تحليل إجهاد اللحام والتشويه في الهياكل الفولاذية للجسور ذات الهياكل الفولاذية

مع التقدم المستمر في تكنولوجيا بناء الجسور، برزت الهياكل الفولاذية كحل أساسي في هندسة الجسور الحديثة بسبب قوتها العالية وخصائصها خفيفة الوزن ودرجة الأتمتة العالية. أثناء تصنيع الهياكل الفولاذية وتجميعها، يتم استخدام اللحام – كعملية تصنيع أساسية – على نطاق واسع في إنتاج المكونات الرئيسية مثل العوارض الفولاذية والدعامات وألواح التقوية. تحدد كل من كفاءة اللحام والجودة بشكل حاسم الجدول الزمني للإنتاج وتكاليف التصنيع وكذلك نفقات الصيانة طويلة الأجل وعمر الخدمة لهيكل الجسر بأكمله.

ومع ذلك، فإن درجات الحرارة المرتفعة الناتجة أثناء اللحام والتأثير البيئي على معدلات التبريد تولد حتمًا إجهادًا وتشوهًا في اللحام. يشير إجهاد اللحام إلى الإجهاد الداخلي الناتج عن التمدد والانكماش الحراري في اللحام والمنطقة المحيطة به المتأثرة بالحرارة. يحدث تشوه اللحام عندما تفشل عوامل مختلفة أثناء اللحام في تلبية معايير الإنتاج بالكامل، مما يتجلى في انحرافات عن مظهر المكون الهيكلي المصمم. أثناء تصنيع وتركيب مكونات الجسور الفولاذية واسعة النطاق، يمكن أن تؤثر هذه المشكلات بشدة على دقة الأبعاد والاستقرار الهيكلي للمكونات، مما يؤدي إلى عواقب سلبية مختلفة مثل انخفاض العائدات الاقتصادية.

في السنوات الأخيرة، ومع الاعتماد الواسع النطاق لتكنولوجيا اللحام للمفاصل المعقدة ذات الأشكال الخاصة في إنتاج مكونات الجسور، أصبح التحكم العلمي في الإجهاد والتشوه أثناء اللحام، بالإضافة إلى التحسين الفعال لعمليات اللحام وإجراءات المعالجة بعد اللحام، مجالات رئيسية للاستكشاف في صناعة تصنيع الهياكل الفولاذية. لحسن الحظ، شرعت شركة زينتياندي للهياكل الفولاذية في رحلة تحسين جودة اللحام، بدءًا من إنتاج عوارض صندوقية فولاذية لمشروع جسر دونغفنغ التبادلي على طريق تشونغجيانغ السريع في مقاطعة قوانغدونغ. وقد استخدمنا باستمرار عمليات لحام مُحسّنة في تصنيع الجسور، مثل جسر شونكسينغ وجسر نهر هوتونغ في فوشان، مما حسّن بشكل كبير جودة اللحام ومتانة الهيكل.

معايير ومتطلبات مراقبة جودة اللحام

معايير التحكم في الإجهاد والتشوه في إنتاج اللحام:

يُعد التحكم في الإجهاد والتشوه شرطًا أساسيًا للجودة في إنتاج لحام هياكل الجسور الفولاذية. في “مواصفات تصنيع وتركيب جسور الهياكل الفولاذية للطرق السريعة” (JTG/T 3651-2022)، تنص المادة 7.2.5 على ما يلي: يجب تحديد درجة حرارة التسخين المسبق قبل اللحام من خلال اختبار تأهيل إجراءات اللحام؛ ويجب أن يكون نطاق التسخين المسبق 1.5 ضعف سمك اللوحة على جانبي اللحام، وألا يقل عن 100 مم، ويجب قياس درجة الحرارة في نطاق 30-50 مم من اللحام. تنص المادة 3 من المادة 7.2.7 على أن تكون اللحامات اللاصقة خالية من العيوب مثل الشقوق، وشوائب الخبث، ونتوءات اللحام، ويجب ملء فوهات القوس الكهربائي. في حالة اللحامات اللاصقة المتشققة، يجب تحديد السبب قبل إزالتها، ويجب إجراء لحامات لاصقة إضافية مع ضمان الأبعاد الصحيحة للمكونات. تنص المادة 1 من البند 7.2.12 على أنه بعد اكتمال اللحام، يجب إزالة ألواح التوجيه، أو ألواح اختبار المنتج، أو ألواح المعالجة الموضوعة على طرفي اللحام بالقطع بالغاز، ويجب تنعيم القطع. يجب ألا يُلحق القطع والتنعيم الضرر بالمادة الأصلية. تنص المادة 5 على إزالة عيوب اللحام باستخدام نقش قوس الكربون أو أي طرق ميكانيكية أخرى. يجب تمديد مسافة إزالة شقوق اللحام بمقدار 50 مم من طرف الشقوق. عند إزالة العيوب، يجب تسوية أخدود مناسب لإصلاح اللحام، ويجب صقل طبقة الأكسيد على سطح الأخدود باستخدام عجلة طحن لإظهار اللمعان المعدني.

لذلك، بعد اللحام، يجب أن تخضع مكونات الفولاذ لفحص المظهر، وفحص الأبعاد الهندسية، واختبارات الإجهاد والتشوه المتبقية اللازمة.

• فحص المظهر: يجب ألا تكون هناك عيوب لحام شائعة مثل التقويضات والشقوق والمسام ونتوءات اللحام والبقع ونقص الاندماج.
• دقة الأبعاد: يجب التحكم في قيمة تشوه المكون ضمن نطاق الانحراف المسموح به في التصميم، بما في ذلك بشكل أساسي تشوه اللوحة، وتشويه الشعاع، وانحراف زاوية اللحام.
• الاستقرار الهيكلي: بالنسبة للعقد ومناطق اللحام المعرضة لتركيز إجهاد مرتفع، يجب التحكم في مستوى الإجهاد المتبقي من خلال التحليل الهيكلي.
• أداء التعب: بالنسبة للمكونات الملحومة التي تتأثر بشكل كبير بالأحمال المتناوبة، يجب تقييم تأثيرات تركيز الإجهاد والإجهاد المتبقي على عمر التعب، ويجب استخدام التحقق من درجة التعب.

متطلبات الاختبار في مرحلة تقييم العملية في مرحلة تحضير البناء، يجب أن يشمل تقييم عملية اللحام (WPS) التحقق المنهجي من المعلمات مثل مدخلات حرارة اللحام، ودرجة حرارة التسخين المسبق، وعدد طبقات اللحام، واتجاه اللحام، ومعدل التبريد، وما إلى ذلك، بالإضافة إلى اختبار تشوه الإجهاد لأعضاء النموذج الأولي، والذي يشمل:

• مراقبة الجودة: يتم إجراء قياسات التشوه باستخدام أدوات مثل شريط القياس والمسطرة وشريط فحص اللحام بعد اللحام.
• الاختبار غير المدمر: يتم فحص جودة اللحام باستخدام الأشعة أو الموجات فوق الصوتية أو الجسيمات المغناطيسية.
• الأجهزة العلمية: تحليل المحاكاة الحرارية باستخدام معدات خاصة للمقارنة مع ترتيب الإجهاد المتبقي الفعلي.

يُعدّ تقييم جودة اللحام ومعايير الإجهاد علميًا أساسًا لتطوير عملية لحام مُحكمة. تتطلب هذه العملية تحليلًا منهجيًا لآلية إجهاد اللحام وتشوهه، مع مراعاة خصائص التشوه واستجابة الصلابة لمختلف المكونات في عملية التسخين. ووفقًا لنتائج التحليل، يُمكن أن يكون للضبط المعقول للتركيبات والقيود تأثير حاسم في الحد من التمدد والانكماش الحراري أثناء عملية اللحام.

تحليل أسباب إجهاد اللحام والتشوه

ينبع جوهر إجهاد اللحام وتشوهه من التأثيرات المشتركة للتشوه البلاستيكي الناتج عن عدم تساوي مدخلات الحرارة وتأثيرات القيود الهيكلية. الأسباب الرئيسية هي كما يلي:

التسخين غير المتساوي أثناء اللحام

اللحام عملية تسخين وضغط. ومع ذلك، وبسبب ظروف الإنتاج، يكون توزيع درجة الحرارة على مكونات الفولاذ أثناء اللحام غير متساوٍ للغاية. تُظهِر المكونات غير المقيدة تشوهًا حرًا أثناء التسخين والتبريد، مما يُؤدي إلى عدم وجود إجهادات داخلية أثناء عملية التسخين. علاوة على ذلك، بعد التبريد، يختفي التشوه والإجهادات المتبقية بشكل طبيعي. وبالمثل، تُظهِر المكونات المقيدة أيضًا إجهادًا داخليًا وتشوهًا أثناء التسخين. تُظهِر المكونات المقيدة تشوهًا غير حر، مما يُؤدي إلى تشوه داخلي وخارجي.

عندما تكون المكونات حرة تمامًا للانكماش بعد اللحام، تحدث نسبة معينة من التشوه دون توليد إجهادات متبقية. علاوة على ذلك، عندما تُقيَّد المكونات بأجهزة معينة، لا يحدث تشوه، ولكن تتولد إجهادات متبقية كبيرة. عندما تبرد المكونات وتنكمش بشكل غير كافٍ أثناء اللحام، يتولد كل من التشوه والإجهادات المتبقية. لذلك، ولتلخيص الحالات المختلفة المذكورة أعلاه، عندما تكون عملية لحام مكون فولاذي غير متساوية ويتجاوز مدخل الحرارة نقطة خضوع المادة المعدنية، سيحدث بعض تشوه اللحام البلاستيكي. بمجرد أن يبرد المكون، سيحدث تشوه اللحام والإجهاد المتبقي من اللحام حتما.

بشكل عام، أثناء عملية تصنيع مكونات الفولاذ، قد يختلف تشوه المكون عن التشوه بعد اللحام. وذلك لأنه أثناء اللحام، يحدث تشوه اللحام البلاستيكي بالقرب من اللحام، وأثناء التبريد، ستتقلص منطقة تشوه اللحام إلى حد ما. إذا تم التحكم في انكماش ما بعد اللحام جيدًا، سيزداد تشوه لحام المكون الفولاذي، بينما سينخفض الإجهاد المتبقي من اللحام. وعلى العكس، إذا كان انكماش ما بعد اللحام غير كافٍ، سينخفض تشوه لحام المكون الفولاذي، وسيزداد الإجهاد المتبقي بعد اللحام. باختصار، أثناء عملية التصنيع، يكون الإجهاد الناتج عن اللحام في المكون الفولاذي غير منتظم وغير متساوٍ. بعد اللحام، سيتولد الإجهاد المتبقي في المنطقة القريبة من اللحام. ويشار إلى هذا الإجهاد عمومًا باسم إجهاد الشد المتبقي بعد اللحام.

انكماش معدن اللحام المكون والتغييرات التنظيمية

مع التبريد الطبيعي للمادة المعدنية في لحام الفولاذ، أي عندما تتحول تدريجيًا من الحالة السائلة إلى الصلبة، سينكمش حجم اللحام بشكل طبيعي، مما يؤدي في النهاية إلى تشوهه بالكامل. في الوقت نفسه، سيبقى بعض الإجهاد المتبقي في اللحام. في عملية اللحام، يكون تشكيل اللحام متتاليًا؛ حيث أن لحام العمال محدود بالمعدات وقد لا تتمكن العوامل البيئية من الحفاظ على استمرارية اللحام بشكل كامل. في هذه الحالة، سيؤثر اللحام الأول ويغيره بدرجة معينة بعد التشكيل، مما يؤدي إلى انكماش اللحام الكلي، والذي عادةً ما يسبب تشوه اللحام وتكوين إجهادات متبقية.

بالإضافة إلى ذلك، عند تغير التركيب الداخلي لمادة المُكوّن، يحدث تشوه اللحام وإجهادات اللحام. يتغير حجم المعدن في منطقة اللحام أثناء عملية الصهر إلى التصلب، والأهم من ذلك، يتغير تركيبه التنظيمي من الأوستينيت إلى البيرلايت أو الباينيت، وتصاحب عملية انتقال الطور انكماش شبكي، مما يؤدي إلى تكوين إجهادات مجهرية، تتراكب فوق الإجهادات الحرارية لتشكل الإجهادات المتبقية الكلية. في حال تحقيق اختراقات بحثية مستقبلية، ستسعى الصناعة إلى تطوير مواد معدنية نانوية، مثل تقوية الحبيبات الدقيقة وغيرها، لمساعدة المكونات على تحقيق قفزة نوعية في الخصائص الميكانيكية الشاملة.

صلابة العضو ودرجة تغير القيد

أثناء عملية التصنيع، تتغير صلابة هيكل الفولاذ نفسه نتيجةً للتشوه الناتج عن اللحام، ويكون للإجهادات المتبقية تأثيرٌ كبير. عندما تزداد صلابة المكون الفولاذي، يكون تشوه اللحام بعد اللحام صغيرًا نسبيًا؛ أما عندما تكون صلابة المكون الفولاذي غير كافية، فسيكون تشوه اللحام كبيرًا نسبيًا، ويكون الإجهاد المتبقي صغيرًا جدًا.

من ناحية أخرى، تؤثر درجة تقييد العضو الفولاذي بشكل سلبي على هذا العضو. فعندما تكون درجة التقييد كبيرة، يكون تشوه العضو بعد اللحام ضئيلاً للغاية، ويكون الإجهاد الناتج عنه كبيراً جداً. أما عندما يكون التقييد ضعيفاً، فيكون تشوه المكون بعد اللحام واضحاً نسبياً، بينما يكون الإجهاد المتبقي للمكون بعد اللحام ضئيلاً جداً.

في عملية الإنتاج الفعلية، عندما تكون صلابة أجزاء مختلفة من الفولاذ مختلفة بشكل كبير، يصعب تنسيق التمدد والانكماش الحراري. في هذه الحالة، لا تتحرك أطراف القيد، ويؤدي الطرف الحر للانكماش إلى تكوين نظام قوى داخلية متوازن ذاتيًا في العضو. ومع ذلك، عند ضبط الدعامة الثابتة بشكل غير معقول أو تسلسل الرفع غير صحيح، سيؤدي ذلك إلى تقوية القيد بشكل مصطنع في اتجاه معين، مما يؤدي في النهاية إلى تشوه غير متماثل وعواقب وخيمة.

تسلسل واتجاه اللحام غير الصحيح

قد يؤدي الترتيب غير المنطقي لتسلسل اللحام إلى تركيز مفرط لإجهاد اللحام وتوزيع غير متساوٍ للحرارة الداخلة، مما قد يؤدي إلى تشوه لحام لا رجعة فيه. على سبيل المثال، قد يحدث تشوه اللحام والإجهادات المتبقية عندما يُعطي العمال الأولوية للحامات الطويلة على القصيرة، أو عندما يفشلون في تداخل وصهر طرف لحام حلقي مغلق أثناء عملية اللحام. ويرجع ذلك إلى أن الصلابة الهيكلية للمكون قد تُقيد التشوه الأولي مؤقتًا؛ ومع استمرار عملية اللحام، فإن درجة الحرارة العالية الناتجة عن تراكب الإجهادات تُخترق صلابة المكون نفسه، مما يؤدي إلى تشوه دائم.

تجدر الإشارة بشكل خاص إلى أنه في العقد الفراغية، والمفاصل على شكل حرف T، والمفاصل المتقاطعة متعددة الاتجاهات، والأجزاء المعقدة الأخرى، من السهل جدًا تداخل منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة في اتجاهات مختلفة مع بعضها البعض. يتغير التركيب المجهري للمعدن في هذه المنطقة، مما يُقلل من متانة المعدن. لذلك، إذا لم تُرتّب مسارات اللحام واتجاهاته بشكل صحيح، فستحدث مشاكل مثل تصادم الإجهادات، والإزاحات النسبية، والتشوهات الإلزامية، مما يُقلل بشكل كبير من الدقة الهندسية وأداء الهيكل تحت الإجهاد.

التأثيرات المحتملة لإجهاد اللحام والتشوه

تتأثر مكونات الفولاذ في عملية اللحام بتأثير انتقال الحرارة. عندما تكون درجة الحرارة غير منتظمة، يكون تسلسل زمن التسخين أو التبريد المحلي غير متسق، مما يؤدي إلى تشوه لحام مكونات الفولاذ. يمكن أن يؤدي التمدد الحراري غير المتكافئ لأجزاء الفولاذ وتسلسل التبريد غير المتكافئ، وفي النهاية، إلى تشوه إجهاد القضيب، ويُشار إليه عادةً في الأوساط الأكاديمية باسم إجهادات اللحام المتبقية. بسبب عدم تناسق زمن مرور اللحام في اللحام والتبريد، يكون انتقال اللحام كثيفًا، وتكون الحرارة المتولدة في بعض المناطق كبيرة جدًا، مما يؤدي إلى تشوه اللحام.

تأثير الإجهادات المتبقية من اللحام على القوة الهيكلية لأعضاء الفولاذ

أثناء عملية التصنيع، لا تتعرض الهياكل الملحومة لتركيزات إجهاد عابرة. في هذه الحالات، يتمتع المعدن المكون بدرجة معينة من قدرة التشوه البلاستيكي، ولا يؤثر إجهاد اللحام عمومًا على قوة تحمل الحمل الساكن للمكون. عندما يكون المعدن المكون هشًا، يمكن أن يتحد إجهاد الشد الداخلي والخارجي الناتجان لزيادة الإجهاد. عندما يصل الإجهاد إلى مستوى معين، يكون هناك احتمال لفشل هيكلي، وقد ينكسر المكون في أي وقت. عند استخدام المكون عند درجة حرارة أقل من درجة حرارة الهشاشة الحرجة للمادة أثناء اللحام، يمكن أن يؤدي الجمع بين إجهاد الشد والإجهاد الداخلي إلى تقليل قوة تحمل الحمل الساكن للمكون.

فيما يلي بعض أسباب وآثار تشوه اللحام:

• التشوه الزاوي: يُمكن أن يُسبب الانكماش غير المُتساوي الناتج عن تدرجات درجات الحرارة على جانبي اللحام تشوهات زاويّة بسهولة عند الحواف والأشرطة والوصلات. على سبيل المثال، إذا لم يُنفَّذ اللحام على كلا الجانبين بالتساوي والتماثل، فقد يُسبب الانكماش الجانبي أثناء اللحام تشوهًا في الصفائح، مما يُؤثر سلبًا على تجميع المكونات.
• تشوه وتشوه الموجات: تتعرض ألواح العوارض الصندوقية وعناصر الجمالون لتقلبات تشبه الموجات نتيجةً لتأثيرات التمدد والانكماش المتكررة لدرجات الحرارة العالية والتبريد. في حال عدم توازن تثبيت المكونات أثناء عملية اللحام، فقد يحدث تشوه عام، خاصةً في المقاطع الصندوقية الطويلة أو مكونات الألواح المسطحة الكبيرة.
• انحرافات التركيب وعدم محاذاة المعدن: يمكن أن تؤدي الآثار التراكمية لتشوه اللحام إلى عواقب وخيمة، منها على سبيل المثال لا الحصر، عدم محاذاة الثقوب، وتلف صفيحة التقوية، واختلاف الارتفاع بين أجزاء العارضة. والأهم من ذلك، أن هذه المشكلات تُؤخر التركيب بشكل كبير، مما يتطلب من العمال تصحيح المشكلة بالقوة، ويفاقم الضرر الناتج عن الإجهاد على المكونات.
• التشققات الهيكلية أو تلف اللحام: تتراكم إجهادات اللحام المتبقية في المنطقة المتأثرة بالحرارة. وعند اقترانها بأحمال المرور، يمكن أن يُسبب ذلك بسهولة انتشار الشقوق الدقيقة أو الكسر الموضعي. ويزداد هذا الوضع سوءًا عند تعرض المادة لدرجات حرارة هشة، مما يؤثر بشكل كبير على استقرار الهيكل ويُقصّر من عمر التعب.

تأثير الإجهاد المتبقي من اللحام على دقة أبعاد العناصر الفولاذية المخرطة

أثناء عملية التصنيع، يُولّد اللحام إجهادات داخلية في مكونات الفولاذ. قد يُؤدي إزالة المعدن من أي مكون إلى اختلال توازن الإجهاد الأصلي للمكون. تُعاد توزيع هذه الإجهادات الداخلية تدريجيًا لتُشكّل توازنًا جديدًا. خلال هذه العملية، إذا لم يُقيّد المكون، فسيتشوّه إلى حدٍّ ما، مما يؤثر سلبًا على دقة التشغيل. لذلك، لضمان دقة الأبعاد، يجب تخفيف الإجهاد عن المكونات الملحومة قبل التشغيل.

تأثير الإجهادات المتبقية من اللحام على استقرار العناصر الفولاذية

أثناء عملية التصنيع، يمكن للإجهادات الداخلية الناتجة عن المكونات الخارجية، عند اقترانها بالإجهادات الانضغاطية، أن تؤثر بشكل كبير على استقرار مكونات الفولاذ. ويرتبط هذا التأثير ارتباطًا مباشرًا بالإجهادات الداخلية للمكون وخصائص المقطع العرضي. ويمكن للمقاطع العرضية الفعالة البعيدة عن المحور المحايد للمكون أن تُحسّن استقراره. ولضمان تعظيم خصائص مكونات الفولاذ، يجب على المديرين اتخاذ التدابير اللازمة لمنع تشوه اللحام والإجهادات المتبقية والتحكم فيها أثناء عملية التصنيع. علاوة على ذلك، يلزم اتخاذ تدابير مُستهدفة للتخلص من إجهادات اللحام المتبقية في مكونات الفولاذ المهمة بعد اللحام.

خاتمة

يُعدّ الإجهاد والتشوه المتبقيان من اللحام من المشكلات التقنية الأساسية التي لا مفر منها في تصنيع هياكل الجسور الفولاذية. فوجودهما لا يؤثر فقط على دقة تجميع المكونات والسلامة الهيكلية، بل قد يُقلل أيضًا من عمر الجسور. يُعدّ حل مشكلة تشوه وإجهاد اللحام أمرًا بالغ الصعوبة، إلا أن توحيد عملية الإنتاج وتحديثها باستمرار يُمكن أن يُقلل من آثارها السلبية.

من خلال التصميم العلمي وإدارة المشاريع في شركة XTD Steel Structure، وتحسين هيكل المكونات، ومسارات عملية اللحام، والتحكم في مدخلات الحرارة، واختيار أساليب اللحام المناسبة، والجمع بين المعالجة الحرارية الفعالة بعد اللحام أو المعالجة الميكانيكية، يُمكن تحقيق تحكم فعال في إجهاد وتشوه اللحام.