ال منطقة متأثرة بالحرارة الناتجة عن اللحام هي المنطقة التي يتعرض فيها المعدن الأساسي الصلب على جانبي اللحام لتغيرات واضحة في بنيته وخصائصه تحت تأثير دورة حرارة اللحام، وتُسمى منطقة التأثر بالحرارة. اللحام المفصلي هو عملية لحام تتكون من ثلاثة أجزاء: خط اللحام، ومنطقة الانصهار، ومنطقة التأثر بالحرارة.

1. التعريف

تحت تأثير منطقة متأثرة بالحرارة الناتجة عن اللحام في اللحام بالانصهار، تسمى المنطقة التي يتغير فيها الهيكل والخصائص ضمن نطاق معين بالقرب من جانبي اللحام "منطقة متأثرة بالحرارة الناتجة عن اللحام"، أو "منطقة اللحام القريبة" (منطقة اللحام القريبة). يتكون المفصل الملحوم بشكل أساسي من جزأين، هما خط اللحام ومنطقة الظل الساخن، ويوجد بينهما منطقة انتقالية تُسمى منطقة الانصهار. لذلك، لضمان جودة المفاصل الملحومة، من الضروري أن يتوافق هيكل وخصائص اللحام ومنطقة التأثر بالحرارة مع المتطلبات في نفس الوقت. مع الاستخدام المستمر لمختلف أنواع الفولاذ عالي القوة والفولاذ المقاوم للصدأ والفولاذ المقاوم للحرارة وبعض المواد الخاصة في الإنتاج، أصبحت المشاكل الموجودة في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة أكثر تعقيدًا وأصبحت منطقة ضعف المفاصل الملحومة. لذلك، أولى الباحثون في العديد من البلدان اهتمامًا كبيرًا لمنطقة اللحام المتأثرة بالحرارة.

يختلف حجم المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) باختلاف كمية الحرارة الداخلة من عملية اللحام، والتوصيل الحراري للمادة، ومعدل التبريد. عادةً ما يؤدي ارتفاع كمية الحرارة الداخلة أو بطء معدلات التبريد إلى اتساع مساحة المنطقة المتأثرة بالحرارة.

2. توزيع الأنسجة

وفقا ل منطقة متأثرة بالحرارة الناتجة عن اللحام يُقسّم فولاذ اللحام إلى فئتين: فولاذ ذو ميل منخفض للتبريد، مثل الفولاذ منخفض الكربون وبعض أنواع الفولاذ منخفض السبائك، ويُسمى فولاذًا ذا ميل للتبريد الصلب؛ وفولاذ ذو ميل للتصلب. أما الدرجات الأعلى، مثل الفولاذ متوسط الكربون، والفولاذ المُبرّد والفولاذ المُقسّى منخفض ومتوسط الكربون، فتُسمى فولاذًا سهل التبريد. ونظرًا لاختلاف ميل التبريد، يختلف أيضًا هيكل منطقة التأثر بالحرارة في كلا النوعين من الفولاذ.

3. الأداء

توزيع البنية الدقيقة لمنطقة اللحام المتأثرة بالحرارة غير متجانس، وبالتالي يكون الأداء غير متجانس أيضًا. تختلف منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة عن خط اللحام، ويمكن لخط اللحام تلبية متطلبات الأداء من خلال تعديل التركيب الكيميائي ومواءمة عملية اللحام المناسبة. لا يمكن تعديل أداء منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة من حيث التركيب، وهي مشكلة عدم تجانس تحدث تحت تأثير دورات اللحام الحرارية. بالنسبة للهياكل الملحومة بشكل عام، تُؤخذ في الاعتبار بشكل أساسي تصلب منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة وهشاشتها وصلابتها وليونتها، بالإضافة إلى الخصائص الميكانيكية الشاملة ومقاومة التآكل وخصائص التعب، والتي تُحدد وفقًا لمتطلبات الاستخدام الخاصة بالهيكل الملحوم.

التصلب

تعتمد صلابة منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة بشكل أساسي على التركيب الكيميائي وظروف التبريد للفولاذ المراد لحامه، وجوهرها هو عكس أداء الهياكل المعدنية المختلفة. ونظرًا لأن اختبار الصلابة أكثر ملاءمة، غالبًا ما يتم استخدام أعلى صلابة HMAX لمنطقة التأثر بالحرارة للحكم على أداء المنطقة المتأثرة بالحرارة، والتي يمكن أن تتنبأ بشكل غير مباشر بمتانة المنطقة المتأثرة بالحرارة وهشاشتها ومقاومة الشقوق. في المشروع، تم استخدام HMAX لمنطقة التأثر بالحرارة كمؤشر مهم لتقييم قابلية اللحام. وتجدر الإشارة إلى أنه حتى الهيكل نفسه له صلابة مختلفة، والتي ترتبط بمحتوى الكربون في الفولاذ وتكوين السبائك. على سبيل المثال، يمكن أن تصل صلابة المارتنسيت عالي الكربون إلى 600HV، بينما تبلغ صلابة المارتنسيت منخفض الكربون 350-390HV فقط.

هشاشة

غالبًا ما يكون هشاشة منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة السبب الرئيسي لتشقق وهشاشة الوصلات الملحومة. تقيس الهشاشة والمتانة قدرة المادة على مقاومة الكسر تحت تأثير الأحمال الصدمية، وهما انعكاس شامل لقوة المادة ومرونتها. كلما زادت هشاشة المادة، انخفضت متانتها وضعف قدرتها على مقاومة أحمال الصدمات. ولأن توزيع البنية الدقيقة في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة غير منتظم، وحتى في بعض الأجزاء، تكون قوتها أقل بكثير من قوة المعدن الأساسي، يحدث هشاشة شديدة، بحيث تصبح منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة نقطة ضعف في الوصلة بأكملها. لذلك، تتم دراسة هشاشة منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة، وتتضمن ظاهرة الهشاشة بشكل أساسي آليات الهشاشة مثل هشاشة الحبوب الخشنة، وهشاشة البنية الدقيقة، وهشاشة الشيخوخة الناتجة عن الإجهاد الحراري، وذلك لتحسين متانتها وتحسين الخصائص الميكانيكية للمفصل بأكمله. 

مقوى

تُعدّ منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة، وخاصةً منطقة الانصهار والمنطقة ذات الحبيبات الخشنة، من نقاط الضعف في كامل المفصل الملحوم. لذلك، ينبغي اتخاذ تدابير لتحسين متانة منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة. ومع ذلك، لا يمكن تعديل متانة منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة أو تحسينها بإضافة عناصر سبيكة أثرية مثل اللحام. إنها متأصلة في المادة نفسها، لذا لا يمكن تحسينها إلا ضمن نطاق معين من خلال تحسين متانة المادة نفسها وبعض التدابير التكنولوجية. ووفقًا للبحث، يمكن اتخاذ الإجراءين التاليين لتحسين متانة منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة.

تليين

عادةً ما تتفاوت درجات فقدان القوة في المعادن أو السبائك المُقوّاة بالمعالجة الباردة أو الحرارية في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة. يحدث تليين أو فقدان القوة في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة نتيجة إعادة التبلور. يؤثر التليين أو فقدان القوة في منطقة اللحام المتأثرة بالحرارة بشكل طفيف على الخواص الميكانيكية للوصلات الملحومة، ولكن يصعب التحكم فيه.

4. التأثيرات على خصائص المواد

●القوة والصلابة: قد تختلف مستويات صلابة وقوة المنطقة المتأثرة بالحرارة مقارنةً بالمعدن الأساسي. عادةً، تتعرض المناطق الأقرب إلى اللحام لدرجات حرارة أعلى، وقد تصبح أكثر صلابة وهشاشة، خاصةً في الفولاذ عالي الكربون.

●المتانة: يمكن تقليل متانة المنطقة المتأثرة بالحرارة نتيجةً لتكوين هياكل مجهرية أكثر صلابةً وهشاشة. وهذا أمرٌ بالغ الأهمية خاصةً في التطبيقات التي تتطلب مقاومةً للصدمات.

●مقاومة التآكل: في بعض المواد، مثل بعض أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ، يمكن للحرارة أن تسبب تغييرات تؤثر على مقاومة التآكل، مثل ترسب الكربيدات على حدود الحبوب.

5. الأهمية والتحكم

السلامة الهيكلية: 

فهم والسيطرة منطقة متأثرة بالحرارة الناتجة عن اللحام يعد هذا الأمر ضروريًا لضمان سلامة هيكل المكونات الملحومة، وخاصة في التطبيقات الحرجة مثل هندسة الطيران والسيارات والهندسة الإنشائية.

تحسين معلمات اللحام: 

① مدخلات الحرارة: يمكن أن يساعد خفض مدخلات الحرارة عن طريق تعديل الجهد والتيار وسرعة اللحام في تقليل حجم المنطقة المتأثرة بالحرارة. يؤدي خفض مدخلات الحرارة إلى معدلات تبريد أسرع وتقليل الوقت اللازم للتغيرات الهيكلية الدقيقة الضارة.

②درجة حرارة الممر البين: إن التحكم في درجة حرارة الممر البين (درجة الحرارة بين كل تمريرة لحام) يمكن أن يؤثر على البنية الدقيقة للمنطقة المتضررة بالحرارة، مما يحسن خصائص مثل الصلابة.

التسخين المسبق والمعالجة الحرارية بعد اللحام (PWHT):

①التسخين المسبق: يُقلل تسخين المادة قبل اللحام من معدل التبريد، مما يُقلل من خطر تكوّن هياكل دقيقة غير مرغوب فيها، مثل المارتنسيت، في الفولاذ. كما يُساعد على تقليل الإجهادات المتبقية.

②PWHT: يمكن أن يساعد تطبيق الحرارة بعد اللحام في تقوية الهياكل الدقيقة الصلبة المتكونة في المنطقة المتضررة بالحرارة، وبالتالي تحسين الصلابة وتقليل الضغوط المتبقية.

عرض فيديو توضيحي