انرژی جوشکاری قوسی الکتریکی یک فرآیند جوشکاری است که در آن حرارت به وسیله یک قوس الکتریکی بین یک الکترود و قطعه کار به وجود می‌آید. قوس الکتریکی یک تخلیه الکتریکی بین دو الکترود از میان گازهای یونیزه شده است. در این مقاله برای مطالعه موارد زیر همراه ما باشید:
- جوشکاری با قوس الکتریکی
- روش‌های جوشکاری با قوس الکتریکی
- نحوه انجام جوشکاری با قوس الکتریکی
- قدرت قوس در جوشکاری
- نیروهای موجود در قوس
- تشعشعات جوشکاری قوسی
- مدار جوشکاری قوسی
- مزایا و محدودیت‌های فرآیند جوشکاری قوسی
جوشکاری با قوس الکتریکی
جوشکاری قوسی یک روش جوشکاری است که از یک منبع تغذیه جوشکاری برای ایجاد قوس الکتریکی بین الکترود و ماده پایه و ذوب کردن فلزات در محل جوش استفاده می‌کند. جریان می‌تواند مستقیم و یا متناوب و الکترودها و مصرفی و یا غیر مصرفی باشند. منطقه جوش معمولاً توسط برخی‌از انواع گاز محافظ، بخار یا سرباره محافظت می‌شود. فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی می‌توانند دستی، نیمه اتوماتیک و یا اتوماتیک کامل باشند.
روش‌های جوشکاری با قوس الکتریکی
- جوشکاری با الکترود دستی پوشش دار یا SMAW
- جوشکاری زیر پودری یا SAW
- جوشکاری با گاز محافظ یا GMAW یا MIG/MAG
- جوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی یا GTAW یا TIG
نحوه انجام جوشکاری با قوس الکتریکی
یکی از متداول‌ترین روش‌های اتصال قطعات کار است. ایجاد قوس الکتریکی عبارت است از جریان مداوم الکترون بین دو الکترود که در نتیجه آن حرارت تولید می‌شود. باید توجه داشت که برای برقراری قوس الکتریکی بین دو الکترود، وجود هوا یا گاز هادی ضروری است. بطوری که در شرایط معمولی نمی‌توان در خلاء جوشکاری نمود. در قوس الکتریکی گرما و انرژی نورانی در مکان‌های مختلف یکسان نبوده به طوری که تقریباً ۴۳% از حرارت در آند و تقریباً ۳۶% در کاتد و ۲۱% بقیه بصورت قوس ظاهر می‌شود. دمای حاصل از قوس الکتریکی به نوع الکترودهای آن نیز وابسته است. به طوری که در قوس الکتریکی با الکترودهای ذغالی تا ۳۲۰۰ درجه سانتیگراد در کاتد و تا ۳۹۰۰ در آند حرارت وجود دارد. دمای حاصله در آند و کاتد برای الکترودهای فلزی حدود ۲۴۰۰ درجه سانتیگراد تا ۲۶۰۰ درجه تخمین زده شده است.
در این شرایط درجه حرارت در مرکز شعله بین ۶۰۰۰ تا ۷۰۰۰ درجه سانتیگراد است. از انرژی گرمایی حاصله در حالت فوق فقط ۷۰% تا ۶۰% در قوس الکتریک مشاهده شده که صرف ذوب کردن و عمل جوشکاری شده و بقیه آن یعنی ۳۰% تا ۴۰% بصورت تلفات گرمایی به محیط اطراف منتشر می‌شود.
قدرت قوس در جوشکاری
دمای قوس در فرآیند جوشکاری قوسی با الکترود تنگستن تا حدود ۲۰۰۰۰ درجه سانتيگراد و در فرآیند جوشکاری قوس با الكترود روپو‌ش‌دار تا حدود ۶۰۰۰ درجه سانتيگراد می‌رسد. این دما قادر است ترکیبات فلزی و غیر فلزی را به اتم‌های تشکیل دهنده آن تجزيه کند و يا يونيزه نماید. یادآوری می‌شود که مركز ستون قوس بالاترين درجه حرارت را دارا بوده و هر چه از مركز دور شويم، دما كاهش پيدا مي‌كند. با این شرایط مي‌توان گفت در مركز قوس مقداری بخار فلز نیز تشکیل می‌شود که در تماس با الكترو‌ن‌های جاری در ستون قوس باعث يونيزه شدن اتم‌های فلزی مي‌شود و به آن پلاسمای فلزی می‌گویند.
در ستون قوس جوشکاری چون الكترو‌ن‌ها از قطب منفی به قطب مثبت منتقل مي‌شوند، بنابراین برخورد الكترو‌ن‌ها به قطب مثبت باعث توليد حرارت می‌شود از این رو در قطب مثبت گرمای بيشتري توزيع مي‌شود. از حرارت توليد شده در قوس، حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد صرف گرم شدن و ذوب شدن الکترود و فلز پایه می‌شود و بقيه به صور‌ت‌های مختلف زير تلف می‌شود:
- اشعه‌های مرئی و نامرئی قوس
- جابه‌جايی بوسيله گازهای موجود در قوس
- تشعشع حرارتی
- ذوب پوشش الکترود
نیروهای موجود در قوس
در‌قوی الکتریکی‌نیروهای مختلفی مانند‌نيروی الکترومغناطیسی‌و‌نیروی هیدرودینامیکی(در اثر وجود میدان الکترومغناطیسی و حركت گازها در ستون قوس) وجود دارند كه باعث مي‌شوند مذاب از الكترود جدا شده و به قطعه كار منتقل شود. در جوشکاری حالت‌های عمودی یا سقفی نقش اين نيروها كاملاً مشهود است و جهت اين نيروها به طور معمول از طرف نوك الکترود به طرف سطح قطعه کار است. به این ترتیب نيروهای فوق در ستون قوس باعث راندن مذاب و سرباره الكترود به طرف جلو قوس می‌شوند و به عمليات جوشكاری كمك می‌كنند.
تشعشعات جوشکاری قوسی
اشعه‌هایی كه در‌قوس جوشکاری تولید می‌شوند را می‌توان به سه دسته كلی تقسيم نمود:
- نور قابل ديدن
- اشعه ماوراء بنفش
- اشعه مادون قرمز
اشعه مادون قرمز‌مانند اشعه‌هایی است كه از اجسام گداخته مثل شيشه یا فولاد گداخته ساطع می‌شود و برای پوست و مو مضر است. اشعه ماوراء بنفش یکی ديگر از اشعه‌هایی است كه از قوس ساطع می‌شود و با توجه به انرژی زیاد آن نسبت به اشعه‌های دیگر بیشترین صدمه را به بافت‌های بدن وارد می‌کند. ضمن اینکه موجب تشکیل ذرات خطرناکی مثل اوزن می‌شود که برای انسان زيان آور است. همچنین در قوس نور مرئی شدید توليد می‌شود كه به دلیل شدت آن، برای چشم مضر است.
علاوه بر اشعه‌های مذکور به دليل حرارت زياد قوس، مقداری بخارات فلزی در حوضچه جوش به وجود می‌آید. همچنین در صورت آلوده بودن قطعه كار به رنگ يا بتونه و يا ناخالصی‌های ديگر بخاراتی توليد می‌شود كه برای انسان زيان آور است. از طرف دیگر پوشش الكترود نيز مقداری گاز و بخارات سمی توليد می‌كند كه هم برای جوشكار و هم برای كسانی كه در كارگا‌ه‌های جوشكاری كار می‌كنند زيا‌نبار است. لذا جوشكاران همواره بايد نكات ايمنی را رعايت كرده و از وسایل ایمنی استفاده كنند تا خود و ديگران را از آسيب‌های احتمالی مصون سازند.
مدار جوشکاری قوسی
در جوشکاری با قوس الکتریکی ، جریان برق از طریق کابل جوشکاری و انبر الکترود به میله الکترود می‌رسد. سر دیگر ماشین جوش به قطعه کار مورد جوشکاری یا به میز کار متصل می‌شود که با تماس الکترود با قطعه کار، در مدار جریان برق اتصال کوتاه حاصل شده و جریان زیادی از طریق الکترود - قوس قطعه مورد جوشکاری - کابل برگشت، به طرف ماشین جوشکاری عبور می‌کند. حال اگر الکترود از فلز مبنا جدا شده و در فاصله معینی از آن قرار گیرد جهش جرقه باعث یونیزه شدن هوا و ایجاد قوس می‌گردد. مقاومت الکتریکی زیاد قوس، حرارت فوق العاده‌ای تولید می‌نماید که باعث ذوب الکترود و لبه‌های دو قطعه فلز جوش شونده و در هم آمیختن آنها می‌شود و بدین ترتیب اتصال دو قطعه را وسیله جوشکاری فراهم می‌سازد.
مزایا و محدودیت‌های فرآیند جوشکاری قوسی (SMAW )
جوشکاری قوسی فلزی محافظت شده، فرآیندی با بیشترین کاربرد به ویژه برای جوش‌های کوتاه در پروسه تولید، نگهداری و تعمیرات بوده، همچنین برای ساختارهای کارگاهی مناسب می‌باشد.
در زیر مزایای این فرآیند به اختصار بیان می‌شود :
- دارای تجهیزات نسبتاً ساده، ارزان و قابل حمل است.
- حفاظت از فلز پرکننده و فلز جوش در برابر اکسایش مضر در جریان جوشکاری، به عهده الکترود پوشش دار می‌باشد.
- حفاظت گازی کمکی یا روانساز دانه‌ای مورد نیاز نمی‌باشد.
- فرآیند در قبال باد نسبت به فرآیندهای جوشکاری قوسی محافظت شده گازی، دارای حساسیت کمتری است.
- می‌توان آن را در فضاهایی با دسترسی کمتر بکار برد.
- این فرآیند جوشکاری برای بیشتر فلزات و آلیاژهای معمولی مناسب است.
- الکترودهای SMAW برای جوشکاری فولادهای کربنی و کم آلیاژ، فولادهای زنگ نزن، چدن‌ها، مس، نیکل و آلیاژهای آنها، همچنین برای بعضی از آلیاژهای آلومینیوم، وجود دارد.
محدودیت‌های این روش عبارتند از:
- فلزات زود گذار مانند سرب، قلع و روی و آلیاژهای آنها، به علت حرارت شدید قوس برای آنها، توسط این فرآیند SMAW جوشکاری نمی‌شوند.
- فرآیند جوشکاری SMAW برای فلزات واکنش‌گر از قبیل تیتانیوم، زیرکونیوم، تانتالیوم و نیوبیوم به علت کافی نبودن حفاظت برای جلوگیری از آلودگی اکسیژنی جوش، مناسب نیست.
- الکترودهای روپوش دار به طول‌های 230 الی 460 میلیمتر تولید می‌شوند. از آنجا که اول قوس زده می‌شود، لذا جریان از تمامی طول قوس عبور می‌کند. بنابراین مقدار جریانی را که می‌توان بکار برد، توسط مقاومت الکتریکی سیم مغزه محدود می‌گردد.
- آمپراژ باعث گرم شدن بیش از حد الکترود و شکستن پوشش آن می‌گردد. این امر به نوبه خود مشخصات قوس و حفاظت مربوطه را تغییر می‌دهد. به علت همین محدودیت، نرخ‌های رسوب معمولاً کمتر از فرآیندهایی از قبیل جوشکاری قوسی فلزی است.
- چرخه کار اپراتور و نرخ‌های رسوب کلی الکترودهای روپوش دار معمولاً کمتر از فرآیندهای الکترود یکسره، نظیر جوشکاری قوسی توپودری (FCAW) است. این امر به این علت است که الکترودها را تا حداقلی از طول آن می‌توان بکار برد. هنگامی که به آن طول رسید، جوشکار باید الکترود مصرف شده را دور ریخته و الکترود جدیدی در انبر قرار دهد.
- یکی دیگر از محدودیت‌های این فرآیند جوشکاری، محل تعویض الکترود می‌باشد که در محل تعویض الکترود برخی عیوب دیده می‌شوند.
جهت مشاهده لیست تامین کنندکان مقاطع فولادی به وب سایت فولاد 24 مراجعه نمایید.
تهیه شده در گروه تولید محتوای فولاد 24