تهتم ميتالورجيا اللحام بدراسة تأثير اللحام على المعادن من حيث الخواص الفيزيقية والميكانيكية والتركيب الكيميائي. ومن أساسيات ميتالورجيا اللحام البنية ألمجهريه لوصله اللحام والتي تؤثر في الخواص الميكانيكية - تغيرات اللحام مثل الدورة الحرارية - التفاعلات الكيميائية في المنطقة المنصهرة - العناصر السبائكيه - التركيب الكيميائي لمساعدات الصهر وكل هذه العوامل تؤثر بصفه أساسيه في البنية ألمجهريه لكل من معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة
الخصائص الميتالورجية لوصلة اللحام
دورة الحرارة والبنية ألمجهريه لوصلة اللحام
تتراوح أعلى درجة حرارة لقوس اللحام بين 5000 إلى 6000ه م نتيجة لهذه الحرارة يتم تسخين وانصهار معدن الأساس بالقرب من القوس وبالتالي إجراء اللحام . ويعبر عن الطاقة الكهربائية المعطاة لوصلة لحام بالدخل الحراري . يتم تسخين وصلة اللحام بسرعة لدرجة حرارة عاليه ثم تبريدها بمعدل عالي بعد إطفاء القوس . ويبين الشكل السابق التغير في درجات الحرارة أثناء اللحام وتشمل وصلة اللحام معدن اللحام المتكون نتيجة انصهار سلك اللحام ومعدن الأساس ، المنطقة المتأثرة بالحرارة من معدن الأساس ، معدن الأساس غير المتأثر كما هو موضح بالشكل
خصائص معدن اللحام
معدن اللحام المنصهر من سلك اللحام يكون غالباً ممتزجا بانتظام مع معدن الأساس المنصهر بحرارة القوس ويكونان معا بركه منصهرة تتجمد من خلال بعض التفاعلات الكيميائية . وعمليه التجمد التي تحدث في اللحام تماثل تلك الخاصة بصب الصلب المنصهر حيث يتكون نتيجة لعمليه التجمد هذه بنيه مجهريه عموديه Columnar Structure وأثناء تجمد معدن اللحام ،تنمو البنية ألمجهريه العمودية من قاع البركة المنصهرة في اتجاه المنطقة المركزية أو السطح طبقاً للتدرج الحراري داخل البركة المنصهرة وفى حالة البنية ألمجهريه العمودية ، فان حجم الحبيبات يكون كبيرا ومما يقلل من متانة الشد والصدم . وفى حالة اللحام متعدد الامرارات ، يتم تسخين الطبقة السابقة لدرجة حرارة أعلى من A3 بواسطة حرارة اللاحقة ثم تبريدها بسرعة ، وبذلك تختفي البنية العمودية في جزء الطبقة السابقة والملاصق للطبقة اللاحقة كما هو مبين في الشكل . وبناء على ذلك فان قيمة الصدم لمعدن اللحام تزداد في حاله اللحام متعدد الامرارات نتيجة لتصغير الحبيبات أو البنية ألمجهريه الدقيقة.
وتتغير خواص معدن اللحام بناء على نوع عملية اللحام وأسلوب اللحام ، أو بمعنى أخر ، فإنها تختلف تبعاً لكمية الدخل الحراري ، دوره الحرارة ، التركيب الكيميائي للمعدن المترسب ونسبه المزج لمعدن الأساس. والعلاقة بين الدخل الحراري والخواص الميكانيكية لمعدن اللحام بالنسبة للصلـب عالي المتانة حيث يتضح أن كل من متانة الشد والصدم تقلان بازدياد الدخل الحراري - وأن نسبه المزج أو التخفيف بمعدن الأساس تتراوح بين 10 -20% في حاله اللحام اليدوي بصفه عامه ، وفى بعض الأحيان تصبح حوالي 60% في حاله لحام القوس المغمور ، ولذلك لا يمكن إهمال تأثير التركيب الكيميائي لمعدن الأساس على معدن اللحام . في حاله وجود اختلاف كبير في التركيب الكيميائي لكل من معدن الأساس ومعدن اللحام وهو أمر لا بد منه عند لحام المعادن غير متشابهه فيجب ملاحظة أن خواص معدن اللحام تتغير طبقاً لعمق التغلغل .
خصائص المنطقة المتأثرة بالحرارة (Heat Affected Zone - HAZ )
يتم تسخين وصله اللحام وتبريدها بسرعة كما هو مبين في الشكل المنطقة المتأثرة بالحرارة والملاصقة لمعدن اللحام تتعرض لدرجة حرارة قريبه من درجة الانصهار ثم تنخفض درجة حرارتها لتصل إلى درجة حرارة الغرفة خلال فتره زمنيه قصيرة - ويؤثر معدل التبريد على الصلادة - حجم الحبيبات والخواص الميكانيكية للمنطقة المتأثرة بالحرارة
كذلك يقل معدل التبريد بزيادة كمية الدخل الحراري ودرجة حرارة معدن الأساس بينما يزداد معدل التبريد بزيادة سمك معدن الأساس
وتختلف درجة حرارة ومعدل تبريد المنطقة المتأثرة بالحرارة بناء على المسافة من خط الانصهار بين معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة . وبالتالي نتيجة لهذا الاختلاف الحراري فأن البنية ألمجهريه تختلف بالرغم من عدم لاختلاف التركيب الكيميائي .ويبين الجدول تصنيف البنية ألمجهريه في المنطقة المتأثرة بالحرارة لملحومات الصلب الكربوني . كما توضح الصورة البنية ألمجهريه للمنطقة المتأثرة بالحرارة لصلب يحتوى على 0.35% كربوني.
و تتصلد المنطقة المتأثرة بالحرارة نتيجة التسخين والتبريد السريع ..ويلاحظ ازدياد الصلادة بصوره ملحوظة نتيجة لمعدل التبريد العالي في الجزء الملاصق لخط الانصهار.
جدول رقم 1 . تصنيف المنطقة المتأثرة في ملحومات الصلب الكربوني
قد يؤدى تصليد المنطقة المتأثرة بالحرارة إلى حدوث شروخ نتيجة لانخفاض اللدونه ، وعلى ذلك فمن المستحب تقليل الصلادة إلى أقل ما يمكن للوصول إلى جودة عاليه لوصلة اللحام . ويتحكم في صلادة المنطقة المتأثرة بالحرارة عنصران أساسيان هما العناصر السبائيكيه في الصلب ومعدل التبريد ولكنها أكثر تأثرا بنسبه الكربون . ومع ذلك ففي حاله الصلب لا يمكن إهمال تأثير العناصر الأخرى بخلاف الكربون ويمكن تحديد المكافئ الكربوني بحساب تأثير العناصر الأخرى مقارنة بالكربون وجمعها معا وعادة تستخدم المعادلة ألأتيه لتقدير التصليد :
Ceq = 1/6 Mn + 1/24 Si + 1/40 Ni + 1/5 Cr + 1/4 Mo
حيث أن ، Ceq تعنى مكافئ الكربون C, Mn, Si ... تعنى نسبة كل عنصر في الصلب وبالنسبة للعلاقة بين أعلى صلادة ومكافئ الكربون لألواح كل من الصلب الكربوني والصلب عالي المتانة بسمك 20مم . بناء على مكافئ الكربون الموضح عاليه فانه يمكن حساب أعلى صلادة من المعادلة ألأتيه:
Hv(max) = (666 x Ceq + 40 ) + 40
حيث أن ، Hv (max) أعلى صلادة بالفيكر
تزداد قابلية التشرخ بزيادة الصلادة أو بمعنى أخر بزيادة مكافئ الكربون
. وبجانب مكافئ الكربون ، تتأثر أعلى صلادة في المنطقة المتأثرة بالحرارة بسمك الوصلة ، الدخل الحراري ، درجة حرارة التسخين السابق للحام. و يتضح من هذا أن أعلى صلادة تقل بزيادة درجة حرارة التسخين المسبق وزيادة كمية الدخل الحراري .
نظرا لأن معادلة مكافئ الكربون لا تشمل على الهيدروجين المذاب وتخانة الوصلة واللذان يؤثران في قابلية التشرخ للصلب عالي المتانة فان المعادلة ألأتيه تستخدم لتقييم قابلية التشرخ في المنطقة المتأثرة بالحرارة لهذا النوع من الصلب :
Pc = C% + Si% / 30 + Mn% / 20 + Cu% / 20 + Ni% /60 + cr% /20 + Mo% /15
+V% /10 + 5B% + t/600 + H/60
حيث ، Pc قابلية التشرخ
L تخانة الوصلة (مم)
H الهيدروجين المذاب في معدن اللحام (سم3 /100جم)
المركبات الغازية في المعدن المترسب
يغطى المعدن المنصهر أثناء اللحام يكون بغازات مختلفة ويمتص كميات كبيره من الأكسجين والنتروجين والهيدروجين في فتره زمنيه قصيرة . كما هو واضح في الجدول فان المعدن المترسب يحتوى على كمية كبيره من الغازات إذا ما قورن بالصلب ،مما يؤثر على قابلية اللحام وينتج عنه فجوات غازيه وشروخ وتقصف.
أمثله لنسب الأكسجين والنتروجين والهيدروجين في كل من المعدن المترسب والصلب
1- الهيدروجين
يذوب الهيدروجين في شكل ذرات في أطوار الصلب والسائل بدون تكون مركبات .ونظراً لصغر القطر الذرى للهيدروجين فانه ينتشر ويتحرك بسهوله داخل الشبكية البلورية للمعدن . كميه الهيدروجين الناتجة من المعدن المترسب باستعمال سلك لحام E6010 أعلى منها في حاله استعمال سلك لحام E7016 ، وأعلى أيضاً بكثير من الحد الأقصى لذوبان الهيدروجين في الحديد ومن ثم سينتشر في اللحام مسبباً شروخاً وفجوات غازيه
2- الأكسجين
يترسب الأكسجين في المعدن المترسب على هيئة أكسيدات مثل أكسيد السيلكون وأكسيد المنجنيز وأكسيد الحديد والتي يمكن أن يبقى في المعدن المترسب كخبث على أشكال كرويه حيث أنه من الصعب أحياناً إزالة الخبث المنصهر نتيجة لمعدل التبريد السريع بعد اللحام.
كما هو موضح في الجدول فإن نسبة الأكسجين في المعدن المترسب أعلى من تلك الموجودة بالصلب بحوالي عشرة أضعاف . يوجد الأكسجين كشوائب غير معدنية في المعدن المترسب وله تأثير ضار على خواص الصدم.
3- النتروجين
يدخل النتروجين إلى المعدن المترسب من الجو المحيط نتيجة حماية غير كافيه لبركة اللحام . تتراوح نسبة النتروجين في المعدن المترسب باللحام اليدوي ما بين 0.008 إلى 0.02 % بصرف النظر عن نوع الالكترود المغطى وذلك في حاله اللحام باستعمال الطول القياسي للقوس بصفه عامه . هذه النسبة أعلى بكثير من تتلك الموجودة بالصلب . يسبب النتروجين زيادة في متانة الشد والصلادة إلا أنه يقلل الصدم وممكن أن يسبب ترسيب النتريدات تقصفا ولكن إضافة نسبه صغيره من النتروجين للصلب الأوستينتيتى المقاوم للصدأ ممكن أن يؤدى إلى زيادة المتانة . ويلاحظ أن نسبة النتروجين في المعدن المترسب تتأثر بالرياح الجوية وطول القوس أثناء اللحام .
