هندسة تحضير المفصل
هندسة لحام الأخدود
قبل أن يتمكن قطعتا معدن من الالتحام معاً في وصلة محكمة الاختراق، يجب تحضير الحواف: بحافة مائلة: لإنشاء أخدود يمكن ملؤه بمعدن اللحام.
تحدد هندسة هذا الأخدود كل شيء: مقدار معدن اللحام المطلوب، مدى عمق اختراق الانصهار، قوة المفصل، و مقدار تشوه قطعة العمل.
الأبعاد الرئيسية لوصلة أخدود V محكمة:
- زاوية الحافة: الزاوية المطحونة في كل حافة لوح، عادة من 30° إلى 37.5° لكل جانب.
- الزاوية المضمنة: الزاوية الكلية للأخدود (كلا الحافتان معاً). بالنسبة لأخدود V متماثل بحافة 30°، الزاوية المضمنة هي 60°.
- فتح الجذر: الفجوة بين اللوحين في قاع الأخدود، عادة 1-3 مم. تسمح هذه الفجوة للقوس باختراق الجانب الخلفي.
- وجه الجذر: منطقة مسطحة صغيرة متبقية في قاع الحافة، عادة 1-2 مم. يمنع هذا القوس من الانفجار عبر الفجوة.
ملامح الأخدود
أخدود V، أخدود J، أخدود U
أخدود V هو الأبسط: حافات مستقيمة على كل جانب تلتقي عند الجذر. سهل القطع بمطحنة أو مشعل. لكن شكل V المفتوح يتطلب الكثير من معدن اللحام لملؤه: خاصة على الألواح السميكة.
أخدود J يستبدل الحافة المستقيمة بملف منحني (بشكل حرف J في المقطع العرضي). يقلل المنحنى من حجم الأخدود مع الحفاظ على الوصول للجذر. يُستخدم على ألواح بسمك 1 بوصة و أكثر.
أخدود U ينحني على كلا الجانبين (مثل U في المقطع العرضي). يتطلب أقل معدن لحام، لكنه الأصعب في المعالجة. يُستخدم على وصلات سميكة وذات قيمة عالية: أوعية ضغط، أنابيب نووية.
V أحادي مقابل V مزدوج: على الألواح الرقيقة (حتى حوالي 3/4 بوصة)، تحافظ على جانب واحد فقط: V أحادي. على الألواح الأكثر سمكاً، تحافظ على كلا الجانبين: V مزدوج (يبدو المقطع العرضي مثل X). يستخدم V المزدوج حوالي نصف معدن اللحام للـ V الأحادي بنفس السمك، ويوازن حرارة اللحام بين كلا الجانبين، مما يقلل التشوه.
حجم اللحام يتسع هندسياً: بالنسبة لأخدود V، المقطع العرضي للأخدود تقريباً مثلث. مساحة المثلث = ½ × القاعدة × الارتفاع. عندما يتضاعف سمك اللوح، يتضاعف كل من القاعدة و الارتفاع، لذا يتضاعف حجم اللحام أربع مرات. هذا هو السبب في أن لحام الألواح السميكة مكلف: التكلفة هندسية، وليست خطية.
حساب حجم اللحام
يقوم عامل لحام بتحضير وصلة محكمة V أحادية على لوحين بسمك 1 بوصة. كل لوح محفور بزاوية 30° لكل جانب (زاوية مضمنة 60°). فتح الجذر 2 مم (حوالي 0.08 بوصة)، و وجه الجذر 2 مم (0.08 بوصة).
الوصلة طولها 12 بوصة.
الأرجل والحلق والمثلثات
هندسة لحام الحشو
يربط لحام الحشو سطحين بزاوية: الأكثر شيوعاً وصلة T أو وصلة تداخل بزاوية 90°. المقطع العرضي للحام الحشو تقريباً مثلث قائم.
الأبعاد الرئيسية:
- حجم الرجل: طول كل جانب من أضلاع المثلث الذي يلمس المعادن الأساسية. بالنسبة لحام حشو متساوي الأرجل قياسي، كلا الرجلين بنفس الطول.
- سمك الحلق: المسافة العمودية من الجذر (الزاوية الداخلية) إلى الوجه (الوتر) للحام. بالنسبة لحام حشو متساوي الأرجل، الحلق = الرجل × cos(45°) = الرجل × 0.707.
الحلق هو ما يهم من حيث القوة: إنه أرق مقطع عرضي عبر اللحام، و هناك يحدث الفشل تحت الحمل.
مثال: لحام حشو بحجم 3/8 بوصة له حلق نظري 3/8 × 0.707 = 0.265 بوصة.
ملامح محدبة مقابل مقعرة
لحام حشو محدب ينتفخ للخارج بما يتجاوز الوتر المسطح. يحتوي على المزيد من معدن اللحام (المزيد من المادة) لكنه ينشئ تركيزات إجهاد عند الأصابع (حيث يلتقي اللحام بالمعدن الأساسي) بسبب الانتقال الهندسي المفاجئ.
لحام حشو مقعر ينحني للداخل. يحتوي على معدن لحام أقل (أخف وزناً و أرخص) و ينشئ انتقالاً هندسياً أكثر سلاسة عند الأصابع: تركيز إجهاد أقل. لكن الحلق أرق من الحساب النظري، لذا قد يكون اللحام أضعف.
ملف التعريف المثالي هو مسطح إلى محدب قليلاً: حلق كافي للقوة، أصابع سلسة بما يكفي لمقاومة التعب.
سمك الحلق و قوة اللحام
يحدد مهندس إنشائي لحام حشو بـ الحد الأدنى لسمك حلق 5 مم على وصلة T.
الانكماش الحراري و التشوه الهندسي
لماذا اللحام يسبب التشوه
يودع اللحام معدن مذاب في درجات حرارة تزيد عن 1500°مئوية. عند ملاحظة اللحام، يتقلص: و هذا الانكماش يسحب المعادن الأساسية المحيطة، مما يسبب التواء قطعة العمل.
أنماط التشوه هندسية و قابلة للتنبؤ:
- الانكماش الطولي: خرزة اللحام تقصر على طول وصلتها عند البرد. قد تنكمش لحام 10 أقدام بمقدار 1-3 مم في الطول.
- الانكماش العرضي: اللحام يسحب اللوحين معاً عبر المفصل. قد يسحب لحام أخدود V محكم اللوحين 2-5 مم أقرب من تركيب الأصل.
- التشوه الزاوي: الجزء العلوي من اللحام (الجزء الواسع من V) يحتوي على معدن لحام أكثر من الجذر. المزيد من المعدن يعني انكماش أكثر على الجانب العلوي. النتيجة: تدور اللوحين نحو اللحام، مما ينشئ تشوه على شكل V. تعتمد زاوية التشوه على هندسة الأخدود و عدد الممرات.
استراتيجيات الوقاية
كل استراتيجية وقاية هندسية:
- تسلسل لحام متوازن: بدل ممرات لحام بين جانبي وصلة V مزدوجة لمعادلة قوى الانكماش.
- الانحناء المسبق (الضبط المسبق): قبل اللحام، انحنِ اللوحين في الاتجاه المعاكس لتشوه زاوي متوقع. بعد انكماش اللحام، تستقيم اللوحان.
- الخطو للخلف: بدلاً من لحام ممر واحد مستمر من اليسار إلى اليمين، لحام قطاعات قصيرة في الاتجاه المعاكس. يوزع هذا الحرارة بشكل أكثر تساوياً و يقلل الانكماش الطولي التراكمي.
- تخطيط تسلسل اللحام: على التجميعات المعقدة، لحام من المركز للخارج (وليس من طرف واحد للآخر) للسماح بتوزيع الانكماش بشكل متماثل.
التنبؤ و منع التشوه
يصنع مصنع وصلة T بلحام حشو على لوح رأسي على لوح أساسي أفقي. يمتد لحام الحشو على جانبي اللوح الرأسي: لحام حشو على جانبين.
إذا لحموا جانباً واحداً تماماً أولاً ثم الجانب الآخر، فسيرتفع اللوح الأساسي على الجانب الملحوم أولاً بسبب التشوه الزاوي.
الدقة الهندسية قبل ضربة القوس
التركيب: الهندسة قبل اللحام
تتحدد جودة اللحام إلى حد كبير قبل أن يضرب عامل اللحام قوساً. التركيب هو المحاذاة الهندسية للمفصل قبل اللحام، و له تسامحات ضيقة.
أبعاد التركيب الحرجة:
- فتح الجذر: الفجوة بين القطعتين عند جذر المفصل. محدد ±1 مم لمعظم عملية رمز. ضيق جداً: لا يستطيع القوس اختراق. واسع جداً: ينهار معدن اللحام.
- عدم المحاذاة (hi-lo): عندما لا تكون أسطح اللوحين متساوية: أحدهما مقابل الآخر عمودياً. الحد الأقصى المسموح به: عادة 1.5 مم أو 10% من سمك اللوح، أيهما أقل.
- عدم المحاذاة الزاوية: عندما لا يكون اللوحان في نفس المستوى: يلتقيان بزاوية غير مقصودة. الحد الأقصى: عادة 5° لمعظم عملية رمز.
كل عيب له توقيع هندسي
- نقص الاختراق: فتح الجذر ضيق جداً: لم يتمكن القوس من الوصول إلى الجانب الخلفي. النتيجة الهندسية: معدن غير متحد عند الجذر، عيب خفي يشبه الشقوق.
- تعزيز مفرط: الكثير من معدن اللحام يتراكم فوق سطح اللوح. النتيجة الهندسية: مرتفع الإجهاد عند أصابع غطاء اللحام.
- قطع: أخدود مذاب في المعدن الأساسي بجانب أصابع اللحام، لا يتم ملؤه بمعدن اللحام. النتيجة الهندسية: شق يركز الإجهاد: مثل خدش على الزجاج، يصبح نقطة البداية للشقوق.
- مسامية: فقاعات غاز محاصرة في معدن اللحام. النتيجة الهندسية: فراغات كروية تقلل سمك الحلق الفعلي.
تشخيص العيوب الهندسية
يفحص مفتش لحام لحام أخدود V مكتمل و يجد ما يلي:
1. غطاء تعزيز اللحام يرتفع 5 مم فوق سطح اللوح (الحد الأقصى المسموح به 3 مم).
2. يوجد أخدود بعمق 1 مم على طول أصبع اللحام الأيسر.
3. كشف الأشعة السينية عن خط معدن غير متحد عند جذر المفصل.
هندسة اللحام: ملخص
ما الذي تعلمته
اللحام هو الهندسة التطبيقية مع العواقب الهيكلية:
- هندسة الحافة: V-groove، J-groove، U-groove ملامح. زاوية الحافة، فتح الجذر، وجه الجذر. يتسع حجم اللحام حسب مربع سمك اللوح: مضاعفة السمك تضاعف معدن اللحام أربع مرات.
- هندسة الحشو: الحلق = الرجل × 0.707. الحلق و ليس الرجل: يحدد قوة اللحام لأنه أرق مقطع عرضي عبر اللحام. تُضيف ملامح محدبة معدناً لكنها تُنشئ إجهاداً عند الأصابع.
- هندسة التشوه: الانكماش الطولي، الانكماش العرضي، التشوه الزاوي. كل طريقة وقاية (انحناء مسبق، تسلسل بديل، خطو للخلف) هي تدابير هندسية لمواجهة الانكماش الحراري غير المتوازن.
- تسامحات التركيب: فتح الجذر ±1 مم، hi-lo ≤ 1.5 مم، عدم محاذاة زاوي ≤ 5°. كل عيب لحام له توقيع هندسي: الشقوق والفراغات والطائرات غير المتحدة تركز الإجهاد.
الهندسة دقيقة لأن عواقب الخطأ فيها فشل هيكلي. يمكن أن يكون 1 مم قطع أو 2 مم عدم محاذاة الفارق بين وصلة تستمر عقوداً وأخرى تنكسر تحت دورة تحميل أولى.