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 سانتيگراد و در فرآیند جوشکاری قوس با الكترود روپو‌ش‌دار تا حدود ۶۰۰۰ درجه سانتيگراد می‌رسد. این دما قادر است ترکیبات فلزی و غیر فلزی را به اتم‌های تشکیل دهنده آن تجزيه کند و يا يونيزه نماید. یاد آوری می‌شود که مركز ستون قوس بالاترين درجه حرارت را دارا بوده و هر چه از مركز دور شويم، دما كاهش پيدا مي‌كند. با این شرایط مي‌توان گفت در مركز قوس مقداری بخار فلز نیز تشکیل می‌شود که در تماس با الكترو‌ن‌های جاری در ستون قوس باعث يونيزه شدن اتم‌های فلزی مي‌شود و به آن پلاسمای فلزی می‌گویند.

در ستون قوس جوشکاری چون الكترو‌ن‌ها از قطب منفی به قطب مثبت منتقل مي‌شوند، بنابراین برخورد الكترو‌ن‌ها به قطب مثبت باعث توليد حرارت می‌شود از این رو در قطب مثبت گرمای بيشتري توزيع مي‌شود. از حرارت توليد شده در قوس، حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد صرف گرم شدن و ذوب شدن الکترود و فلز پایه می‌شود و بقيه به صور‌ت‌های مختلف زير تلف می‌شود.

• اشعه‌های مرئی و نامرئی قوس
• جابه‌جايی بوسيله گازهای موجود در قوس
• تشعشع حرارتی
• ذوب پوشش الکترود

نيروهای موجود در قوس

در قوس الكتریکی نيروهایی مختلفی مانند نيروی الكترومغناطيسی و نيروی هيدرودينامیکی (در اثر وجود میدان الکترومغناطیسی و حركت گازها در ستون قوس) وجود دارند كه باعث مي‌شوند مذاب از الكترود جدا شده و به قطعه كار منتقل شود. در جوشكاری حالت‌های عمودی یا سقفی نقش اين نيروها كاملاً مشهود است و جهت اين نيروها به طور معمول از طرف نوك الکترود به طرف سطح قطعه کار است. بهاین ترتیب نيروهای فوق در ستون قوس باعث راندن مذاب و سرباره الكترود به طرف جلو قوس می‌شوند و به عمليات جوشكاری كمك می‌كنند.

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.

جوشكاری قوسی روش اتصال دائم دو قطعه است كه در نتيجه تركيب مناسبی از فشار و درجه حرارت بالا به وجود می‌آيد‌.
ممكن است در محل اتصال فقط درجه‌ حرارت زياد بدون فشار تا فشار زياد بدون ازدياد درجه حرارت اعمال شود.
به خاطر وجود حرارت و فشار در محل جوش، دو ماده به هم مخلوط شده و يک‌ ساختمان متالوژی را به وجود می‌آورند.

بنابراين برای آن كه كيفيت جوش خوب باشد بايستی حرارت و فشار به اندازه كافی وجود داشته و سطوح قطعه تميز شده و در طول عمل جوشكاری حفاظت شده باشد.
هر ماشين از تعداد زيادی قطعه ساخته شده است اين قطعات به نحوی به يكديگر متصل شده‌اند كه بعضی از اتصالات متحرك بوده (Link)، اتصال شاتون به ميل لنگ و تعداد زيادی اتصالات ثابت وجود دارد. این اتصال به اين دليل است كه بتوان ماشين را از واحد‌های كوچكتر ساخته تا هم ساخت و حمل و نقل آنها آسان‌تر باشد و سپس به يكديگر در قسمت مونتاژ متصل می‌كنند.

بنابراين جوشكاری مهمترين روش توليدی است كه اهميت زيادی دارد به طوری كه امروزه قسمت اعظم توليداتی فلزی بيشتر از يک يا چند جوش وجود دارد.
اتصالات دائم امكان جدا كردن قطعات را يكديگر نمی‌دهند مگر آنكه آن قطعاتی را خراب كنيد. بنابراين اين نوع اتصالات در جايی به كار می‌رود كه احتياج به جدا كردن قطعات نبوده ‌و احتمالاً از نظر راحتی يا اتصالی بودن در توليد به كار گرفته شود.

فاكتور مهمی كه در جوشكاری بايستی در نظر داشت اثرات متالورژی است كه در حين حرارت دادن و سرد كردن در منطقه جوش به وجود می‌آيد.
طبقه بندی انواع روش‌های جوشكاری مشكل است، يك نوع طبقه بندی بر اساس منبع حرارتی با نوع روش پوشش و محافظ به كار برده شده و يا مثلاً استفاده از روش دستی، نيمه اتوماتيك و غيره… انجام شده است.

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

روپوش الکترود
وظيفه روپوش الكترود ايجاد 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 آسيب 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 الكترودهای روپوش دار از جنس متفاوت و در ابعاد مختلف ساخته می‌شوند و دارای دسته‌بندیهای متنوعی از نظر مواد تشکیل دهنده پوشش هستند که برای جوشكاری فلزات و آلیاژهای مختلف در وضعیت‌های متفاوت جوشکاری توليد و در بسته‌بند‌یهای گوناگون به بازار عرضه می‌شو‌د.

انتقال مذاب در قوس جوشکاری

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

شیوه انتقال فلز مذاب از نوك 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 مي‌شوند. 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 نوك الکترودشکل مي‌گیرد 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 مي‌شود و شدت جریان افزایش مي‌یابد. در نتیجه دما بالا می‌رود و قطره مذاب به داخل حوضچه جوش کشیده مي‌شود. 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.