مقدمه:
جوشکاری (به انگلیسی: Welding) یکی از روش‌های تولید می‌باشد. هدف آن اتصال دائمی مواد مهندسی (فلز، سرامیک، پلیمر، کامپوزیت) به‌یکدیگر است؛ به‌گونه‌ای که خواص اتصال برابر با خواص مادهٔ پایه باشد.
جوشکاری همچنین یکی از فرایندهای اتصال دائمی قطعات (فلزی یا غیرفلزی)، به روش ذوبی یا غیر ذوبی، با بکارگیری یا بدون بکارگیری فشار، با استفاده یا بدون استفاده از ماده پرکننده می‌باشد. فرایندهای جوشکاری به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: فرایندهای جوشکاری ذوبی و فرایندهای جوشکاری غیر ذوبی
پیشینه
- موسیاندر ۱۸۸۱ قوس کربنی را برای ذوب فلزات مورد استفاده قرار داد.
- اسلاویانوفالکترودهای قابل مصرف را در جوشکاری به‌کار گرفت.
- ژولدر ۱۸۵۶ به‌فکر جوشکاری مقاومتی افتاد.
- لوشاتلیهدر ۱۸۹۵ لولهٔاکسی‌استیلن را کشف و معرفی کرد.
- الیهو تامسوناز جوشکاری مقاومتی در سال ۱۸۷۶ استفاده کرد.
- در جریان جنگ‌های جهانی اول و دوم، جوشکاری پیشرفت زیادی کرد. احتیاجات بشر به‌اتصالات مدرن، سبک، محکم و مقاوم در سال‌های اخیر و مخصوصاً بیست سال اخیر، سبب توسعهٔ سریع این فن شده‌است.
فرایندهای جوشکاری
فرایندهای جوشکاری با قوس الکتریکی
جریان الکتریکی از جاری‌شدن الکترون‌ها در یک مسیر هادی به‌وجود می‌آید. هرگاه در مسیر مذکور یک شکاف هوا (گاز) ایجاد شود، جریان الکترونی و در نتیجه جریان الکتریکی قطع خواهد شد. چنان‌چه شکاف هوا به‌اندازهٔ کافی باریک بوده و اختلاف پتانسیل و شدت جریان بالا، گاز میان شکاف یونیزه‌شده و قوس الکتریکی برقرار می‌شود. از قوس الکتریکی به‌عنوان منبع حرارتی در جوشکاری استفاده می‌شود. حرارت ایجاد شده در جوشکاری به دلیل حرکت الکترون‌ها در ستون قوس و بمباران الکترونی قطعه کار می‌باشد. روش‌های جوشکاری با قوس الکتریکی عبارت‌اند از:
فرایندهای جوشکاری مقاومتی
در جوشکاری مقاومتی برای ایجاد آمیزش از فشار و گرما استفاده می‌شود. گرما به‌دلیل مقاومت الکتریکی قطعات کار و تماس آنها در فصل مشترک به‌وجود می‌آید. پس از رسیدن قطعه به‌دمای ذوب و خمیری فشار برای آمیخته دو قطعه به‌کار می‌رود. در این روش فلز کاملاً ذوب نمی‌شود. گرمای لازم از طریق عبور جریان برق از قطعات به‌دست می‌آید. روش‌های جوشکاری مقاومتی عبارت‌اند از:
فرایندهای جوشکاری حالت جامد
دسته‌ای از فرایندهای جوشکاری هستند که در آنها عمل جوشکاری بدون ذوب‌شدن لبه‌ها انجام می‌شود. در واقع لبه‌های تحت فشار با حرارت یا بدون حرارت در همدیگر له می‌شوند. فرایندهای این گروه عبارت‌اند از:
در این روش به‌جای استفاده از انرژی الکتریکی برای تولید گرمای مورد نیاز ذوب فلزات از انرژی مکانیکی استفاده می‌گردد. به‌این ترتیب که یکی از دو قطعه که با سرعت درحال دوران است به‌قطعهٔ دوم که ثابت نگه داشته‌شده تماس داده می‌شود. در اثر اصطکاک بین دو قطعه و تولید حرارت، محل تماس دو قطعه ذوب‌شده و لبه‌های تحت فشار با حرارت در همدیگر له می‌شوند.
فرایند جوشکاری با گاز
جوش گاز.
گروه فرایندهای جوشکاری است که در آن، اتصال با ذوب‌شدن توسط یک یا چند شعلهٔ مانند استلن ا پروپان، با اعمال فشار یا بدون آن، با کاربرد فلز پرکننده یا بدون آن انجام می‌شود.
فرایند جوشکاری با لیزر
در این روش از پرتوی لیزر برای جوشکاری استفاده می‌شود. در جوشکاری لیزری دانسیتهٔ انرژی فراهم‌شده، بسیار بیشتر از جوشکاری با دیگر فرایندها است.
از لیزرهای مختلفی مانند «زر گاز کربنیکی» یا لیزر یاقوت برای جوشکاری می‌توان استفاده کرد. دقت می‌شود که انرژی پرتو، آن‌قدر زیاد نباشد که باعث تبخیر فلز شود.
فرایند جوشکاری با اشعه الکترونی
کاربرد جریانی از الکترون‌ها است که با ولتاژ زیاد شتاب داده شده‌اند و به‌صورت باریکه‌ای متمرکز به‌عنوان منبع حرارتی جوشکاری به‌کار می‌روند. به‌دلیل دانسیتهٔ بالای انرژی در این پرتو، منطقه تفدیده بسیار باریک می‌باشد و جوشی با کیفیت مناسب به‌دست می‌آید. این فرایند به‌عنوان اولین فرایند جوشکاری به‌کاررفته برای ساخت بدنهٔ جنگنده‌ها استفاده شد.
کنترل کیفیت و بازرسی
طبق طبقه‌بندی استانداردهای مدیریت کیفیت (ایزو ۹۰۰۰)جوشکاری جزء فرایندهای ویژه طبقه‌بندی شده‌است که این نشان‌دهندهٔ این است که برای کنترل کیفیت و تضمین کیفیت این فرایند ویژه می‌باید پیش‌بینی‌های خاصی انجام داد. به این منظور پیش از عملیات جوشکاری تمام پارامترها دخیل در فرایند شامل مواد اولیه (آلیاژها)، دستگاه و تنظیمات آن، مواد مصرفی و جوشکار بر طبق استاندارد (ایزو ۳۸۳۴) مورد ارزیابی و بررسی و تأیید قرار می‌گیرند
جوشکاری با برق
برای لوله کشی گاز، ساختن اسکلت فلزی و … از جوش برق استفاده می‌شود.
جوشکاری با برق به ۲ طریق انجام می‌شود:
جوشکاری با برق متناوب
در این نوع جوشکاری از دستگاهی که در اصطلاح جوشکاران به ترانس مشهور است استفاده می‌شود. ترانس را مستقیماً به برق شهر که برق آن متناوب است وصل می‌نمایند این دستگاه که عبارت است از یک مبدل الکتریکی (ترانسفرماتور) پتانسیل برق را پایین آورده و شدت جریان آن را زیاد می‌کند قطب منفی برق را به فلزی که باید جوش شود وصل می‌کنند و قطب مثبت آن را به الکترود جوشکاری متصل می‌کنند. با نزدیک کردن الکترود به قطعه‌ای که باید جوشکاری شود و تنظیم فاصله آن یک قوس الکتریکی بین الکترود و قطعه به وجود می‌آید که دارای حدود ۲۵۰ درجه سانتی گراد حرارت می‌باشد این حرارت موجب ذوب شدن ۳ قطعه فلزی که در مجاورت قوس الکتریکی می‌باشد می گردد (الکترود و ۲ قطعه فولادی که می‌باید با جوش به همدیگر متصل بشوند) پس از ذوب شدن و دوباره سخت شدن قطعات آنها به همدیگر متصل می‌گردند.
جوشکاری با برق مستقیم(DC)[
در این نوع جوشکاری جوشی مقاوم تر و توپرتر حاصل می‌شود و باید اسکلت‌های فلزی ساختمان‌ها با همین برق جوشکاری شود. برای تولید این نوع برق معمولاً به ۲ طریقه عمل می‌نمایند طریقه اول آست که برق متناوب شهری را با دستگاهی به نام رکتی فایر (rectifier) یا یکسو کننده به برق متوالی تبدیل می‌کنند این دستگاه را که جوشکاران به آن دینام می‌گویند به برق شهر وصل نموده و از آن استفاده می‌کنند.
راه دیگر برای ایجاد برق متوالی استفاده از دستگاه‌های تولید برق می‌باشد این دستگاه‌ها که در اصطلاح جوشکاران به موتور سیار مشهور می‌باشد دارای موتوری است که به یک دینام تولید برق متوالی متصل است موتور که قوه محرکه دستگاه است با بنزین یا گازویل کار می‌کند در این جوش کاری قطب منفی به قطعه ایی که می‌باید جوشکاری شود وصل می‌گردد و قطب مثبت را به الکترود جوشکاری وصل می‌کنند و از نزدیک کردن این دو قطب به همدیگر قوس الکتریکی با ۳۵۰۰ درجه حرارت تولید می‌شود که این حرارت موجب ذوب شدن و در نتیجه اتصال قطعات به یکدیگر می‌گردد. برای ایجاد این قوس الکتریکی باید هوای موجود بین الکترود و قطعه ایی که می‌خواهیم جوش بدهیم هادی بشود تا امکان پریدن الکترون‌ها از یک قطب به قطب دیگر و در نتیجه ایجاد قوس الکتریکی امکان‌پذیر بشود برای این کار جوشکار با کشیدن الکترود به روی قطعه فلزی هوای موجود بین دو قطب مثبت و منفی را یونیزه کرده و به فوریت فاصله را تنظیم می‌نماید تا قوس الکتریکی برقرار شود. با درجه حرارت زیادی که در این قوس ایجاد می‌شود اگر حوضچه ذوب کاملاً محافظت نشود فوراً به وسیلهٔ اکسیژن هوا اکسیده شده و محیط جوش فاسد می‌گردد و همچنین اگر فلز الکترود با دقت تعیین نشود جوشکاری و اتصال انجام نمی‌شود به همین لحاظ انتخاب الکترود از لحاظ جنس و قطر میله و غیره در جوشکاری از اهمیت مخصوصی برخوردار می‌باشد.
الکترود
الکترود جوشکاری از ۲ قسمت تشکیل شده است:
- فلز جوشکاری
- پوشش روی فلز
کارخانه‌های تهیه الکترود فلز جوشکاری را با قطرهای مختلف از ۲ میلیمتر تا ۶ میلیمتر و گاهی نیز بیشتر تهیه می‌نماید برای جوشکاری قطعاتی که ضخامت آنها ۱ یا ۲ میلیمتر می‌باشد از الکترودهای باریک استفاده می‌نمایند مانند جوشکاری در و پنجره که اغلب از پروفیل‌هایی ساخته شده از ورقی به ضخامت ۱٫۵ میلیمتر تهیه شده‌اند و برای جوشکاری قطعات ضخیم‌تر مانند جوشکاری قطعات تیر آهن و صفحات کلفت و اصولاً برای جوشکاری ساختمان‌های فلزی از الکترود به قطرهای بالا استفاده می‌نمایند.
آلیاژ فلزی که برای جوشکاری انتخاب می‌شود باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- باید برای ساختن الکترود از فلزی استفاده شود که حداقل مقاومت کششی و یا فشاری آن مساوی ۲ قطعه فلزی باشد که به همدیگر جوش می‌دهد.
- باید به راحتی ذوب شود.
- باید بلافاصله بعد از ذوب شدن جاری شود.
- باید از فلزی استفاده شود که به اندازه کافی نفوذ پذیر بوده و به راحتی در قطعاتی که می‌بایند جوش شوند نفوذ نماید.
- باید با فلزی که می‌خواهند جوش بدهند ترکیب شیمیایی مضر ندهد.
- باید با اجسام خارجی و آلودگی‌های هوا و همچنین آلودگی‌های حوضچه جوش ترکیب نشود.
- باید زود اکسید نشود.
- باید با گازهای اطراف ترکیب شیمیایی نداشته باشد.
- جنس آن و آلیاژ آن نباید به قطعاتی که می‌باید به هم متصل شوند نزدیک باشد.
فلز جوشکاری (الکترود) را با موادی که در اصطلاح جوشکاران به آن گل روی الکترود می‌گویند می پوشانند. این گل سراسر طول الکترود را که حدود ۳۵ سانتیمتر است می‌پوشاند به جز ۱٫۵ سانتیمتر بالای آن را که محل اتصال الکترود به انبر جوشکاری می‌باشد. جنس گل روی الکترود باید دارای ویژگی‌های زیر باشد:
- باید تقریباً هم‌زمان با فلز الکترود ذوب شود.
- باید بلافاصله روی حوضچه جوش پوشانیده و مانع تماس فلز مذاب با هوا بشود و در نتیجه از اکسید شدن مواد مذاب داخل حوضچه جوش جلوگیری کند.
- خاصیت اکسید شدن آن طوری باشد که خود فوری اکسید شده و مانع اکسید شدن فلز گردد و این اکسید شدن باید تا زمانی که مواد مذاب داخل حوضچه جوش سخت نشده است ادامه داشته باشد. علت آنکه کل روی الکترود مانع اکسیده شدن حوضچه جوش می‌گردد آنست که اولاً خود به سرعت اکسید می‌گردد در ثانی در موقع ذوب شدن از آن گازهایی متصاعد می‌شود که این گازها مانع نزدیک شدن هوا و در نتیجه اکسیژن هوا به حوضچه جوش می‌گردد.
- گازهای حاصل شده از گل روی الکترود از لحاظ تنفسی نباید اثرات منفی برای جوشکار داشته باشد.
- پوشش روی الکترود باید فوراً روی حوضچه را بپوشاند و مانع سرد شدن سریع آن بشود زیرا در غیر این صورت جوش شکننده خواهد شد.
- نباید با مواد مذاب داخل حوضچه جوش ترکیب شود.
- باید ناخالصی‌های مواد خارجی حوضچه جوش را به خود کشیده و به اصطلاح موجب تصفیه مواد مذاب بشود.
- باید بعد از جوشکاری و سرد شدن جوش به راحتی از روی باند جوش جدا شود و امکان جوشکاری را روی همین جوش فراهم نماید