جوشکاری

مقدمه
اولین امتیاز ثبت شده در فرایند جوشکاری قوس- زیرپودری (SAW) در سال ۱۹۳۵م. به دست آمد که شامل یک قوس الکتریکی زیر بستری از پودر فلاکس می شد. این روش جوشکاری در طول جنگ جهانی دوم توسط شرکت جوشکاری الکتریکی EO Paton توسعه یافت که معروفترین کاربرد این روش در جوشکاری تانک T-34 بود.
مشخصات فرایند
شبیه به فرایند جوشکاری MIG، جوشکاری زیرپودری مستلزم تشکیل یک قوس
بین قطعه کار و یک الکترود سیمی بدون پوشش که به صورت مداوم پایین می آید می باشد. فرایندSAW از یک فلاکس برای تولید گازها و سرباره محافظ و همچنین افزودن عناصر آلیاژی به حوضچه ذوب استفاده می کند.

در این روش گاز محافظ لازم نیست. پیش از انجام جوشکاری یک لایه نازک از پودر فلاکس در سطح قطعه کار قرار می گیرد. قوس در امتداد خط اتصال حرکت می کند و پس از انجام جوشکاری پودر اضافی به یک قیف نگهدارنده برگردانده می شود. لایه های سرباره ذوب شده باقی مانده بعد از جوشکاری را می توان به راحتی از بین برد. هنگامی که قوس به طور کامل با لایه فلاکس پوشیده می شود ،اتلاف حرارت به شدت کاهش می یابد. این امر یک راندمان حرارتی بالا به میزان ۶۰٪ فراهم می کند (در مقایسه با ۲۵٪ برای روش قوس- فلز دستی).

در این روش نور و اشعه قابل مشاهده ای وجود ندارد و نیازی به خارج سازی دود و گاز نیست.
مشخصه های اجرایی فرایند

روش SAW معمولا به عنوان یک فرایند تمام مکانیزه یا اتوماتیک انجام می شود. اما به صورت نیمه اتوماتیک نیز می تواند باشد. پارامترهای جوشکاری از جمله جریان ،ولتاژ قوس و سرعت حرکت جوشکاری همگی بر روی شکل ظاهر جوش،عمق نفوذ و ترکیب شیمیایی فلز جوش رسوب داده شده تاثیر می گذارند. از آنجا که جوشکار نمی تواند حوضچه جوش را ببیند ،باید ضریب اطمینان بزرگتری را در تنظیم پارامترها به کار برد.
متغیرهای فرایند

بنا به ضخامت ماده مورد جوش ،شکل اتصال و اندازه اجزا،تغییر متغیرهای زیر می توان باعث افزایش نرخ رسوب و بهبود شکل ظاهری جوش بشوند:
سیم جوشکاری(wire) : روش SAW معمولا به وسیله یک سیم جوش واحد و با هر دو جریان AC و DC انجام می شود. متغیرهای رایج در مورد سیم جوشکاری عبارتند ار:
سیم زوج- سیم جوش چند تایی( جفتی یا سه تایی )- تک سیم به همراه سیم سرد یا گرم اضافی
– افزودن پودر فلز- سیم جوش لوله ای

همه این موارد در جهت بهبود بهره وری به واسطه افزایش مشخصی در سرعت رسوب فلز جوش و یا سرعت جوشکاری سهیم اند. یک فرایند ” درز باریک ” نیز پایه گذاری شده که از تکنیک رسوبدهی دو یا سه مهره جوش به ازای هر لایه استفاده می کند.

سیم الکترود به صورت کلافهای ۱۰۰-۲۵کیلویی با پوشش نازک مسی و معمولا از فولادهای
کربنی تهیه می شوند. هرچند در حال حاضر بعضی از سازندگان از قرقره هایی با حجم و وزنبیشتر حتی تا kg 1000نیز استفاده می نمایند. در مواقع خاص کلافهای فولادهای آلیاژی و آلیاژهای دیگر هم تولید می شوند. پوشش نازک مسی به منظور بهبود هدایت الکتریکی در لوله اتصالی (افت پتانسیل کمتر)و بالا بردن مقاومت در بربر زنگ زدگی در انبار بر روی سیم قرار داده می شود. سیم جوش های مورد استفاده در جوشکاری زیرپودری باید دارای سطحی تمیز و بدون هرگونه کثیفی باشند، البته بعضی ازانواع باریک سیم الکترود با لایه نازکی از

روغنهای مخصوص (بدون ترکیبات هیدروژن دار) پوشانده می شود تا امکان تغذیه سیم ها از درون نازل و مسیر هدایت به آسانی فراهم گردد. .قطر سیم الکترود mm 7.9-1.6 است که با شدت جریانی حدودA 2000-300 قابل استفاده هستند. هر چه قطرسیم جوش کمتر باشد،کنترل حوضچه جوش دقیقتر و هرچه قطر سیم جوش بیشتر باشد به جریانهای بالاتر نیاز است. معمولا الکترودهای باریک برای روشهای نیمه اتوماتیک و یا کنترل دقیق حوضچه جوش به کار برده می شوند در حالی که الکترودهای کلفت برای جریانهای بالا و اتصال فلزات با ضخامت بالا مناسب است. ترکیب شیمیایی الکترود ها فاکتور مهمی بر روی کنترل ترکیب شیمیایی و خواص فلز جوش است و انتخاب نوع الکترود با ترکیب خاص به جنس فلز قطعه کار و همچنین نوع فلاکس بستگی دارد.

در مواردیکه به نرخ رسوب بالاتر از میزان معمولی نیاز باشد به کاربردن الکترودهای دویا چندتایی با قطر باریکتر به جای استفاده از الکترودهای ضخیمتر موثرترند.
با این تدبیر نرخ رسوب تا ۵۰٪ افزایش می یابد. دو یا چند الکترود پهلوی یکدیگر قرار گرفته و یک حوضچه جوش را تغذیه می کنند (حالت سری) ویا اینکه الکترودها با فاصله متناسب و به طور متوالی از هم قرار گرفته وبه صورت غیر وابسته چند پاس جوش در یک عبور جوش داده می شود.(حالت متوالی)

استفاده از الکترودهای ورقی یا نواری نازک با جوش پهن و کم عمق بیشتر برای پوشش دادن لایه سخت یا زنگ نزن بر روی کار رواج یافته است که جوشی با نفوذ کم و پهنای زیاد رسوب داده خواهد شد. در موار مشابه می توان از الکترودهای سری بسته شده که قوس در حقیقت بین دو الکترود نگهداشته شده است استفاده کرد و حتی عناصر آلیاژی و پودر آهن از کانال جداگانه ای پیشاپیش قوس اضافه کردتا نرخ رسوب افزایش یافته و عمق نفوذ کاهش یابد.

فلاکس: فلاکسهای استفاده شده در روش SAW مواد معدنی گدازنده دانه ای شکل اند که شامل اکسیدهای منگنز، سیلیسیم ، تیتانیوم ، آلومینیم ، کلسیم ، زیرکونیم ، منیزیوم و دیگر ترکیبات مثل فلوئورید کلسیم (CaF2) می باشند. فلاکس به طور ویژه ای فرمول بندی شده که با نوع معینی از سیم الکترود سازگاری داشته باشد تا ترکیب فلاکس و سیم جوش ،خواص مکانیکی مطلوب را ایجاد کند. یک تجربه رایج این است که اگر فلاکس ها به فلز جوش منگنز و سیلیسیم اضافه کنند، به آنها به عنوان فلاکس فعال رجوع می شود که مقدار منگنز و سیلیسیم اضافه شده از ولتاژ قوس و شدت جریان جوشکاری تاثیر می پذیرد.انواع اصلی فلاکس ها برای SAW

عبارتند از:
الف) فلاکس های باند شده(به هم چسبانده شده): تولید این پودرها به وسیله خشک کردن اجزا و سپس چسباندن آنها به یکدیگر به وسیله یک ترکیب با نقطه ذوب پایین مثل سیلیکات سدیم انجام می شود. اغلب فللاکس های باند شده دارای اکسیدزداهای فلزی هستند که به جلوگیری از تخلخل جوش کمک می کنند. این فلاکس ها از زنگ زدگی و مقیاس آسیاب شدن تاثیر می پذیرند.

ب)فلاکس های پیش ذوب شده: به وسیله مخلوط کردن اجزا،سپس ذوب کردن آنها در یک کوره الکتریکی برای تشکیل یک محصول شیمیایی همگن تولید می شوند و سپس خنک شده و خرد می شوند تا به اندازه ذرات مورد نیاز برسند.از جذابیت اصلی این فلاکس ها ایجاد قوس نرم و پایدار در شدت جریانهای تاA)) 2000وهمچنین ایجاد خواص ثابت فلز جوش را می توان نام برد.

وظایف فلاکس در این روش جوشکاری عبارتند از:
الف) پوشاندن ومحافظت نوک الکترود وحوضچه جوش از اتمسفر هوا
ب) پایدار کردن خصوصیات قوس با حضور بعضی ترکیبات مناسب در پودر
ج) واکنشهای سرباره – گاز – مذاب فلز که باعث تصفیه وتصحیح ترکیب شیمیایی فلزجوش می شود.
د) کنترل شکل باند یا گرده جوش با داشتن نقطه ذوب ،ویسکوزیته و خواص مناسب دیگر
سایر متغیرها:

در میان متغیرهایی که برای ایجاد جوش با کیفیت عالی باید دقیقا کنترل شوند ، شدت جریان، نوع و قطب جریان الکتریکی ، ولتاژ جوشکاری و سرعت، اهمیت بیشتری دارند. همچنین اثر ترکیب شیمیایی فلز قطعه کار ، الکترود و پودر جوش بر روی کیفیت نهایی جوش را نیز نباید نادیده گرفت. عوامل دیگری نظیر ضخامت قطعه کار، طرح اتصال ، درجه حرارت پیش گرم قطعه و عملیات حرارتی پس از جوشکاری نیز بر روی کیفیت موضع اتصال تاثیر گذارند.

افزایش شدت جریان رابطه مستقیم با عمق نفوذ جوش دارد و هر چه شدت جریان کم باشد جوشی کم نفوذ ایجاد می شود. جریان یکنواخت با قطب مستقیم (DCEN ) عمق نفوذ بیشتر از حالت الکترود مثبت ایجاد می کند و میزان نرخ رسوب با شدت جریان رابطه مستقیم دارد. ولتاژ جوشکاری به طور کلی تعیین کننده شکل جوش و مقدار حرارت ورودی می باشد. با افزایش ولتاژ پهنای گرده یا باند جوش وسیعتر و پخ تر می شود. همچنین مصرف پودر جوش افزایش می یابد. ولتاژ زیاد که در نتیجه طول قوس بلند است باعث شکسته شدن قوس در زیر سرباره شده و منجر به تماس هوا با مذاب و افزایش میزان ناخالصی های اکسیژن و نیتروژن و حتی خلل وفرج در جوش می شود.

افزایش سرعت جوشکاری تاثیر مهمی برروی نرخ تولید و کیفیت متالورژیکی جوش دارد.
افزایش سرعت، زمان تولید واحد معین گرده جوش را کاهش می دهد اما اثر کمی برروی زمان تولید واحد طول جوشهای شیاردار برای جریان الکتریکی و اندازه الکترود خاص دارد. افزایش سرعت یکی از راههای تقلیل حرارت داده شده به قطعه کار و افزایش سرعت سردشدن جوش می باشد. سرعت خیلی زیاد عمل آغشتگی یا خیس شدن را کاهش داده و احتمال بریدگی کناره را افزایش می دهد همچنین احتمال وزش قوس ، خلل وفرج و شکل ناموزون گرده جوش افزایش می یابد. سرعت کم باعث به وجود آمدن حوضچه جوش حجیم وگاهی جاری شدن مذاب جوش به اطراف می شود.

عمق لایه فلاکس نیز نه باید آنقدر کم باشد که قوس لایه سرباره مذاب را شکسته و بدون پوشش درمقابل هوا قرار گیرد و نه آنقدر زیاد که گازهای حاصل از واکنش سرباره و فلز نتوانند به راحتی منطقه جوش را ترک کنند و ایجاد عیوب در جوش کنند.
عمق نفوذ با فاصله زیر سطح اولیه کار تا سطح ذوب فلز تعریف شده است که در درجه اول به چگالی شدت جریان وبه مقیاس کمتر به ولتاژ،سرعت،نوع پودر جوش و پارامترهای دیگر بستگی دارد. درجه رقت یا امتزاج (Dilution) نیز عبارتست از نسبت فلز ذوب شده از قطعه کار به کل فلز جوش(فلز ذوب شده قطعه کار+ فلز رسوب داده شده از الکترود) که به طور کلی ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی جوش را کنترل می کند.