قابلية المواد للحام تكافؤ الكربون Carbon equivalency CEV

هناك العديد من التعاريف المختلفة فيما يتعلق بمصطلح قابلية المواد المعدنية الصلبة على اللحام بالانجليزية Materials and Their Weldability فهذا معناه اختلاف القدرة لمواد مختلفة وكل مادة تعطي التفسير المناسب لها ، لكن ببساطة يمكن تعريف هذا المصطلح علي انه قابلية و قدرة المواد المعدنية لإجراء اللحام بجانب احتفاظها بخصائصها الميكانيكية والفيزيائية والكميائية المحددة بمستندات الصناعه.

ويعتمد نجاح عملية قابلية اللحام للمواد المعدنية علي العديد من العوامل بما في ذلك التركيب الكميائي ونوع المعدن ، وعملية اللحام المستخدمة ، والخصائص الميكانيكية اللازمة لهذا الإجراء ، وعموما يشير مصطلح ضعف قابلية قدرة المواد علي اللحام عندما يشمل عيوب اللحام مثل جميع انواع الشروخ والشقوق الساخنه و الباردة والذي الذي يعتمد علي عدة عوامل مثل

• مستويات الاجهاد والشد ( الذي ينتج من التمدد الانكماش بسبب اللحام المنصهر)
• مستويات الاجهاد والشد ( الذي ينتج من طريقة الضبط والتجهيز مثل استخدام الكلامب)
• المناطق المتأثرة بالحرارة HAZ التي تكون معرضه للتصدعات والكراك الهيدروجيني نتيجة مدخلات الحرارة او خصائص المعدن.

وقد تم شرح العوامل اعلاه سابقا وتم توضيح كيفية الوقاية منها واليوم في موقع عقل المهندس سوف نتعلم سويا في سلسلة مواضيع طويلة تضم العديد من المواد لتعريف ما هي قابلية المواد للحام وقدرتها Materials and Their Weldability في دورة مفتش اللحام

اولا : معادلة الكربون Carbon equivalency CEV

يتم استخدام مفهوم تكافئ محتوى الكربون بالانجليزية equivalent carbon content في المواد الحديدية مثل الفولاذ الصلب والحديد الزهر، لاسباب تتعلق بتحديد الخصائص الفيزيائية للسبائك الحديدية (الفولاذية) مختلفة العناصر المعدنية والتي تحتوي على نسبة معينه من الكربون وتتمثل الفكرة في تحويل النسبة المؤية للمواد غير الكربونية الى نسبة الكربون المكافئ. ويستخدم هذا المفهوم بشكل مشهور في اللحام واحيانا عند المعالجة الحرارية وصب سبائك الزهر.

عموما في اعمال اللحام، يستخدم محتوى تكافئ الكربون CEV لفهم كيفية تأثير العناصر المخلوطة على صلابة الوصلات الملحومة في حديد الصلب ويرتبط ذلك مع التكسير البارد الناجم عن الهيدروجين وهو اكثر عيوب اللحام شهرة بالنسبة للحديد الصلب وبالتالي فإن هذا المفهوم هو الاكثر استخداما لتحديد قابلية اللحام.

كما ان التركيزات الأعلى من الكربون وعناصر السبائك الأخرى مثل المنغنيز والكروم والسيليكون والموليبدينوم والفاناديوم والنحاس والنيكل كلها تميل إلى زيادة صلابة المعدن وتقليل قابلية اللحام.

هناك صيغتان لحساب محتوى الكربون والصيغة الاتية من الجمعية الامريكية للحام AWS التي تفيد ان نسبة محتوى الكربون اعلى من ٠.٤٠٪ ، تسبب خطر لاحتمال التكسير على حواف اللحام  في المنطقة المتأثرة من الحرارة HAZ

الصيغة الثانية الاكثر شهرة من المعهد الدولي للحام IIW المعروفة باسم صيغة دردين و اونيل Dearden and O’Neill والتي اعتمدها المعهد الدولي في عام ١٩٦٧ وهي مناسبة جدا لمعرفة معدل التصلب لمجموعة كبيرة جدا من الفولاذ الكربوني.

الكود الياباني اعتمدت جمعية هندسة اللحام اليابانية علامة هامة في تكسير اللحام تعرف باسم critical metal parameter ويشار لها باختصار Pcm حسب الصيغة الاتية

اذا كان هناك بعض القيم الغير متوفرة للعناصر يمكنك استخدام الصيغة الرياضية الاتية

يتم استخدام الصيغة الاتية لتحديد ما اذا كان لحام البقعة سيفشل في سبائك الفولاذ منخفض القوة ذو الصلابة العالية بالانجليزية high-strength low-alloy steel.

تم تطوير الصيغية الرياضية الاتية لتكافئ ومعادلة الكربون بواسطة Yurioka والتي يمكنها تحديد الطول الزمني بالثواني ^Δt_8-5 في لحام وتشكيل الفولاذ المارتيني المقاوم للصداء بالانجليزية Martensitic stainless steel

يمكن تحديد الطول الزمني بالثواني ^Δt_8-5 حسب المعادلة الاتية

شرح عام ومبسط عن تكافؤ الكربون

ان اكثر المناطق التي تتآثر بالشروخ والتشققات cracking تكون بسبب عدم تناسب كمية الكربون وكمية الانواع الاخرى من العناصر المعدنية التي تدخل في صناعة الصلب، لهذا تم وضع معادلة حسابية يتم من خلالها تحديد قيمة تكافؤ الكربون CEV للمعادن الحديدية المعرضة لمخاطر الكسر كما ان تكافؤ الكربون يعد مقياس لقوة الصلابة في انواع الفولاذ ، بالتالي ارتفاع نسبة الكربون CEV في الحديد الصلب مما يسبب اتلاف خصائص المواد البلورية عند اجراء عمليات اللحام او التسخين وبالتالي ستكون معرضة للتصدع والكسر والشروخ والكراك وما الى ذلك …

وتشمل العوامل الاخرى التي تؤثر علي احتمال التصدعات والشقوق والشروخ هو اختلاف سُمْك الجدار بما في ذلك المعادن الاساسية في الوصلات الملحومة ففي لحام الاخدود Butt قد يمتلك اثنين من سُمْك الجدار المختلفين بينما في لحام الفيليه Fillet قد يمتلك ثلاث من تخانه الجدار المختلفة.

كما ان اختلاف سُمْك جدار المعدن يسبب تعرض غير متكافئ لعملية التسخين و التبريد اثناء اجراء اللحام و سوف يحدث معدلات تسخين وتبريد اسرع للمناطق الأقل سُمْكا مما يسبب ارتفاع في قوة صلابة المعدن فيزيائيا، وبالتالي تتأثر اللحامات بشكل مباشر وتكون اكثر عرضة للتصدعات والشروخ.

الصيغة الاتية لحساب نسبة الكربون في الحديد الصلب من كتاب welding inspector وهي ليست كاملة ولكنها مفيدة لمفتش اللحام

واختصارا للوقت بعد اجراء العمليات الحسابية توصي المعايير والمقاييس الدولية AWS & ISO كدليل عام يحدد مستويات الكربون CEV وقدرة قابلية المعادن علي اللحام weldability of steels كا الاتي

• حتي ٠.٤ ٪ قابلية المواد علي اللحام جيدة
• من ٠.٤ ٪ الي ٠.٥ ٪ قابلية المواد للحام محدودة او متوسطة
• اعلي من ٠.٥ ٪ قابلية المواد للحام ضعيفة

تصنيف الفولاذ الصلب Classification of steels

• الفولاذ الصلب منخفض الكربون Low carbon steel يحتوي علي نسب من ٠.١ ٪ الي ٠.٣ ٪
• الفولاذ الصلب متوسط الكربون Medium carbon steel يحتوي علي نسب من ٠.٣٪ الي ٠.٦٪
• الفولاذ الصلب مرتفع الكربون High carbon steel يحتوي علي نسب من ٠.٦ ٪ الي ١.٤ ٪

يحتوي الفولاذ الصلب علي الحديد و الكربون كعناصر اساسية في صناعته ولكن هذا لا يمنع من وجود اثار لعناصر اخرى مثل المنجنيز ، السيليكون ، الالمنيوم وغيرها وبالنظر للرسم البياني الموجود بالاسفل الذي يوضح ان زيادة نسب الكربون يسبب انخفاض في الليونة ductility بينما يحدث زيادة وارتفاع في قوة الشد tensile strength وارتفاع نسبة الصلابة hardness ويمكنك ملاحظة كيف يتم تحقيق اقصى قدر من قوة الشد في الفولاذ الصلب الذي يحتوي علي نسبة كربون ٠.٨٣ ٪

وفي صناعة سبائك الفولاذ الصلب التي تحتوي علي عناصر معدنية أخرى مثل المنجنيز او الكروم او النيكل تنقسم الي مجموعتين حسب الاتي

• Low alloy steels والذي يحتوي علي عناصر اصغر من ٧٪‏ من المواد المعدنية الاخرى
• High alloy steels والذي يحتوي على عناصر اكبر من ٧٪‏ من المواد المعدنية الاخرى

وفي الجدول انداه العناصر التي تدخل في صناعة الصلب حسب الاتي

في النهاية معرفة المهندس لقابلية وقدرة المواد للحام هو لتوفير الوقت والمجهود وتلافي الخسائر الماليه وان تعريف تكافؤ الكربون Carbon equivalency CEV هو لمعرفة مدى تأثير العنصر الاساسي على عمليات اللحام للاحتفاظ ببعض من خصائص الفولاذ الصلب او الكاربون استيل.