Influence of welding sequences on the accumulation evolution of angular distortion in thick-plate T-joint GMAW: Numerical simulation and modeling perspectives

في الصناعات الثقيلة التي تبني السفن والجسور والأوعية الضغطية الضخمة، يعتمد المهندسون على ألواح فولاذية سميكة لتحمل الأوزان الهائلة ومقاومة القوى القصوى. ولربط هذه الألواح ببعضها، يستخدم العمال عملية تسمى اللحام، حيث تعمل الحرارة الشديدة على صهر المعدن لدمجه معاً. ومع ذلك، تخلق هذه الحرارة مشكلة خفية: فبينما يبرد المعدن المنصهر وينكمش، فإنه يسحب الفولاذ المحيط به ويغير شكله. وفي نوع معين من الوصلات يُعرف باسم "وصلة T" (T-joint)، حيث تقف لوحة عمودية مقابل أخرى مثل حرف T، يتسبب هذا الانكماش في انحناء أو ميل اللوحة العمودية، وهو عيب يُعرف باسم "التشويه الزاوي" (angular distortion). وإذا كان هذا الانحناء شديداً للغاية، فلن تتطابق الأجزاء بشكل صحيح، مما يهدد سلامة وقوة الهيكل النهائي. وعلى مدى عقود، حاول المصنعون إدارة ذلك عبر تغيير الترتيب الذي يطبقون به عمليات اللحام، لكن التنبؤ بكيفية تصرف المعدن بدقة في المقاطع السميكة ظل لغزاً صعباً.

قام فريق من الباحثين من معهد نانتشانغ جياوتونغ وجامعة نانتشانغ في الصين مؤخًا بمعالجة هذا اللغز من خلال دراسة وصلة T فولاذية بسمك أربعين مليمترًا، وهو حجم شائع في الآلات الث heavy. وركزوا على تصميم محدد يسمى "أخدود K" (K-groove)، وهو عبارة عن قطع على شكل حرف V على جانبي الوصلة لضمان تغلغل اللحام بعمق كافٍ ليكون قوياً. أراد الفريق فهم كيف يغير تسلسل تمريرات اللحام — أي خرزات المعدن المنصهر التي توضع واحدة تلو الأخرى — الطريقة التي يتراكم بها التشويه بمرور الوقت. وللقيام بذلك، قاموا أولاً ببناء نماذج فيزيائية للوصلات ولحموها باستخدام ثلاثة تسلسلات مختلفة. ثم أنشأوا محاكاة حاسوبية مفصلة تحاكي الحرارة والإجهاد في عملية اللحام الحقيقية، مما سمح لهم باختبار ستة تسلسلات إضافية كان من الصائع جداً بناؤها يدوياً. لم يكن هدفهم مجرد إيجاد الطريقة الأفضل، بل رسم خريطة لدورة حياة التشويه بأكملها، ومراقبة كيفية نموه وتحركه واستقراره مع إضافة اللحامات.

اكتشف الباحثون أن التشويه لا يحدث دفعة واحدة؛ بل يتطور عبر مرحلتين متميزتين. المرحلة الأولى، التي تغطي الأربعين بالمائة الأولى من تمريرات اللحام، هي فترة تعديل مكثفة. خلال هذا الوقت، تتأرجح اللوحة العمودية ذهاباً وإياباً بشكل كبير مع إضافة كل خرزة جديدة من المعدن الساخن ثم تبريدها. أما المرحلة الثانية، التي تضم الـ 48 بالمائة المتبقية من التمريرات، فهي فترة تقارب تدريجي. هنا، يصبح المعدن أكثر صلابة، وتتباطأ حركة التأرجح، لتستقر في النهاية عند زاوية ثابتة. ووجد الفريق أن الوقت الأكثر حرجاً للتحكم في الشكل هو خلال تلك المرحلة الأولية الفوضوية. وقد قدروا أن قدرة كل لحام جديد على تصحيح الزاوية أقوى بنحو ثلاثة عشر ضعفاً في مرحلة التعديل المبكرة منها في مرحلة الاستقرار اللاحقة. وهذا يعني أنه إذا أراد المصنع الحفاظ على استقامة الوصلة، فعليه ضبط التسلسل بشكل صحيح منذ البداية، بدلاً من محاولة إصلاحه لاحقاً.

وعندما قارن الباحثون بين طرق مختلفة لترتيب اللحامات، وجدوا أن الاستراتيجية الأكثر فعالية تتضمن نمطاً محدداً من التقاطع. فبدلاً من لحام جانب كامل من الوصلة قبل الانتقال إلى الجانب الآخر، أو مجرد التناوب جنباً إلى جنب، جاءت أفضل النتائج من خلال نهج تقاطع قطري. في هذه الطريقة، يبدأ اللحام من جانب "الويب" (الجزء الرأسي) لأحد الأوجه، ثم ينتقل إلى الجانب المقابل للحام الطبقة المقابلة، مما يخلق مساراً قطرياً عبر الوصلة. حافظت هذه التقنية على الحد الأدنى من التشويه النهائي، حيث قللت منه بنسبة تقارب الأربعين بالمائة مقارنة بالطرق الشائعة الأخرى. وفي المقابل، أدى نهج لحام جانب كامل بالكامل قبل لمس الجانب الآخر إلى أسوأ النتائج، مما تسبب في ميل الوصلة بشكل ملحوظ. كما كشحت الدراسة أنه بينما يوفر التناوب في كل تمريرة منفردة أفضل تحكم في الشكل، إلا أنه يتطلب وقتاً وجهداً أكبر للتبديل بين الجوانب باستمرار. وكانت هناك طريقة أقل دقة ولكنها أكثر كفاءة، وهي التناوب حسب الطبقات، عبر إكمال طبقة كاملة على جانب واحد قبل الانتقال للآخر، والتي وفرت أيضاً تحكماً جيداً دون انقطاع مستمر.

كما نظر الفريق في القوى غير المرئية التي تترك خلفها في المعدن، والمعروفة باسم "الإجهاد المتبقي" (residual stress). ووجدوا أن تسلسل اللحام الذي قلل من الانحناء أدى أيضاً إلى أصغر مساحات من التوتر العالي داخل الفولاذ. وهذا أمر مهم لأن التوتر العالي يمكن أن يجعل المعدن أكثر عرضة للتشقق بمرور الوقت. وأظهرت عمليات المحاكاة أن أفضل التسلسلات خلقت توزيعاً أكثر توازناً للإجهاد، في حين تركت التسلسلات السيئة جيوباً كبيرة من الضغط الشديد. ومن خلال الجمع بين تجاربهم الفيزيائية والنماذج الحاسوبية، تمكن الباحثون من إنشاء أوصاف رياضية لكيفية نمو التشويه ومدى قدرة كل طبقة لحام على تصحيحه. وتعمل هذه الأوصاف كدليل إرشادي، يوضح أن العملية تتبع منحنى يمكن التنبؤ به ونمذجته لتوقع الشكل النهائي.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل خارطة طريق واضحة للمهندسين الذين يبنون الهياكل الفولاذية السميكة. فهو يؤكد أن الترتيب الذي تُطبق به اللحامات لا يقل أهمية عن الحرارة المستخدمة لصهرها. ومن خلال فهم أن المعدن يمر بمرحلة تأرجح جامحة قبل أن يستقر، وباستخدام نمط تقاطع قطري لإدارة ذلك التأرجح، يمكن للمصنعين إنتاج وصلات أقوى وأكثر استقامة مع تقليل الهدر وعمليات الإصلاح. وتقترح الدراسة أنه للحصول على أفضل النتائج، يجب أن يركز مخطط اللحام بقوة على الأربعين بالمائة الأولى من العمل، باستخدام تسلسل يوازن الحرارة باستمرار على كلا جانبي الوصلة. هذا النهج يحول مشكلة معقدة وغير متوقعة إلى عملية يمكن إدارتها، مما يضمن أن المكونات الفولاذية الضخمة التي تدعم عالمنا تظل مطابقة لتصميمها.