لحام المسامير

لحام المسامير يعتبر مصطلحاً عاماً لوصل المسامير المعدنية أو ما شابهتها مع أي قطعة، يمكن أن تتم عملية الوصل أو اللحام في هذه الطريقة عن طريق عدد من عمليات اللحام، التي تتضمن مصادر طاقة متعددة مثل القوس الكهربائي والمقاومة الكهربائية والاحتكاك، لحام القوس الكهربائي الأكثر شيوعاً على الإطلاق في الصناعة العالمية.
في هذه العملية يتم لحام قاعدة (نهاية) المسمار مع القطعة عن طريق تسخين المسمار والقطعة عن طرق إحداث شرار بينهما، بعد تسخين السطحين المراد لحامهما بشكل مناسب يتم تقريبهما من بعضهما البعض باستخدام ضغط خفيف، من وظائف المسدسات المستخدمة في هذه العملية تثبيت المسمار في مكانه قبل اللحام وكذلك توجيهه أثناء اللحام.

مواد المسامير:

مواد المسامير أكثر المواد المستخدمة في تصنيع المسامير، وهي الصلب منخفض الكربون والفولاذ ولا يصدأ (ستانلس ستيل) بالإضافة إلى الألمنيوم، يكون التركيب الكيمائي للصلب الكربوني كالأتي: 0.23 ٪ كربون، 0.9 ٪ منجنيز، 0.04 ٪ فوسفور، 0.05 كبريت، يكون أقصى مقاومة للشد 380 ميجا باسكال وإجهاد الخضوع 345 ميجا باسكال، أما بالنسبة للفولاذ لا يصدأ فتكون مقاومة الشد القصوى 580 ميجا باسكال.
يستخدم مساعد الصهر Flux عادة مع الصلب منخفض الكربون والفولاذ ولا يصدأ وذلك بغرض اختزال deoxidize معدن اللحام وكذلك تساعد في استقرار القوس، أما بالنسبة لمسامير الألمنيوم فهي لا تستخدم مساعد صهر ولكن تستخدم غاز الأرجون أو الهيليوم كغازات واقية؛ لمنع تأكسد معدن اللحام و كذلك استقرار القوس الكهربائي، عادة تحتوي مسامير الألمنيوم في نهايتها التي سيتم اللحام عندها على بروز صغير يساعد على بدء احتراق القوس الكهربائي.

تصميم أشكال المسامير:

أغلب لحمات المسامير يكون لها شكل دائري، لكن توجد تطبيقات عديدة لها شكل مربع أو مستطيل تبعاً لشكل مقطع المسمار.

المعادن المستخدمة في لحام المسامير:

• الصلب منخفض الكربون Low Carbon Steel: يستخدم لحام المسامير في وصل الصلب منخفض الكربون دون أدنى مشكلة ميتالوريجية تذكر، يجب التنويه هنا بأن الحد الأقصى لنسبة الكربون في الصلب المراد لحامه بدون تسخين متقدم يجب ألا تزيد عن 0.3 ٪، من الاعتبارات الهامة الواجب أخذها في الاعتبار هي سُمك المعدن (معدن الأساس) المراد لحام المسمار عليه، حيث يجب أن يكون ذو ثخانة كافية للسماح بمرور التيار الكهربائي دون حدوث اختراق أو انصهار melt – through المعدن الأساس.
  
• الصلب متوسط وعالي الكربون Medium and High Carbon Steel: عند لحام الصلب متوسط وعالي الكربون فأنه من الواجب إجراء تسخين متقدم preheat وذلك لتفادي حدوث شدوخ في المنطقه المتأثرة بالحرارة (Heat Affected Zone ( HAZ والمجاورة مباشرة لمنطقة اللحام، في أمور أخرى يتطلب بالإضافة إلى التسخين المتقدم إجراء تسخين تالي (تابع) post heating؛ ذلك للحصول على وصلة لحام مرضية.
  
• الصلب منخفض السبيكية Low Alloy Steel: يمكن لحام الصلب منخفض السبيكية عالي المقاومة (High Strength Low Alloy Steels) (HSLA) بنجاح عندما تكون نسبة الكربون 0.15٪ أو أقل، يمكن إجراء تسخين متقدم بسيط عندما تتجاوز نسبة الكربون 0.15 ٪ ، ذلك للحصول على وصلة لحام ذات متانة عالية.
  عندما لا تتجاوز صلادة المنطقة المتأثرة حرارية إلى 30 روكويل C فأنه من المتوقع أن تتحمل وصلة اللحام جميع أنواع الأحمال، بالرغم من أن الوصلة التي تصل صلادتها في المنطقة المتأثرة حرارية حتى 35 روكويل C فأنها تتحمل ظروف العمل أيضاً إلا أنه لا يفضل استخدامها في أحمال الكلال.
  
• الصلب الذي لايصدأ Stainless Steel: عامة يمكن لحام المسامير المصنوعة من كافة أنواع الصلب الذي لا يصدأ ومع ذلك فيفضل استخدام الصلب الذي لا يصدأ من النوع الأوستينيتي (3xx) في أغلب التطبيقات، يمكن أيضاً لحام مسامير من الصلب المقاوم للصدأ إلى ألواح من الصلب الكربوني ولكن ذلك يحتاج إلى حوالي 10٪ طاقة أكبر عن المستخدمه في لحام الصلب الكربوني.
  
• المعادن غير الحديدية Nonferrous Metals (الألومنيوم): عند لحام مسامير الألمنيوم فإن أساسيات لحام الصلب الكربوني والذي لا يصدأ وأيضاً نفس المعدات هي التي تطبق ولكن مع تعديل طفيف في مسدس اللحام هو الخاص بإضافة غاز خامل مثل الأرجون أو الهيليوم؛ لحماية معدن اللحام المنصهر، تصنع مسامير الألمنيوم عادة من سبيكة 5086 وسبيكة 5356 التي لها مقاومة شد قصوى في حدود 275 ميجا باسكال، هذه السبائك تمتلك مقاومة شد عالية. أما بالنسبة الألواح الألمنيوم المستخدمة فهي تكون من السبائك 11xx و3XXX و5xxx فهي تعتبر ممتازة في لحام المسامير.
  

حلقات السيراميك (فيرول):

تحتاج عمليات لحام المسامير باستخدام القوس الكهربائي عادة إلى حلقات السيراميك التي توضع عند نهاية المسمار الذي سيتم اللحام عنده بحيث تثبت بواسطة قابض (فك تثبيت) grip الموجود في مسدس اللحام، كما تحمي هذه الحلقة عامل اللحام من وهج وشرار القوس الكهربائي، تصنع هذه الحلقة من السيراميك والذي يمكن إزالته بعد إتمام عملية اللحام عن طريق كسره حيث تم تصميم هذه الحلقات للاستخدام مرة واحدة، كما أن الشكل القياسي لهذه الحلقات هو اسطواني وقاعدة مستوية للسماح للحلقة بالتثبيت والجلوس على الأسطح المستوية للشغلة المراد لحام المسمار عندها، من وظائف حلقة السيراميك أثناء اللحام هي:

• تركيز حرارة القوس الكهربائي في منطقة المراد لحمها.
  
• منع وصول الهواء الجوي إلى منطقة اللحام وذلك من أجل منع التأكسد لبركة اللحام المنصهرة.
  
• تقييد بركة اللحام المنصهرة في منطقة اللحام فقط دون غيرها.
  
• منع وصول أي مواد غير معدنية من الدخول في منطقة اللحام.
  

لحام المسامير باستخدام تصريف الشحنة الكهربائية بواسطة مكثف:

تستقي هذه العملية طاقتها من القوس الكهربائي الذي ينشأ نتيجة للاندفاع السريع للطاقة الكهربائية المخزونة في عدد كبير من المكثفات، أثناء اندفاع الطاقة الكهربائية أو بعدها مباشرة يتم إضافة ضغط محوري على قاعدة المسمار في اتجاه بركة اللحام الناشئة بين معدني الشغلة والمسمار، لا تحتاج هذه العملية لحلقة السيراميك الواقية وذلك بسبب قصر الفترة الزمنية لعمل القوس الكهربائي التي تتراوح بين 6 إلى 15 ميللي ثانية، أيضاً بسبب قلة حجم معدن بركة اللحام المتولدة أثناء العملية، فهي تناسب التطبيقات التي تستخدم فيها المسامير الصغيرة ومتوسطة الحجم.

لحام المسامير باستخدام القوس الكهربائي:

تعتبر هذه العملية الأكثر شيوعاً من بين عمليات لحام المسامير الأخرى، وهي تشبه في أوجه كثيرة عملية لحام القوس الكهربائي المحجب Shielded Metal Arc Welding.
يكون مصدر طاقة الحرارة المستخدمة هنا هو قوس كهربائي (تم توليده من تيار مستمر) يحدث بين المسمار (قطب) والشريحة المعدنية (الشغلة) المراد تثبيت المسمار عليها، يكون مصدر التيار المستمر مشابه للمستخدم في لحام القوس الكهربائي المحجب إما مولد DC motor generator أو محول DC transformer rectifier. يتم التحكم آلياً (أوتوماتيكياً) في كل من زمن اللحام والضغط المسلط على المسمار أثناء وجوده في بركة اللحام حتى اكتمال التجمد.
في هذه العملية يتم تثبيت المسمار في المسدس وتوجيهه بواسطة العامل الذي يضغط على الزناد لتفعيل القوس الكهربائي، تكون عملية اللحام قد اكتملت في حدود الثانية الواحدة، كما يتم حماية القوس الكهربائي من الهواء الجوي بواسطة حلقة من السيراميك (فيرول) التي تحيط أيضاً ببركة اللحام المنصهرة.

أساسيات لحام المسامير بالقوس الكهربائي:

تتضمن هذه العملية نفس أساسيات عمليات القوس الكهربائي، تنقسم إلى مرحلتين:

• تتولد حرارة اللحام بين عنصري العملية وهم المسمار والقطعة المراد لحمها.
  
• يتم تقريب عنصري العملية عندما تصل درجة الحرارة المناسبة لإتمام اللحام بنجاح.
  

معدات لحام المسامير بالقوس الكهربائي:

تحتوي معدات لحام المسامير بالقوس الكهربائي على مسدس لحام، ويوجد فيه وحدة تحكّم لطاقة اللحام وأيضاً وحدة تحكم في زمن وتيار اللحام بالإضافة إلى أسلاك نقل الطاقة.

مسدس اللحام:
أحد الأنواع المحمولة يدوياً، تكون أغلب أجزائه من مواد بلاستيكية ذات متانة ومقاومة عالية للصدم، يكون وزنه حوالي من 2 إلى 4 كجم، تبعاً لنوع ومقاس المسدس، يستخدم عادة المسدس الصغير مع المسامير ذات الأقطار من 3.2 إلى 16 مم بينما تستخدم المسدسات الكبيرة مع المسامير حتى قطر 32 مم، يحتوي المسدس على عدة عناصر أساسية هي:

• الجسم الرئيسي.
  
• آلة رفع المسمار.
  
• فك التثبيت.
  
• ساند لحلقة السيراميك قابل للضبط.
  
• سلك لنقل التيار للمسدس ووحدة التحكم.
  

العلاقة بين تيار اللحام والزمن:

يعتمد التيار والزمن لتوليد القوس الكهربائي الأمثل على مساحة مقطع المسمار، بالتالي تحدد الطاقة الكلية المستخدمة (وات. ثانية / جول) في عملية اللحام عن طريق تيار اللحام وفرق الجهد وزمن اشتعال القوس، بالرغم من أهمية الطاقة في عملية اللحام، إلا أنها ليست المتغيّر الوحيد الذي ينتج وصلة لحام مرضية حيث توجد عوامل أخرى مثل لفحة القوس arc blow كالتي تظهر في لحام القوس الكهربائي المحجب، حالة سطح القطعة المطلوب لحام المسمار عليها مثل (الصدأ، الأوساخ، الدهان والرطوبة) ومهارة عامل اللحام التي قد تسبب في وصلات معيبة بالرغم من استخدام الطاقة المثلى والصحيحة في اللحام.