ما هي سبائك الألومنيوم الأفضل للحام؟

أصبح الألومنيوم أحد أهم المواد الهندسية في العصر الحديث بفضل خصائصه النادرة المتمثلة في خفة الوزن ومقاومة التآكل إلى جانب تعدد الاستخدامات. وتغطي هذه الأنواع من أطياف التطبيقات مجموعة واسعة من الاستخدامات بما في ذلك هياكل الطيران والسيارات والسفن البحرية وخطوط الأنابيب والمنتجات الاستهلاكية، وهي تطبيقات غالباً ما يكون الألومنيوم فيها هو المعدن المفضل بسبب نسبة القوة إلى الوزن والمتانة. تشمل إحدى طرق التصنيع العديدة المعروفة عملية اللحام وهذا يساعد في التجميعات الفعالة من حيث التكلفة والتي تتسم بالقوة والمتانة بطبيعتها.

ومع ذلك، بالمقارنة مع الفولاذ والمعادن الأخرى، فإن لحام الألومنيوم ليس سهلاً. فهو يتميز بموصلية حرارية عالية، ونقطة انصهار منخفضة، وطبقة شفافة صلبة وبالتالي يصعب لحامه. وعلاوة على ذلك، تتفاوت الخواص الميكانيكية لسبائك الألومنيوم بشكل كبير، وقد تتصرف السبائك بشكل جيد فيما يتعلق باللحام، أو قد تكون عرضة للتشقق الساخن أو المسامية أو ضعف HAZ. من الأهمية بمكان للمهندسين والمصنّعين معرفة أنواع الألومنيوم الأكثر ملاءمة للحام.

يتم التفريق بين سبائك الألومنيوم في سلاسل مثل 1xxx و3xxx و5xxx و6xxx و7xxx ولها خصائص مختلفة. من المعروف أن بعضها مثل السلسلة 5xxx معروفة بخصائصها الممتازة في قابلية اللحام ومقاومة التآكل، في حين أن البعض الآخر مثل السلسلتين 2xxx و7xxx تمثل إشكالية. سيؤدي اختيار السبيكة المناسبة إلى تحسين جودة اللحام بالإضافة إلى ضمان السلامة الهيكلية والمتانة والمنتج النهائي الفعال من حيث التكلفة.

تتعمق هذه الورقة البحثية في مناقشة أفضل سبائك الألومنيوم للحام، وعائلات السبائك، والمشكلة، والحلول، والتوصيات الممكنة للصناعة.

1. تصنيف سبائك الألومنيوم

نادرًا ما يُستخدم الألومنيوم في شكله النقي في التطبيقات الإنشائية لأن الألومنيوم النقي، رغم مقاومته العالية للتآكل وقابليته للسحب، إلا أنه يفتقر إلى القوة المطلوبة للأغراض الهندسية الصعبة. ولتحسين خصائصه الميكانيكية والفيزيائية، يتم دمج الألومنيوم مع عناصر أخرى مثل النحاس والمغنيسيوم والسيليكون والمنغنيز والزنك، مما ينتج عنه مجموعة واسعة من سبائك الألومنيوم. يتم تصنيف هذه السبائك وفقًا لطريقة إنتاجها وآلية تقويتها وتركيبها الكيميائي.

السبائك المشغولة مقابل سبائك الصب

تنقسم سبائك الألومنيوم بشكل عام إلى فئتين:

• السبائك المشغولة - يتم تشكيلها ميكانيكيًا في أشكال مثل الصفائح والألواح والقضبان والقضبان والبثق من خلال عمليات مثل الدرفلة أو التشكيل أو البثق. وهي السبائك الأكثر استخدامًا في اللحام والتصنيع الهيكلي.
• سبائك الصب - يتم إنتاج هذه السبائك عن طريق صب الألومنيوم المنصهر في قوالب، وتستخدم هذه السبائك عادةً في الأشكال المعقدة في مكونات السيارات والفضاء. وعادةً ما تكون سبائك الصب أكثر صعوبة في اللحام مقارنةً بالسبائك المشغولة، ولكن يمكن ربط بعضها بنجاح من خلال عمليات متخصصة.

السبائك القابلة للمعالجة بالحرارة مقابل السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة

يتم تصنيف السبائك المشغولة إلى مجموعتين بناءً على كيفية تحقيقها للقوة:

• السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة: يتم تقويتها في المقام الأول من خلال تصلب الإجهاد (تصلب العمل). وتعتمد على التشوه الميكانيكي لزيادة الصلابة وقوة الشد. ومن أمثلتها السلسلة 1xxx و3xxx و5xxx. تحتفظ هذه السبائك عموماً بخصائصها بعد اللحام، مما يجعلها قابلة للحام بدرجة كبيرة.
• السبائك القابلة للمعالجة الحرارية: يتم تقويتها من خلال تصلب الترسيب (المعالجة الحرارية بالمحلول متبوعة بالتقادم). تسمح المعالجة الحرارية بتكوين رواسب دقيقة تعزز القوة. ومن الأمثلة على ذلك سلسلة 2xxx و6xxx و7xxx. في حين أن هذه السبائك يمكن أن تصل إلى مستويات قوة عالية جداً، إلا أنها غالباً ما تفقد الخواص الميكانيكية في المنطقة المتأثرة بالحرارة أثناء اللحام.

سلسلة سبائك الألومنيوم (السبائك المشغولة)

إن رابطة الألومنيوم (AA) يستخدم نظام ترقيم مكون من أربعة أرقام لتصنيف السبائك المشغولة:

• سلسلة 1xxxx (ألومنيوم نقي بشكل أساسي):: ≥99% محتوى الألومنيوم ≥99%، مقاومة ممتازة للتآكل، توصيل كهربائي وحراري جيد، ولكن قوة منخفضة. قابل للحام للغاية.
• السلسلة 2xxx (سبائك الألومنيوم والنحاس): قوة عالية، تستخدم في صناعة الطيران، ولكن قابلية اللحام ضعيفة بسبب التشقق الساخن وفقدان القوة.
• السلسلة 3xxx (سبائك الألومنيوم والمنغنيز): مقاومة جيدة للتآكل وقابلية لحام جيدة، قوة معتدلة، تستخدم في الأسقف، والجوانب، والمعدات الكيميائية.
• السلسلة 4xxx (سبائك الألومنيوم والسيليكون): مقاومة للتآكل، وقابلية لحام معتدلة، وغالباً ما تستخدم كمادة حشو بدلاً من سبيكة أساسية.
• السلسلة 5xxx (سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم): مقاومة ممتازة للتآكل، وقابلية لحام ممتازة، وتستخدم على نطاق واسع في التطبيقات البحرية والهيكلية.
• السلسلة 6xxx (سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون): متوسطة القوة، مقاومة جيدة للتآكل، قابلة للحام ولكنها تفقد قوتها في منطقة HAZ؛ شائعة في السيارات وخطوط الأنابيب.
• السلسلة 7xxx (سبائك الألومنيوم والزنك): متانة عالية للغاية، وتستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران، ولكن قابليتها للحام ضعيفة باستثناء درجات محددة مثل 7005 و7039.
• السلسلة 8xxx (سبائك متنوعة): غالبًا ما تستخدم لمواد التغليف مثل رقائق الألومنيوم؛ تطبيقات اللحام محدودة.

2. التحديات العامة في لحام الألومنيوم

على الرغم من أن الألومنيوم يستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الإنشائية والسيارات والفضاء، إلا أن لحام الألومنيوم يطرح تحديات فريدة من نوعها مقارنةً بالفولاذ أو المعادن الهندسية الشائعة الأخرى. وغالبًا ما تخلق الخصائص الفيزيائية والكيميائية للألومنيوم صعوبات أثناء عملية اللحام، والتي إذا لم يتم معالجتها بشكل صحيح، يمكن أن تؤثر على جودة اللحام والقوة الميكانيكية وأداء الخدمة. من الضروري فهم هذه التحديات قبل اختيار السبائك ومعادن الحشو وعمليات اللحام.

موصلية حرارية عالية

يقوم الألومنيوم بتوصيل الحرارة أسرع بحوالي أربع إلى خمس مرات من الفولاذ. هذه الخاصية تجعل حرارة اللحام تتبدد بسرعة في المعدن الأساسي المحيط. ونتيجة لذلك، غالبًا ما يكافح اللحامون لإنشاء حوض لحام منصهر والحفاظ عليه، خاصةً على الصفائح الرقيقة حيث يمكن أن يحدث ارتفاع في درجة الحرارة واحتراق. في المقاطع الأكثر سمكًا، يتطلب النقل السريع للحرارة تيارات لحام أعلى والتحكم الدقيق في مدخلات الحرارة لضمان الاختراق الكامل وتجنب الاندماج البارد أو عدم الانصهار.

درجة حرارة الذوبان المنخفضة

وتبلغ درجة انصهار الألومنيوم النقي حوالي 660 درجة مئوية (1220 درجة فهرنهايت)، وهي أقل بكثير من درجة انصهار الفولاذ (حوالي 1500 درجة مئوية / 2730 درجة فهرنهايت). هذا الهامش الضيق بين درجة حرارة انصهار المعدن الأساسي والمدخلات الحرارية العالية المطلوبة بسبب التوصيل الحراري يجعل الألومنيوم حساسًا بشكل خاص للتشويه والالتواء أثناء اللحام. يجب على عامل اللحام موازنة الطاقة الكافية لتحقيق الانصهار دون ارتفاع درجة الحرارة أو انهيار الوصلة.

تكوين غشاء الأكسيد

يشكّل الألومنيوم بشكل طبيعي طبقة أكسيد رقيقة وقاسية (Al₂O₃) على سطحه عند تعرضه للهواء. يتميز هذا الأكسيد بدرجة حرارة انصهار أعلى بكثير (حوالي 2050 درجة مئوية / 3720 درجة فهرنهايت) من الألومنيوم نفسه، مما قد يمنع القوس من اختراق المعدن الأساسي. وإذا لم تتم إزالة طبقة الأكسيد أو تعطيلها بشكل صحيح، فإن طبقة الأكسيد تتسبب في ضعف الاندماج والشوائب وضعف الوصلات. لهذا السبب، فإن إزالة الأكسيد عن طريق التنظيف الميكانيكي أو الحفر الكيميائي أو التنظيف بالقوس (قطبية التيار المتردد في لحام TIG) أمر بالغ الأهمية قبل اللحام.

المسامية

المسامية عيب شائع في لحامات الألومنيوم. يتميز الألومنيوم المنصهر بقابلية ذوبان عالية للهيدروجين، ولكن عندما يتصلب، تنخفض قابلية ذوبانه للهيدروجين بشكل حاد. يشكل أي هيدروجين محتجز في الحوض المنصهر جيوب غازية (مسامية) داخل معدن اللحام. وتتضمن مصادر الهيدروجين الرطوبة ومواد التشحيم والزيوت والأوساخ والأكاسيد المميّهة. وتقلل المسامية من القوة الميكانيكية ومقاومة الإجهاد والموثوقية الكلية للهيكل الملحوم. تشمل التدابير الوقائية التنظيف الشامل للسطح والتسخين المسبق واستخدام غاز التدريع الجاف وسلك الحشو.

التكسير الساخن (تكسير التصلب)

تكون بعض سبائك الألومنيوم، خاصةً تلك التي تحتوي على نسبة عالية من النحاس أو الزنك (على سبيل المثال، السلسلة 2xxx و7xxx)، عرضة للتشقق الساخن أثناء التصلب. يحدث ذلك بسبب نطاقات التجميد الواسعة، وفصل عناصر السبائك، والضغوطات المتبقية في حوض اللحام. غالبًا ما تبدأ الشقوق الساخنة على طول حدود الحبيبات ويصعب اكتشافها حتى يتم اختبار اللحام تحت الحمل. يعد الاختيار المناسب لمعدن الحشو، وتصميم الوصلة، والتحكم في العملية ضروريًا لتقليل مخاطر التشقق.

فقدان الخواص الميكانيكية في المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ)

بالنسبة لسبائك الألومنيوم القابلة للمعالجة بالحرارة (مثل السلسلتين 6xxx و7xxx)، يمكن أن يؤدي اللحام إلى تدهور الخواص الميكانيكية في منطقة HAZ. حيث تعمل المدخلات الحرارية على إذابة أو تخشين الرواسب المقوية، مما يؤدي إلى انخفاض قوة الشد وقوة الخضوع والصلابة. بينما تحتفظ السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة (على سبيل المثال، السلسلة 5xxx) بخصائصها إلى حد كبير بعد اللحام، غالبًا ما تتطلب السبائك القابلة للمعالجة بالحرارة معالجة حرارية بعد اللحام أو تصميمًا زائدًا للهياكل لتعويض تليين منطقة HAZ.

التشويه والإجهاد المتبقي

نظرًا لارتفاع معامل التمدد الحراري، يتمدد الألومنيوم وينكمش بشكل كبير أثناء التسخين والتبريد. يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث تشوه واعوجاج وإجهادات متبقية في التجميعات الملحومة، خاصةً في الهياكل رقيقة الجدران. وغالبًا ما تكون هناك حاجة إلى التثبيت والتسخين المسبق وتسلسل اللحام المتحكم فيه وتقنيات المدخلات الحرارية المنخفضة لتقليل هذه المشكلات.

3. قابلية اللحام لسلسلة سبائك الألومنيوم

سلسلة 1xxxx (ألومنيوم نقي بشكل أساسي)

• أمثلة: 1100, 1350.
• الخصائص: مقاومة ممتازة للتآكل، وليونة عالية، وقوة منخفضة.
• قابلية اللحام: ممتاز - لا يعاني الألومنيوم النقي تقريبًا من أي مشاكل في التشقق. يتم لحامه بسهولة باستخدام TIG أو MIG.
• التطبيقات: المعدات الكيميائية، والواجهات المعمارية، ومعدات تجهيز الأغذية.
• العيب: قوة منخفضة تحد من الاستخدام الهيكلي.

السلسلة 2xxx (سبائك الألومنيوم والنحاس)

• أمثلة: 2024, 2219.
• الخصائص: قوة عالية، تستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران.
• قابلية اللحام: فقير - سريع التأثر بالتشقق الساخن وفقدان الخواص الميكانيكية في المنطقة الوعائية الوعائية الوعائية. 2219 قابل للحام إلى حد ما ويستخدم في خزانات الطيران.
• التطبيقات: الطيران والفضاء والدفاع
• الحكم: بصفة عامة، لا يوصى باستخدامه في اللحام إلا في حالات خاصة مع 2219 باستخدام إجراءات محكومة.

السلسلة 3xxx (سبائك الألومنيوم والمنغنيز)

• أمثلة: 3003, 3105.
• الخصائص: مقاومة جيدة للتآكل، قوة معتدلة.
• قابلية اللحام: ممتاز - هذه السبائك غير قابلة للمعالجة الحرارية، لذا فهي تحتفظ بخصائصها بعد اللحام.
• التطبيقات: صفائح التسقيف، والجوانب، وعلب المشروبات، والمعدات الكيميائية.

السلسلة 4xxx (سبائك الألومنيوم والسيليكون)

• أمثلة: 4032, 4045.
• الخصائص: مقاومة للتآكل، سيليكون عالٍ يقلل من معامل التمدد الحراري.
• قابلية اللحام: معتدل - غالبًا ما تُستخدم كمادة حشو (على سبيل المثال، 4045) بدلاً من سبيكة أساسية. يمكن أن يقلل ارتفاع Si من الليونة.
• التطبيقات: مكونات محرك السيارات، وقطع الغيار البالية.

السلسلة 5xxx (سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم)

• أمثلة: 5052, 5083, 5754, 5456.
• الخصائص: مقاومة ممتازة للتآكل، وقوة جيدة، خاصة في البيئات البحرية.
• قابلية اللحام: متميز - سبائك الألومنيوم الملحومة الأكثر شيوعاً. غير قابلة للمعالجة بالحرارة، لذلك تحتفظ HAZ بخصائص جيدة. يجب توخي الحذر من التشقق الإجهادي إذا كان محتوى المغنيسيوم >3%.
• التطبيقات: بناء السفن، وأوعية الضغط، والمنصات البحرية، والصهاريج المبردة.
• الحكم: من بين أفضل سبائك الألومنيوم للحام.

السلسلة 6xxx (سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون)

• أمثلة: 6061, 6063, 6082.
• الخصائص: قوة متوسطة، مقاومة جيدة للتآكل، سبائك هيكلية شائعة جداً.
• قابلية اللحام: جيد - قابل للمعالجة الحرارية، لذلك يقلل اللحام من القوة في HAZ. ومع ذلك، يمكن أن تعوض المعالجة الحرارية بعد اللحام أو التصميم الزائد. غالباً ما يتم لحامها باستخدام حشوات 4045 أو 5356.
• التطبيقات: خطوط الأنابيب، وأوعية الضغط، وإطارات السيارات، والفضاء، والبناء.
• الحكم: قابل للحام للغاية ولكن يتطلب مراعاة التصميم لتليين HAZ.

السلسلة 7xxx (سبائك الألومنيوم والزنك)

• أمثلة: 7075, 7475.
• الخصائص: قوة عالية للغاية، وتستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران.
• قابلية اللحام: فقير - عرضة للتشقق الساخن والمسامية والفقدان الشديد للقوة. يتم تجنبها بشكل عام في الهياكل الملحومة. وتشمل الاستثناءات 7005 و7039، وهما قابلان للحام بدرجة معتدلة.
• التطبيقات: الفضاء، والدفاع، والمعدات الرياضية.
• الحكم: غير موصى به للحام باستثناء الحالات الخاصة.

4. أفضل سبائك الألومنيوم للحام

استنادًا إلى التحليل أعلاه، فإن أفضل سبائك الألومنيوم للحام هي:

1. السلسلة 1xxx (على سبيل المثال، 1100) - سهل اللحام، ولكن قوته منخفضة.
2. السلسلة 3xxx (مثل، 3003، 3105) - مقاومة كبيرة للتآكل، وقابلية لحام جيدة.
3. سلسلة 5xxx (على سبيل المثال، 5052، 5083، 5754، 5456) - قوة ممتازة ومقاومة ممتازة للتآكل، خاصةً في الخدمة البحرية.
4. سلسلة 6xxx (على سبيل المثال، 6061، 6063، 6082) - السبائك الهيكلية المستخدمة على نطاق واسع؛ قابلية لحام جيدة مع معادن الحشو.

من بين هذه السبائك، غالبًا ما تعتبر سبائك 5xxx الأكثر موثوقية للحام، خاصةً في البيئات الصعبة مثل التطبيقات البحرية والبحرية.

5. عمليات لحام الألومنيوم

يتطلب لحام الألومنيوم تقنيات متخصصة والتحكم في العملية بسبب التحديات الفريدة المرتبطة بالمادة. على عكس الفولاذ، يتميز الألومنيوم بنقطة انصهار منخفضة، وموصلية حرارية عالية، وغشاء أكسيد حراري، وقابلية للتعرض للمسامية والتشقق. وللتغلب على هذه المشاكل، يجب أن توفر عمليات اللحام للألومنيوم مدخلات حرارية دقيقة وتدريع فعال وإزالة الأكسيد. يعتمد اختيار العملية على عوامل مثل نوع السبيكة والسُمك وتصميم الوصلة وحجم الإنتاج وجودة اللحام المطلوبة.

فيما يلي وصف لعمليات اللحام الأكثر استخدامًا للألومنيوم.

اللحام بالقوس التنغستن الغازي (GTAW / TIG)

يُستخدم لحام القوس التنغستن الغازي، المعروف أيضًا باسم لحام TIG، على نطاق واسع للألومنيوم نظرًا لقدرته على إنتاج لحامات عالية الجودة ودقيقة ونظيفة.

• المبدأ: يتم تشكيل قوس، بين قطب كهربائي من التنجستن غير القابل للاستهلاك والقطعة. يمكن إضافة معدن الحشو بمعزل عن غيره عند الضرورة غاز التدريع الخامل المستخدم هو الأرجون أو الهيليوم الذي يمنع الأكسدة الجوية لحوض اللحام المنصهر.
• الميزات الرئيسية للألومنيوم:
  • يحتاج إلى تيار متردد (AC) لتجريد طبقة الأكسيد بشكل دوري عن طريق التنظيف الكاثودي.
  • يوفر تحكماً ممتازاً في إدخال الحرارة، مما يجعله مناسباً لألواح الألومنيوم الرقيقة.
  • تنتج لحامات بأقل قدر من المسامية والتناثر.
• المزايا: لحام عالي الجودة، تحكم دقيق، ممتاز للتطبيقات الحرجة.
• القيود: أبطأ من العمليات الأخرى، وتتطلب مشغلين مهرة، وأقل اقتصاديًا بالنسبة للأجزاء السميكة.
• التقسيم الفرعي لتطبيق المنتجات: مكونات الفضاء الجوي، المشغل، وعاء الضغط، مساعد جسم السيارة.

اللحام بالقوس المعدني الغازي (GMAW/ MIG)

الطريقة الأكثر استخدامًا في لحام الألومنيوم في الصناعة هي اللحام بالقوس المعدني الغازي أو ما يشار إليه عادةً باسم اللحام بالغاز MIG الذي يتميز بدرجات عالية من السرعة والمرونة والإنتاجية.

• المبدأ: يتم تغذية قطب كهربائي سلكي قابل للاستهلاك باستمرار في حوض اللحام، مع وجود غاز خامل (الأرجون أو مزيج من الأرجون والهيليوم) يحمي اللحام.
• الميزات الرئيسية للألومنيوم:
  • غالبًا ما يُستخدم مع القطب الكهربائي للتيار المباشر الموجب (DCEP) للحصول على قوس مستقر واختراق جيد.
  • يتطلب مسدسات بكرة أو مغذيات دفع وسحب لمنع حدوث مشاكل في تغذية الأسلاك بسبب ليونة الألومنيوم.
  • فعّال في المقاطع المتوسطة إلى السميكة.
• المزايا: معدلات ترسيب عالية، أسرع من TIG، جيدة للحام الإنتاج.
• القيود: أقل دقة من TIG، وأكثر عرضة للمسامية إذا لم يتم التحكم في النظافة والتغطية بالغاز.
• التطبيقات: بناء السفن، وإطارات السيارات، وعربات السكك الحديدية، وخطوط الأنابيب، والتصنيع الهيكلي.

اللحام بالمقاومة (اللحام الموضعي واللحام بالدرز)

اللحام بالمقاومة، خاصةً اللحام الموضعيتُستخدم أحيانًا لربط صفائح الألومنيوم.

• المبدأ: يتم توليد الحرارة على أسطح التقطيع عن طريق تمرير التيار عبر الأقطاب الكهربائية أثناء الضغط.
• التحديات مع الألومنيوم:
  • تتطلب الموصلية العالية للألومنيوم تيارات عالية جدًا.
  • تتآكل الأقطاب الكهربائية بسرعة بسبب التصاق الألومنيوم بها.
• التطبيقات: الاستخدام المحدود في ألواح هياكل السيارات والتوصيلات الكهربائية حيثما كانت صفائح الألومنيوم الرقيقة.

اللحام بالتحريك الاحتكاكي (FSW)

اللحام بالتحريك الاحتكاكي هو عملية لحام بالحالة الصلبة التي أحدثت تحولاً في تكنولوجيا ربط الألومنيوم، خاصةً في صناعات الطيران والسيارات وبناء السفن.

• المبدأ: أداة دوارة غير قابلة للاستهلاك مزودة بمسمار وكتف تغوص في الوصلة، مما يولد حرارة احتكاكية تعمل على تلدين المعدن (ولكن لا تصهره). ثم تقوم الأداة بعد ذلك بتحريك المادة وصهرها لتشكيل لحام في المرحلة الصلبة.
• الميزات الرئيسية للألومنيوم:
  • يزيل المسامية ومشاكل التشقق الساخن لأنه لا يوجد ذوبان.
  • يحتفظ بالخصائص الميكانيكية في المنطقة المتأثرة بالحرارة بشكل أفضل من اللحام بالانصهار.
  • تنتج لحامات ذات قوة إجهاد ممتازة وأقل قدر من التشوه.
• المزايا: لحامات عالية الجودة، وتشويه منخفض، ولا تحتاج إلى معدن حشو.
• القيود: تتطلب معدات متخصصة، وسرعات سير أبطأ، وتقتصر على الوصلات المستقيمة أو البسيطة.
• التطبيقات: ألواح جسم الطائرة، هياكل الطائرات، هياكل السيارات، عربات السكك الحديدية، هياكل السفن البحرية.

اللحام بأشعة الليزر (LBW)

يوفر اللحام بشعاع الليزر لحاماً دقيقاً وعالي السرعة لمكونات الألومنيوم الرقيقة.

• المبدأ: شعاع ليزر مركّز يذيب الوصلة ويصهرها، مع حماية من غاز التدريع.
• الميزات الرئيسية للألومنيوم:
  • تسمح كثافة الطاقة العالية بالاختراق العميق مع اللحامات الضيقة.
  • حساسة لتركيب الوصلة بسبب صغر حجم الحزمة.
  • يتطلب تحكم دقيق لتجنب المسامية.
• التطبيقات: الإلكترونيات، والمكونات الفضائية، ومرفقات بطاريات السيارات.

اللحام بالشعاع الإلكتروني (EBW)

اللحام بالشعاع الإلكتروني هو عملية عالية الدقة تعتمد على التفريغ الهوائي وتستخدم لمكونات الألومنيوم الحرجة.

• المبدأ: تضرب حزمة مركزة من الإلكترونات عالية السرعة قطعة العمل، مما يولد حرارة موضعية شديدة تدمج الوصلة.
• المزايا: اختراق عميق للغاية، وأقل قدر من التشويش، وجودة ممتازة.
• القيود: عالية التكلفة، تتطلب غرفة تفريغ، وحجم الجزء محدود.
• التطبيقات: الفضاء والدفاع، والصهاريج المبردة، والمكونات النووية.

اللحام بالوقود الأوكسجيني واللحام بالقوس المعدني المحمي (SMAW)

نادرًا ما يتم استخدام العمليات التقليدية مثل اللحام بغاز الأكسجين والوقود الأوكسجيني واللحام بالملحقات (اللحام اللاصق) للألومنيوم بسبب صعوبة التحكم في مدخلات الحرارة والتلوث بالأكسيد وضعف جودة اللحام. وتقتصر هذه العمليات بشكل عام على أعمال الإصلاح حيث لا تتوفر العمليات الحديثة.

الجدول 1 ملخص العمليات

يعتمد اختيار عملية اللحام للألومنيوم على متطلبات التطبيق. بالنسبة للحامات الحرجة والرقيقة وذات الجودة العالية، يُفضل استخدام اللحام باستخدام TIG. وبالنسبة للإنتاج والأقسام السميكة، تهيمن عملية MIG. بالنسبة للتطبيقات من الجيل التالي التي تتطلب قوة فائقة ومفاصل خالية من العيوب، تزداد شعبية عمليات الحالة الصلبة مثل اللحام بالتحريك الاحتكاكي. وتخدم الأساليب المتقدمة مثل اللحام بالليزر واللحام بالشعاع الإلكتروني الصناعات المتخصصة عالية الدقة.

6. التطبيقات الصناعية ودراسات الحالة

• بناء السفن: 5083 و5456 هي السبائك المفضلة للهيكل والأسطح بسبب مقاومتها لمياه البحر وقابليتها للحام.
• الطيران والفضاء:: يستخدم 2219 لخزانات الوقود الملحومة؛ ومع ذلك، تتجنب معظم الهياكل اللحام لصالح التثبيت بسبب ضعف قابلية اللحام للسبائك 2xxx و7xxx.
• السيارات:: يتم استخدام 6061 و6082 للإطارات وهياكل التصادم؛ ويزداد استخدام الشد بالخرسانة الخرسانية.
• الإنشاءات: تُستخدم 3003 و6063 في الأسقف، والجوانب، وخطوط الأنابيب، والجسور.

7. التوصيات العملية

• للتصنيع العام: استخدم سلسلة 5xxx (أفضل مزيج من القوة ومقاومة التآكل وقابلية اللحام).
• للصفائح الرقيقة والألواح الزخرفية: استخدم السلسلة 1xxx أو 3xxx.
• للتطبيقات الهيكلية التي تتطلب قوة أعلى: استخدم سلسلة 6xxx، ولكن ضع في الحسبان تليين HAZ.
• تجنب السلسلتين 2xxx و7xxx ما لم تكن هناك ظروف خاصة (لحام بالحرارة الفوقية المستقرة أو اللحام الفضائي المتخصص).
• اختر دائمًا سبائك الحشو المناسبة (عادةً 4045 أو 5356 أو 5556) لتقليل مخاطر التشقق.

الخاتمة

ألومنيوم هي مادة هندسية مهمة تستخدم في مختلف القطاعات، ومع ذلك فإن لحام الألومنيوم له مشاكله الخاصة لأن لديها ميلًا كبيرًا لتوصيل الحرارة، وبالتالي تميل إلى أن تكون لها نقاط انصهار منخفضة، وغشاء أكسيد، ومسامية، وتطور التشققات الساخنة. ويُعد اختيار السبيكة هو المعامل الرئيسي الذي يعطي قابلية اللحام والخصائص الميكانيكية والفشل طويل الأجل للإنشاءات الملحومة.

ومن بين عائلات السبائك، فإن أفضلها هي 1xxx و3xxx و5xxx و6xxx. تتضمن أكثرها موثوقية سلسلة 5xxx (سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم)، والتي تعمل على تحسين الجمع بين الضعف ضد التآكل والقوة وسهولة اللحام، خاصةً في البحر وفي عرض البحر. يتم استخدام السلسلة 6xxx، على الرغم من كونها عرضة لتليين المنطقة المتأثرة بالحرارة، إلا أنها تُستخدم باستمرار بسبب قوتها الهيكلية/قابليتها للتكيف. أما السلسلتان 1xxx و3xxx فيتم لحامهما بسهولة، ولكن قوتها منخفضة نوعًا ما، وتستخدم في التطبيقات غير الإنشائية/التزيينية.

وبالمقارنة، فإن سبائك 2xxx (الألومنيوم والنحاس) و7xxx (الألومنيوم والزنك) غير قابلة للحام على الإطلاق، وهي عرضة للتشقق الساخن وفقدان الخواص الميكانيكية بشكل خاص، مما يحد من استخدامها في الهياكل الملحومة في حالات قليلة متخصصة مثل الفضاء الجوي.

في النهاية، سيتم تحقيق لحام الألومنيوم فيما يتعلق بمعادن الحشو التي سيتم استخدامها وعمليات اللحام إلى جانب إعداد السطح، بالإضافة إلى اختيار السبيكة. وبالجمع بين القرارات والأساليب الصحيحة، يمكن تحقيق الإمكانات الكاملة للألومنيوم كمادة خفيفة الوزن ومتينة ومرنة.