اللحام بالقوس المعدني المحمي

تشمل أكثر مشاكل الجودة شيوعًا المرتبطة بتقنية اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW) تناثر اللحام، والمسامية، وضعف الانصهار، والاختراق الضحل، والتشقق.

على الرغم من أن تناثر اللحام لا يؤثر على سلامة اللحام نفسه، إلا أنه يُشوّه مظهره ويزيد من تكاليف التنظيف. وغالبًا ما تتطلب هذه العملية خدمات تشطيب ثانوية نظرًا للمظهر الجمالي الناتج عن تناثر المعدن المنصهر. ^{[ 15 ]} قد ينتج هذا التناثر عن شدة تيار عالية جدًا، أو قوس كهربائي طويل، أو انحراف القوس ، وهي حالة مرتبطة بالتيار المستمر وتتميز بانحراف القوس الكهربائي بعيدًا عن حوض اللحام بفعل القوى المغناطيسية. كما يمكن أن يتسبب انحراف القوس في حدوث مسامية في اللحام، وكذلك تلوث الوصلة، وسرعة اللحام العالية، وقوس اللحام الطويل، خاصةً عند استخدام أقطاب كهربائية منخفضة الهيدروجين. ^{[ 16 ]}

تُؤدي عيوب قوة اللحام إلى جعله عرضةً للتشقق. يُمكن أن تُسبب مسامية خرزة اللحام ضعفًا خطيرًا، وغالبًا ما لا يُمكن اكتشافها إلا من خلال أساليب اختبار غير مُتلفة مُتقدمة . تحدث المسامية عندما لا تُغطي الغازات الناتجة عن تدفق اللحام معدن اللحام المنصهر بشكل كافٍ. تمتص خرزة اللحام المُعرضة للضوء بشكل مُفرط النيتروجين والأكسجين والهيدروجين من الغلاف الجوي؛ تُشكل هذه الغازات فراغات صغيرة في خرزة اللحام، وتُطلق أثناء تبريد اللحام. كما يُؤثر ضعف الانصهار على قوة اللحام، وغالبًا ما يكون واضحًا للعيان. ينتج هذا عن انخفاض التيار، أو تلوث أسطح الوصلة، أو استخدام قطب كهربائي غير مُناسب. تكون اللحامات الضحلة أضعف، ويُمكن التخفيف من ذلك عن طريق تقليل سرعة اللحام، أو زيادة التيار، أو استخدام قطب كهربائي أصغر.

تشمل العوامل الأخرى التي تزيد من احتمالية التصدع ارتفاع نسبة الكربون أو السبائك أو الكبريت في المادة الأساسية، خاصةً في حال عدم استخدام أقطاب كهربائية منخفضة الهيدروجين أو التسخين المسبق. علاوة على ذلك، يجب تجنب تقييد قطع العمل بشكل مفرط، لأن ذلك يُولّد إجهادات متبقية فيها (وخاصةً في منطقة اللحام) نتيجة تمددها وانكماشها بفعل التسخين والتبريد. ومع تبريد اللحام وانكماشه، قد يتسبب هذا الإجهاد المتبقي في حدوث تشققات فيه. ^{[ 17 ]}

تُعدّ عملية اللحام بالقوس الكهربائي المحمي (SMAW)، كغيرها من طرق اللحام، ممارسةً خطيرةً وغير صحية إذا لم تُتخذ الاحتياطات اللازمة. تستخدم هذه العملية قوسًا كهربائيًا مكشوفًا، مما يُعرّض العاملين لخطر الحروق التي يُمكن الوقاية منها باستخدام معدات الوقاية الشخصية، كقفازات جلدية سميكة وسترات بأكمام طويلة. إضافةً إلى ذلك، قد يؤدي سطوع منطقة اللحام إلى حالة تُعرف باسم " عين القوس" أو "حرق الوميض"، حيث تُسبب الأشعة فوق البنفسجية التهابًا في القرنية وقد تُؤدي إلى حرق شبكية العين. وللوقاية من هذا التعرّض، تُستخدم خوذات اللحام ذات الألواح الأمامية الداكنة، وقد طُوّرت في السنوات الأخيرة نماذج جديدة من الخوذات مزوّدة بلوحة أمامية تُصبح داكنة تلقائيًا عند التعرّض لكميات كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية. ولحماية المارة، لا سيما في البيئات الصناعية، تُحيط ستائر لحام شفافة بمنطقة اللحام. هذه الستائر، المصنوعة من غشاء بلاستيكي من كلوريد البولي فينيل ، تحمي العمال القريبين من التعرّض للأشعة فوق البنفسجية المنبعثة من القوس الكهربائي، ولكن لا ينبغي استخدامها كبديل للزجاج المرشح المستخدم في الخوذات. ^{[ 18 ]}

بالإضافة إلى ذلك، يُعرّض تبخر المعدن ومواد اللحام اللحامين لغازات خطيرة وجزيئات دقيقة . يحتوي الدخان الناتج على جزيئات من أنواع مختلفة من الأكاسيد . ويؤثر حجم هذه الجزيئات على سمية الأبخرة، حيث تُشكل الجزيئات الأصغر خطراً أكبر. كما يمكن أن تتشكل غازات مثل ثاني أكسيد الكربون والأوزون ، والتي قد تُشكل خطراً في حال عدم كفاية التهوية. بعض أقنعة اللحام الحديثة مُجهزة بمروحة كهربائية للمساعدة في تشتيت الأبخرة الضارة . ^{[ 19 ]}

تُعدّ لحام القوس المعدني المحمي من أكثر عمليات اللحام شيوعًا في العالم، إذ تُمثّل أكثر من نصف عمليات اللحام في بعض الدول. وبفضل تنوّع استخداماته وبساطته، يُهيمن هذا النوع من اللحام بشكل خاص على قطاع الصيانة والإصلاح، ويُستخدم بكثافة في بناء الهياكل الفولاذية والتصنيع الصناعي. في السنوات الأخيرة، انخفض استخدامه مع توسّع نطاق لحام القوس ذي القلب المملوء بالتدفق في قطاع البناء، وازدياد شيوع لحام القوس المعدني بالغاز في البيئات الصناعية. ومع ذلك، ونظرًا لانخفاض تكلفة المعدات وتعدد استخداماته، فمن المرجّح أن تبقى هذه العملية شائعة، لا سيما بين الهواة والشركات الصغيرة حيث تكون عمليات اللحام المتخصصة غير اقتصادية وغير ضرورية. ^{[ 20 ]}

تُستخدم تقنية اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW) غالبًا في لحام الفولاذ الكربوني ، والفولاذ منخفض وعالي السبائك ، والفولاذ المقاوم للصدأ، والحديد الزهر ، والحديد المطاوع . ورغم أنها أقل شيوعًا في لحام المعادن غير الحديدية ، إلا أنه يُمكن استخدامها مع النيكل والنحاس وسبائكهما، وفي حالات نادرة، مع الألومنيوم. يُحدّ الحد الأدنى لسمك المادة المراد لحامها بشكل أساسي بمهارة اللحام، ولكنه نادرًا ما يقل عن 1.5 مم (0.06 بوصة) . ولا يوجد حد أقصى للسمك: فمع التحضير السليم للوصلة واستخدام عدة تمريرات، يُمكن لحام مواد ذات سماكات غير محدودة تقريبًا. علاوة على ذلك، وبحسب نوع القطب المستخدم ومهارة اللحام، يُمكن استخدام تقنية اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW) في أي وضع. ^{[ 21 ]}  

يتميز مصدر الطاقة المستخدم في لحام القوس المعدني المحمي (SMAW) بخرج تيار ثابت، مما يضمن بقاء التيار (وبالتالي الحرارة) ثابتًا نسبيًا، حتى مع تغير مسافة القوس والجهد. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن معظم تطبيقات لحام القوس المعدني المحمي يدوية، وتتطلب من المشغل تثبيت الشعلة. ويصعب الحفاظ على مسافة قوس ثابتة مناسبة عند استخدام مصدر طاقة بجهد ثابت، لأنه قد يتسبب في تغيرات كبيرة في الحرارة ويجعل اللحام أكثر صعوبة. ومع ذلك، ولأن التيار لا يبقى ثابتًا تمامًا، يستطيع اللحامون المهرة الذين يقومون بعمليات لحام معقدة تغيير طول القوس لإحداث تقلبات طفيفة في التيار. ^{[ 23 ]}

تعتمد القطبية المُفضلة لنظام اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW) بشكل أساسي على نوع القطب المستخدم والخصائص المطلوبة للحام. يؤدي التيار المستمر ذو القطب المشحون سالبًا (DCEN) إلى تراكم الحرارة في المادة الأساسية، ^{[ 24 ]} مما يُقلل من معدل انصهار القطب ويزيد من عمق اللحام. أما عكس القطبية بحيث يكون القطب مشحونًا موجبًا (DCEP) وقطعة العمل مشحونة سالبًا، فيزيد من تآكل القطب ويُقلل من اختراق اللحام. مع التيار المتردد، تتغير القطبية أكثر من 100 مرة في الثانية، مما يُؤدي إلى توزيع متساوٍ للحرارة ويُحقق توازنًا بين معدل انصهار القطب وعمق الاختراق. ^{[ 25 ]}

عادةً، تتكون المعدات المستخدمة في لحام القوس المعدني المحمي (SMAW) من محول خافض للجهد ، وفي نماذج التيار المستمر ، من مقوم يحول التيار المتردد إلى تيار مستمر. ولأن الطاقة التي تُزود بها ماكينة اللحام عادةً هي تيار متردد عالي الجهد، يُستخدم محول اللحام لخفض الجهد وزيادة التيار. ونتيجةً لذلك، فبدلاً من 220 فولت عند 50 أمبير ، على سبيل المثال، تكون الطاقة التي يوفرها المحول حوالي 17-45  فولت عند تيارات تصل إلى 600  أمبير. يمكن استخدام أنواع مختلفة من المحولات لتحقيق هذا التأثير، بما في ذلك المحولات متعددة الملفات والمحولات العاكسة ، حيث يستخدم كل نوع طريقة مختلفة للتحكم في تيار اللحام. يضبط النوع متعدد الملفات التيار إما عن طريق تغيير عدد لفات الملف (في المحولات ذات المقابس) أو عن طريق تغيير المسافة بين الملفين الابتدائي والثانوي (في المحولات ذات الملف المتحرك أو القلب المتحرك). أما المحولات العاكسة، وهي أصغر حجمًا وبالتالي أكثر قابلية للحمل، فتستخدم مكونات إلكترونية لتغيير خصائص التيار. ^{[ 26 ]}

تُستخدم المولدات الكهربائية والمولدات المتناوبة بشكل متكرر كمصادر طاقة محمولة للحام، ولكن نظرًا لانخفاض كفاءتها وارتفاع تكلفتها، يقل استخدامها في الصناعة. كما أن صيانتها أكثر صعوبة نظرًا لتعقيدات استخدام محرك الاحتراق كمصدر طاقة. مع ذلك، فهي أبسط من ناحية أخرى: إذ لا حاجة إلى مقوم منفصل لأنها قادرة على توفير التيار المتردد أو المستمر. ^{[ 27 ]} ومع ذلك، تُعد الوحدات التي تعمل بمحركات الاحتراق أكثر عملية في العمل الميداني حيث يتطلب اللحام غالبًا القيام به في الهواء الطلق وفي المواقع التي لا يمكن فيها استخدام أجهزة اللحام التي تعمل بالمحولات لعدم توفر مصدر طاقة للتحويل.

في بعض الوحدات، يكون المولد الكهربائي مماثلاً للمولد المستخدم في مولدات الطاقة المحمولة لتزويد الشبكة الكهربائية، مع تعديلات لإنتاج تيار أعلى بجهد أقل، ولكن بتردد  الشبكة 50 أو 60 هرتز. أما في الوحدات عالية الجودة، فيُستخدم مولد كهربائي ذو أقطاب أكثر، ويُزوّد ​​التيار بتردد أعلى، مثل 400  هرتز. يُسهّل قصر مدة بقاء الموجة عالية التردد قريبة من الصفر عملية إشعال القوس الكهربائي والحفاظ على استقراره، مقارنةً بمجموعات تردد الشبكة الأرخص أو الوحدات التي تعمل بتردد الشبكة الكهربائية.

يعتمد اختيار القطب الكهربائي في لحام القوس المعدني المحمي (SMAW) على عدة عوامل، منها مادة اللحام، ووضعية اللحام، وخصائص اللحام المطلوبة. يُغطى القطب الكهربائي بمزيج معدني يُسمى التدفق، والذي يُطلق غازات أثناء تحلله لمنع تلوث اللحام، ويُضيف عوامل مُزيلة للأكسدة لتنقية اللحام، ويُسبب تكوّن خبث واقٍ للحام، ويُحسّن استقرار القوس الكهربائي، ويُوفر عناصر مُسبكة لتحسين جودة اللحام. ^{[ 28 ]} يُمكن تقسيم الأقطاب الكهربائية إلى ثلاث مجموعات: الأقطاب المُصممة للانصهار السريع وتُسمى أقطاب "الملء السريع"، والأقطاب المُصممة للتصلب السريع وتُسمى أقطاب "التجميد السريع"، والأقطاب المتوسطة تُسمى أقطاب "الملء والتجميد" أو "المتابعة السريعة". صُممت أقطاب الملء السريع للانصهار بسرعة لزيادة سرعة اللحام إلى أقصى حد، بينما تُوفر أقطاب التجميد السريع معدن حشو يتصلب بسرعة، مما يُتيح اللحام في أوضاع مُتنوعة عن طريق منع حوض اللحام من التحرك بشكل كبير قبل التصلب. ^{[ 29 ]}

عادةً ما يكون تركيب قلب القطب الكهربائي مشابهًا، وأحيانًا مطابقًا، لتركيب المادة الأساسية. ولكن على الرغم من وجود عدد من الخيارات المتاحة، فإن أي اختلاف طفيف في تركيب السبيكة قد يؤثر بشكل كبير على خصائص اللحام الناتج. وينطبق هذا بشكل خاص على سبائك الصلب، مثل فولاذ HSLA . وبالمثل، تُستخدم الأقطاب الكهربائية ذات التركيب المشابه لتركيب المواد الأساسية غالبًا في لحام المواد غير الحديدية كالألومنيوم والنحاس. ^{[ 30 ]} مع ذلك، يُفضّل أحيانًا استخدام أقطاب كهربائية ذات مواد قلب مختلفة اختلافًا كبيرًا عن المادة الأساسية. على سبيل المثال، تُستخدم أقطاب الفولاذ المقاوم للصدأ أحيانًا في لحام قطعتين من الفولاذ الكربوني، وكثيرًا ما تُستخدم في لحام قطع عمل من الفولاذ المقاوم للصدأ مع قطع عمل من الفولاذ الكربوني. ^{[ 31 ]}

يمكن أن تتكون طبقات طلاء الأقطاب الكهربائية من عدد من المركبات المختلفة، بما في ذلك الروتيل ، وفلوريد الكالسيوم ، والسليلوز ، ومسحوق الحديد. تتميز أقطاب الروتيل، المطلية بنسبة 25% إلى 45% من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂ ₎ ، بسهولة استخدامها ومظهر اللحام الناتج الجيد. ومع ذلك، فإنها تُنتج لحامات ذات محتوى عالٍ من الهيدروجين، مما يُشجع على التقصف والتشقق. أما الأقطاب الكهربائية التي تحتوي على فلوريد الكالسيوم (CaF₂ ₎ ، والمعروفة أحيانًا بالأقطاب القاعدية أو منخفضة الهيدروجين، فهي ماصة للرطوبة ويجب تخزينها في ظروف جافة. تُنتج هذه الأقطاب لحامات قوية، ولكن بسطح وصلة خشن ومحدب الشكل. توفر الأقطاب الكهربائية المطلية بالسليلوز، وخاصة عند دمجها مع الروتيل، اختراقًا عميقًا للحام، ولكن نظرًا لمحتواها العالي من الرطوبة، يجب استخدام إجراءات خاصة لمنع خطر التشقق المفرط. أخيرًا، يُعد مسحوق الحديد مادة مضافة شائعة للطلاء تزيد من معدل ملء القطب الكهربائي لوصلة اللحام، حتى ضعف السرعة. ^{[ 32 ]}

لتمييز أنواع الأقطاب الكهربائية المختلفة، وضعت الجمعية الأمريكية للحام نظامًا يُخصص لكل قطب رقمًا مكونًا من أربعة أو خمسة أرقام. تحمل الأقطاب المغطاة المصنوعة من الفولاذ الطري أو الفولاذ منخفض السبائك البادئة E ، متبوعة برقمها. يُحدد أول رقمين أو ثلاثة أرقام من الرقم قوة شد معدن اللحام، بوحدة ألف رطل لكل بوصة مربعة (ksi). يُحدد الرقم قبل الأخير عمومًا أوضاع اللحام المسموح بها باستخدام القطب، وعادةً ما يُستخدم الرقم 1 (أقطاب التجميد السريع، ما يعني اللحام في جميع الأوضاع) والرقم 2 (أقطاب التعبئة السريعة، ما يعني اللحام الأفقي فقط). يُحدد تيار اللحام ونوع غطاء القطب بالرقمين الأخيرين معًا. عند الاقتضاء، يُستخدم لاحقة للدلالة على عنصر السبائك الذي يُساهم به القطب. ^{[ 33 ]}

تشمل الأقطاب الكهربائية الشائعة القطب E6010، وهو قطب سريع التجميد، متعدد الأوضاع، يتميز بقوة شد لا تقل عن 60 كيلوباسكال (410 ميجاباسكال ) ، ويعمل باستخدام التيار المستمر ذي القطبية الموجبة (DCEP)، ويوفر اختراقًا عميقًا للحام بقوس كهربائي قوي قادر على إزالة الصدأ الخفيف أو الأكاسيد من قطعة العمل. أما القطب E6011 فهو مشابه، إلا أن طبقة التدفق الخاصة به تسمح باستخدامه مع التيار المتردد بالإضافة إلى التيار المستمر ذي القطبية الموجبة. بينما يُعد القطب E7024 قطبًا سريع التعبئة، يُستخدم بشكل أساسي لعمل لحامات الزاوية المسطحة أو الأفقية باستخدام التيار المتردد أو التيار المستمر ذي القطبية السالبة (DCEN) أو التيار المستمر ذي القطبية الموجبة (DCEP). ومن أمثلة أقطاب التعبئة والتجميد الأقطاب E6012 وE6013 وE7014، والتي توفر جميعها حلاً وسطًا بين سرعات اللحام العالية وإمكانية اللحام في جميع الأوضاع. ^{[ 34 ]}  

على الرغم من أن اللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW) هو عملية لحام يدوية في الغالب، إلا أن هناك نوعًا مختلفًا يُعرف باللحام بالجاذبية أو لحام القوس بالجاذبية. وهو بمثابة نسخة آلية من عملية اللحام التقليدية بالقوس المعدني المحمي، حيث يستخدم حامل قطب كهربائي مثبت على قضيب مائل على طول منطقة اللحام. بمجرد بدء العملية، تستمر حتى نفاد القطب الكهربائي، مما يسمح للمشغل بإدارة أنظمة لحام متعددة بالجاذبية. الأقطاب الكهربائية المستخدمة (غالبًا E6027 أو E7024) مغطاة بطبقة سميكة من مادة التدفق، ويبلغ طولها عادةً 71 سم (28 بوصة) وسمكها حوالي 6.35 مم (0.25 بوصة) . وكما هو الحال في اللحام اليدوي بالقوس المعدني المحمي، يُستخدم مصدر طاقة لحام بتيار ثابت، إما بتيار مستمر ذي قطبية سالبة أو بتيار متردد. ونظرًا لزيادة استخدام عمليات اللحام شبه الآلية، مثل لحام القوس ذي القلب المتدفق، فقد تراجعت شعبية اللحام بالجاذبية نظرًا لأن ميزته الاقتصادية مقارنةً بهذه الطرق غالبًا ما تكون ضئيلة. تشمل الطرق الأخرى المتعلقة باللحام القوسي المعدني المحمي (SMAW) والتي تستخدم بشكل أقل تكرارًا اللحام بالألعاب النارية، وهي طريقة آلية لعمل اللحام التناكبي واللحام الزاوي، واللحام بالأقطاب الكهربائية الضخمة، وهي عملية لحام المكونات أو الهياكل الكبيرة التي يمكن أن ترسب ما يصل إلى 27 كجم (60 رطلاً) من معدن اللحام في الساعة. ^{[ 11 ]}