مروری اجمالی بر انواع روش های جوشکاری
مقدمه
جوشکاری پرکاربردترین روش اتصال دو قطعه (ماده) در صنعت است و شامل فرآیندی از اتصال دو یا چند قطعهی فلزی با استفاده از حرارت، فشار یا هر دو میباشد. جوشکاری در توسعه زیرساخت ها، حمل و نقل، تولید و بسیاری از صنایع دیگر حیاتی است. انجمن جوشکاری آمریکا (AWS) بیش از 50 نوع مختلف فرآیند جوشکاری را شناسایی کرده است.
در این جستار نگاهی اجمالی به برخی از مهمترین انواع روش های جوشکاری داریم.
انواع فرآیندهای جوشکاری
روش های جوشکاری را میتوان از منظر ممانعت از اکسید شدن و نحوۀ برقراری قوس الکتریکی (شعله) دسته بندی کرد.
- ممانعت از اکسید شدن
افزایش دما سرعت اکسیداسیون در فلزات را به شدت بالا میبرد. در فرآیند جوشکاری نیز دمای مذاب بسیار بالا بوده ( از ℃1500 تا ℃4000 ) و این امر خطر اکسید شدن را دوچندان میکند. بنابراین باید از واسطه هایی برای محافظت از مادۀ مذاب دربرابر عوامل اکسیدکننده در محیط کار (نظیر اکسیژن و بخار آب) استفاده کرد. در جوشکاری به این روش ها “Shielded Welding ” یا “جوشکاری با پوشش محافظ” گفته میشود، که عبارتند از :
1- استفاده از گازهای بی اثر محافظ
گازهای بیاثر (Inert Gas) در واکنشهای اکسیداسیون-احیاء شرکت نمیکنند و به همین دلیل آرگون و هلیوم از پرکاربردترین گازهای محافظ در فرآیندهای جوشکاری هستند. گاز آرگون با خلوص بالا، امکان جوش دادن فلزات بسیار واکنشپذیر مانند تیتانیوم را فراهم میسازد.
2- استفاده از گازهای نیمه بی اثر محافظ
با توجه به پرهزینه بودن گازهای بی اثر، میتوان به جای آنها از CO2 به عنوان گاز محافظ استفاده کرد. CO2 با این که جزء گازهای نجیب محسوب نمیشود اما به دلیل پایداری بالا رفتاری مشابه گازهای نجیب دارد. بنابراین محافظ خوبی برروی حوضچه مذاب است. برخلاف گازهای بی اثر مانند آرگون، CO2 با قوس جوش واکنش نشان میدهد و آن را پرانرژی تر کرده و نفوذ را بهبود میبخشد. با توجه به این ویژگی، CO2 یک گزینه جذاب برای جوشکاری مواد ضخیم تر و دستیابی به نفوذ عمیق جوش است.
لازم به ذکر است استفاده از گازهای محافظ علاوه بر محافظت در برابر اکسید شدن، 2 مزیت دیگر نیز دارند:
- مانع ورود ناخالصی های جو (نظیر نیتروژن و یا ذرات ریز غبار) و ایجاد تخلخل در جوش می شوند.
- با مدیریت انتقال حرارت باعث عدم ایجاد اعوجاج در سطح جوش میشوند و کیفیت سطح را ارتقا میدهند.
3- استفاده از الکترود مصرفی با پوشش محافظ
در این حالت از الکترودی با پوشش محافظ تحت عنوان فلاکس (Flux) استفاده میشود که در محل حوضچۀ مذاب با ذوب مغز فلزی الکترود ، پوشش فلاکس الکترود نیز متلاشی شده و بخاراتی خارج میشود که به عنوان گاز محافظ عمل میکنند و مانع اکسید شدن میشوند.
4- استفاده از پوشش پودری
در این روش از یک نازل جدا برای تزریق پوشش پودری متراکم برروی حوضچه مذاب و محافظت دربرابر اکسیداسیون استفاده میشود.
نحوه ی برقراری قوس الکتریکی
برای تشکیل حوضچه مذاب و ادغام مواد در آن، نیاز به منبع حرارتی داریم که در اغلب روش های جوشکاری از قوس الکتریکی استفاده میشود.
از این منظر میتوان روش های جوشکاری را در دو دستهی زیر طبقه بندی کرد:
1- تشکیل قوس بین الکترود مصرف شونده و فلز پایه
در اثر تماس مستقیم الکترود مصرف شونده با قطعه ی پایه و برقراری جریان الکتریکی، قوس بین پایه و الکترود ایجاد میگردد. با حرارت حاصل از قوس، فلز پایه و الکترود هردو ذوب شده و جوش برقرار میشود.
2- تشکیل قوس توسط نازل جدا
در این روش از یک الکترود ثابت و مصرف نشدنی (نظیر تنگستن) به عنوان عامل برقراری قوس استفاده میشود. در این حالت به یک میلهی پرکننده (Filler Rod) نیاز است تا خط جوش ایجاد شود.
برخی از فرآیندهای رایج جوشکاری در صنعت
1- جوشکاری قوسی با گاز محافظ و الکترود تنگستن یا TIG (GTAW)
در این روش از الکترود غیرمصرفی تنگستن برای برقراری قوس الکتریکی و اغلب از گاز محافظ بی اثر (مانند آرگون یا هلیوم) برای محافظت از ناحیه جوش استفاده میشود. این روش به دلیل دمای بسیار بالای قوس و استفاده از گاز گران قیمت خنثی، بهترین کیفیت را در مقایسه با سایر روش های جوشکاری دارد و برای فلزات حساس مناسب است. این روش به جوش آرگون نیز مشهور است.
2- جوشکاری جوشکاری قوسی با گاز محافظ و الکترود مصرف شدنی یا MIG (GMAW)
در این روش از یک الکترود مصرفی برای برقراری قوس و تفنگی برای تزریق گاز محافظ (مانند آرگون یا ترکیب گازهای CO₂ و آرگون) برای محافظت از ناحیه جوش استفاده میشود که برای سرعت های بالا و جوشکاری مواد با ضخامتهای مختلف ایدهآل است. به این روش، جوش CO2 هم گفته میشود. امروزه این روش رایج ترین روش جوشکاری صنعتی است.
3- جوشکاری قوسی با الکترود پوشش دار (SMAW)
در این روش که یکی از محبوبترین روش های جوشکاری در جهان است، از الکترود مصرفی پوششدار استفاده میشود که پوشش آن در حین قوس، گازهای محافظ و لایه ی محافظتی (سرباره) تولید کرده و ناحیه جوش را از اکسیداسیون محافظت میکند. این روش به جوشکاری برق نیز مشهور است.
4- جوشکاری زیرپودری (SAW)
در این روش قوس الکتریکی زیر پودر محافظ ایجاد میشود و پودر، ناحیه جوش را از اکسیداسیون محافظت کرده و کیفیت و عمق جوش را بهبود میبخشد. این روش از رایج ترین روشهای جوش در ساخت مخازن تحت فشار، بویلرها ، انواع لولهها و سازه های ساختمانی است.
آیا می توان از گاز CO2 در جوش TIG استفاده کرد؟
در حالی که CO2 به دلیل کارایی خود در جوشکاری MIG کاربرد فراوان دارد، استفاده از CO2 در جوشکاری TIG پیچیده تر است. همانطور که اشاره کردیم در جوشکاری MIG از الکترودهای مصرفی استفاده میشود، در حالی که در جوشکاری TIG از الکترودهای مصرف نشدنی (تنگستن) استفاده میشود، بنابراین در این روش به گاز محافظی نیاز است که با قوس واکنش نشان ندهد و آن را پرانژری تر نکند؛ چرا که تنگستن خود قوس بسیار پرحرارتی ایجاد میکند. اگرچه CO2 مزایایی را ارائه میدهد، اما واکنشپذیری آن ممکن است یکپارچگی جوش TIG را به خطر بیندازد و باعث ایجاد مشکلاتی در ظاهر و کیفیت جوش شود.
پشت پرده ی یک شایعه
از زمانی که جوشکاری با گاز آرگون رواج یافت، شایعاتی هم پیرامون آن بین مردم پخش شد. گاز آرگون مورد استفاده در جوشکاری میتواند انسان را عقیم کند؟!! باید بدانید این شایعه پایه ی علمی معتبری ندارد. آرگون یک گاز نجیب است، به این معنی که بسیار پایدار بوده و واکنش شیمیایی خاصی با هیچ ماده ای از جمله بدن انسان ندارد. آرگون به طور طبیعی در هوا و اتمسفر زمین وجود دارد.
با این حال، ممکن است این شایعه به دلایل زیر شکل گرفته باشد:
- قرارگیری در محیطهای بسته و بدون تهویه مناسب
گاز آرگون سنگینتر از هوا است و درصورت تجمع در یک محیط بسته و بدون تهویه، میتواند اکسیژن را جابهجا کند. این امر ممکن است منجر به خفگی و مشکلات جدی سلامتی شود. اما این موضوع به دلیل کمبود اکسیژن است، نه خاصیت خود آرگون.
- اثرات ثانویه شغلی
در جوشکاری، افراد ممکن است در معرض عوامل دیگر مانند اشعه فرابنفش (UV)، دودهای جوشکاری و فلزات سنگین قرار بگیرند. برخی از این عوامل میتوانند بر سلامت باروری تأثیر بگذارند. بنابراین، مشکل به گاز آرگون ارتباطی نداشته بلکه به شرایط محیط کار مربوط میشود.
به طور خلاصه، گاز آرگون به خودی خود خطری برای باروری انسان ندارد، اما شرایط محیط کاری نامناسب میتواند مشکلات دیگری ایجاد کند.
جمع بندی
با توجه به اهمیت جوشکاری در صنایع گوناگون، انتخاب روش مناسب جوشکاری متناسب با شرایط محیط کاری، مقاومت خط جوش، ظرافت، ایمنی و … اهمیت بسزایی دارد. اجتناب از اکسیداسیون برای افزایش طول عمر جوش و عدم خوردگی یکی از اصلی ترین نکات در شکلگیری برخی از متداول ترین روشهای جوشکاری در صنعت است.
