جوشکاری با گاز یا شعله

جوشکاری با گاز یا شعله

جوشکاری با گاز شعله یکی ازاولین روشهای جوشکاری معمول در قطعات آلومینیومی  بوده و هنوز هم در کارگاههای  کوچک در صنایع ظروف آشپزخانه و دکوراسیون و تعمیرات بکارمیرود.در این روش فلاکس یا روانساز یا تنه کار برای برطرف کردن لایه اکسیدی بکار میرود.

مزایا:سادگی فرایند و ارزانی و قابل حمل و نقل بودن وسایل

محدوده کاربرد:ورقهای نازک 8/0تا 5/1میلیمتر

محدودیتها:باقی ماندن روانساز لابلای درزها و تسریع  خوردگی -  سرعت کم –

منطقه  H.A.Zوسیع است .

قطعات بالاتر از 5/2میلیمتر را به دلیل عدم تمرکز شعله و افت حرارت بااین روش جوش نمیدهند.

حال می پردازیم به چگونگی تامین حرارت در این فرایند

حرارت لازم در این  روش از واکنش شیمیایی گاز با اکسیژن بوجود می آید.

حرارت توسط جابجایی و تشعشع به کار منتقل می شود.قدرت جابجایی به فشار گاز و قدرت تشعشع به توان چهارم درجه حرارت شعله بستگی دارد. لذا تغببر اندکی در درجه حرارت شعله می تواند میزان حرارت تشعشعی و شدت آنرا بمقدار زیادی تغییر دهد.درجه حرارت شعله به حرارت ناشی از احتراق و حجم اکسیژن لازم برای احتراق و گرمای ویژه و حجم محصول احتراق(گازهای تولید شده) بستگی دارد. اگر از هوا برای احتراق استفاده شود مقدار ازتی کهوارد واکنش سوختن  نمی شود قسمتی از حرارت احتراق راجذب کرده و باعث کاهش درجه حرارت شعله می شود.بنابراین تنظیم کامل گاز سوختنی و اکسیژن لازمه ایجاد شعله بادرجه حرارت بالاست. گازهای سوختنی نظیر استیلن یا پروپان یا هیدروژن و گاز طبیعی نیز قابل استفاده است کخمقدار حرارت احتراق و  در نتیجه درجه حرارت شعله نیز متفاوت خواهد بود. در عین حال معمولترین گاز سوختنی گاز استیلن است.

تجهیزات و وسایل اولیه این روش شاملسیلندر گاز اکسیژن و سیلندر گاز استیلن یا مولدگاز استیلن و رگولاتور تنظیم فشار برای گاز و لوله لاستیکی انتقال دهنده  گاز به مشعل و  مسعل جوشکاری است.

استیلن با فرمول C2H2 و بوی بد در فشار بالا ناپایدار و قابل انفجار است و نگهداری و حمل و نقل آن نیازبه رعایت و مراقبت بالا دارد.فشار گاز در سیلندر حدودpsi 2200است و رگولاتورها این فشار را تا زیر psi 15 پایین می آورند.و به سمت مشعل هدایت  می شود.(در فشارهای بالا ایمنی کافی وجود ندارد).توجه به این نکته نیز ضروری است که اگر بیش از 5مترمکعب در ساعت ازاستیلن استفاده شود از سیلندر استن بیرون خواند زد که خطرناک است.

بعضی اوقات از مولدهای استیلن برای تولید گاز استفاده می شود. بر اساس ترکیب سنگ کاربید با آب گاز استیلن تولید میشود.                  

                                                              CaC2 + 2 H2O = C2H2 + Ca(OH)2

روش تولید گاز با سنگ کاربید به دو نوع کلی تفسیم میشود.

1-روشی که آب بر روی کاربید ریخته میشود.

2-روشی که کاربید  با یطح آب تماس حاصل میکند و باکم و زیاد شده فشار گاز سطح آب در مخزن تغییرمی کند.

رگولاتورها(تنظیم کننده های فشار) هم دارای انواع گوناگونی هستند و برای فشارهای مختلف ورودی و خروجی مختلف طراحی شده اند.رگولاتورها دارای دو فشارسنج هستند که یکی فشار داخل مخزن و دیگری فشار گاز خروجی را نشان میدهند. رگولاتورها در دو نوع کلی یک مرحله ای و دومرحله ای تقسیم میشوند که این  تقسیم بندی همان  مکانیزم تقلیل فشار است. ذکر جزییات دقیق رگولاتورها در اینجا میسر نیست اما اطلاع از فرایند تنظیم فشار برای  هر مهندسی لازم است(حتما پیگیر باشید).

کار مشعل آوردن حجم مناسبی از گاز سوختنی و اکسیژن سپس مخلوط کردن آنها و هدایتشان به سوی نازل است تا شعله مورد نظر را ایجاد کند.

اجزا مشعل:  الف-شیرهای تنظیم گاز  سوختنی و اکسیژن  ب-دسته مشعل ج-لوله اختلاط د-نازل

قابل ذکر اینکه طرحهای مختلفی درقسمت ورودی گاز به  لوله اختلاط مشعل وجود دارد تا ماکزیمم حرکت اغتشاشی به مخلوط گازها داده شود و سپس حرکت گاز در ادامه مسیر در ادامه مشعل کندتر شده تا شعله ای آرام  بوجود آید.

در انتها یادآور می شود مطالب بسیار زیادی در این خصوص وجود داشت که بدلیل عدم امکان نمایش تصاویر که عمدتا اسکن هم نشده اند بیش از این به شرح و توضیح آنها نپرداختم.از جمله این مطالب شناسایی نوع شعله(از لحاظ قدرت و کاربرد) بود.یا نشان دادن چند نوع رگولاتور از نمای شماتیک و ... .

اما هیچکدام از این مطالب و عکسها جایگزین چند ساعت تمرین عملی در کارگاه نیست.

پیچیدگی Distortion در جوشکاری

پیچیدگی((Distortion

پیچیدگی وتغییرابعاد یکی ازمشکلاتی است که در اثراشتباه طراحی و تکنیک عملیات  جوشکاری ناشی میشود. با فرض اجتناب از ورود به مباحث تئوریک تنها به این مورد اشاره میکنیم که حین عملیات جوشکاری به دلیل عدم فرصت کافی برای توزیع یکنواخت بار حرارتی داده شده به موضع جوش و سرد شدن سریع محل جوش انقباضی  که میبایست در تمام قطعه پخش میشد به ناچار در همان محدوده خلاصه میشود و این انقباض اگر در محلی باشد که از نظر هندسی قطعه زاویه دار باشد منجر به اعوجاج زاویه ای(Angular distortion) میشود.در نظر بگیرید تغییر زاویه ای هرچند کوچک در قطعات بزرگ و طویل چه ایراد اساسی در قطعه نهایی ایجاد می کند.

 حال اگر خط جوش در راستای طولی و یا عرضی قطعه باشد اعوجاج طولی و عرضی(Longitudinal shrinkage or Transverse shrinkage) نمایان میشود.اعوجاج طولی و عرضی همان کاهش طول قطعه نهایی قطعه میباشد. این موارد هم بسیار حساس و مهم هستند.

نوع دیگری از اعوجاج تاول زدن یا طبله کردن و یا قپه Bowing)) میباشد.

 ذکر یکی از تجربیات در این زمینه شاید مفید باشد. قطعه ای به طول 20 متر آماده ارسال برای نصب بود که بنا به خواسته ناظرمیبایست چند پاس دیگر در تمام طول قطعه جوش داده میشد.تا ساق  جوش 2-3میلیمتر بیشتر شود.بعد از انجام اینکارکاهش 27میلیمتری در قطعه بوجود آمد. واین یعنی فاجعه .چون اصلاح کاهش طول معمولا  امکان پذیر نیست و اگر هم با روشهای کارگاهی کلکی سوار کنیم تنها هندسه شکل رااصلاح کرده ایم و چه بسا حین استفاده از قطعه آن وصله کاری توان تحمل بارهای وارده را نداشته باشد وایرادات بعدی نمایان شود.

بهترین راه برای رفع این ایراد جلوگیری ازبروز Distortion است. و(طراح یا سرپرست جوشکاری خوب) کسی که بتواند پیچیدگی قطعه را قبل ازجوش حدس بزند و راه جلوگیری از آن راهم پیشنهاد بدهد.

بعضی راهکارهای مقابله با اعوجاج:

1-   اندازه ابعاد را کمی بزرگتر انتخاب کرده ...بگذاریم هر چقدر که میخواهد در ضمن عملیات تغییر ابعاد  و پیچیدگی در آن ایجاد شود.پس از خاتمه جوشکاری عملیات خاص نظیر ماشین کاری...حرارت دادن موضعی و یا پرسکاری برای برطرف کردن تاب برداشتن و تصحیح ابعادانجام میگیرد.

2-   حین طراحی و ساخت قطعه با تدابیر خاصی اعوجاج را خنثی کنیم.

3-   از تعداد جوش کمتر با اندازه کوچکتر برای بدست آوردن استحکام مورد  نیاز استفاده شود.

4-   تشدید حرارت و تمرکز آن بر حوزه جوش در اینصورت نفوذ بهتری داریم و نیازی به جوش اضافه نیست.

5-   ازدیاد سرعت جوشکاری که باعث کمتر حرارت دیدن قطعه میشود.

6-   در صورت امکان بالا بردن ضخامت چراکه در قطعات با ضخامت کم  اعوجاج بیشتر نمود دارد.

7-   تا حد امکان انجام جوش در دوطرف کار حول محور خنثی

8-   طرح مناسب لبه مورد اتصال که اگر صحیح طراحی شده باشد میتواند فرضا مصالح جوش را در اطاف محور خنثی پخش کند و تاحد زیادی از میزان اعوجاج بکاهد.

9-   بکار بردن گیره و بست و نگهدارنده باری مهار کردن انبساط و انقباض ناخواسته درقطعه

عوامل مهم بوجود آمدن اعوجاج :

1-   حرارت داده شده موضعی , طبیعت و شدت منبع حرارتی  و روشی که این حرارت به کار رفته و همچنین نحوه سرد شدن

2-   درجه آزادی یا ممانعت بکار رفته برای جلوگیری از تغییرات انبساطی و انقباظی. این  ممانعت ممکن است در طرح قطعه وجود داشته باشد و یا از طریق مکانیکی (گیره یا بست یا نگهدارنده و  خالجوش)اعمال شود.

3-   تنش های پسماند قبلی در قطعات و اجزا مورد جوش گاهی اوقات موجب تشدید تنش های ناشی از جوشکاری شده و در مواردی  مقداری از این تنش ها را خنثی میکند.

4-   خواص فلز قطعه کار واضح است که در شرایط مساوی طرح اتصال(هندسه جوش) و جوشکاری مواردی مانندمیزان حرارت جذب شده در  منطقه جوش و چگونگی نرخ انتقال حرارت و ضریب انبساط حرارتی و قابلیت تغییر فرم پذیری و استحکام و بعضی خواص دیگر فلز مورد جوش تاثیر قابل توجهی در میزان تاب برداشتن دارد.مثلا در قطعات فولاد آستنیتی زنگ نزن مشکل پیچیدگی به مراتب بیشتر از فولاد کم کربن معمولی  میباشد.

نکاتی در مورد جوشکاری فولادهای ضدزنگ و ضدخوردگی

نکاتی در  مورد  جوشکاری فولادهای ضدزنگ و ضدخوردگی

خصلت اصلی  فولادهای استنلس مقاومت در برابر زنگ خوردگی است (داشتن کرم بیش از 12% موید همین مطلب است).نیکل موجود در این فولادها حتی به مقدار زیاد هم نمیتواند به تنهایی مقاومت در برابر خوردگی را زیاد کند.ولی با  حضور  کرم میتواند تا  حد زیادی این  وظیفه  را بخوبی انجام دهد.مزیت اصلی  نیکل تسهیل  ایجاد فاز آستنیت و بهبود خاصیت مقاوم به ضربه فولادهای کرم نیکل دار است. مولیبدن شرائط خنثی سازی این فولاد را تثبیت می کند و عموما عامل افزایش مقاومت به خوردگی موضعی(Pitting) است.

به منظور اطمینان از تشکیل کاربیدهای پایدار که باعث افزایش مقاومت  به خوردگی بین دانه ای میشود افزودن Ti  و Nb به انواع معینی از فولادهای کرم-نیکل دار ضروری است.

1-فولادهای ضد زنگ

کرم و کربن عناصر  اصلی اینگونه از فولادها را  تشکیل میدهد. هر چند که مقدار کربن کمتر از  04/0درصد است تاثیر کرم بر استحکام کششی حتی در مقادیر 13 و 17و 20درصد بسیار ناچیز است. در حالیکه  در مقادیر زیادتر کربن با عملیات حرارتی مناسب امکان دستیابی  به استحکام کششی منایب و عملیات مکانیکی مورد نظر فراهم میشود.

با توجه به ریزساختار فولادهای کرم دار را به شرح زیر میتوان دسته بندی کرد:

الف-فولادهای کرم دار-فریتی(12 تا 18 درصد کرم -1/0درصد کربن)

ب- فولادهای کرم دار-نیمه فریتی(12 تا 14 درصد کرم -08/0 تا 12/0 درصد کربن)

ج-فولادهای کرم دار-مارتنزیتی(12 تا 18 درصد کرم و بیش از 3/0 درصد کربن)

د- فولادهای کرم دار-قابل عملیات حرارتی(12 تا 18 درصد کرم -15/0 تا 20/0 درصد کربن)

این دسته بندی را در مورد جوش پذیری نیز میتوان تکرار کرد.

تحت شرایط حرارتی نامناسب فولادهای فریتی(گروه الف) تمایل به تشکیل دانه های درشت نشان میدهند. انرژی حرارتی ناشی از جوشکاری منجر به رشد دانه بندی میشود که نمیتوان آنرا با پس گرمایش برطرف نمود.در نتیجه کاربید رسوب میکند و در مرز دانه های فریت باعث شکنندگی و کاهش شىیى مقاومت به ضربه فلؤ جوش میشود.برای غلبه بر این حالت باید از الکترود آستنیتی تثبیت شده با 19 درصد کرم و 9 درصد نیکل استفاده نمود.فلز جوشی که بدین ترتیب حاصل میشود دارای خاصیت آستنیتی و مقاومت به ضربه بالا است.فلز جوشی که بدین طریق حاصل  میشود از نظر مقاومت به خوردگی مطابق فولددهای ضدزنگ فریتی میباشد اما از نظر ظاهر با فلز مبنا تفاوت رنگ دارد.در صورتیکه اجبار در یکرنگی باشد باید از فیلر متال مشابه( مثلا 18 درصد کرم به همراه کمی Ti)استفاده شود.Tiدر مقادیر جزیی نقش موثر در ریز دانه  کردن فلز جوش دارد.

بعلت رابطه  گریز ناپذیر بین رشد دانه ها با از دست رفتن استحکام ضربه ای چاره ای جز کاستن از تنش های حرارتی ناشی از عملیات جوشکاری وجود ندارد و برای نیل به این منظور تمهیداتی نظیر الکترود با قطر کم و سرعت جوشکاری بیشتر و پیش گرمایش 200تا 300 درجه سانتیگراد باید به کار رود.

پس گرمایش در حدود 700 تا 800 درجه سانتیگراد خاصیت استحکام به ضربه فلز جوش را بهبود میدهد.

همچنین آنیلینگ(Annealing)به مدت کم نیز باعث تجمع کاربید شده و تا حدی شکنندگی فلز جوش را جبران میکند و همینطور به تنش گیری نیز کمک میکند. ولی هرگز باعث رفع کامل درشت دانگی    HAZنمیشود.

اقدامات مشابهی حین جوشکاری فولادهای نیمه فریتی و کوئنچ تمر شده با 12 تا 14 درصد کربن (دسته ب ) نیز ضروری است. میدانیم که سرد کردن سریع باعث تشکیل فاز شکننده مارتنزیتی میشود لذا ضرورت دارد که درجه حرارت قطعه حین انجام جوش بالا نگهداشته شود. قطعه کار ابتدا 300 تا 350 درجه پیش گرم میشود.درجه حرارت بین پاسی(Inter pass) 300 درجه مناسب است و از این کمتر نباید شود.ضمنا قطعه کار باید بلافاصله در دمای 700 تا 760 درجه پس گرم شود.این سیکل حرارتی در مجموع باعث ایجاد فلز جوشی با ساختار یکنواخت و چقرمه در کل طول درز جوش مسشود و خطر شکنندگی و رشد دانه ها را تا حدود زیادی مرتفع میکند.

فولادهای کرم دار مارتنزیتی (دسته ج)معمولا قابل جوش نیستند و صرفا به منظور تعمیر و اصلاح عیوب جوشکاری بر روی آنها انجام میپذیرد. برای جوشکاری فولادهای کرم دار با 12 تا 14 درصد کرم مقدار کربن در فیلر متال نباید از 25/0درصد تجاوز کند.این نوع فولاد در هوا سخت میشود.از اینرو هیچ اقدام پیشگیرانه موثری به منظور غلبه بر سخت شده HAZوجود ندارد.اما  با اعمال پیش گرم زیاد که با پس گرم بلافاصله قطعه همراه باشد میتوان تاحدودی مشکل را برطرف کرد و سختی نامطلوب را در حد پایینی نگاه داشت.دمای پس گرم 750 تا 800 توصیه میشود و کمتر از این دما ممکن است باعث تاثسر منفی در مقاومت به خوردگی شود.

آنیلینگ در حرارتی بین650 تا 650 درجه ممکن است باعث رسوب کاربید و بروز خوردگی بین دانه ای شود.

2-فولادهای مقاوم به خوردگی

 فولادهای آستنیتی مقاوم به خوردگی کرم-نیکل دار عموما دارای خواش جوشکاری مطلوبی هستند(جوش پذیرند). اما خصوصیاتی چند از این فلزات باید مدنظر قرار گیرد.

  الف-ضریب هدایت حرارتی کم.

  ب- ضریب انبساط حرارتی زیاد.

 ج-سرشت انجماد اولیه این نوع فولادها که تاثیر مهم و تعیین کننده ای بر مکانیزم وقوع ترگ گرم در آنها دارد.وجود مقدار مشخصی از فریت در فلز جوش بیانگر مقاومت ـن به ترک گرم است.

به کمک نمودار شفلر-دولانگ امکان تعیین ریز ساختار بر اساس ترکیبات فلز جوش ممکن است.

نمودار شفلر-دولانگ کمکی عملی در تعیین مقدار تقریبی فریت(فریت دلتا)و سرشت ریز ساختار تشکیل شده حین جوشکاری فولادهای آلیازی غیر همجنس اراوه میدهد.علاوه بر این برآوردی کلی از تاثیرات مقادیر کم فریت بر مقاومت به ترک گرم فلز جوش آستنیتی را مقدور میسازد.تجربه ثابت کرده که روشهای متفاوت تعیین درصد فریت عملا مساله ساز است و طبق توافق جهانی به جای درصد فریت  تعداد فریت را مبنا و ماخذ محاسبات قرار میدهند .

دوستانیکه احتمالا از مطالب مربوط به نمودار شفلر آنچنان برداشت منسجم و دقیقی نداشتند کاملا حق دارند و پیشنهاد میکنم به کتب و منابع معتبر برای فهم بهتر مطلب مراجعه کنند. و فرصت بهتر پرداختن به این مطالب مهم فعلا در توان بنده نیست.

3-فولادهای مقاوم به حرارت

الف-فولادهای فریتی یا فولادهای فریتی-پرلیتی از نوع (Cr   یا Cr-Si   و Cr-Si-Al) و فولدهای فریتی-آستنیتی

ب-فولادهای مقاوم به حرارت از نوع آستنیتی از نوع Cr-Ni-Si

در حالیکه در جوشکاری قطعات فولادی از نوع آستنیتی با الکترودها ی همجنس آن پیشگرم قطعه ضرورتی ندارد فولادهای مقاوم به حرارت از نوع فریتی کرم دار را معمولا 100 تا 300 درجه پیش گرم و در 750 درجه هم پس گرم  و آنیل میکنند.علت اینکار هم غلبه بر درشت دانگی و تمایل به ترد شدن HAZ  است.

قطعات ریختگی از جنش فریت_آستنیت را باید در حالت گرم 700تا800 درجه جوش داد و اجازه داد که به تدریج سرد گردد.

جوشکاری فولادهای فریتی و فریتی-پرلیتی با الکترودهای هم جنس قطعه کار کاهش در استحکام ضربه ضربه ای فلز جوش را نشان میدهد لذا  پیشنهاد میشود این نوع فولادها را باالکترودهای آستنیتی مقاوم به حرارت جوش داد.در این حالت نیز باید توجه داشت که مقاومت به حرارت فلز جوش  آستنیتی در محیط احتراق با گازهای اکسید کننده با هوا تقویت میشود و طبیعتا این مقاومت به حرارت در محیط گازهای احیا کننده به مقدار زیادی کاهش می یابد برای غلبه بر محیط احتراق با مقدار زیاد گاز گوگرد استفاده از الکترودهایی با کرم زیاد توصیه میگردد.

معرفی جوش آرگون در چند جمله

معرفی جوش آرگون در چند جمله

در جوش آرگون یا تیگ(TIG) برای ایجاد قوس جوشکاری از الکترود تنگستن استفاده می شود که این الکترود برخلاف دیگر فرایندهای جوشکاری حین عملیات جوشکاری مصرف نمی شود.

حین جوشکاری گاز خنثی هوا را از ناحیه جوشکاری بیرون رانده و از اکسیده شدن الکترود جلوگیری

 می کند. در جوشکاری تیگ الکترود فقط برای ایجاد قوس بکار برده می شود و خود الکترود در جوش مصرف نمی شود در حالیکه در جوش قوس فلزی الکترود در جوش مصرف می شود. در این نوع جوشکاری از سیم جوش(Filler metal)بعنوان فلز پرکننده استفاده می شود.و سیم جوش شبیه جوشکاری با اشعه اکسی استیلن(MIG/MAG)در جوش تغذیه می شود. در بین صنعتکاران ایرانی این جوش با نام جوش آلومینیوم شناخته می شود. نامهای تجارتی هلی آرک یا هلی ولد نیز به دلیل معروفیت نام این سازندگان در خصوص ماشینهای جوش تیگ باعث شده بعضا این نوع جوشکاری با نام  سازندگان هم شناخته شود. نام جدید این فرایند  G.T.A.W و نام آلمانی آن WIGمی باشد.

همانطور که از نام این فرایند پیداست گاز محافظ آرگون میباشد که ترکیب این گاز با هلیم بیشتر کاربرد دارد.

علت استفاده از هلیم این است که هلیم باعث افزایش توان قوس می شود و به همین دلیل سرعت جوشکاری را میتوان بالا برد و همینطور باعث خروج بهتر گازها از محدوده جوش میشود.

کاربرد این جوش عموما در جوشکاری موارد زیر است

1-     فلزات رنگین از قبیل آلومینیوم...نیکل...مس و برنج(مس و روی) است.

2-     جوشکاری پاس ریشه در لوله ها و مخازن

3-     ورقهای نازک(زیر1mm)

مزایای TIG

1-     بعلت اینکه تزریق فلز پرکننده از خارج قوس صورت میگیرد.اغتشاش در جریان قوس پدید نمی آید.در نتیجه کیفیت فلز جوش بالاتر است.

2-     بدلیل عدم وجود سرباره و دود و جرقه ,منطقه قوس و حوضچه مذاب بوضوح قابل رویت است.

3-     امکان جوشکاری فلزات رنگین و ورقهای نازک با دقت بسیار زیاد.

انواع الکترودها در TIG

1-     الکترود تنگستن خالص (سبز رنگ)برای جوش آلومینیوم استفاده می شود و حین جوشکاری پت پت می کند.

2-     الکترود تنگستن توریم دار که دو نوع دارد الف-1% توریوم دار که قرمز رنگ است                                                                           ب-2% توریم دار که زرد رنگ می باشد.

3-     الکترود تنگستن زیرکونیم دار که علامت مشخصه آن رنگ سفید است.

4-     الکترود تنگستن لانتان دار که مشکی رنگ است.

5-     الکترود تنگستن سزیم دار که طلایی رنگ است.

این دو نوع آخر جدیدا در بازار آمده اند.

چند نکته در مورد مزایای تنگستن

1-     افزایش عمر الکترود

2-     سهولت در خروج الکترونها در جریان DC

3-     ثبات و پایداری قوس را بیشتر می کند

4-     شروع قوس راحت تر است.

نوع قطبیت مناسب در جوشکاری TIG

جریان DCEN برای جوشکاری چدن-مس-برنج-تیتانیوم-انواع فولادها

جریان ACبرای جوشکاری آلومینیوم و منیزیوم و ترکیبات آن

قوس الکتریکی

تاریخچه :

در سال 1802 پتروف (V.P.Petrof) کشف کرد که اگر دو تکه زغال چوب را به قطب های باتری بزرگی وصل کنیم و آنها را به هم تماس دهیم و سپس کمی از هم جدا کنیم شعله روشنی بین دو تکه زغال دیده می شود. و انتهای آنها که از شدت گرما سفید شده است نور خیره کننده ای گسیل می دارد. قوس الکتریکی هفت سال بعد دیوی (H.Davy) فیزیکدان انگلیسی این پدیده را مشاهده نمود و پیشنهاد کرد که این پدیده به احترام ولتا قوس ولتا نامیده شود.

آزمایش ساده :

اگر بخواهیم در یک روش ساده ای ایجاد قوس الکتریکی را نشان دهیم باید دو تکه کربن را روی گیره قابل تنظیم سوار نمود (بهتر است که به جای زغال چوب معمولی میله خاصی که از کربن قوس ساخته می شود و با فشار دادن مخلوط گرافیت ، کربن سیاه و مواد چسبنده به وجود می آیند، استفاده شود).

چشمه جریان می تواند برق شهر هم باشد برای اجتناب ازاینکه در لحظه تماس تکه های کربن مدار کوتاه ایجاد شود باید رئوستایی به طور متوالی به قوس وصل شود.
معمولا برق شهر با جریان متناوب تغذیه می شود. ولی در صورتی که جریان مستقیم از آن عبور کند قوس پایدارتر است به طوری که یکی از الکترودها همیشه مثبت «آند)و دیگری همواره منفی «کاتد)است.

ماهیت قوس الکتریکی:

در قوس الکتریکی الکترودها در اثر حرارت سفید رنگ می شود. ستونی از گاز ملتهب رسانای خوب الکتریکی بین الکترودها وجود دارد. در قوس معمولی این ستون نوری بسیار کمتر از نور تکه های کربن سفید شده از آزمایش‌های مربوط به گرما گسیل می کنند. چون الکترود مثبت دمایش از الکترود منفی بیشتر است زود تر از بین می رود. در نتیجه تصعید شدید کربن صورت گرفته و در آن الکترود (الکترود مثبت) فرورفتگی به وجود می آید که به دهانه مثبت معروف است و داغ ترین نقطه الکترودهاست.

دمای دهانه در هوا و در فشار جو به 4000 درجه سانتیگراد می رسد. در لامپ های قوسی سازوکارهای منظم و خود کار خاصی برای نزدیک کردن تکه های کربن با سرعت یکنواخت وقتی با سوختن از بین می روند، مورد استفاده قرار می گیرند. برای اینکه سایش و خوردگی الکترود مثبت به خاطر دمای بالایش بیشتر است،برای همین همیشه الکترود کربن مثبت کلفت تر از الکترود منفی اختیار می شود.

دماهای بالا در قوس الکتریکی :

قوس الکتریکی می تواند بین الکترودهای فلزی ساخته شده از آهن ، مس و غیره نیز بگیرد. در این حالت الکترودها به میزان زیادی ذوب و تبخیر می شوند و این عمل به مقدار زیادی گرما احتیاج دارد. به این دلیل دمای مرکز الکترود فلزی معمولا کمتر از دمای الکترود کربنی است (2000 تا 2500 درجه سانتیگراد).

قوسی که بین الکترودهای کربن در گاز فشرده ای قرار می گیرد (حدود 20atm) بالا رفتن دمای مرکز مثبت تا 5900 درجه سانتیگراد یعنی دما روی سطح خورشید را ممکن ساخته است. معلوم شده است که کربن در این حالت ذوب می شود. دمای باز هم بالاتری را می توان در ستونی از گاز و بخاری که از آن تخلیه الکتریکی می گذرد، به دست آورد.

بمباران شدید این گاز و بخار با الکترون ها و یون هایی که با میدان الکتریکی قوس شتاب گرفته اند دمای ستون گاز را 6000 تا 7000 درجه سانتیگراد می رساند. به این دلیل تقریبا تمام مواد شناخته شده در ستون قوس الکتریکی ذوب و تبخیر می شوند. و بسیاری از واکنش های شیمیایی که در دماهای پایین انجام شدنی نیستند، با قوس الکتریکی امکان پذیر می شوند. مثلا میله های چینی دیر گداز در شعله قوس به سهولت ذوب می شود.

چگونگی ایجاد تخلیه قوس الکتریکی:

برای ایجاد تخلیه قوس الکتریکی به ولتاژ زیادی احتیاج نیست با ولتاژ 40 تا 45 ولت بین الکترود ها می توان قوس را به وجود آورد. از طرف دیگر جریان داخل قوس زیاد است. مثلا حتی در قوس کوچک جریان به 5 آمپر می رسد، در حالیکه در قوس های بزرگ که در مقیاس صنعتی به کار می روند جریان به صدها آمپر بالغ می شود. این به این معنا ست که مقاومت قوس پایین است و از این رو ستون گاز تابان رسانای الکتریکی خوبی است.

یونیزاسیون گاز با انرژی قوس الکتریکی:

یونش شدید گاز با قوس الکتریکی به آن دلیل امکان پذیر است که کاتد قوس الکتریکی تعداد زیادی الکترون گسیل می داد. این الکترون ها با برخورد با گاز داخل شکاف تخلیه گازی آن را یونیزه می کنند. گسیل الکترونی شدید از کاتد از آنجا ممکن می شود که خود کاتد تا دمای بسیار بالایی گرم می شود (بسته به ماده از 2200 تا 3500). وقتی که الکترودهای قوس در ابتدا تماس داده شوند تقریباً تمام گرمای ژول که از الکترود ها می گذرد در ناحیه تماس که مقاومت بسیار دارد آزاد می شود.

به این دلیل انتهای الکترودها به شدت گرم می شوند که برای گیراندن قوس به هنگام جداکردن آنها کافی است آن وقت کاتد قوس توسط جریانی که از قوس می گذرد، در حالت التهاب می ماند. در این فرایند بمباران کاتد توسط یون هایی که به آن برخورد می کند نقش اصلی را ایفا می کند.

مشخصه جریان ولتاژ قوس الکتریکی:

یعنی بستگی جریان الکتریکی در قوس الکتریکی به ولتاژ بین الکترودها ، ویژگی خاصی دارد. در فلزات و الکترولیت ها جریان متناوب با ولتاژ افزایش می یابد «قانون اهم). در صورتیکه برای رسانش القایی گازها جریان ابتدا با ولتاژ زیاد می شود، سپس اشباع شده و مستقل از ولتاژ است.

بنابر این افزایش جریان در تخلیه قوسی به اندازه مقاومت در شکاف بین الکترودها و ولتاژ بین آنها منجر می شود. برای اینکه تابانی قوس پایدار بماند رئوستا یا مقاومت الکتریکی قوی دیگری را باید به طور متوالی به آن بست.

جوش قوس الکتریکی

یکی از متداول ترین روشهای اتصال قطعات کار می باشد، ایجاد قوس الکتریکی عبارت از جریان مداوم الکترون بین دو الکترود و یا الکترود و یا الکترود و کار بوده که در نتیجه آن حرارت تولید می شود. باید توجه داشت که برای برقراری قوس الکتریک بین دو الکترود و یا کار و الکترود وجود هوا و یا یک گاز هادی ضروری است. بطوریکه در شرایط معمولی نمی توان در خلاء جوشکاری نمود.

در قوس الکتریکی گرما و انرژی نورانی در مکانهای مختلف یکسان نبوده بطوریکه تقریباً 43% از حرارت درآند و تقریباً 36% در کاتد و 21% بقیه بصورت قوس ظاهر می شود. دمای حاصله از قوس الکتریکی بنوع الکترودهای آن نیز وابسته است بطوریکه در قوس الکتریکی با الکترودهای ذغالی تا 3200 درجه سانتیگراد در کاتد و تا 3900 در آند حرارت وجود دارد. دمای حاصله در آندو کاتد برای الکترودهای فلزی حدوداً 2400 درجه سانتیگراد تا 2600 درجه تخمین زده شده است.
در این شرایط درجه حرارت در مرکز شعله بین 6000 تا 7000 درجه سانتیگراد می باشد از انرژی گرمائی حاصله در حالت فوق فقط 70% تا 60% در قوس الکتریک مشاهده گردیده که صرف ذوب کردن و عمل جوشکاری شده و بقیه آن یعنی 30% تا 40% بصورت تلفات گرمائی به محیط اطراف منتشر می گردد.

طول قوس شعله Arc length بین 8/0 تا 6/0 قطر الکترود می باشد و تقریباً 90% از قطرات مذاب جدا شده از الکترود به حوضچه مذاب وارد می گردد و 10% باطراف پراکنده می گردد. برای ایجاد قوس الکتریکی با ولتاژ کم بین 40 تا 50 ولت در جریان مستقیم و 60 تا 50 ولت در جریان متناوب احتیاج می باشد ولی در هر دو حالت شدت جریان باید بالا باشد نه ولتاژ.

انواع قوس ها در جوشکاری با قوس الکتریک:

تهیه قوس الکتریک به دو صورت با الکترودهای مصرفی و یا با الکترودهای غیر مصرفی مثلاً الکترودهای ذغالی و تنگستنی انجام می گیرد.
قوس الکتریک را می توان هم با جریان مستقیم و هم با جریان متناوب ایجاد کرد. ولی عملاً دیده می شود که جوشکاری با جریان مستقیم راحت تر و بهتر انجام می گیرد.

جنس الکترودها در جوشکاری با قوس الکتریک :

چنانچه الکترود از نوع غیر مصرفی باشد الکترود از کربن – گرافیت یا تنگستن اختیار می گردد. الکترودهای کربنی یا گرافیتی مورد استعمالشان فقط در جوشکاری با جریان مستقیم می باشد در حالیکه الکترودهای غیر مصرفی از فلز تنگستن یا ولفرام را می توان برای هر دو نوع جریان بکار برد.
جنس الکترودها بر حسب موارد کاربردشان از مواد گوناگونی ساخته شد و معمولاً شامل تقسیم بندی زیر می باشد:

1. فولاد نرم
2. فولاد پر کربن
3. فولاد آلیاژی مخصوص
4. الکترود چدن
5. فلزات غیر آهنی

در مورد فلزات غیرآهنی از الکترودها و آلیاژهای مانند مس – آلومینیوم – آب نقره برنج و برنز می توان نام برد.

ترکیب شیمیایی روپوش الکترودها

روپوش الکترودهای فلزی از مواردی مانند آهک یا اکسید کلسیم CaO فلوئور کلسیم F₂Ca – اکسید سدیم Na₂O – تیتان یا تیتانیم Ti – سلولز روتایل – اجسام الیافی مانند آسبست – خاک رس- سیلیسیم Si پور تالک و مایع سیلیکات سدیم یا پتاسیم و غیره می باشد. مقدار وزن پوشش نسبت به الکترود بیت 25% تا 5% وزن الکترود و نقطه ذوب مجموعه مواد تشکیل دهنده بایستی کمتر از فلز یا آلیاژ سازنده الکترود جوشکاری باشد.
فاصله الکترود را نباید از کار زیاد نمود تا الکترود نتواند با گازهای متصاعده از روپوش خود منطقه ذوب را نگهداری کند و در برابر تاثیر گازهای خارجی محافظت بنماید.

اثرات الکترود شامل موارد زیر است :

1. اگر روپوش الکترود فاسد یا مرطوب شود قوس الکتریکی پیوسته انجام نمی شود و بایستی الکترودها را که دارای مواد آهکی هستند در درجه حرارت بین 80 تا 60 درجه سانتیگراد در خشک کننده الکترود قرار داد تا از فساد پوشش آنها جلوگیری شود.
2. حفظ ناحیه جوش از اکسیده شدن و تاثیر ازت و ایجاد اکسید فلزی.
3. خارج راندن مواد مضر از ناحیه جوش زیرا پوشش الکترود ذوب شده و در روی ناحیه مذاب بصورت محافظی قرار می گیرد و چنانچه مواد زیان بخش در داخل مذاب باشد آن ها را بطرف بالا می کشد.

تقسیم بندی الکترودها از نظر پوشش شیمیائی

دانستن دقیق پوشش الکترودها اغلب جزء اسرار کارخانجات سازنده می باشد و بر حسب مقدار درصد مواد و نوع ترکیبات شیمیائی کاملاً متفاوت هستند. بطوریکه بعضی از الکترودها برای کار خاصی ساخته شده اند چنانچه اگر برای جوش دادن کارهای دیگر مصرف شوند مقاومت دلخواه جوشکاری به دست نخواهد آمد.
الکترودها از نقطه نظر پوشش به سه گروه اصلی زیر تقسیم می شوند.

1. الکترودهای اسیدی
2. الکترودهای روتایلی
3. الکترودهای بازی

که از اسم آن ها می توان به تر کیبات آن پی برد.