مع التقدم المستمر في تكنولوجيا بناء الجسور، أصبحت الهياكل الفولاذية حلاً أساسياً في هندسة جسر هيكل فولاذي الحديثة، بفضل قوتها العالية ووزنها الخفيف ومستوى الأتمتة العالي فيها.
أثناء تصنيع وتجميع الهياكل الفولاذية، تُستخدم عمليات اللحام — باعتبارها عملية التصنيع الأساسية — على نطاق واسع في إنتاج المكونات الرئيسية مثل العوارض الحديدية والهياكل الشبكية والألواح المقواة. تحدد كفاءة وجودة اللحام بشكل مباشر جدول الإنتاج وتكلفة التصنيع وكذلك تكاليف الصيانة وطول عمر جسر هيكل فولاذي بأكمله.
ومع ذلك، فإن درجات الحرارة العالية الناتجة عن اللحام وتأثير البيئة على معدل التبريد تؤدي حتماً إلى توليد إجهادات متبقية وتشوهات.
يشير إجهاد اللحام إلى الإجهاد الداخلي الناتج عن التمدد والانكماش الحراري في منطقة اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة. أما التشوه فيحدث عندما لا تتوافق ظروف اللحام مع معايير الإنتاج، مما يؤدي إلى انحرافات في شكل المكون عن التصميم الأصلي.
في أثناء تصنيع وتركيب المكونات الضخمة لـجسر هيكل فولاذي، يمكن أن تؤثر هذه العوامل بشكل خطير على دقة الأبعاد واستقرار الهيكل، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة.
في السنوات الأخيرة، ومع الاستخدام الواسع لتقنيات اللحام في الوصلات المعقدة والمتعددة الاتجاهات أثناء تصنيع مكونات الجسور، أصبح التحكم العلمي في الإجهاد والتشوه أثناء اللحام وتحسين العمليات وإجراءات المعالجة اللاحقة من أهم مجالات التطوير في صناعة الهياكل الفولاذية.
ولحسن الحظ، بدأت **XTD Steel Structure** رحلة تحسين جودة اللحام من خلال إنتاج العوارض الصندوقية لمشروع جسر دونغفنغ في طريق تشونغجيانغ السريع بمقاطعة قوانغدونغ. استخدمنا تقنيات لحام محسّنة في تصنيع جسور مثل شونشينغ وجسر نهر هوتونغ في فوشان، مما حسّن بشكل كبير من جودة اللحام ومتانة كل جسر هيكل فولاذي.
معايير ومتطلبات مراقبة جودة اللحام
معايير التحكم في الإجهاد والتشوه في عملية اللحام:
يُعد التحكم في الإجهاد والتشوه من أهم متطلبات الجودة في إنتاج جسر هيكل فولاذي.
وفقًا لمواصفة “JTG/T 3651-2022” الخاصة بتصنيع وتركيب جسور الطرق الفولاذية، تنص المادة 7.2.5 على أن درجة التسخين المسبق قبل اللحام يجب أن تُحدد من خلال اختبار تأهيل إجراء اللحام، ويجب أن تكون منطقة التسخين المسبق بمقدار 1.5 ضعف سمك اللوح على جانبي اللحام ولا تقل عن 100 مم، وتُقاس درجة الحرارة على بعد 30-50 مم من خط اللحام.
وتنص المادة 7.2.7 على أن اللحامات المؤقتة يجب أن تكون خالية من العيوب مثل الشقوق أو بقايا الخبث أو التكتلات، ويجب ملء فوهات القوس بالكامل.
في حالة وجود لحامات مؤقتة متشققة، يجب تحديد الأسباب قبل الإزالة، مع إضافة لحامات جديدة بالحفاظ على الأبعاد الصحيحة. بعد اللحام، يجب قطع الألواح الإرشادية وألواح الاختبار وصقلها دون الإضرار بالمعدن الأساسي.
تُزال عيوب اللحام باستخدام قوس الكربون أو الطرق الميكانيكية على مسافة لا تقل عن 50 مم خارج منطقة الشق. كما يجب إعداد أخدود مناسب لإعادة اللحام مع إزالة أكسيد المعدن للوصول إلى اللمعان المعدني.
لذلك، بعد عملية اللحام، يجب أن تخضع المكونات الفولاذية إلى فحص المظهر والأبعاد الهندسية والاختبارات اللازمة للإجهاد المتبقي والتشوه، وتشمل:
- الفحص البصري: يجب ألا تحتوي مناطق اللحام على عيوب مثل الشقوق، الفتحات، البقع، أو ضعف الانصهار.
- دقة الأبعاد: يجب التحكم في قيم التشوه ضمن حدود التصميم، بما في ذلك التواء الألواح وتشوه العوارض وانحراف زاوية اللحام.
- الاستقرار الهيكلي: في العقد والمناطق المعرضة لتركيز الإجهاد العالي، يجب التحكم في مستويات الإجهاد المتبقي من خلال التحليل الإنشائي.
- أداء مقاومة التعب: بالنسبة للمكونات المعرضة لأحمال متغيرة، يجب تقييم تأثيرات تركيز الإجهاد والإجهاد المتبقي على عمر التعب.
- مراقبة الجودة (QC): تُجرى قياسات التشوه باستخدام أدوات مثل الشريط أو المسطرة أو أجهزة القياس بعد اللحام.
- الاختبارات غير التدميرية: يتم فحص جودة اللحام باستخدام الأشعة أو الموجات فوق الصوتية أو الجسيمات المغناطيسية.
- الأدوات العلمية: التحليل الحراري المحاكى باستخدام معدات متخصصة لمقارنة النتائج بالتوزيع الفعلي للإجهاد المتبقي.
يُعد التقييم العلمي لمعاملات الإجهاد وجودة اللحام الأساس لتطوير عملية تصنيع محكومة لأي جسر هيكل فولاذي.
تعتمد هذه العملية على تحليل منهجي لآلية تولد الإجهادات والتشوهات مع مراعاة خصائص الصلابة والاستجابة الحرارية للمكونات المختلفة.
وبناءً على نتائج التحليل، فإن إعداد الدعامات والقيود بشكل صحيح يؤثر بشكل حاسم على تقليل التمدد والانكماش الحراري أثناء عملية اللحام.
تحليل أسباب إجهاد وتشوه اللحام
ترجع أسباب إجهاد وتشوه اللحام إلى التأثيرات المجمعة للتشوه البلاستيكي الناتج عن التوزيع الحراري غير المتجانس وتأثيرات التقييد الهيكلي. وتشمل الأسباب الرئيسية ما يلي:
عدم تجانس التسخين أثناء اللحام
اللحام هو عملية تسخين وضغط، ولكن بسبب اختلاف الظروف التشغيلية، يكون توزيع درجة الحرارة على المكونات الفولاذية غير متوازن.
في المكونات غير المقيدة، يحدث التشوه بحرية أثناء التسخين والتبريد دون توليد إجهادات داخلية، بينما في المكونات المقيدة تتولد إجهادات داخلية وخارجية.
عندما تكون المكونات حرة في الانكماش بعد اللحام، يحدث بعض التشوه دون إجهادات متبقية، ولكن عندما تكون مقيدة، تنخفض التشوهات وتزداد الإجهادات المتبقية.
عندما يتجاوز إدخال الحرارة نقطة الخضوع للمعادن، يحدث تشوه بلاستيكي، وبعد التبريد تظهر إجهادات وتشوهات متبقية حتمية، مما يؤثر على دقة المكونات في جسر هيكل فولاذي.
انكماش معدن اللحام والتغيرات التنظيمية
عند تبريد معدن اللحام وتصلبه، ينكمش تلقائيًا مما يؤدي إلى تشوه وإجهاد متبقي. ونظرًا لأن اللحام يتم عادة بشكل متتابع وغير مستمر، فإن اللحامات الأولى تؤثر على اللاحقة، مما يسبب انكماشًا وتشوهًا عامًا.
في جسر هيكل فولاذي، تتغير البنية المعدنية في منطقة اللحام من الأوستنيت إلى البيرلايت أو البينيت، ما يسبب تقلصًا في الشبكة البلورية وتولد إجهادات دقيقة تضاف إلى الإجهادات الحرارية لتشكل الإجهاد الكلي المتبقي.
صلابة العنصر ودرجة التقييد
تؤثر صلابة العنصر الفولاذي بشكل مباشر على مدى التشوه بعد اللحام. فكلما زادت الصلابة، انخفض التشوه وارتفع الإجهاد المتبقي، والعكس صحيح.
في جسر هيكل فولاذي، يمكن أن تسبب الاختلافات الكبيرة في الصلابة بين الأجزاء صعوبة في توازن التمدد والانكماش الحراري، وإذا تم تركيب الدعامات أو ترتيب الرفع بشكل غير صحيح، فقد يحدث تشوه غير متماثل.
تسلسل واتجاه اللحام غير المناسبين
على سبيل المثال، عند تنفيذ لحامات طويلة قبل القصيرة أو عدم دمج النهايات بشكل متقن، قد يؤدي تراكم الحرارة إلى تجاوز مقاومة المكون.
في جسر هيكل فولاذي، ينتج عن ذلك تشوهات دائمة تؤثر على الاستقرار العام.
إذا لم يتم ترتيب مسارات اللحام واتجاهاته بشكل علمي، تظهر مشاكل في الإزاحة والتشوه الإجباري، مما يقلل من دقة الهيكل الهندسية وأدائه في جسر هيكل فولاذي.
التأثيرات المحتملة لإجهاد وتشوه اللحام
تتأثر المكونات الفولاذية أثناء اللحام بانتقال الحرارة غير المتجانس، مما يؤدي إلى تمدد وانكماش غير متساويين وبالتالي إلى تشوهات وإجهادات متبقية تُعرف باسم إجهادات اللحام.
عند تعدد طبقات اللحام، يسبب عدم توازن فترات التبريد وتسلسل اللحام تولد حرارة زائدة وتشوهات غير منتظمة في جسر هيكل فولاذي.
تأثير الإجهادات المتبقية على القوة الهيكلية للمكونات
أثناء التصنيع، لا تواجه الهياكل الملحومة عادة تركّزًا مفاجئًا للإجهاد، ولكن عندما يكون المعدن هشًا، يمكن أن تتحد الإجهادات الداخلية والخارجية مسببةً كسورًا.
وعند استخدام جسر هيكل فولاذي في درجات حرارة منخفضة، تقل مقاومة المعدن للأحمال الساكنة، مما يزيد من احتمال حدوث فشل هيكلي.
- التشوه الزاوي: يؤدي التقلص غير المتكافئ على جانبي اللحام إلى انحناءات في الألواح والعوارض والوصلات.
- التشوه الموجي: تتأثر الألواح الصندوقية والعناصر الشبكية بتغيرات الحرارة المتكررة، مما يؤدي إلى تموج الأسطح.
- الانحراف أثناء التركيب: يسبب تراكم التشوهات تأخيرات في تركيب جسر هيكل فولاذي وأخطاء في المحاذاة.
- تشققات هيكلية: تؤدي الإجهادات المتبقية المتراكمة في مناطق التأثر الحراري إلى انتشار الشقوق الدقيقة وتقليل عمر الهيكل.
تأثير الإجهادات المتبقية على دقة الأبعاد
أثناء عملية التصنيع، يؤدي إزالة المعدن إلى تغيير توزيع الإجهادات الداخلية للمكون، مما يؤدي إلى تشوه يؤثر على دقة التشغيل.
ولضمان دقة الأبعاد، يجب إخضاع المكونات الملحومة لمعالجة تخفيف الإجهاد قبل التشغيل النهائي في جسر هيكل فولاذي.
تأثير الإجهادات المتبقية على الاستقرار الهيكلي
تؤثر الإجهادات الداخلية الناتجة عن عمليات اللحام، عند اقترانها بأحمال الضغط، على استقرار مكونات جسر هيكل فولاذي.
ولتجنب هذه التأثيرات، يجب اتخاذ إجراءات وقائية للتحكم في التشوهات، بالإضافة إلى تنفيذ معالجة حرارية أو ميكانيكية لإزالة الإجهادات المتبقية بعد اللحام.
الخاتمة
تشكل إجهادات وتشوهات اللحام قضية تقنية أساسية لا يمكن تجنبها في تصنيع جسر هيكل فولاذي.
فوجودها لا يؤثر فقط على دقة التجميع والسلامة الإنشائية، بل أيضًا على عمر الخدمة للهيكل.
وعلى الرغم من صعوبة القضاء عليها بالكامل، فإن أتمتة العمليات وتوحيدها يمكن أن تقلل من آثارها السلبية.
من خلال التصميم العلمي والإدارة المتكاملة في **XTD Steel Structure**، وبفضل تحسين مسارات اللحام والتحكم في إدخال الحرارة واختيار طرق لحام مناسبة، يمكن تحقيق السيطرة الفعالة على الإجهادات والتشوهات، مما يضمن المتانة والسلامة العالية لكل جسر هيكل فولاذي.
