Effect of Welding Groove Geometry on the Microstructure, Mechanical Properties and Ballistic Performance of 20-mm M450 Armor Steel

عندما يصمم المهندسون دروعاً واقية للمركبات أو الأفراد، فإنهم يواجهون عملية توازن مستمرة؛ إذ يجب أن تكون المادة صلبة بما يكفي لإيقاف المقذوف، وفي الوقت نفسه متينة بما يكفي لامتصاص الصدمة دون أن تتحطم. وغالباً ما لا يمكن تصنيع ألواح الدرع الكبيرة كقطع واحدة، بل يجب وصلها معاً. وتتضمن عملية الوصل هذه، والمعروفة باللحام، صهر المعدن على طول خط الالتقاء ودمجه مع سلك حشو. ومع ذلك، فإن الطريقة التي تُقطع بها حواف الألواح المعدنية قبل اللحام —أي شكل الأخدود الذي يستقر فيه اللحام— تغير كيفية انتقال الحرارة عبر المادة. وتغير هذه الحرارة البنية الداخلية للفولاذ، مما يغير بدوره مدى قوة ومرونة الوصلة النهائية. وإذا ضعفت البنية الداخلية بفعل الحرارة، فقد يفشل الدرع في المكان الذي تشتد الحاجة إليه فيه: عند خط الاللحام. إن فهم كيف تؤثر طريقة القطع هذه على القوة النهائية أمر بالغ الأهمية لضمان عمل الحماية كما هو مخطط لها.

لقد سعى الباحثون لحل هذا اللغز تحديداً من خلال اختبار أربع طرق مختلفة لقطع حواف لوح فولاذي مخصص للدروع بسمك عشرين مليمتراً قبل وصلهما. واستخدموا ذراعاً روبوتية للحام الألواح باستخدام نوع محدد من سلك الحشو، مما أدى إلى إنشاء أربع مجموعات متميزة من الوصلات. تميزت كل مجموعة بشكل أخدود مختلف: إحداها بقطع مائل من جانب واحد، وأخرى بقطعين على كلا الجانبين، وثالثة بقطع واحد على جانب واحد، ورابعة بقطعين على كلا الجانبين ولكن بزوايا مختلفة. وبعد اكتمال عملية اللحام، لم يكتفِ الفريق بفحص المظهر الخارجي فحسب، بل فحصوا المشهد الداخلي للمعدن؛ حيث قاسوا مدى صلابة المعدن، وسحبوا العينات لفحص مقدار القوة التي يمكنها تحملها، وضربوها في درجات حرارة التجمد لاختبار قدرتها على الصمود. وأخيراً، أطلقوا مقذوفات على الأجزاء الملحومة لمعرفة مدى صمود الدرع تحت تأثير الاصطدام الواقعي.

وكشفت الدراسة أن شكل القطع لم يكن تفصيلاً ثانوياً، بل كان عاملاً رئيسياً في أداء الوصلة. فقد أدت الأشكال المختلفة إلى أنماط حرارية مختلفة، مما أدى بدوره إلى بنيات داخلية مختلفة في الفولاذ. وقد أنتج أحد التكوينات، وهو القطع المائل مزدلو الجوانب، أقوى معدن عند السحب، حيث وصلت قوته إلى 959 ميجاباسكال. ومع ذلك، قدم شكل آخر، وهو القطع مزدلو الجوانب بزوايا أكثر استقامة، أفضل توازن إجمالي؛ حيث وفر هذا التكوين قوة شد بلغت 932 ميجاباسكال مع الحفاظ على أكبر قدر من المرونة وإظهار أقل قدر من التلين في المناطق المجاورة للحام. وفي عالم الدروع، يمكن للمادة شديدة الصلابة أن تكون هشة، لذا فإن إيجاد هذه المنطقة الوسطى أمر ضروري. ووجد الباحثون أن صلابة المعدن في اللحام نفسه تراوحت بين 277.5 و303.7 على مقياس الصلابة القياسي، بينما تراوحت المنطقة المجاورة للحام، وهي المنطقة التي تعرضت للحرارة ولكن لم تنصهر، بين 290.6 و312.8.

وعند النظر عن كثب على المستوى المجهري، رأى الفريق أن حبيبات المعدن تشكلت في أشكال إبرية وكتلية دقيقة، وهي أشكال جيدة عموماً للقوة. ومع ذلك، اعتمد حجم وترتيب هذه الحبيبات بشكل كبير على شكل الأخدود. فقد نتج عن القطع المائل من جانب واحد أكبر الهياكل خشونة في المنطقة الحرجة المجاورة للحام، وهي منطقة غالباً ما تكون نقطة ضعف. وفي المقابل، أوجد القطع المستقيم مزدلو الجوانب أدق الهياكل وأكثرها انتظاماً وأعلى صلابة محلية في تلك المنطقة نفسها. وعندما تعلق الأمر بامتصاص ضربة مفاجئة في درجات حرارة منخفضة، صمد القطع المائل من جانب واحد بشكل أفضل في معدن اللحام، بينما أدى القطع المستقيم من جانب واحد أفضل أداء في المنطقة المجاورة. وكانت هذه الاختلافات في المتانة كبيرة، حيث وصلت القيم إلى 69 جول و145 جول على التوالي، مما يظهر أنه لا يوجد شكل واحد مثالي لكل نوع من أنواع الإجهاد.

جاء الاختبار النهائي عندما أطلق الباحثون مقذوفات على الألواح الملحومة. لم تخترق أي من الطلقات الألواح بالكامل، لكن العمق الذي توغل فيه المقذوف في المعدن كان متفاوتاً. أظهرت الوصلات المصنوعة بالقطع المستقيم من جانب واحد والقطع المستقيم مزدلو الجوانب أقل أعماق اختراق. وتطابقت هذه النتيجة مع نتائجهم السابقة التي أشارت إلى أن هذه الأشكال خلقت أضيق مناطق للمعدن الضعيف. وتخلص الدراسة إلى أن هندسة أخدود اللحام هي خيار تصميمي حاسم؛ فهي ليست مجرد مسألة تتعلق بكيفية تلافي القطع مع بعضها البعض، بل هي قرار جوهري يحدد كيفية سلوك الدرع عند تعرضه للضرب، مما يؤثر على ما إذا كانت الوصلة ستظل درعاً صلبًا أم ستصبح نقطة فشل.