جوشکاری (Welding)

مقدمه :

 اغلب سازه ها در صنعت از قطعات مختلف ( ریختگی ،آهنگری شده ، نوردی ، و ....)

 تشکیل شده اند که با روش های گوناگون به یکدیگر متصل  می شوند.

روشهای متفاوت اتصال قطعات به یکدیگر را بر حسب نوع فرآیند و یا بنیان علمی آنها

 به دسته های مختلفی به شرح زیر طبقه بندی نموده اند :

الف : روش های مکانیکی ( پیچ ، پرچ ،پین ،کشو ، خار و ...)

 ب: روش های مکانیکی متالوژیکی (جوشکاری ،لحیم کاری و ....)

ج : روش های شیمیایی ( چسب های معدنی وآلی )

د : و یا رده بندی بر اساس نو ع اتصال

روش های اتصال موقت (پیچ و مهره ،پین ، خار و ....)

 روش های اتصال نیمه موقت (پرچ ، احتمالا لحیم کاری نرم و بعضی چسب ها

 رو شهای اتصال دائم ( فر آیندهای جوشکاری و لحیم کاری سخت و اغلب چسب ها )

جوشکاری عبارت است از اتصال دو قطعه فلزی یا غیر فلزی به یکدیگر در اثر عوامل خارجی مثل حرارت و فشار که امروزه به صورت یک علم پیشرفته و موثر در خدمت صنایع در آمده در روزگار پیشین یک هنر به حساب  می آمد تاریخ نویسان نخستین روش های اتصال را در شرق به چینی ها و در غرب به رومی ها باستان نسبت می دهند . چینی ها در سه هزار سال پیش از میلاد دانش اتصال برخی فلزات  وغیر فلزات را آموخته بودند و رومی ها از لحیم های بهره می بردند که امروزه با اندک تغییری در صنایع جدید به کار می رود.

مصریان ، فنیقی ها ، ایرانیان و پیشیان قوم آزنتک در مرکز به اصول و موازین اتصالات و به خصوص جوشکاری پی برده اندبا این حال شروع جوشکاری به صورت یک فن آوری از سال 1800 میلادی رقم خود و سال 1885 دو نفر انگلیسی به نامهای بناردز (benarodos) و اولزوسکی (olszewski) جوشکاری قوس الکتریکی را اختراع کردند.

در سال 1890 میلادی برای اولین بار از میله فولادی به عنوان پر کننده استفاده شد و در سال 1900 میلادی جوشکاری بااکسیزن و استیلین به وسیله مشعل انجام گرفت . در همین سال بود که جوشکاری فشاری برای اولین بار به صورت اصطکاکی انجام شده در سال1940 میلادی یک سو ئدی بنام اسکار شلبرگ (Oscar kjellberg) الکترود روکش دار را اختراع کرد که چون پایه گذار شرکت ESAB سوئد بود الکترودهای روکش دار اولیه را به این کمپانی نسبت داده اند.

امروزه نیز آن را با علامت اختصاری ok که مخفف نام مخترع آن است می شناسند.

با شروع فعالیت ها برای آغاز جنگ جها نی دوم ( 30-1920 ) وبا آغاز تلاشهایی برای ساخت ،تعمیر و تکمیل ، تانکها ، کشتی ها ، هواپیما ها،آتشبارها ،جوشکاری نیز _ اهمیت خود را بازیافت و در این راستا  کشورهای پیشرو که خود را در شعله های فروزان جنگ در گیر می د یدند با افزایش تو لیدات نظامی خود توجه خویش را به     طراحی و ابداع روشهای ارزان سریع و مطمئن جوشکاری معطوف داشتند و در طی همین سالها بود که بسیاری از روشهای ما شینی و جدید جوشکاری طراحی و آ زمایش شد در سال 1930 روش استفاده از گازهای محافظ در اروپا و امریکا رایج ودر اواسط همین سال برای اولین بار تکنیک جوشکاری زیر پودری اختراع شد . در همان سالها استفاده از گازهای خنثی ما نند هلیو م و آرگون در امریکا و گاز  فعالco2  در اروپا مرسوم  گردید . و به این ترتیب در دهه 30 روشهای MIG/MAGدر اروپا و امریکا شیو ع پیدا کرد.

با فروکش کردن آتش جنگ ، فعالیت کارخا نجات و سرعت چرخش چرخ صنایع در شرق و غرب زیاد شد و با آغاز دوران سازندگی مطا لعه و تحقیق و علمی کردن جوشکاری در کشور های مختلف دنیا آغاز شد.

در اروپا و آلمان ،جوشکاری استا ندارد سازی شده و در صنایعی چون فولاد خودرو و ماشین آلات ارزش های خود را به نمایش گذارد.

در ا نگلستان صنایع نفت و کشتی سازی جوشکاری به شکل علمی و مدرن به کار گرفته شد ودر ا ندک زما نی رشد به سزایی نمود.

در سال 1960 میلا دی امریکا و شوروی نیز در مجموعه صنایع و به خصوص در صنایع خاص فضایی ، هواپیمایی و غیره اطلاعات  علمی و فنی جامعی در – باره جوشکاری بدست  آوردند و کاربرد جوشکاری در کلیه صنایع غیر قابل انکار شد ودر همین سالها بود که استفاده  از تشعشع الکترونی و لیزری مرسوم گردید.

امروزه بیشترین  کشورهای دنیا مطالعات  وسیعی درباره جوشکاری انجام مید هند و آن را به عنوان یکی از علوم ما در و پایه در دروس مدارس و موسسات و دانشگا ههای خود به شکل یک رشته تحصیلی مستقل در آورده اند.

در کشور ما نیز چند سالی است  که امکان تحصیل و تحقیق در رشته جوشکاری در چند دانشگاه ودر مفاطع عالی فراهم شده  که به همت اساتید  پیشکسوتان و علاقه مندان به این رشته  انجمن ها و مراکز آموزشی  و یزه ای نیز ایجاد گردید ه است.

حال با نگاهی دلسوزانه  و دقیق به امکانات و سطح دانش جوشکاری موجود در کشور ((در مقایسه با کشور های در حال توسعه صنعتی )) و با توجه پتانسیل فراوان کار و نیاز پروزه ها ی عظیم سازندگی و با سازی در صنایع نفت ، پالایش و پتروشیمی نیروگاهی خودرو ، هواپیما  ، تسحیلات و غیره نیاز مبرم به آ فزایش فضا و امکانات  فنی و ارتقا ء سطح کیفی  و دانش جوشکاری  به گونه ای اجتناب ناپذیر مشخص  میگردد.

تقسیم بندی فرآیندهای جوشکاری :

با در نظر گرفتن تولید و نحوه حرارت و نحوه محافظت محل جوش  اتمسفر و سایر مواد می توان هفت گروه زیر را در فر آیند های جوشکاری مجزا نمود.

1-  فرآیند های جوشکاری حالت جامد نظیرفرآیند جوشکاری اصطکاکی

Friction welding

فرآیند جوشکاری آهنگری forge welding     

فرآیند جوشکاری فشاری Pressure welding

2- فرآیند جوشکاری شیمیایی – حرارتی : نظیر فر آیند جوشکاری با شعله یا گاز 

gas welding   و فر آیند جوشکاری ترمیت Thermit welding

3- فر آیند های جوشکاری مقاومتی نظیر فر آیند جوشکاری نقطه ای 

  Spot Distance welding فرآیند جوشکاری نواری Seam resistance و

 فرآیند جوشکاری جر قه ای flush welding

4- فرآیند های جوشکاری قوس الکتریکی نپوشیده نظیر فر آیند جوشکاری قوس الکترود دستی  Manual metal – arc welding  و فرآیند جوشکاری الکترود مداوم  Automatic metal – arc welding 

5- فر آیند جوشکاری قوس الکتریکی پوششی زیر لایه سرباره نظیر جوشکاری زیر پودری  Submerged – arc welding 

6- فر آیند های جوشکاری قوس الکتریکی پوشیده شده با گاز نظیر فر آیند جوشکاری قوس الکترود تنگستن TIG (Tungsten –inert gas arc welding ) فر آیند جوشکاری قوس

الکترود فلزی محفوظ در گاز Metal inert gas – arc welding (MIG) و فر آند جوشکاری Co2

7- فر آیند های جوشکاری با انرزی تشعشعی نظیر فر آیند جوشکاری با اشعه لیزر (LBW)  Laser Beam Welding و فر آیند جوشکاری با اشعه الکترونی (EBW) Electron Beam Welding 

انواع قوس الکتریکی در جوشکاری :

از نظر جوشکاری در نوع قوس الکتریکی بر حسب ذوب الکترود و یا عدم ذوب آن وجود دارد . گر الکترود از جنس کربن یا تنگستن باشد هنگام ایجاد قوس الکتریکی الکترود ذوب نشده و قوس یا الکترود را غیر مصرفی Non consumable می نامند . اما اگر الکترود از جنس فلز با نقطه ذوب پائین تر باشد همزمان با ایجاد قوس الکتریکی انتهای الکترود ذوب شده و قطرات فلز مذاب می تواند از الکترود جدا شده و در فاصله قوس الکتریکی به طرف حوضچه جوش با سرعت زیاد پلاسماجت منتقل شود در این حالت آنرا مصرفی consumable یا قوس الکتریکی فلزی Metal – arc  می نامند . چون  در روش قوس یا الکترود مصرفی قسمتی از جوش نتیجه ذوب الکترود است . معمولا ترکیب شیمیایی الکترود باید شبیه فلز مورد جوش باشد . در الکترود مصرفی مقداری حرارت مقاومتی در اثر عبور جریان برق در الکترود تولید می شود که در این حرارت باعث بالا رفتن نرخ ذوب الکترود شده و به حوضچه جوش بر می گردد . به همین دلیل مقدار بیشتری از حرارت تولید شده در قوس یا الکترود مصرفی به حوضچه جوش منتقل می شود و راندمان حرارتی  در الکترود های غیر مصرفی (60-50 در صد ) کمتر از الکترود های مصرفی (90-75 در صد) است . بالال بودن راندمان حرارتی موجب باریک تر شدن منطقه متاثر از جوش شده واز نظر سرعت جوشکاری و اقتصادی نیز مقرون به صرفه می باشد.

شروع یا روشن کردن قوس الکتریکی  ARC initiation :

فقط با بکار بردن پتا نسیل لازم در الکترود سرد قوس الکتریکی بوجود نمی آید . قوس هنگامی می تواند ایجاد شود که یک کانال یونیزه شده یا هادی الکترود موجود باشد . این کانال می تواند به دو طریق عمده زیر آماده شود .

الف) بکار بردن ولتاز خیلی بالا بین الکترودها که سبب دشارز یا خالی شدن بار الکتریکی شود .

ب) بوسیله لمس کردن و عقب بردن الکترود بر روی کار

ولتاژ در حدود 10 به توان 4 ولت نیاز است تا در فاصله بین الکترودها و کار جرقه ایجاد شود . به محض ایجاد قوس ولتاژ کاهش یافته و جریان افزایش می یابد . این عمل در حدود چند ثانیه انجام می گیرد . البته برای نگهداشتن قوس نیاز به ولتاژ لازم می باشد . حالت پایداری که بین شدت جریان و ولتاژ پس از چند ثانیه بوجود می آید به علت گرم شدن الکترود و یا ایجاد حوضچه و یک تعادل حرارتی می باشد . در عمل استفاده ولتاژ بسیار بالا خطر ناک بوده و معمولا از دشارژ با فرکانس بالا استفاده به عمل می آید . همانطور که اشاره شد روش دیگر که بیشتر متداول است لمس کردن یا مالیدن الکترود به قطعه کار و عقب بردن آن است با این عمل نوک الکترود گرم و سپس ذوب موضعی میشود با عقب کشیدن الکترود قطره مذاب در نوک آن بین الکترود و قطعه کار پلی درست می کند که همزمان با باریک شدن آن این پل شکسته شده و بدین ترتیب بخار فلز می تواند کانالی برای ایجاد قوس موقت بوجود آورد . اگر نیروی مدار متناسب باشد این قوس پایدار خواهد ماند . روش های دیگری نضیر قرار دادن گلوله ای از پشم فولادی یا اتصال یک سیم نازک با طول و قطر مشخص به نوک الکترود را نیز می توان برای شروع قوس الکتریکی استفاده کرد.

نگهداشتن قوس الکتریکی     ARC Maintenance :

پس از آغاز قوس اولیه و بر قراری تعادل حرارتی چناچنه در ضمن کار قوس به طور موقتی خاموش شود آنرا به مراتب آسانتر از ابنتدا می توان روشن کرد . اگر برای شروع قوس اولیه پتانسیلی در حدود چند هزار ولت نیاز باشد برای شروع مجدد قوس در حین کار پتانسیل در حدود چند درصد یا چند ده ولت نیاز است . وجود بعضی مواد در پوشش الکترود می تواند کمک کننده شروع مجدد قوس باشد.

منبع یا مولد قدر ت  Electric Power Source :

منبع قدرت می تواند جریان الکتریکی لازم برای قوس را فراهم کند . این جریان ممکن است متناوب و یا یکنواخت (دائم ) باشد . در ابتدا فقط از جریان یکنواخت DC استفاده می شد . چون با جریان متناوب مشکل عدم پایداری قوس وجود داشت که بعداا این شکل به کمک افزودن ترکیبات مناسب در پوشش الکترود بر طرف گردید . بدین ترتیب هر دو نوع منبع قدرت قابل استفاده اند. هر چند بر حسب امکانات استفاده یکی از این دو نوع جریان الکتریکی بر دیگری می تواند متداول تر باشد.

انواع منبع  یا مولد قدرت       Electric Power :

منبع قدرت می تواند جریان الکتریکی لازم برای قوس فراهم کند این جریان ممکن است متناوب و یا یکنواخت (دائم ) باشد .در ابتدا فقط از جریان یکنواخت یا D.C استفاده می شود . چون با جریان متناوب مشکل عدم پایداری قوس وجود داشت که بعدا با استفاده از افزودن ترکیبات مناسب در پوشش الکترود بر طرف گردید.

انواع مولد هایی که در جوشکاری از انها بهره می گیریم عبارتند از :

1-  ترانسفورماتور : ترانسفور ماتور  دارای یک سیم پیچ اولیه و یک سیم پیچ ثانویه و یه هسته است . ما در جوشکاری به ولتاز پائین حدود 10تا 50 ولت و شدت جریان بالا حدود 50تا 400 آمپر نیاز داریم این کار توسط ترانسفور ماتور که با جریان AC کار می کند انجام می گیرد .

2-  رکتی فایر : مولدی است که در آن با استفاده از یک سوسازسلینیوم- سیلسیم ، جهت جریان یک سویه یا یک طرفه می شود . زیرا همانطور که می دانیم جهت جریان در جریان متناوب یا AC در کشور ما دارای فر کانس 50 هرتس می باشد .

3-  ژنراتور : تولید کننده جریان D.C می باشد .

4- دینام : ژنراتوراست که محور آن توسط یک موتور الکتریکی می گردد و جریان DC می دهد .

5- موتور جوش : ژنراتوری است که محور آن توسط یک موتور الکتریکی می گردد و جریان D.C یا A.C می دهد .

قطب الکترود : Electrode Polarity  در جوشکاری با قوس الکتریکی ممکن است از جریان متناوب یا جریان مستقیم با الکترود مثبت یا منفی استفاده شود . انتخاب جریان به روش جوشکاری و نوع الکترود ،اتمسفر و نوع فلزی که جوش داده خواهد شد بستگی دارد . با اکثر فلزات معمولی انتقال فلز از الکترود مصرفی به حوضچه جوش با جریان یکنواخت و الکترود مثبت یکنواخت تر و بهتر انجام می گیرد . هنگامیکه جریان از A.Cبه D.C تغییر می کند پلاریته بسیار مهم است . هنگامیکه  دستگره الکترود (انبر ) در قطب منفی ژنراتور و قطعه مثبت بسته شده باشد  پلاریته منفی یا مستقیم است . اگر انبر الکترود به قطب مثبت زنراتور و کابل هادی متصل به قطعه به قطب منفی وصل شده باشد پلاریته عکس نامیده می شود .