جوش زير پودري

جوش زير پودري يک فرايند جوش قوس الکتريکي است که در آن گرماي لازم براي جوشکاري توسط يک يا چند قوس بين يک فلز پوشش نشده، يک يا چند الکترود مصرفي و يک قطعه کار تامين مي شود. قوس توسط لايه اي از فــلاکس پودري قابل ذوب شدن که فلز جوش مذاب و فلز پايه نزديک اتصال را پوشانده، و فلز جوش مذاب را از آلودگي هاي اتمسفر حفاظت مي کند پوشيده مي شود.

اصول عمليات:درجوش زير پودري جريان الکتريکي از قوس و حوضچه مذاب جوش که ترکيبي از فلاکس مذاب و فلزجوش مذاب است مي گذرد. فلاکس مذاب معمولا, هادي خوب جريان الکتريسته است، در حالي که فلاکس سرد, هادي نيست. پودر جوش مي تواند اکسيدزداها و

ناخالصي زداهايي که با فلز جوش واکنش شيميايي مي دهند را نيز تامين کند علاوه براينکه يک لايه محافظ ايجاد مي کند. فلاکس هاي جوش زير پودري فولادهاي آلياژي همچنين مي توانند حاوي عناصر آلياژي براي بهبود ترکيب شيميايي فلز جوش باشند. . جريان الکتريکي از يک ژنراتور

(ترانسفورماتور يا رکتي فاير) تامين شده، از اتصالات عبور مي کند تا قوسي را بين الکترود و فلز پايه بر قرار کند را ذوب مي کند که حوضچه مذاب را براي پرکردن اتصال تشکيل دهند. . . درکليه انواع تجهيزات, غلطک هاي هدايـت با نيروي مکانيکي بطور پيوسته سيم الکترود مصرفي فلزي را از ميان لوله تماس (نازل) و توده فلاکس به اتصالي که بايد جوش شود مي راند. سيم الکترود عموما” يک فولاد کم کربن با ترکيب شيميايي دقيق که در يک قرقره يا بشکه پيچيده شده مي باشد. سيم

الکترود در منطقه جوش ذوب شده و در طول اتصال رسوب مي کند. فلاکس دانه اي در جلوي قوس ريخته شده و پس از انجماد فلز جوش، فلاکس ذوب نشده تــوسط سيستم مکش جمع کننده براي استفاده مجدد جمع آوري مي شود. در جوش خودکار بازيابي فلاکس مجموعه اي از تجهيزات و يک لوله بازيابي فلاکس که درست پس از لوله تماس قرار گرفته است مي باشد. ..جوش زير پودري به هر دو روش نيمه خودکار و خودکار قابل انجام بوده و روش خودکار بخاطر مزايا بيشتر، استفاده گسترده تر دارد. در روش نيمه خودکار جوشکار بصورت دستي يک تفنگ جوشکاري (به انضمام

مخزن فلاکس) که فلاکس و الکترود را به محل اتصال تغذيه مي کند را هدايـت کرده و خودش سرعت حرکت را کنترل مي کند. در روش جوش کاملا”خودکار دستگاه بصورت خودکار الکترود و فلاکس را در طول مسير جوش تغذيه و هدايـت کرده و نرخ رسوب را کنترل مي کند.در کاربردهاي خاصي جوش خودکار زير پودري دو يا چند الکترود بصورت متوالي در يک اتصال تغذيه مي شوند.

الکترودها ممکن است کنار يکديگر بوده و به يک حوضچه تغذيه شوند يا اينکه به اندازه کافي فاصله داشته تا پس از انجماد يکي حوضچه ديگري تشکيل شود و مستقلا” منجمد شوند. روش جديدتر جوش قوس هاي پشت سرهم است که جوش چند پاس را دريک شيار اتصال براي افزايش سرعت حرکت و نرخ رسوب جوشکاري تامين مي کند.

مزايا و محدوديت ها ::روش هاي خودکار و نيمه خودکار جوش زير پودري در مقايسه با ساير روش هاي جوشکاري مزايا و معايب زير را دارند:**اتصالات را مـــي توان با شيار کم عمق آمـاده نموده که باعث مصرف کمترفلز پرکننده مي شود. (در برخي کاربردها نيازي به شيار براي اتصالات بين ورق هاي با ضخامت کمتر از “۴/۱ نيست).

پوشش براي حفاظت اپراتور از قوس نياز نيست, اگرچه حفاظت چشمان اپراتور بخاطر احتمال پرتاب جرقه جوش توصيه مي شود.

جوش را مي توان با سرعت حرکت و نرخ رسوب بالا و برروي سطح صاف يا استوانه اي يا لوله و از نظر تئوري با هر اندازه و ضخامتي انجام داد. اين روش براي سخت کردن سطحي نيز مناسب است.

فـــلاکس به عنوان اکسيدزدا و آخال زدا براي خارج کردن ترکيبات ناخواسته از حوضچه جوش عمل مي کند تا جوش سالم و باخواص مکانيکي مناسب ايجاد کند.

سيم هـــاي الکترود ارزان براي جوش فولادهاي غيرآلياژي و کم کربن استفاده مي شوند. (معمولا” سيم هاي فولادي کم کربن بدون پوشش يا با پوشش نازک مسي براي هدايت بهتر و جلوگيري از خوردگي مي باشند).**جوش زير پودري را مي توان در زير وزش بادهاي نسبتا” شديد جوشکاري نمود. ذرات فلاکس حفاظت بهتري انجام مي دهند تا پوشش الکترود در روش جوشکاري الکترود دستي.
محدوديتهاي جوش زير پودري که برخي در روش هاي ديگر جوشکاري نيز وجود دارند به شرح زير است:

پودرجوش : تجهيزات حمل فلاکس و سازه نگهدارنده مخزن پودر، اتصالات ديگر و همچنين صفحه نوار يا حلقه پشتبند نيز مورد نياز مي باشد.*پودر جوش ممکن است به آلودگي هايي آغشته شود که باعث تخلخل جوش شوند.*براي دستيابي به يک جوش خوب فلز پايه بايد، يکنواخت بدون پوسته اکسيدي, زنگ, غبار و روغن و ساير آلودگي ها باشد.*جداشدن سرباره از جوش در برخي موارد به سختي صورت مي گيرد. در جوش هاي چند پاس پس از هر عبور بايد سرباره جوش برداشته شود

تا از باقي ماندنش درون فلز جوش جلوگيري شود.*اين روش معمولا” براي جوش فلزات با ضخامت کمتر از ۳/۱۶″, بخاطر Burn Through مناسب نمي باشد.*مگر در کاربردهاي خاص شديدا ” به مسطح بودن وضعيت جوشکاري محدود است، زيرا مسطح بودن و افقي بودن وضعيت براي جلوگيري از ريختن فلاکس لازم است.

فلزات مناسب جوش زير پودري:جوش زير پودري براي همه فلزات و آلياژها مناسب نيست. براي سهولت فلزات و آلياژها را مي توان با توجه به مناسب بودن آنها براي جوش زير پودري به سه دسته تقسيم کرد: فلزات بسيارمناسب، فلزات اندکي مناسب و فلزات غيرمناسب .

فلزات بسيارمناسب: جوش زير پودري بيشترين استفاده را در جوش فولادهاي غيرآلياژي (فولاد ساده ) کم کربن حاوي کمتر از %۳۰/۰ کربن, کمتر از% ۵ ۰/۰ فسفر و کمتر از % ۵ ۰/۰ گوگرد دارد. اغلب مثال هاي اين مقاله به اين فولادهامربوط است, که محدوده تنش تسليم آنها حدود ۰۰۰/۴۵ تا Psi 000/85 است و معمولا با فلاکس و الکترود AWS 15.17 – ۶۹ (مشخصات فني فلاکس ها و الکترودهاي فولادهاي آرام ساده براي جوش قوس زير پودري) جوش مي شوند

. فولادهاي کربن متوسط و کم آلياژ ساختماني در رده فولادهاي مناسب جوش زير پودري هستند اگرچه اغلب به پيشگرم، پس گرم و استفاده از فلاکس و سيم الکترودهاي ويژه نياز دارند. فولاد ضد زنگ, فولاد کربني آلياژي قابل سخت شدن, و فولاد ساختماني پراستحکام نيز با روش جوش زير پودري جوشکاري مي شوند. روش جوشکاري اين فولادها مستقلا” در مقالات ديگر با عنوان

جوشکاري فولادهاي کربني قابل سخت شدن, فولادهاي آلياژي و فولادهاي ضد زنگ توضيح داده شده است. جوش زير پودري همچنين براي ايجاد پوشش هاي مقاوم به سايش براي موقعيـت هايي که تحت سايش هستند بکار مي رود. ***فلـــزات اندکي مناسب : بــرخي فلزات و آلياژهايي را که مي شود

به روش جوش زير پودري جوش داد، بيشتر با روش هايي جوش مي دهند که منطقه حرارت داده شده باريک تر باشد. برخي فولادهاي ساختماني پراستحکام کم کـــربن جزء اين گروه هستند زيرا استحکام ضربه و کشش مورد نياز در روش جوش زير پودري به سختي بدست مي آيند. فولادهاي پرکربن, فولادهاي مار تنزيتي, و مس و آلياژهاي مس نيز جزء اين گروه هستند.

فلــزات نامناسب: چدن را معمولا” نمي توان به روش جوش زير پودري جوش داد, زيرا نمي تواند تنش هاي حرارتي ناشي از گرماي ورودي را تحمل کند. با اين حال مثال ۲۴۱ در مقاله جوش قوس چدن, کاربردي را که در آن چدن ماليبل به فولاد کم کربن جوش شده است را تشريح مي کند. مسائلي که در جوش فولاد آستنيته منگنزي و فولاد ابزار پرکربن رخ مي دهند جوشکاري آنها را با هر روش معمولي دشوار مي سازد. آلياژهاي آلومينيوم و آلياژهاي منيزيوم را نمي توان به روش زير پودري جوش داد زيرا فلاکس مناسب براي آن پيدا نمي شود. سرب و روي بخاطر نقطه ذوب پايين مناسب جوش زير پودري نيستند. تيـتانيوم در کاربردهاي آزمايشگاهي به روش زير پودري جوشکاري شده ولي فلاکس مناسب براي جوش آن تاکنون ارائه نشده است.

جنبه هاي متالورژيک :سه ويژگي جوش زير پودري در جريان هاي بالا نيازمند توجه ويژه است : الف) در صد بالاي فلز پايه در جوش هنگامي که قطب معکوس جريان مستقيم استفاده شود. ب) مقدار زياد سرباره توليد شده در عمليات . ج) گرماي ورودي زياد که ريز ساختار را تحت تاثير قرارمي دهد.*/*/هنگامي که درصد فلز پايه در رسوب فلز جوش بالا باشد, به حداقل رساندن ناخالصي

هاي مضر مانند فسفر و گوگرد بسيار اهميت دارد.مقدار زياد سرباره عموما” منبعي از سيليسيم يا منگنز است که ممکن است مقداري از آن به رسوب فلزجوش منتقل شود. لذا معمولا” هنگام استفاده از فلاکس هاي پرسيليسيم، از سيم الکترود کم سيليسيم (حداکثر % ۰۵/۰ سيليسيم) استفاده مي شود

تا از جذب سيليسيم اضافي توسط فلز جوش جلوگيري شـود. همچنين از سيم الکترود کم منگنز حاوي کمتر از ۰٫۵۰% منگنز معمولا” بـــا فلاکس هاي پـٌر منگنز استفاده مي شود. سيــــم الکترود پرمنگنز حاوي %۲ منگنز عموما” با فلاکس هاي کم منگنز استفاده مي شوند. گرماي ورودي زيادي که ازجوشکاري در جريان زياد ناشي مي شود (تا حدود ۱۵۰۰ آمپر) در سرعت هاي حرکت پايين باعث تغيير ساختار در منطقه متاثر از حرارت شده و استحکام ضربه را کاهش و استحکام کششي و دماي تبديل تردي به نرمي را افزايش مي دهد. تغييرات ريز ساختار : افزايش تغييرات ساختار فلز پايه به چهار عامل وابسته است://حداکثر دمايي که فلز در آن قرارداده مي شود //زمان آن دما//ترکيب شيميايي فلز پايه //سرعت سرد شدنساختار فلز جوش ستوني است زيرا از مرزجامد

شروع شده و فقط در يک جهت امکان رشد دارد. در فولاد کربني قابل سخت شدن امکان درشت شدن ساختار منطقه نزديک قسمت جوش از فلز پايه بخاطررسيدن به دماي حدود ۲۸۰۰ تا ۲۲۰۰ فارنهايت وجود دارد.فلزي که در دماي ۱۷۰۰ تا ۲۲۰۰ فارنهايت گرم شده نواري از دانه هاي نازک تر دارد. اگرچه اين منطقه در بيشتر از دماي دگرگوني فاز گرم شده, ولي زمان باقي ماندن در اين دما براي درشت ساختار شدن کافي نبوده است. منطقه بعدي ۱۷۰۰ تا۱۴۰۰ فارنهايت، منطقه اي

است که فولاد باز پخت شده و به مقدار قابل توجهي نرم تر از منطقه مجاور جوش است. فلز پايه دورتر از اين منطقه نيز تغيير نکرده باقي مي ماند. اندکي کاربيد کروي شده بخاطر باقي ماندن در حدود ۱۳۳۰ فارنهايت، ممکن است ايجاد شود. پيش گرم و پس گرم کردن, اصول پيش گرم کردن و پس گرم کردن براي جوش زير پودري مشابه ساير روش هاي جوشکاري است. پيش گرم و پس گرم براي فولادهاي سختي پذير, مخصوصا” فولادهايي که کربن آنها از حدود %۳/۰ و ضخامت آنها بيشتر از “۴/۳ باشد بکار مي رود.کاهش سرعت سردشدن که در اثر پيش گرم رخ مي دهد، زمان ماندگاري در دماي بالاتر از شروع تغيير حالت مارتنزيتي را افزايش مي دهد و لذا تغيير حالت آستنيت به پرليت ظريف تر بجاي مارتنزيت سخت را افزايش مي دهد. در منطقه جوشي که پيش گرم شده نسبت به جوش پيش گرم نشده احتمال کمتري وجود دارد که فاز سخت تشکيل شود. همچنين بخاطر سرعت سرد شدن کمتر در فولاد هاي پيش گرم شده, خطر ترکيدگي جوش و تنش هاي حرارتي کاهش پيدا مي کند. پـــس گــرم کردن هنگام نياز به تنش زدايي حرارتي, بازپخت, نرمالايز کردن يا تمپرکردن بکارمي رود.

منابغ تغذيه:منابع تغذيه جوش زير پودري عبارتند از:الف) موتور ژنراتور و ترانسفورماتور رکتي فاير, با خروجي جريان مستقيم (DC) . ب)ترانسفورماتور با خروجي جريان متناوب (AC) هر دو جريان هاي مستقيم و متناوب درجوش زير پودري نتايج قابل قبولي ارائه مي دهند. اگرچه هر کدام در برخي کاربردهاي خاص معايب ناخواسته اي دارند- بسته به شدت جريان، قطر سيم الکترود, و سرعت

حرکت –که در ليست زير ذکر شده اند:**جوش نيمه خودکار با الکترود “۶۴ / ۵ يا “۳۲/۳ در جريان مستقيم ۳۰۰ تا ۳۵۰آمپر، استفاده از جريان مستقيم ارحج است.**جوش خودکار با يک الکترود در جريان پايين (۳۰۰تا ۵۰۰ آمپر) و سرعت حرکت بالا (۴۰ تا ۲۰۰ اينچ در دقيقه)، استفاده از جريان مستقيم ارحج است. **جوش خودکار با يک الکترود و جريان متوسط (۶۰۰ تا ۹۰۰ آمپر) سرعت حرکت ۱۰ تا ۳۰ اينچ در دقيقه، هم جريان مستقيم و هم متناوب استفاده مي شوند.**جوش خودکار با يک الکترود و جريان بالا (۱۲۰۰ تا ۲۱۵۰۰ آمپر) سرعت حرکت ۵ تا ۱۰ اينچ در دقيقه,

استفاده از جريان متناوب ارحج است.**جوش خودکار با بيش از يک الکترود و در حالت پشت سرهم و جريان هر کدام از الکترودها ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ آمپر با هم الکترودها، جريان متناوب (يا جريان مستقيم در الکترود جلويي ) استفاده مي شود.**جوش خودکار با دو الکترود در عرض هم, باهر دو جريان مستقيم و جريان متناوب استفاده مي شود.
سيستم هاي تغذيه سيم جوش:تجهيز تغذيه سيم الکترود جوش زير پودري از دو نوع سيستم کنترلي براي کنترل سرعت تغـــذيه سيم (سيستم هاي حساس به ولتاژ و سيستم هاي سرعت ثابت) استفاده مي کنند. سيستم هاي کنترلي حساس ولتاژ با منبع تغذيه هاي جريان ثابت و سيستم هاي کنترل سرعت ثابت با منبع تغذيه هاي ولتاژ ثابت استفاده مي شوند

سيم الکترود جوش زير پــودري:سيم هاي الکترود جوش زير پودري فولاد در اندازه هاي مختلف توليد مي شوند. پوشش نازکي از مس براي بهبود هدايت الکتريکي و بالا بردن مقاومت در برابرخوردگي بر روي سيم ايجاد مي شود.ترکيب شيميائي سيم الکترود به ترکيب شيميائي فلز جوش و خواص مکانيکي و انتخاب نوع خاص الکترود و ترکيب آن به جنس فلز قطعه و نوع فلاکس وابسته است. براي رسيدن

به نرخ رسوب بالاتر مي توان از دو يا چند الکترود نازک تر بجاي يک الکترود ضخيم تر استفاده کرد. کاهش قطر الکترود باعث افزايش چگالي جريان و فشار پلاسما جت و افزيش عمق نفوذ و باريک شدن باند جوش مي شود.الف) همـــه الکترودها علاوه برمقادير جدول حداکثر داراي % ۳۵ ۰/۰ گوگرد, % ۰۳۰/۰ فسفر, %۱۵/۰مس (غيراز پوشش) و % ۵۰/۰ ساير عناصر مي باشند. ب) به علاوه حاوي ۰۵/۰ – ۱۵/۰ تيتانيوم, ۲ ۰/۰ – ۱۲/۰ زيرکونينوم, ۵ ۰/۰ تا ۱۵/۰ آلومينيوم و تا ۵۰/۰ درصد ساير عناصر نيز مي باشد. ساده ترين روش براي جلوگيري از تشکيل پرليت و فريت گوشه دار استفاده از حدود %۵/۰ موليبدن و %۲۰۰/۰ بــُر در ترکيب فولاد است, که با کاهش آهنگ تشکيل محصولات دگرگوني در دماي بالا باعث ايجاد فاز بينيت مي شود. لذا استحکام کش

شي و تسليم را افزايش مي دهد.
پـودرهاي جوش زير پودري :پودرهاي جوش زير پودري به سه شکل وجود دارند.*پودرهاي ترکيب شده *پودرهاي چسبيده شده *پودرهاي آگلومره */*پودرهاي ترکيب شده: براي توليد پودرهاي ترکيب شده ابتدا اجزاء بصورت خشک مخلوط سپس دريک کوره الکتريکي ذوب و با پاشش آب سرد يا ريختن روي صفحه سرد منجمد مي شود. مزاياي اين نوع پودر عبارت است از :**کاملا توزيع ترکيب شيميائي يکنواخت دارند.**مي توان خاکه آن را بدون تغيير در ترکيب شيميايي جدا کرد.**محصول رطوبت گير نيست و مسائل ذخيره سازي و نگهداري ساده تر دارد.**پودرهاي ذوب نشده را مي توان چندين دور مورد استفاده قرار داد (بدون تغيير قابل توجه).**مناسب براي جوشکاري با بيشترين سرعت

محدوديت : محدوديت مهم اين پودر ها عدم امکان افزودن اکسيد زداها و فرو آلياژها بخاطر دماي حلاليت بالاي آنها است.پودرهاي چسبيده شده: براي توليد پودرهاي چسبيده شده مواد خام تا اندازه D * 100 آسياب مي شوند. بصورت خشک با هم مخلوط شده و با افزودن سيليکات پتاسيم يا سيليکات سديم به هم چسبيده مي شوند. مخلوط حاصل به شکل گلوله درآمده و در دماي پايين خشک مي شوند و بصورت مکانيکي خرد شده و دانه بندي مي شوند.

مــزايــا :بخاطر دماي توليد پايين, اکسيد زداها و فرو آلياژها دراين روش قابل افزوده شدن هستند.*چگالي پودر پايين تر است و امکان استفاده از لايه ضخيم تر فلاکس برروي منطقه جوش وجود دارد. -سرباره ايجاد شده بر روي جوش پس از سردشدن بهتر جدا مي شود

.محدوديت :محدوديت هاي مهم اين روش عدم امکان جداکردن خاکه بدون تغيير در ترکيب شيميايي و حساسيت بالا به جذب رطوبت است.پودرهاي آگلومره: روش توليد مشابه پودرهاي چسبيده شده است غير از اينکه از يک الک سراميکي استفاده مي شود. در اين نوع پودر نيز براي استفاده از اکسيد زداها و فرو آلياژها بخاطر دماي Curing بالاي الک (۱۴۰۰ oc) مانند پودرهاي

ترکيب شده محدوديت وجود دارد.دانه بندي: اندازه دانه هاي پودر جوش بخاطر تاثير برمصرف بهينه پودر جوش در جريان هاي جوش مختلف حائض اهميت است. در جريان هاي بيشتر از ۱۵۰۰ آمپر بايد از درصد ذرات ريز بيشتر و ذرات درشت کمتر استفاده کرد. پودرهاي چسبيده شده که در جريان هاي کمتر استفاده مي شوند بستگي کمتري به اندازه ذرات دارند و عمدتا” در يک سايز توليد مي شوند. حداکثر جريان مناسب براي اين نوع پودر ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ آمپر است. در حالي که برخي انواع پودر ترکيب شده (انواع سيليکات کليسم اصلاح شده ) را تا ۲۰۰۰ آمپر نيز مي توان بکار برد.

ترکيب پودرهاي جوش:درزمان پيشرفت فرايند جوش زير پودري در اواسط دهه ۱۹۳۰ پودرهاي ترکيب شده حاوي ترکيبات سيليکاتي استفاده مي شدند که عمدتا” حاوي آلومينا سيليکات منيزيم، کلسيم و منگنز بودند. ترکيبات مورد مصرف در سراسر دنيا ترکيبات سيليکات منگنز ارائه شده درجدول۱ بودند. براي تنظيم محدوده ذوب و ساختار آن از دياگرام MnO – SiO2 استفاده مي شد. نتيجه جوشکاري با پودرهاي چسبيده شده تقويت شده، پس از ذوب و انجماد جوش در فلز جوش مشابه پودر ترکيب شده است. فروسيليم و اکسيد منگنز و سيلسيم فلاکس ترکيب مي شوند. لذا مقدار MnO نسبت به SiO2 که براي جوش زير پودري مناسب است