تاریخچه جوشکاری از دوران کهن تا امروز
انواع فرآیندهای جوشکاری انسان شامل تغییراتی بزرگی شده است از ابتدای تاریخ به دنبال راه های آسان تر و کامل تری برای ساخت قطعات مورد نیاز خود بوده است. ریخته گری از قدیمی ترین اختراعات انسان برای شکل دادن قطعات فلزی می باشد . اما از ریخته گری نمی توانست به اسانی و در همه جا استفاده کند.همین باعث توسعه جوشکاری شد . جهت خرید محصولات صعنتی اصلی از نمایندگی شرکت اس تی پی در ایران کلیک کنید
بنابراین اتصالات مختلف به وجود آمدند تا انسان بتواند از اتصالات قطعات به فرم دلخواه خود برسد. انسان درابتدا زمانی که فلز را شناخت و فهمید که چه کاربردهایی دارد و به قابلیت ذوب و ریخته گری آن پی برد، در مورد اتصالات قطعات فلزی تلاش های زیادی کرد و لحیم کاری و بعضی از روشهای ساده جـوشــکاری را به وجود آورد. باستان شناسان دستبندهای طلائی کشف کرده اند که مربوط به دوران ما قبل تاریخ بوده و سر این دستبندها با ضربه های چکش ، به هم متصل شده بودند .
تاریخچه لحیم کاری در طول تاریخ
در گذشته ذرات ریز طلا و جواهرات قدیمی را با صمغ درخت و نمک مس به هم چسبانده، بعد آن را آتش می زدند. در اثر گرما وحرارت فلز مس احیا شده و با طلا ترکیب می شد و بدین ترتیب اتصال قطعات انجام می گرفت. رومیان از آلیاژهایی برای لحیم کاری استفاده می کردند که هنوز هم در صنعت امروزی مورد استفاده است.
گسترش فرآیند جوشکاری با انقلاب صنعتی
جوشکاری به شکل متداول امروزی در قرن نوزدهم مورد توجه و استفاده قرار گرفت و پیشرفت کرد. کارایی و فعالیت جـــوشکـــاری در طول تاریخ روبه اتصالات کامل تر، آسان تر بوده و در حال حاضر با صنعت پیوند عمیقی دارد که هیچگاه جدایی از آن ممکن نخواهد بود.
متدهای معمولی جوشـکـــاری از دیر باز رواج داشته است . در سال ۱۸۸۷ میلادی توسط Berndas به وجود امد که وی موفق شد با الکترود ذعالی و ایجاد قوس الکتریکی حوضچه مذاب ایجاد کند.
روسی بنام Slavianir روش الکترود ذوب شونده را ابداع کرد و صنعتگری به نام Oscar Kjelberg الكترود فلزی پوشش دار را اختراع کرد . الكترود فلزی پوشش دار سبب حافظت از گرده جوش و استحکام قوس الکتریکی و یکدست شدن جوش گردید .
سرانجام در سال ۱۹۱۸ میلادی اولین قایق تعمیراتی با جوشکاری تمام داخل آب انداخته شد و از آخر سال ۱۹۳۰ راه اندازی پل ها و خطوط راه آهن و ساخت کشتی های اقیانوس پیما به وسیله جوشکاری گسترش یافت .
عواملی که سبب توسعه جوشـکــاری شد
جوشکاری دارای فوایدی بود که در قرن بیستم مورد توجه قرار گرفت و گسترش یافت .
- هر ضخامتی از فلز با روش جوشکاری قابل متصل شدن بود
- سازه های جوشی در حدود ۳۰ ٪ سبک تر از سازه های مانند پیچ و مهره بودند
- سرعت ساختن با روش جوشکاری خیلی بهتر از سازه های پیچ و مهره بود
این روند هم اکنون نیز ادامه دارد و روز به روز تکنیک ها و کاربرد های جوشــــکـاری بیشتری ابداع میشوند. تا جایی که دامنه آن بر غیر ملزومات نیز گسترده شده است. امروزه جوشکاری را به عنوان یک شاخه علمی بیان کرده اند و دارای شاخه های مختلفی در زمینه فرآیندهای جوشکاری، طراحی، بازرسی، متالوژی و غیره می باشد و جمعیت زیادی در این صنعت شاغل شده اند.
جـوشـکــاری چیست؟
معنی این واژه به انگلیسی Welding است که یکی از روش های تولید می باشد که هدف آن اتصال دائمی مواد صنعتی به یکدیگر است این مانند مواد فلزی، سرامیک ، پلیمر یا حتی کامپوزیت باشد .
انواع جـوشـکــاری
جــوشــکاری را میتوان به دو دسته جوشکـــاری ذوبی (Fusion Welding) و جوشکــاری غیر ذوبی (Non-Fusion Welding) تقسیم کرد .
انواع ی جـوشـکــاری های ذوبی
- جوشــکـــاری قوسی یا الکترود دستی SMAW یا MMAW
- جوشــکـــاری با گاز محافظ (GMAW) شامل فرآیند MIG و MAG
- جوشــکـــاری زیر پودری SAW
- جوشــکـــاری مقاومتی RW
- جوشــکـــاری با لیزر LBW
- جوشــکـــاری پرتو الکترونی EBW
- جوشــکـــاری پلاسما PAW
- جوشــکـــاری توپودری FCAW
- جوشکـــــــاری با گاز اکسیژن و سوخت
جوشــکـــاری قوسی چیست؟
جوشکـــاری قوسی فرآیند ی است که در آن حرارت به استفاده از یک قوس الکتریکی بین یک الکترود و قطعه کار به وجود می آید. قوس الکتریکی یک تخلیه الکتریکی بین دو الکترود از میان گازهای یونیزه شده است.
جــوشــکاری قوسی (arc welding) روشی است که در آن از یک منبع تغذیه جوشکاری (welding power supply ) برای ایجاد قوس الکتریکی بین الکترود ( electrode) و ماده پایه و ذوب کردن فلزات در محل جوش استفاده می کند. روند آن می تواند مستقیم DC یــا همسان با AC و الکترودها و مصرفی یا غیر مصرفی باشند. منطقه جوش با برخی از انواع گاز محافظ یا سرباره slag حافظت میشود. جوشــکاری قوس الکتریکی میتوانند دستی، نیمه دستی و یا اتوماتیک کامل باشند.
انواع فرآیندهای جوشـــکاری با قوس الکتریکی
- فرآیندجوشکاری با الکترود دستی پوشش‌دار (SMAW)(shield metal arc weld)
- فرآیندجوشکاری زیرپودری (SAW) (submerge arc weld)
- فرآیندجوشکاری با گاز محافظ (GMAW یا MIG/MAG)
- فرآیندجوشکاری توپودری (FCAW)
- فرآیندجوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی (GTAW یا جوشکاری TIG)
- فرآیندجوشکاری پلاسما
۱-۱ ) فرآیند جـوشـکــاری قوسی فلزی دستی SMAW یا MMA
جوشـــکـــاری با قوس الکتریکی SMAW یا MMA بر مبنای ایجاد قوس به وجود می آید ، اما مکانیزم ایجاد قوس چیست؟ در اثر ایجاد قوس الکتریکی ، انرژی گرمایی و انرژی نورانی بوجود آمده که از گرما برای آب کردن فلز مبنا استفاده شده و انرژی نورانی آن نیز مضراتی دارد که باید از آن دوری جست.
طریقه ایجاد قوس
اصول جوشـــکــاری با الکترود دستی قوس الکتریکی (ELECTRIC ARC) است ، تخلیه الکترون ها از طریق فضای یونیزه ما بین دو قطب مثبت و منفی در یک مدار الکتریکی را قوس می گویند ، ایجاد قوس اساس روش جوشکاری با قوس الکتریکی است . که در آن انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی تبدیل می شود. انرژی حرارتی دارای کاربرد حرارتی و انرژی نورانی دارا می باشد که در صنعت جـــوشکـــاری از انرژی حرارتی جهت جوش و برش استفاده شده و خطرات انرژی نورانی را توسط وسایل مخصوص می کاهند .
معمولاً یکی از قطب های مثبت و منفی را فلز مبنا و قطب دیگر را الکترود فلزی تشکیل می دهد و بنابراین به آن قوس فلزی می گویند که از این به بعد بجای واژه قوس الکتریکی استفاده می شود .
۱-۲) انواع فرآیندهای جوشکاری زیرپودری Submerged Arc Weld
جوشکاری زیرپودری ، که در انگلیسی به معنای (submerge arc weld) که مخفف آن (SAW) است . یکی از فرایندهای جوشکاری قوسی است که در آن، نوک الکترود داخل پودری از مواد معدنی ویژه قرار میگیرد و قوس در زیر این پودر هم راستای مسیر جوشکاری تشکیل میشود.
این فرآیند در حدود سال ۱۹۳۰ میلادی در کشور آمریکا و بعلت محدود های موجود با روش جوشکاری الکترود دستی اختراع شد مهمترین این عوامل به شرح زیر بودنند :
نارسانا بودن پوشش محافظ در جوشکاری الکترود دستی ، تماس الکتریکی بین منبع تغذیه الکتریکی و الکترود امکان پذیر نیست .
رول کردن الکترود در روش جوشکاری الکترود دستی موجب جدا شدن پوشش آن میگردد. تماس پوشش الکترود با قرقره‌های تغذیه کننده الکترود باعث تکه تکه شدن و خرد شدن پوشش میشود.
روش های گوناگون انواع فرآیندهای جوشکاری زیرپودری
جوشکاری زیرپودری به ۳ روش نیمه خودکار، خودکار و ماشینی انجام میگیرد .
الف) روش نیمه خودکار: جوشکاری در این روش می تواند با استفاده از نازل جوشکاری دستی که وظیفه انتقال الکترود و پودر محافظ را دارد، انجام میشود. تغذیه سیم جوش به صورت خودکار بوده و پودر محافظ تحت اثر نیروی گرانش از مخزن با ته مخروطی یا تحت فشار هوا توسط شیلنگ به محل اتصال، انتقال می‌یابد و کاربرد این تکنیک در سرعتهای متوسط و برای الکترودهای با قطر کم می‌باشد.
ب )تکنیک خودکار جوشکاری زیرپودری به روش خودکار توسط دستگاه و کنترل کننده‌های خودکار، بدون دخالت کاربر صورت میگیرد.
ج) روش ماشینی
جوشکاری توسط ماشین انجام گرفته ولی شروع، پایان، نظارت بر جوشکاری، کنترل سرعت و تنظیم متغیرهای جوشکاری توسط کاربر انجام میگیرد.
مزایا و محدودیت های تکنیک جوشـکـاری زیرپودری
جوشـکـاری زیرپودری دارای فواید زیادی از جمله جوشکاری بدون دود و تشعشع ؛ کیفیت بالای جوش ؛ جوش با سطح هموار و بدون پاشش قطرات مذاب ؛ رسوب الکترود با بازدهی بالا ؛ جوشکاری با سرعت بالا ؛ بی‌نیازی از جوشکار ماهرمی باشد و جوشکاری زیر پودری SAW در جوشکاری مخازن تحت فشار ؛ خطوط لوله، مخازن ذخیره، سازه‌های سنگین ، کشتی سازی و ساخت واگن‌های راه‌آهن استفاده میشود .
انواع اتصالات جوشکاری و حالت های جوشکاری (پوزیشن های جوشکاری)
۱-۳ ) روش جـوشـکــاری با گاز محافظ (GMAW)
روش جوشــکــاری با گاز محافظ ( GMAW) ، روشی است که گرما توسط قوس بین الکترود و قطعه کار بوجود می آید. الکترود یک سیم جوش توپر است که پیوسته به محل جوش تغذیه شده و استفاده می شود. حفاظت الکترود، ستون و حوضچه مذاب جوش وحتی قسمتی از فلز مبنا که نزدیک محل ذوب است کاملا توسط یک گاز یا ترکیب گاز انجام می گیرد.
جوشکــاری با گاز محافظ
جوشکــاری با گاز محافظ (GMAW) به انگلیسی Gas metal arc welding نام یک فرآیند جوشکاری جامع است ، که فرآیند های جوشکـاری میگ و مگ و جوشکاری CO2 را نیز در بر می گیرد .
در فرآیند جوشـــکـاری با گاز محافظ ، گاز محافظ باید یک حفاظت کامل و خوب را انجام دهد زیرا اندک ذره مضر از طرف آتمسفر محیط به راحتی وارد مذاب شده و باعث آلوده شدن فلز جوش می شود.
فرآیند جوشـــکــاری با گاز محافظ شامل دو نوع اتوماتیک و نیمه اتوماتیک است که در هر دو اندازه طول قوس و سرعت تغذیه الکترود ثابت بوده و در نوع اتوماتیک آن علاوه بر این، سرعت حرکت تورچ و حالت قرار گرفتن تورچ نسبت به درز جوش نیز ثابت است و در نوع نیمه اتوماتیک آن سرعت حرکت تورچ و حالت آن بسته به مهارت جوشکار دارد .
جوشکاری مَگ و جوشــکـاری میگ
روش جوشــکــاری با گاز محافظ در سال ۱۹۴۸ در ایالات متحده آمریکا تولید شد و در آن زمان این روش با نام میگ (MIG) یا Metal Inert Gas به معنای : جوشکاری با الکترود مصرفی شدنی فلزی و گاز محافظ خنثی نامیده میشد و با گازهای خنثی هلیم و آرگون برای جوشکاری آلومینیوم به کار می رفت . این فرآیند برای جوشــکــاری فولاد نیز توسط گاز CO۲ به کار رفت و در سال ۱۹۵۳ نام جوشکاری CO2 یا جوشـکـــاری مَگ Metal Active Gas ) MAG ) به معنای گاز محافظ فعال را به خود اختصاص داد و در نهایت در سال ۱۹۷۳ از ترکیب دو نوع و فرآیند MIG و MAG جـــوشـــکاری قوسی فلزی با گاز محافظ (GMAW ) را برای کل فرآیند نام گذاری شد .
۴-۱ ) انواع فرآیندهای جوشکاری روش توپودری (FCAW)
فرایند جوشکاری توپودری (FCAW) که مخفف کلمه انگلیسی Cored Arc Welding Flux می باشد بسیار شبیه فرآیند جوشکاری با گاز محافظ است و به همین علت توضیح جوشکاری توپودری را بعد از جوشکاری میگ و مَگ قرار دادیم.
طریقه ی روش جوشکاری توپودری
در روش جوشــکــاری قوس الکتریکی با سیم توپودری مصرفی (FCAW) یا به اختصار جوشکاری توپودری، قوس بين فلز پایه و ماده مصرفی که سیم جوشی حاوی پودری است، ایجاد شده و حرارت حاصل از آن موجب ذوب ومتصل می شود. در این فرایند تشکیل حوضچه مذاب توسط دود حاصل از سوختن پودر جوش و یا توسط گاز با منبع خارجی محافظت می شود. در حال اول فرایند را خود محافظ (Self-Shielded) و در حالت دوم آن را گاز محافظ (Gas Shielded) نام گذاری می کنند.
کمترین سطح اتوماسیون این روش، مانند فرایند جوشکاری با سیم مصرفی یا میگ / مگ (MIG / MAG یا GMAW)، نیمه خودکار بوده است اما امکان خودکار و رباتیک نمودن آن نیز وجود دارد.
روش جوشکاری توپودری (FCAW) بطور گسترده در جوشکاری فولادهای استـــــحکام بالا نقش دارد .
۱-۵ ) جوشکاری تیگ TIG (تنگستن)
جوشکاری تیگ (TIG) که مخفف کلمه انگلیسی Tungsten Inert Gas است طبق استاندارهای آمریکـــایی با نام فرآیند جوشکاری با الکترود تنگستنی و گاز محافظ (GTAW) که مخفف کلمه انگلیســـی Gas Tungsten Are Welding است، شناختــــه می شود، یک روش جوشکاری ذوبی است و حرارت مورد نیاز برای ذوب فلز پایه و سیم جوش مصرفی از طریق تشکیل قوس الکتریکی بین الکترود تنگستنی ( غیر مصرفی ) و سطح گازبه وجود می آید.
توسعه روش جـوشـکــاری تیگ
روش جوشکاری GTAW همان تیگ است ؟
الکترودروش جـوشـکــاری تیگ TIG
در فرآیند جوشکاری تیگ TIG از یک الکترود تنگستنی مصرف نشدنی که در داخل مشعل می باشد، استفاده می گردد. برای بالا رفتن قابلیت پخش الکترون ها از سطح الكترود ، درصد کمی از عناصر فعال به صورت آلیاژ به الکترود تنگستنی اضافه شده است که این امر باعث بهبود بخشیدن به شروع قوس و پایداری قوس و طول عمر الکترود میگردد .
فواید و محدودیت های انواع فرآیندهای جوشکاری در روش تیگ
۱-۵ ) روش جوشکاری پلاسما
روش جوشکاری قوس پلاسما Plasma Arc Welding یک روش قوس الکتریکی مشابه فرآیند جوشــکــاری با گاز محافظ (GTAW) می باشد. قوس الکتریکی بین الکترود تشکیل شده است. تفاوت کلیدی جوشکاری قوس پلاسما با فرآیند جوشــکــاری با گاز محافظ ؛ قرار دادن الکترود درون بدنه مشعل در روش پلاسما می باشد . انرژی قوس در جوشــکــاری پلاسما بسیار متمرکز تر ومستحکم تر از روش جوشکاری با گاز محافظ و الکترود تنگستنی TIG است .
در نتیجه جوشکاری پلاسما قابلیت نفوذ عمیق تر و جوش باریکتری را به وجود می آورد. این به این معنی است که نسبت عمق به عرض بیشتر از سایر تکنیک ها می باشد.
قوس پلاسما را می توان برای جوشکاری یا برش مورد استفاده قرار داد، بنابراین می توان مشعل های پلاسما را نیز درست کرد که می توانند جوشکاری یا برش پلاسما را انجام دهند.
روش پلاسما چیست ؟
پلاسما به معنی گاز یونیزه شده است. برای آن که این گاز در این درجه حرارت و حالت از قانون گازها تبعیت نمی‌کند، در حالت چهارم وجود ماده به آن می گویند (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. پلاسمای قوس حالت موقتی گاز می باشد. گاز پس از عبور جریان الکتریکی از طریق آن، یونیزه می شود و به هدایت کننده برق تبدیل می شود. در اتم های حالت یونیزه، الکترون ها (-) و کاتیون ها (+) شکسته می شوند و سیستم شامل ترکیبی از یون ها، الکترون ها و اتم های بسیار پر انرژی است.
کاربرد و مزایای جوشــکــاری پلاسما
پروسه برش و جوش پلاسما تنها در مواد هادي جريان الكتريسيته قابل اجرا است . در واقع در اين روش با عبور پلاسما از ميان تورچ و خوردن آن به ماده شكلی از انرژي از يك چشمه انرژی به ماده منتقل میشود و ماده بريده می شود .
برش پلاسما بر خلاف پروسه برش هوا گاز بيشتر بر گرمای زياد براي ذوب و سرعت بالای گاز تكيه دارد نه بر اكسيد شدن ماده . از اين روش مي توان هم براي فلزات آهنی و هم برای فلزات غير آهنی مانند جوشکاری آلومينيوم استفاده كرد .
در اين روش مشكل اكسيد مقاوم بعضي از فلزات وجود ندارد . فرآيند جوشكاری پلاسما به صورت اتوماتيك و دستی قابل دسترسمی باشد . اين روش در عمليات مختلف استفاده مي شود .
۲) انواع فرآیندهای جوشکاری حالت جامد
روش جوشـــکاری حالت جامد ، گروهی از روش های جوشـکـاری هستند که در آنها، پیوستگی مواد در دماهایی زیر نقطه ذوبشان اتفاف میافتد. این پیوستگی بدون ذوب فلز پایه اتفاق میافتد. در این فرآیندها از هیچ ماده پرکننده لحیمی استفاده نمیشود. ممکن است در این فرآیندها فشار استفاده شود یا نشود. در این روش، فلزات اتصال، خواص اولیه خود را محافظت می‌کنند. مشکلات ناشی از ناحیه متاثر از حرارت در این فرآیندها دیده نمیشود. در جوشکاری مواد غیر هم جنس، اختلاف ضریب انبساط حرارتی و هدایت گرمایی مواد از اهمیت بسیار کمتری برخوردار ای بمی باشد.
روشهای جوشــکــاری حالت جامد
این فرآیند شامل جوشــــکاری سرد، جوشکاری نفوذی، جوشکاری اصطکاکی، جوشکاری پتکه‌ای، جوشکاری انفجاری، جوشکاری فشاری داغ، جوشکاری نوردی، و جوشکاری فراصوتی می باشند.
روش‌هایی که بیشتر استفاده میشوند شامل موارد زیر است.
- روش جوشــــکـاری اصطکاکی Friction welding
- روش جوشـــــکـاری آهنگری یا پتکه‌ای Forge welding
- روش جوشـــــکـاری با امواج صوتی Ultrasonic welding
۲-۱) انواع فرآیندهای جوشکاری اصطکاکی
روش جوشکــاری اصطکاکی یک نوع از جوشکــاری جامد است که با تولید گرما وحرارت از طریق اصطکاک مکانیکی موجب ایجاد جوش بین دو قطعه میشود .
در واقعیت ، یک سطح صاف قطعه با استفاده ار بسیاری از قلل و فرج میکروسکپی تشکیل شده است ، و وقتی که دو سطح روی هم قرار می گیرد و کشیده میشود اصطحکاک بین آنها سبب ایجاد گرما می شود و این گرما سبب خمیری شکل شدن ناحیه اتصال میگردد و پیوند بین دو قطعه اتفاق میافتد و به هم میچسبد .
روش جـوشـکــاری اصطکاکی ، ۴ نوع دارد که مکانیزیم آنها مشابه یکدیگر است .
۱) روش جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (FSW)
۲) روش جوشکــاری اصطحکاکی نقطه ایی (FSSW)
۳) روش جوشکــاری اصطکاکی خطی (LFW)
۴) روش جوشکــاری اصطکاکی دوار (RFW)
۲-۲)انواع فرآیندهای جوشکاری روش فورج
جوشکــاری فورج (FOW) که مخفف کلمه انگلیسی Forge Welding است ، یک روش جوشکاری حالت جامد است که با گرم کردن قطعات در دمای بالا ، دو قطعه فلز را در کنار هم قرار می دهد و سپس با چکش کاری پیوند بین آنها برقرار میشود . ، این روش یکی از ساده ترین روش های اتصال فلزات است و از زمان های بسیار دور مورد استفاده قرار گرفته است . جـوشـکـاری فورج میتواند اکثر فلزات مختلف از یک جنس را به یکدیگروصل کند . امروزه با به وجود آمدن روش های نوین تر جـوشـکــاری ، جـوشـکـاری فورج ، نوع فرآیند جـوشـکـاری در نظر گرفته نمیشود اما به عنوان یک روش ساخت و تولید بسیار مورد توجه قرار گرفته است .
۲-۳) انواع فرآیندهای جوشکاری روش اولتراسونیک
جوشکاری اولتراسونیک یک روش جـوشـکـاری حالت جامد است ، که به کمک ارتعاشات صوتی فراصوت با فرکانس بالا ، اتصال بین دو قطعه به وجود می آید با استفاده از جوش اولتراسونیک میتوان قطعات پلیمری و فلزی هم جنس و غیر هم جنس هم متصل کرد ودقت کرد که دوماده دقیقا باید از جنس هم باشند. (احتیاط). کاربرد جوشکاری اولتراسونیک ، در جوش پلاستیک بیشتر و شناخته تر از جوش فلزات است.
فرآیند جوشکاری اولتراسونیک ، حرکت مکانیکی با فرکانس بالا ، همراه با نیروی می باشد که سبب ایجاد گرمای اصطکاک در سطوح جفت کننده قطعات (ناحیه مشترک) می شود ، در نتیجه مخرج مشترک قطعات ذوب شده و پیوند مولکولی بین قطعات ایجاد می کنند.