اين فرآيند بر روي آلومينيوم و آلياژهايش بسيار متداول است. قوس الکتريکي بين الکترود غير مصرفي تنگستن و سطح کار ايجاد ميشود. نوک الکترود، حوضچهي مذاب و منطقهي گرم اطراف آن توسط کار خنثي (آرگون، هيليوم يا مخلوط آنها) که از اطراف الکترود خارج شده محافظت ميشود فلز جوش عموماً از فلز قطعهکار و در بعضي موارد آميزهاي از فلز و منقول پرکننده است. در اين فرآيند نيز شبيه MIG غالباً به روانساز يا تنه کار براي برطرف کردن لايهي اکسيدي احتياج نيست و عمل "تميز کردن" قوس بهنگام مثبت بودن الکترود انجام ميشود.
اين فرآيند نيز ميتواند بصورت دستي، نيمهخودکار يا تمام خودکار بر حسب تعداد قطعه کار، طرح اتصال، کيفيت و وضعيت قطعه، هزينه و امکانات، جوشکاري انجام ميشود. در جوشکاري دستي مشعل تفنگي يا انبرد الکترود بر روي سطح کار در امتداد مسير اتصال و با زاويهاي در حدود 85-75 درجه با آن نگهداشته ميشود. براي تقليل ناخالصي تنگستن در جوش معمولاً شروع قوس توسط منبع يا مدار فرکانس بالا که به مدار نيرو وصل است انجام ميگيرد و لازم نيست الکترود با سطح کار تماس حاصل نمايد. همزمان با وصل جريان الکتريکي حتي چند لحظه قبل از آن دريچهي مربوط به گاز محافظ باز ميشود. حرارت قوس باعث ذوب موضعي قطعه شده که پس از ايجاد حوضچهي مذاب به اندازهي کافي، با حرکت انتقالي مشعل عمل جوشکاري ادامه مييابد.
در مواردي که طرح لبههاي اتصال مناسب باشد مفتول پرکننده لازم نيست و ذوب و انجماد لبهها و گوشهها باعث ايجاد اتصال ميگردد. در برخي از آلياژهاي آلومينيم اين تکنيک مجاز نيست و بايد از مفتول يا آلياژهاي خاص (براي جلوگيري از ترک برداشتن) استفاده شود. مفتول به صورت سيمهاي جداگانه با آناليز و کد خاص و يا با بريدن باريکهاي از ورق مورد اتصال تهيه ميشود. اضافه کردن مفتول به حوضچهي مذاب توسط تماس نوک آن به لبهي کناري يا جلويي حوضچهي مذاب بطور تناوبي انجام ميشود. بايد توجه کرد که در حين جوشکاري نوک مفتول ذوب يا گذاخته شده از حباب پوشش گاز محافظ خارج نشود يا به الکترود تنگستن تماس حاصل ننمايد.
بايد حتيالمقدور طول قوس را کوتاه گرفت تا نفوذ عميقتر بوده، احتمال وقوع زيربرش يا سوختگي لبهي جوش کاهش يافته و عمل محافظت بهتر انجام گيرد. معمولاً طول قوس را برابر قطر الکترود انتخاب ميکنند. و حرکت آهسته الکترود در دو صورت پيشران و يا پسران مجاز است. قطع قوس الکتريکي و يا خاتمه جوشکاري بدون ايجاد حفره يا دهانهي گود نيز به مهارت زياد نياز دارد. يکي از روشهاي متداول در GTAW کاهش آمپر توسط پدالهايي در لحظهي خاموش کردن قوس ميباشد. نکتهي ديگر اينکه پس از قطع قوس الکتريکي بايد تا چند لحظه قابل کنترل جريان گاز محافظ را ادامه داد تا قبل از سرد شدن کامل اتمسفر هوا يا موضع جوش تماس حاصل ننمايد. بايد از تماس الکترود تنگستني با مذاب و يا مفتول جلوگيري نمود و سعي شود تا نوک الکترود عاري از ذرات جرقه و ناخالصيهاي ديگر بوده و بصورت مخروطي مطابق شکل نگهداشته شود.
شرايط کاربردي قطعهي جوش داده شده تعيين کنندهي نوع آلياژ، عمليات حرارتي و روش اتصال است. طرح اتصال نيز در انتخاب روش اتصال مؤثر است. بعنوان مثال جوش مقاومتي (نقطهاي يا نواري)، جوش ماوراء صوتيUitrasonic، جوش فشاري و جوش با لحيمکاري و چسبهاي مخصوص براي طرح اتصال لبروي هم lap مناسب است در حاليکه طرح اتصال لب به لب يا سر به سر Butt براي جوش با قوس الکتريکي در کار محافظ و جوش با گاز يا شعله و حتي جوش جرقهاي و الکتروبيم ترجيح داده ميشود.
علاوه بر آن انتخاب روش جوشکاري به کوچک و بزرگ بودن قطعه، منقول و غيرقابل تغيير مکان بودن و همچنين امکانات موجود در مناطق شهري و يا دورافتاده نيز بستگي دارد.
نکتهي قابل توجه ديگر استحکام اتصال، خاصيت ضربهپذيري، خستگي، مقاومت خوردگي و شرايط و مشخصات ديگر قطعه جوش داده شده، حتي کيفيت ظاهري مسير اتصال و احتمال عمليات سطحي بر روي آن نظير آبکاري ميباشد. بعنوان مثال جوشکاري با گاز يا شعله خواص منطقهي وسيعتري را در مجاور جوش نسبت به روشGTAW يا الکتروبيم تحت تأثير و دگرگوني قرار ميدهد. اين تأثير ممکن است با کاهش استحکام يا تقليل خواص خوردگي و يا برعکس افزايش سختي ("پيرسختي") همراه باشد.
با توجه به نکات بالا و تعداد قطعات مورد اتصال و هزينهي تمام شده آنها فرآيند اتصال مناسب انتخاب ميشود. اما قبل از بحث در مورد فرآيندهاي مختلف جوشکاري قطعات آلومينيمي لازم است به مشکلات کلي و اساسي که در اين راه وجود دارد اشاره شود. يک يا تعدادي از اين مشکلات ممکن است در بعضي فرآيندهاي شديد و در برخي ديگر خفيف باشند، اين مشکلات عبارتند از:
1) خواص حرارتي: نقطه ذوب نسبتاً پائين آلومينيم و عدم تغيير رنگ در حين افزايش درجه حرارت و حتي در حالت ذوب، مشکلاتي را از نظر قضاوت ظاهري بر روي درجه حرارت موضع جوشکاري بوجود ميآورد. جوشکار کم تجربه ممکن است در اثر نگهداشتن زياد قوس الکتريکي يا شعله بر روي يک منطقه باعث فوقگداز مذاب شده و قابليت جذب گازها، سياليت را افزايش داده که در اين حال کنترل فلز جوش مقدور نخواهد بود و همچنين احتمال محبوس شدن حبابهاي گازي در مذاب پس از انجماد افزايش مييابد.
اگرچه نقطهي ذوب آلومينيم نسبت به فولاد کمتر است اما حرارت لازم براي گرم کردن و ذوب هر گرم آلومينيم (از درجه حرارت محيط) تقريباً معادل مقدار حرارت لازم براي همان مقدار فولاد است، با توجه به اينکه هدايت حرارتي آلياژهاي آلومينيم تقريباً 5-3 برابر فولاد است. بنابراين حرارت منتقل شده به اطراف مسير جوش در حين جوشکاري بمراتب سريعتر از فولاد است. اين بدين معني است که اگر منبع حرارتي جوشکاري قوي نباشد حرارت ايجاد شده در قوس يا شعله باندازهاي نخواهد بود که جبران حرارت منتقل شده به اطراف را کرده و مقداري هم صرف ذوب (گرماي نهان ذوب) شود. در اين موارد بايد از منبع حرارتي بزرگتر و با شدت بيشتر استفاده کرده و يا قطعه را پيشگرم کرد تا شيب حرارتي مسير جوش با مناطق اطراف کاهش يافته و بدين ترتيب حرارت بيشتري صرف ذوب کردن شود.
انبساط حرارتي قطعه آلومينيمي در حين گرم کردن يا انقباض آن در دامنه سرد شدن تقريباً دو برابر فولاد تحت شرايط مشابه است. همچنين انقباض حجمي ناشي از انجماد آن حدود 4-6 درصد است. اين انقباض و انبساط در سيکلهاي حرارتي ميتواند موجب ايجاد تمرکز تنشهاي داخلي شود که منجر به پيچيدگي، تاب برداشتن، تغيير ابعاد و يا ترکيدگي ميشود.
2) اثرهاي ناشي از سيکلهاي حرارتي بر روي خواص موضع اتصال: حرارت موضعي که براي جوشکاري لازم است منجر به بعضي تغييرات در خواص مناطق مجاور جوش ميشود. گاهي اين تغييرات علاوه بر فلز جوش، در منطقهي مجاور آن و فلز اصلي نيز کاملاً مشهود ميباشد. بعنوان مثال آلياژهاي آلومينيم که در اثر عمليات حرارتي يا کار سختي سخت و مستحکم شدهاند در اثر حرارت ناشي از جوشکاري در مناطق مجاور خط جوش غالباً نرم ميشوند. ميزان نرمي و وسعت آن به عوامل زير بستگي دارد:
الف: خصوصيت حرارتي فرآيند جوشکاري (نوع و طبيعت منبع حرارتي)
ب: سرعت پيشرفت جوشکاري
ج: اندازهي قطعه و طرح اتصال
د: ترکيبات و نوع آلياژ
ه : درجه حرارت قطعه کار
نکتهي مهم ديگر آن است که اثرهاي حرارتي در منطقهي مجاور خط جوش نه تنها موجب دگرگوني در خواص مکانيکي ميشسود، بلکه بر مقاومت خوردگي اين مناطق در برابر محيطهاي خورنده نيز تأثير دارد و تغيير اندازهي دانهها و يا رسوب بعضي ترکيبات بين فلزي و يا ناخالصيها در مرزدانهها ميتواند موجب اين کاهش خوردگي گردد.
3- ترک برداشتن يا ترکيدگي: در جوشکاري بعضي از آلياژهاي آلومينيم وقوع ترکهايي در جوش يا منطقهي مجاور آن مشاهده ميشود که خود مشکل مهمي در جوشکاري اين دسته از آلياژهاي آلومينيم ميباشد و اين مسئله موضوع بسياري از تحقيقات در سالهاي اخير بوده است و حتي برخي از محققين، جوشکاري ذوبي را بر روي بعضي از آلياژهاي آلومينيم مجاز نميدانند.
وقوع "ترک" در جوش آلومينيم دقيقاً به همان دليل و شبيه آنچه است که در ريختهگري بعضي از آلياژهاي آلومينيم بوجود ميآيد.
همانطور که قبلاً در موضوع ترک گرم بحث شد، هنگاميکه فاصلهي درجه حرارت تردي ماکزيمم است احتمال ايجاد "ترکيدگي گرم" ماگزيمم است. چون آلومينيم خالص در مقابل ناخالص شدن حساستر و خواص مکانيکي نسبتاً پائيني دارد. از اينجهت براي کمتر کردن حساسيت جوش در برابر ترکيدگي براي آلياژهاي حساس Al-Si بايد از الکترودها و يا مفتولهاي Al-Si با درصد بالاي Si استفاده شود تا با در نظر گرفتن ميزان رفت، ترکيب فلز جوش درحدي تنظيم شود که در برابر ترکيدگي مقاوم باشد. بطور کلي در جلوگيري از ترکيدگي گرم در فلز جوش بايد در انتخاب الکترود و مفتول دقت کافي مبذول داشت هرچند پيشگرم کردن يا انتخاب طرح مناسب اتصال براي کاهش تنشهاي انقباضي کمکي در تقليل اين مشکل ميکند.
ايجاد "ترک"در منطقهي مجاور خط جوش در بعضي از آلياژهاي آلومينيم ديده شده است که اغلب در اثر ايجاد لايهي مذاب بعضي ترکيبات بين فلزي (با نقطهي ذوب پائين) در اين مناطق است. براي تقليل اين نوع ترکيدگي بايد از مفتولهايي با نقطهي ذوب پائيين استفاده کرد، سرعت جوشکاري را افزايش داده و يا از فرآيند جوشکاري با حداکثر شدت تمرکز حرارت استفاده نمود.
4) لايهي اکسيدي : تمايل زياد آلومينيم به اکسيده شدن يکي از مشکلات جوشکاري آلومينيم و آلياژهايش را ايجاد ميکند. لايهي نازک اکسيد آلومينيم هميشه بر روي سطح فلز وجود دارد و اگر از طرق مکانيکي يا شيميائي برداشته شود مجدداً در زمان کوتاه که سطح فلز در معرض تماس با هوا قرار گيرد اين لايه تشکيل ميگردد. اين قشر پيوسته و مداوم ميباشد و همزمان با بالا رفتن درجه حرارت ضخامت آن بيشتر ميشود. نقطهي ذوب اکسيد آلومينيم 2050 درجه سانتيگراد بوده و در آلومينيم جامد يا مايع حل نميشود. پوستهي اکسيدي نسوز از آميخته شدن لبهي جوش و فلز ذوب شده از مفتول يا الکترود جلوگيري نموده و در نتيجه قطرهي مذاب بصورت گلوله بر روي اين لايه قرار ميگيرد. لايه اکسيدي در روشهاي جوشکاري غير ذوبي نيز ايجاد مزاحمت ميکند، حتي از نظر هدايت الکتريکي (در جوش مقاومتي) نيز مانعي است. بنابراين بايد لايهي اکسيد سطحي آلومينيم به روشهاي مکانيکي شيميائي يا الکتريکي قبل از عمليات جوشکاري يا همزمان با آن برداشته شود.
در فرآيند جوشکاري يا شعله يا گاز (جوش کاربيد) اين اکسيد توسط روانساز يا تنه کارهاي مخصوص برطرف ميشود. در ابتدا عقيده بر اين بوده است که تنهکار لايهي اکسيدي را در خود حل ميکند. اما تحقيقات نشان داده است که روانساز ابتدا در بين لايهي مذاب و اکسيد نفوذ کرده و همين امر موجب ميشود که اتصال اکسيد دو فلز ضعيف و با شناوري آنها بر روي روانساز، چسبندگي ذرات مذاب را تسهيل نمايد. روانساز يا تنه کارها مخلوطي از ترکيبات کلريد و فلوريد فلزات قليائي نظير پتاسيم کلريد، سديم فلوريد و کريوليت ميباشند (بعضي از ترکيبات موجب حل کردن و برخي باعث پائين آوردن نقطهي ذوب اکسيد آلومينيم ميشود). وزن مخصوص لايهي اکسيدي ابتدا حدود فلز مذاب بوده و سپس در حين بالا رفتن درجه حرارت مذاب، وزن مخصوص لايهي اکسيدي بيشتر از مذاب ميگردد، اما پس از واکنش با روانساز وزن مخصوص سربارهي ايجاد شده مساوي مذاب و کمي سبکتر از مذاب است. از طرف ديگر به دليل قانون "استوک" حرکت سرباره به کندي صورت گرفته و در نتيجه احتمال محبوس شدن ذرات سرباره در مذاب (در اثر عدم رعايت نکات تکنيکي و طرح اتصال) وجود دارد که بايد از وقوع آنها جلوگيري کرد. معمولاً روانسازها داراي قابليت جذب رطوبت فراوان دارند و در صورت جذب رطوبت قابل استفاده نيستند چون اين رطوبت منبع ورود هيدروژن به مذاب خواهند شد. از طرف ديگر آثار و بقاياي تنها کار بر روي منطقهي جوش پس از عمليات جوشکاري بايد کاملاً تميز شود زيرا کلريد و فلوريدها با جذب رطوبت هوا بسيار خورنده هستند.
پوستهي اکسيدي در فرآيند جوشکاري مقاومتي با استفاده از محلولهاي خاص قبل از جوشکاري از موضع مورد نظر تميز و برطرف ميشود.
5) جذب گازها: آلومينيم مذاب و آلياژهايش به سهولت قابليت جذب هيدروژن دارند و يکي از مشکلات مهم در جوشکاري ذوبي آلومينيم ايجاد خلل و فرج يا تخلخل در جوش است که ناشي از جذب، پس دادن و محبوس شدن حبابهاي هيدروژن است. حساسيت آلومينيم نسبت به خلل و فرج هيدروژني به دو دليل است:
الف: نسبت بين حجم هيدرژن جذب شده و هيدروژن حل شده در نقطهي ذوب خيلي بالا.
ب: حضور هيدرژن در گازهاي ستوني قوس و شعله و عدم واکنشهاي گازي ديگر در مذاب با آن (بعلت ميل ترکيبي زياد آلومينيم يا اکسيژن و ازت)، غير از پس دادن هيدرژن.
طرح اتصال و وضعيت جوشکاري بر روي ميزان خلل و فرج تأثير ميگذارد، بعنوان مثال وضعيت وضعيت جوشکاري بالاي سر يا سقفي احتمال ايجاد خلل و فرج در جوش را بيشتر ميکند. همينطور در شروع پاس جوش اين عيب بيشتر اتفاق ميافتد.
منابع زيادي براي حضور هيدرژن در مذاب وجود دارد که در هر فرآيند ممکن است متفاوت باشد که اهم آنها عبارتند از:
الف: لايهي اکسيدي در سطح و لبهها قابليت جذب رطوبت دارد.
ب: در فرآيندهايي که از تنهکار استفاده ميشود قابليت جذب رطوبت روانساز زياد بوده و حتماً در خشک نگهداشتن آن دقت زياد ضروري است.
ج: چربي و کثافات در سطح فلز يا مفتول پرکننده، بويژه در فرآيند GMAW اگر از سيمهاي باريک استفاده شود براي سهولت عبور سيم در لوله يا کابل از روغنهاي مخصوص بايد استفاده شود، روغنهاي معمولي غالباً داراي ترکيبات هيدرژن ميباشند.
با توجه به مشکلات ذکر شده در بالا، سعي بر آن است که تعداد اتصالات مورد جوش را در يک شيء يا اسکلت آلومينيمي به کمترين حد رسانيد. بدين ترتيب علاوه بر کمتر کردن مشکلات ذکر شده در فوق، احتمالاً عمليات جوشکاري را سادهتر، پيچيدگي را تقليل و ظاهر محصول را بهتر کرد. براي کاهش و محدود کردن تعداد اتصالات، طراح از قطعات ريخته شده، اکسترود شده، آهنگري، خمکاري و نورد شده در قسمتهاي مختلف کمک ميگيرد. اين تدبير را ميتوان در مورد اتصالات قطعات نازک به کلفت نيز بکار گرفت. چون اتصالات گوشه و لبهاي مشکلتر و داراي استحکام کمتري است براي تغيير آن به اشکال ديگر ميتوان از تدبير اشاره شده در فوق کمک گرفت. شکل زير چند نمونه از قطعات کمکي را در طراحي اتصالات نشان ميدهد.
عضو شوید
عضویت سریع
آمار مطالب
آمار بازدید
