Compressive Load-bearing Capacity of Laser-arc Hybrid Welded Corner Joint Members

تُعد الجسور الفولاذية من عجائب الهندسة، لكن قوتها تعتمد على شيء غير مرئي وغالباً ما يكون مزعجاً: اللحامات التي تمسك أجزاءها معاً. فعندما يتم وصل الصفائح المعدنية، تتسبب الحرارة الشديدة الناتجة عن اللحام في تمدد المادة ثم انكماشها أثناء التبريد. وتترك هذه العملية وراءها إجهادات خفية ويمكن أن تؤدي إلى تشويه المعدن، مما يخلق انحناءات أو التواءات طفيفة لم تكن موجودة قبل بدء العمل. وبالنسبة للأعضاء الفولاذية الضخمة المستخدمة في الجسور، فإن هذه العيوب الصغيرة تهم كثيراً؛ إذ يمكن أن تضعف قدرة الهيكل على تحمل الأحمال الثقيلة، لا سيما عندما يضغط وزن حركة المرور على الجسر. لطالما استخدم المهندسون لحام القوس القياسي، وهو طريقة موثوقة تتضمن صهر المعدن باستخدام قوس كهربائي. ومع ذلك، بالنسبة لصفائح الفولاذ السميكة، غالباً ما تتطلب هذه العملية تمريرات متعددة، حيث يتم وضع طبقات من الحرارة فوق بعضها البعض مراراً وتكراراً، مما قد يؤدي إلى تراكم تشوه وإجهاد كبيرين. وتعد تقنية جديدة، وهي اللحام الهجين بين الليزر والقوس، بتقديم حل لهذا الأمر من خلال الجمع بين القوة المركزة والعميقة لليزر والقدرة على ملء الفجوات للقوس الكهربائي، مما قد يؤدي إلى إنشاء وصلات أقوى بحرارة أقل بكثير.

لقد وضع فريق من الباحثين من جامعة طوكيو، وجامعة أوساكا، وشركة IHI نصب أعينهم اختبار هذا الوعد على نوع محدد من الفولاذ عالي الأداء المستخدم في الجسور اليابانية، والمعروف باسم SBHS500. وقد ركزوا على وصلات الزاوية، وهي التوصيلات التي تأخذ شكل حرف L حيث يلتقي لوحان فولاذيان، والتي تُعد مكونات حاسمة في بناء الجسور. وقارن الفريق بين الطريقة التقليدية، التي تطلبت أربع تمريرات منفصلة من لحام القوس لربط الصفائح السميكة بالكامل، وبين الطريقة الهجينة الجديدة، التي هدفت إلى إنجاز المهمة نفسها في تمريرة واحدة. وقد قاموا ببناء عشرات من هذه الزوايا الفولاذية، وأخضعوها لقياسات دقيقة، واستخدموا محاكاة حاسوبية قوية لتتبع كيفية انتقال الحرارة عبر المعدن وكيفية تغير شكله بدقة. ولم يكن هدفهم مجرد معرفة ما إذا كانت الطريقة الجديدة ستنجح، بل فهم كيفية تغييرها للإجهادات الخفية والشكل الفيزيائي للفولاذ، وما إذا كانت تلك التغييرات ستجعل أعضاء الجسر أقوى أو أضعف تحت الضغط.

كشفت النتائج عن فرق هائل بين الطريقتين. فقد تطلبت عملية لحام القوس التقليدية كمية هائلة من الطاقة، حيث قدمت إجمالي مدخلات حرارية بلغ 7,652 جول لكل مليمتر من طول اللحام عبر تمريراتها الأربع. وفي المقابل، حقق اللحام الهجين بين الليزر والقوس نفس الاختراق الكامل للصفائح الفولاذية باستخدام 614 جول فقط لكل مليمتر، في تمريرة واحدة استخدمت أقل من عُشر الطاقة. وكان لهذا الانخفاض في الحرارة تأثير فوري ومرئي على الشكل الفيزيائي للفولاذ؛ فقد تعرضت الوصلات التقليدية لتشوهات كبيرة، حيث انحنت بعيداً عن مستواها المسطح المنشود بمقدار يصل إلى 2.37 ملم في أحد الجانبين و1.87 ملم في الجانب الآخر. أما الوصلات الملحومة بالهجين، فقد ظلت مستقيمة بشكل ملحوظ، حيث انخفض أقصى انحناء فيها بنسبة 70 بالمائة تقريباً، لتسجل 0.67 ملم و0.47 ملم على التوالي. ووجد الباحثون أن الحرارة المكثفة والموضعية لليزر خلقت لحاماً ضيقاً وعميقاً يبرد بسرعة، مما منع الانكماش والالتواء واسع النطاق الذي عانت منه طريقة القوس متعددة التمريرات الأبطأ.

وبعيداً عن الشكل المرئي، قاس الباحثون أيضاً القوى غير المرئية المحتبسة داخل المعدن، والمعروفة بالإجهاد المتبقي. وهذه هي الضغوط الداخلية التي تبقى بعد انتهاء اللحام، والناتجة عن محاولة المعدن الانكماش بينما يتم منعه بواسطة المادة الأبرد المحيطة به. في زوايا اللحام بالقوس التقليدي، كان سطح الفولاذ تحت إجهاد ضغط كبير، وصل إلى مستويات تصل إلى 307.8 نيوتن لكل مليمتر مربع. أما الزوايا الملحومة بالهجين، فقد أظهرت حالة داخلية أكثر اعتدالاً، حيث انخفض أقصى إجهاد ضغط بنسبة 50 بالمائ % تقريباً، ليصل إلى 143.3 نيوتن لكل مليمتر مربع. وقد أكدت عمليات المحاكاة الحاسوبية، التي نمذجة تدفق الحرارة وحركة ذرات المعدن، هذه النتائج، حيث أعادت إنتاج تغيرات درجة الحرارة والتشوهات الناتجة عن التجارب الفيزيائية بدقة. وأظهرت عمليات المحاكاة أن العملية الهجينة خلقت تاريخاً حرارياً أبسط وأكثر تجانساً، مما سمح للمعدن بالاستقرار في شكل أكثر ثباتاً مع وجود صراعات داخلية أقل.

ولفهم كيف أثرت هذه التغييرات الفيزيائية والداخلية على القوة الفعلية لأعضاء الجسر، نظر الفريق في البيانات المستمدة من اختبارات ضغط سابقة حيث تم عصر هذه الأنواع من الوصلات حتى وصلت إلى حدها الأقصى. كانت الوصلات المصنوعة بالطريقة الهجينة أكثر صلابة، حيث قاومت التشوه بصلابة مرنة أعلى بنسبة 24 بالمائة تقريباً من الوصلات التقليدية. وهذه الصلابة المتزايدة هي نتيجة مباشرة لكون الوصلات الهجينة أكثر استقامة ولديها انحناءات أولية أقل لتصحيحها تحت الحمل. ومن حيث أقصى وزن يمكن أن تتحمله قبل الفشل، أدت الوصلات الهجينة أداءً يضاهي، أو يتفوق قليلاً على، الوصلات التقليدية، حيث حملت متوسط حمل أقصى قدره 1,343 كيلونيوتن مقارنة بـ 1,280 كيلونيوتن للنسخ الملحومة بالقوس. وخلص الباحثون إلى أنه بينما لم ترفع الطريقة الهجية نقطة الكسر النهائية بشكل جذري، إلا أنها حسنت بشكل كبير من دقة واستقرار الوصلات. فمن خلال تقليل مدخلات الحرارة، قللت العملية الهجينة من الالتواء والإجهاد الداخلي الذي يمكن أن يضعف الهيكل، مما يوفر وسيلة لبناء أعضاء جسور فولاذية أكثر دقة من حيث الأبعاد وموثوقية من الناحية الميكانيكية دون التضحيد بقدرتها على تحمل الأحمال.