قطبيت جريان در جوشکاري
در جوشکاري با قوس الکتريک ممکن است از جريان متناوبAC و يا جريان مسقيم DC با الکترود مثبت يا منفي استفاده شود. انتخاب جريان به روش جوشکاري, نوع الکترود, اتمسفر قوس ونوع فلزي که جوش داده خواهد شد, بستگي دارد. با اکثر فلزات معمولي, انتقال فلز از الکترود مصرفي به حوضچه جوش با جريان يکنواخت (مستقيم) و الکترود مثبت, يکنواخت تر و بهتر انجام ميگيرد. قطب مثبت قوس الکتريکي به علت بمباران الکترونها گرمترين قسمت است. بنابراين با جريان يکنواخت بکار بردن الکترود با قطب منفي (DCEN) يا اتصال مستقيم اين امتياز را دارد که شدت عمل ذوب در قطعه کار بيشتر خواهد بود. از طرف ديگر براي الکترودهاي غيرمصرفي اين نکته قابل توجه است که حرارت توليد شده در روي الکترود, عملاً توسط انتقال حرارت از بين ميرود و جزء حرارت تلف شده محسوب خواهد شده و منجر به راندمان حرارتي کمتري ميشود.
اگر بتواند ذرات اکسيدي غير مذاب را از روي سطح کار به اطراف پخش کند بيشتر مفيد خواهد بود. اين پديده به عنوان پاک کردن قوس Arc-cleaning شناخته شده است. هنگامي اين عمل به وقوع
مي پيوندد که الکترود قطب مثبت(DCEP) يا اتصال معکوس است.
با جريان متناوب عمل پاک کردن در هر نيم سيکل که الکترود مثبت است انجام ميگيرد. همچنين حرارت خيلي زياد در الکترود در نيم سيکل که الکترود منفي است انجام نمي گيرد.
علاوه بر پايدار بودن قوس و انتقال يکنواخت تر قطرات فلز در جريان يکنواخت, مزاياي ديگري در آن وجود دارد که عبارتند از :
1- استفاده از جريان ها با شدت کمتر
2- کاربرد همه نوع الکترود در جوشکاري دستي
3- تسهيل شرايط شروع قوس
4- سهولت نگهداري قوس با طول کوتاه
5- تسهيل شرايط جوشکاري در وضعيت هاي غير تخت
6- مناسب تر بودن براي جوشکاري ورق هاي نازک
لازم به تذکر است در جريا ن مستقيم طول کابلها بايد حدالامکان کوتاه باشد چون مقدار افت ولتاژ در کابلهاي بلند بيشتر است. از طرف ديگر احتمال ايجاد وزش قوس يا انحراف قوس (Arc Blow) با جريان مستقيم به ويژه در گوشه ها و نزديک اتصال زمين و شدت جريان بالا زياد است.
جريان AC در جايي ترجيح داده ميشود که شروع مجدد قوس مسئله چندان مهمي نباشد و اين را اغلب ميتوان به کمک افزايش بعضي ترکيبات پايدار کننده قوس در مواد پوشش الکترود (فلاکس) جبران کرد. اين مواد خاصيت يونيزاسيون زيادي دارند. جريان متناوب بيشتر در روش الکترود تنگستنTIG بکار گرفته ميشود. اما در روش الکترود فلزي اغلب از جريان مستقيم استفاده ميشود. چون همانطورکه اشاره شد انتقال فلز از الکترود به حوضچه جوش به مراتب آرامتر انجام ميگيرد.
الکترودها
در استفاده از الکترودها دو عامل پوشش الکترود و نوع الکترود حائز اهميت است که در زير مورد بررسي قرار ميگيرد.
1- پوشش هاي الکترودها
پوشش الکترود داراي چندين نقش اساسي و خصوصيت ويژه است :
1- بايد پايدار کننده قوس باشد
2- يک فضاي گازي, همچنين لايه سرباره اي را بوجود آورده تا قوس و حوضچه مذاب جوش را از
ناخالصي ها و تماس با اتمسفر محافظت کند.
3- کنترل واکنشهاي "سرباره- مذاب فلز- گاز" و گاهي اوقات عمل تصفيه يا اضافه کردن عناصر آلياژي را انجام دهد.
4- سرباره بايد داراي آنچنان خواص فيزيکي نظير ويسکوزيته و کشش سطحي و غيره باشد تا شکل گرده جوش داراي برآمدگي و صافي مورد نظر باشد.
5- از طرف ديگر پس از کنترل سرعت سرد شدن جوش و پس از انجماد جوش, سرباره شيشه اي شکل که به گل جوش هم مرسوم است براحتي از سطح جدا شود.
همانطور که ميتوان انتظار داشت الکترودي ساخته نشده که کليه خواسته ها را در تمام شرايط پاسخگو باشد. بنابراين انواع گوناگون الکترود توليد ميشود که هر نوع آن مناسب براي درخواست هاي خاصي است. خصوصيات يک الکترود در حين استفاده, ترکيب شيميايي و خواص فلز جوش رسوب داده شده ميتواند به سادگي متأثر از ترکيبات پوشش الکترود باشد.
خوبي و بدي الکترودها را معمولاً از روي نرخ فلزي که رسوب ميدهند, خواص مهندسي جوش حاصل, هزينه واحد حجم يا وزن فلز رسوب داده شده و راحتي کاربرد الکترود توسط جوشکار مي سنجند.
عناصر مختلفي در پوشش الکترودها براي جوشکاري فولاد معمولي بکار گرفته ميشود و معمول ترين آنها عبارتند از :
1- سلولز که يک ترکيب شيميايي غير کاملي از خمير چوب بنام "پشم آلفا" (Alpha-Flock) است و توليد گاز ميکند.
2- بعضي مينرالها يا کانيها نظير اکسيد تيتانيوم به صورت طبيعي آن "روتيل" , اکسيد آهن, کربنات هاي پايه مانند سنگ آهک, فلواسپات و بعضي سيليکات ها که غالباً سرباره ساز هستند.
3- فرو سيلسيم , فرو منگنز و بعضي ترکيبات ديگر که نقش اکسيژن زدايي دارند.
4- سيليکات هاي سديم و پتاسيم که بعنوان چسب استفاده ميشوند.
پودر آهن نيز در الکترودهاي مدرن به مقادير مختلف 5 تا 50 درصد در پوشش اضافه ميشوند.
رفتار و خصوصيات يک الکترود فقط خلاصه به ترکيب شيميايي عناصر تشکيل دهنده آن نيست بلکه منبع تهيه اين مواد و تقسيم بندي و عمليات آن نيز بايد مورد توجه قرار داد.
پس از انتخاب مواد پوشش, آنها را مخلوط کرده و با اضافه کردن مواد چسبنده (چسب شيشيه) بصورت خميري درمي آورند, سپس اين خمير از طريق اکسترود بر روي ميله فولاد کم کربن بصورت يکنواخت پوشانده ميشود و پس از خشک کردن در کوره پخته ميشود.
2- انواع الکترودها
براي سالهاي طولاني در بريتانيا الکترودها را از روي نوع پوشش آن تقسيم بندي کرده بودند که اخيراً به استاندارد بين المللي E2560 1973 ISO برگردانده شده است و حتي بصورت کدهاي رنگي در انتهاي الکترود نيز مشخص گرديده است. در زير تقسيم بندي انواع الکترودها آورده شده است.
1- کلاس اول(سلولزي)
پوشش اين نوع الکترودها از مقدار زيادي سلولز تشکيل شده که در اثر سوختن آن مقدار زيادي هيدروژن و مونواکسيد کربن بوجود مي آيد که قوس و حوضچه مذاب را از اتمسفر محافظت ميکند. حضور اين گازها در قوس الکتريکي با يونيزه شدن بالا, ايجاد ولتاژ بالاي قوس کرده و در نتيجه انرژي توليد شده بالا بوده و موجب نرخ بالاي سوختن و عمق نفوذ جوش خوب ميشود. قسمتي از ترکيبات سلولز در اثر حرارت مقاومتي توليد شده و در هسته الکترود حين جوشکاري تمايل به تجزيه دارد. گرم شدن الکترود همچنين موجب يک افت کوچک ولتاژ قوس شده که احياناً ميتواند ترکيب شيميايي جوش ( نظير منگنز و سيلسيم) را تغيير دهد.
همانطور که ميتوان انتظار داشت چون بيشتر مواد کربني و سوختني در پوشش اين نوع الکترودها است, در پايان سرباره کمي بر روي جوش باقي مي ماند. ولي قوس حاصل شده بعلت جت پلاسماي قوي اين امکان را به الکترود را ميدهد تا در وضعيت هاي مختلف استفاده شود. نبودن عناصر پايدار کننده قوس در پوشش موجب آن ميشود تا اين الکترود را با جريان الکتريکي مستقيم و قطب مثبت بکار برند.
2- کلاس دوم و سوم(روتيلي)
اکسيد تيتانيوم به صورت طبيعي آن(روتيل) پوشش اصلي اين دو نوع الکترود است. وجود مقدار زياد مواد يونيزه کننده استفاده از الکترود را آسان ميسازد. در نوع دوم بعلت سرباره غليظ بيشتر آن را در حالت نبشي افقي و عمودي (Fillet) بکار ميبرند. اما در نوع سوم, سرباره بعلت وجود ترکيبات بازي اضافه شده, روان تر بوده و براي وضعيت هاي ديگر هم مناسب ميباشد.يک نفوذ متوسط همراه با قوس ملايم و آرام يکي از مشخصات اين نوع الکترود ميباشد. بعلت وجود روتيل و عناصر يونيزه کننده در پوشش الکترود, ميتوان اين نوع الکترودها را با جريان متناوب هم بکار برد.
3- کلاس چهارم(اسيدي)
پوشش اين نوع الکترودها شامل اکسيدها و کربناتهاي منگنز و آهن و مقداري سيلسيم است. اين پوشش توليد يک سرباره حجيم و روان کرده که نتيجه آن جوش با ظاهر بسيار صاف و تميز ميباشد. سرباره براحتي از روي جوش جدا ميشود. همچنين از وقوع ذرات سرباره محبوس شده در جوش مي کاهد. با اين الکترود ميتوان از جريان يکنواخت و متناوب استفاده کرد.
4- کلاس پنجم(اکسيدي)
اکسيد آهن به مقدار زياد در پوشش آن است و به علت سرباره سنگين, مقدار نفوذ جوش کم بوده اما جوش حاصل پخ و صاف ميباشد ولي داراي استحکام کمتري نسبت به جوش حاصل از الکترودهاي ديگر ميباشد.
5- کلاس ششم(بازي)
احتمالاً مهمترين نوع الکترود از نظر متالورژيکي است. پوشش الکترود شامل مقدار قابل ملاحظه اي کربنات کلسيم و فلوريد و آهک و فلوئور اسپار ميباشد. بعلت ميزان رطوبت کم در پوشش الکترود, جوش حاصل داراي مينيمم مقدار هيدروژن نسبت به الکترودهاي ديگر است. اين نوع الکترود بنام الکترودهاي بازي يا هيدروژن پائين شناخته شده است.
بعلت توليد فلز جوش با هيدروژن کم , اين نوع الکترود براي جوشکاري فولادهاي کم آلياژ که در مقابل ترک برداشتن منطقه مجاور جوش حساس هستند, بسيار مناسب ميباشد. همچنين جوش حاصل مقاومت خوبي در برابر ترک گرم دارد و براي فولادهاي ضخيم و کربن بالا نيز مناسب است. فلز جوش داراي خواص مکانيکي خوب بويژه مقاومت به ضربه است.
الکترودهاي بازي ممکن است براحتي الکترودهاي ديگر قابل استفاده نباشد, اما از آنها ميتوان در تمام وضعيت ها و جريان مستقيم و متناوب استفاده کرد. چون اين نوع الکترودها براي جوش با کيفيت بالا استفاده ميشود, براي پائين نگه داشتن رطوبت حتي الامکان بايد آنها را در جاي خشک نگهداري کرد و حتي بهتر است قبل از استفاده چند ساعتي آنها را در اجاق پخت(بويژه در مورد جوشکاري فولادهاي آلياژي).
انتخاب نوع الکترود
هرچند در بعضي موارد ميتوان چندين نوع الکترود را در حالات خاصي مورد استفاده قرار داد اما انتخاب الکترود تا حدودي بستگي به نوع جرياني دارد که براي مصرف قابل دسترسي است. نکات و عوامل ديگر و مؤثر در انتخاب الکترود عبارتند از :
1- ترکيب شيميايي فلز مورد جوشکاري : بعنوان مثال در فولادهاي کربني (بالاتر از 35/0 درصد کربن) و استحکام کششي بيشتر از psi 60000 الکترود بايد از نوع کم هيدروژن و يا الکترود با پوشش پودر آهن و هيدروژن پائين انتخاب شود.
2- کيفيت محل جوش : چناچه فاصله ريشه درز باز باشد بايد از الکترودهاي مشخص و معيني که سرباره حجيم ايجاد ميکنند, استفاده کرد.
3- وضعيت جوشکاري : در جوشکاري حالت قائمVertical و بالا سريOverhead تعداد محدودي از الکترودها مورد استفاده هستند.
4- شرايط کاربردي : مثلاً در مواردي که جوش بايد داراي استحکام زياد يا استحکام ضربه اي بالا در درجه حرارت زير صفر باشد نوع الکترود مصرفي با مواردي که فقط ظاهر تميز و صاف مورد انتظار است, متفاوت خواهد بود.
5- ميزان نفوذ جوش يا عمق جوش
6- هزينه جوش
7- مهارت جوشکار : کار کردن با بعضي از الکترودها راحت تر و نياز به مهارت کمتري دارد و حتي سرعت عمل جوشکاري بيشتر است.
وضعيت هاي جوشکاري
وضعيت هايي که گاهي اوقات براي اتصال دو يا چند قطعه بوجود مي آيد شامل موارد زير است :
1- مسطح (Flat)
2- افقي (Horizontal)
3- قائم (Vertical)
4- بالا سري يا سقفي (Overhead)
حالتهايي که دو يا چند جزء براي اتصال در کنار يکديگر قرار ميگيرند عبارتند از :
1- لب به لب (Butt Weld) : که لبه ها ميتوانند صاف ويا پخ شده باشند و نوع, زاويه و شعاع انحناء پخ بنا به شرايط کار متفاوت ميباشد.
2- نبشي داخلي و خارجي (Fillet Weld) : در اين حالت دو قطعه با زاويه در کتار هم قرار داشته و همانند حالت قبل در صورت لزوم ميتواند لبه ها پخ يا صاف باشد.
3- سپري (T-Weld) : اين حالت تقريباً شبيه جوش در حالت نبشي داخلي است.
4- لب روي هم (Lap Weld) : در اين حالت مقداري از ورقها بر روي هم سوار هستند و تا حدودي شبيه جوش نبشي داخلي است.
5- لبه اي (Edge Weld) : ورقها بر روي هم قرار گرفته و بر روي لبه ها که در يک سطح قرار دارند عمليات جوشکاري انجام ميشود و يا اينکه ورق ها مانند حالت اول در يک سطح کنار يکديگر قرار گرفته اما لبه ها با زاويه 90 درجه به عرض مساوي خم شده و سپس روي لبه هاي خم شده جوش داده ميشود.
الکترودهاي E7018 و E7024
اين الکترودها از نوع قليايي هستند وپرکاربردترين الکترودهاي اين دسته به شمار ميروند. نوع 7018 داراي استحکام کششي psi 70000 است و در همه وضعيتها امکان جوشکاري با آن وجود دارد. از اين نوع الکترود در جريان متناوب AC و جريان مستقيم با قطب مثبت DCEP ميتوان استفاده کرد. نوع 7024 فقط در وضعيت تخت و همچنين فقط با جريان DCEP قابل استفاده است. اين الکترود پودر اکسيد آهن بيشتري نسبت به 7018 دارد و چون ضخامت بيشتري نسبت به 7018 دارد جريان بيشتري ميکشد و زودتر ذوب ميشود بنابراين سرعت توليد بالاتري نسبت به نوع 7018 دارد.
الکترودهاي E6010 و E6011
دو نوع از مهمترين الکترودهاي سلولزي هستند که کاربرد وسيعي در بين اين دسته از الکترودها دارند. هر دو نوع داراي استحکام کششي psi 60000 هستند و در همه وضعيتها قابل جوشکاري هستند. اما الکترود 6011 در دو نوع جريان AC,DCEP قابل استفاده است ولي الکترود 6010 فقط با جريان DCEP قابل استفاده است.
الکترود E6013
از مهمترين الکترودهاي روتيلي مورد استفاده در جوشکاري است. استحکام کششي آن psi 60000 است و در همه وضعيتها قابليت جوشکاري دارد.در استفاده از اين الکترود ميتوان از هر سه نوع جريان AC,DCEP,DCEN استفاده کرد ولي بطور کلي جريان DCEP کيفيت بهتري را نتيجه ميدهد. اين الکترود براي جوشکاري فولادهاي St 37 بسيار مناسب است.
کار عملي و مشاهدات
هدف آزمايش
بررسي اثر نوع الکترود و قطبيت جريان در کيفيت جوش اجرا شده و همچنين بررسي امکان ايجاد جوش در وضعيتهاي گوناگون بر اساس نوع الکترود و قطبيت جريان.
وسايل مورد نياز
- الکترود
- دستگاه رکتيفاير جوشکاري
- فولاد ساده کربني با ضخامت 10- 8 ميليمتر
- لباس کار, دستکش, انبر جوشکاري, عينک يا ماسک جوشکاري, چکش گل زن, برس سيمي
روش آزمايش
در اين آزمايش از الکترود E6010 براي هر دو نوع جريان DCEP,DCEN استفاده ميشود و ضمناً با جريان DCEP در دو وضعيت Flat, Vertical(up-down and down-up) جوشکاري ميشود و کيفيت و شرايط در هر حالت با هم مقايسه ميگردد.
از الکترود E6013 براي دو نوع جريان DCEP,DCEN در وضعيت جوشکاري Flat استفاده ميشود و نتايج با هم مقايسه ميگردد.
در انتها از دو الکترود E7018,E7024 براي دو نوع جريان DCEP,DCEN در وضعيتهاي Flat,Vertical استفاده ميشود.
قطر الکترودهاي E6024,E6013,E6010 , 25/3 ميليمتر است. قطر الکترود E7018 , 4 ميليمتر است که اين نوع الکترود ابتدا در دستگاه آون در دما 200 تا 300 درجه سانتيگراد به مدت 1 تا 2 ساعت قرار ميگيرد.
مشاهدات
الکترود E6010 در وضعيت Flat : جريان را روي 110 آمپر تنظيم ميکنيم و از فولاد St 37 به ضخامت 10 ميليمتر استفاده ميکنيم.
1- جريان DCEN : صداي قوس و دود حاصل از جوشکاري زياد است و پهنا و نفوذ جوش کم ميگردد.
2- جريان DCEP : صداي قوس و دود حاصل کمتر ميشود و پهنا و نفوذ جوش بيشتر ميشود. سرعت جوشکاري و ذوب زياد است و ضمناً جوش تميزتري نسبت به DCEN حاصل ميکردد.
الکترود E6010 در وضعيت Vertical و جريان DCEP : شدت جريان و جنس و ضخامت فولاد مانند حالت قبل است.
اين کار يکبار ازبالا به پائين و يکبار از پائين به بالا انجام ميشود. در حالت اول کيفيت جوش بهتر از حالت دوم است و در حالت پائين به بالا قطرات مذاب حرکت کرده و در پائين خط جوش جمع شده و کيفيت جوش نامناسب است.
الکترود E6013 در وضعيت Flat : جريان همان 110 آمپر است و جنس و ضخامت فولاد نيز تغيير نکرده است.
1- جريان DCEP : صداي قوس و دود کمتر نسبت E6010 دارد و ضمناً Spatter کمتري نيز نسبت به E6010 دارد.
2- جريان DCEN : قوس الکتريک در اين حالت نسبت به جريان DCEP همين الکترود ناپايدارتر است و صدا و دود توليد شده نيز بيشتر است. به طور کلي جريان DCEP نفوذ بيشتري از DCEN دارد و سرباره نيز به راحتي کنده ميشود ولي در جريان DCEN اين الکترود سرباره براحتي کنده نميشود.
الکترود E7018 در وضعيت Flat : ابتدا لازم است جريان را براي اين الکترود را روي 170 آمپر تنظيم زيرا قطر الکترود زياد شده است.
1- جريان DCEN : در اين حالت قوس الکتريک قطع و وصل شده و کيفيت جوش پائين است.
2- جريان DCEP : در اين حالت نسبت به جريان DCEN نفوذ بهتر, صداي قوس يکنواخت تر و سرعت ذوب بيشتر است و ضمناً گل جوش راحت تر کنده ميشود.
الکترود E7024 در وضعيت Flat : چون قطر الکترود از حالت قبل کمتر است جريان را کمتر و روي 140 آمپر تنظيم ميکنيم.
1- جريان DCEN : صداي قوس زياد و غيريکنواخت است و سرباره زيادي نيز توليد ميشود. ضمناً نفوذ و سرعت ذوب پائين است.
2- جريان DCEP : در اين حالت نسبت به جريان DCEN نفوذ, سرعت جوشکاري و پايداري قوس بهتر است.
الکترود E7024 در وضعيت Vertical :
اين عمل در دو نوع جريان DCEP,DCEN و در دو وضعيت از بالا به پائين و از پاپين به بالا انجام ميشود و در هر دو حالت جوش اجرا شده فاقد کيفيت بوده و شره ميکند. بنابراين الکترود E7024 فقط در وضعيت تخت قابليت جوشکاري دارد.
نتيجه گيري
1- نتايج مرور بر منابع
1- انتخاب قطبيت جريان بستگي به نوع الکترود, ضخامت قطعه کار و وضعيت جوشکاري دارد.
2- محاسن جريان DCEP عبارتند از :
- تمرکز حرارت روي الکترود و ذوب سريع الکترود
- سياليت بالاي مذاب و پر شدن سريع شيارها
- HAZ کمتر بعلت تمرکز حرارت روي الکترود
- سرعت جوشکاري متوسط
- پايداري بهتر قوس
- نرخ رسوب جوش در حد خوب
- امکان Arc-Cleaning در حين جوشکاري
3- محاسن جريان DCEN عبارتند از :
- سرعت جوشکاري بالاتر
- نرخ رسوب جوش زياد
4- مواد تشکيل دهنده پوشش الکترود ها عباتند از :
- مواد سرباره ساز
- چسب ها
- مواد اکسيژن زدا
- عناصر آلياژي
- ساير ترکيبات
5- عوامل مؤثر در انتخاب الکترودها
- ترکيب شيميايي فلز پايه
- کيفيت سطحي جوش مورد نظر
- استحکام و خواص مورد نياز از جوش
- شکل و نوع اتصال
- وضعيت جوشکاري
- هزينه عمليات جوشکاري
- وضعيت مهارت جوشکار
- ميزان نفوذ جوش مورد نظر
نتيايج کار عملي و مشاهدات
1- الکترود E6010 با جريان DCEP کيفيت بهتري را نتيجه ميدهد.
2- الکترود E6013 در هر حالت کيفيت جوشکاري بهتري نسبت به الکترود E6010 ارائه ميدهد
3- در استفاده از الکترودهاي E7024,E7018,E6013 جريان DCEP نتايج بهتري نسبت به جريان DCEN ميدهد.
4- الکترود E7024 فقط در وضعيت Flat قابليت جوشکاري دارد.
5- در استفاده از الکترود E6010 در وضعيت Vertical فقط حالت بالا به پائين(up-down) جوابگو نيازهاي يک جوشکاري با کيفيت است.
منابع و مراجع
- اميرحسين کوکبي, تکنولوژي جوشکاري, نشر آزاده و جامعه ريخته گران ايران, 1374
- جزوه درسي متالورژي جوشکاري, دکتر مهرداد عباسي
