بالإضافة إلى عوامل العملية، يمكن أن تؤثر عوامل عملية اللحام الأخرى، مثل حجم الأخدود وحجم الفجوة، وزاوية ميل القطب الكهربائي وقطعة العمل، والموقع المكاني للوصلة، على تكوين اللحام وحجم اللحام.
تأثير تيار اللحام على تكوين اللحام
في ظل ظروف معينة، ومع زيادة تيار اللحام بالقوس الكهربائي، يزداد عمق الاختراق وتقوية خط اللحام، ويزداد عرض اللحام قليلاً. والأسباب هي كالتالي:
١) مع زيادة تيار اللحام في اللحام القوسي، تزداد قوة القوس المؤثرة على قطعة اللحام، وتزداد كمية الحرارة المنقولة من القوس إلى قطعة اللحام، ويتحرك موضع مصدر الحرارة إلى الأسفل، مما يُسهّل توصيل الحرارة في عمق حوض اللحام المنصهر ويزيد من عمق الاختراق. يتناسب عمق الاختراق تقريبًا مع تيار اللحام. يُحسب عمق اختراق اللحام H تقريبًا بضرب Km في I. في هذه المعادلة، Km هو معامل الاختراق (عدد المليمترات التي يزداد بها عمق اختراق اللحام عند زيادة تيار اللحام بمقدار ١٠٠ أمبير)، وهو مرتبط بطريقة اللحام القوسي، وقطر السلك، ونوع التيار، وما إلى ذلك، كما هو موضح في الجدول ١-١.
| طرق اللحام بالقوس الكهربائي | قطر القطب الكهربائي / مم | تيار اللحام/أمبير | الجهد/فولت | سرعة اللحام/م/ساعة | معامل الاختراق/م م-100أ-1 |
لحام القوس الكهربائي بالتنغستن والأرجون | 3.2 | 100~350 | 10~16 | 6~18 | 0.8~1.8 |
| | فتحة فوهة 1.6 | 50~100 | 20~26 | 10~60 | 1.2~2 |
| فتحة فوهة 3.4 | 220~300 | 28~36 | 18-30 | 1.5~2.4 |
| | 2 | 200~700 | 32~40 | 15~100 | 1.0~1.7 |
| 5 | 450~1200 | 34~44 | 30~60 | 0.7~1.3 |
لحام القوس الكهربائي بالأرجون باستخدام قطب الانصهار | 1.2~2.4 | 210~550 | 24~42 | 40~120 | 1.5~1.8 |
| لحام ثاني أكسيد الكربون | 0.8~1.6 | 70~300 | 16~23 | 30~150 | 0.8~1.2 |
| 2~4 | 500~900 | 35~45 | 40~80 | |
الجدول 1-1 معامل عمق الانصهار Km لطرق ومعايير اللحام بالقوس الكهربائي المختلفة (لحام الفولاذ)
٢) تتناسب سرعة انصهار سلك اللحام في اللحام القوسي طرديًا مع شدة التيار الكهربائي. وبما أن زيادة شدة التيار تؤدي إلى زيادة سرعة انصهار سلك اللحام، فإن كمية السلك المنصهر تزداد تقريبًا بشكل متناسب، بينما يزداد عرض اللحام بشكل أقل، مما يؤدي إلى زيادة قوة اللحام.
3) بعد زيادة تيار اللحام، يزداد قطر عمود القوس الكهربائي. ومع ذلك، يزداد عمق اختراق القوس لقطعة العمل، ويتقلص نطاق حركة بقعة القوس. لذلك، تكون الزيادة في عرض اللحام ضئيلة نسبيًا.
في لحام المعادن بالغاز الخامل المحمي بالغاز (MIG)، يزداد عمق اختراق اللحام مع زيادة تيار اللحام. وإذا كان تيار اللحام كبيرًا جدًا وكثافته عالية جدًا، فمن المرجح حدوث اختراق يشبه الأصابع، خاصةً عند لحام الألومنيوم.
تأثير جهد القوس على تكوين اللحام
في ظل ظروف معينة، عند زيادة جهد القوس الكهربائي، تزداد قدرة القوس، وبالتالي تزداد كمية الحرارة المُدخلة إلى منطقة اللحام. إلا أن زيادة جهد القوس تتحقق بزيادة طوله. وتؤدي زيادة طول القوس إلى زيادة نصف قطر مصدر حرارة القوس، وبالتالي زيادة تبديد الحرارة. ونتيجة لذلك، تنخفض كثافة الطاقة المُدخلة إلى منطقة اللحام، مما يؤدي إلى انخفاض طفيف في عمق الاختراق، بينما يزداد عرض خرزة اللحام. في الوقت نفسه، وبما أن تيار اللحام وكمية انصهار سلك اللحام لا تتغير، فإن تقوية خرزة اللحام تقل.
في مختلف طرق اللحام بالقوس الكهربائي، وللحصول على تشكيل لحام سليم، أي الحفاظ على معامل تشكيل اللحام المناسب φ، يجب زيادة جهد القوس الكهربائي بالتناسب مع زيادة تيار اللحام. ومن الضروري أن يكون هناك توافق مناسب بين جهد القوس الكهربائي وتيار اللحام. وهذا شائع في لحام القوس الكهربائي باستخدام أقطاب كهربائية قابلة للاستهلاك.
تأثير سرعة اللحام على تكوين اللحام
في ظروف معينة، تؤدي زيادة سرعة اللحام إلى انخفاض كمية الحرارة المُدخلة، مما يقلل من عرض خرزة اللحام وعمق الاختراق. ولأن كمية المعدن المُرسب لكل وحدة طول من اللحام تتناسب عكسيًا مع سرعة اللحام، فإن ذلك يؤدي أيضًا إلى انخفاض في تقوية خرزة اللحام.
تُعدّ سرعة اللحام مؤشرًا هامًا لتقييم إنتاجية اللحام. ولتحسين هذه الإنتاجية، ينبغي زيادة سرعة اللحام. مع ذلك، ولضمان حجم اللحام المطلوب في التصميم الإنشائي، يجب زيادة تيار اللحام وجهد القوس الكهربائي تبعًا لزيادة سرعة اللحام، إذ ترتبط هذه الكميات الثلاث ارتباطًا وثيقًا. في الوقت نفسه، يجب مراعاة أنه عند زيادة تيار اللحام وجهد القوس الكهربائي وسرعة اللحام (أي باستخدام قوس لحام عالي القدرة وسرعة لحام عالية)، قد تحدث عيوب في اللحام، مثل التآكل والتشققات، أثناء تكوّن حوض اللحام المنصهر وعملية تصلّبه. لذا، فإن زيادة سرعة اللحام محدودة.
تأثير نوع تيار اللحام وقطبيته وحجم الإلكترود على تكوين اللحام
1. أنواع وأقطاب تيار اللحام
تُقسم أنواع تيارات اللحام إلى تيار مستمر وتيار متردد. وينقسم لحام القوس الكهربائي بالتيار المستمر إلى تيار مستمر ثابت وتيار مستمر نبضي، وذلك بحسب وجود نبضة في التيار. كما ينقسم إلى توصيل موجب (حيث يُوصل المعدن المراد لحامه بالقطب الموجب) وتوصيل عكسي (حيث يُوصل المعدن المراد لحامه بالقطب السالب)، وذلك بحسب القطبية. أما لحام القوس الكهربائي بالتيار المتردد، فينقسم إلى تيار متردد ذي موجة جيبية وتيار متردد ذي موجة مربعة، وذلك بحسب شكل الموجة. يؤثر نوع تيار اللحام وقطبيته على كمية الحرارة المنقولة من القوس إلى المعدن المراد لحامه، وبالتالي يؤثر على تكوين اللحام. كما يؤثر أيضًا على عملية انتقال قطرات اللحام وإزالة طبقة الأكسيد من سطح المعدن الأساسي.
عند استخدام لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل مع التنجستن للحام مواد معدنية مثل الفولاذ والتيتانيوم، يكون اختراق اللحام أعمق ما يمكن عند توصيل التيار المستمر في الاتجاه الموجب، وأقل ما يمكن عند توصيله في الاتجاه المعاكس، بينما يكون الاختراق متوسطًا عند استخدام التيار المتردد. ولأن اختراق اللحام يكون أعمق ما يمكن عند توصيل التيار المستمر في الاتجاه الموجب، ولأن قطب التنجستن يتميز بأقل فقد للاحتراق، يُفضل استخدام التوصيل الموجب للتيار المستمر عند لحام مواد معدنية مثل الفولاذ والتيتانيوم. عند استخدام لحام التيار المستمر النبضي في لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل مع التنجستن، يمكن التحكم في حجم اللحام حسب الحاجة نظرًا لإمكانية ضبط معلمات النبض. عند استخدام لحام القوس الكهربائي بالغاز الخامل مع التنجستن للحام الألومنيوم والمغنيسيوم وسبائكهما، من الضروري الاستفادة من تأثير تنظيف الكاثود الناتج عن القوس الكهربائي لإزالة طبقة الأكسيد من سطح المعدن الأساسي. يُفضل استخدام التيار المتردد في هذه الحالة. بما أنه يمكن تعديل معلمات شكل الموجة للتيار المتردد ذي الموجة المربعة، فإن تأثير اللحام يكون أفضل.
في لحام القوس المعدني بالغاز، عند عكس توصيل التيار المستمر، يكون كل من عمق الاختراق وعرض اللحام أكبر من مثيله في حالة توصيل التيار المستمر بالقطب الموجب. أما في لحام التيار المتردد، فيكون عمق الاختراق وعرض اللحام بينهما. لذلك، في لحام القوس المغمور، يُستخدم عكس توصيل التيار المستمر عادةً للحصول على عمق اختراق أكبر؛ بينما في لحام القوس المغمور السطحي، يُستخدم توصيل التيار المستمر بالقطب الموجب لتقليل الاختراق. في لحام القوس المعدني بالغاز مع غاز واقٍ، يُستخدم توصيل التيار المستمر العكسي على نطاق واسع، نظرًا لأنه لا يوفر عمق اختراق كبير فحسب، بل إن قوس اللحام وعملية نقل القطرات أكثر استقرارًا من تلك الموجودة في توصيل التيار المستمر بالقطب الموجب والتيار المتردد، كما أنه يُحسّن من كفاءة تنظيف الكاثود. أما توصيل التيار المستمر بالقطب الموجب والتيار المتردد فلا يُستخدمان عادةً.
2. تأثير شكل طرف قطب التنجستن، وقطر سلك اللحام، وطول التمديد
تؤثر زاوية وشكل الطرف الأمامي لقطب التنجستن بشكل كبير على تركيز القوس الكهربائي وضغطه. ويجب اختيارهما وفقًا لتيار اللحام وسُمك قطعة العمل. عمومًا، كلما زاد تركيز القوس الكهربائي وضغطه، زاد عمق الاختراق، بينما يقل عرض اللحام تبعًا لذلك.
في لحام القوس المعدني بالغاز، عندما يكون تيار اللحام ثابتًا، كلما كان سلك اللحام أرق، زاد تركيز التسخين الناتج عن القوس، وزاد عمق الاختراق، وقل عرض اللحام. مع ذلك، عند اختيار قطر سلك اللحام في مشاريع اللحام الفعلية، يجب مراعاة شدة التيار وشكل حوض اللحام لتجنب ضعف تكوين اللحام.
عند زيادة طول امتداد السلك في لحام القوس المعدني بالغاز، تزداد الحرارة الناتجة عن مقاومة تيار اللحام المار عبر الجزء الممتد من السلك، مما يؤدي إلى زيادة سرعة انصهار السلك. وبالتالي، تزداد قوة اللحام، بينما يقل عمق الاختراق قليلاً. ونظرًا للمقاومة الكهربائية العالية نسبيًا لأسلاك لحام الفولاذ، يكون تأثير طول امتداد السلك على تكوين اللحام واضحًا نسبيًا في اللحام بالفولاذ والأسلاك الدقيقة. أما أسلاك لحام الألومنيوم، فرغم مقاومتها الكهربائية المنخفضة نسبيًا، إلا أن تأثيرها ليس كبيرًا. وعلى الرغم من أن زيادة طول امتداد السلك قد تُحسّن معامل انصهار السلك، إلا أنه عند النظر بشكل شامل إلى جوانب استقرار انصهار السلك وتكوين اللحام، يوجد نطاق مسموح به لتغير طول امتداد السلك.
تأثير عوامل العملية الأخرى على عوامل تكوين اللحام
بالإضافة إلى عوامل العملية المذكورة أعلاه، يمكن أن تؤثر عوامل عملية اللحام الأخرى، مثل حجم الأخدود وحجم الفجوة، وزاوية ميل القطب الكهربائي وقطعة العمل، والموقع المكاني للوصلة، على تكوين اللحام وحجم اللحام.
1. أخدود وفجوة
عند لحام الوصلات التناكبية باستخدام اللحام بالقوس الكهربائي، يُحدد عادةً ما إذا كان سيتم ترك فجوة، وحجم هذه الفجوة، وشكل الأخدود المفتوح، وفقًا لسمك صفيحة اللحام. في بعض الحالات، كلما زاد حجم الأخدود أو الفجوة، قلّت قوة التعزيز في اللحام، وهو ما يُعادل انخفاض موضع اللحام. في هذه الحالة، تنخفض نسبة الانصهار. لذلك، يُمكن استخدام ترك فجوة أو فتح أخدود للتحكم في حجم التعزيز وضبط نسبة الانصهار. بالمقارنة بين ترك فجوة وعدم تركها وفتح أخدود، تختلف ظروف تبديد الحرارة في الحالتين. بشكل عام، تكون ظروف التبلور في حالة فتح أخدود أفضل.
2. ميل قطب اللحام (سلك اللحام)
أثناء اللحام بالقوس الكهربائي، يُقسم اتجاه ميل سلك اللحام إلى نوعين: ميل السلك للأمام وميل السلك للخلف. عند ميل سلك اللحام، يميل محور القوس تبعًا لذلك. عند ميل سلك اللحام للأمام، يضعف تأثير قوة القوس على دفع المعدن المنصهر للخلف، فتزداد سماكة طبقة المعدن السائل في قاع حوض اللحام، ويقل عمق الاختراق، ويقل عمق اختراق القوس للحام، ويتسع نطاق حركة بقعة القوس، ويزداد عرض اللحام، ويقل التعزيز. كلما صغرت زاوية ميل سلك اللحام للأمام (α)، كان هذا التأثير أكثر وضوحًا. أما عند ميل سلك اللحام للخلف، فيكون الوضع معاكسًا. في لحام القوس المعدني المحمي، يُعتمد غالبًا أسلوب ميل السلك للخلف، وتُعد زاوية ميل (α) بين 65° و80° مناسبة نسبيًا.
3. ميل قطعة اللحام
يُعدّ ميل منطقة اللحام ظاهرة شائعة في الإنتاج الفعلي، ويمكن تقسيمه إلى لحام صاعد ولحام هابط. في هذه الحالة، يميل المعدن المنصهر، بفعل الجاذبية، إلى التدفق نحو الأسفل على طول المنحدر. في اللحام الصاعد، تساعد الجاذبية على تصريف المعدن المنصهر إلى قاع حوض اللحام، مما يؤدي إلى عمق اختراق أكبر، وعرض لحام أضيق، وقوة تماسك عالية. عندما تتراوح زاوية الميل الصاعد (α) بين 6° و12°، تكون قوة التماسك كبيرة جدًا، مما يُسهّل تكوّن التجاويف على الجانبين. أما في اللحام الهابط، فإن هذا التأثير يمنع المعدن المنصهر من الوصول إلى قاع حوض اللحام. وبالتالي، لا يستطيع القوس الكهربائي تسخين المعدن بعمق في قاع حوض اللحام، مما يقلل من عمق الاختراق، ويتسع نطاق حركة بقعة القوس، ويزيد من عرض اللحام، ويقلل من قوة التماسك. إذا كانت زاوية ميل منطقة اللحام كبيرة جدًا، فسيؤدي ذلك إلى عدم كفاية الاختراق وتدفق المعدن المنصهر بشكل زائد.
4. مادة اللحام وسماكتها
يرتبط عمق اختراق اللحام بتيار اللحام، وكذلك بالتوصيل الحراري والسعة الحرارية الحجمية للمادة. فكلما زاد التوصيل الحراري للمادة وسعتها الحرارية الحجمية، زادت كمية الحرارة اللازمة لصهر وحدة حجم من المعدن ورفع درجة حرارتها بنفس المقدار. لذلك، في ظل ظروف أخرى معينة، مثل تيار اللحام، يقل عمق الاختراق وعرض اللحام. وكلما زادت كثافة المادة أو لزوجتها السائلة، زادت صعوبة إزاحة القوس الكهربائي للمعدن المنصهر، وبالتالي يقل عمق اختراق اللحام. يؤثر سمك الجزء الملحوم على التوصيل الحراري داخله. فمع ثبات الظروف الأخرى، يزداد تبديد الحرارة مع زيادة سمك الجزء الملحوم، ويقل كل من عرض اللحام وعمق الاختراق.
5. التدفق، طلاء القطب الكهربائي، وغاز الحماية
تؤدي التركيبات المختلفة للمواد المساعدة على اللحام أو طلاءات الأقطاب الكهربائية إلى انخفاضات جهد مختلفة في مناطق الأقطاب الكهربائية للقوس الكهربائي، وتدرجات جهد مختلفة لعمود القوس، مما يؤثر حتمًا على تكوين اللحام. عندما تكون المادة المساعدة على اللحام ذات كثافة منخفضة، أو حجم جسيمات كبير، أو ارتفاع تراكم منخفض، يكون الضغط حول القوس منخفضًا، ويتمدد عمود القوس، وتتحرك بقعة القوس بنطاق واسع. لذلك، يكون الاختراق ضئيلاً، وعرض اللحام كبيرًا، والتقوية ضعيفة. عند استخدام لحام القوس الكهربائي عالي الطاقة للحام قطع العمل السميكة، يمكن استخدام مادة مساعدة على اللحام تشبه الخفاف لتقليل ضغط القوس، وتقليل الاختراق، وزيادة عرض اللحام. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتمتع خبث اللحام بلزوجة ودرجة انصهار مناسبتين. إذا كانت اللزوجة عالية جدًا أو كانت درجة الانصهار مرتفعة نسبيًا، فسيكون الخبث ضعيف التهوية، ومن السهل تكوين العديد من التجاويف على سطح اللحام، مما يؤدي إلى ضعف تكوين سطح اللحام.
تختلف تركيبات غازات الحماية المستخدمة في اللحام بالقوس الكهربائي (مثل الأرجون والهيليوم والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون)، كما تختلف خصائصها الفيزيائية كالتوصيل الحراري. ويؤدي هذا الاختلاف إلى اختلاف انخفاض الجهد في المنطقة القطبية للقوس، وتدرج الجهد في عمود القوس، والمقطع العرضي الموصل لعمود القوس، وقوة تدفق البلازما، وتوزيع التدفق الحراري النوعي. وتؤثر جميع هذه العوامل على تكوين خطوط اللحام.
باختصار، هناك العديد من العوامل التي تؤثر على جودة اللحام. وللحصول على لحام جيد، من الضروري اختيار طرق اللحام وظروفه المناسبة وفقًا لمادة وسمك الجزء المراد لحامه، وموقع اللحام، وشكل الوصلة، وظروف العمل، ومتطلبات أداء الوصلة، وحجم اللحام. والأهم من ذلك كله، هو مهارة اللحام! وإلا، فقد لا يفي اللحام بالمتطلبات، بل قد تظهر عيوب مختلفة.
