مراجعة لأنواع طرق اللحام
المقدّمة
يُعدّ اللحام أكثر طرق وصل قطعتين (أو مادتين) استخداماً في الصناعة، وهو عملية تتضمن ربط قطعتين معدنيتين أو أكثر باستخدام الحرارة أو الضغط أو كليهما معاً. ويؤدي اللحام دوراً حيوياً في تطوير البنى التحتية، ووسائل النقل، والتصنيع، والعديد من الصناعات الأخرى. وقد حدّدت الجمعية الأمريكية للحام (AWS) أكثر من خمسين نوعاً مختلفاً من عمليات اللحام.
في هذا المقال نستعرض بإيجاز بعضاً من أهم أنواع طرق اللحام.
أنواع عمليات اللحام
يمكن تصنيف طرق اللحام من منظورين رئيسيين:
- منع الأكسدة
- كيفية توليد القوس الكهربائي (اللهب)
❖ منع الأكسدة
إن ارتفاع درجة الحرارة يزيد بشكل كبير من سرعة أكسدة المعادن. وفي عمليات اللحام تكون درجة حرارة المعدن المنصهر مرتفعة جداً (من 1500 إلى 4000 درجة مئوية)، مما يضاعف خطر الأكسدة. ولذلك يجب استخدام وسائل لحماية المعدن المنصهر من العوامل المؤكسدة الموجودة في بيئة العمل، مثل الأكسجين وبخار الماء.
ويُطلق على هذه الأساليب في اللحام اسم اللحام المحمي (Shielded Welding) أو اللحام بغطاء واقٍ، وتشمل ما يلي:
1. استخدام الغازات الخاملة الواقية
لا تشارك الغازات الخاملة (Inert Gases) في تفاعلات الأكسدة والاختزال، ولذلك يُعدّ كل من الأرجون والهيليوم من أكثر الغازات الواقية استخداماً في عمليات اللحام. ويتيح غاز الأرجون عالي النقاء إمكانية لحام المعادن شديدة التفاعل مثل التيتانيوم.
2. استخدام الغازات شبه الخاملة الواقية
نظراً لارتفاع تكلفة الغازات الخاملة، يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون (CO₂) بدلاً منها كغاز واقٍ. وعلى الرغم من أن CO₂ لا يُعد من الغازات النبيلة، فإنه يتمتع بدرجة عالية من الاستقرار تجعله يتصرف بطريقة مشابهة لها، ولذلك يوفر حماية جيدة لحوض الانصهار.
وعلى خلاف الغازات الخاملة مثل الأرجون، يتفاعل CO₂ مع قوس اللحام، مما يزيد من طاقته ويحسن عمق الاختراق. وبفضل هذه الخاصية، يُعد CO₂ خياراً مناسباً للحام المواد الأكثر سماكة وللحصول على اختراق عميق في الوصلة الملحومة.
ومن الجدير بالذكر أن استخدام الغازات الواقية لا يقتصر على الحماية من الأكسدة فحسب، بل يوفر أيضاً ميزتين إضافيتين:
- يمنع دخول الشوائب الجوية، مثل النيتروجين أو جسيمات الغبار الدقيقة، ويحدّ من تشكل المسامية داخل اللحام.
- يساعد على التحكم في انتقال الحرارة، مما يقلل من تشوه سطح اللحام ويحسن جودة السطح.
3. استخدام أقطاب مستهلكة ذات غطاء واقٍ
في هذه الحالة يُستخدم قطب كهربائي مغطى بمادة واقية تُعرف باسم الفلكس (Flux). وعند انصهار القلب المعدني للقطب داخل حوض الانصهار، يتحلل غطاء الفلكس أيضاً وتنبعث منه أبخرة تعمل كغاز واقٍ يمنع حدوث الأكسدة.
4. استخدام الغطاء المسحوقي
في هذه الطريقة تُستخدم فوهة مستقلة لحقن مسحوق واقٍ كثيف فوق حوض الانصهار بهدف حمايته من الأكسدة.
كيفية توليد القوس الكهربائي
لتكوين حوض الانصهار ودمج المواد بداخله نحتاج إلى مصدر حراري، ويُستخدم القوس الكهربائي في معظم طرق اللحام لهذا الغرض.
ومن هذا المنطلق يمكن تقسيم طرق اللحام إلى الفئتين التاليتين:
1- توليد القوس بين القطب المستهلك والمعدن الأساسي
عند ملامسة القطب المستهلك للقطعة الأساسية مباشرة ومرور التيار الكهربائي، يتولد القوس بين القطب والمعدن الأساسي. وتؤدي الحرارة الناتجة عن القوس إلى انصهار كلٍّ من المعدن الأساسي والقطب، فتتكون وصلة اللحام.
2- توليد القوس بواسطة فوهة مستقلة
في هذه الطريقة يُستخدم قطب ثابت غير مستهلك (مثل التنغستن) لتوليد القوس الكهربائي. وفي هذه الحالة يلزم استخدام سلك أو قضيب حشو (Filler Rod) لتكوين خط اللحام.
بعض عمليات اللحام الشائعة في الصناعة
1- اللحام بالقوس الكهربائي المحمي بالغاز وبقطب التنغستن (TIG / GTAW)
في هذه الطريقة يُستخدم قطب تنغستن غير مستهلَك لتوليد القوس الكهربائي، كما يُستخدم غالباً غاز واقٍ خامل (مثل الأرجون أو الهيليوم) لحماية منطقة اللحام. وتُعد هذه الطريقة الأفضل من حيث جودة اللحام مقارنةً بغيرها من طرق اللحام، وذلك بسبب الارتفاع الكبير في درجة حرارة القوس واستخدام غاز خامل مرتفع التكلفة. كما أنها مناسبة للحام المعادن الحساسة. وتُعرف هذه الطريقة أيضاً باسم «لحام الأرجون».
2-اللحام بالقوس الكهربائي المحمي بالغاز وبقطب مستهلَك (MIG / GMAW)
في هذه الطريقة يُستخدم قطب مستهلَك لتوليد القوس الكهربائي، بالإضافة إلى مسدس لحام يُستعمل لحقن الغاز الواقي (مثل الأرجون أو مزيج غازي ثاني أكسيد الكربون والأرجون) لحماية منطقة اللحام. وتُعد هذه الطريقة مثالية لعمليات اللحام ذات السرعات العالية ولحام المواد ذات السماكات المختلفة. كما يُطلق عليها أيضاً اسم «لحام CO₂». وتُعد حالياً أكثر طرق اللحام الصناعي انتشاراً.
3-اللحام بالقوس الكهربائي باستخدام الأقطاب المغلّفة (SMAW)
في هذه الطريقة، التي تُعد من أكثر طرق اللحام شيوعاً في العالم، يُستخدم قطب مستهلَك مغطّى بطبقة واقية. وخلال عملية توليد القوس، تنتج هذه الطبقة غازات واقية وطبقة حماية تُعرف بالخبث (Slag)، مما يحمي منطقة اللحام من الأكسدة. وتُعرف هذه الطريقة أيضاً باسم «اللحام الكهربائي».
4-اللحام بالقوس المغمور (SAW)
في هذه الطريقة يتولد القوس الكهربائي تحت طبقة من المسحوق الواقي، حيث يعمل هذا المسحوق على حماية منطقة اللحام من الأكسدة، كما يساهم في تحسين جودة اللحام وزيادة عمق الاختراق. وتُعد هذه الطريقة من أكثر أساليب اللحام استخداماً في تصنيع الأوعية المضغوطة، والغلايات البخارية، ومختلف أنواع الأنابيب، والمنشآت الإنشائية.
هل يمكن استخدام غاز CO₂ في لحام TIG؟
على الرغم من الاستخدام الواسع لغاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) في لحام MIG لما يتمتع به من كفاءة عالية، فإن استخدامه في لحام TIG أكثر تعقيداً. وكما أشرنا سابقاً، تُستخدم في لحام MIG أقطاب مستهلَكة، في حين تُستخدم في لحام TIG أقطاب غير مستهلَكة (من التنغستن). ولذلك تتطلب هذه الطريقة غازاً واقياً لا يتفاعل مع القوس الكهربائي ولا يزيد من طاقته الحرارية، إذ إن التنغستن بحد ذاته يولد قوساً ذا حرارة مرتفعة جداً.
وعلى الرغم من المزايا التي يوفرها غاز CO₂، فإن قابليته للتفاعل قد تؤثر سلباً في سلامة ومتانة وصلة اللحام بتقنية TIG، وقد تتسبب في ظهور مشكلات تتعلق بمظهر اللحام وجودته.
الحقيقة وراء شائعة متداولة
منذ انتشار استخدام غاز الأرجون في عمليات اللحام، ظهرت بعض الشائعات المتداولة بين الناس، ومن أبرزها الادعاء بأن غاز الأرجون المستخدم في اللحام قد يسبب العقم للإنسان.
والحقيقة أن هذه الشائعة لا تستند إلى أي أساس علمي موثوق. فالأرجون غاز نبيل يتميز بدرجة عالية من الاستقرار الكيميائي، ولا يدخل في تفاعلات كيميائية مؤثرة مع أي مادة، بما في ذلك جسم الإنسان. كما أن الأرجون موجود بصورة طبيعية في الهواء والغلاف الجوي للأرض.
ومع ذلك، قد تكون هذه الشائعة قد نشأت للأسباب التالية:
- التواجد في أماكن مغلقة تفتقر إلى التهوية المناسبة
يُعد غاز الأرجون أثقل من الهواء، وعند تراكمه في مكان مغلق وغير جيد التهوية قد يؤدي إلى إزاحة الأكسجين. وقد يسبب ذلك الاختناق ومشكلات صحية خطيرة. إلا أن هذه المخاطر تنتج عن نقص الأكسجين وليس عن خصائص غاز الأرجون نفسه.
- التأثيرات المهنية غير المباشرة
قد يتعرض العاملون في مجال اللحام لعوامل أخرى مثل الأشعة فوق البنفسجية (UV)، وأبخرة اللحام، والمعادن الثقيلة. ويمكن لبعض هذه العوامل أن تؤثر في الصحة الإنجابية. وبالتالي فإن المشكلة لا ترتبط بغاز الأرجون بحد ذاته، وإنما بظروف بيئة العمل.
وباختصار، لا يشكل غاز الأرجون في حد ذاته أي خطر على الخصوبة البشرية، إلا أن ظروف العمل غير الملائمة قد تؤدي إلى مشكلات صحية أخرى.
الخلاصة
نظراً للأهمية الكبيرة التي يحتلها اللحام في مختلف الصناعات، فإن اختيار طريقة اللحام المناسبة وفقاً لظروف بيئة العمل، ومتانة خط اللحام، ومستوى الدقة المطلوبة، ومتطلبات السلامة وغيرها من العوامل، يُعد أمراً بالغ الأهمية.
ويُعتبر تجنب الأكسدة بهدف زيادة العمر التشغيلي للوصلة الملحومة ومنع التآكل أحد أهم المبادئ التي أسهمت في تطوير عدد من أكثر تقنيات اللحام شيوعاً واستخداماً في الصناعة.