جوشکاری چیست؟

ایجاد اتصال دائمی بین متریال ( فلزی و غیر فلزی ) در ناحیه جوش و توسط اعمال حرارت و یا فشار را جوشکاری گویند. در فرآیند جوشکاری ممکن است از FILLER MATERIAL استفاده گردد و یا بدون افزودن FILLER MATERIAL  فرآیند اجرا شود. جهت اجرای فرآیند ممکن است از برخی متریال دیگر مانند گازهای محافظ، پوشش ها و دیگر مواد افزودنی کمک گرفته شود و البته لازم بذکر است که در برخی موارد اجرای فرآیند جوشکاری بدون استفاده از متریال کمکی میسر نمی باشد. جهت اجرای جوشکاری نیاز به تامین انرژی می باشد و انرژِی جوشکاری غالبا توسط منابع خارجی تامین می گردد.

در ادامه در مورد گروه بندی فرآیند های جوشکاری مفصل بحث خواهد شد ولیکن در اینجا لازم به اشاره است که در یک گروه بندی کلی می توان جوشکاری را به دو دسته اصلی تقسیم کرد که شامل فرایندهای جوشکاری ذوبی و فرایندهای جوشکاری غیر ذوبی می باشد.

لحیم کاری سخت توسط مشعل - BRAZING TORCH- چیست ؟

نوعی ایجاد اتصال با استفاده از فلز پرکننده است در دمای بالاتر از ۴۵۰ درجه سلسیوس و زیر نقطه ذوب فلز پایه که در آن نفوذ در اتصال براثر خاصیت موئینگی است. لحیم‌کاری فرایندی است که طی آن دو فلز به وسیله یک پُرکننده (فیلر) به یکدیگر اتصال پیدا می‌کنند، پرکننده در این فرایند نقطه جوش پایین‌تری نسبت به دو فلز دیگر دارد بریزکاری از این نظر که طی آن فلزهای متصل شونده به یکدیگر به نقطه ذوب نمی‌رسند با فرایند جوشکاری متفاوت است.

باندینگ – BONDING – چیست ؟

اتصال در باندینگ معمولا در دمای 50 تا 70 درصد دمای ذوب فلزات و به همراه اعمال فشار و بروز MICRODEFORMATION در سطوح زبری اتصال ایجاد می گردد.

طبقه بندی فرآیندهای جوشکاری

فرآیندهای جوشکاری را می توان از دیدگاه مختلف و با در نظر گرفتن پارامترهای متفاوت تقسیم بندی کرد. در ادامه به برخی از مهم ترین تقسیم بندی های فرآیندهای جوشکاری اشاره می گردد:

تقسیم بندی فرآیند های جوشکاری بر اساس متریال پایه:

  • فلزی
  • غیر فلزی

تقسیم بندی فرآیند های جوشکاری بر اساس فیزیک جوشکاری:

  • جوشکاری توسط اعمال فشار WELDING WITH PRESSURE
  • جوشکاری ذوبی FUSION WELDING

تقسیم بندی فرآیند های جوشکاری بر اساس منبع تامین نیرو و نوع فرآیند:

تقسیم بندی فرآیند های جوشکاری

تقسیم بندی فرآیند های جوشکاری بر اساس هدف از جوشکاری:

  • اتصال متریال
  • پوشش دهی متریال جهت بهبود خواص مانند خواص ضد سایش و خوردگی

تقسیم بندی فرآیند های جوشکاری بر اساس میزان ماشینی بودن:

  • MANUAL WELDING
  • PARTLY MECHANISED WELDING
  • FULLY MECHANISED WELDING
  • AUTOMATIC WELDING

فرآیند های جوشکاری بر اساس میزان ماشینی بودن

طبق طبقه بندی های بالا متداول ترین فرآیندهای جوشکاری شامل گروه FUSION WELDING می باشد که در آن اتصال به واسطه ایجاد حوضچه و ناحیه مذاب جوشکاری می گردد.

 در یک اتصال ذوبی سه ناحیه زیر قابل تشخیص می باشد:

  • WELD METAL
  • HAZ
  • BASE METAL

بدلیل بوجود آمدن تغییرات متالورژیکی در ناحیه HAZ ممکن است افت خواص مکانیکال و یا خوردگی مانند موارد زیر رخ دهد:

  • افت استحکام متریال
  • تغییر در عدد سختی متریال
  • افزایش حساسیت به انواع ترک خوردگی ها
  • کاهش خواص خوردگی

 FUSION WELDING

PRESSURE WELDING

سه ناحیه بالا را در یک اتصال جوشی ذوبی FUSION WELDING  را می توان به شش بخش مختلف تقسیم بندی کرد:

  • COMPOSITE ZONE
  • UNMIXED ZONE
  • WELD INTERFACE
  • PARTIALLY MELTED ZONE
  • HEAT AFFECTED ZONE
  • UNAFFECTED ZONE

 ناحیه های یک اتصال جوشکاری شده

  • 1- COMPOSITE ZONE

ترکیبی از WELD METAL و BASE METAL را تشکیل می دهد. بطور مثال هنگام جوشکاری چدن خاکستری با فیلر پایه نیکلی، آنگاه COMPOSITE ZONE ترکیبی از فیلر نیکلی است که توسط چدن خاکستری رقیق شده است. در برخی موارد درجه رقیق شدن می بایست در حین جوشکاری کنترل شده باشد. بشکل کلی این منطقه داراری ترکیبی نزدیک به W.M می باشد که توسط B.M رقیق شده است.

2- UNMIXED ZONE

اطراف ناحیه کامپوزیتی یک ناحیه مخلوط نشده وجود دارد که در واقع بخشی از فلز پایه ای است که به واسطه حرارت ناحیه کامپوزیت ذوب شده است ولی قبل از اختلاط با فلز فیلر متال مجدد منجمد شده است. در این ناحیه اختلاط رخ نداده است ولی ذوب کامل و انجماد مجدد اتفاق افتاده است است.

عرض این منطقه از اتصال بین 0.05 تا 0.1 اینچ بسته به نوع فرآیند جوشکاری استفاده شده متغیر بوده و از نظر ترکیب و خواص شبیه به فلز پایه می باشد که توسط ترکیب فلز فیلر متال کمی متاثر شده است.

این ناحیه در تمامی جوشها وجود دارد ولی عملا در جوشکاری هایی قابل رویت است که جنس فیلر با فلز پایه یکسان نباشد. بطور مثال در جوشکاری چدن خاکستری توسط فیلر پایه نیکل این منطقه بصورت چدن سفید رویت می گردد.

3- WELD INTERFACE

نام دیگر این ناحیه FUSION LINE  بوده و محل تلاقی ناحیه ذوب نشده با ناحیه ذوب شده می باشد. در اتصال های همجنس تشخیص این مرز دشوار بوده و تنها توسط  اچ های حساس به ترکیب قابل رویت می باشد.

4- PARTIALLY MELTED ZONE

بعد از ناحیه FUSION LINE یک منطقه از B.M و جود دارد که حرارت حوضچه مذاب باعث ذوب نسبی متریال در راستایی مرز دانه ها می شود که بعد از سرد شدن حوضچه مذاب این ناحیه مجدد منجمد شده و به آن PARTIALLY MELTED ZONE گویند. در تصاویر زیر منطقه مذکور کاملا قابل رویت می باشد.

PARTIALLY MELTED ZONE

PARTIALLY MELTED ZONE WELDING

5- ناحیه متاثر از حرارت یا HAZ
این منطقه هم در واقع بخشی از BASE METAL می باشد که حرارت اعمال شده جهت افزایش دما تا نواحی تغییرات فازی کافی بوده است ولی هیچگونه ذوبی در آن رخ نداده است. تغییرات فازی ایجاد شده در متریال، تغییرات خواص مکانیکی و خوردگی را به دنبال خواهد داشت و در برخی موارد می بایست اقدامات و کنترلهای لازم جهت حفظ خواص این ناحیه لحاظ گردد در غیر اینصورت اتصال عملکرد مناسب خود را نخواهد داشت. بطور مثال تغییر اندازه دانه در این منطقه قابل پیش بینی می باشد.


6-  ناحیه غیر متاثر
بخشی از فلز پایه که افزایش دما هیچگونه تغییر ساختاری و فازی را در آن ایجاد نکرده است.

مقطع جوشکاری شده کلی

• جهت دستیابی به اهداف نهایی یک اتصال و نیز رفع نواقص موجود در دستورالعملهای جوشکاری شناخت این نواحی و آگاهی از نوع نواقص احتمالی در هریک از آنها الزامی می باشد.

آشنایی با فرآیند های جوشکاری ذوبی Fusion Welding

در این نوع از فرآیندهای جوشکاری، اتصال توسط اعمال حرارت و ذوب نمودن متریال ایجاد می گردد و جوشکاری ممکن است با اعمال فشار و فیلر متریال یا بدون اعمال فشار و فیلر متریال اجرا گردد.

لازم به ذکر است آگاهی از کلیه فرآیندهای جوشکاری الزامیست و ما در اینجا فقط به بیان کلیات مهمترین روشهای ذوبی به شرح زیر می پردازیم:

  • SHIELD METAL ARC WELDING (SMAW)
  • GAS METAL ARC WELDING (GMAW)
  • FLUX CORED ARC WELDING (FCAW)
  • GAS TUNGSTEN ARC WELDING (GTAW)
  • SUBMERGED ARC WELDING (SAW)
  • STUD WELDING (SW)
  • PLASMA ARC WELDING (PAW)
  • ELECTROSLAGE WELDING (ESW)
  • OXYACETYLENE WELDING (OAW)

 FUSION WELDING

1. SHIELD METAL ARC WELDING – SMAW
در این روش از حرارت ایجاد شده توسط یک قوس الکتریکی بین یک الکترود پوشش دار و قطعه کار جهت تامین انرژی لازم برای ایجاد حوضچه مذاب استفاده می گردد. فیلر متال این فرآیند توسط مغز الکترود که یک وایر فلزی می باشد تامین می گردد و عناصر اضافه شده در پوشش نیز جهت آلیاژسازی حوضچه مذاب استفاده می شود. سوختن مواد پوشش الکترود حفاظت از حوضچه مذاب را توسط ایجاد اتمسفر محافظ ممکن کرده و عناصر اکسیژن زدای اضافه شده در پوشش الکترود به این امر کمک می کند.
این فرآیند متداول ترین فرآیند جوشکاری بوده و از تنوع مناسبی جهت جوشکاری انواع فلزات پایه آهنی و غیر آهنی برخوردار است. شماتیک کلی این فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است.

SHIELD METAL ARC WELDING SMAW 01

 SHIELD METAL ARC WELDING SMAW 02

در این فرآیند از یک الکترود پوشش دار که از یک مغزی فلزی تشکیل شده است که توسط پوشش غیر فلزی که مخلوطی از مواد مختلف - مانند عناصر آلیاژی، اکسژن زدا ها، فلورایدها، و غیره - می باشد روکش شده است. این پوشش تامین کننده گازهای محافظ حوضچه مذاب، گل جوش محافظ و ثبات قوس الکتریکی می باشد.
الکترود توسط انبر جوشکاری به یک سرکابل منبع انرژی جوشکاری وصل می گردد و قطعه کار نیز توسط کابل دوم به قطب دیگر منبع تامین کننده جریان وصل شده و بدین شکل قوس الکتریکی میان الکترود و قطعه کار ایجاد می شود. قوس الکتریکی باعث ذوب فلز پایه، مغزی و پوشش الکترود می شود.
بدلیل تنوع بسیار بالای پوشش الکترودها و عدم محدودیت در آلیاژسازی مفتولهای مغزی یک دامنه بسیار وسیع از متریال مهندسی را می توان توسط تجهیزات ساده این فرآیند جوشکاری کرد و این دلیل اصلی استفاده بسیار زیاد از فرآیند SMAW می باشد 

 SHIELD METAL ARC WELDING SMAW ELECTRODES

در این فرآیند محافظت از حوضچه مذاب توسط پوشش گازهای ناشی از سوختن پوشش الکترود تامین می گردد.

 

2. Gas-Metal Arc Welding – GMAW
یک فرآیند ذوبی می باشد که در آن فلز پایه و فیلرمتال توسط قوس الکتریکی ذوب می گردد. محافظت از حوضچه مذاب در این فرآیند توسط اعمال یک گاز محافظ خارجی تامین می گردد.
GMAW یک فرآیند نیمه اتوماتیک یا تمام اتوماتیک می باشد و توانایی جوشکاری تمامی آلیاژهای تجاری مانند انواع کربن استیلها، فولادهای زنگ نزن، پایه نیکلها، آلومینیوم، مس و غیره را در تمامی پوزیشنهای جوشکاری دارد مشروط بر آنکه فیلر و گاز مناسب انتخاب گردد.

 

Gas Metal Arc Welding GMAW

Gas Metal Arc Welding GMAW 02

در این روش فیلر متال بصورت مدام توسط فیدر تغذیه می شود لذا یک فرآیند پیوسته بوده و لذا سرعت جوشکاری نسبت به SMAW بیشتر می باشد.

انواع گاز محافظ را در این روش می توان به دو گروه اصلی گازهای خنثی و گازهای فعال تقسیم بندی کرد. و از این لحاظ فرآیند به دو گروه جوشکاری با گاز فعال MIG و جوشکاری با گاز خنثی MAG گروه بندی می شود.

 

3. Flux-Cored Arc Welding – FCAW
جوشکاری توپودری مانند جوشکاری GMAW می باشد با همان تجهیزات تفاوت اصلی در فیلر این فرآیند می باشد که حالت وایر تمام جامد solid نداشته و داخل آن توسط پودر جوشکاری پر شده است. در اینجا نیز قوس یا همان ARC بین یک فیلرالکترود و فلز پایه برقرار و هر دو را ذوب می کند.
برخی از فیلرهای بکار رفته در این فرآیند دارای سرباره حجیم تر و عناصر کافی در پودر داخل خود هستند به نحوی که نیازی به استفاده از گاز محافظ نمی باشد که اصطلاحا به این نوع از فیلرها self-shielded گویند.

 Flux Cored Arc Welding FCAW 02

Flux Cored Arc Welding FCAW

 

4. GAS TUNGSTEN ARC WELDING – GTAW
جوشکاری TIG و جوشکاری آرگون اسامی متداول این فرآیند می باشد. حرارت لازم جهت ذوب کردن فلز پایه BASE METAL و فیلر متال FILLER METAL در این روش توسط ایجاد یک قوس الکتریکی بین الکترود غیر مصرفی از آلیاژهای تنگستن و قطعه کار تامین می گردد. محافظت از حوضچه مذاب در اینجا توسط اعمال گاز محافظ خارجی خنثی تامین شده که غالبا آرگون، هلیم، و یا ترکیبی از این دو می باشد. این فرآیند بدون استفاده از فیلرمتال نیز قابل اجراست - اصطلاحا به آن تورچ خالی گویند .

GAS TUNGSTEN ARC WELDING GTAW

Gas Metal Arc Welding GMAW 02

این فرآیند دارای کیفیت بسیار مناسبی بوده و نیز جهت جوشکاری مقاطع نازک بسیار کاربردی می باشد ولیکن از سرعت قابل توجهی برخوردار نیست. در این فرآیند اعوجاج ناشی از جوشکاری کم می باشد.
حداقل خلوص گازهای محافظ در این فرآیند دارای اهمیت بسیاری می باشد و غالبا در استانداردها عددی حدود 99.95 درصد می باشد. در این روش گاز محافظ از بروز اکسیداسیون حوضچه مذاب و الکترود تنگستنی جلوگیری کرده و ضمنا وظیفه ثبات قوس را نیز بر عهده دارد.
این فرآیند به دلیل سرعت پایین رسوبگذاری عمدتا جهت ضخامتهای بیش از 8 میلی متر بصورت ترکیبی با دیگر فرآیندها استفاده می شود.

 

5. SUBMERGED ARC WELDING- SAW
در این روش حرارات لازم جهت ذوب توسط برقراری قوس الکتریکی میان سیم جوش ( فیلر ) و قطعه کار ایجاد می گردد. تغذیه سیم جوش در این روش بصورت خودکار و مداوم انجام می شود که باعث افزایش سرعت و راندمان جوشکاری خواهد شد. در روش جوشکاری زیر پودری قوس در زیر فلاکس – پودر جوشکاری - مخفی بوده و بدین شکل محافظت از قوس تامین می شود به همین دلیل هم به آن جوشکاری زیر پودری گویند. متریال مصرفی این فرآیند اغلب بصورت solid می باشد ولی در برخی موارد بصورت توپودری - cored - نیز استفاده می شود. جهت پوشش دهی cladding عموما از فیلر های تسمه ای استفاده می شود.

SUBMERGED ARC WELDING SAW 001

این فرآیند بصورت دستی ، نیمه اتوماتیک و ماشینی قابل اجراست. جهت دستیابی به نرخ رسوب بیشتر می توان از دو یا چند الکترود نازک تر بجای یک الکترود ضخیم تر استفاده کرد.

با پیشروی عملیات جوشكاری، علاوه بر هر لایه جوش، لایه‌ای از سرباره ناشی از پودر محافظ نیز بر روی فلز جوش می گردد و منجمد می‌شود.

SUBMERGED ARC WELDING SAW 02

با توجه به نرخ رسوبگذاری بالای این فرآیند جهت کاربرد در صنایع مختلف ماشینهای مختلفی طراحی گردیده است که مطابق با پوزیشنها و نیازهای هر صنعت اجرای جوشکاری زیرپودری را امکان پذیر می کند.

SUBMERGED ARC WELDING SAW 03

SUBMERGED ARC WELDING SAW 04

 

6. Stud Arc Welding - SW
یک فرآیند متداول جهت اتصال پیچها، مهره ها و studهای فلزی و اقلامی با این شکل ظاهری به قطعه کار می باشد. در این روش اتصالات توسط ایجاد یک قوس الکتریکی به فلز پایه وصل می شوند.

 Stud Arc Welding SW

بشکل کلی فرآیند SW طبق منبع تامین انرژی گروه بندی می شود و از این لحاظ دو گروه عمده در فرآیند جوشکاری SW وجود دارد:
- در نوع اول از یک منبع انرژی direct current - dc استفاده می شود که از لحاظ ماهیت مشابه همان منابعی است که در SMAW مورد استفاده می گزدد.
- در روش دوم از یک capacitor storage bank استفاده می شود. مان دیگر این روش capacitor discharge stud welding – CDSW می باشد.

Stud Arc Welding SW 02

این فرآیند بدون استفاده از فیلر متال اجرا می شود و در اجرای این فرآیند ممکن است از گاز محافظ و یا فلاکس جهت حفاظت از قوس و فلز مذاب استفاده شود.
Stud welding ممکن است توسط فرآیند های مختلفی مانند arc, resistance, friction و یا percussion اجرا گردد.

Stud Arc Welding SW 03

7. PLASMA ARC WELDING - PAW
Plasma Arc Welding یک فرآیند ذوبی با قوس الکتریکی می باشد و در گروه gas-shielded arc welding ها قرار می گیرد.در این روش قوس الکتریکی به دو روش ایجاد می گردد:
- transferred arc mode قوس منتقل شده یا مستقیم: قوس بین یک الکترود تنگستنی غیر مصرفی و قطعه کار ایجاد می شود.
- nontransferred arc mode قوس غیر مستقیم یا منتقل نشده: قوس الکتریکی بین الکترود تنگستنی غیر مصرفی و نازل متمرکز کننده ایجاد می گردد.
عبور گاز اوریفیس از میان این ستون متمرکز قوس الکتریکی سبب یونیزه شده گاز می شود. و ایجاد جت پلاسما با دمای تقریبی 2500 درجه سانتی گراد می شود. در حالت transferred arc mode حرارت جوشکاری شامل مجموع حرارت قوس انتقال داده شده به قطعه کار و جت پلاسما می باشد لذا در این حالت عمق نفوذ بسیار مناسب می باشد.
حفاظت از حوضچه مذاب توسط گازهای خروجی از گان جوشکاری تامین می شود که شامل گاز یونیزه شده خروجی نازل و گاز محافظ می باشد.

PLASMA ARC WELDING PAW 03

PLASMA ARC WELDING PAW 02

 

PLASMA ARC WELDING PAW

 

8. ELECTROSLAGE WELDING - ESW
ESW یک فرآیند ذوبی می باشد که در آن فیلرمتال و فلز پایه توسط ایجار یک سرباره مذاب، ذوب شده و اتصال را ایجاد می کنند. در این فرآیند، جوشکاری توسط ایجاد یک قوس الکتریکی بین الکترود و قطعه کار آغاز می شود و بلافاصله مواد فلاکس تشکیل دهنده سرباره اضافه می گردد. سپس با ضخیم شده سرباره قوس در سرباره خاموش و هدایت الکتریکی توسط سرباره مذاب انجام می شود. مقاومت سرباره در برابر عبور جریان باعث گرم نگهداشتن مذاب شده و همزمان با ذوب الکترود جوشکاری، مذاب بین دیواره ها و کفشکهای مسی آبگرد جوشکاری بالا آمده و اتصال را کامل می کند.

ELECTROSLAGE WELDING ESW

ELECTROSLAGE WELDING ESW 02