تحقیق کامل در مورد جوشكاري

مقدمه

از ابتداي خلقت بشر مساله اتصال و به هم بستن و ضرورت دستيابي به شيوه هاي آسانتر براي ايجاد اتصالات مطرح بوده است . ايجاد اتصال در شكلهاي پيشين خود از به هم بستن شاخه هاي درختان و تكه هاي چوب و دوختن تكه هاي پوست حيوانات براي مصارف گوناگون آغاز شد و متناسب با تكامل نياز هاي انسان ،هنر اتصال و به هم پيوستن اجسام نيز رو به تكامل نهاد .

پيدايش فلزات و آلياژ هاي فلزي وتلاش مستمر در يافتن راههاي اتصال آنها به هم موجب ابداع روشهاي مختلف اتصال شد كه اتصال پيچ و مهره اي ، اتصالات پرچي و اتصالات جوشكاري شده از آن جمله اند .

در دنياي امروزه ، صنعت جوشكاري از نظر وسعت كار و تنوع بالاترين مرتبه را در علم اتصال و بريدن و جدا سازي قطعات فلزي و ساير مواد صنعتي دار است و طراحان و مهندسان خطوط توليد مصنوعات فلزي با بهرگيري از فرايند هاي مختلف و متنوع جوشكاري به بالاترين سرعت و كيفيت دست يافته اند . در عين حال ، وزن سبك مصنوعات و صرف هزينه هرچه كمتر ، از ديگر دستاوردهاي آنان بوده است .

تاريخچه :

جوشكاري كوره اي يا آهنگري و جوشكاري با شعله ، نخستين روشهاي شناخته شده جوشكاري به شمار مي روند .

مصريها ، يونانيها و روسها براي جوشكاري و لحيمكاري فلزات قيمتي يا زود ذوب از نوعي مشعل ابتدايي استفاده مي كردند كه در آنها الكل يا مايع مشابه به عنوان سوخت به كار مي رفته است .

از قرن نوزدهم كه كار اختراعات و اكتشافات رونق گرفت ، نوآوري و خلاقيت در ميدان تكنولوژي جوشكاري نيز ظهور كرد و روشهاي مختلف جوشكاري يكي پس از ديگري ابداع گرديد .

جوشكاري با قوس الكتريكي و استفاده از خاصيت حرارتي جريان برق در امر اتصالات فلزي ، با وجود اينكه چندين دهه قبل شناخته شده بود ، كاربردي نداشت .

سرانجام مردي روسي به نام( برنادوس) اين پديده را كشف كرد و در سال 1887 توانست جوشكاري با قوس الكتريكي و الكترود زغالي را اختراع كرد . در سال 1891 يك امريكايي به نام (كوفين) توانست به جاي الكترود زغالي از الكترود فلزي استفاده كند و اين روش به نام خود به ثبت برساند .

در آن زمان ، جوشكاري با الكترود لخت فلزي بسيار دشوار بود زيرا قوس بين الكترود فلزي و قطعه كار بي ثبات بود و كنترل انتقال قطره مذاب از الكترود به قطعه بسختي انجام مي گرفت .

كشف الكترود روپوش دار به وسيله يك مخترع سوئدي به نام اسكار كيليرگ در سال 1905 باعث ثبات قوس و بهبود كيفيت جوش شد .

پژوهشهاي مختلف براي افزايش مرغوبيت و كيفيت اين روش ادامه يافت و همچنان ادمه دارد . جوشكاري با قوس الكتريكي و الكترود روپوش دار در رديف جوشكاريهاي ذوبي است كه امروزه به طور گسترده در صنايع مختلف به كار گرفته مي شود . در زمان حاضر ، جوشكاري قوس دستي (SMAW) يكي از متداولترين روشهاي جوشكاري است كه به طور گسترده در صنايع فلزي ايران كاربرد دارد و به عنوان پديده اي ارزشمند در امر توليد و تعمير در كارخانه ها و كارگاههاي مختلف صنعتي ايفاي نقش مي نمايد . به دليل وابستگي اين فن به علوم و فنون و گستردگي دامنه علمي آن متخصصان و كارشناسان ورزيده همواره در حال پژوهش هستند و دستاورد هاي خود را به صورت استانداردهاي جوشكاري انتشار مي دهند .

در عمليات اجرائي نيز كاردانان با تجربه همكاري دارند و با تلاش و پشتوانه غني علمي چرخهاي عظيم و پيچيده صنعت را به طور اصولي و اقتصادي به حركت در مي آورند

تعريف جوشكاري

تاكنون تعاريف زيادي براي جوشكاري بيان شده است ، ولي بطور كلي حذف فاصله و ايجاد جاذبه مولكولي يا كريستالي بين قطعات گوناگون را جوشكاري گويند . براي تحقق اين امر روششهاي زيادي به ذهن مي رسد كه اكثرا عملي شده است و نتايج كارائي آنها در ارتباط با وسايل و تجهيزات مورد لزوم به لحاظ سادگي و پيچيدگي مورد مطالعه قرار گرفته است .

عمليات جوشكاري كه امروزه در صنايع به كار گرفته ميشوندعبارتند از :

1- جوشكاري فشاري 2- جوشكاري ذوبي

هر كدام تقسيم بنديهاي  گوناگون و گسترده اي دارد كه تاكنون بيش از 85 روش در جوشكاري و برشكاري ابداع شده است و اجرا مي شود بعضي از روشها نيز منسوج شده ، جاي خود را به روشهاي نوين جوشكاري داده اند .

جوشكاري فشاري

تعريف : جوشكاري فشاري فرآيندي كه در آن لبه هاي مورد اتصال ، تحت فشار ، و با استفاده از حرارت يا بدون آن در هم ادغام مي شوند و قطعات به هم اتصال مي يابند .

جوشكاري آهنگري يا پتكه اي ، جوشكاري مقاومتي ، جوشكاري اصطكاكي ، جوشكاري مافوق صوت (اولتراسونيك) و جوشكاري سرد از آن جمله اند .

جوشكاري آهنگري

يكي از فرايند هاي قديمي جوشكاري است و روش كار چنين است كه قطعات مورد جوشكاري را در كوره اي تا مرحله خميري شدن گرم مي كنند . سپس آنها را از كوره خارج و اكسيد ها را از سطح مورد اتصال پاك مي كنند . آنگاه آنها را رويهم روي سندان قرار مي دهند و ضربات پتك دستي يا برقي ميكوبند تا دو قطعه در هم ادغام شوند و جوش بخورند .

جوشكاري مقاومتي

جوشكاري مقاومتي يكي از روشهاي جوشكاري فشاري است كه در شاخه هاي مختلف صنعت خصوصاً در صنايعي كه با ورقها و مفتول فلزي سر و كار دارند كاربرد فراوان دارد . در اين روش سطوح اتصال با اعمال حرارت و فشار بهم جوش مي خورند .

فلزات به دليل داشتن مقاومت الكتريكي ، دراثر عبور جريان برق از آنها ، گرم مي شوند و به حالت خميري و حتي به دماي ذوب مي رسند . حرارت حاصل در اين روش با مجذور شدت جريان و مقاومت در زمان عبور جريان رابطه مستقيم دارد . شدت زمان عبوري و زمان از طريق دستگاه قابل كنترل و تنظيم است ، اما مقاومت الكتريكي به عوامل مختلف از جمله جنس و ضخامت قطعات كار ، اندازه سطح الكترود ها ، چگونگي سطح تماس و فشار اعمال شده به كار مربوط مي شود .

جوشكاري مقاومتي در صنعت به صورتهاي گوناگون مورد استفاده است كه مهمترين و متداولترين آنها به ترتيب زير است : 1- جوش نقطه اي يا نقطه جوش 2- جوش قرقره اي يا درز جوش 3- جوش واژگون يا سر به سر 4- فلاش جوش يا جوش جرقه اي

جوشكاري ذوبي

تعريف : جوشكاري ذوبي روشي است كه در آن لبه هاي مورد اتصال پس از ذوب شدن به كمك فلز پر كننده يا بدون آن در هم آميخته و منجمد ميگردند به اين ترتيب قطعات به يكديگر متصل مي شوند .

براي ذوب كردن لبه هاي مورد اتصال از انرژيهاي مختلف استفاده مي شود : انرژي شميايي : جوشكاري با شعله گاز ، جوشكاري ترميت

انرژي الكتريكي : جوشكاري با قوس الكتريكي

انرژي نوراني : جوشكاري با اشعه ليزر

در جوشكاري با قوس الكتريكي حرارت لازم براي ذوب لبه هاي مورد اتصال و مفتول پر كننده درز از طريق ايجاد و برقراري قوس الكتريكي بين الكترود و فلز مورد جوشكاري تامين مي شود .

قوس الكتريكي و چگونگي تشكيل آن

چنانچه قطبهاي مثبت و منفي يك منبع انرژي الكتريكي را با هم تماس داده و سپس در فاصله كمي از يكديگر قرار دهند ، در اثر اختلاف پتانسيل الكتريكي موجود ميان آنها جرقه هاي ايجاد مي شود . اين جرقه ها موجب يونيزه شدن اتمسفر بين دو قطب و عبور الكترونها از فاصله هوايي ميان دو قطب مي شود .

ادامه جرقه ها و به هم پيوستن آنها در فضايي يونيزه شده ، موجب تشكيل قوس الكتريكي مي شود . با وجود يونيزه شدن فضاي بين الكترود وكار ، باز هم مقاومت الكتريكي زيادي در اين منطقه وجود دارد و همين مقاومت سبب تبديل انرژي الكتريكي به انرژي حرارتي مي شود و حرارت در حدود 6000-5000 درجه سانتيگراد ايجاد مي گردد كه مي تواند در زمان كوتاهي فلزات را به دماي ذوب برساند .

روشهاي مختلف ايجاد قوس الكتريكي

يكي از روشهاي ايجاد قوس الكتريكي استفاده از اختلاف پتانسيل زياد يا ولتاژ بالا است . جرقه هايي كه در شمع اتومبيل زده مي شود تا مخلوط هوا و سوخت در سيلندر اتومبيل محترق شوند ، با استفاده از ولتاژ بالا تحقق مي يابد .

در اين روش ، بدون اينكه تماس ميان دو قطب جريان برقرار شود ، جرقه زده مي شود ولي گرماي ايجاد شده به وسيله قوس حاصل ، بسيار كم است .

همچنين در بعضي از انواع جوشكاري مثل جوشكاري با گاز محافظ ، جرقه هاي اوليه با استفاده ولتاژ بالا ايجاد مي شوند ، بدين صورت ، كه با نزديك شدن الكترود به كار قبل از برقراري تماس بين آن دو و حتي از فاصله 20 تا 30 ميليمتري ، در اثرولتاژ ذخيره شده در خازن دستگاه جرقه زده مي شود ، گاز محافظ يونيزه مي گردد و زمينه ايجاد قوس پايدار براي جوشكاري فراهم مي شود . در روش جوشكاري قوسي با الكترود روپوش دار ، قوس الكتريكي با آمپر زياد ايجاد مي گردد و به منظور ايجاد قوس ميان دو قطب جريان ، تماس برقرار مي شود تا جرقه حاصل گردد ودرصدي از اتمسفر موجود بين دو قطب يونيزه شود سپس قوس پايدار به وجود آيد .

عوامل موثر در برقراري و تشكيل قوس الكتريكي و ايجاد حرارت عبارتند از : اختلاف پتانسيل دو سر قطب ، شدت جريان و مقاومت دو قطب .

جريان الكتريسيته مناسب در روش (SMAW)

جريان الكتريكي عبارت است از حركت الكترونها در يك هادي و براي حركت الكترون درون هادي فشار الكتريكي لازم است و در صورتي كه اختلاف پتانسيل موجود داشته باشد جريان نيز وجود دارد .

چنانچه قطبهاي تغيير نكنند و به عبارت ديگر ، جهت جريان هميشه ثابت باشد و الكترونها فقط در يك جهت حركت كنند ، جريان را جريان مستقيم يا DC نامند . چنانچه جهت جريان ثابت نباشد و به عبارت ديگر ، الكترونها نخست در يك جهت جريان يابند و بعد جهت خود را عوض كرده و عكس جهت قبلي سير كنند ، آن را جريان متناوب AC نامند.

در جوشكاري با قوس الكتريكي از هر دو نوع جريان استفاده مي شود . جريان AC به وسيله ترانس جوشكاري يا مبدل و جريان DC به وسيله دينام جوشكاري يا ركتي فاير تامين مي گردد .

شدت جريان در جوشكاري

به تعداد الكترونهايي كه از يك نقطه ازمدار در زمان واحد مي گذرد شدت جريان عبوري گويند . اگر در يك ثانيه به اندازه يك كولن يا تعداد 10×82/6 الكترون از يك نقطه از مدار بگذرد ، جريان عبوري يك آمپر است كه آن را با حرف I نشان مي دهند . جريان جوشكاري به وسيله آمپر اندازه گيري مي شود . استفاده از ولتاژ بالا در قوس خطر شوك الكتريكي دارد . بنابراين با توجه به روابط زير در جوشكاري از شدت جريان زياد و ولتاژ كم استفاده مي شود تا حرارت كافي براي ذوب موضعي فراهم شود .

محدوده شدت جريان جوشكاري باقوس الكتريكي : در جوشكاري با الكترود دستي معمولا 350 ميليمتر طول و قطري بين 5/2 تا3/6 ميليمتر دارند . تمام شدت جريان جوشكاري از هسته فلزي الكترود عبور مي كند و چون داراي مقاومت الكتريكي است ، در آن گرما ايجاد مي شود و اگر خيلي گرم شود ، خطر ذوب زودرس الكترود وجود دارد و زودتر از آن پوشش الكترود لطمه خواهد ديد . با توجه به اين نكات ، سازندگان الكترودها حداكثر جريان را براي هر نوع الكترود مشخص مي كنند .

اختلاف پتانسيل در جوشكاري

عامل عبور الكترونها در يك هادي ، فشار الكتريكي يا اختلاف پتانسيل است به عبارت ديگر فشاري است كه موجب راندن الكترونها را از مقاومت الكتريكي عبور مي دهد .

واحد فشار الكتريكي ولت است و آن اختلاف پتانسيلي است كه موجب شود يك كولن ، كاري معادل يك ژول انجام دهد .

جريان الكتريكي در مدار به جريان آب در سيستم لوله كشي شباهت دارد.

در اين سيستم يك تلمبه موجود است كه آب از يك سو فشار قرار مي دهد و باعث عبور جريان آب از سوپاپ تنظيم مي شود .

در مدار الكتريكي ، مولد جريان (باتري-ژنراتور-دينام جوش) همچون پمپ در سيستم لوله كشي ياد شده عمل ميكند و فشار الكتريكي به وجود مي آورد تا الكترونها حركت كنند و بتواند از مقاومت بگذرند به عبارت ديگر ، عبور الكترونها از قوس الكتريكي است كه از طريق ترانس يا دينام جوشكاري تامين مي گردد .

ولتاژ مدار باز و ولتاژ قوس الكتريكي : براي انجام جوشكاري و برقراري جريان الكتريكي در مدار نيروي محركه يا ولتاژ لازم توسط دستگاه جوشكاري تامين مي شود و بسته به نوع دستگاه جريان DC يا ACولتاژي معادل 80-50 ولت خواهيم داشت . همزمان با تشكيل قوس الكتريكي ولتاژ افت مي كند و تقريبا به نصف يا كمتر مي رسد .

محدوده ولتاژ در جوشكاري با قوس الكتريكي : ماكزيمم ولتاژ قوس 40 ولت است زيرا كار با ولتاژ بيشتر احتمال خطر شوك الكتريكي دارد از سوي ديگر ، برقراري و پايداري قوس الكتريكي با ولتاژهاي كم دشوار است .

ولتاژ مدار باز دستگاههاي جوشكاري در محدوده 50 تا 80 ولت است ولي در بعضي از دستگاههاي جوشكاري پيشرفته ، به منظور افزايش ايمني پس از قطع عمل جوشكاري ولتاژ دو سركابل به طور اتوماتيك تنزل مي يابد و در حد بسيار پاييني قرار مي گيرد تا هنگام تعويض الكترود براي جوشكاري كمترين احتمال شوك الكتريكي وجود نداشته باشد . در اين دستگاهها با اولين تماس الكترود به كار و عبور جريان ضعيف از مدار جوشكاري ، كنتاكتور تعبيه شده در دستگاه به طور خودكار ولتاژ اصلي را وارد مدار مي كند تا قوس تشكيل شود .

بلافاصله پس از برقراري قوس ، ولتاژ افت مي كند و به حدود نصف مي رسد كه به آن ولتاژ قوس مي گويند . در بعضي از دستگاههاي جوشكاري ، كليدي براي تغييرات جزئي در ولتاژ قوس وجود دارد زيرا افزايش نفوذ جوش مي شود . افزايش ولتاژ طول قوس را نيز افزايش مي دهد و كار كردن با طول قوس بلند موجب كاهش حفاظت منطقه مذاب و ستون قوس از اثرات زيان بخش اتمسفر نيز خواهد شد .

مقاومت الكتريكي قوس

همه اجسام جريان الكتريكي را به يك اندازه هدايت نمي كنند . هاديها اجسامي هستند كه جريان را به راحتي از خود عبور مي دهند و عايقها برعكس از عبور جريان جلوگيري مي كنند .

علت اين است كه هاديها مقدار زيادي الكترون آزاد دارند . بيشتر فلزات هاديهاي خوبي هستند يعني داراي قابليت هدايت الكتريكي هستند .

دسته ديگري از اجسام در برابر عبور جريان و حركت الكترونها مخالفت مي كنند و بنابراين داراي مقاومت الكتريكي هستند . واحد مقاومت الكتريكي اهم است .

در يك مدار جوشكاري ، كابلهاي انبر و اتصال هاديهاي خوبي هستند . انبر جوشكاري نيز براحتي جريان رااز خود عبور مي دهد . مغز فلزي الكترود هم مقاومت زيادي ندارد ولي فاصله بين الكترود و كار داراي مقاومت زيادي است هر قدر فاصله الكترود با كار زيادتر شود ، مقاومت اين قسمت از مدار افزايش مي يابد و با كم شدن الكترود با كار از مقاومت هم كاسته شود .

گرماي زياد قوس موجب ميشود كه اتمسفر بين الكترود وكار و همچنين گازهاي توليد به وسيله روپوش الكترود ، يونيزه شود و مقاومت الكتريكي قوس كاهش يابد . فاصله بين الكترود و كار مورد جوشكاري را طول قوس گويند . پس مي توان گفت طول قوسهاي كوتاه مقاومت كمتري دارند و طول قوسها بلند داراي مقاومت بيشتري هستند .

مقامت قوس باعث تبديل انرژي الكتريكي به حرارتي مي شود ولي مقاومت ساير قسمتها مدار بايد درحد مينيمم باشد . چنانچه محل اتصال كابل جوشكاري به دستگاه و انبر جوشكاري و غيره محكم نباشد يا طول كابل جوشكاري زياد باشد يا از كابلهاي كم قطر استفاده شود ، به علت وجود مقاومت در مدار ، افت ولتاژ پيش مي آيد كه موجب بروز اختلال در كار جوشكاري خواهد شد .

قطب الكترود

در جوشكاري با قوس الكتريكي ، مي توان از جريان متناوب AC يا جريان يكنواخت DC با الكترود منفي يا مثبت استفاده كرد . انتخاب نوع جريان به روش جوشكاري ، نوع الكترود و همچنين نوع فلزي كه جوشكاري مي شود  بستگي دارد. در فرايند جوشكاري با قوس الكتريكي ، برق مستقيم و الكترود فلزي مي توانيم به دو صورت با قطب مستقيم و معكوس كار كنيم .

اگر الكترود منفي و كار مثبت باشد جوشكاري با قطب مستقيم ناميده مي شود .

همان طور كه در شكل1 مشخص است ، الكترونها از الكترود به سوي كار پرتاب مي شوند و با سرعت زياد به آن برخورد مي كنند به علت بمباران شدن سطح كار به وسيله الكترونها شدت گرما در محل ذوب بيشتر است . در اين حالت 3/2 گرما در محل ذوب و 3/1 در الكترود توزيع مي شود و به همين علت ، نفوذ جوش بيشتر است .

اگر الكترود مثبت و كار منفي مي باشد ، جوشكاري با قطب معكوس ناميده

مي شود .

همان طور كه در شكل2 مشخص است ، الكترونها از كار به الكترود مي روند . و باعث مي شود گرما در الكترود توزيع شود لذا سرعت ذوب الكترود بيشتر و نفوذ جوش كمتر مي شود و جوش پهنتر از حالت قبل خواهد بود. جوشكاريهايي كه براي سرعت جوشكاري در الويت است وهمچنين الكترودهايي كه داري روپوش دير ذوب تر هستند ، از قطب معكوس استفاده مي كنيم .

در اين حالت فلز مغز الكترود و نيز گازهاي محافظ كاملا گرم هستند لذا سرعت انتقال مذاب از الكترود به كار يكنواخت تر و بهتر انجام مي شود .

يكي ديگر از ويژگيهاي قطب معكوس عمل تميز كاري است . به دليل حركت الكترونها از كار و بر خورد يونهاي مثبت از الكترود به قطعه كار ، در محل تشكيل قوس شكستن لايه هاي اكسيد صورت مي گيرد از اين ويژگي در جوشكاري فلزاتي كه لايه اكسيدي دارند ، به نحو مطلوب استفاده مي شود .

در جوشكاري با برق متناوب به علت تغيير جهت جريان الكترود ، به تناوب نيم سيكل منفي و نيم سيكل بعد مثبت است . پس مي توان گفت 2/1 حرارت در كار و 2/1 حرارت در الكترود توزيع شده و عمل تميز كاري قوس در نيم سيكلي كه الكترود مثبت است ، صورت مي گيرد .

محاسن و معايب جوشكاري با روشهاي AC,DC

محاسن جوشكاري با جريان متناوب  AC

از جريان متناوب در جوشكاري به طور گسترده استفاده مي شود و داراي مزايا و معايبي به شرح زير است :

• هزينه نگهداري و تعمير ترانسفورماتور جوشكاري كمتر است .
• ترانسفورماتور جوشكاريAC بمراتب از دينامهاي جوشكاري و ركتي فايرها DC ارزانتر است .
• وزش قوس وجود ندارد.
• حرارت در كار و الكترود به طور مساوي توزيع مي شود .

معايب جريان متناوب AC

• امكان تغيير قطب وجود ندارد .
• بعضي از انواع الكترودها را نمي توان با اين جريان جوشكاري كرد .
• جريان متناوب براي جوشكاري بعضي از فلزات مناسب نيست .

محاسن جريان مستقيم DC

• خطر شوك الكتريكي كمتر است .
• قوس راحت تر تشكيل مي شود و پايدارتر است .
• قوس آرامتر بوده و پاشش ذرات كم است .
• استفاده از انواع الكترود ها امكان پذير است .
• جوشكاري با حداقل آمپر امكان پذير است .
• امكان تغيير قطب وجود دارد .

معايب جوشكاري با جريان مستقيم DC 

گاهي در جوشكاري با جريان مستقيم پديده اي به نام وزش قوس (دمش قوس ) و به عبارت ديگر ، انحراف قوس وجود دارد .

وزش قوس

عبور جريان الكتريكي در الكترود و قطعه كار و كابل اتصال حوزهاي مغناطيسي به وجود مي آورد كه به صورت دايره هاي متوالي عمود بر مسير عبور جريان برق است .

هنگامي كه اين حوزه مغناطيسي نا متعادل باشد ، قوس به طرفي كه تمركز حوزه بيشتر است ، منحرف مي شود . اين انحراف را وزش قوس گويند . در جوشكاري با جريان مستقيم كه حوزه مغناطيس تشكيل شده جهت ثباتي دارد، وزش قوس بيشتر اتفاق مي افتد . معمولا انحراف قوس در جهت حركت پيشروي به طرف جلو يا عقب اتفاق مي افتد و هنگام جوشكاري گوشه ها و نزديك محل اتصال كابل به قطعه كار ، انحراف قوس زيادخواهد بود . در مواقعي كه وزش قوس زياد باشد كنترل مذاب مشكل مي شود . و جوش به وجود آمده ناموزن نامتعادل است .

راههاي جلوگيري از وزش قوس و كاهش آن 

• كاهش طول قوس و شدت جريان .

تغيير دادن محل اتصال كابل اتصال به اطراف كار تا حوزه مغناطيس جديدي ايجاد كند و اين حوزه اثر حوزه مغناطيس قبلي را خنثي نمايد