتفعة، بينما تكون درجات حرارة اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة منخفضة. من المهم ملاحظة أنه يجب التحكم في منطقة التسخين ودرجة الحرارة بشكل مناسب للتخلص من الإجهادات المتبقية الناتجة عن اللحام في المكونات الفولاذية ومنعها بفعالية.

خاتمة

باختصار، يُمثل الإجهاد المتبقي من اللحام خطرًا هيكليًا كبيرًا أثناء تصنيع الجسور الفولاذية. آليات توليده معقدة ومظاهره متنوعة. لا يقتصر هذا على انحرافات هندسية في المكونات وصعوبات في التجميع، بل قد يؤثر بشكل مباشر على أداء تحمل الجسور الفولاذية وعمرها الافتراضي. لذلك، يُعد تطوير حل منهجي وفعال للتحكم في الإجهاد المتبقي من اللحام، بدءًا من مرحلة التصميم وحتى عملية التصنيع، ومن الوقاية والتحكم وحتى تخفيف الإجهاد اللاحق، أمرًا بالغ الأهمية لضمان سلامة ومتانة هياكل الجسور.

على المستوى الوقائي، يُمكن أن يُقلل تحسين التصميم الهيكلي، وترتيب تسلسلات اللحام بشكل عقلاني، واختيار أساليب اللحام المناسبة وعمليات التسخين المسبق، من تكوين وتراكم إجهاد اللحام عند المصدر. وفيما يتعلق بتخفيف الإجهاد، تُظهر طرق مثل المعالجة الحرارية بعد اللحام، بتقنيتها المتطورة والفعالة، بالإضافة إلى الطرق الميكانيكية، وتقادم الاهتزاز، والتمدد التفاضلي في درجة الحرارة، مع خيارات المعالجة الموضعية الملائمة والقابلة للتطبيق، إمكانات كبيرة.

في المستقبل، ومع تنوع هياكل الجسور الفولاذية والتحسين المستمر لمتطلبات دقة التصنيع، ستواصل تقنيات التحكم في إجهاد اللحام المتبقي تطورها نحو أساليب أكثر كفاءة وذكاءً وسهولة في التحكم. باختصار، بصفتنا شركة عالمية رائدة في مجال المباني الجاهزة، وبدعم من أبحاثنا النظرية الاحترافية وممارساتنا الهندسية، سيواصل نظام مراقبة جودة اللحام لجسور XTD Steel Structure الفريدة تقديم خدمات شاملة للعملاء!