شرح عيب اللحام cracks and crater cracks الكراك والشروخ والكسور والتصدعات

يمكن تعريف عيوب اللحام الشقوق – الشروخ – التصدع – الكسر ، بالانجليزية crack ، على انه نوع الشقوق الساخنة بالانجليزية Hot Crack او الكسر بسبب التجمد والانكماش بالانجليزية Solidification cracks وينقسم الى قسمين التشققات المستقيمة بالانجليزية Line crack و الشقوق على شكل نجمة او تفريعة بالانجليزية Star or crater cracks. ويختلف كثيرا عن شقوق الهيدروجين

فاذا كانت النتائج تشير الي استخدام الخامات الفقيرة الغير مناسبة مثل المعدن الاساسي ، معادن الحشو او التبريد السريع او مجموعة متنوعة من الملوثات والعوامل الجوية فان عيب اللحام cracks and crater cracks يحمل في طياته عواقب وخيمة لاي عملية لحام والذي يؤثر سلبيا على سلامة جودة اللحام النهائية ، حيث يتطلب الموضوع الكثير من الوقت والمال لعملية الاصلاح  وفي الغالب يجب على المشغل الازالة الكاملة للكراك بواسطة carbon arc gouging او استخدام وسائل ازالة اخرى ، ناهيك عن رفض العملية بآكملها.

عند اجراء عمليات اللحام ، تتكبد الشركات تكاليف مالية كبيرة جدا ، لتطبيق العملية نفسها ، فحص المواد ، فحص وتصوير اللحام والنهاية ترفض العملية بسبب الشروخ ، ثم يتطلب الموضوع جولة ثانية من نفس الاجرآت و الفحص و القياس مما يؤدي الى زيادة التكاليف ناهيك عن التأثير السلبي في خصائص المواد ، وغالبا تؤدي لاجراء المعالجة الحرارية PWHT لبعض المعادن وبذلك تمتد عملية الاصلاح لفترات زمنية اخرى عدة ايام لاعادة التقييم ، صياغة التقارير ، والنهاية غرامات مالية لعدم الوفاء بالتسليم في المواعيد المحددة. الذي هو امر اساسي في متطلبات الجودة ، قد يهمك قراء هذه السطور عن نظام ادارة الجودة

لحسن الحظ : انت على موقع عقل المهندس ، لن يصبح هذا العيب لغزا غامضا ، فسوف نتعرف تفصيلا عن فهم الاسباب الرئيسية لجميع انواع الشقوق والكراكات الساخنة Hot Cracking وعن كيفية الوقاية منها اثناء عمليات التشغيل. وعن رؤيتها على الصور الشعاعية.

تحديد الكراك weld cracking ( المظهر المرئي)

يوضح الشكل الاتى كيف تتميز الشقوق الساخنة نتيجة التصلب والتجمد والانكماش  Solidification cracks عن الانواع الاخرى من الكسور نتيجة احد او كل العوامل التالية:

• لا يمكن حدوثها الا في معدن اللحام
• تظهر على شكل خطوط شبه مستقيمة في منتصف حبات اللحام  weld bead لكن من الممكن تظهر على شكل شروخ عرضية وهذا يعتمد على هيكلة وسرعة الانكماش و التجمد
•  قد يكون الشرخ crack على شكل نجمة Star , تفريعة crater cracks و معنى التفريعة الشكل العام لجذع شجرة تنتهى بفروع
• العيب مفتوح ويمكن رؤيته بالعين المجردة

اغلب حالات الشقوق الساخنة المفتوحة في سبائك الفولاذ و النيكل له مظهر اكسدة لونه ازرق بالانجليزية blue oxidised مما يدل على حدوث العيب والمعادن لاتزال ساخنة

المعدغرافيا ودراسة المعادن Metallography

ظهور وانتاج العيب ، تتشكل الشروخ والتصدعات cracks اثناء التصلب و التجمد ، هي عبارة عن عملية متداخلة عند الانتقال من الحالة المنصهرة الى الحالة الصلبة، و التي تعكس هيكلة تشكيل اللحام بشكل عام ، ويعتبر الكراك دليل او اشاره علي فشل تشكيل اللحام ، مما يؤدي الى انفصال حبات اللحام او انفصال الحدود المرتبطة بعملية التجمد و يحدث العيب في لحظات التبريد او بعد تجمد حبات اللحام مباشرة.

اسباب حدوث عيوب اللحام solidification cracking (الكراك)

السبب الرئيسي لحدوث العيب هو الضغط الذي تسببه حبة اللحام اثناء المرحلة النهائية من التجمد لانها تحمل ما يكفي من القدرة على سرعة التجمد والانكماش ، عند هذه المرحلة يتولد الضغط في لحظات التصاقها بتجمع اللحام المصهور على خط الاتجاه الطولي لحبات اللحام نفسها ، وهذا يحدث في درجات الحرارة العالية اكبر من ٥٣٨ مؤية او ١٠٠٠ فهرنهايت وقد تعود الاسباب في معدن الفولاذ الصلب الي نسبة الكبريت العالية ومحتوى الفسفور ويمكن تلخيص الاسباب حسب الاتي

• انتاج حبة لحام غير كافية في الحجم او الشكل
• وجود اللحام تحت ضغط عمليات الضبط welding under high restraint
• خصائص المواد لديها نسبة عالية و كمية كبيرة من  التجمد ، الانكماش ، التصلب السريعة
• وجود مواد الطلاء والشحوم وغيرها من الملوثات
• معادن الحشو غير مطابقة للمواصفات مثل التي يضاف اليها البورون boron لضبط هيكلة حبوب اللحام

سبب اخر تصميم الوصلات السيئ بالانجليزية fit-up or  poor joint design الذي يؤثر على مستوى الضغط بشكل عام فيتم انتاج حبة لحام عريضة في حلق ضيق (thinner throat) مما يتسبب في اضعاف اللحام ويضع تشكيل اللحام تحت ضغط اجهاد الشد بدون اي مبرر على خط المنتصف، والنهاية يتسبب ذلك في حدوث عيب اللحام الكراك.

كما ان استخدام اسلاك اللحام مع الفولت العالي يتسبب في بركة سائلة من المعادن المصهورة فيتم خلق حبة لحام مقعرة ، غير مستقرة وتسبب نقص في سمك جدار الحلق (throat thickness) ونقص في قوة اللحام بشكل عام مما يجعل الوصلة ضعيفة ضعيفة واكثر عرضة للكسر والتصدعات.

كما يحدث الكراك عندما يتوقف الفني عن اللحام قبل الانتهاء من الشوط مما يترك مسافة واسعة او ضيقة في نهاية كل شوط وكما ان السرعات العالية تؤدي الى عملية فصل كبيرة في تجمع اللحام الذي يزيد من خطر الكسر.

اسباب حدوث الكراك في الحديد او الفولاذ Steels

يرتبط حدوث عيب اللحام الكراك بالشوائب الموجودة بالفولاذ وخاصة الكبريت والفسفور الذي يعززه وجود الكربون في الفولاذ في حين ان وجود المنغنيز والسيليكون قد يساعد على الحد من مخاطر crack ولذلك يمكن استخدام معادن الحشو مع مستويات منخفضة من الكربون ويكون المنغنيز مرتفع نسبيا. وكقاعدة عامة بالنسبة للفولاذ الكربوني يجب ان لاتزيد نسبة الكبريت والفسفور عن ٠.٠٦٪  يمكنك زيارة تكافؤ الكربون في اللحام .

في الواقع ان التركيب المعدني لمعدن الحشو هو المهيمن على العملية برمتها وهو يستخدم معدن انظف من المعدن الاساسي فيكون التكسير او الكراك اقل احتمالا و في لحام القوس المغمور بالانجليزية submerged arc welds كما هو مبين بالايزو EN 1011-2 يمكن تقييم المخاطر لحساب حساسية وحدات الكراك Units of Crack Susceptibility UCS من خلال حساب التركيب الكيميائي لمعدن اللحام او معدن الحشو حسب المعادلة التالية:

UCS = 230C* + 190S + 75P + 45Nb – 12.3Si – 5.4Mn – 1
C* = carbon content or 0.08 whichever is higher

في لحام الاخدود اذا كانت نتائج نتائج التركيب الكيميائي لسلك اللحام UCS 20 فما فوق فهي تشير الى خطر حدوث الكسر وقيمة 25 UCS فالموضوع منتهي.

ملاحظة: من خلال تجارب الخبرء لاسيما TWI قالوا ان المعادلة اعلاه هي معادلة تعسفية وليس لها اساس قوى بغض النظر عند معدن الحشو المستخدم اذا كان مطابقا للمواصفات ام غير مطابق ، وبما ان المعادلة تقول اذا كانت النتائج اكبر من ١٠ UCS تعطي مقاومة عالية للكسر وان نتائج اصغر من ٣٠ UCS تعطي مقاومة قليلة للكسر.

فتم ملاحظة ان خطر الكسر يزيد عند ارتفاع نسبه العمق الى العرض ، بالانجليزية depth to width ratio و نتيجة السرعات العالية او الضبط السيئ للوصلات fit-up

فعند اجراء اختبار لحام الوصلات من نوع فيله fillet welds في نسبة من العمق الى العرض تساوي واحد فتم الحصول على ان نتيجة ٢٠ UCS فما فوقها للتركيب الكميائي ستزيد من خطر التكسير. وفي لحام الاخدود لنفس نسبة العمق الى العرض ستكون نتيجة ٢٥ UCS خطيرة لحدوث الكسر

ولكن عندما تم خفض نسبة العمق للعرض من ١ الى 0.8 تم رفع نتيجة التركيب الكميائي حوالي ٩ UCS بمعنى ان تم الحصول على ٢٩ UCS لوصلات الفيلية و ٣٤ في لحام الاخدود وان الموضوع برمته ليس له علاقة بالتركيب الكميائي لسلك او الكترود اللحام (وموضوع العمق للعرض وهذه النقطة الكميائية تحتاج لتوضيح اكثر من ذلك وسوف نناقشها فيما بعد).

لكن في العموم يشير مصطلح نسبة العمق الى العرض بالانجليزية depth to width ratio ان العمق يعبر عن مسافة سمك جدار الوصلة من حبة لحام الجذر الى نهاية الوصلة فوق و العرض يعبر عن مقياس المسافة العرضية لانتاج حبه لحام بين حواف الوصلة. والموضوع اساسا صعب قياسه في الموقع ويتطلب مراقبة ركيزة من مفتش اللحام لكن ممكن اذا كان المشغل في الطبيعي ينتج عدد خرزات ٥ او ٦ حبات والمعدن فيه مشاكل و قابل للتكسير ممكن المفتش يقلل انتاج الخرزات الى ٣ حبات بعرض من نصف ميليمتر الى ١مم. بدون حسابات ووجع قلب 🙂

لان الاساس في تجمد السائل المصهور هو من الخارج للداخل الى منتصف اللحام و لان الوصلات العميقة بالمقارنة مع عرضها ، سيكون هناك عمليه اعتراض لكميات السائل المصهور من الحبات القديمة في منتصف اللحام تماما ، كمثال تجمد الماء في الكوب فالتجمد يحدث من الحواف للمنتصف وبالتالي هناك ضغط للأعلي لاعتراض عملية التجمد في منطقة المنتصف. مما يتسبب في حدوث الشقوق او الكسر واليك مثال للتوضيح اكثر

اسباب حدوث الكراك في الالومنيوم Aluminium

يحدث الكراك عند التمدد الحراري العالي للالمنيوم الذي هو حوالي ضعف التمدد الحراري للفولاذ الصلب وبالتالي فهو له القدرة على التجمد والتصلب والانكماش بسرعة وهو عادة ما يكون اكبر من ٥٪ من مستوى التصلب في الفولاذ وهذا يعني ان سبيكة الالومنيوم اكثر عرضة للتكسير والشروخ ويمكن تقليل المخاطر باستخدام معدن الحشو مقاوم للتصدع الذي هو عادة مصنوع من سبائك الزنك ارقام 5xxxx and 4xxxx ويعتبر العيب الوحيد ان معدن اللحام يكون له خصائص غير مطابقة للمعدن الاصلي حيث انه اقل قوة.

اسباب حدوث الكراك في الفولاذ المقاوم للصداء Austenitic Stainless Steel

ان اجراء اللحام للفولاذ المقاوم للصداء الآوستنيتي  الذي يحتوي على مابين ٥ الي ١٠ ٪ من ferrite الفريت هو اكثر عرضة للتكسير cracking والكراك وقد اثبتت التجارب ان الفريت له قدرته على احتواء الشوائب الضارة داخل الحبيبات التى من شئنها ان تشكل درجة منخفضة عن درجة حرارة الانصهار وبالتالي تسبب الانفصال والشقوق لذلك فانه مستحسن اختيار مواد الحشو المقاومة لمنع التكسير ويمكن استخدام انواع ٣٠٨ و نوع ٣٠٤ من معادن الحشو المقاومة للصداء

افضل الممارسات في تجنب ومنع عيب اللحام الكراك solidification cracking

وبصرف النظر عن اختيار مواد الحشو ومعادن اللحام الاساسية فآن افضل التقنيات الرئيسية لتقليل خطر عيب اللحام solidification cracking هي كآلاتي:

• التحكم الجيد في تصميم الوصلات joint fit-up
• تنظيف جميع الملوثات من المواد العالقة قبل اجراء اللحام
• التآكد من ان welding sequence لن يؤدي الى مزيد من الضغوط الحرارية
• تحديد معلمات اللحام وتقنيات انتاج حبة لحام مع نسبه كافيه من العمق الى العرض او مع ما يكفي من حجم سمك حلق اللحام في لحامات الفليه لضمان حبة لحام لديها مقاومة كافيه لاجهاد التصلب ويوصي الكود AWS و ISO ان تكون نسبة العمق الي العرض تقل عن او تساوي ١
• تجنب انتاج نسب كبيرة جدا من حبات العمق الى العرض depth to width ratio  الذي يشجع على الفصل بين السلالات العرضية وتعتبر حبات اللحام  العريضة التي تتجاوز ١ : ٢ مليمتر لنسبة العرض للعمق اكثر عرضة لحدوث عيب اللحام cracking
• تجنب سرعات اللحام العالية والتي سوف تزيد من كمية عزل حبات اللحام عن بعضها وبالتالي زيادة مستوى الاجهاد
• عند التوقف يجب التآكد من ملء الحفر لتجنب حدوث الشكل المقعر الغير مرغوب به

سماحيات العيب ومعايير القبول Acceptance standards

في اغلب المعايير يعتبر عيب اللحام  cracks and crater cracks هي تشققات وتصدعات ذات حواف حادة وانها غير مسموح بها في جميع اللحامات التي تتطلب شروط تفي بمستويات الجودة وفي بعض الحالات يسمح بوجود عيب اللحام crater cracks في لحام الانابيب اعتمادا على حجمه وسوف يتم اضافة جدول بجميع عيوب اللحام في القريب بموقع عقل المهندس

طرق الكشف عن عيب اللحام cracks and crater cracks وطريقة الاصلاح

• يمكن الكشف عن عيوب اللحام الكراك cracks and crater cracks بسهولة باستخدام الفحص البصري visual examination او تقنية المواد المتغلغلة او اختبار الجسيمات المغنطيسية  او الموجات فوق الصوتية UT او استخدام التصوير الصناعي
• معظم المعايير الدولية تتطلب ان يتم ازالة عيب اللحام cracks and crater cracks ويجب اصلاح منطقة التصدع بهامش امان حوالي ٥ مم من الاطراف المرئية لمنطقة التصدع ثم يتم اعادة اللحام باستخدام معدن حشو مقاوم للتصدعات

ظهور عيب اللحام cracks and crater cracks على فيلم التصوير بالاشعة

يمكن الكشف عن عيوب اللحام الكراك في صورة شعاعية عندما يكون هناك انتشارا في الاتجاه الذي ينتج تغييرا في السمك او التخانة الموازية لحزمة الاشعة السينية او اشعة جاما وسوف تظهر الشقوق على شكل خطوط خشنة غير منتظمة وغالبا ما تكون خافتة جدا ويمكن ان تظهر ايضا على شكل ذيول على شوائب الخبث كما هو موضح بالشكل الاتي:

[ads1]

في نهاية الموضوع يجب ان نعلم انه مع افضل مواد حشو اللحام واستخدام افضل الممارسات لطريقة تخزينها فآن نتائج منع حدوث cracks and crater cracks ليست مضمونة  ولا يزال من الممكن امتصاص الهيدروجين من الجو وخاصة في المناطق ذات الرطوبة العالية وسوف يكون لنا لقاء اخر مع الكراك الهيدروجيني.

وخلاصة القول: ان الشروخ والتصدعات و cracks and crater cracks يكلف الكثير من المال بغض النظر عن شكل العيب ولحسن الحظ انه مع المعرفة سوف تحصل علي المفتاح لفهم المشكلة وحلها واامل ان اكون قد وفقت لشرح عيب اللحام cracks and crater cracks الكراك والشروخ ويمكنك متابعتي علي مواقع التواصل الاجتماعي والاشتراك بنشرة بريد الموقع