الأساليب لمعالجة الإجهادات المتبقية من اللحام في تصنيع الجسور الفولاذية

مع التقدم في معالجة المواد المعدنية وتكنولوجيا البناء، أصبحت تصنيع الجسور الفولاذية الخيار الرئيسي في هندسة الجسور الحديثة. بفضل قوتها العالية، ومرونتها، وكفاءتها في البناء، وقدرتها على التكيف مع الإنتاج الموحد والآلي، أصبحت لا غنى عنها. في تصنيع الجسور الفولاذية، تلعب تقنية اللحام دورًا حيويًا، حيث تُعد الوسيلة الأساسية لربط المكونات وتشكيل الأجزاء الهيكلية المهمة مثل العوارض والعقد والأقسام الصندوقية.

ومع ذلك، يمكن أن تؤدي درجات الحرارة العالية أثناء اللحام وعملية التبريد غير المنتظمة إلى توليد إجهادات متبقية داخل المكونات، مما يؤدي إلى مخاطر خفية مثل التشوه الهيكلي والتشققات وقصر عمر التعب. تؤثر هذه العوامل سلبًا على سلامة الجسر ومتانته. لذلك، يستعرض هذا المقال تقنيات الوقاية والسيطرة على الإجهادات المتبقية في الجسور الفولاذية من ثلاثة جوانب: التصميم الهيكلي، عملية التصنيع، والمعالجة بعد اللحام. كما يقدم تدابير محددة لتخفيف الإجهاد باستخدام طرق مثل المعالجة الحرارية والاهتزاز الميكانيكي والطرق بالمطرقة.

للمزيد من المعلومات حول تعريف إجهادات اللحام ومظاهرها في الإنتاج، يُنصح بقراءة المقال السابق: تحليل الإجهادات والتشوهات الناتجة عن اللحام في الجسور الفولاذية.

الوقاية والسيطرة على إجهادات اللحام في تصنيع الجسور الفولاذية

علاوة على ذلك، فإن تراكم اللحامات في منطقة واحدة يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للإجهادات وتركيزات حرارية عالية. ويُلاحظ أن زيادة صلابة الوصلات قد تولد إجهادات تقييد مرتفعة أثناء اللحام، مما يزيد من خطر التشقق. لذلك، يُفضل استخدام وصلات ذات صلابة أقل لتجنب الإجهادات الطولية والعرضية الناتجة عن الإجهادات المتبقية من اللحام.

في تصنيع الجسور الفولاذية، يساعد ترتيب اللحامات وتسلسلها الصحيح على تحقيق تمدد حراري حر، مما يقلل من الإجهادات المتبقية. يجب تنفيذ اللحامات القصيرة قبل الطويلة، وتنفيذ اللحامات ذات الانكماش الأكبر أولاً لتقليل القيود والإجهاد.

عند لحام العوارض على شكل I مع أغطية، يجب تنفيذ لحام التناكب أولاً ثم لحام الزوايا، لأن لحامات الزوايا تنكمش بدرجة أقل. أما في اللحامات ذات الأحمال العالية، مثل العوارض الكبيرة، فيُفضل لحام الوصلات المعرضة للإجهاد أولاً ثم الوصلات غير المعرضة، وأخيرًا لحامات التثبيت. في حالات اللحام المتقاطع، تتولد إجهادات كبيرة عند التقاطعات، مما يتطلب دقة عالية في تسلسل اللحام.

قبل اللحام، يجب تسخين المكونات إلى درجة حرارة تتراوح بين 150 و300 درجة مئوية، خصوصًا للمعادن الهشة، أو استخدام لحام بمدخل حراري منخفض لتقليل الفروقات الحرارية. أثناء اللحام، من المهم تقليل القيود قدر الإمكان، لأن اللحامات المغلقة تولد إجهادات شد عالية وتزيد خطر التشقق.

اختيار طريقة اللحام

وفقًا للنظرية المذكورة، لتقليل الإجهادات المتبقية في تصنيع الجسور الفولاذية، يُوصى باستخدام طرق لحام عالية الكثافة للطاقة. تنتج هذه الطرق طاقة خطية أقل وبالتالي إجهادات أقل:

• اللحام بشعاع الإلكترون
• اللحام بالليزر
• اللحام بشق ضيق

في عمليات التصنيع العامة، يُستخدم اللحام المحمي بغاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) على نطاق واسع نظرًا لكفاءته العالية وقدرته على تقليل التشوه. عند لحام الصفائح الرقيقة، يمكن استخدام لحام القوس التنغستن النابض أو اللحام بالمقاومة الكهربائية لتجنب الانبعاج. وإذا لم تكن طرق الطاقة المنخفضة متاحة، يمكن استخدام التبريد المباشر بالماء أو الهواء لتعديل المجال الحراري دون التأثير على جودة اللحام.

الحلول لإزالة إجهادات اللحام المتبقية

كما هو معروف، نظرًا لتعقيد عملية اللحام، تبقى غالبًا إجهادات متبقية كبيرة بعد تصنيع الجسور الفولاذية. كما يمكن لبعض الهياكل أن تطور إجهادات أثناء التجميع، مما يؤثر على الأداء العام للعناصر. يتم تحديد الحاجة إلى معالجة إزالة الإجهاد بناءً على تحليل شامل لخصائص المادة، وطريقة التصنيع، وسجل التشغيل. فيما يلي الأساليب الأكثر شيوعًا لإزالة ومنع الإجهادات المتبقية في تصنيع الجسور الفولاذية.

المعالجة الحرارية

تُعد من أكثر الطرق استخدامًا في الصناعات المعدنية لإزالة الإجهادات المتبقية من خلال التأثيرات الحرارية أو السطحية أو الكيميائية. في المراحل المبكرة، استُخدمت التأثيرات الحرارية لتقليل التشوه والإجهادات أثناء أو قبل اللحام، خاصة في الألواح الرقيقة. تشمل طرق التسخين المسبق التسخين في الأفران، أو التسخين بالأشعة تحت الحمراء، أو التسخين بالتردد الكهربائي، أو التسخين باللهب. يتم تسخين منطقة اللحام إلى درجة حرارة محددة، ثم تبريدها ببطء بشكل طبيعي.

مع التطور التكنولوجي المستمر، تعتمد عمليات تصنيع الجسور الفولاذية الحديثة على طريقتين رئيسيتين: المعالجة الحرارية الشاملة والمعالجة الحرارية الموضعية. يتم في الأولى تسخين المكون بأكمله تدريجيًا داخل الفرن إلى درجة حرارة معينة، ثم الحفاظ عليها لفترة محددة قبل التبريد داخل الفرن. وتُعد هذه الطريقة أكثر فاعلية في إزالة الإجهادات مقارنة بالمعالجة الموضعية. ومع ذلك، بالنسبة للمكونات الكبيرة، تكون المعالجة الموضعية أكثر عملية، حيث يمكنها إزالة من 50% إلى 70% من الإجهادات المتبقية، حسب درجة الحرارة وزمن التسخين وطريقة التطبيق.

تُستخدم عملية التخمير بعد اللحام بشكل شائع في أوعية الضغط والأنابيب، ولكنها نادرًا ما تُطبق على الهياكل المدنية الكبيرة مثل تصنيع الجسور الفولاذية. أظهرت الدراسات أن تسخين الجانبين المحيطين باللحام بواسطة مصادر حرارية متحركة يقلل من الإجهادات بنسبة تصل إلى 21%. كما أثبتت التجارب التي تستخدم التسخين المتوازي انخفاض الإجهادات بنسبة تصل إلى 37%. في عام 2014، تم رفع درجة حرارة لحام سطح جسر فولاذي إلى 625°C لمدة ثلاث ساعات، مما قلل الإجهادات المتبقية بشكل كبير. وأكدت الاختبارات في مختبرات بريطانية أن المعالجة الحرارية تقلل من الإجهادات دون أن تؤثر على مقاومة الفولاذ أو مرونته. يمكن للتسخين بالحث عالي التردد أن يقلل الإجهادات بنسبة تصل إلى 90%، مما يحسن عمر التعب للمكونات بشكل واضح.

وباختصار، تُعد المعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT) طريقة فعالة وناضجة وسهلة التطبيق صناعيًا لإزالة الإجهادات المتبقية في تصنيع الجسور الفولاذية وتحسين أداء الوصلات الملحومة الحساسة.

الطرق الميكانيكية (الطرق بالمطرقة)

تتمثل هذه الطريقة في الطرق الميكانيكي على منطقة القدم في اللحام لإحداث تشوه بلاستيكي يعوّض جزءًا من الإجهادات، مما يقلل من الضغط المتبقي. تشمل الطرق المستخدمة في تصنيع الجسور الفولاذية الطرق بالمطرقة، القذف بالكرات، أو السفع الرملي. أثبتت الأبحاث التي أجراها بورغ وآخرون وجود مجال ضغط متبقي على سطح العينات بعد الطرق. وأظهرت التجارب الأمريكية زيادة كبيرة في عدد دورات التحميل قبل ظهور الشقوق وانتشارها. كما اكتشف يامادا أن الطرق يخلق مجال ضغط يقلل من الشقوق ويحسن مقاومة التعب.

ومع ذلك، فإن الطبيعة المعقدة لتصميم الجسور وتعدد اللحامات تجعل تطبيق هذه التقنية على جميع الوصلات أمرًا صعبًا في تصنيع الجسور الفولاذية. كما أن هذه الطريقة تتطلب مهارة عالية من العامل وتختلف نتائجها حسب شكل رأس المطرقة، مما يجعلها محدودة في بعض الحالات.

طريقة الاهتزاز

تستخدم طريقة الشيخوخة بالاهتزاز لإزالة الإجهادات المتبقية أثناء تصنيع الجسور الفولاذية. تعتمد فعاليتها على نوع المهتز، وموقع الدعامة، وتردد الاهتزاز، ومدة التطبيق. بالنسبة للمكونات الكبيرة والمعقدة، يمكن استخدام الاهتزاز في مواقع متعددة، وتكون المدة المثلى حوالي 45 دقيقة. تتميز هذه الطريقة بالبساطة والمرونة وتوفير الوقت والطاقة وانخفاض التكلفة.

الخاتمة

باختصار، تمثل الإجهادات المتبقية الناتجة عن اللحام خطرًا إنشائيًا كبيرًا أثناء تصنيع الجسور الفولاذية. آليات تولدها معقدة، وآثارها متعددة، إذ يمكن أن تسبب تشوهات هندسية وصعوبات في التجميع وانخفاضًا في أداء التحمل والعمر الافتراضي للجسر. لذلك، يعد تطوير أنظمة شاملة للتحكم في الإجهاد، بدءًا من مرحلة التصميم وحتى المعالجة بعد اللحام، أمرًا ضروريًا لضمان السلامة والمتانة.

على المستوى الوقائي، يمكن أن تؤدي تحسينات التصميم الهيكلي وترتيب اللحامات بشكل عقلاني واختيار طرق اللحام والتسخين المناسبة إلى تقليل تولد الإجهادات في المصدر. أما من حيث المعالجة، فإن طرق مثل المعالجة الحرارية بعد اللحام، والطرق الميكانيكي، والاهتزاز، والتمدد الحراري توفر حلولًا فعالة.

وفي المستقبل، ومع تنوع تصاميم الجسور الفولاذية وارتفاع متطلبات الدقة، ستواصل تقنيات التحكم في الإجهادات في تصنيع الجسور الفولاذية التطور نحو أساليب أكثر كفاءة وذكاء وتحكمًا. وبصفتها خبيرًا عالميًا في الهياكل الفولاذية الجاهزة، ستواصل شركة XTD Steel Structure تقديم حلول متكاملة ومتقدمة لبناء جسور فولاذية عالية الأداء وآمنة.