كيفية تقليل الإجهاد المتبقي في سلسلة البكرات بعد اللحام

كيفية تقليل الإجهاد المتبقي في سلسلة البكرات بعد اللحام
تُعدّ عملية اللحام عملية أساسية في إنتاج وتصنيع سلاسل البكرات. ومع ذلك، غالبًا ما تبقى إجهادات متبقية في سلسلة البكرات بعد اللحام. وإذا لم تُتخذ تدابير فعّالة للحدّ من هذه الإجهادات، فسيكون لها آثار سلبية عديدة على جودة وأداء السلسلة.سلسلة بكراتمثل تقليل مقاومتها للإجهاد، مما يؤدي إلى تشوهها وحتى كسرها، وبالتالي التأثير على الاستخدام الطبيعي وعمر سلسلة البكرات في مختلف المعدات الميكانيكية. لذلك، من الأهمية بمكان دراسة وإتقان طرق تقليل الإجهاد المتبقي في لحام سلسلة البكرات.

1. أسباب الإجهاد المتبقي
أثناء عملية اللحام، يتعرض جزء اللحام من سلسلة البكرات لتسخين وتبريد غير متساويين. أثناء اللحام، ترتفع درجة حرارة منطقة اللحام والمنطقة المحيطة بها بسرعة، ويتمدد المعدن؛ وأثناء عملية التبريد، يُقيد انكماش المعدن في هذه المناطق بفعل المعدن المحيط غير المسخن، مما يُولد إجهادًا متبقيًا ناتجًا عن اللحام.
تؤثر ظروف التقييد أثناء اللحام أيضًا على حجم وتوزيع الإجهاد المتبقي. فإذا كانت سلسلة البكرات مقيدة بشدة أثناء اللحام، أي أن درجة التشوه الثابت أو المقيد كبيرة، فإن الإجهاد المتبقي الناتج عن عدم القدرة على الانكماش بحرية سيزداد تبعًا لذلك أثناء عملية التبريد بعد اللحام.
لا يمكن إغفال خصائص المادة المعدنية نفسها. فلكل مادة خصائصها الحرارية والفيزيائية والميكانيكية المختلفة، مما يؤدي إلى اختلاف التمدد والانكماش الحراري ومقاومة الخضوع أثناء اللحام، وبالتالي التأثير على توليد الإجهاد المتبقي. على سبيل المثال، تتميز بعض سبائك الصلب عالية المقاومة بمقاومة خضوع عالية، وهي عرضة لتوليد إجهاد متبقٍ كبير أثناء اللحام.

2. طرق تقليل الإجهاد المتبقي في لحام السلاسل الدوارة

(أ) تحسين عملية اللحام

يُنصح بترتيب تسلسل اللحام بشكل منطقي: في لحام السلاسل الأسطوانية، يجب لحام الأجزاء ذات الانكماش الكبير أولاً، ثم الأجزاء ذات الانكماش الصغير لاحقاً. يسمح هذا للحام بالانكماش بحرية أكبر أثناء اللحام، مما يقلل الإجهاد المتبقي الناتج عن تقييد انكماش اللحام. على سبيل المثال، عند لحام الصفيحتين الداخلية والخارجية لسلسلة أسطوانية، تُلحم الصفيحة الداخلية أولاً، ثم تُلحم الصفيحة الخارجية بعد أن تبرد، بحيث لا يُعيق انكماش الصفيحة الخارجية عملية لحام الصفيحة الداخلية بشكل كبير.

استخدم أساليب ومعايير اللحام المناسبة: تختلف الإجهادات المتبقية على سلاسل البكرات باختلاف أساليب اللحام. فعلى سبيل المثال، يُمكن للحام المحمي بالغاز تقليل المنطقة المتأثرة بالحرارة إلى حدٍ ما مقارنةً ببعض أساليب اللحام التقليدية، وذلك بفضل حرارة القوس الكهربائي المركزة وكفاءته الحرارية العالية، مما يُقلل الإجهاد المتبقي. في الوقت نفسه، من الضروري اختيار معايير مثل تيار اللحام والجهد وسرعة اللحام بعناية. فزيادة تيار اللحام تؤدي إلى زيادة عمق الاختراق وارتفاع درجة الحرارة، مما يُسبب ارتفاع درجة حرارة وصلة اللحام وزيادة الإجهاد المتبقي؛ بينما تُساهم معايير اللحام المناسبة في جعل عملية اللحام أكثر استقرارًا، وتقليل عيوب اللحام، وبالتالي تقليل الإجهاد المتبقي.
التحكم في درجة حرارة الطبقات البينية: عند لحام سلاسل البكرات في طبقات متعددة وعلى عدة مراحل، يُعد التحكم في درجة حرارة الطبقات البينية إجراءً فعالاً لتقليل الإجهاد المتبقي. تحافظ درجة الحرارة المناسبة للطبقات البينية على مرونة معدن اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة أثناء عملية اللحام، مما يُسهم في انكماش اللحام وتخفيف الإجهاد. عمومًا، تُحدد درجة حرارة الطبقات البينية بناءً على خصائص المواد المستخدمة في سلسلة البكرات ومتطلبات عملية اللحام، ويجب قياس درجة الحرارة والتحكم بها أثناء عملية اللحام لضمان بقائها ضمن النطاق المناسب.
(٢) اتخاذ تدابير مناسبة للتسخين المسبق واللاحق للحام
التسخين المسبق: قبل لحام سلسلة البكرات، يُمكن لتسخين منطقة اللحام مسبقًا أن يُقلل بشكل فعال من الإجهاد المتبقي أثناء اللحام. يُقلل التسخين المسبق من فرق درجة الحرارة في وصلة اللحام، ويجعل توزيع درجة الحرارة في منطقة اللحام أكثر تجانسًا أثناء اللحام، مما يُقلل من الإجهاد الحراري الناتج عن تدرج درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن للتسخين المسبق أن يزيد من درجة الحرارة الأولية لمنطقة اللحام، ويُقلل من فرق درجة الحرارة بين معدن اللحام والمادة الأساسية، ويُحسّن من أداء وصلة اللحام، ويُقلل من ظهور عيوب اللحام، وبالتالي يُقلل من الإجهاد المتبقي. يجب تحديد درجة حرارة التسخين المسبق بناءً على تركيب مادة سلسلة البكرات، وسُمكها، وطريقة اللحام، ودرجة حرارة البيئة المحيطة.
المعالجة الحرارية اللاحقة: تُعدّ المعالجة الحرارية اللاحقة للحام، أي معالجة إزالة الهيدروجين، إحدى الوسائل المهمة لتقليل الإجهاد المتبقي في لحام سلاسل البكرات. تتضمن هذه المعالجة تسخين قطعة اللحام إلى حوالي 250-350 درجة مئوية فور اكتمال اللحام، ثم تبريدها إلى درجة حرارة معينة، ثم تبريدها تدريجيًا بعد الحفاظ على دفئها لفترة محددة. تتمثل الوظيفة الرئيسية للمعالجة الحرارية اللاحقة في تسريع انتشار ذرات الهيدروجين وخروجها من منطقة اللحام والمنطقة المتأثرة بالحرارة، مما يقلل من محتوى الهيدروجين في قطعة اللحام، وبالتالي يقلل من احتمالية حدوث تشققات التآكل الإجهادي الناتج عن الهيدروجين، كما يساعد على تخفيف الإجهاد المتبقي في اللحام. تُعدّ المعالجة الحرارية اللاحقة ذات أهمية خاصة في لحام بعض أنواع الفولاذ عالي المقاومة وسلاسل البكرات ذات الجدران السميكة.
(III) إجراء المعالجة الحرارية بعد اللحام
المعالجة الحرارية الشاملة بدرجة حرارة عالية: توضع سلسلة البكرات بالكامل في فرن تسخين، وتُسخن ببطء إلى حوالي 600-700 درجة مئوية، وتُحافظ على دفئها لفترة زمنية محددة، ثم تُبرد إلى درجة حرارة الغرفة داخل الفرن. تُزيل هذه المعالجة الحرارية الشاملة بدرجة حرارة عالية الإجهاد المتبقي في سلسلة البكرات بشكل فعال، حيث يُمكن عادةً إزالة 80-90% منه. يجب التحكم بدقة في درجة حرارة ومدة المعالجة الحرارية وفقًا لعوامل مثل نوع المادة وحجم سلسلة البكرات ومتطلبات أدائها لضمان فعالية المعالجة الحرارية وجودتها. مع ذلك، تتطلب المعالجة الحرارية الشاملة بدرجة حرارة عالية معدات معالجة حرارية كبيرة وتكون تكلفتها مرتفعة نسبيًا، ولكنها تُعد طريقة مثالية لإزالة الإجهاد المتبقي في بعض منتجات سلاسل البكرات التي تتطلب معايير صارمة.
المعالجة الحرارية الموضعية بدرجة حرارة عالية: عندما تكون سلسلة البكرات كبيرة الحجم أو معقدة الشكل، ويصعب إجراء المعالجة الحرارية الشاملة بدرجة حرارة عالية، يمكن اللجوء إلى المعالجة الحرارية الموضعية بدرجة حرارة عالية. تعتمد هذه المعالجة على تسخين لحام سلسلة البكرات والمنطقة المحيطة به فقط لإزالة الإجهاد المتبقي في تلك المنطقة. بالمقارنة مع المعالجة الحرارية الشاملة بدرجة حرارة عالية، تتطلب المعالجة الحرارية الموضعية معدات أقل وتكاليف معالجة أقل، إلا أن فعاليتها في إزالة الإجهاد المتبقي ليست بنفس كفاءة المعالجة الحرارية الشاملة. عند إجراء هذه المعالجة، يجب الحرص على توحيد منطقة التسخين والتحكم في درجة حرارتها لتجنب ظهور تركيزات إجهاد جديدة أو مشاكل أخرى في الجودة ناتجة عن التسخين الزائد الموضعي أو عدم تجانس درجة الحرارة.
(رابعاً) طريقة التمديد الميكانيكي
تعتمد طريقة الشد الميكانيكي على تطبيق قوة شد على سلسلة البكرات بعد اللحام لإحداث تشوه لدن، مما يعوض التشوه المتبقي الناتج عن الضغط أثناء عملية اللحام، وبالتالي يقلل الإجهاد المتبقي. عمليًا، يمكن استخدام معدات شد خاصة لضبط قوة الشد وسرعة الشد وفقًا لمواصفات ومتطلبات أداء سلسلة البكرات، وذلك لشدها بشكل متجانس. تُحقق هذه الطريقة نتائج جيدة مع بعض منتجات سلاسل البكرات التي تتطلب تحكمًا دقيقًا في الأبعاد وإزالة الإجهاد المتبقي، ولكنها تتطلب معدات شد مناسبة وفنيين متخصصين، بالإضافة إلى متطلبات محددة لمواقع الإنتاج وظروف التشغيل.
(V) طريقة التمديد باختلاف درجة الحرارة
تعتمد طريقة التمديد بفرق درجات الحرارة على استخدام فرق درجات الحرارة الناتج عن التسخين الموضعي لإحداث تشوه شدّي في منطقة اللحام، مما يقلل الإجهاد المتبقي. وتتمثل العملية في استخدام شعلة أوكسي أسيتيلين لتسخين جانبي لحام سلسلة البكرات، وفي الوقت نفسه، يُستخدم أنبوب ماء مثقوب لرش الماء للتبريد على مسافة محددة خلف الشعلة. وبهذه الطريقة، تتشكل منطقة ذات درجة حرارة عالية على جانبي اللحام، بينما تكون درجة حرارة منطقة اللحام منخفضة. يتمدد المعدن على كلا الجانبين بفعل الحرارة، مما يؤدي إلى تمدد منطقة اللحام ذات درجة الحرارة المنخفضة، وبالتالي تحقيق هدف التخلص من بعض الإجهاد المتبقي. تتميز معدات طريقة التمديد بفرق درجات الحرارة ببساطتها وسهولة تشغيلها، ويمكن تطبيقها بمرونة في مواقع البناء أو الإنتاج، إلا أن فعاليتها في التخلص من الإجهاد المتبقي تتأثر بشكل كبير بمعايير مثل درجة حرارة التسخين وسرعة التبريد ومسافة رش الماء. لذا، يجب التحكم بها وضبطها بدقة وفقًا للظروف الفعلية.
(VI) علاج الشيخوخة بالاهتزاز
تعتمد معالجة التقادم بالاهتزاز على تأثير الطاقة الميكانيكية للاهتزاز لجعل سلسلة البكرات ترن، مما يؤدي إلى تجانس الإجهاد المتبقي داخل قطعة العمل وتقليله. توضع سلسلة البكرات على جهاز خاص لمعالجة التقادم بالاهتزاز، ويتم ضبط تردد وسعة المُثير لجعل السلسلة ترن خلال فترة زمنية محددة. خلال عملية الرنين، تنزلق حبيبات المعدن داخل السلسلة وتعيد ترتيب نفسها، مما يُحسّن البنية المجهرية، ويؤدي إلى انخفاض الإجهاد المتبقي تدريجيًا. تتميز معالجة التقادم بالاهتزاز ببساطة المعدات، وقصر وقت المعالجة، وانخفاض التكلفة، والكفاءة العالية، كما أنها لا تؤثر على جودة سطح سلسلة البكرات. لذلك، فهي تُستخدم على نطاق واسع في إنتاج سلاسل البكرات. بشكل عام، يمكن لمعالجة التقادم بالاهتزاز إزالة ما بين 30% و50% من الإجهاد المتبقي في لحام سلاسل البكرات. بالنسبة لبعض منتجات سلاسل البكرات التي لا تتطلب إجهادًا متبقيًا عاليًا، تُعد معالجة التقادم بالاهتزاز طريقة اقتصادية وفعالة لإزالة هذا الإجهاد.
(VII) طريقة الطرق
تُعدّ طريقة الطرق طريقةً بسيطةً وشائعة الاستخدام لتقليل الإجهاد المتبقي بعد اللحام. بعد لحام سلسلة البكرات، وعندما تصل درجة حرارة اللحام إلى 100-150 درجة مئوية أو أعلى من 400 درجة مئوية، يُستخدم مطرقة صغيرة للطرق برفق وبشكل متساوٍ على منطقة اللحام والمناطق المجاورة لها لإحداث تشوه لدني موضعي في المعدن، مما يقلل الإجهاد المتبقي. تجدر الإشارة إلى أنه يجب تجنب الطرق في نطاق درجات الحرارة بين 200 و300 درجة مئوية، لأن المعدن يكون في حالة هشة في هذه المرحلة، وقد يؤدي الطرق بسهولة إلى تشقق اللحام. إضافةً إلى ذلك، يجب أن تكون قوة الطرق وترددها معتدلين، ويجب تعديلهما وفقًا لعوامل مثل سُمك سلسلة البكرات وحجم اللحام لضمان فعالية الطرق وجودته. تُناسب طريقة الطرق عادةً بعض وصلات اللحام الصغيرة والبسيطة لسلاسل البكرات. بالنسبة للوصلات الملحومة الكبيرة أو المعقدة لسلاسل البكرات، قد يكون تأثير طريقة الطرق محدودًا ويجب استخدامها بالاشتراك مع طرق أخرى.

3. كيفية اختيار طريقة مناسبة لتقليل الإجهاد المتبقي
في الإنتاج الفعلي، وبحسب الظروف والمتطلبات المختلفة لسلسلة البكرات، من الضروري دراسة مزايا وعيوب ونطاق تطبيق وتكلفة وعوامل أخرى لأساليب تقليل الإجهاد المتبقي المختلفة دراسة شاملة لاختيار أسلوب المعالجة المناسب. على سبيل المثال، بالنسبة لبعض سلاسل البكرات عالية الدقة والقوة وذات الجدران السميكة، قد يكون التلدين الشامل بدرجة حرارة عالية هو الخيار الأمثل؛ بينما بالنسبة لبعض الدفعات الكبيرة والأشكال البسيطة من سلاسل البكرات، يمكن أن تقلل معالجة التقادم بالاهتزاز أو طريقة الطرق بشكل فعال من تكاليف الإنتاج وتحسن كفاءته. في الوقت نفسه، عند اختيار أسلوب لتقليل الإجهاد المتبقي، من الضروري أيضًا مراعاة بيئة الاستخدام وظروف تشغيل سلسلة البكرات بشكل كامل لضمان أن الأسلوب المعتمد يلبي متطلبات الأداء ومعايير الجودة لسلسلة البكرات في الاستخدام الفعلي.
4. دور تقليل الإجهاد المتبقي في تحسين جودة وأداء سلاسل البكرات
يُمكن أن يُحسّن تقليل الإجهاد المتبقي الناتج عن اللحام بشكلٍ ملحوظ مقاومة سلاسل البكرات للإجهاد. فعندما يقلّ أو يُزال إجهاد الشدّ المتبقي في سلسلة البكرات، ينخفض ​​مستوى الإجهاد الفعلي الذي تتحمله أثناء التشغيل تبعًا لذلك، مما يُقلّل من خطر الكسر الناتج عن بدء وتوسع شقوق الإجهاد، ويُطيل عمر سلسلة البكرات.
يُسهم ذلك في تحسين ثبات أبعاد سلسلة البكرات ودقة شكلها. إذ يُمكن أن يتسبب الإجهاد المتبقي الزائد في تشوه سلسلة البكرات أثناء الاستخدام، مما يؤثر على دقة توافقها مع العجلات المسننة والمكونات الأخرى، وبالتالي يؤثر على التشغيل الطبيعي للمعدات الميكانيكية. ومن خلال تقليل الإجهاد المتبقي، تحافظ سلسلة البكرات على ثبات أبعادها ودقة شكلها أثناء الاستخدام، مما يُحسّن موثوقية ودقة نقل الحركة.
يُمكن لهذا الإجراء أن يُقلل من احتمالية حدوث تشققات ناتجة عن تآكل الإجهاد في سلاسل البكرات في البيئات المسببة للتآكل. يزيد إجهاد الشد المتبقي من حساسية سلاسل البكرات لتشققات تآكل الإجهاد في الوسائط المسببة للتآكل، ويُمكن أن يُقلل تقليل هذا الإجهاد المتبقي بشكل فعال من هذا الخطر، ويُحسّن مقاومة سلاسل البكرات للتآكل في البيئات القاسية، ويُوسع نطاق استخدامها.