Residual Stress and Distortion Analysis Of Saph540 U-Channel in MIG Welding Using a Finite Element Approach

في عالم الشاحنات الثقيلة، يُعد النابض الهوائي (air spring) مكوناً حيوياً، حيث يعمل كوسادة تمتص صدمات الطريق الوعرة للحفاظ على استقرار المركبة وسلامة الحمولة. ولإبقاء هذه المركبات تعمل بكفاءة، تسعى الشركات المصنعة باستمرار لإيجاد طرق لتصنيع هذه الأجزاء محلياً، لكنها غالباً ما تواجه عقبة: المواد الخام المطلوبة تتوفر أحياناً بكميات ضخمة لا تستطيع المصانع الصغيرة تحمل تكلفتها. وعندما تحاول إحدى الشركات الانتقال إلى مادة مختلفة وأكثر سهولة في الوصول إليها لتوفير المال، فإنها تصطدم بمشكلة جديدة. إن عملية ربط القطع المعدنية معاً، والمعروفة باسم اللحام، تتضمن حرارة شديدة. وهذه الحرارة لا تنتشر بشكل متساوٍ؛ فهي تخلق دورة من التمدد والانكماش السريع تترك المعدن بداخلها توترات داخلية خفية، تُسمى الإجهاد المتبقي (residual stress)، ويمكن أن تتسبب في التواء أو انحناء الشكل النهائي. وإذا كانت هذه القوى الخفية قوية جداً، فقد يتشقق الجزء أو يفشل تحت الضغط. لذا، فإن فهم مقدار الحرارة اللازمة بالضبط لربط نوع معين من الفولاذ دون التسبب في التوائه أمر ضروري لبناء مركبات آمنة وموثوقة.

لقد عالج الباحثون في جامعة غادجاه مادا هذا التحدي من خلال التركيز على مادة محددة تسمى SAPH 540، وهي فولاذ عالي المتانة يُستخدم في قطع السيارات. وكان عليهم تحديد أفضل الإعدادات لطريقة لحام شائعة تُسمى "لحام المعدن الخامل بالغاز" (Metal Inert Gas welding)، والتي تستخدم قوساً كهربائياً لصهر سلك حشو ودمج قطعتين من المعدن معاً. وبدلاً من بناء وتحطيم عشرات النماذج الأولية المادية، وهو أمر مكلف ويستغرق وقتاً طويلاً، استخدم الفريق محاكاة حاسوبية قوية. سمح هذا النهج الرقمي لهم بإنشاء نموذج افتري لقناة فولاذية على شكل حرف U ومراقبة كيفية سلوك الحرارة والإجهاد وتغيرات الشكل تحت ظروف مختلفة. كان هدفهم هو إيجاد مقدار التيار الكهربائي الدقيق الذي من شأنه ربط المعدن بإحكام مع الحفاظ على الحد الأدنى من الإجهاد الداخلي والتشوه الفيزيائي.

قام الفريق بمحاكاة عملية اللحام باستخدام ثلاثة مستويات مختلفة من التيار الكهربائي: 130 أمبير، و150 أمبير، و200 أمبير. وبينما كانوا يجرون الحسابات، رسم الحاسوب صورة واضحة لما يحدث داخل المعدن. لم تكن الحرارة الناتجة عن قوس اللحام منتظمة؛ بل تركزت بكثافة على طول المسار الذي يلتقي فيه الجزءان، مما خلق منطقة ذات درجة حرارة قصوى تجاوزت نقطة انصهار الفولاذ بكثير. أظهرت المحاكاة أنه كلما زاد التيار الكهربائي، زادت حرارة المعدن. فعند أدنى إعداد وهو 130 أمبير، وصلت ذروة درجة الحرارة إلى 2103.2 درجة مئوية. وعندما رفعوا التيار إلى 200 أمبير، ارتفعت درجة الحرارة لتصل إلى 3221.3 درجة مئوية. تسبب هذا التسخين غير المنتظم في تمدد المعدن بسرعة في بعض المناطق بينما ظل بارداً في مناطق أخرى، مما مهد الطريق للإجهادات الداخلية التي تتبع ذلك.

بمجرد اكتمال اللحام الافتراضي وبدء تبريد المعدن، فحص الباحثون النتائج بحثاً عن التوترات الخفية والالتواء الفيزيائي. ووجدوا أن الإجهاد الداخلي، المقاس بقيمة تُعرف باسم "إجهاد فون ميسيس" (von Mises stress)، يرتفع طردياً مع الحرارة. فعند أدنى تيار وهو 130 أمبير، بلغ أقصى إجهاد مسجل 373.292 ميجا باسكال. وعند أعلى تيار وهو 200 أمبير، ارتفع هذا الإجهاد إلى 441.97 ميجا باسكال. ومن الأهمية بمكان ملاحظة أنه حتى عند أعلى إعداد، ظلت مستويات الإجهاد أقل من النقطة التي يتشوه فيها الفولض بشكل دائم أو ينكسر، مما يعني أن المادة لا تزال قادرة على الحفاظ على شكلها تحت الأحمال العادية. ومع ذلك، كان التشوه الفيزيائي قصة أخرى؛ فقد انحنى المعدن وانكمش على طول امتداده في جميع السيناريوهات الثلاثة، لكن مقدار الانحناء اختلف بشكل كبير. فقد أنتج التيار الأدنى أقل قدر من الانحناء، حيث بلغ 0.0090196 ملم فقط، بينما تسبب التيار الأعلى في ضعف ذلك التشوه تقريباً، حيث وصل إلى 0.018751 ملم.

خلصت الدراسة إلى أنه بينما كانت جميع مستويات التيار الثلاثة قادرة تقنياً على ربط المعدن دون التسبب في فشل فوري، إلا أن الإعداد الأدنى كان متفوقاً بوضوح في الحفاظ على شكل الجزء. أثبتت المحاكاة أن استخدام 130 أمبير أدى إلى أقل لحام حرارة، وأقل إجهاد داخلي، وأقل قدر من الانحناء. توفر هذه النتيجة توصية واضحة مدعومة بالبيانات للمصنعين الراغبين في استخدام هذا النوع المحدد من الفولاذ لمقاعد النوابض الهوائية. فمن خلال اختيار التيار الأقل، يمكنهم تجنب المخاطر المالية المرتبطة بنقص المواد مع ضمان بقاء المنتج النهائي مستقيماً وخالياً من نقاط الضعف الداخلية الخطيرة. وتؤكد هذه الأبحاث أنه في التوازن الدقيق بين الحرارة والمعدن، غالباً ما يكون "الأقل هو الأكثر"، مما يوفر مساراً عملياً لبناء شاحنات أقوى وأكثر موثوقية.