تتطلب عملية لحام الفولاذ المقاوم للصدأ اختيار غاز واقٍ للحفاظ على تركيبه المعدني وخصائصه الفيزيائية والميكانيكية. تشمل عناصر الغاز الواقي الشائعة للفولاذ المقاوم للصدأ الأرجون والهيليوم والأكسجين وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيدروجين (انظر الشكل 1). تُخلط هذه الغازات بنسب مختلفة لتناسب احتياجات طرق التوصيل المختلفة، وأنواع الأسلاك، والسبائك الأساسية، وشكل اللحام المطلوب، وسرعة اللحام.
نظراً لضعف التوصيل الحراري للفولاذ المقاوم للصدأ وبرودة عملية اللحام بالقوس المعدني المحمي بالغاز (GMAW) ذات الدائرة القصيرة، تتطلب هذه العملية استخدام غاز ثلاثي المكونات يتكون من 85% إلى 90% هيليوم (He)، وما يصل إلى 10% أرجون (Ar)، و2% إلى 5% ثاني أكسيد الكربون (CO2). يحتوي المزيج الثلاثي الشائع على 90% هيليوم، و7.5% أرجون، و2.5% ثاني أكسيد الكربون. يعزز جهد التأين العالي للهيليوم حدوث القوس الكهربائي بعد حدوث دائرة قصيرة؛ وبالإضافة إلى توصيله الحراري العالي، يزيد استخدام الهيليوم من سيولة حوض اللحام المنصهر. يوفر مكون الأرجون في المزيج الثلاثي حماية عامة لحوض اللحام، بينما يعمل ثاني أكسيد الكربون كمكون تفاعلي لتثبيت القوس (انظر الشكل 2 لمعرفة كيفية تأثير غازات الحماية المختلفة على شكل خرزة اللحام).
قد تستخدم بعض الخلطات الثلاثية الأكسجين كمثبت، بينما تستخدم خلطات أخرى مزيجًا من الهيليوم وثاني أكسيد الكربون والنيتروجين لتحقيق التأثير نفسه. لدى بعض موزعي الغاز خلطات غاز خاصة توفر الفوائد المرجوة. كما يوصي التجار بهذه الخلطات لأنواع أخرى من أنظمة النقل لتحقيق التأثير نفسه.
أكبر خطأ يرتكبه المصنّعون هو محاولة لحام الفولاذ المقاوم للصدأ بتقنية GMAW باستخدام نفس خليط الغاز (75% أرجون/25% ثاني أكسيد الكربون) المستخدم في لحام الفولاذ الطري، وذلك عادةً لتجنب استخدام أسطوانة غاز إضافية. يحتوي هذا الخليط على نسبة عالية من الكربون. في الواقع، يجب ألا تتجاوز نسبة ثاني أكسيد الكربون في أي غاز واقٍ يُستخدم مع الأسلاك الصلبة 5%. استخدام كميات أكبر يؤدي إلى معدن لا يُصنّف ضمن سبائك الدرجة L (حيث تقل نسبة الكربون في سبائك الدرجة L عن 0.03%). يمكن أن يؤدي الكربون الزائد في الغاز الواقي إلى تكوين كربيدات الكروم، مما يقلل من مقاومة التآكل والخواص الميكانيكية. كما قد يظهر السخام على سطح اللحام.
ملاحظة جانبية: عند اختيار المعادن لتقصير لحام GMAW لسبائك القاعدة من سلسلة 300 (308، 309، 316، 347)، ينبغي على المصنّعين اختيار نوع LSi. تتميز حشوات LSi بانخفاض محتواها من الكربون (0.02%)، ولذلك يُوصى بها بشدة عند وجود خطر التآكل بين الحبيبات. يُحسّن ارتفاع محتوى السيليكون خصائص اللحام، مثل التبلل، مما يُساعد على تسطيح قمة اللحام وتعزيز الانصهار عند طرفه.
ينبغي على المصنّعين توخي الحذر عند استخدام عمليات نقل اللحام بالدائرة القصيرة. فقد ينتج عن انطفاء القوس الكهربائي عدم اكتمال عملية اللحام، مما يجعلها غير مناسبة للتطبيقات الحساسة. في حالات الإنتاج بكميات كبيرة، إذا كانت المادة قادرة على تحمل الحرارة المُدخلة (حيث أن سماكة ≥ 1/16 بوصة هي تقريبًا أرق مادة يتم لحامها باستخدام وضع الرش النبضي)، فسيكون نقل اللحام بالرش النبضي خيارًا أفضل. وعندما تسمح سماكة المادة وموقع اللحام بذلك، يُفضّل استخدام لحام القوس المعدني بالغاز بتقنية نقل اللحام بالرش، لأنه يوفر انصهارًا أكثر اتساقًا.
لا تتطلب أنماط نقل الحرارة العالية هذه غاز الهيليوم الواقي. في لحام نقل الرش لسبائك سلسلة 300، يُعدّ مزيج 98% من الأرجون و2% من العناصر التفاعلية مثل ثاني أكسيد الكربون أو الأكسجين خيارًا شائعًا. قد تحتوي بعض مخاليط الغاز أيضًا على كميات صغيرة من النيتروجين. يتميز النيتروجين بجهد تأين أعلى وموصلية حرارية أكبر، مما يعزز التبلل ويسمح بانتقال أسرع أو نفاذية محسّنة؛ كما أنه يقلل من التشوه.
بالنسبة للحام القوسي المعدني بالغاز بتقنية نقل الرذاذ النبضي، قد يكون غاز الأرجون بنسبة 100% خيارًا مقبولًا. ولأن التيار النبضي يعمل على استقرار القوس، فإن الغاز لا يتطلب دائمًا عناصر نشطة.
تكون عملية اللحام أبطأ في الفولاذ المقاوم للصدأ الفريتي والفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج (بنسبة 50/50 من الفريت إلى الأوستنيت). بالنسبة لهذه السبائك، يُحسّن مزيج غازي مثل 70% أرجون/30% هيليوم/2% ثاني أكسيد الكربون من ترطيب السطح ويزيد من سرعة اللحام (انظر الشكل 3). يمكن استخدام مخاليط مماثلة للحام سبائك النيكل، ولكنها ستؤدي إلى تكوّن أكاسيد النيكل على سطح اللحام (على سبيل المثال، إضافة 2% من ثاني أكسيد الكربون أو الأكسجين كافية لزيادة محتوى الأكسيد، لذا يجب على المصنّعين تجنّبها أو الاستعداد لقضاء وقت طويل في معالجتها). تُعدّ هذه الأكاسيد شديدة الصلابة لدرجة أن فرشاة سلكية لا تُزيلها عادةً.
يستخدم المصنّعون أسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ ذات القلب المحشو بالتدفق في اللحام خارج الموقع، لأن نظام الخبث في هذه الأسلاك يوفر "رفًا" يدعم حوض اللحام أثناء تصلبه. ولأن تركيبة التدفق تخفف من تأثيرات ثاني أكسيد الكربون، فإن سلك الفولاذ المقاوم للصدأ ذو القلب المحشو بالتدفق مصمم للاستخدام مع مخاليط غازية بنسبة 75% أرجون/25% ثاني أكسيد الكربون و/أو 100% ثاني أكسيد الكربون. ورغم أن تكلفة السلك ذي القلب المحشو بالتدفق قد تكون أعلى للرطل، إلا أنه من الجدير بالذكر أن سرعات اللحام ومعدلات الترسيب الأعلى في جميع الأوضاع قد تقلل من تكاليف اللحام الإجمالية. إضافةً إلى ذلك، يستخدم السلك ذو القلب المحشو بالتدفق خرج تيار مستمر تقليدي بجهد ثابت، مما يجعل نظام اللحام الأساسي أقل تكلفة وأبسط من أنظمة اللحام بالقوس المعدني المحمي بالغاز النبضي.
بالنسبة لسبائك السلسلة 300 و 400، يظل غاز الأرجون بنسبة 100٪ هو الخيار القياسي للحام القوسي بالتنغستن الغازي (GTAW). أثناء عملية اللحام القوسي بالتنغستن الغازي لبعض سبائك النيكل، وخاصة مع العمليات الآلية، يمكن إضافة كميات صغيرة من الهيدروجين (تصل إلى 5٪) لزيادة سرعة اللحام (لاحظ أنه على عكس الفولاذ الكربوني، فإن سبائك النيكل ليست عرضة لتشقق الهيدروجين).
للحام الفولاذ المقاوم للصدأ فائق الجودة (سوبر دوبلكس) والفولاذ المقاوم للصدأ فائق الجودة (سوبر دوبلكس)، يُعدّ مزيج 98% أرجون/2% نيتروجين و98% أرجون/3% نيتروجين خيارين جيدين على التوالي. كما يُمكن إضافة الهيليوم لتحسين قابلية التبلل بنسبة 30% تقريبًا. عند لحام الفولاذ المقاوم للصدأ فائق الجودة (سوبر دوبلكس)، يكون الهدف هو إنتاج وصلة ذات بنية مجهرية متوازنة بنسبة 50% تقريبًا من الفريت و50% من الأوستنيت. ولأن تكوين البنية المجهرية يعتمد على معدل التبريد، ولأن حوض لحام TIG يبرد بسرعة، يبقى فائض من الفريت عند استخدام 100% أرجون. عند استخدام مزيج غازي يحتوي على النيتروجين، يختلط النيتروجين مع حوض اللحام المنصهر ويعزز تكوين الأوستنيت.
يحتاج الفولاذ المقاوم للصدأ إلى حماية كلا جانبي الوصلة لإنتاج لحام نهائي يتمتع بأقصى مقاومة للتآكل. قد يؤدي عدم حماية الجانب الخلفي إلى "التحلل السكري"، أو الأكسدة الشديدة التي يمكن أن تؤدي إلى فشل اللحام.
قد لا تتطلب وصلات اللحام الخلفية المحكمة ذات التركيب الممتاز أو الاحتواء المحكم في الجزء الخلفي منها استخدام غاز داعم. تكمن المشكلة الرئيسية هنا في منع تغير لون المنطقة المتأثرة بالحرارة بشكل مفرط نتيجة تراكم الأكسيد، الأمر الذي يستدعي إزالته ميكانيكيًا. من الناحية الفنية، إذا تجاوزت درجة حرارة الجانب الخلفي 500 درجة فهرنهايت، يلزم استخدام غاز واقٍ. مع ذلك، يُعد استخدام 300 درجة فهرنهايت كحد أدنى نهجًا أكثر تحفظًا. من الناحية المثالية، يجب أن يكون تركيز الأكسجين في الغاز الداعم أقل من 30 جزءًا في المليون. ويُستثنى من ذلك حالة حفر الجزء الخلفي من اللحام وصقله ولحامه لتحقيق لحام كامل الاختراق.
يُعدّ غازا النيتروجين (الأرخص) والأرجون (الأغلى) الغازين الداعمين المفضلين. في التجميعات الصغيرة أو عند توفر مصادر الأرجون بسهولة، قد يكون استخدام الأرجون أكثر ملاءمةً، ولا يُبرر توفير النيتروجين. يمكن إضافة ما يصل إلى 5% من الهيدروجين للحد من الأكسدة. تتوفر خيارات تجارية متنوعة، ولكن الدعامات وسدود التنقية محلية الصنع شائعة الاستخدام.
إن إضافة 10.5% أو أكثر من الكروم هي ما يمنح الفولاذ المقاوم للصدأ خصائصه المقاومة للتآكل. ويتطلب الحفاظ على هذه الخصائص إتقان تقنيات اللحام، لا سيما اختيار غاز الحماية المناسب وحماية الجانب الخلفي للوصلة. يُعد الفولاذ المقاوم للصدأ باهظ الثمن، وهناك أسباب وجيهة لاستخدامه. لذا، لا جدوى من التوفير على حساب الجودة عند اختيار غاز الحماية أو معادن الحشو. لذلك، من الأفضل دائمًا التعاون مع موزع غازات متخصص وخبير في معادن الحشو عند اختيار الغاز ومعدن الحشو المناسبين للحام الفولاذ المقاوم للصدأ.
ابقَ على اطلاع دائم بآخر الأخبار والفعاليات والتقنيات المتعلقة بجميع المعادن من خلال نشرتينا الإخبارية الشهرية المكتوبة حصرياً للمصنعين الكنديين!
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة Canadian Metalworking، أصبح الوصول سهلاً إلى موارد الصناعة القيّمة.
الآن مع إمكانية الوصول الكامل إلى النسخة الرقمية من مجلة Made in Canada and Welding، أصبح الوصول سهلاً إلى موارد الصناعة القيّمة.