جوشکاری با قوس الکتریکی

از آنجائی‌که قطعات مختلف شرایط مختلفی از قبیل جنس، شکل و ابعاد دارند روش‌های جوشکاری نیز متنوع است تا بتواند نیازهای مختلفی را فراهم نماید. برای ایجاد اتصال جوشکاری نیاز است تا انرژی لازم به محل اتصال برسد.

انرژی می‌تواند با تحریک ماده امکان اتصال جوش را فراهم نماید. یکی از تقسیم بندی‌های مرسوم روش‌های مختلف جوشکاری، تقسیم بندی بر اساس منبع تامین انرژی است. برای انجام عمل جوشکاری چهار منبع اصلی انرژی وجود دارد.

• انرژی الکتریکی
• انرژی شیمیایی
• انرژی مکانیکی
• انرژی تشعشعی

جوشکاری قوسی یک فرآیند جوشکاری است که در آن حرارت به وسیله یک قوس الکتریکی بین یک الکترود و قطعه کار به وجود می‌آید. قوس الکتریکی یک تخلیه الکتریکی بین دو الکترود از میان گازهای یونیزه شده است.

جوشکاری قوسی (arc welding) یک روش جوشکاری است که از یک منبع تغذیه جوشکاری (welding power supply) برای ایجاد قوس الکتریکی بین الکترود (electrode) و ماده پایه و ذوب کردن فلزات در محل جوش استفاده می‌کند.

جریان می‌تواند مستقیم (DC) و یا متناوب (AC) و الکترودها و مصرفی و یا غیر مصرفی باشند. منطقه جوش معمولاً توسط برخی از انواع گاز محافظ (shielding gas)، بخار یا سرباره (slag) محافظت می‌شود. فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی می‌توانند دستی، نیمه اتوماتیک و یا اتوماتیک کامل باشند.

روش‌های جوشکاری با قوس الکتریکی شامل موارد زیر است.

جوشکاری با الکترود دستی پوشش دار یا SMAW

جوشکاری زیر پودری یا SAW

جوشکاری با گاز محافظ یا GMAW یا MIG/MAG

جوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی یا GTAW یا TIG

نحوه انجام جوشکاری با قوس الکتریکی

یکی از متداول‌ترین روش‌های اتصال قطعات کار است. ایجاد قوس الکتریکی عبارت از جریان مداوم الکترون بین دو الکترود که در نتیجه آن حرارت تولید می‌شود. باید توجه داشت که برای برقراری قوس الکتریکی بین دو الکترود، ‌‌وجود هوا‌ یا‌ گاز هادی ضروری است. بطوریکه در شرایط معمولی نمی‌توان در خلاء جوشکاری نمود.

در قوس الکتریکی گرما و انرژی نورانی در مکان‌های مختلف یکسان نبوده بطوری که تقریباً ۴۳% از حرارت در آند و تقریباً ۳۶% در کاتد و ۲۱% بقیه بصورت قوس ظاهر می‌شود. دمای حاصله از قوس الکتریکی به نوع الکترودهای آن نیز وابسته است بطوری که در قوس الکتریکی با الکترودهای ذغالی تا ۳۲۰۰ درجه سانتیگراد در کاتد و تا ۳۹۰۰ در آند حرارت وجود دارد.

دمای حاصله در آند و کاتد برای الکترودهای فلزی حدود‌ ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد تا ۲۶۰۰ درجه تخمین زده شده است.

در این شرایط درجه حرارت در مرکز شعله بین ۶۰۰۰ تا ۷۰۰۰ درجه سانتیگراد است. از انرژی گرمائی حاصله در حالت فوق فقط ۷۰% تا ۶۰% در قوس الکتریک مشاهده شده که صرف ذوب کردن و عمل جوشکاری شده و بقیه آن یعنی ۳۰% تا ۴۰% بصورت تلفات گرمائی به محیط اطراف منتشر می‌شود.

قدرت قوس در جوشکاری

دمای قوس در فرآیند جوشکاری قوسی با الکترود تنگستن تا حدود ۲۰۰۰۰ درجه سانتیگراد و در فرآیند جوشکاری قوس با الکترود روپو‌ش‌دار تا حدود ۶۰۰۰ درجه سانتیگراد می‌رسد. این دما قادر است ترکیبات فلزی و غیر فلزی را به اتم‌های تشکیل دهنده آن تجزیه کند و یا یونیزه نماید.

یاد آوری می‌شود که مرکز ستون قوس بالاترین درجه حرارت را دارا بوده و هر چه از مرکز دور شویم، دما کاهش پیدا می‌کند. با این شرایط می‌توان گفت در مرکز قوس مقداری بخار فلز نیز تشکیل می‌شود که در تماس با الکترو‌ن‌های جاری در ستون قوس باعث یونیزه شدن اتم‌های فلزی می‌شود و به آن پلاسمای فلزی می‌گویند.

در ستون قوس جوشکاری چون الکترو‌ن‌ها از قطب منفی به قطب مثبت منتقل می‌شوند، بنابراین برخورد الکترو‌ن‌ها به قطب مثبت باعث تولید حرارت می‌شود از این رو در قطب مثبت گرمای بیشتری توزیع می‌شود.

از حرارت تولید شده در قوس، حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد صرف گرم شدن و ذوب شدن الکترود و فلز پایه می‌شود و بقیه به صور‌ت‌های مختلف زیر تلف می‌شود.

اشعه‌های مرئی و نامرئی قوس

جابه‌جایی بوسیله گازهای موجود در قوس

تشعشع حرارتی

ذوب پوشش الکترود

نیروهای موجود در قوس

در قوس الکتریکی نیروهایی مختلفی مانند نیروی الکترومغناطیسی و نیروی هیدرودینامیکی (در اثر وجود میدان الکترومغناطیسی و حرکت گازها در ستون قوس) وجود دارند که باعث می‌شوند مذاب از الکترود جدا شده و به قطعه کار منتقل شود.

در جوشکاری حالت‌های عمودی یا سقفی نقش این نیروها کاملاً مشهود است و جهت این نیروها به طور معمول از طرف نوک الکترود به طرف سطح قطعه کار است. بهاین ترتیب نیروهای فوق در ستون قوس باعث راندن مذاب و سرباره الکترود به طرف جلو قوس می‌شوند و به عملیات جوشکاری کمک می‌کنند.

انتخاب صحیح الکترود برای کار

انتخاب صحیح الکترود برای جوشکاری بستگی به نوع قطب و حالت درز جوش دارد مثلاً یک درز V شکل با زاویه کمتر از ۴۰ درجه با ضخامت زیاد حداکثر با قطر اینچ که معادل ۲ میلیمتر است برای ردیف اول گرده جوش استفاده میشود، تا کاملاً در عمق جوش نفوذ نماید.

ولی چنانچه از الکترود با قطر بیشتر استفاده شود مقداری تفاله در ریشه جوش باقی خواهد ماند. که قدرت و استحکام جوش را تقلیل می‌دهد.

انتخاب صحیح الکترود (‌از نظر قطر)

بایستی توجه داشت که همیشه قطر الکترود از ضخامت فلز جوشکاری کمتر باشد هر چند که در بعضی از کارخانجات تولیدی، عده‌ای از جوشکاران الکترود با ضخامت بیشتر از ضخامت فلز را به کار می‌برند. این عمل بدین جهت است که سرعت کار زیادتر باشد ولی انجام آن احتیاج به مهارت فوق‌العاده جوشکار دارد.

همچنین انتخاب صحیح قطر الکترود بستگی زیاد به نوع قطب (‌+ یا -‌) و حالت درز جوش دارد مثلاً اگر یک درز V شکل با زاویه کمتر از ۴۰ درجه باشد بایستی حداکثر از الکترود با قطر پنج شانزدهم اینچ برای ردیف اول گرده جوش استفاده کرد تا کاملاً بتوان عمق درز را جوش داد. 

چنانچه از الکترود با قطر زیادتر استفاده شود مقداری تفاله در جوش باقی خواهد ماند که قدرت و استحکام جوش را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهد داد. در حین جوشکاری، گاهی اوقات، جرقه‌هائی به اطراف پخش می‌شود که دلایل آن موارد زیر است.

جوشکاری قوسی روش اتصال دائم دو قطعه است که در نتیجه ترکیب مناسبی از فشار و درجه حرارت بالا به وجود می‌آید‌.

ممکن است در محل اتصال فقط درجه‌ حرارت زیاد بدون فشار تا فشار زیاد بدون ازدیاد درجه حرارت اعمال شود.

به خاطر وجود حرارت و فشار در محل جوش، دو ماده به هم مخلوط شده و یک‌ ساختمان متالوژی را به وجود می‌آورند.

بنابراین برای آن که کیفیت جوش خوب باشد بایستی حرارت و فشار به اندازه کافی وجود داشته و سطوح قطعه تمیز شده و در طول عمل جوشکاری حفاظت شده باشد.

هر ماشین از تعداد زیادی قطعه ساخته شده است این قطعات به نحوی به یکدیگر متصل شده‌اند که بعضی از اتصالات متحرک بوده (Link)، اتصال شاتون به میل لنگ و تعداد زیادی اتصالات ثابت وجود دارد. این اتصال به این دلیل است که بتوان ماشین را از واحد‌های کوچکتر ساخته تا هم ساخت و حمل و نقل آنها آسان‌تر باشد و سپس به یکدیگر در قسمت مونتاژ متصل می‌کنند.

بنابراین جوشکاری مهمترین روش تولیدی است که اهمیت زیادی دارد به طوری که امروزه قسمت اعظم تولیداتی فلزی بیشتر از یک یا چند جوش وجود دارد.

اتصالات دائم امکان جدا کردن قطعات را یکدیگر نمی‌دهند مگر آنکه آن قطعاتی را خراب کنید. بنابراین این نوع اتصالات در جایی به کار می‌رود که احتیاج به جدا کردن قطعات نبوده ‌و احتمالاً از نظر راحتی یا اتصالی بودن در تولید به کار گرفته شود.

فاکتور مهمی که در جوشکاری بایستی در نظر داشت اثرات متالورژی است که در حین حرارت دادن و سرد کردن در منطقه جوش به وجود می‌آید.

طبقه بندی انواع روش‌های جوشکاری مشکل است، یک نوع طبقه بندی بر اساس منبع حرارتی با نوع روش پوشش و محافظ به کار برده شده و یا مثلاً استفاده از روش دستی، نیمه اتوماتیک و غیره… انجام شده است.

میله فلزی

وظیفه آن هدایت جریان الکتریکی، تشکیل، تداوم و پایداری قوس است که از آن به عنوان ماده پرکننده درز اتصال یکپارچگی قطعات نیز استفاده میشود.

روپوش الکترود

وظیفه روپوش الکترود ایجاد فضای گازی مناسب در قوس و اطراف آن است، به طور‌ی که در اثر ذوب یا تجزیه شدن از طریق تشکیل فضای گازی یونیزه ضمن کمک به تشکیل و پایداری قوس، حوضچه مذاب، قوس و نوک الکترود را نیز از آسیب در مقابل اتمسفر مصون سازد. 

ضمن اینکه وظیفه دیگر روپوش الکترود نقش سرباره سازی است که به حذف ناخالصی‌ها از فلز جوش، کنترل سرعت سرد شدن و ظاهر مطلوب فلز جوش کمک می‌کند.

مغز فلزی الکترودهای روپوش دار از جنس متفاوت و در ابعاد مختلف ساخته می‌شوند و دارای دسته‌بندیهای متنوعی از نظر مواد تشکیل دهنده پوشش هستند که برای جوشکاری فلزات و آلیاژهای مختلف در وضعیت‌های متفاوت جوشکاری تولید و در بسته‌بند‌یهای گوناگون به بازار عرضه می‌شو‌د.

انتقال مذاب در قوس جوشکاری

فلز جوش به قسمتی از اتصال گفته می‌شود که از مخلوط شدن مذاب لبه‌های اتصال و مذاب مغز فلزی الکترود بوجود می‌آید و به صورت ترکیب فلزی در درز اتصال رسوب می‌کند.

شیوه انتقال فلز مذاب از نوک الکترود مصرفی به طرف حوضچه مذاب در سطح قطعه کار در فرآیندها یمختلف جوشکاری قوسی به حالت‌های مختلفی صورت می‌گیرد که بستگی به نوع گاز محافظ، شدت جریان و ولتاژ دارد.

انتقال اسپری یا پرواز آزاد‌

در این روش ذرات به صورت اسپری از الکترود جدا شده، ستون قوس را طی می‌کنند و وارد حوضچه مذاب می‌شوند. در این حالت امکان انتقال فلز مذاب از الکترود به قطعه کار برخلاف نیروی ثقل (جاذبه زمین) عملی است.

انتقال مدار بسته یا اتصال کوتاه ‌

در این روش قطره مذاب در نوک الکترودشکل می‌گیرد و ضمن رشد قبل از جدا شدن کامل از الکترود با حوضچه مذاب تماس پیدا می‌کند. در این شرایط یک حالت مدار بسته یا اتصال کوتاه به وجود می‌آید که به صورت لحظه‌ای قوس خاموش می‌شود و شدت جریان افزایش می‌یابد. 

در نتیجه دما بالا می‌رود و قطره مذاب به داخل حوضچه جوش کشیده می‌شود. در حالت اتصال کوتاه شرایط برای بخار شدن قطره مذاب به دلیل افزایش شدت جریان و بالا رفتن دما وجود دارد. لذا در اینحالت احتمال ایجاد جرقه و پاشش به اطراف درز اتصال افزایش می‌یابد.

تشعشعات قوس جوشکاری

اشعه‌هایی که در قوس جوشکاری تولید می‌شوند را می‌توان به سه دسته کلی تقسیم نمود.

• ‌نور قابل دیدن
• ‌اشعه ماوراء بنفش
• ‌اشعه مادون قرمز

اشعه مادون قرمز مانند اشعه‌هایی است که از اجسام گداخته مثل شیشه یا فولاد گداخته ساطع می‌شود و برای پوست و مو مضر است. 

اشعه ماوراء بنفش یکی دیگر از اشعه‌هایی است که از قوس ساطع می‌شود و با توجه به انرژی زیاد آن نسبت به اشعه‌های دیگر بیشترین صدمه را به بافت‌های بدن وارد می‌کند. 

ضمن اینکه موجب تشکیل ذرات خطرناکی مثل اوزن (O3) می‌شود که برای انسان زیان آور است. همچنین در قوس نور مریی شدید تولید می‌شود که به دلیل شدت آن، برای چشم مضر است.

علاوه بر اشعه‌های مذکور به دلیل حرارت زیاد قوس، مقداری بخارات فلزی در حوضچه جوش بوجود می‌آید. 

هم چنین در صورت آلوده بودن قطعه کار به رنگ یا بتونه و یا ناخالصی‌های دیگر بخاراتی تولید می‌شود که برای انسان زیا‌ن آور است؛ از طرف دیگر پوشش الکترود نیز مقداری گاز و بخارات سمی تولید می‌کند که هم برای جوشکار و هم برای کسانی که در کارگا‌ه‌های جوشکاری کار می‌کنند زیا‌نبار است. 

لذا جوشکاران همواره باید نکات ایمنی را رعایت کرده و از و سایل ایمنی استفاده کنند تا خود و دیگران را از آسیب‌های احتمالی مصون سازند.

تشکیل فلز جوش

مغز فلزی الکترود که به دلیل گرمای قوس ذوب می‌شود، به صورت ذرات ریز و درشت به قطعه کار منتقل می‌شود و با مذاب لبه‌های اتصال در می‌آمیزد و فلز جوش را تشکیل می‌دهد. قسمتی از پوشش الکترود نیز در اثر سوختن یا تجزیه شدن گازهای محافظ را تولید می‌کند و بخش دیگر روپوش تشکیل سرباره می‌دهد که ر‌وی حوضچه مذاب و گرده جوش را می‌پوشاند.

چون جرم حجمی آن از جرم حجمی سرباره مذاب کمتر است در نتیجه روی مذاب قرار می‌گیرد و فرم و شکل مناسبی به گرده جوش می‌دهد. 

همچنین قسمتی از مغز الکترود به صورت جرقه و ذرات ریز به اطراف فلز جوش پاشیده می‌شود که جزء تلفات و ضایعات جوشکاری است. در الکترودهای معمولی حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد از وزن مغز فلزی الکترود، به صورت ذرات جرقه و ته الکترود به ضایعات تبدیل می‌شود. 

بنابراین حدود ۷۰ درصد وزنی مغز الکترود، گرده جوش را تشکیل می‌دهد.در بعضی از انواع الکترودها به روپوش الکترود مقداری پودر آهن اضافه می‌کنند تا نرخ رسوب افزایش یابد و بازده الکترود بیشتر شود. در مواردی هم بعضی از ترکیبات روپوش الکترود عمل آلیاژسازی را بر عهده دارند و استحکام فلز جوش را بالا می‌برند.

منبع: عمران سافت