موضوع مقاله: جوشکاری با قوس الکتریکی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # جوشکاری با قوس الکتریکی | مقدمه: منبع تغذیه‌های جریان ثابت غالباً برای فرایندهای جوشکاری دستی مانند جوشکاری قوسی گاز تنگستن و جوشکاری قوسی فلز پوشش دار استفاده می‌شوند زیرا حتی با تغییر ولتاژ نیز جریان نسبتاً ثابتی را حفظ می‌کنند. | ## بخش 1: جوشکاری با قوس الکتریکی | اهمیت آن به این دلیل است که در جوشکاری به صورت دستی، ثابت نگهداشتن الکترود دشوار است و درنتیجه طول قوس متغیر خواهد بود که در نتیجه آن ولتاژ نیز تغییر می‌کند. در این روش‌ها طول قوس ثابت نگه داشته می‌شود، زیرا هر گونه نوسان در فاصله بین سیم و ماده پایه به سرعت با تغییر زیاد جریان اصلاح می‌شود. برای مثال اگر سیم و ماده پایه به یکدیگر خیلی نزدیک شوند، جریان به سرعت افزایش می‌یابد، به همین خاطر گرما زیاد می‌شود و در نتیجه نوک سیم ذوب می‌گردد و آن را به فاصله جدایی اصلی خود برمی‌گرداند. در جوشکاری قوسی، ولتاژ رابطه مستقیمی با طول قوس دارد و جریان با مقدار گرمای ورودی مرتبط است. این موضوعی مهم است زیرا در جوشکاری دستی، ثابت نگه داشتن کامل الکترود می‌تواند دشوار باشد و در نتیجه، طول قوس و بنابراین، ولتاژ به نوسان کردن تمایل دارد. در این فرایندها، طول قوس ثابت نگه داشته می‌شود زیرا هرگونه نوسان در فاصله بین سیم جوش و ماده پایه به‌وسیلهٔ تغییر زیاد جریان، سریعاً یکسوسازی (اصلاح) می‌شود. برای نمونه، اگر سیم جوش و ماده پایه بیش از حد به هم نزدیک شوند، جریان سریعاً افزایش خواهد یافت که این موضوع به نوبه خود، موجب افزایش گرما شده و نوک سیم جوش ذوب شده و آن را به فاصله جدایش اولیه خود باز خواهد گرداند.جهت جریان به‌کار رفته در جوشکاری قوسی نیز نقش مهمی در جوشکاری بازی می‌کند. فرایندهای الکترود مصرفی نظیر جوشکاری قوسی فلز پوشش‌دار و جوشکاری قوسی با گاز محافظ به‌طور معمول از جریان مستقیم استفاده می‌کنند اما الکترود را می‌توان به‌طور مثبت یا منفی شارژ کرد. توجه داشته باشید که برای جوشکاری چسبی به‌طور کلی، قطبیت DC+ بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای مثال، این قطبیت گاهی برای ورق‌های نازک فلزی برای جلوگیری از سوختگی بکار می‌رود. با چند استثناء، الکترود-مثبت (قطبیت معکوس) منجر به نفوذ عمیق‌تر می‌شود و بنابراین، موجب نرخ رسوب سریع تر می‌گردد." فرایندهای با الکترود غیر‌مصرفی نظیر جوشکاری قوس با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز می‌توانند از یکی از انواع جریان مستقیم (DC) و نیز جریان متناوب (DC) استفاده کنند. اما در جریان مستقیم، چون الکترود ایجاد قوس می‌کند اما ماده پرکننده را تامین نمی‌کند، یک الکترود با بار مثبت موجب جوش‌های کم عمق می‌شود درحالی که، یک الکترود با بار منفی، جوش‌های عمیق تر ایجاد می‌کند. جریان متناوب سریعا بین این دو حالت حرکت می‌کند و منجر به جوش‌های با عمق نفوذ متوسط می‌گردد. یکی از معایب AC عبارتست از اینکه پس از هر گذر از صفر، قوس باید دوباره برقرار شود. با اختراع واحدهای توان ویژه که الگوی موجی مربعی به‌جای موج معمولی سینوسی ایجاد می‌کنند، این عیب برطرف شده‌است که موجب زمان ولتاژ کم پس از گذر از صفر و کمینه کردن تاثیرات این مشکل می‌شوند. چرخه کاری، یک مشخصه ابزار جوشکاری است که تعداد دقایق در یک بازه زمانی ۱۰ دقیقه ای را تعریف می‌کند که در طول این زمان، دستگاه جوشکاری قوس را می‌توان به‌طور ایمن استفاده کرد. برای ایجاد قوس بین ماده پایه و یک میله الکترود مصرفی، جریان الکتریکی بکار می‌رود. میله الکترود از ماده ای سازگار با ماده پایه که جوشکاری می‌شود ساخته می‌شود و با فلاکسی که بخار ساطع کرده پوشانده می‌شود. این بخار بعنوان گاز محافظ عمل کرده و لایه ای از سرباره ایجاد می‌کند که هردوی این‌ها از ناحیه جوش در برابر آلودگی اتمسفری محافظت می‌کنند. هسته الکترود بعنوان ماده پرکننده عمل کرده و استفاده از یک پرکننده جداگانه غیرضروری می‌شود. فرایند بسیار انعطاف‌پذیر است و به آموزش کم کاربر و تجهیزات غیرگران قیمت نیاز دارد. اما زمان‌های جوش نسبتاً آهسته هستند زیرا الکترودهای مصرفی را باید مکرراً جایگزین کرد زیرا سرباره و بقایای فلاکس را باید پس از جوشکاری تمیز کرد. همچنین، این فرایند معمولاً محدود به جوشکاری مواد آهنی می‌شود، اگرچه الکترودهای خاصی، جوشکاری چدن، نیکل، آلومینیوم، مس و دیگر فلزات را ممکن ساخته‌است. انعطاف‌پذیری این روش موجب محبوبیت آن در برخی کاربردها ازجمله کارهای تعمیراتی و ساخت شده‌است. | ## بخش 2: جوشکاری با قوس الکتریکی | جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW) که معمولاً MIG (برای فلز/گاز خنثی) نامیده می‌شود یک فرایند جوشکاری نیمه خودکار یا خودکار است که در آن، یک سیم جوش مصرفی که به‌طور پیوسته خورانده می‌شود بعنوان الکترود و فلز پرکننده برای حفاظت از جوش در برابر آلودگی عمل می‌کند. منبع توان با ولتاژ ثابت و جریان مستقیم پرکاربردترین منبع توان مورد استفاده در GMAW است اما جریان متناوب نیز بکار می‌رود. در الکترودهای پرکننده با خوراند (=تغذیه) پیوسته، GMAW سرعت‌های جوشکاری نسبتاً بالایی دارد اما وجود تجهیزات پیچیده‌تر در این حالت، از راحتی و انعطاف‌پذیری فرایند در مقایسه با فرایند SMAW می‌کاهد. اگرچه GMAW در ابتدا برای جوشکاری آلومینیوم و دیگر مواد غیرآهنی در دهه ۱۹۴۰توسعه داده شد اما خیلی زود به دلیل اقتصادی بودن به فولادها نیز تعمیم داده شد. امروزه، GMAW در صنایعی نظیر خودروسازی به دلیل کیفیت، انعطاف‌پذیری و سرعت خود رایج شده‌است. به دلیل نیاز به حفظ پایدار گاز محافظ در اطراف محل جوش، استفاده از فرایند GMAW در مکان‌هایی با حرکت شدید هوا نظیر بیرون از ساختمان، می‌تواند دردسرساز باشد. از گاز محافظی که از بیرون اعمال می‌شود گاهی استفاده می‌شود اما غالباً خود فلاکس برای ایجاد حفاظت لازم در برابر اتمسفر کفایت می‌کند. به دلیل سرعت جوشکاری بالا و قابلیت حمل، از این فرایند در ساخت و ساز به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود. جوشکاری قوسی زیر پودری (SAW) یک فرایند جوشکاری با قابلیت جوشکاری بالاست که در آن، قوس زیر یک لایه پوشش از فلاکس دانه ای ایجاد می‌شود. این موضوع، کیفیت قوس را افزایش می‌دهد زیرا آلاینده‌های موجود در اتمسفر به‌وسیلهٔ فلاکس مسدود می‌شوند. سرباره تشکیل شده روی جوش معمولاً خودبخود از بین می‌رود و اگر با یک سیم جوش پیوسته ترکیب شود، سرعت رسوب سازی جوش بالا خواهد بود. شرایط کاری نسبت به دیگر فرایندهای جوشکاری قوسی بسیار بهتر است زیرا فلاکس، قوس را مخفی کرده و هیچ دودی تشکیل نمی‌شود. SAW فقط در موقعیت‌های 1F (گوشه ای تخت)، 2F (گوشه ای افقی) و 1G (شیاری تخت) امکان اجرا دارد. روش‌های الکترود غیر مصرفی جوشکاری قوس با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز (GTAW) یا جوشکاری تنگستن/گاز خنثی (kTIG) یک فرایند جوشکاری دستی است که از الکترودی غیر‌مصرفی ساخته شده از تنگستن، مخلوط گازی خنثی یا نیمه خنثی و یک ماده پرکننده جداگانه استفاده می‌کند. از آنجا که این فرایند به‌طور خاص برای جوشکاری مواد نازک مفید است، این روش به‌وسیلهٔ یک قوس پایدار و جوش‌های با کیفیت بالا شناخته می‌شود اما به مهارت زیاد کاربر نیاز دارد و صرفاً در سرعت‌های نسبتاً کم با موفقیت به انجام می‌رسد. از این فرایند در تقریباً همه فلزات قابل جوش می‌توان استفاده کرد هرچند بیشترین قابلیت اعمال را به فولاد زنگ نزن و فلزات سبک دارد. این فرایند غالباً هنگامی استفاده می‌شود که وجود جوش با کیفیت بسیار مهم باشد ازجمله در دوچرخه، هواپیما و کاربردهای دریایی.فرایند جوشکاری قوسی پلاسما – که فرایندی مرتبط با kGTAW است- نیز از یک الکترود تنگستنی استفاده می‌کند اما برای قوس زدن از گاز پلاسما بهره می‌برد. در این روش، قوس نسبت به قوس kGTAW متمرکزتر است که موجب می‌شود کنترل عرضی بحرانی تر باشد و در نتیجه، موجب می‌شود که این روش محدود به یک فرایند مکانیزه شده باشد. به دلیل وجود جریان پایدار در این روش، از آن می‌توان در گستره وسیع تری از ضخامت‌ها نسبت به فرایند kGTAW استفاده کرد و بسیار سریع تر است. می‌توان آن را برای جوشکاری همان موادی که kGTAW می‌تواند جوشکاری کند بکار برد به استثنای منیزیم. گونه ای از این فرایند، برشکاری پلاسما است که یک فرایند کارآمد برای برش دادن فولاد است.دیگر فرایندهای جوشکاری قوسی عبارتند از جوشکاری هیدروژن اتمی، جوشکاری قوسی کربنی، جوشکاری سرباره الکتریکی یا الکترواسلگ، جوشکاری برقی‌گازی (الکتروگازی) و جوشکاری زائده ای (گل میخ). الف) نور قابل دید ب) اشعه ماوراء بنفش ج) اشعه مادون قرمز مسائل خوردگی برخی مواد به‌ویژه فولادهای با استحکام بالا، آلومینیوم و آلیاژهای تیتانیوم مستعد به تردی هیدروژنی هستند. اگر الکترودهای به‌کار رفته برای جوشکاری، حاوی مقدار اندکی رطوبت باشند، آب در گرمای قوس تجزیه شده و هیدروژن آزادشده به شبکه ماده وارد می‌شود که موجب تردی می‌گردد. الکترودهای چسبان برای چنین موادی پوشش خاص کم هیدروژن دارند و در بسته‌های ضد رطوبت درزگیری شده جابجا می‌شوند. | ## بخش 3: جوشکاری با قوس الکتریکی | الکترودهای جدید را مستقیماً از قوطی می‌توان استفاده کرد اما هنگامی که مشکوک به جذب رطوبت باشند با انجام عمل پخت (معمولا در °C 450 تا ۵۵۰ یا °F 840 تا ۱۰۲۰) در یک گرم کن خشک‌کننده، باید خشک شوند. هنگامی که این فولادها در معرض دماهایی در حدود °C 700 (°F 1300) به‌مدت بسیار طولانی قرار بگیرند، کروم با کربن موجود در ماده واکنش داده و کاربید کروم تشکیل می‌دهد که موجب تهی شدن لبه‌های بلور از کروم شده و مقاومت به خوردگی را در فرایندی به نام حساس شدن تضعیف می‌کند. این فولاد حساس شده دستخوش خوردگی در نواحی نزدیک به جوش می‌شود که در این نواحی شرایط دما-زمان بری تشکیل کاربید مناسب بوده‌است. خوردگی شیار چاقو (KLA) نوع دیگر خوردگی است که بر جوش در فولادهای پایدار شده به‌وسیلهٔ نیوبیوم تأثیرگذار است. در برخی حالت‌های تبرید، کاربید نیوبیوم رسوب نمی‌کند و در نتیجه، فولاد مانند فولاد پایدار‌نشده رفتار می‌کند و به‌جای آن، کاربید کروم تشکیل می‌شود. این موضوع صرفاً بر ناحیه ای نازک به پهنای چند میلی‌متر در فاصله بسیار نزدیک به جوش تأثیرگذار است که تشخیص آن را دشوار کرده و سرعت خوردگی را افزایش می‌دهد. سازه‌های ساخته شده از چنین فولادهایی را باید به‌طور کلی تا °C 1100 (°F 1830) حرارت داد که در این دما کاربید کروم حل و کاربید نیوبیوم تشکیل می‌شود. اگر ترکیب الکترود بحد کافی نامشابه با مواد مورد جوشکاری باشد یا خود مواد مورد جوشکاری نامشابه باشند، مسئله خوردگی گالوانیک نیز وجود خواهد داشت. حتی بین گریدهای مختلف فولادهای زنگ نزن پایه نیکلی، خوردگی اتصالات جوشکاری شده می‌تواند شدید باشد با وجود اینکه اگر این مواد به‌طور مکانیکی به هم متصل شوند، به ندرت دستخوش خوردگی گالوانیک می‌شوند.What does welder "duty cycle" mean? تاریخچه درحالی که نمونه‌هایی از جوشکاری فورجینگ به عصر برنز و عصر آهن بر می‌گردد جوشکاری قوسی تا خیلی بعد تر مورد استفاده نبود. یک فیزیکدان روس به نام واسیلی پتروف (Vasily Petrov)، به‌طور مستقل قوس الکتریکی را در ۱۸۰۲ کشف کرد و پس از آن، کاربردهای عملی ممکن آن از جمله جوشکاری را پیشنهاد داد. هنگامی که نیکولای بناردوس (Nikolai Benardos) جوشکاری قوسی فلزات را با استفاده از الکترود کربن در نمایشگاه بین‌المللی الکتریسیته در پاریس در سال ۱۸۸۱ ارائه کرد، جوشکاری قوسی برای نخستین بار کشف شد. در همان سال، مخترع فرانسوی حوزه برق یعنی آگوست دمریتنز (Auguste de Méritens) نیز روش جوشکاری قوسی کربنی را اختراع و در ۱۸۸۱ ثبت کرد که برای جوشکاری سرب در ساخت باتری‌های سرب اسید با موفقیت بکار برده شد. Holslag) اختراع شد اما تا یک دهه بعد، محبوب نشد.فرایندهای جوشکاری رقیب مانند جوشکاری مقاومتی و جوشکاری اکسی سوخت در طی این زمان ایجاد شدند اما هردو آنها به‌ویژه جوشکاری اکسی سوخت با رقابتی سرسختانه از جانب جوشکاری قوسی روبرو شدند به‌ویژه پس از ایجاد پوشش‌های فلزی (با عنوان فلاکس) برای الکترود به منظور پایدارسازی قوس و حفاظت از ماده پایه در برابر ناخالصی‌ها که منجر به ادامه توسعه دادن این روش‌ها شد. در طول جنگ جهانی اول، جوشکاری شروع به استفاده در ساخت کشتی در بریتانیا به‌جای صفحات فولادی پرچ شده شد. آمریکایی‌ها نیز هنگامی که جوشکاری موجب شد بتوانند کشتی‌هایشان را پس از حمله آلمان به نیویورک هاربور در ابتدای جنگ سریعاً تعمیر کنند، به این فناوری جدید اقبال بیشتری پیدا کردند. جوشکاری قوسی برای اولین بار برای هواپیماها در طول جنگ بکار رفت و برخی از بدنه¬ هواپیماهای آلمانی با استفاده از این فرایند ساخته شدند. گاز محافظ تبدیل به موضوعی مورد توجه شد زیرا دانشمندان تلاش می‌کردند تا جوش‌ها را از تأثیرات اکسیژن و نیتروژن موجود در اتمسفر حفاظت کنند. تخلخل و تردی، مسائل اصلی بودند و راه حل‌های ایجادشده عبارت بودند از استفاده از استفاده از هیدروژن، آرگون و هلیوم بعنوان اتمسفر جوشکاری. در طول دهه‌های بعدی، پیشرفت‌های بیشتری دربارهٔ جوشکاری فلزات واکنشی مانند آلومینیوم و منیزیم رخ داد. این موضوع همراه با پیشرفت‌های رخ داده در جوشکاری خودکار، جریان متناوب و فلاکس‌ها منجر به گسترش استفاده از جوشکاری قوسی در دهه ۱۹۳۰ و سپس در طول جنگ جهانی دوم گردید.در طی اواسط قرن بیستم، روش‌های جوشکاری جدید زیادی اختراع شدند. جوشکاری قوس با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز- پس از دهه‌ها توسعه پیدا کردن- در نهایت در ۱۹۴۱ کامل شد و به دنبال آن، جوشکاری قوسی با گاز محافظ در ۱۹۴۸ ایجاد گردید که منجر به جوشکاری سریع مواد غیرآهنی می‌شد اما به گازهای محافظ گران‌قیمت نیاز داشت. با توجه به استفاده از الکترود مصرفی و اتمسفر دی‌اکسید کربن بعنوان گاز محافظ، این روش تبدیل به محبوب‌ترین فرایند جوشکاری قوسی فلزات شد. در ۱۹۵۷، فرایند جوشکاری قوس الکتریکی با سیم توپودری مصرفی آغاز به کار کرد که در آن، سیم جوش خود‌محافظت کننده را با تجهیزاتی خودکار می‌توان بکار برد که منجر به سرعت‌های جوشکاری بسیار بالا می‌شود. | ## جمع‌بندی | جوشکاری الکترواسلگ در ۱۹۵۸ و به دنبال آن در ۱۹۶۱، هم خانواده این روش یعنی جوشکاری الکتروگازی (برقی گازی) معرفی شدند.