جوشکاری یکی از روش های تولید میباشد. هدف آن اتصال دایمی مواد مهندسی (فلز، سرامیک، پلیمر، کامپوزیت) به یکدیگر است به گونه‌ای که خواص اتصال برابر خواص ماده پایه باشد.
پیشینه :
موسیان در ۱۸۸۱ قوس کربنی را برای ذوب فلزات مورد استفاده قرار داد.
اسلاویانوف الکترودهای قابل مصرف را در جوشکاری به کار گرفت.
ژول در ۱۸۵۶ به فکر جوشکاری مقاومتی افتاد
لوشاتلیه در ۱۸۹۵ لوله اکسی استیلن را کشف و معرفی کرد.
الیهوتامسون آمریکائی از جوشکاری مقاومتی در سال ۷-۱۸۷۶ استفاده کرد.
در جریان جنگهای جهانی اول و دوم جوشکاری پیشرفت زیادی کرد. احتیاجات بشر به اتصالات مدرن – سبک – محکم و مقاوم در سالهای اخیر و مخصوصاً بیست سال اخیر سبب توسعه سریع این فن شده‌است.
فرآیندهای جوشکاری با قوس الکتریکی :
جریان الکتریکی از جاری شدن الکترون ها در یک مسیر هادی به وجود میآید. هرگاه در مسیر مذکور یک شکاف هوا(گاز)ایجاد شود جریان الکترونی و در نتیجه جریان الکتریکی قطع خواهد شد. چنانچه شکاف هوا باندازه کافی باریک بوده و اختلاف پتانسیل و شدت جریان بالا، گاز میان شکاف یونیزه شده و قوس الکتریکی برقرار میشود. از قوس الکتریکی به عنوان منبع حرارتی در جوشکاری استفاده میشود. روشهای جوشکاری با قوس الکتریکی عبارتند از:
۱) جوشکاری با الکترود دستی یا MAW
۲) جوشکاری زیر پودری SMAW
جوشکاری زیرپودری یا SAW یکی از فرآیند های جوشکاری قوسی است. در این روش نوک الکترود داخل پودری از مواد معدنی ویژه قرار می گیرد و قوس در زیر این پودر در امتداد مسیر جوشکاری تشکیل می شود. در این روش قوس قابل مشاهده نیست.درسیستم زیرپودری از سیم بدون روکش استفاده می شود:طوری که سیم به طور متوالی از قرقره مخصوص رها می گردد و ضمن تشکیل قوس نقش واسطه اتصال را نیز بر عهده دارد.
۳) جوشکاری با گاز محافظ یا GMAW یا MIG/MAG
اساس روش GMAW بر برقراری قوس الکتریکی میان الکترود (سیم‌جوش) مصرف شدنی و قطعه کار میباشد و قوس و حوضچه جوش توسط گاز بی اثر محافظت میگردد. این روش به دو صورت اتوماتیک و نیمه اتوماتیک قابل انجام میباشد.تمام فلزات و آلیاژهای مهم صنعتی مانند فولادهای کربنی، فولادهای کم آلیاژ، فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای آلومینیم، مس، نیکل، در تمام وضعیتها با این روش قابل جوشکاری می‌‌باشند.
فرآیندهای جوشکاری
مزایا
سرعت جوشکاری در این روش بالاست.
نرخ رسوب بالاتر از روش زیر پودری SMAW است.
استفاده از سیم جوش امکان جوشکاری طویل و بدون توقف را فراهم می‌‌سازد.
امکان نفوذ بیشتر از روش زیرپودری فراهم است که در این صورت امکان ایجاد گرده کوچکتر با استحکام مشابه فراهم است.
احتیاج به توانایی های شخصی کمتری برای جوشکاری دارد.
به دلیل عدم وجود سرباره احتیاج به تمیزکاری کمی دارد.
محدودیت ها
تجهیزات این روش به نسبت گران و حمل و نقل آن مشکل تر از SMAW است.
استفاده ار این روش برای مقاطعی که دسترسی به آنها مشگل است با محدودیت در زمینه محافظت گاز مواجه است.
استفاده از این روش در فضای باز به دلیل امکان وزش باد و اخلال در محافظت گاز با محدودیت مواجه است.
به دلیل عدم وجود گل جوش و به تبع آن عدم کاهش نرخ انجماد در فولادهای سختی‌پذیر امکان ترک خوردن در فلز جوش وجود دارد.
۴) جوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی یا GTAW یا TIG
در این فرآیند برای ایجاد قوس الکتریکی از الکترود مصرف نشدنی تنگستن استفاده میشود و الکترود و حوضچه مذاب به وسیله گاز خنثی محافظت میشود. این روش با نام جوش آرگون نیز نامیده میشود که اشتباه است. چون میتوان برای مثال از هلیوم نیز به عنوان محافظ استفاده کرد.
۵) جوشکاری پلاسما
جوشکاری پلاسما یکی از روشهای جوشکاری است که در آن با کاربرد گازهای خنثی درجه حرارت به بالای ۲۰۰۰۰ درجه سانتیگراد میرسد و و انرژی قوس بسیار متمرکز تر و پایدار تر از روش جوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی TIG است.
پلاسما به معنی گاز یونیزه شده میباشد. به دلیل اینکه این گاز در این درجه حرارت و حالت از قانون گازها پیروی نمی‌کند، حالت چهارم وجود ماده به آن گفته میشود (جامد، مایع، گاز، پلاسما) چنانچه هوا یا گاز در قوس الکتریکی شرایط گذار به حالت پلاسما را بیابد قوس مربوط دارای انرژی حرارتی بسیار زیادی خواهد شد.
فرآیندهای جوشکاری مقاومتی
در جوشکاری مقاومتی برای ایجاد آمیزش از فشار و گرما هردو استفاده میشود.گرما به دلیل مقاومت الکتریکی قطعات کار و تماس آنها در فصل مشترک به وجود میآید. پس از رسیدن قطعه به دمای ذوب و خمیری فشار برای آمیختن دو قطعه بکار می‌رود. در این روش فلز کاملاً ذوب نمی‌شود.
گرمای لازم از طریق عبور جریان برق از قطعات بدست میآید. روشهای جوشکاری مقاومتی عبارت‌اند از:
ـ جوش نقطه‌ای
ـ درز جوشی
ـ جوش تکمه‌ای
فرآیندهای جوشکاری حالت جامد
دسته‌ای از فرآیندهای جوشکاری هستند که در آنها، عمل جوشکاری بدون ذوب شدن لبه‌ها انجام میشود. در واقع لبه‌ها تحت فشار با حرارت یا بدون حرارت در همدیگر له می‌شوند. فرآیندهای این گروه عبارت‌اند از:
ـ جوشکاری اصطکاکی
ـ جوشکاری نفوذی
ـ جوشکاری با امواج مافوق صوت
ثابت شده‌است که فلزات در دمای اتاق هم قابل اتصالند. این عمل توسط ایجاد پیوندهای فلزی در دو سطح مورد اتصال ، انجام می‌گیرد . بطور ایده آل ، تشکیل اتصال فلزی بوسیلهٔ جوشکاری سرد ، و یا پیوند ( Bonding ) بطریق زیر متصور است :
دو قطعهٔ بسیار صیقلی و تمیز در اختیار است . هرکدام از ایندو، مجموعه‌ای از بارهای (+) و (-) میباشد به گونه‌ای که هر قطعه بدون عیب و با استحکام کافی دارای پایداری است. اگر دو قطعه کاملاً نزدیک هم قرار گرفته و به هم بچسبند ، الکترونهای فرار از هر قطعه ، بین آندو مشترک میشود و در نتیجه نیروی عکس العمل بین سطوح زیاد میگردد . بنابراین وقتی دو سطح تماس کامل داشته باشند ، نیروهای عکس العملی بین اتمها ، خود به خود زیاد شده و یک اتصال محکم و قدرتمند بوجود میآید .
ولی در عمل ، یک فلز هرگز صیقل کامل نمی‌خورد و همواره اعوجاج ماکروسکوپی در سطح دارد.
Ultra Mic or Macroscopic و همین ناهمواریها ، مساحت واقعی تماس را چند برابر مقدار واقعی می‌کند.
بدلیل وجود نقاط ناهموار میکروسکوپی ، لایه‌های سطحی فلز دارای انرژی سطحی قابل ملاحظه‌ای در اثر پیوندهای فلزی اشباع نشده ، جاهای خالی و نیز نابجائی‌ها Vacancies & Dislocations میباشد . بنابراین عکس العمل‌های شدیدی بین انتهای سطح فلز و محیط ایجاد می‌شوند .
دقیقاٌ بلافاصله پس از سطح فلز ، یک ابر پیوسته از الکترونهای متحرک موجود است که متناوباً از سطح جدا و به آن مجدداً می‌پیوندند (dipole ۷ Double electric ) دانسیته بار این لایه که شامل دو قطب + و – میباشد ، ثابت نمی‌ماند و به هندسهٔ میکروسکوپی و سطح وابسته‌است . به همین دلیل لایه‌های سطحی فلز بسیار فعالند . سطح فلز همیشه با اکسیدهای مایع و گاز پوشانیده شده و هرگاه این سطح بطور ایده آل و در فشار کمتر از mmhg ۹- ۱۰ کاملاً تمیز شود ، سطح فلز عاری از این اضافات میشود .
این سطح تمیز ، مدت زیادی نمی‌تواند دوام داشته باشد . تشکیل اتصال قوی مابین فلزات ، در متد پیوند سرد ، با تغییر شکل دو جانبه و طی سه مرحله انجام می‌پذیرد .
در طی مرحلهٔ اول؛ سطوح مورد اتصال بایستی بطور کامل به هم نزدیک شوند .
در مرحلهٔ دوم ؛ metallic contact یا اتصال بین فلزی شکل می‌گیرد .
در مرحلهٔ سوم ؛ یک اتصال جوش قوی تولید میگردد . اکنون این مراحل به تفصیل مورد بحث قرار می‌گیرد :
زمانیکه دو سطح کنار هم قرار داده می‌شوند ، ناهمواری‌های میکروسکوپی و نقاط موجی شکل تشکیل می‌یابند . ابتدا این دو قطعه یکدیگر را در نقاط منفرد بالاتر از سطح ، لمس می‌کنند . برای تماس بیشتر به مساحت زیادتری نیاز است . این عمل بوسیلهٔ وارد آوردن نیرو انجام میشود .
به دلیل وجود لایه‌های سخت و نازک اکسیدی ( Fragile ) میزان نیرو بسیار بالا خواهد بود .
البته اگر نیرو کافی نباشد اتصالی بدست میآید که پلاستیستهٔ آن کم و استحکام ضربه‌ای آن ناکافیست . لایه‌های نازک روغنی یا ارگانیک آلی ، اثر به مراتب زیان آورتری دارند و اگر مقدارشان زیاد شود بطور کامل از ایجاد پیوند جلوگیری می‌کند و حتماً بوسیلهٔ حلال‌های قوی بایستی آنها را زدود .
مرحلهٔ دوم هنگامی رخ می‌دهد که مساحت اتصال فلزی بین دو قطعه زیاد میشود و بلورهای مشترکی بین دو سطح تولید میگردد.
زمانیکه تماس فلزی کاملاً شروع به شکل گیری می‌کند ، بلورها و شبکه‌های کریستالی ، توسط لایه‌های نازک از یک ترکیب پیچیده جدا می‌شوند .
در حین این تغییر ، سطح فشرده شده در تماس با اتمسفر نیستند و هیچ گونه لایهٔ نازک دیگری نمی‌تواند شکل بگیرد . بنابراین فیلم‌های شکننده از میان رفته و لایه‌های مایع و گاز بخشی به بیرون رفته و بخشی جذب فلز شده به آن نفوذ می‌کنند .
در مرحلهٔ سوم ، پروسه شامل حرکتهای مختلف ذرات ناشی از نفوذ است و به زمان کافی جهت تکمیل این مرحله ،احتیاج است .
فرآیندهای اکسی فیول
گروه فرآیندهای جوشکاری است که در آن، اتصال با ذوب شدن توسط یک یا چند شعله گاز، با اعمال فشار یا بدون آن، با کاربرد فلز پر کننده یا بدون آن انجام میشود.
فرآیند جوشکاری با لیزر
در این روش از پرتوی لیزر برای جوشکاری استفاده میشود.در جوشکاری لیزری دانسیته انرژی فراهم شده بسیار بیشتر از جوشکاری با قوس آرگون یا با مشعلهای اکسی اسیتیلن است.
از لیزرهای مختلفی میتوان برای جوشکاری استفاده کرد مانند لیزر گاز کربنیکی یا لیزر یاقوتی ولی باید دقت کرد که انرژی پرتو آنقدر زیاد نباشد که باعث تبخیر فلز شود.
به طور عمده از دو نوع لیزر در جوشکاری و برشکاری استفاده میشود،لیزرهای جامد مثل Ruby و ND:YAG و لیزرهای گاز مثل لیزر CO۲ .
لیزر Ruby از یک کریستال استوانه‌ای شکل Ruby (یک نوع اکسید آلومینیوم است که ذرات کرم در آن پخش شده‌اند) تشکیل شده‌است . دو سر آن کاملا صیقلی و آینه‌ای شده و در یک سر آن یک سوراخ ریز برای خروج اشعه لیزر وجود دارد . در اطراف این کریستال لامپ گزنون قرار دارد که لامپ فوق برای کار در سرعت حدود ۱۰۰۰ فلاش در ثانیه طراحی شده‌است . لامپ گزنون با استفاده از یک خازن که حدود ۱۰۰۰ بار در ثانیه شارژ و تخلیه شده فلاش می‌زند و هنگامی که کریستال Ruby تحت تاثیر این فلاش‌ها قرار بگیرد اتمهای کرم داخل شبکه کریستالی تحریک شده و در اثر این تحریک امواج نور از خود ساطع می‌کنند و با باز تابش این اشعه‌ها در سطوح صیقلی و تقویت آنها اشعه لیزر شکل می‌گیرد . اشعه لیزر شکل گرفته از سوراخ ریز خارج شده و سپس به وسیله یک عدسی بر روی قطعه کار متمرکز شده که بر اثر برخورد انرژی بسیار زیادی در سطح کوچکی آزاد می‌کند که باعث ذوب و بخار شدن قطعه و انجام عمل ذوب میشود .
محدودیت لیزر Ruby پیوسته نبودن اشعه آن است در حالیکه انرژی خروجی ان بیشتر از لیزرهای گاز مانند لیزر CO۲ است که در آنها اشعه حاصله پیوسته‌است، از لیزر CO۲ بیشتر به منظور برش استفاده میشود و از لیزر ND:YAG بیشتر برای جوشکاری آلومینیوم استفاده میشود .
از انجا که در این روش مقدار اعظمی از انرژی مصرف شده به گرما تبدیل میشود این سیستم باید به یک سیستم خنک کننده مجهز باشد .
در جوشکاری لیزر دو روش عمده برای جوشکاری وجود دارد:
الف) حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه است تا که یک جوش پیوسته شکل بگیرد.
ب) جوش دادن با چند سری پرتاب اشعه که این روش مرسوم تر است.
در جوشکاری لیزر تمامی عملیات ذوب و انجماد در چند میکروثانیه انجام می‌گیرد و به خاطر کوتاه بودن این زمان هیچ واکنشی بین فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از این رو گاز محافظ لازم ندارد .
بهترین طرح اتصال برای این نوع جوشکاری طرح اتصال لب به لب میباشد و با توجه به محدودیت ضخامت در آن میتوان ازطرح اتصال‌های T یا اتصال گوشه نیز استفاده نمود.
– مزایای جوشکاری لیزر :
حوضچه مذاب می‌تواند داخل یک محیط شفاف ایجاد شود ( باعکس روشهای معمولی که همیشه حوضچه مذاب در سطح خارجی آنها ایجاد میشود ) .
محدوده بسیار وسیعی از مواد را مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غیر همجنس و … را میتوان به یکدیگر جوش داد .
در این روش میتوان مکان‌های غیر قابل دسترسی را جوشکاری نمود .
از آنجا که هیچ الکترودی برای این منظور استفاده نمی‌شود نیازی به جریانهای بالا برای جوشکاری نیست .
اشعه لیزر نیاز به هیچگونه گاز محافظ یا محیط خلاء برای عملکرد ندارد .
به خاطر تمرکز بالای اشعه منطقه HAZ بسیار باریکی در جوش تشکیل میشود .
جوشکاری لیزر نسبت به سایر روشهای جوشکاری تمیز تر است .
– محدودیت‌ها و معایب جوشکاری لیزر :
سیستم‌های جوشکاری لیزر نسبت به سایر دستگاههای سنتی جوشکاری بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بودن اکثر آنها از سرعت پیشروی کمی برخوردارند ( ۲۵ تا ۲۵۰ میلیمتر در دقیقه ) . همچنین این نوع جوشکاری دارای محدودیت عمق نیز میباشد .
از اشعه لیزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشکاری استفاده میشود . این نوع جوشکاری در اتصال قطعات بسیار کوچک الکترونیکی و در سایر میکرو اتصال‌ها کاربرد دارد . از اشعه لیزر میتوان در جوش دادن آلیاژها و سوپر الیاژها با نقطه ذوب بالا و برای جوش دادن فلزات غیر همجنس استفاده نمود . به طور کلی این روش جوشکاری برای استفاده‌های دقیق و حساس استفاده میشود . از این روش میتوان در صنعت اتومبیل و مونتاژ از آن برای جوش دادن درزهای بلند استفاده نمود.
فرآیند جوشکاری با باریکه الکترونی
کاربرد جریانی از الکترونها است که با ولتاژ زیاد شتاب داده شده‌اند و به صورت باریکه‌ای متمرکز به عنوان منبع حرارتی جوشکاری به کار می‌روند. به دلیل دانسیته بالای انرژی در این پرتو منطقه تف دیده بسیار باریک میباشد. و جوشی با کیفیت مناسب به دست میآید. این فرآیند به عنوان اولین فرآیند جوشکاری بکار رفته برای ساخت بدنه جنگنده ها استفاده شد. بال جنگنده افسانه‌ای F۱۴ یا Tomcat با استفاده از این فرآیند ساخته شده است.
کنترل کیفیت و بازرسی
طبق طبقه بندی استانداردهای مدیریت کیفیت (ISO ۹۰۰۰ ) جوشکاری جزو فرآیندهای ویژه طبقه بندی شده‌است. که این نشان دهنده این است که برای کنترل کیفیت و تضمین کیفیت این فرآیند ویژه می‌باید پیش بینی‌های خاصی انجام داد.
ایمنی و بهداشت کار در جوشکاری
در مرحله اول استفاده از عینک محافظ تحت هیچ شرایطی نباید فراموش شود. در صورت انجام عملیات جوش کاری در محیط بسته بخارات حاصل باید به خوبی تهویه شود. در محیط باز هم باید احتیاط لازم در مورد این بخارات به عمل اید. جهت جلوگیری از آسیب چشم دیگران بهتر است در صورت امکان محل انجام جوشکاری بارتیشن بندی شود. کابل ها نباید در مسیر رفت و آمد یا در معرض ضربه باشد.
مراکز و موسسه‌های جوشکاری
انجمن جوشکاری آمریکا AWS
انستیتو بین المللی جوشکاری IIW
انیستیتو جوشکاری ادیسون EWI
مرکز جهانی اتصال مواد TWI
انیستیتو جوشکاری هُبارت