تحليل عوامل العملية المؤثرة على الأنابيب الملحومة ذات اللحام المستقيم عالي التردد

تشمل معايير عملية اللحام الرئيسية للأنابيب الملحومة ذات اللحام المستقيم عالي التردد: كمية الحرارة المُدخلة، وضغط اللحام، وسرعة اللحام، وزاوية الفتح، وموضع وحجم ملف الحث، وموضع المعاوقة، وغيرها. تؤثر هذه المعايير بشكل كبير على تحسين جودة الأنابيب الملحومة عالية التردد، وكفاءة إنتاجها، وطاقتها الإنتاجية. ويمكن للمطابقة الدقيقة بين هذه المعايير أن تُمكّن المصنّعين من تحقيق فوائد اقتصادية كبيرة.

1. مدخلات حرارة اللحام
في لحام الأنابيب الملحومة ذات اللحام المستقيم عالي التردد، تحدد قدرة اللحام كمية الحرارة المُدخلة. عندما تكون الظروف الخارجية ثابتة والحرارة المُدخلة غير كافية، لا تصل حافة شريط الفولاذ المُسخّن إلى درجة حرارة اللحام، وتبقى متماسكة، مما يؤدي إلى لحام بارد أو حتى فشل في الانصهار. يحدث عدم الانصهار نتيجةً لقلة الحرارة المُدخلة. أثناء الفحص، يظهر هذا العيب عادةً في اختبار التسطيح غير المُطابق للمواصفات، أو انفجار أنبوب الفولاذ أثناء اختبار ضغط الماء، أو تشقق اللحام أثناء تقويم أنبوب الفولاذ، وهو عيب أكثر خطورة. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر الحرارة المُدخلة بجودة حافة الشريط. على سبيل المثال، عند وجود نتوءات على حافة الشريط، فإنها تُسبب شرارات قبل دخولها نقطة لحام بكرة الضغط، مما يؤدي إلى فقدان قدرة اللحام وانخفاض الحرارة المُدخلة، وبالتالي عدم انصهار اللحام أو اللحام البارد. أما عند ارتفاع الحرارة المُدخلة، فتتجاوز درجة حرارة حافة الشريط المُسخّن درجة حرارة اللحام، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفرط أو حتى احتراقها. قد يتشقق اللحام أيضًا بعد تعرضه للإجهاد، وأحيانًا يتناثر المعدن المنصهر مكونًا ثقوبًا نتيجة لتلف اللحام. وتظهر ثقوب الرمل والثقوب الناتجة عن الحرارة الزائدة بشكل رئيسي في اختبارات عدم اجتياز اختبار التسطيح بزاوية 90 درجة، واختبارات الصدمات، وانفجار أو تسرب الأنابيب الفولاذية أثناء اختبار ضغط الماء.

2. ضغط اللحام (التخفيض)
يُعدّ ضغط اللحام أحد أهمّ معايير عملية اللحام. فبعد تسخين حافة الشريط إلى درجة حرارة اللحام، تتحد ذرات المعدن تحت تأثير قوة ضغط أسطوانة الضغط لتشكيل اللحام. ويؤثر مقدار ضغط اللحام على قوة ومتانة اللحام. فإذا كان ضغط اللحام منخفضًا جدًا، لا تندمج حافة اللحام بشكل كامل، ولا يمكن التخلص من أكاسيد المعدن المتبقية في اللحام، مما يؤدي إلى تكوّن شوائب، وبالتالي انخفاض كبير في قوة شدّ اللحام، ويصبح اللحام عرضةً للتشقق عند تعرضه للإجهاد. أما إذا كان ضغط اللحام مرتفعًا جدًا، فسيتم ضغط معظم المعدن الذي وصل إلى درجة حرارة اللحام، مما لا يقلل فقط من قوة ومتانة اللحام، بل يُنتج أيضًا عيوبًا مثل النتوءات الداخلية والخارجية المفرطة أو اللحام التراكبي.

يُقاس ضغط اللحام ويُحدد عادةً من خلال تغير قطر الأنبوب الفولاذي قبل وبعد بكرة البثق، بالإضافة إلى حجم وشكل النتوءات. ويؤثر ضغط البثق على شكل هذه النتوءات. فإذا كان ضغط البثق كبيرًا جدًا، يكون تناثر المعدن المنصهر كبيرًا، وتكون النتوءات كبيرة ومقلوبة على جانبي اللحام. أما إذا كان ضغط البثق منخفضًا جدًا، فلا يكاد يوجد تناثر، وتكون النتوءات صغيرة ومتراكمة. وعندما يكون ضغط البثق متوسطًا، تكون النتوءات منتصبة، ويُضبط ارتفاعها عادةً بين 2.5 و3 مم. وعند ضبط ضغط البثق بشكل صحيح، تكون زاوية انسياب المعدن في اللحام متناظرة رأسيًا، وجانبيًا، وتتراوح بين 55 و65 درجة. ويُحسّن ضبط ضغط البثق شكل انسياب المعدن في اللحام.

3. سرعة اللحام
تُعدّ سرعة اللحام أحد أهمّ معايير عملية اللحام، إذ ترتبط بنظام التسخين، وسرعة تشوّه اللحام، وسرعة تبلور ذرات المعدن. في اللحام عالي التردد، تتحسّن جودة اللحام مع زيادة سرعة اللحام، وذلك لأنّ تقصير زمن التسخين يُضيّق عرض منطقة التسخين الطرفية ويُقلّل من زمن تكوّن أكسيد المعدن. عند خفض سرعة اللحام، لا تتسع منطقة التسخين فحسب، أي المنطقة المتأثرة بالحرارة في اللحام، بل يتغيّر أيضًا عرض منطقة الانصهار بتغيّر الحرارة المُدخلة، ما يُؤدّي إلى زيادة حجم النتوءات الداخلية المتكوّنة. يختلف عرض خط الانصهار باختلاف سرعات اللحام. عند اللحام بسرعة منخفضة، يصبح اللحام صعبًا بسبب انخفاض الحرارة المُدخلة، كما يسهل حدوث سلسلة من العيوب نتيجةً لجودة حافة الصفيحة وعوامل خارجية أخرى، مثل مغناطيسية المعاوقة وحجم زاوية الفتح. لذلك، عند اللحام بتردد عالٍ، يجب اختيار أسرع سرعة لحام قدر الإمكان وفقًا لمواصفات المنتج في ظل الظروف التي تسمح بها سعة الوحدة ومعدات اللحام.

4. زاوية الفتح
تُعرف زاوية الفتح أيضًا بزاوية اللحام V، وهي زاوية حافة الشريط قبل بكرة البثق، كما هو موضح في الشكل 6. تتراوح زاوية الفتح عادةً بين 3 و6 درجات. يتحدد حجم زاوية الفتح بشكل أساسي بموضع بكرة التوجيه وسُمك صفيحة التوجيه. يؤثر حجم زاوية V بشكل كبير على استقرار اللحام وجودته. عند تقليل زاوية V، تقل المسافة بين حواف الشريط، مما يُعزز تأثير التقارب للتيار عالي التردد، والذي بدوره يُقلل من طاقة اللحام، ويزيد من سرعة اللحام، ويُحسّن الإنتاجية. أما زاوية الفتح الصغيرة جدًا فتؤدي إلى لحام مُبكر، أي أن نقطة اللحام تُضغط وتُصهر قبل الوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة، مما يُسهل تكوّن عيوب مثل الشوائب واللحام البارد في اللحام، ويُقلل من جودته. على الرغم من أن زيادة زاوية V تزيد من استهلاك الطاقة، إلا أنها تضمن استقرار تسخين حافة الشريط في ظل ظروف معينة، وتُقلل من فقدان الحرارة من الحافة، وتُقلل من المنطقة المتأثرة بالحرارة. في الإنتاج الفعلي، ولضمان جودة اللحام، يتم التحكم في زاوية V بشكل عام عند 4 درجات إلى 5 درجات.

5. حجم وموضع ملف الحث
يُعد ملف الحث أداة مهمة في لحام الحث عالي التردد، ويؤثر حجمه وموضعه بشكل مباشر على كفاءة الإنتاج.

تتناسب الطاقة المنقولة من ملف الحث إلى الأنبوب الفولاذي طرديًا مع مربع الفجوة على سطح الأنبوب. فإذا كانت الفجوة كبيرة جدًا، تنخفض كفاءة الإنتاج بشكل حاد. أما إذا كانت صغيرة جدًا، فمن السهل حدوث شرارة مع سطح الأنبوب أو تلفه بفعل رأس الأنبوب. عادةً، تُختار الفجوة بين السطح الداخلي لملف الحث وجسم الأنبوب بحوالي 10 مم. ويُحدد عرض ملف الحث وفقًا للقطر الخارجي للأنبوب. فإذا كان ملف الحث عريضًا جدًا، سينخفض ​​حثه، وبالتالي سينخفض ​​جهد المستشعر، وستقل الطاقة الخارجة. أما إذا كان ملف الحث ضيقًا جدًا، فستزداد الطاقة الخارجة، ولكن سيزداد أيضًا فقد الطاقة في الأنبوب وملف الحث. عمومًا، يكون عرض ملف الحث الأمثل بين 1 و1.5 ضعف القطر الخارجي للأنبوب.

تكون المسافة بين الطرف الأمامي لملف الحث ومركز أسطوانة البثق مساوية لقطر الأنبوب أو أكبر منه بقليل، أي أن 1 إلى 1.2 ضعف القطر هو الأنسب. إذا كانت المسافة كبيرة جدًا، سيقل تأثير تقارب زاوية الفتح، مما يؤدي إلى زيادة مسافة التسخين عند الحافة، وبالتالي لا يمكن الوصول إلى درجة حرارة لحام أعلى عند نقطة اللحام. أما إذا كانت المسافة صغيرة جدًا، فستولد أسطوانة البثق حرارة حث أعلى، مما يقلل من عمرها الافتراضي.

6. وظيفة وموقع المعاوقة
يُستخدم قضيب المعاوقة المغناطيسي لتقليل التيار عالي التردد المتدفق إلى الجزء الخلفي من الأنبوب الفولاذي، وفي الوقت نفسه تركيز التيار لتسخين الزاوية V للشريط الفولاذي لضمان عدم فقدان الحرارة نتيجة تسخين جسم الأنبوب. في حال عدم وجود تبريد، سيتجاوز القضيب المغناطيسي درجة حرارة كوري (حوالي 300 درجة مئوية) ويفقد مغناطيسيته. في حال عدم وجود معاوقة، سينتشر التيار والحرارة المتولدة حول جسم الأنبوب بالكامل، مما يزيد من طاقة اللحام ويؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة جسم الأنبوب. يؤثر وجود أو عدم وجود معاوقة في الأنبوب الخام بشكل كبير على درجة الحرارة. يؤثر موضع المعاوقة بشكل كبير على سرعة اللحام وجودته. أثبتت التجارب أن وضع الطرف الأمامي للمعاوقة على خط المنتصف تمامًا لأسطوانة البثق يحقق نتائج تسطيح جيدة. أما عند تجاوزه خط المنتصف وامتداده إلى جانب آلة التشكيل، فإن نتيجة التسطيح تقل بشكل ملحوظ. عندما لا يصل المحث إلى خط المنتصف بل إلى جانب بكرة التوجيه، تقل قوة اللحام. يتمثل الوضع الأمثل في وضع المعاوقة في الأنبوب الخام أسفل المحث، بحيث يتطابق رأسها مع خط المنتصف لبكرة البثق أو يتم ضبطه على بُعد 20 إلى 40 مم في اتجاه التشكيل، مما يزيد من المعاوقة الخلفية في الأنبوب، ويقلل من فقد التيار الدائري، وبالتالي يقلل من طاقة اللحام.