جوشکاری با قوس الکتریکی
جوشکاری با قوس الکتریکی نوعی جوشکاری است که در آن از قوس الکتریکی به عنوان منبع حرارتی در جوشکاری استفاده می‌شود.
روشهای جوشکاری با قوس الکتریکی عبارت‌اند از: برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز فرآیند جوش قوسی از منبع تغذیه های مختلفی می توان استفاده کرد.رایج ترین طبقه بندی آن ها منابع تغذیه جریان ثابت و منابع تغذیه ولتاژ ثابت می باشند.در جوش قوسی ولتاژ مستقیما به طول قوس و جریان به میزان حرارت ورودی وابسته است.منبع تغذیه های جریان ثابت غالبا برای فرآیند های جوشکاری دستی مانند جوشکاری قوسی گاز تنگستن و جوشکاری قوسی فلز پوشش دار استفاده می شوند زیرا حتی با تغییر ولتاژ نیز جریان نسبتا ثابتی را حفظ می کنند.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 می کند.منابع تغذیه ولتاژ ثابت، ولتاژ را ثابت نگه داشته و جریان را تغییر می دهند به همین خاطر اغلب برای فرآیند های جوشکاری اتوماتیک مانند جوشکاری قوسی با گاز محافظ ،جوشکاری قوسی با مفتول تو پودری و جوشکاری زیر پودری استفاده می شود.در این روش ها طول قوس ثابت نگه داشته می شود، زیرا هر گونه نوسان در فاصله بین سیم و ماده پایه به سرعت با تغییر زیاد جریان اصلاح می شود.برای مثال اگر سیم و ماده پایه به یکدیگر خیلی نزدیک شوند، جریان به سرعت افزایش می یابد، به همین خاطر گرما زیاد می شود و در نتیجه نوک سیم ذوب می گردد و آن را به فاصله جدایی اصلی خود بر می گرداند.
برای تامین انرژی الکتریکی لازم برای فرایندهای جوش قوسی، چندین منبع توان متفاوت می توان بکار برد. مرسوم ترین دسته بندی عبارت است از منابع توان با جریان ثابت و منابع توان با ولتاژ ثابت. در جوشکاری قوسی، ولتاژ رابطه مستقیمی با طول قوس دارد و جریان با مقدار گرمای ورودی مرتبط است. منابع توان با جریان ثابت، بیشتر برای فرایندهای جوشکاری دستی نظیر جوشکاری قوس با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز و جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود پوشش دار بکار می روند زیرا این فرایندها حتی با تغییر ولتاژ نیز یک جریان نسبتا ثابت را حفظ می کنند. این موضوعی مهم است زیرا در جوشکاری دستی، ثابت نگه داشتن کامل الکترود می تواند دشوار باشد و در نتیجه، طول قوس و بنابراین، ولتاژ به نوسان کردن تمایل دارد. منابع توان با ولتاژ ثابت، ولتاژ را ثابت و جریان را تغییر می دهند و در نتیجه، غالبا برای فرایندهای خودکار جوشکاری نظیر جوشکاری قوسی با گاز محافظ، جوشکاری قوس الکتریکی با سیم توپودری مصرفی و جوشکاری زیرپودری بکار می روند. در این فرایندها، طول قوس ثابت نگه داشته می شود زیرا هرگونه نوسان در فاصله بین سیم جوش و ماده پایه بوسیله تغییر زیاد جریان، سریعا یکسوسازی (اصلاح) می شود. برای نمونه، اگر سیم جوش و ماده پایه بیش از حد به هم نزدیک شوند، جریان سریعا 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 بکاررفته در جوشکاری قوسی نیز نقش مهمی در جوشکاری بازی می کند. فرایندهای الکترود مصرفی نظیر جوشکاری قوسی فلز پوشش‌دار و جوشکاری قوسی با گاز محافظ بطور معمول از جریان مستقیم استفاده می کنند اما الکترود را می توان بطور مثبت یا منفی شارژ کرد. بطور کلی، آند با بار مثبت، تمرکز دمای بیشتری (حدود 60 درصد) خواهد داشت . توجه داشته باشید که برای جوشکاری چسبی بطور کلی، قطبیت DC+ بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. این قطبیت، پروفیل خط جوش مناسب با سطح نفوذ بالاتری ایجاد می کند. قطبیت DC- منجر به نفوذ کمتر و سرعت بالاتر ذوب الکترود می شود. برای مثال، این قطبیت گاهی برای ورق های نازک فلزی برای جلوگیری از سوختگی بکار می رود . با چند استثناء، الکترود-مثبت (قطبیت معکوس) منجر به نفوذ عمیق تر می شود و بنابراین، موجب نرخ رسوب سریع تر می گردد." فرایندهای با الکترود غیرمصرفی نظیر جوشکاری قوس با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز می توانند از یکی از انواع جریان مستقیم (DC) و نیز جریان متناوب (DC) استفاده کنند. اما در جریان مستقیم، چون الکترود ایجاد قوس می کند اما ماده پرکننده را تامین نمی کند، یک الکترود با بار مثبت موجب جوش های کم عمق می شود درحالی که، یک الکترود با بار منفی، جوش های عمیق تر ایجاد می کند . جریان متناوب سریعا بین این دو حالت حرکت می کند و منجر به جوش های با عمق نفوذ متوسط می گردد. یکی از معایب AC عبارتست از اینکه پس از هرگذر از صفر ، قوس باید دوباره برقرار شود. با اختراع واحدهای توان ویژه که الگوی موجی مربعی بجای موج معمولی سینوسی ایجاد می کنند، این عیب برطرف شده است که موجب زمان ولتاژ کم پس از گذر از صفر و کمینه کردن تاثیرات این مشکل می شوند . چرخه کاری، یک مشخصه ابزار جوشکاری است که تعداد دقایق در یک بازه زمانی 10 دقیقه ای را تعریف می کند که در طول این زمان، دستگاه جوشکاری قوس را می توان بطور ایمن استفاده کرد. برای نمونه، دستگاه جوشکاری A 80 با چرخه کاری 60 درصد پس از 6 دقیقه جوشکاری پیوسته باید دست کم به مدت 4 دقیقه استراحت کند. رعایت نکردن محدودیت های چرخه کاری می تواند به دستگاه جوشکاری آسیب بزند. دستگاه های جوش تجاری یا حرفه ای معمولا چرخه کاری 100 درصدی دارند.
یکی از مرسوم ترین انواع جوشکاری قوسی، جوشکاری قوسی فلز پوشش‌دار (SMAW) است که همچنین با عناوین جوشکاری قوسی دستی فلز (MMAW) یا جوشکاری چسبی نیز شناخته می شود. برای ایجاد قوس بین ماده پایه و یک میله الکترود مصرفی، جریان الکتریکی بکار می رود. میله الکترود از ماده ای سازگار با ماده پایه که جوشکاری می شود ساخته می شود و با فلاکسی که بخار ساطع کرده پوشانده می شود. این بخار بعنوان گاز محافظ عمل کرده و لایه ای از سرباره ایجاد می کند که هردوی این ها از ناحیه جوش در برابر آلودگی اتمسفری محافظت می کنند. هسته الکترود بعنوان ماده پرکننده عمل کرده و استفاده از یک پرکننده جداگانه غیرضروری می شود. فرایند بسیار انعطاف پذیر است و به آموزش کم کاربر و تجهیزات غیرگران قیمت نیاز دارد. اما زمان های جوش نسبتا آهسته هستند زیرا الکترودهای مصرفی را باید مکررا جایگزین کرد زیرا سرباره و بقایای فلاکس را باید پس از جوشکاری تمیز کرد. همچنین، این فرایند معمولا محدود به جوشکاری مواد آهنی می شود، اگرچه الکترودهای خاصی، جوشکاری چدن، نیکل، آلومینیوم، مس و دیگر فلزات را ممکن ساخته است. انعطاف پذیری این روش موجب محبوبیت آن در برخی کاربردها ازجمله کارهای تعمیراتی و ساخت شده است. جوشکاری قوسی با گاز محافظ (GMAW) که معمولا MIG (برای فلز/گاز خنثی) نامیده می شود یک فرایند جوشکاری نیمه خودکار یا خودکار است که در آن، یک سیم جوش مصرفی که بطور پیوسته خورانده می شود بعنوان الکترود و فلز پرکننده برای حفاظت از جوش در برابر آلودگی عمل می کند. منبع توان با ولتاژ ثابت و جریان مستقیم پرکاربردترین منبع توان مورد استفاده در GMAW است اما جریان متناوب نیز بکار می رود. در الکترودهای پرکننده با خوراند (=تغذیه) پیوسته، GMAW سرعت های جوشکاری نسبتا بالایی دارد اما وجود تجهیزات پیچیده تر در این حالت، از راحتی و انعطاف پذیری فرایند در مقایسه با فرایند SMAW می کاهد. اگرچه GMAW در ابتدا برای جوشکاری آلومینیوم و دیگر مواد غیرآهنی در دهه 1940توسعه داده شد اما خیلی زود بدلیل اقتصادی بودن به فولادها نیز تعمیم داده شد. امروزه، GMAW در صنایعی نظیر خودروسازی بدلیل کیفیت، انعطاف پذیری و سرعت خود رایج شده است. بدلیل نیاز به حفظ پایدار گاز محافظ در اطراف محل جوش، استفاده از فرایند GMAW در مکان هایی با حرکت شدید هوا نظیر بیرون از ساختمان، می تواند دردسرساز باشد. جوشکاری قوسی توپودری (FCAW) گونه ای از روش GMAW است. سیم جوش FCAW درواقع یک لوله فلزی ظریف است که با مواد پودری فلاکس پرشده است. از گاز محافظی که از بیرون اعمال می شود گاهی استفاده می شود اما غالبا خود فلاکس برای ایجاد حفاظت لازم در برابر اتمسفر کفایت می کند. بدلیل سرعت جوشکاری بالا و قابلیت حمل، از این فرایند در ساخت و ساز بطور گسترده ای استفاده می شود. 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 می شود. این موضوع، کیفیت قوس را افزایش می دهد زیرا آلاینده های موجود در اتمسفر بوسیله فلاکس مسدود می شوند. سرباره تشکیل شده روی جوش معمولا خودبه خود از بین می رود 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 نمی شود. این فرایند معمولا در صنعت بکار می رود بویژه برای قطعات بزرگ. از آنجا که قوس قابل دیدن نیست، معمولا فرایند خودکار است. SAW فقط در موقعیت های 1F (گوشه ای تخت)، 2F (گوشه ای افقی) و 1G (شیاری تخت) امکان اجرا دارد.
جوشکاری قوس با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز (GTAW) یا جوشکاری تنگستن/گاز خنثی (TIG) 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 می کند. از آنجا که این فرایند بطور خاص برای جوشکاری مواد نازک مفید است، این روش بوسیله یک قوس پایدار و جوش های با کیفیت بالا شناخته می شود اما به مهارت زیاد کاربر نیاز دارد و صرفا در سرعت های نسبتا کم با موفقیت به انجام می رسد. از این فرایند در تقریبا همه فلزات قابل جوش می توان استفاده کرد هرچند بیشترین قابلیت اعمال را به فولاد زنگ نزن و فلزات سبک دارد. این فرایند غالبا هنگامی استفاده می شود که وجود جوش با کیفیت بسیار مهم باشد ازجمله در دوچرخه، هواپیما و کاربردهای دریایی.فرایند جوشکاری قوسی پلاسما – که فرایندی مرتبط با GTAW است- نیز از یک الکترود تنگستنی استفاده می کند اما برای قوس زدن از گاز پلاسما بهره می برد. در این روش، قوس نسبت به قوس GTAW متمرکزتر است که موجب می شود کنترل عرضی بحرانی تر باشد و در نتیجه، موجب می شود که این روش محدود به یک فرایند مکانیزه شده باشد. بدلیل وجود جریان پایدار در این روش، از آن می توان در گستره وسیع تری از ضخامت ها نسبت به فرایند GTAW استفاده کرد و بسیار سریع تر است. می توان آن را برای جوشکاری همان موادی که GTAW می تواند جوشکاری کند بکار برد به استثنای منیزیم. جوشکاری خودکار فولاد زنگ نزن یکی از کاربردهای مهم این فرایند است. 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). برخی مواد بویژه فولادهای با استحکام بالا، آلومینیوم و آلیاژهای تیتانیوم مستعد به تردی هیدروژنی هستند. اگر الکترودهای بکاررفته برای جوشکاری، حاوی مقدار اندکی رطوبت باشند، آب در گرمای قوس تجزیه شده و هیدروژن آزادشده به شبکه ماده وارد می شود که موجب تردی می گردد. الکترودهای چسبان برای چنین موادی پوشش خاص کم هیدروژن دارند و در بسته های ضد رطوبت درزگیری شده جابجا می شوند. الکترودهای جدید را مستقیما از قوطی می توان استفاده کرد اما هنگامی که مشکوک به جذب رطوبت باشند با انجام عمل پخت (معمولا در °C 450 تا 550 یا °F 840 تا 1020) در یک گرم کن خشک کننده، باید خشک شوند. فلاکس بکاررفته را نیز باید خشک نگه داشت.برخی فولادهای زنگ نزن آستنیته و آلیاژهای پایه نیکل مستعد به خوردگی بین دانه ای هستند. هنگامی که این فولادها در معرض دماهایی در حدود °C 700 (°F 1300) بمدتی بسیار طولانی قرار بگیرند، کروم با کربن موجود در ماده واکنش داده و کاربید کروم تشکیل می دهد که موجب تهی شدن لبه های بلور از کروم شده و مقاومت به خوردگی را در فرایندی به نام حساس شدن تضعیف می کند. این فولاد حساس شده دستخوش خوردگی در نواحی نزدیک به جوش می شود که در این نواحی شرایط دما-زمان بری تشکیل کاربید مناسب بوده است. از این نوع خوردگی غالیا با عنوان فساد جوش یاد می شود. خوردگی شیار چاقو (KLA) نوع دیگر خوردگی است که بر جوش در فولادهای پایدارشده بوسیله نیوبیوم تاثیرگذار است. نیوبیوم و کاربید نیوبیوم در دماهای بسیار بالا حل می شود. در برخی حالت های تبرید، کاربید نیوبیوم رسوب نمی کند و در نتیجه، فولاد مانند فولاد پایدارنشده رفتار می کند و بجای آن، کاربید کروم تشکیل می شود. این موضوع صرفا بر ناحیه ای نازک به پهنای چند میلی متر در فاصله بسیار نزدیک به جوش تاثیرگذاز است که تشخیص آن را دشوار کرده و سرعت خوردگی را افزایش می دهد. سازه های ساخته شده از چنین فولادهایی را باید بطور کلی تا °C 1100 ( °F 1830) حرارت داد که در این دما کاربید کروم حل و کاربید نیوبیوم تشکیل می شود. نرخ تبرید پس از این عملیات مهم نیست.اگر فلز پرکننده (ماده الکترود) برای شرایط محیطی بطور نادرست انتحاب شده باشد می تواند موجب حساسیب به خوردگی نیز شود. 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 می تواند شدید باشد با وجود اینکه اگر این مواد بطور مکانیکی به هم متصل شوند، به ندرت دستخوش خوردگی گالوانیک می شوند.
درحالی که نمونه هایی از جوشکاری فورجینگ به عصر برنز و عصر آهن بر می گردد جوشکاری قوسی تا خیلی بعد تر مورد استفاده نبود.در 1800، همفری دیوی (Humphry Davy) قوس های الکتریکی با پالس کوتاه را کشف کرد. یک فیریکدان روس به نام واسیلی پتروف (Vasily Petrov)، بطور مستقل قوس الکتریکی را در 1802 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 بین المللی الکتریسیته در پاریس در سال 1881 ارائه کرد، جوشکاری قوسی برای نخستین بار کشف شد. وی به همراه استانیسلاو اولژوسکی (Stanisław Olszewski) در 1887، این موضوع را ثبت اختراع کردند. در همان سال، مخترع فرانسوی حوزه برق یعنی آگوست دمریتنز (Auguste de Méritens) نیز روش جوشکاری قوسی کربنی را اختراع و در 1881 ثبت کرد که برای جوشکاری سرب درساخت باتری های سرب اسید با موفقیت بکار برده شد. پیشرفت ها در جوشکاری قوسی با اختراع الکترودهای فلزی در اواخر قرن 19 بوسیله یک روس به نام نیکولای اسلاویانوف (Nikolai Slavyanov) در 1888 و یک آمریکایی به نام سی. ال کافین ادامه پیدا کرد. در حدود 1900، ای. پی استرومنگر (A. P. Strohmenger) در بریتانیا، از یک الکترود فلزی پوشش دار پرده برداری کرد که قوس پایدارتری ایجاد می کرد. در 1905، دانشمند روسی به نام ولادیمیر میتکویچ (Vladimir Mitkevich) استفاده از قوس الکتریکی سه فاز را برای جوشکاری پیشنهاد داد. در 1919، جوشکاری با جریان متناوب بوسیله سی.جی. هولسلاگ (C.J. 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 بویژه جوشکاری اکسی سوخت با رقابتی سرسختانه از جانب جوشکاری قوسی روبرو شدند بویژه پس از ایجاد پوشش های فلزی (با عنوان فلاکس) برای الکترود به منظور پایدارسازی قوس و حفاظت از ماده پایه در برابر ناخالصی ها که منجر به ادامه توسعه دادن این روش ها شد.
در طول جنگ جهانی اول، جوشکاری شروع به استفاده در ساخت کشتی در بریتانیا بجای صفحات فولادی پرچ شده شد. آمریکایی ها نیز هنگامی که جوشکاری موجب شد بتوانند کشتی هایشان را پس از حمله آلمان به نیوریورک هاربور در ابتدای جنگ سریعا 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. در 1919، شرکت کشتی سازی بریتانیایی Cammell Laird شروع به ساخت یک کشتی تجاری با عنوان Fullagar کرد که کل بدنه آن جوشکاری شده بود. این کشتی در 1921 به آب انداخته شد. در طول دهه 1920، پیشرفت های عمده ای در فناوری جوشکاری رخ داد از جمله معرفی جوشکاری خودکار در 1920 که در آن سیم جوش الکترود بطور پیوسته خورانده می شد. گاز محافظ تبدیل به موضوعی مورد توجه شد زیرا دانشمندان تلاش می کردند تا جوش ها را از تاثیرات اکسیژن و نیتروژن موجود در اتمسفر حفاظت کنند. تخلخل و تردی، مسائل اصلی بودند و راه حل های ایجادشده عبارت بودند از استفاده از استفاده از هیدروژن، آرگون و هلیوم بعنوان اتمسفر جوشکاری. در طول دهه های بعدی، پیشرفت های بیشتری درباره جوشکاری فلزات واکنشی مانند آلومینیوم و منیزیم رخ داد. این موضوع همراه با پیشرفت های رخ داده در جوشکاری خودکار، جریان متناوب و فلاکس ها منجر به گسترش استفاده از جوشکاری قوسی در دهه 1930 و سپس در طول جنگ جهانی دوم گردید.در طی اواسط قرن بیستم، روش های جوشکاری جدید زیادی اختراع شدند. جوشکاری قوسی زیرپودری در 1930 اختراع شد که هنوز هم محبوب است. در 1932، یک فرد روس به نام کنستانتین خرنوف (Konstantin Khrenov) با موفقیت نخستین جوشکاری قوسی الکتریکی زیرآب را بکار برد. جوشکاری قوس با الکترود تنگستن تحت پوشش گاز- پس از دهه ها توسعه پیدا کردن- در نهایت در 1941 کامل شد و به دنبال آن، جوشکاری قوسی با گاز محافظ در 1948 ایجاد گردید که منجر به جوشکاری سریع مواد غیرآهنی می شد اما به گازهای محافظ گران قیمت نیاز داشت. با توجه به استفاده از الکترود مصرفی و اتمسفر دی اکسید کربن بعنوان گاز محافظ، این روش تبدیل به محبوب ترین فرایند جوشکاری قوسی فلزات شد. در 1957، فرایند جوشکاری قوس الکتریکی با سیم توپودری مصرفی آغاز به کار کرد که در آن، سیم جوش خودمحافظت کننده را با تجهیزاتی خودکار می توان بکار برد که منجر به سرعت های جوشکاری بسیار بالا می شود. در همان سال، جوشکاری قوسی پلاسما اختراع شد. جوشکاری الکترواسلگ در 1958 و به دنبال آن در 1961، هم خانواده این روش یعنی جوشکاری الکتروگازی (برقی گازی) معرفی شدند .