پروژه کامل فرآیندهای متداول جوشکاری



بسم الله الرحمن الرحیم

فرآیندهای متداول جوشکاری

فهرست
1) تاریخچه جوشکاری
2) اصطلاحات جوشکاری
3) اهمیت جوشکاری
4) روش های جوشکاری
5) فرآیندهای متداول جوشکاری
6) جوشکاری با گاز ( GW )
7) جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود مصرفی ( GMAW )
8) جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود تنگستن ( GTAW )
9) جوشکاری مقاومتی ( RW )
10) جوشکاری زیرپودری ( SAW )
11) جوشکاری قوسی با الکترود روپوش دار ( SMAW )
12) مواد مصرفی جوشکاری ( Welding Consumables )
13) پرکننده های جوشکاری ( Filler Materials )
14) الکترودهای روپوش دار ( Welding Electrode )
15) انواع جریان در جوشکاری
16) قطبیت الکترود
17) منبع قدرت یا مولد نیرو ( Power Source )
18) ایمنی در جوشکاری ( Safety In Welding )
19) طرح اتصال ( Joint Design )
20) بخش ضمیمه ( نحوه حرکت الکترود در طرح های مختلف اتصال )

تاریخچه جوشکاری
جوشکاری یا فن فلزات از دیر باز مورد توجه بشر بوده است و در ابتدا ظروف آشپزخانه و جواهرات و امروزه در صنایع کشتی سازی و هوا فضا کاربرد بسیاری دارد.
طبق مدارکی که در کتاب ها و استانداردها آمده است جوشکاری 8200 سال قدمت دارد.
در حدود 2200 سال قبل از میلاد ، از لحیم کاری برای ساخت قطعات جواهر استفاده می شد.
در حدود 1500 سال قبل از میلاد ، قطعات را به روش جوشکاری پتکی به هم متصل می کردند.
سال 1783 میلادی لیچتنبرگ قوس الکتریکی را کشف کرد.
سال 1809 میلادی دیوی فیزیکدان انگلیسی از قوس الکتریکی به عنوان یک منبع نور استفاده کرد.
سال 1867 میلادی الیکاتاسن جوشکاری مقاومتی را اختراع کرد.
سال 1885 برنادوس اولین فرآیند جوشکاری قوسی را تجربه کرد.
سال 1890 میلادی فرآیند جوشکاری قوسی بوسیله ذوب الکترود فلزی انجام گرفت.
سال 1891 میلادی جوشکاری اکسی استیلن کشف شد.
سال 1895 میلادی ، سال توسعه فرآیند تقطیر هوا به وسیله ون لینده بود.
سال 1896 " دارگر " نازل های تورچ جوشکاری را توسعه داد.
سال 1901 برای اولین بار استیلن حل شده در استن مورد استفاده قرار گرفت.
سال 1908 " گیلبرگ " الکترودها را تکامل داد.
سال 1920 استفاده از الکترود تنگستن ، تحت پوشش گازهای محافظ مورد استفاده قرار گرفت.
سال 1965 جوشکاری لیزر مورد استفاده قرار گرفت.
دانشمندان امروزه بر این باور هستند که سیر اختراعات فرآیندهای جوشکاری امروزه متوقف شده و از این به بعد در جهت تکامل فرآیندهای اختراع شده پیش خواهیم رفت.

اصطلاحات جوشکاری
جوشکاری ( Welding ) : فرآیند اتصال دادن ، با حرارت دادن مواد یا بدون حرارت دادن ، با اعمال فشار یا بدون اعمال فشار ، با استفاده از فلز پرکننده یا بدون فلز پرکننده ، به نحوی ذوب و انجماد مداوم در امتداد درز اتصال صورت می گیرد و یا اتصال لبه ها ، از طریق له شدن در هم انجام می شود را جوشکاری گویند.
جوش ( Weld ) : اتصال موضعی فلز ، که در آن اتصال با حرارت دادن به میزان مناسب ، با کاربرد فشار یا بدون کاربرد فشار ، با استفاده از مواد پرکننده یا بدون مواد پرکننده ، صورت می گیرد را جوش گویند. ( فلز پرکننده دارای نقطه ذوبی معادل همان فلزات پایه است. )
جوش ایده آل : جوش ایده آل را می توان به محل اتصالی اطلاق نمود که نتوان آن موضع را از قسمتهای دیگر قطعات جوش داده شده تشخیص داد. با وجود دست نیافتن به این چنین مشخصات ، می توان خواص محل اتصال را چنان بالا برد که در عمل ، کاملاً رضایتبخش باشد.
رویه جوش ( Weld Face ) : سطح جوش ذوبی از طرفی که جوشکاری انجام شده را رویه جوش می نامند.
حوضچه جوش ( Weld Pool ) : حجم موضعی فلز مذاب در یک جوش ، قبل از انجماد فلز تازه جوش داده شده را حوضچه جوش گویند.
فلز پایه ( Base Metal ) : فلزی است که باید جوشکاری ، لحیم کاری ، لحیم کاری سخت یا بریده شود را فلز پایه گویند.
فلز جوش ( Weld Metal ) : در جوش ذوبی شامل آن قسمت از فلز پایه و فلز پرکننده است که در جریان جوشکاری ذوب شده است.
فصل مشترک جوش ( Weld Interface ) : فصل مشترک بین فلز جوش و فلز پایه در جوش حالت جامد بدون فلز پرکننده و یا بین فلز پرکننده و فلز پایه در جوش حالت جامد با فلز پرکننده را ، فصل مشترک جوش گویند.
منطقه متاثر از جوش ( Heat Affected Zone – HAZ ) : قسمتی از فلز پایه که ریز ساختار و خواص مکانیکی آن توسط حرارت جوشکاری ، لحیم کاری سخت ، لحیم کاری یا برشکاری حرارتی تغییر پیدا کرده است را منطقه متاثر از جوش می نامند.
پیوندگاه جوشکاری ( Weld Junction ) : مرز بین منطقه ذوب و منطقه متاثر از جوش را پیوندگاه جوشکاری می نامند.
چاله جوش ( Crater ) : فرو رفتگی در انتهای جوش ، در جوشکاری قوسی ناشی از عقب کشیدن سریع الکترود را چاله جوش می نامند.
الکترود ( Electrode ) : جزئی از مدار الکتریکی که در ایجاد قوس نقش داشته و اگر مصرفی باشد به گل جوش و فلز جوش تبدیل می شود.
فلز پرکننده ( Filler Metal ) : فلز یا آلیاژی که برای ساختن درز جوشکاری شده یا لحیم کاری شده یا لحیم کاری سخت شده باید اضافه شود و پس از ذوب ، حوضچه جوشکاری را پر کند. فلز پرکننده همیشه از جنس فلز پایه نیست و همچنین در ایجاد قوس نقشی ندارد.
American Welding Society ( AWS ) : AWS مخفف انجمن جوشکاران آمریکا است که در واقع یکی از معتبرترین جامعه جوشکاری بوده و این انجمن بزرگترین و معتبرترین استانداردها ، طبقه بندی ها و مشخصات فنی را در زمینه های مختلف جوشکاری ارائه نموده است.
راهنمای مشخصات فنی رویه جوشکاری(Welding Procedure Specification-WPS): سندی که متغیرهای مورد لزوم جوشکاری برای کاربردی خاص را تامین می کند و برای هر جوشکار آموزش دیده ماهر و هر اپراتور جوشکار تکرار پذیر است. این سند حاوی کلیه دستورات لازم جهت تولید جوش ، کیفیت جوشکاری ، صلاحیت جوشکاری ، کدها در مورد فولاد ، دیگ بخار و مخازن فشاری است.
مدرک کنترل کیفی دستورالعمل ( Procedure Qualification Records-PQR ) : سندی حاوی کلیه مقادیر واقعی متغیرهای جوشکاری برای آزمایش جوش جهت کنترل کیفی دستورالعمل جوشکاری و مقادیر واقعی نتایج آزمایش های صورت گرفته روی نمونه جوش است.
اهمیت جوشکاری
جوشکاری کار آمدترین راه اتصال فلزات است. جوشکاری تنها راه اتصال دو یا چند قطعه فلز برای یکپارچه ساختن آنهاست.
جوشکاری بطور وسیعی برای ساخت یا تعمیر تمام محصولات فلزی به کار برده می شود. بیشتر چیزهای فلزی پیرامون ما ، جوش داده می شوند. بلندترین ساختمان دنیا ، سفینه های فضایی ، راکتورهای هسته ای ، لوازم خانگی ، خودروها و غیره جوش داده می شوند. استفاده از فرآیند جوشکاری روز به روز در حال افزایش است. جوش یک اتصال دائمی است ، لذا چنانچه لازم است اتصال گاهی جدا شود ، نبایستی جوش داده شود. بنابراین می توان گفت : " جوشکاری اقتصادی ترین روش اتصال دائمی فلزات است. "
برای اتصال دو عضو با پیچ یا پرچ ، سوراخ کردن قطعات ضروری است. این سوراخ ها تا 10 درصد مساحت مقطع عرضی قطعات متصل شونده را کم می کنند.
اتصال مزبور ممکن است به دو قطعه ورق کمکی نیاز داشته باشد ، بنابراین وزن مواد لازم و هزینه تمام شده اتصال بالا می رود. در صورتیکه با استفاده از جوش ، این هزینه حذف می گردد. در جوشکاری تمام مقطع عرضی قطعه برای تحمل نیرو بکار می رود و وزن به مقدار قابل ملاحضه ای کم می شود. امروزه اتصال ورق های کشتی و مخازن ذخیره به خاطر صرفه جوئی با جوش انجام می گیرد و دیگر پرچ در این موارد بکار نمی رود.
لوله ها نیز اگر با جوش متصل گردند ، صرفه جوئی مشابهی صورت می پذیرد. ضخامت لوله بایستی بقدر کافی باشد تا بار لازم را تحمل نماید. حال اگر لوله به وسیله رزوه متصل گردد ، ضخامت بیشتری لازم دارد ولی برای جوشکاری ضخامت کمتری کفایت می کند و به این ترتیب وزن فلز و هزینه برای اتصالات رزوه ای بیشتر از اتصالات جوش است. سطح داخلی اتصالات جوش داده شده نیز هموارتر است.
امروزه لوله های با قطر بزرگ به وسیله رزوه به یکدیگر یا با اتصالات رزوه ای متصل نمی گردند.
طراح اگر قطعات ریخته ای را به جوشی تبدیل کند ، با کم کردن ضخامت لازم ، در وزن فلز صرفه جوئی می کند ، استفاده از جوش بجای ریخته گری به طراح آزادی عمل بیشتری می دهد. هر جا که لازم است از ورق های ضخیم استفاده کند و در جاهای دیگر ورق های نازک در نظر می گیرد.
یکی دیگر از کاربردهای جوشکاری ، روکشی و ترمیم سطح فلزات با فلز مخصوص است که می تواند مقاوم به خوردگی و یا سایش باشد و از این طریق سالیانه میلیاردها دلار در دیر تعویض کردن قطعات صرفه جوئی شود.
روش های جوشکاری
فرآیند جوشکاری را می توان براساس چندین نقطه نظر به چندین روش تقسیم بندی کرد.
اساس تقسیم بندی روش های جوشکاری به قرار زیر است :
A. حالت ماده در حین جوشکاری ( حالت جامد – مایع )
B. میزان استفاده از حرارت خارجی و فشار
C. استفاده از مواد پرکننده ( Filler Metal )
تقسیم بندی روش های جوشکاری بر اساس حالت ماده در حین جوشکاری به صورت زیر می باشد :
1. جوشکاری حالت جامد یا غیر ذوبی ( Solid State )
2. جوشکاری حالت مایع یا ذوبی ( Fusion Welding )
3. جوشکاری حالت مایع – جامد ( Liquid Solid State )
جوشکاری حالت جامد یا غیر ذوبی ( Solid State ) :
در این گروه از جوشکاری ها ، اتصال بدون ذوب شدن قطعه کار بوجود می آید و هیچگونه ذوبی در حین جوشکاری بوجود نمی آید و درجه حرارت در این گروه از جوشکاری ها کمتر از حد ذوب فلز پایه است.
مکانیزم جوشکاری در این روش جوشکاری حالت جامد بدین شرح است که اگر سطوح جوشکاری شونده تمیز و عاری از آلودگی باشد و در حد اندازه های اتمی به یکدیگر نزدیک شوند ( توسط فشار کافی ) و در غیاب لایه اکسیدی و دیگر آلودگیهای سطحی ، پیوند بین اتمها سبب بوجود آوردن اتصال قوی و مستحکم می شود. البته حرارت و حرکت نسبی سطوح ، تغییر فرم پلاستیک ناشی از فشار( مثلاً در روش جوشکاری فورجینگ ، جوشکاری سرد یا جوشکاری نوردی ) سبب بهبود استحکام جوش می شود.
جوشکاری های اصطکاکی و انفجاری نمونه هایی از جوشکاری حالت جامد هستند.
مزایای جوشکاری حالت جامد عبارتند از:
1- ساختار ریختگی که در روشهای ذوبی بوجود می آید در این روشها حاصل نمی شود و لذا خواص در جهات مختلف ایزوتروپ خواهد بود.
2- استفاده از فیلرمتال در این روشها مفهومی ندارد و خواص فیزیکی و مکانیکی با فلزات پایه یکی خواهد بود.
3- اندازه جوش و اعوجاج حرارتی آن در مقایسه با سایر روشهای ذوبی بسیار کوچکتر است.
4- رنج وسیعتری از مواد بدون صدمه زدن به خواص فیزیکی و مکانیکی آنها امکان جوشکاری کردن را دارند.
5- امکان اتصال فلزات و مواد غیر همجنس نیز وجود دارد ( فولاد به فلزات غیر آهنی ، پلاستیکها و… )
جوشکاری حالت مایع یا ذوبی ( Fusion Welding ) :
در این روش جوشکاری ، عمل اتصال در نتیجه ذوب موضعی دو قطعه ، تداخل آنها و بالاخره انجماد حاصل می شود. در صورت وجود فیلرمتال ، فیلرمتال نیز ذوب شده و به حوضچه جوش افزوده می شود. البته ترکیب شیمیایی فیلرمتال نقش اساسی در خواص متالورژیکی و فلز جوش دارد و با تغییر آن می توان خواص جوش را تحت کنترل درآورد که این امر جزء مزایای مهم روشهای جوشکاری ذوبی است.
جوشکاری قوسی ، جوشکاری شعله ای ، جوشکاری ترمیت ، جوشکاری با پرتو لیزر و جوشکاری مقاومتی نمونه هایی از جوشکاری حالت مایع می باشند.
جوشکاری حالت مایع – جامد ( Liquid Solid State ) :
این نوع فرآیندها اخیراً در طیف جوشکاری قرار نگرفته و شامل انواع لحیم کاری می باشد. روش های لحیم کاری سخت ، لحیم کاری نرم و اتصالات چسبی نمونه هایی از این نوع فرآیند می باشد.
در زیر نمودار کلی از فرآیندهای جوشکاری نشان داده شده است.

فرآیندهای متداول جوشکاری :
از جمله فرآیندهای متداول جوشکاری می توان به فرآیندهای جوشکاری ، جوشکاری اکسی استیلن ، جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود مصرفی ، جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود تنگستن ، جوشکاری مقاومتی ، جوشکاری زیرپودری ، جوشکاری قوسی با الکترود روپوش دار اشاره کرد که در این جزوه به شرح مختصری از این فرآیندها می پردازیم.
جوشکاری با گاز
Gas Welding
این فرآیند جوشکاری دستی بوده و لبه فلز توسط حرارت شعله ناشی از احتراق گاز ذوب شده و همراه با فلز پرکننده یا بدون فلز پرکننده ( Filler Metal ) و بدون فشار در هم ادغام شده و پس از انجماد عمل اتصال انجام می گیرد. یکی از خصوصیات های شعله ، درجه حرارت آن است که تعیین کننده میزان شدت حرارت و مقدار جوش است که می تواند انجام دهد.
در زیر این فرآیند جوشکاری نشان داده شده است.

در این نوع جوشکاری منبع انرژی ، انرژی شیمیایی می باشد که از احتراق گازهای مختلف نظیر استیلن ، پروپان و هیدروژن تامین می شود ، اما چون شعله استیلن درجه حرارت بالاتری ایجاد می کند بیشتر از شعله استیلن استفاده می کنند و جوشکاری اکسی استیلن ( اکسیژن + استیلن ) مرسوم ترین روش جوشکاری با گاز است.
تجهیزات جوشکاری :
وسایل و تجهیزات اولیه روش جوشکاری با گاز اصولاً ساده و نسبتاً ارزان است و شامل موارد زیر می باشد :
1. سیلندر اکسیژن :
اگر در جوشکاری سرعت شعله و شدت انتقال حرارت بالا لازم باشد از گاز اکسیژن استفاده می شود ، در غیر این صورت از هوای فشرده نیز استفاده می شود.
در زیر کپسول های اکسیژن و استیلن نشان داده شده است.

2. کپسول گاز سوختنی :
استیلن گازی نسبتاً بد بو ( شبیه بوی سیر ) و در دسته هیدروکربورها قرار دارد. این گاز نمی تواند با ایمنی کافی در فشار بالاتر از 15psi استفاده می شود. در نتیجه تولید کننده ها از سیلندرهای مخصوص استفاده کرده و برای انبار گاز با فشار بالاتر در این سیلندرها آن را در استن مایع حل می کنند.
اغلب از مولدهای گاز استیلن استفاده می شود که بر اساس ترکیب سنگ کاربید یا آب طبق فرمول زیر کار می کنند.

هیدروژن نیز در سیلندرهای تحت فشار در ابعاد مختلف در بازار عرضه می شود.
پروپان و گاز طبیعی در کپسول های تحت فشار و یا به صورت لوله کشی برای مصرف تامین می شوند ولی چون دارای شعله با درجه حرارت پایین تری بوده ، بیشتر در لحیم کاری سخت ، پیش گرم کردن و جوشکاری فلزات با نقطه ذوب پایین استفاده می شود.
3. رگلاتورهای تنظیم فشار برای هر گاز :
این واحد وسیله ای است که با آن می توان فشار کپسول های گاز را به مقدار لازم برای جوشکاری کم و تنظیم و کنترل نمود. معمولاً برای هر نوع گاز ، رگلاتور مخصوصی طراحی شده و مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین رگلاتورها برای فشارهای مختلف ورودی و خروجی معین طراحی و ساخته می شوند. فشار خروجی توسط شیر و یا پیچی برای جریان آزاد گاز قابل تنظیم است. اغلب رگلاتورها دارای دو فشار سنج می باشند که یکی فشار داخل مخزن و یا انبار گاز و دیگری فشار خروجی یا داخل لوله لاستیکی را مشخص می کند.
در زیر شکل ، نمایی کلی از رگلاتور به نمایش گذاشته شده است.

4. لوله یا شیلنگ های انتقال دهنده گاز :
شیلنگ برای هدایت گاز از مولد یا کپسول به مشعل باید به اندازه کافی الاستیک ، بادوام و دارای مقاومت کافی بوده و همچنین زود سوراخ نشود. لوله لاستیکی نامرغوب ممکن است پس از مدتی سخت و خشک شده و ترک بردارد. محل اتصال لوله لاستیکی با مشعل و رگلاتور باید کاملاً محکم و آب بندی شود که در این مورد از بست های مخصوص نیز استفاده می کنند. معمولاً یک طرف لوله توسط مهره و ماسوره به رگلاتور گاز بسته می شود و برای اینکه لوله های گاز و اکسیژن قابل تشخیص باشند رنگ های آنها متفاوت و همچنین جهت گردش مهره و ماسوره بر روی رگلاتور متفاوت می باشد. همواره سعی می شود حتی المقدور از بکار بردن لوله لاستیکی خیلی طویل اجتناب شود.
5. مشعل جوشکاری ( Torch ) :
کار مشعل جوشکاری ، انتقال حجم مناسب گاز سوختنی و اکسیژن ، مخلوط کردن آنها و هدایت آنها به افشانک و محل شعله ( با خصوصیات مورد نظر ) می باشد. مشعل جوشکاری خود شامل اجزاء زیر می باشد :
* شیرهای تنظیم گاز سوختنی و اکسیژن
* دسته مشعل
* لوله اختلاط
* افشانک یا نازل
کنترل و تنظیم گاز سوختنی و اکسیژن توسط دو شیر یا دریچه جداگانه انجام می گیرد. بعد از دریچه ها طرح های مختلفی در قسمت ورودی گاز به لوله مشعل وجود دارد تا ماکزیمم حرکت اغتشاشی را در مخلوط گازها ایجاد کرده در ادامه مسیر در لوله مشعل کندتر شده تا شعله ای آرام را بوجود آورد.
در زیر یک مشعل جوشکاری اکسی استیلن نشان داده شده است.

طرح مشعل و نازل یکی از نکات تکنیکی مهم است که به جنس فلز ، ضخامت کار ، شرایط جوشکاری و منبع تامین کننده گاز سوختنی بستگی دارد.
احتراق استیلن :
به محض اینکه مخلوط گاز استیلن و اکسیژن در جلو افشانک از یک مشعل محترق شد ، چندین احتراق در شعله ایجاد می شود که به وضوح قابل تفکیک هستند.
در زیر چندین شعله جوشکاری اکسی استیلن نشان داده شده است.

شعله استیلن از نظر شکل و کیفیت اکسیدی و احیایی چندین نوع می باشد که مهمترین این شعله ها به قرار زیر می باشد :
1- شعله احیا :
در شعله احیا ، مقدار اکسیژن در شعله نسبت به استیلن کمتر است. شعله احیا از یک هسته نورانی ، یک بال ( شعله ) که هسته مرکزی را احاطه کرده و یک بال آبی رنگ در آخر شعله تشکیل شده است.
درجه حرارت شعله احیا در نوک هسته مرکزی بین 1950-1650 درجه می باشد. از این شعله برای جوشکاری فولادهای کم آلیاژ و آلومینیوم استفاده می شود.
در زیر شعله احیا نشان داده شده است.

2- شعله خنثی:
در شعله خنثی ، نسبت اکسیژن و استیلن با هم برابر است. این شعله تا حدودی شباهت به شعله اکسید کننده دارد. شعله از یک هسته مخروطی و یک بال آبی رنگ که آن را احاطه می کند تشکیل شده است. این شعله برای جوشکاری فولادها به ویژه در مواردی که حضور کربن و یا احتمال کربن زایی خطرناک بوده و باید از افزایش کربن در جوش جلوگیری شود مناسب است.
در زیر شعله خنثی نشان داده شده است.

3- شعله اکسید کننده:
در شعله اکسید کننده مقدار اکسیژن نسبت به استیلن برابر 1.75 می باشد. یکی از راه های تشخیص این شعله باریک شدن گردن هسته میانی شعله از نوک افشانک مشعل است و اگر شعله خیلی اکسیدی باشد احتراق همراه با صدا می باشد.
شعله اکسید کننده از یک هسته باریک و یک بال آبی رنگ که آن را احاطه کرده تشکیل شده است.
درجه حرارت شعله اکسید کننده تا 3200 درجه نیز می رسد. این شعله در جوشکاری مس و بعضی از آلیاژهای آن کاربرد دارد.
در زیر شعله اکسید کننده نشان داده شده است.

طریقه روشن کردن مشعل جوشکاری :
o شیر استیلن بر روی مشعل را به اندازه نصف دور باز کرده تا گاز استیلن از نوک افشانک خارج شود، سپس شیر اکسیژن بر روی مشعل را یک چهارم دور باز می نمایند و گازهای خروجی را با فندک روشن می کنند.
o با تنظیم شیرهای اکسیژن و استیلن شعله زرد رنگ را تبدیل به شعله آبی می کنند ، بدین ترتیب شعله خنثی که در بیشتر موارد بکار می رود حاصل خواهد شد.
o هنگام خاموش کردن مشعل باید حتماً اول شیر استیلن و سپس شیر اکسیژن و در خاتمه شیرهای کپسول بسته شود. در خاتمه جوشکاری نیز پس از بستن کپسول های اکسیژن و استیلن ، شیرهای مشعل را باز و بعد از آن شیرهای فشارسنج ها را می بندند تا گازهای داخل فشار سنج و لوله از دهانه مشعل خارج شود.
* در حالتی که احتمال برگشت آتش در طرح مشعل وجود دارد ، بهتر است ابتدا اکسیژن قطع و سپس گاز سوختنی بسته شود.
مفتول جوشکاری ( Filler Metal ) :
مفتول برای فولادهای کم کربن ، با سه کلاس RG65 ، RG60 و RG45 و با استحکام های کششی متفاوت به صورت مفتول یا سیم فولادی بدون پوشش با تغییراتی در ترکیب شیمیایی آنها عرضه می شود.
فلاکس یا روان ساز :
در جوشکاری فولادهای معمولی نیازی به روان ساز نیست ، کافی است که لبه های اتصال کاملاً تمیز باشند. اما در جوشکاری فلزات غیر آهنی و چدن از روان سازهای مخصوص برای هر یک استفاده می شود. روان ساز لبه های کار را تمیز و از اکسیده شدن آنها جلوگیری می کند.
تکنیک جوشکاری با گاز :
در جوشکاری با شعله تکنیک های پیش دستی ( Forehand Or Left Ward ) و پس دستی(Backhand Or Right Ward ) و وضعیت های مسطح یا تخت ، افقی ، قائم و بالای سر متداول است که جوشکار با توجه به شرایط و موقعیت کار و نکات تکنیکی و تجربی خاص ، عمل اتصال را انجام می دهد.
در زیر تکنیک های پیش دستی و پس دستی در فرآیند جوشکاری اکسی استیلن نشان داده شده است.

قابلیت و محدودیت های فرآیند جوشکاری با گاز :
در این فرآیند جوشکاری ، جوشکار بطور قابل ملاحظه ای بر روی درجه حرارت فلز در منطقه جوش کنترل و نظارت دارد. هنگامی که میزان حرارت از شعله با سرعت پیشرفت جوشکاری متناسب باشد ، اندازه و ویسکوزیته و کشش سطحی حوضچه جوش قابل کنترل می باشد. بدیهی است که فشار شعله نیز می تواند برای کنترل وضعیت و شکل دادن به گرده جوش نیز بکار گرفته شود. از طرف دیگر جوشکار کنترل مجزا از منبع حرارت بر روی میزان رسوب دادن مفتول دارد ، همچنین حرارت شعله می تواند ترجیحاً بر روی مفتول یا سطح لبه مورد جوش متمرکز شود. این قابلیت باعث می شود تا جوشکاری با گاز برای اتصالات ورق ها و لوله های نازک و ظریف و یا برای صاف کردن و تعمیر جوش های خشن انجام شده و از فرآیندهای قوس الکتریکی مناسب تر باشد.
وسایل و تجهیزات این فرآیند نسبتاً ارزان بوده و اغلب قابل حمل می باشند و علاوه بر جوشکاری با تغییرات جزئی در مشعل ، این روش را می توان برای برشکاری ، پیش گرم کردن و عملیات لحیم کاری سخت ( Brazing ) نیز استفاده کرد.
از محدودیت های این فرآیند اقتصادی نبودن آن برای جوشکاری قطعات و ورق های سنگین می باشد. به دلیل شدت تمرکز حرارتی کم و همچنین وسعت سطح منطقهٴ گرم شده ، پیچیدگی و وسعت منطقه متاثر از جوش زیاد می شود. با توجه به انتخاب صحیح خصوصیت و اتمسفر و درجه حرارت شعله ، زاویه مشعل و مفتول نسبت به کار ، حرکت ها و توقف های خاص مشعل و مفتول در ضمن جوشکاری ، که کلاً با دست قابل کنترل می باشد ، نیاز به مهارت و تجربه زیاد دارد. یکی دیگر از محدودیت های این فرآیند به ویژه هنگامیکه از مفتول یا سیم جوش استفاده می شود اشغال هر دو دست جوشکار است که گاهی اوقات مشکلاتی را فراهم می آورد.
کاربرد فرآیند جوشکاری با گاز بیشتر در صنایع و وسایل خانگی ، هواپیمایی ، کابینت سازی و بعضی تعمیرات می باشد.
جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود مصرفی
Gas Metal Arc Welding
فرآیند جوشکاری است که در آن ، اتصال با ذوب کردن توسط یک قوس الکتریکی بین یک الکترود یکسره فلزی پرکننده مصرف شدنی و قطعه کار و حفاظت توسط یک گاز ( مثلاً گاز آرگون یا گاز کربنیک ) و یا مخلوطی از گازها ، احتمالاً محتوی یک گاز خنثی ، یا مخلوطی از یک گاز و یک سرباره و بدون کاربرد فشار صورت می گیرد. این فرآیند گاهی جوشکاری MIG ، MAG یا CO2 نامیده می شود. تغذیه الکترود مداوم است. الکترود ( سیم جوش ) لخت می باشد. این فرآیند جوشکاری را می توان با ماشین نیمه خودکار یا روش های خودکار انجام داد.
در زیر فرآیند جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود مصرفی را می بینید.

فرآیند جوشکاری MIG :
در فرآیند MIG برای محافظت از فلز جوش و مذاب معمولاً از گازهای آرگون و هلیوم و مخلوطی از این گازها و گازهای بی اثر ( Inert ) و غیره استفاده می شود. فرآیند جوشکاری MIG برای جوشکاری فلزاتی مانند فولاد زنگ نزن ، آلومینیوم ، نیکل و مس مورد استفاده قرار می گیرد.
در زیر نمونه ای از دستگاه جوشکاری MIG نشان داده شده است.

فرآیند جوشکاری MAG :
این فرآیند جوشکاری ، همانند فرآیند MIG می باشد ، با این تفاوت که در این فرآیند برای حفاظت از جوش و منطقه مجاور ، از گازهای فعال ( Active ) استفاده کرده و برای اتصال فلزات آهنی استفاده می شود.
معمولاً با اضافه کردن درصدی اکسیژن در گاز محافظ ، برای جوشکاری فولادهای معمولی ( فولاد ساده کربنی ) بکار می رود زیرا با اضافه کردن مقدار کمی اکسیژن به گاز محافظ باعث آرام تر شدن و محوری شدن قطرات مذاب می شود و در نتیجه حوضچه جوش روان بوجود می آید که حوضچه جوش روان وظایف خیس کنندگی بهتری ایجاد می کند و در نهایت شکل باند جوش مسطح تر و صاف تر می باشد. البته باید توجه داشت که به خاطر این مقدار اکسیژن باید از عناصر اکسیژن زدا در الکترود استفاده کرد تا فلز جوش از نظر متالورژیکی دچار مشکل نشود.
در فرآیند جوشکاری MAG گاهی اوقات از گاز محافظ CO2 استفاده می کنند که برای جوشکاری فولادهای معمولی و آلیاژی بکار گرفته می شود.
تجهیزات و لوازم ضروری برای فرآیند جوشکاری GMAW :
وسایلی که در این فرآیند جوشکاری مورد استفاده قرار می گیرد عبارتند از :
1. منبع نیرو ( تامین کننده انرژی برای ذوب الکترود )
2. دستگاه تغذیه سیم جوش
3. کابل جوشکاری
4. تورچ جوشکاری ( انبر جوشکاری )
5. قسمت تامین کننده گاز محافظ
در شکل زیر مداری از این فرآیند جوشکاری نشان داده شده است.

مزایایی فرآیند جوشکاری GMAW :
این فرآیند جوشکاری نسبت به دیگر فرآیندهای قوسی دیگر مانند SMAW مزایای زیادی دارد که به شرح زیر می باشد :
1. این فرآیند طوری است که می تواند در مورد بیشتر فلزات مغناطیسی مفید باشد.
2. اتوماسیون یا روباتیک کردن این فرآیند به دلیل پیوسته بودن الکترود و به علت طول قوس ثابت آسان می باشد.
3. تمرکز قوس الکتریکی به علت توان بر سطح بالا زیاد می باشد ، بنابراین امکان جوشکاری ورق های نازک و حالت های غیر تخت راحت تر است و پیچیدگی و تابیدگی کمتر ، سرعت و نفوذ ، بیشتر خواهد بود.
4. در این فرآیند میزان جرقه نسبتاً کم است.
5. سیم جوش بطور مستمر تغذیه می گردد ، بنابراین زمان برای تعویض الکترود صرف نمی شود.
6. این فرآیند می تواند به راحتی در تمام وضعیت ها استفاده شود.
7. حوضچه مذاب و قوس الکتریکی به راحتی قابل مشاهده است.
8. سرباره حذف شده یا بسیار نازک است.
9. از الکترود با قطر نسبتاً کم استفاده می شود که باعث چگالی جریان بالاتری می گردد.
10. درصد بالایی از الکترود یا سیم جوش در منطقه اتصال رسوب می کند.
11. سرعت های انتقال سریع تر و میزان رسوب بالاتری نسبت به نوع جوشکاری دستی TIG دارد.
12. عمق نفوذ جوش بیشتر از فرآیند SMAW است ، در نتیجه اجازه می دهد که جوش کوچکتر با استحکام مورد نظر بوجود آید.
محدودیت های فرآیند جوشکاری GMAW :
این فرآیند جوشکاری دارای مزیت های فراوانی است ، ولی در کنار این مزیت ها دارای محدودیت هایی نیز می باشد که مهمترین این محدودیت ها عبارتند از :
1. وسایل و تجهیزات این فرآیند جوشکاری پیچیده تر بوده و در نتیجه حمل و نقل مشکل خواهد بود.
2. تجهیزات این فرآیند گران بوده و هزینه تعمیر و نگهداری دستگاه های این فرآیند بالا می باشد.
3. دستگاه دارای تورچ کوتاه می باشد.
4. تنوع در انواع الکترود یا سیم جوش وجود ندارد.
5. قوس نیازمند حفاظت در مقابل باد می باشد ، زیرا باد باعث منحرف کردن گاز پوششی یا محافظت کننده از قوس می گردد.
6. تورچ جوشکاری باید نزدیک بکار باشد ، در نتیجه کاربرد این فرآیند در بعضی موارد نسبت به انواع جوشکاری های دیگر مشکل است.
7. سرعت سرد شدن جوش به علت عدم وجود لایه سرباره سریع تر از روش های قوسی با محافظت سرباره است ، در نتیجه ممکن است خواص متالورژیکی و مکانیکی فلز جوش را تغییر دهد.
جوشکاری تحت پوشش گازهای محافظ با الکترود تنگستن
Gas Tungsten Arc Welding
فرآیند جوشکاری قوسی می باشد که قوس بین الکترود تنگستنی ( مصرف نشدنی ) و حوضچه مذاب پدید می آید. این فرآیند جوشکاری با گاز محافظ و بدون کاربرد فشار صورت می گیرد. جوشکاری قوس تنگستنی را می توان با اضافه کردن فلز پرکننده یا بدون آن بکار برد. از دیگر نام های این فرآیند جوشکاری می توان به TIG اشاره کرد.
شکل زیر شمایی از جوشکاری قوس تنگستنی را نشان می دهد.

در زیر یک نمونه از دستگاه جوشکاری TIG نشان داده شده است.

تجهیزات و لوازم ضروری برای فرآیند جوشکاری GTAW :
وسایلی که در این فرآیند جوشکاری مورد استفاده قرار می گیرد عبارتند از :
1. منبع نیرو ( تامین کننده حرارت برای ذوب کردن لبه اتصال و سیم جوش )
2. الکترود ( معمولاً الکترودهای تنگستنی )
3. سیستم آبگرد
4. کابل جوشکاری
5. مشعل جوشکاری ( تورچ )
6. قسمت تامین کننده گاز محافظ
در زیر مدار این فرآیند جوشکاری نشان داده شده است.

مزیتهای فرآیند جوشکاری TIG :
1- این فرآیند طوری است که می تواند در مورد بیشتر فلزات مغناطیسی و غیر مغناطیسی مفید باشد.
2- در این فرآیند تقریباً جرقه وجود ندارد.
3- این فرآیند می تواند به راحتی در تمام وضعیت ها استفاده شود.
4- حوضچه مذاب و قوس الکتریکی به وضوح قابل مشاهده است.
5- سرباره یا فلاکس حذف شده یا بسیار اندک است.
6- حوضچه مذاب به راحتی قابل کنترل است.
7- از هر دو حالت جریان متناوب AC و یکسوDC می توان بهره جست.
8- بهترین روش برای جوشکاری فلزاتی است که لایه اکسیدی دارند.
9- در این فرآیند جوشکاری ، قوس متمرکز است و از شکل افتادگی و اعوجاج هم کمتر است و ریشه اتصال را می توان بهتر جوش داد.
محدودیتهای فرآیند جوشکاری TIG :
1- چون حرارت منتقل شده در الکترود غیر مصرفی مفید واقع نمی شود دارای راندمان حرارت مفید کمتری نسبت به روشهای دیگر قوسی فلز با محافظت گاز خنثی است ، پس کندتر است.
2- احتمال آلوده شدن فلز جوش از تنگستن زیاد است که خود ، موجب کاهش خواص جوش می شود.
3- چون گاز آرگون و هلیوم و وسایل جوشکاری نسبتاً گران است ، از نظر اقتصادی قابل مقایسه با بعضی روشهای دیگر نیست به این جهت بیشتر از این روش ، در اتصالات دقیق و فلزات حساس استفاده می شود.
جوشکاری مقاومتی
Resistance Welding
در جوشکاری مقاومتی، فلزات به دلیل مقاومت الکتریکی در اثر عبور جریان الکتریکی گرم شده و حتی به حالت ذوب نیز می رسند که طبق قانون ژول حرارت حاصله با رابطه زیر تعیین می شود:
Q = KR(I^2) t
I= شدت جریان R= مقاومت الکتریکی
t= زمان Q= حرارت
در فرآیندهای جوشکاری مقاومتی ، حرارت در عرض داخلی و سطح مشترک دو ورق در موضع اتصال در اثر عبور جریان الکتریکی تولید و منتشر می شود. جریان الکتریکی مذکور از طریق الکترودها و تماس آنها با سطح کار منتقل می شود.
در جوشکاری مقاومتی جریان الکتریکی لحظه ای بالا، در حدود 3000 – 100000 آمپر با ولتاژ 0.5 – 10 ولت مورد نیاز است.
درجه حرارت موضع اتصال توسط عبور جریان الکتریکی و مقاومت الکتریکی بوجود می آید و مقاومت الکتریکی بزرگتر در زمان و شدت جریان معین ، تولید حرارت بالاتری می کند. البته جنس هادی هم که میزان ضریب مقاومت الکتریکی است نیز خالی از اهمیت نیست. چگونگی حالت های تماس الکترود با قطعات ، تماس خود قطعات ، فشار الکترودها و ناخالصی های بین سطوح نیز می توانند بر روی مقاومت ها موثر باشند.
در جوشکاری مقاومتی از فشار و حرارت برای ایجاد جوش بین دو قطعه استفاده می شود. و در اثر مقاومتی که بین قطعات در مقابل عبور جریان از خود نشان می دهند حرارت لازم را برای جوشکاری بدست می آید. در جوش مقاومتی همیشه جوش در فصل مشترک دو قطعه بوجود می آید. جوش مقاومتی معمولاً برای حالت لب به لب و لب رویهم بکار می رود.
انواع روشهای جوشکاری مقاومتی
1- جوشکاری برجسته ( پیش طرحی ، تصویری ، دکمه ای ) Projection Welding.
2- جوشکاری یا درز جوش ( جوشکاری نواری ، غلتکی ، قرقره ای ) Seam Welding.
3- جوشکاری مقاومت نقطه ای (نقطه جوش) Spot Welding.
4- جوشکاری ضربه ای ( تصادمی ) Percussion.
5- جوشکاری لب به لب Resistance Butt Welding.
6- جوشکاری جرقه ای ( شکافی ) Flash Welding.
7- جوشکاری مقاومتی با فرکانس بالا High Frequency Resistance.
8- جوشکاری با فرکانس القایی.
مزایای جوشکاری مقاومتی
1. این فرآیند ، برای جوشکاری انواع فولادها- آلیاژهای نیکل- تیتانیم – مس- آلومینیوم بکار می رود.
2. این فرآیند جوشکاری ، قابلیت ایجاد جوش های مشابه و با کیفیت های خوب را دارا می باشد.
3. سهولت در امکان مکانیزه کردن دستگاه نیمه اتوماتیک وجود دارد.
4. نیاز به جوشکار ماهر و ورزیده نمی باشد.
5. دستگاه ، نیمه اتوماتیک می باشد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می باشد.
6. این فرآیند جوشکاری برای تولید انبوه به کار می رود.
7. قادر به جوش دادن فلزات غیر آهنی است.
8. نیاز به استفاده از مواد پر کننده نمی باشد.
9. سرعت جوشکاری بالا می باشد.
معایب جوشکاری مقاومتی
1. نوع اتصالات جوش آن محدود است. ( لب به لب ، لب رویهم )
2. برای تعمیر و نگهداری دستگاه ، به افراد متخصص و ورزیده نیاز است.
3. سطح برخی از مواد و فلزات باید پیش از جوشکاری آماده سازی شود.
4. هزینه سرمایه گذاری اولیه آن زیاد می باشد.
جوشکاری زیرپودری
Submerged Arc Welding
فرآیند جوشکاری قوسی که یک یا چند قوس بین الکترود فلزی لخت یا الکترودها ( سیم جوش توپر ) و حوضچه جوش بکار می برد. قوس و فلز مذاب توسط بستری از روان ساز دانه یا پودر جوش روی قطعات کار محافظت می شود. فرآیند بدون فشار و فلز پرکننده تولیدی توسط الکترود ( سیم جوش ) و گاهی از منبعی ضمیمه ( سیم جوش ، روان ساز یا دانه های فلزی ) تامین می شود.
در زیر نمایی از فرآیند جوشکاری زیر پودری نشان داده شده است.

از آنجایی که قوس الکتریکی در این فرآیند جوشکاری زیر پودر جوش مخفی می باشد گاهی به این فرآیند جوشکاری ، جوشکاری قوس مخفی نیز می گویند.
اصول کار : در جوشکاری زیر پودری ، انتهای سیم جوش یکسره در داخل توده انباشته روان ساز ، که منطقه یا اتصال مورد جوش را می پوشاند ، قرار می گیرد. قوس توسط برخورد الکترود به سطح قطعه کار آغاز می گردد.
مزایای پروسه زیر پودری
1- قوس در زیر لایه ای از فلاکس تشکیل می شود که جرقه قوس را مخفی می کند و پاشش و گازهای متصاعد شده را احاطه می کند.
2- شدت بالای جریان ، عمق نفوذ را افزایش می دهد و برای نفوذ به لبه کمتری نیاز است.
3- نرخ رسوب بالا و سرعت جوشکاری بالا میسر است.
4- فلاکس به صورت یک پاک کننده و اکسید زدا برای اکسیژن عمل می کند و از حل شدن نیتروژن و گوگرد در حوضچه ، جلوگیری می کند. فلاکس به ایجاد جوشهای با ظاهر زیبا و خواص مکانیکی بالا کمک می کند.
5- این فرآیند می تواند جوش با هیدروژن کم تولید نماید.
6- حفاظتی به کمک فلاکس ایجاد می کند و مانند جوشکاری SMAW به باد حساس نمی باشد.
7- نیاز به زحمت کم جوشکار دارد.
8- سرباره می تواند جمع آوری ، پاک و دانه بندی گردد و با فلاکس نو و تازه جهت استفاده مجدد مخلوط گردد.
محدودیتهای پروسه زیر پودری
1- تعداد جزئیات تغذیه کننده سیم منبع قدرت ، کنترلها و تجهیزات فلاکس دستی زیاد است.
2- اتصال جوش باید در موقعیت تخت و افقی نگه داشته شود تا فلاکس در محل خود در درز اتصال قرار گیرد.
3- سرباره باید قبل از پاس بعدی جمع آوری شود.
4- این روش معمولاً برای جوشکاری صفحاتی با ضخامت کمتر از 4.5mm چندان مناسب نیست.
5- ایجاد خلل و فرج در جوش به دلیل حضور مواد ناخالصی در پودر.
کاربردهای فرآیند زیر پودری
اگر یک فولاد را بتوان با فرآیندهای TIG – GTAW و SMAW و FCAW جوش داد با این پروسه نیز می توان جوش داد. محدودیت اصلی پروسه SAW در ورقه های نازک و موقعیت جوشکاری است. به دلیل این که SAW دارای حرارت ورودی بالا و نرخ رسوب بالا می باشد و از این فرآیند جوشکاری ، برای جوشکاری فولادهای ضخیم استفاده می شود و همانطور که گفته شد با این پروسه فولادهایی به ضخامت بالاتر از 6.4mm را جوشکاری می کنند.
در زیر نمونه ای از دستگاه زیر پودری نشان داده شده است.

جوشکاری قوسی با الکترود روپوش دار
Shielded Metal Arc Welding
این فرآیند جوشکاری ، فرآیند جوشکاری قوسی است که در آن ، قوس بین یک الکترود روپوش دار و قطعه کار زده می شود و حرارت لازم برای ذوب کردن فلز پایه و الکترود تامین می شود. در این فرآیند از مکانیزم فشار استفاده نمی شود. کار محافظت از حوضچه مذاب در این فرآیند بر عهده پوشش الکترود می باشد که این پوشش در هنگام جوشکاری در اثر حرارت تجزیه شده و به صورت سرباره و گاز از فلز جوش محافظت می کند. سرباره نقش پوشش حرارتی داشته و از سرد شدن سریع جوش جلوگیری کرده و کیفیت جوش را اصلاح می کند. همچنین سرباره دارای ترکیباتی می باشد که به فلز جوش اضافه شده و به این ترتیب عناصر از دست رفته منطقه جوش در حین جوشکاری جایگزین می شود.
در زیر نمایی از جوش قوس الکتریکی نشان داده شده است.

اصول کار :
حرارت قوس ، برای ذوب فلز پایه و نوک الکترود پوشش دار مصرف شدنی بکار می رود.
الکترود و قطعه کار قسمتی از مدار الکتریکی هستند. این مدار از منبع تغذیه نیرو شروع می شود و شامل کابل های جوشکاری ، نگه دارنده الکترود ( انبر ) ، اتصال قطعه کار ، قطعه کار ( فلز پایه ) و الکترود جوشکاری قوسی می باشد. یکی از دو کابل از منبع نیرو به قطعه کار و دیگری به نگه دارنده الکترود متصل است. جوشکاری موقعی شروع می شود که قوس بین نوک الکترود و قطعه کار برقرار شود. حرارت شدید قوس ، نوک الکترود و سطح قطعه کار نزدیک به قوس را ذوب می کند. قطرات ریز فلز مذاب سریعاً در نوک الکترود تشکیل می شود ، که از طریق جریان قوس به حوضچه مذاب منتقل می شود. در این حالت ، فلز پرکننده با مصرف تدریجی الکترود رسوب می کند. قوس روی قطعه کار با طول و سرعت معینی حرکت می کند و قسمتی از فلز پایه را ذوب و مداوماً فلز پرکننده را افزایش می دهد. ( قوس یکی از گرم ترین منبع حرارتی ، با درجه حرارتی بیش از 5000 درجه سانتیگراد در مرکز قوس می باشد. ) ذوب فلز پایه تقریباً بلافاصله پس از شروع قوس صورت می گیرد. انتقال فلز ، در صورتی که جوش ها در حالت تخت یا افقی صورت گیرند ، با نیروی ثقل ، انبساط گازی ، نیروهای الکتریکی و الکترومغناطیسی و کشش سطحی انجام می گیرد. در مورد سایر حالات ، ثقل علیه نیروها عمل می کند. فرآیند به نیروی برق برای ذوب الکترود و ذوب مقدار کافی فلز پایه ، همچنین به شکاف و فاصله مناسب بین نوک الکترود و فلز پایه یا حوضچه مذاب نیاز دارد. همه این موارد برای انجام یک اتصال خوب ضروری می باشد.
الکترودهای فرآیند جوشکاری SMAW ، نیازهای ولتاژ قوس ( در محدوده 16 الی 40 ولت ) و نیازهای آمپراژ ( در محدوده 20 الی 550 آمپر ) را مشخص می کنند.
جریان بر حسب نوع الکترود بکار برده شده و ممکن است متناوب یا یکنواخت باشد ، ولی منبع نیرو باید بتواند سطح جریان را در محدوده ای قابل قبول برای جوابگویی به تغییرات بغرنج خود فرآیند جوشکاری کنترل کند.
یونیزاسیون :
گازها در حالت عادی قابلیت هدایت الکتریسیته را ندارند ولی اگر تحت تاثیر عوامل خارجی از قبیل حرارت زیاد ، حوزه الکتریکی و غیره قرار بگیرند بعضی از اتم ها الکترون از دست داده و بار مثبت پیدا می کنند. یون های مثبت و برخی از الکترون های آزاد وارد مدار اتم های خنثی شده آنها را دارای بار منفی می سازند ( یون های منفی ) این عمل یونیزه شدن نامیده می شود.
گاز یا هوا پس از یونیزه شدن قابلیت هدایت الکتریسیته پیدا می کند و هر چه شدت عمل یونیزه شدن بیشتر باشد ، حرکت یون های باردار سریع تر و قابلیت هدایت بیشتر می گردد.
قوس الکتریکی :
اگر دو سر مثبت و منفی یک مولد برق به هم خورده و در فاصله کمی از یکدیگر قرار گیرند در اثر اختلاف پتانسیل موجود بین آنها جرقه هایی زده می شود. این جرقه ها موجب یونیزه شدن هوای بین دو قطب شده و باعث عبور جریان برق و تکمیل مدار می گردد.
بدیهی است که جریان الکتریکی از مدار باز نمی تواند عبور کند چون مقاومت الکتریکی آن فوق العاده زیاد است. مدار بسته هم در مقابل جریان الکتریکی مقاومت نشان می دهد و در اثر این مقاومت ها مقداری از انرژی الکتریکی تبدیل به انرژی حرارتی می شود. ( هر چه قدر مقاومت الکتریکی بیشتر باشد حرارت ایجاد شده بیشتر است. )
همانطور که گفته شد اگر دو سر مثبت و منفی یک مولد برق به هم برخورد کرده و سپس در فاصله کمی از هم قرار بگیرند بین آنها قوس الکتریکی برقرار می شود و جریان برق از مدار می گذرد. ولی چون مقاومت الکتریکی قوس زیاد است حرارت قابل ملاحضه ای تولید می شود. از حرارت فوق الذکر می توان برای ذوب دو قطعه فلز و اتصال آنها به یکدیگر استفاده نمود.
قوس الکتریکی به عوامل مختلفی نظیر جنس الکترود ، طول قوس ، نوع گاز ، فاصله هوایی و نوع جریان الکتریکی بستگی دارد.
برای روشن کردن قوس الکتریکی و نگهداری قوس به ولتاژ بیشتری لازم است ، چون مقداری از ولتاژ صرف یونیزه کردن فاصله هوایی بین الکترود و قطعه کار می شود.
قوس الکتریکی در میدان مغناطیسی منحرف می شود و با کوتاه کردن قوس ، نزدیک کردن اتصال جوش ، گرفتن الکترود در جهت انحراف قوس و تغییر زاویه الکترود می توان از میزان انحراف قوس کاست.
در زیر چگونگی برقراری قوس الکتریکی نشان داده شده است.

مدار جوشکاری قوسی :
در جوشکاری با قوس الکتریکی ، جریان برق از طریق کابل جوشکاری و انبر الکترود به میله الکترود می رسد. سر دیگر ماشین جوش به قطعه کار مورد جوشکاری یا به میز کار متصل می شود که با تماس الکترود با قطعه کار ، در مدار جریان برق اتصال کوتاه حاصل شده و جریان زیادی از طریق الکترود – قوس قطعه مورد جوشکاری – کابل برگشت به طرف ماشین جوشکاری عبور می کند.
حال اگر الکترود از فلز مبنا جدا شده و در فاصله معینی از آن قرار گیرد جهش جرقه باعث یونیزه شدن هوا و ایجاد قوس می گردد.
مقاومت الکتریکی زیاد قوس ، تولید حرارت فوق العاده ای می نماید که باعث ذوب الکترود و لبه های دو قطعه فلز جوش شونده و در هم آمیختن آنها می شود و بدین ترتیب اتصال دو قطعه را بوسیله جوشکاری فراهم می سازد.
پارامترهای فرآیند جوشکاری SMAW :
در جوشکاری قوسی چهار عامل وجود دارد که تاثیر زیادی بر روی کیفیت جوش دارند و برای اینکه جوش خوبی بدست آید ، لازم است هر یک از آنها با نوع کار و وسایل مورد استفاده هم آهنگ و تنظیم شوند. این چهار عامل عبارتند از :
A. شدت جریان
وقتی قوس برقرار می شود و جوشکاری آغاز می شود ، مقدار آمپری که از مدار جوشکاری عبور می کند به شدت جریان جوشکاری موسوم است. جریان برق متناسب با قطر الکترود مصرفی روی ماشین جوشکاری میزان می شود. هر چه قطر الکترود بیشتر باشد ، جریان مصرفی بیشتر است. همیشه به میزان آمپری که سازنده الکترود توصیه کرده است توجه کرده ولی اگر جدول آمپر در دسترس نباشد می توان از قاعده کلی زیر استفاده کرد :
مقدار آمپر جوشکاری برابر است با قطر الکترود ضربدر عدد 35 یا 40
برای قطعات ضخیم از شدت جریان بیشتری استفاده می شود. با افزایش شدت جریان تعداد جرقه ها و در نتیجه دمای ایجاد شده افزایش می یابد.
شدت جریان کم باعث نقص نفوذ جوش به قطعه و شدت جریان زیاد باعث خوردگی کناره جوش در قطع می گردد.
شدت جریان بالا باعث نفوذ خوب جوش و اگر باز هم شدت جریان بیش از حد بالا باشد در این صورت خواص پوشش الکترود از بین می رود و شدت جریان پایین باعث نفوذ کم جوش می شود پس باید در تنظیم شدت جریان دقت عمل لازم را داشته باشیم.
B. طول قوس ( ولتاژ قوس )
طول قوس عبارت است از فاصله بین سر الکترود تا سطح قطعه مورد جوشکاری به هنگام برقراری قوس ، در نتیجه طول قوس در هنگام جوشکاری تاثیر زیادی بر روی جوش می گذارد.
در زیر طول قوس کوتاه و بلند نشان داده شده است.

طول قوس با ولتاژ دو سر قوس رابطه مستقیم دارد یعنی برای این که ولتاژ دو برابر شود ، باید طول قوس را زیاد و در حدود دو برابر کنیم.
ما در این فرآیند جوشکاری دارای دو نوع ولتاژ می باشیم که عبارتند از :
ولتاژ مدار باز : ولتاژی که قبل از جوشکاری روی دستگاه تنظیم می شود را ولتاژ مدار باز گویند و معمولاً این ولتاژ برابر 50 الی 80 ولت می باشد.
ولتاژ قوس : ولتاژی که بر در هنگام جوشکاری بر روی دستگاه می باشد را ولتاژ قوس می گویند و معمولاً این ولتاژ نصف ولتاژ مدار باز است.
* البته باید به این نکته اشاره کرد که در جوشکاری ولتاژ بالا مورد استفاده قرار نمی گیرد و آمپر بالا مورد استفاده قرار می گیرد و جوشکاری با ولتاژ بالا خطر برق گرفتگی نیز دارد.
عملاً برای جوشکار اندازه گیری دقیق طول قوس هنگام جوشکاری مقدور نیست ولی جوشکار می تواند با گوش دادن به صدای قوس و یا تمرین و تجربه طول قوس مناسب را برقرار سازد.
در شکل های زیر تاثیر طول قوس و سرعت پیشروی در جوشکاری را می بینید.

محاسبه ولتاژ جوشکاری :
برای محاسبه ولتاژ جوشکاری می توانیم از فرمول زیر استفاده نماییم :
I * ( Ld /10S ) + K = V
در این رابطه داریم :
V = ولتاژ جوشکاری K = ضریب ثابت برای هر فلز
L = طول قوس ( در این معادله معمولاً طول قوس را برابر 3 میلیمتر در نظر می گیریم و اصلاً به قطر الکترود بستگی ندارد. )
d = قطر الکترود ( منظور از قطر الکترود ، قطر مغزی یا مفتول الکترود می باشد. )
S = مساحت مقطع الکترود می باشد. I = آمپر جوشکاری
از رابطه بالا نتایج زیر قابل استنباط می باشد :
* ولتاژ جوشکاری با طول قوس رابطه مستقیم دارد یعنی با افزایش طول قوس ولتاژ جوشکاری نیز افزایش می یابد.
* ولتاژ جوشکاری با قطر الکترود رابطه مستقیم دارد ولی باز هم اگر قطر الکترود زیاد شود ولتاژ جوشکاری کم می شود چون در این حالت قطر الکترود به توان یک به صورت اضافه و به توان دو به مخرج ( S ) اضافه می شود ، که در کل با افزایش قطر الکترود با کاهش ولتاژ روبرو می شویم.
* ولتاژ جوشکاری با مساحت سطح مقطع الکترود رابطه عکس دارد یعنی با افزایش سطح مقطع الکترود ولتاژ جوشکاری کاهش می یابد.
* ولتاژ جوشکاری با آمپر رابطه مستقیم دارد یعنی با افزایش ولتاژ ، آمپر جوشکاری نیز افزایش می یابد.
در زیر رابطه ولتاژ با آمپر جوشکاری در نموداری نشان داده شده است.

مثال : فولاد St37 را با الکترود با قطر 3.25 و در شرایطی که طول قوس 3 میلیمتر و شدت جریان جوشکاری 150A باشد ، ولتاژ قوس را محاسبه نمایید.
حل : ابتدا معلومات و مجهولات مسئله را بررسی می کنیم :
K = 12 L = 3 میلیمتر d = 3.25 میلیمتر I = 150 آمپر
S = 8.29 میلیمتر مربع V = ?
28.4 = ( 8.29 * 10 ) / ( 150 * 3.25 * 3 ) + 12 = V
C. سرعت پیشروی
سرعت حرکت دست به عوامل زیر بستگی دارد :
* پهنای جوش
اگر سرعت پیشروی کم باشد آنگاه نفوذ و پهنای جوش زیاد و باز هم اگر سرعت پیشروی زیاد باشد آنگاه نفوذ و پهنای جوش کم می شود.
* قطر الکترود
با افزایش قطر الکترود باید سرعت پیشروی را کاهش دهیم تا الکترود به اندازه کافی رسوب داده شود.
* ضخامت ورق
با افزایش ضخامت ، باید سرعت حرکت پیشروی را کاهش دهیم تا لبه های اتصال ذوب و در هم آمیخته شوند.
D. حرکت الکترود
حرکات الکترود از قبیل زاویه الکترود و نوع حرکت آن در کیفیت جوش بسیار موثر می باشد.
هر چه زاویه الکترود عمود به قطعه کار باشد آنگاه نفوذ و عمق جوش بیشتر و هر چه قدر زاویه الکترود خوابیده روی قطعه کار باشد نفوذ و عمق جوش کمتر است که از این نکته می توان در حالت های جوشکاری مختلف استفاده نمود.
در زیر زاویه الکترود مناسب در فرآیند جوشکاری SMAW نشان داده شده است.

ما در جوشکاری می توانیم حرکات مختلفی با الکترود انجام دهیم مثلاً حرکت نوسانی یا حرکت زیگزاکی و غیره. اگر در هنگام جوشکاری الکترود را مستقیماً به طرف جلو حرکت دهیم آنگاه نفوذ و عمق جوش نسبت به زمانی که حرکت نوسانی یا زیگزاکی انجام می دهیم کمتر خواهد بود.
در زیر چند نوع حرکت دست که در هنگام جوشکاری می توانیم داشته باشیم نشان داده شده است.

* البته باید اشاره کرد که در طرح اتصال های مختلف از زاویه مناسب الکترود و نوع حرکت مخصوص استفاده می کنیم که در بخش ضمیمه همین جزوه انواع زوایا و حرکات مختلف برای انواع اتصالات نشان داده شده است.
در زیر تاثیر پارامترهای جوشکاری را بر روی ظاهر و کیفیت جوش را می بینید.

انتقال فلز مذاب از الکترود به حوضچه جوش ( Metal Transfer ) :
به طور کلی چگونگی انتقال فلز مذاب ، تاثیرات مهمی بر میزان عمق نفوذ جوش ، پایداری قوس ، گرم یا داغ بودن حوضچه مذاب ، مقدار پاشش ، جرقه ها و غیره خواهد داشت و اصولاً با کنترل و انتخاب چگونگی انتقال فلز مذاب ، می توان کنترل دقیقی بر هر یک از پارامترهای جوشکاری اعمال داشت.
نیروهایی که در انتقال فلز مذاب از الکترود به حوضچه جوش نقش مهمی ایفاء می کند عبارتند از :
1. نیروی کشش سطحی ( Surface Tension )
2. نیروی شتاب ثقل یا وزن ( Gravitation Force )
3. نیروی مغناطیسی ( Electro Magnetic )
4. نیروی هیدرودینامیک در اثر جریان و جنبش گازها ( Hydrodynamic Force )
انتقال فلز مذاب از نوک الکترود به درون حوضچه جوش که از اهمیت بسیاری برخوردار است که به یکی از دو طریق زیر صورت می گیرد :
A. روش پرواز آزاد یا ریزش قطرات ( Globular Transfer – Free Flight ) :
روش انتقال مذاب به صورت پرواز آزاد ، خود به سه صورت انجام می پذیرد که عبارتند از :
1. پرواز آزاد ثقلی ( Gravitation free Flight )
2. پرواز آزاد با ریزش شدید یا تصویری ( Projection Free Flight )
3. پرواز آزاد دفع کردنی ( Repelled Free Flight )
در زیر شکل های سه نوع روش انتقال پرواز آزاد مذاب از الکترود به قطعه کار را نشان می دهد.

در روش ثقلی ، قطرات مذاب که در نوک الکترود تشکیل شده اند ، در اثر نیروی وزن خود ، از نوک الکترود جدا شده و به طور آزادانه ( سقوط آزاد ) به داخل حوضچه جوش فرو می افتند. در این حالت ، تعدادی قطره در سر الکترود به یکدیگر ملحق می شوند و تا هنگامی که وزن آنها به اندازه کافی زیاد نشده باشد ، عمل سقوط و انتقال انجام نخواهد شد. در این روش ، چون نیروی انتقال دهنده قطره مذاب ناشی از وزن قطره تشکیل شده است ، امکان جوشکاری سر بالا یا سقفی با این مکانیزم وجود ندارد. در ضمن چون در یک مقطع زمانی که قطره بزرگ شده سقوط می کند تا زمان بزرگ شدن قطره بعدی ، عملاً ارتباط مذاب برای کسری از ثانیه قطع می گردد ، شدت قوس ( ولتاژ ) به طور دائم تغییرات جزئی خواهد داشت.
در انتقال قطرات به صورت ریزش شدید یا تصویری نیز علاوه بر نیروی ثقل ، نیروهای دیگر مثل نیروی هیدرودینامیک و کشش سطحی ، به قطره شتاب ابتدایی داده و در نتیجه وابستگی انتقال به نیروی ثقل را به حداقل می رسانند و قطره را به طرف حوضچه جوش پرتاب می نمایند ، بنابراین در این روش ، قطرات حتی می توانند خلاف جهت نیروی ثقل هم به حوضچه جوش هدایت شده و از قدرت نفوذ بیشتری برخوردار باشند. به همین دلیل ، با این روش می توان در جوشکاری های سر بالا یا سقفی نیز موفق بود.
در مکانیزم انتقال قطرات با روش دفع کردنی ، نیروهای الکترومغناطیسی روی قطره مذاب در نوک الکترود ، چنان عمل می کنند که در ابتدا سرعتی در جهت دور شدن از حوضچه جوش به قطره می دهند ، اما در ادامه انتقال ، قطره مذاب در اثر ادامه نیروی مذکور و سایر نیروهای یاد شده ، قطره به درون حوضچه جوش پرتاب می شود. با این روش ، حوضچه جوشی پهن تر بدست آمده و سرعت جوشکاری آهسته تر خواهد شد.
B. انتقال پلی یا مدار بسته ( Dip transfer – Short Circuiting ) :
در مکانیزم مدار بسته ، قطره مذاب در حال رشد ، پیش از جدایش کامل از نوک الکترود با حوضچه جوش تماس پیدا می کند ، بنابراین یک مدار بسته از مذاب همواره بین نوک الکترود و حوضچه مذاب وجود خواهد داشت. بیشترین مقدار قطرات مذاب به داخل حوضچه جوش کشیده شده و تماس الکترود با مذاب قطع و قوس دوباره شروع خواهد شد.
در زیر مکانیزم انتقال قطرات مذاب از نوک الکترود به حوضچه مذاب را به صورت مدار بسته نشان داده است.

چگونگی انتقال ، به قطر الکترود ، جنس فلز پایه ، جنس الکترود ، جنس روکش الکترود ، ولتاژ ، شدت جریان و شرایط دیگری بستگی دارد. به طور مثال ، جنس روکش و سرباره بر نیروی کشش سطحی به ویژه به لحظه شکسته شدن پل ( در انتقال مدار بسته ) و روی " ولتاژ اضافی " برای شروع مجدد قوس در هر نیم سیکل ( جریان متناوب ) ، اثر قابل توجهی دارد. به همین دلیل در الکترودهای با روکش سلولزی جهش ولتاژ ، حداکثر و در الکترودهای رتیلی جهش ولتاژ حداقل خواهد بود.
قابلیت ها و محدودیت های فرآیند جوشکاری SMAW :
جوشکاری قوسی فلزی محافظت شده ، فرآیندی با بیشترین کاربرد بویژه برای جوش های کوتاه در تولید ، نگه داری و تعمیرات و برای ساختارهای کارگاهی مناسب است.
در زیر مزایای این فرآیند جوشکاری آورده شده است :
* تجهیزات آن نسبتاً ساده ، ارزان و قابل حمل است.
* حفاظت از فلز پرکننده و فلز جوش در برابر اکسایش مضر در جریان جوشکاری ، به عهده الکترود پوشش دار می باشد.
* حفاظت گازی کمکی یا روان ساز دانه ای مورد لزوم نیست.
* فرآیند در قبال باد و کوران نسبت به فرآیندهای جوشکاری قوسی محافظت شده گازی ، دارای حساسیت کمتری است.
* می توان آن را در فضاهایی با دسترسی کمتر بکار برد.
* این فرآیند جوشکاری برای بیشتر فلزات و آلیاژهای معمولی مناسب است.
الکترودهای SMAW برای جوشکاری فولادهای کربنی و کم آلیاژی ، فولادهای زنگ نزن ، چدن ها ، مس و نیکل و آلیاژهای آنها و برای بعضی از آلیاژهای آلومینیوم ، وجود دارد. فلزات زود گذار مانند سرب ، قلع و روی و آلیاژهای آنها ، به علت حرارت شدید قوس برای آنها ، توسط این فرآیند SMAW جوشکاری نمی شوند. فرآیند جوشکاری SMAW برای فلزات واکنشگر از قبیل تیتان ، زیرکونیم ، تانتال و نیوبیم به علت کافی نبودن حفاظت برای جلوگیری از آلودگی اکسیژنی جوش ، مناسب نیست. الکترودهای روپوش دار به طول های 230 الی 460 میلیمتر تولید می شوند. از آنجا که اول قوس زده می شود ، لذا جریان از تمامی طول قوس عبور می کند. بنابراین مقدار جریانی را که می توان بکار برد توسط مقاومت الکتریکی سیم مغزه محدود می گردد. آمپراژ باعث گرم شدن بیش از حد الکترود و شکستن پوشش آن می گردد. این امر به نوبه خود مشخصات قوس و حفاظت مربوطه را تغییر می دهد. به علت همین محدودیت ، نرخ های رسوب معمولاً کمتر از فرآیندهایی از قبیل جوشکاری قوس فلزی ( GMAW ) است. چرخه کار اپراتور و نرخ های رسوب کلی الکترودهای روپوش دار معمولاً کمتر از فرآیند الکترود یکسره نظیر جوشکاری قوسی توپودری ( FCAW ) است. این امر به این علت است که الکترودها را تا حداقلی از طول آن می توان بکار برد. هنگامی که به آن طول رسید ، جوشکار باید الکترود مصرف نشده را دور ریخته و الکترود جدیدی در انبر قرار دهد. بعلاوه سرباره نیز باید در شروع و آخرها و قبل از رسوب جوش مجاور رویه یا کنار مهره رسوب شده ، زدوده شود.
یکی دیگر از محدودیت های این فرآیند جوشکاری ، محل تعویض الکترود می باشد که در محل تعویض الکترود برخی عیوب دیده می شوند.
تجهیزات و لوازم ضروری برای فرآیند جوشکاری SMAW :
A. منبع نیرو برای ذوب کردن الکترود و لبه های اتصال
B. نگه دارنده الکترود ( انبر جوشکاری )
در شکل زیر انبر جوشکاری نشان داده شده است.

C. اتصال قطعه کار
D. کابل های جوشکاری
مواد مصرفی جوشکاری ( Welding Consumables ) :
در اغلب فرآیندهای جوشکاری ، وجود یک یا چند ماده مصرفی برای برقراری بهتر اتصال و گاه محفاظت از حوضچه مذاب ایجاد شده از ضرورت های انکار ناپذیر بشمار می آید. مهمترین این مواد مصرفی که در جریان جوشکاری مصرف شده و اغلب قابل بازیافت نیز نمی باشند عبارتند از :
1. پرکننده های جوشکاری ( Filler Materials )
2. پودرهای جوشکاری ( Welding Fluxes )
3. گازهای جوشکاری ( Welding Gases )
4. اسپری ها و خمیرهای جوشکاری ( Welding Sprays And Pastes )
5. پشت بندهای جوشکاری ( Welding Backings )
6. نازل و گاز پخش کن های جوشکاری(Welding Nozzle And Gas Distributors)
پرکننده های جوشکاری ( Filler Materials ) :
تقریباً در تمام فرآیندهای جوشکاری قوس الکتریکی ، حرارتی ، انفجاری ، بریزینگ ، لحیم کاری و غیره ، وجود ماده پرکننده مصرفی برای برقراری اتصال ضروری است. انواع مواد مصرفی پرکننده بر این اساس به این شکل تقسیم بندی شده اند :
تقسیم بندی مواد مصرفی پرکننده جوشکاری بر اساس فرآیند جوشکاری مورد استفاده
نوع ماده مصرفی پرکننده
فرآیند جوشکاری
الکترود روپوش دار ( Welding Electrode )
جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روپوش دار دستی ( SMAW )
مفتول جوشکاری توپر ( Welding Rod )
جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود تنگستن و گاز محافظ خنثی ( GTAW )
سیم جوش قرقره ای توپر ( Welding Wire )
جوشکاری قوس الکتریکی با سیم جوش و گاز محافظ ( GMAW )
جوشکاری قوس الکتریکی زیر پودری ( SAW )
سیم جوش قرقره ای توپودری ( Flux Cored Wire )
جوشکاری قوس الکتریکی با سیم توپودری و گاز محافظ ( GMAW )
جوشکاری قوس الکتریکی زیر پودری ( SAW )
مفتول ، تسمه یا خمیر جوشکاری لحیم سخت
بریزینگ یا لحیم کاری نرم و سخت ( Brazing Sold Gering )
پودر یا خمیر انفجاری
جوشکاری انفجاری ( Explosion Welding )
مفتول جوشکاری گازی
جوشکاری اکسی استیلن ( Oxy acetylene Welding )

در این مبحث ما فقط به شرح الکترودهای روپوش دار می پردازیم.
الکترودهای روپوش دار ( Welding Electrode ) :
جوشکاری قوس الکتریکی برای اولین بار و با الکترود ذغالی در سال 1881 میلادی انجام شد و 7 سال بعد ، یعنی در سال 1888 میلادی ، الکترود ذغالی با یک میله فولادی لخت جایگزین گردید. کیفیت اتصال به مراتب از قبل بهتر شده بود ، اما ورود گازهای موجود در اتمسفر ، بویژه اکسیژن و نیتروژن به صورت غیر قابل کنترل به داخل مذاب جوش و تاثیرات متالورژیکی و مکانیکی آنها ، کیفیت درونی جوش را به سبب ایجاد تردی و سختی و شکنندگی بیش از حد و نیز وجود حفرات گازی داخلی ، به شدت کاهش می داد. علاوه بر آن ، قطع و وصل شدن های قوس ، حالتی ناپایدار پدید می آورد که برای این منظور ، به یک جوشکار با مهارت های بالا نیاز بود. در ضمن جرقه های جوشی که به اطراف پاشیده می شد ، کیفیت سطح فلز و ایمنی جوشکار را به خطر می انداخت ، از این رو در سال 1904 برای نخستین بار در سوئد ، روپوشی از آهک همراه با افزودنی های دیگر به روی مفتول فلزی لخت چسبانده شد که مشکلات گفته شده را تا حدی کاهش می داد. این فرآیند تا سال 1950 سیر ترقی خود را طی نمود تا در این دهه ، شناخت نسبتاً کاملی از روپوش ها و مزایا و محدودیت های هر کدام بدست آمد.
نقش مفتول الکترودها :
1. هدایت جریان الکتریکی
2. تامین فلز پرکننده درز جوش
نقش پوشش الکترودها :
پوشش الکترودها ، نقش هایی اساسی برای میله الکترود و منطقه جوش ، قبل و بعد از جوشکاری ایفا می کنند که عبارتند از :
1. جلوگیری از زنگ زدگی و آلودگی میله الکترود ، در زمان انبارداری و جوشکاری
2. محافظت و پایدار سازی قوس الکتریکی برقرار شده
3. محافظت از جوش بوسیله گازهای منشعب شده حاصل از سوختن پوشش الکترود در جریان جوشکاری
4. محافظت از جوش بوسیله سرباره تشکیل شده ناشی از سوختن پوشش الکترود در جریان جوشکاری
5. جلوگیری از اتلاف گرما و پراکندگی حرارت در محیط
6. ایجاد یک پروفیل مناسب در سطح جوش ( گرده جوش مقعر ، تخت یا محدب )
7. جلوگیری از سریع سرد شدن جوش
8. جلوگیری از رشد بی رویه دانه بندی سطحی جوش
9. کنترل واکنش های سرباره – مذاب ، گاز – مذاب و گاهی اوقات انجام عمل تصفیه فلز جوش یا اضافه نمودن بعضی عناصر آلیاژی به داخل ساختار جوش و بهبود آلیاژ سازی
10. ایجاد امکان بیشتر برای متنوع سازی انواع الکترودهای ساخته شده از یک نوع میله الکترود
11. سیال سازی جریان مذاب و ایجاد سهولت بیشتر در جریان جوشکاری
12. کاهش عرض محدوده تحت تاثیر حرارت قرار گرفته ( HAZ )
13. افزایش بازدهی یا راندمان بازدهی ( تولید مذاب و پرکنندگی ) الکترود و در نتیجه کاهش مصرف الکترود
14. ایجاد ایمنی بیشتر برای جوشکاران به دلیل کاهش تشعشعات ، انعکاس فلز ناشی از قوس الکتریکی و پاشش جرقه ها
15. افزایش قدرت و سرعت انتقال مذاب از الکترود به حوضچه جوش و برقراری بهتر جریان مثبت و منفی
16. کنترل عمق نفوذ جوش
17. کاهش حرارت ورودی مورد نیاز و در عین حال افزایش شدت قوس در صورتی که پودر آهن در پوشش الکترودهای فولادی بکار گرفته شده باشد.
18. امکان انجام جوشکاری در وضعیت های مختلف و حتی وضعیت های جوشکاری دشوار مثل بالاسری یا بالاسر
19. کنترل طول قوس و ولتاژ
20. مشخصه شناسایی الکترودها در صورت استفاده از پوشش ها با رنگ های مختلف و معرفی شده.
تقسیم بندی الکترودها از نظر ضخامت پوشش
سازندگان الکترود در گوشه و کنار دنیا ، بر اساس استانداردهای مختلف و سفارش مشتریان ، الکترودهای مختلفی با ضخامت های گوناگون تولید می کنند. اگر قطر خارجی پوشش الکترود D و قطر مفتول فلزی الکترود d فرض شود ، تقسیم بندی الکترودها بر اساس ضخامت پوشش آنها به قرار زیر خواهد بود :
A. الکترودهای با پوشش نازک ( D/d < 1.2 )
B. الکترودهای با پوشش متوسط ( 1.2 < D/d < 1.45)
C. الکترودهای با پوشش ضخیم ( 1.45 < D/d < 1.8)
D. الکترودهای با پوشش خیلی ضخیم ( D/d > 1.8 )
* آن چه مشخص است ، هر چه پوشش الکترود ضخیم تر باشد ، جوش از کیفیت بالاتری برخوردار خواهد بود ، اما قیمت تمام شده تولید آن نیز بیشتر خواهد بود.
مواد عمومی تشکیل دهنده پوشش الکترودها
به طور کلی مواد اصلی تشکیل دهنده پوش الکترودها به 6 دسته اصلی تقسیم می شوند :
1. مواد سرباره ساز که به صورت سنگ های معدنی می باشند، مانند سنگ تیتان (Tio2) که به صورت طبیعی و به نام روتیل (Rotile) در معادن یافت می شود، سنگ منگنز، فلوراسپار(Fluorspar)، فلوریدها، آهک(CaCo3)، خاک چینی(Kaolin)، کوارتز(Quartz)، سنگ مرمر، اکسید آهن(FeO) و بعضی سیلیکات ها.
2. مواد تشکیل دهنده گاز مثل نشاسته، خاک اره، کتان، سلولز، زغال چوب، آرد یا خمیر چوب(پشم آنها Alpha – Flock).
3. عوامل احیا کننده و اکسیژن زدا که برای احیای برخی اکسیدها کاربرد دارند مثل فرو منگنز(Fe-Mn)، فرو سیلیسیم(Fe – Si)، فرو کرم(Fe-Cr)، فرو تیتانیوم(Fe-Ti)، فرو مولیبدن(Fe-Mo) و آلومینیوم پولکی.
4. عوامل آلیاژ کننده که برای رسیدن به ترکیب نهایی مورد انتظار از جوش به پوشش اضافه می شوند.
5. عوامل چسبنده که باعث خمیری شدن و چسبیدن پوشش روی مغزی می گردند ، مثل سیلیکات سدیم و سیلیکات پتاسیم و یا چسب نشاسته.
6. در بعضی الکترودها ، برای افزایش نرخ رسوب و راندمان و بازدهی ، مقداری پودر فلز پایه نیز اضافه می شود ، بطور مثال در الکترودهای فولادی ، مقادیری پودر آهن به پوشش اضافه می گردد.
در هر صورت ، پس از انتخاب و اختلاط مواد تشکیل دهنده پوشش ، که در مخلوط کن های تر انجام می شود ، خمیر حاصل را که اصطلاحاً " گل الکترود " نامیده می شود ، بوسیله پرس های مخصوصی روی میله فلزی مغزی الکترود پرس می کنند. پس از آنکه خمیر در کوره خشک کن کاملاً خشک شد ، الکترود آماده استفاده یا بسته بندی می شود.
نمونه اجزاء تشکیل دهنده مخلوط خشک ( قبل از اضافه نمودن چسب شیشه ) انواع پوشش های الکترودی
نوع الکترود
مواد تشکیل دهنده پوشش
سلولزی
روتیلی
قلیایی ( کم هیدروژن )
پودر آهن
0 – 10
0 -10
0 – 35
دی اکسید کننده
15 – 20
( Fe – Mn )
10 – 15
( Fe – Mn )
8 – 15
انواع مختلف
سلولز
30 – 45
0 – 10
_
روتیل ( TIO2 )
15 – 20
40 – 60
0 – 10
کربنات کلسیم و کربنات منیزیم
18 – 22
0 – 15
25 – 50
فلواسپار ( CaF2 )
_
_
15 – 30
فلواسپار و میکا
_
5 – 20
0 – 10
خاک رس ( Clay )
_
4 – 10
0 – 4
مواد کمک کننده برای اکستروژن
_
0.5 – 1
0.2 – 1
هیدروژن فرار فلز جوش
بیش از 30
20 – 30
3 – 15

البته قابل توجه است که سازندگان مختلف الکترود از فرمول های مختلف استفاده می کنند.

تقسیم بندی الکترودها بر اساس نوع پوشش آنها :
از حدود 1950 میلادی ، الکترودها را در انگلستان ، بر اساس جنس پوشش آنها طبقه بندی می نمودند ، که این تقسیم بندی در نوع خود موثر و تا امروز در بعضی صنایع کاربرد دارد. الکترودها بر اساس پوشش آنها به چند گروه تقسیم می شوند که عبارتند از :
کلاس اول : سلولزی ( Cellulose Type ) :
بیش از 40 درصد وزنی پوشش این نوع الکترودها را سلولز ( Cx Hy O2 ) تشکیل می دهد که در اثر سوختن ، مقدار زیادی هیدروژن و اکسید کربن آزاد می کند. گازهای حاصله حوضچه مذاب و قوس الکتریکی را از نفوذ گازهای مخرب موجود در اتمسفر محافظت می نمایند. از این رو استفاده از این خانواده الکترودها ، اغلب در جوشکاری پاس ریشه خطوط انتقال لوله نفت و گاز و سایر سیالات که در فضای باز انجام می شوند کاربرد وسیعی پیدا کرده است. وجود گازهای فعال آزاد شده حاصل از سوختن سلولز مثل هیدروژن و اکسید کربن در داخل حوضچه جوش ، علاوه بر یونیزاسیون آنها ، قوسی با ولتاژ بالا پدید می آورند که به دلیل انرژی فزاینده خود ، حرارت حوضچه جوش را نیز تا حد قابل توجهی افزایش داده و سبب نفوذ بسیار خوب جوش مذاب در داخل ساختار فلز پایه می گردند ( الکترودهای نفوذی ).
از دیگر مشخصات پوشش های سلولزی می توان به امکان استفاده از آنها در وضعیت های مختلف ، دود زیاد ، قوس بسیار قوی و نافذ و پایدار ، پاشش جرقه های جوش به نسبت بسیار زیاد به اطراف جوش و سطح جوش خشن با مهره جوش های فاصله دار ناهموار اشاره نمود.
در ضمن نبودن عناصر پایدار کننده قوس در پوشش آنها سبب شده تا این الکترودها را بتوان با جریان های یکنواخت ( AC ) و مستقیم ( DC ) بدون هیچ مشکلی بکار برد.
از جمله مهمترین الکترودهای این خانواده ، می توان به الکترودهای E8010 ، E7010 و E6010 در استاندارد AWS اشاره نمود.
کلاس دوم و سوم : پوشش های رتیلی یا اکسید تیتانیوم ( Rutile " Acid " Type ) :
ترکیب اصلی این پوشش ها که در کلاس دوم و سوم قرار گرفته ، اکسید تیتانیوم طبیعی ، مقادیر قابل توجهی مواد یونیزه کننده و میکا می باشد که وجود مواد یونیزه کننده ، استفاده از الکترودهای مذکور را آسان می کند. کلاس دوم به دلیل سرباره نسبتاً غلیظی که تولید می کند ، بیشتر برای جوشکاری حالت های گوشه ( Fillet ) و در وضعیت های افقی و عمودی مناسب است و کلاس سوم به دلیل سرباره رقیق تر که به واسطه وجود ترکیبات قلیایی اضافه شده در آن بدست می آید ، برای کلیه وضعیت های جوشکاری مناسب است.
همانگونه که گفته شد ، شروع قوس با این الکترودها آسان و بویژه برای جوش های کوتاه ، گوشه و جوشکاری ورق ها توصیه شده است. جوش حاصل ، همچنین دارای خاتمه نسبتاً ظریفی بوده و بازدهی آن نیز قابل توجه است. الکترودهای رتیلی به طور معمول ، نفوذی متوسط ، همراه با یک قوس الکتریکی ملایم و آرام تولید نموده و نسبت به رطوبت حساس نیستند. قابلیت جدا شدن سرباره از روی جوش عالی بوده و گرده جوش نسبتاً منظم و ظریف خواهد بود. وجود مقادیر قابل توجهی سدیم و پتاسیم در این نوع پوشش موجب آرام تر شدن قوش الکتریکی ، البته با کاهش نفوذ را سبب می گردد. همچنین به دلیل خاصیت یونیزاسون اکسید تیتانیوم ، می توان این الکترودها را با جریان برق متناوب ( AC ) نیز بکار گرفت.
از جمله مهمترین الکترودهای رتیلی در استاندارد AWS می توان به E6013 ، E7014 ، E7024 ، E309L-16 ، E316L-16 ، E308L-16 ، E309Mo-26 و غیره اشاره نمود.
کلاس چهارم : پوشش های اسیدی ( Acidic Type ) :
پوشش این الکترودها اغلب ، شامل اکسیدها و کربنات های منگنز ، آهن و مقادیری سیلیسیم بوده و سرباره حاصل از جوشکاری با این نوع الکترودها دارای خواص اسیدی می باشد.
جوش حاصل نیز دارای سطحی هموار و براق بوده و سرباره سیال و پر حجم حاصل از جوشکاری نیز ، پس از سرد شدن بلافاصله از سطح جوش جدا می شود به همین دلیل ، و به ویژه در جوشکاری های چند پاسی ، خطر باقی ماندن سرباره در بین پاس های جوشکاری به حداقل می رسد. شروع قوس الکتریکی با این الکترودها ، آسان تر از الکترودهای قلیایی ، اما مشکل تر از الکترودهای رتیلی است.
استحکام کششی فلز جوش نیز کمتر از استحکام کششی فلز جوش حاصل از جوشکاری با الکترودهای رتیلی روی یک فلز پایه مشابه است ، اما ازدیاد طول نسبی ، انعطاف پذیری و مقاومت به ضربه آن بیشتر است. این الکترودها را اغلب در تمامی وضعیت های جوشکاری می توان بکار برد.
از مهمترین نوع الکترودهای اسیدی در استاندارد AWS می توان به الکترود E7027 اشاره کرد.
کلاس پنجم : پوشش های اکسیدی ( Oxide Type ) :
ترکیب اصلی این پوشش ها ، اغلب از اکسید آهن و اکسید منگنز و نیز کربنات آهن و کربنات منگنز تشکیل شده و به همین دلیل ، سرباره حاصل از جوشکاری آنها ، متراکم ، سنگین و پر حجم بوده ، اما در عین حال ، به راحتی از روی جوش جدا می شود. بیشترین وظیفه حفاظت از حوضچه جوش به عهده سرباره است. نفوذ جوش حاصل نسبتاً کم است ، اما دارای سطحی صاف و یکنواخت با استحکام نسبتاً کمتری می باشد.
به دلیل سیالیت بالای مذاب حاصل ، این نوع الکترودها را بیشتر برای جوش های گوشه در وضعیت های افقی و تخت بکار می برند و معمولاً ظاهر جوش حاصل بسیار بهتر از کیفیت مکانیکی آن است.
کلاس ششم : بازی یا قلیایی ( Basic Type ) :
پوشش این الکترودها ، اغلب شامل مقادیر قابل ملاحضه ای کربنات کلسیم ( CaCo ) ، فلوراید ، آهک و فلوراسپار است. عمل حفاظت از حوضچه جوش در این کلاس از پوشش ها ، سوختن کربنات کلسیم و تولید گاز CO2 است که عمل حفاظت از حوضچه جوش را به عهده می گیرد. به دلیل کم بودن مقدار رطوبت موجود در این پوشش ها ، جوش حاصل مقدار هیدروژن بسیار کمی در ترکیب خود خواهد داشت بنابراین این الکترودها را ، الکترودهای کم هیدروژن ( Low Hydrogen ) می نامند. به همین دلیل ، این الکترودها در درجه حرارت های پایین نیز از استحکام نسبتاً خوبی برخوردارند. در مقایسه با سایر الکترودها ، احتمال بروز ترک گرم یا سرد در این دسته از الکترودها کمتر است. از این رو برای جوشکاری فولادهای آلیاژی کم آلیاژ که در مقابل بروز ترک های منطقه HAZ حساسند ( مثل فولادهای ساختمانی منگنز دار ، مخازن تحت فشار ، بدنه کشتی ها و غیره ) کاربرد وسیعی پیدا کرده اند. در ضمن مقاومت جوش حاصل در برابر ترک های گرم ( Hot Cracking ) ، این الکترودها را برای جوشکاری فولادهای پر کربن ، با ضخامت های بالا نیز مناسب کرده است. استفاده از این الکترودها ، به دلیل سرباره غلیظ آنها چندان آسان نیست ، اما از آنها می توان در تمام وضعیت ها و با جریان های مستقیم و متناوب استفاده نمود.
برای جلوگیری از افزایش مقدار رطوبت ، در نگهداری این الکترودها باید دقت کافی بکار برد و آنها را در جای خشک نگه داری نمود. پیش از بکار گیری این الکترودها ، لازم است عملیات باز پخت ( گرم کردن ) را مجدداً در مورد آنها بکار گرفت و آنها را در گرم خانه یا الکترود خشک کن ( Oven ) ، چند ساعتی خشک نمود. با این روش می توان مقدار هیدروژن ورودی به حوضچه جوش را تا حد قابل ملاحضه ای تحت کنترل درآورد.
وجود هیدروژن در حوضچه جوش ، حرارت جوش را بیش از حد افزایش می دهد و هر چند نفوذ آن را تا حد قابل ملاحضه ای بالا می برد ، اما معایب بسیاری از جمله ترک ها ، تنش های حرارتی و غیره را در جوش پدید می آورد.
از مهمترین انواع الکترودها با روکش قلیایی می توان به الکترودهای E7016 ، E8016 ، E9016 ، E5050-15 ، E502-16 ، E9015 ، E308L-15 ، E309L-15 ، E316L-15 در استاندار AWS اشاره نمود.
کلاس هفتم : روتیلی + پودر آهن(Rutile+Iron Powder Type) :
افزایش پودر آهن به پوشش الکترودها اثرات مثبت زیادی به جای می گذارد که مهمترین آنها عبارتند از :
* افزایش نرخ رسوب ( Deposition Rate )
* افزایش پایداری قوس ( Arc Stability )
* افزایش بازدهی ( High Efficiency )
* افزایش انعطاف پذیری برای جوشکاری در زوایای تنگ با محدودیت مکان حرکت
* پهن تر شدن قوس الکتریکی ، رسوب در سطح بیشتر و عمق کمتر به دلیل هدایت الکتریکی دوگانه از مغزه الکترود و پوشش محتوی پودر آهن
* کاهش مقدار پاشش و جرقه ، به دلیل محدود شدن اتصال کوتاه بین الکترود و سطح قطعه کار به دلیل عبور جریان الکتریکی از درون پوشش
* صاف تر بودن سطح گرده جوش پدید آمده
* کاهش خطر بروز Under Cut
* بزرگ بودن حوضچه جوش نسبت به سایر الکترودها
از آنچه گفته شد ، می توان به اهمیت استفاده از الکترودها با روکش های محتوی پودر آهن پی برد. به طور کلی مهمترین نوع این الکترودها ، الکترودهای قلیایی بعلاوه پودر آهن هستند که اغلب در ترکیب خود حدود 50 درصد پودر آهن دارند. وقتی الکترود ذوب می شود، در حقیقت علاوه بر مغز الکترود ، پودر آهن موجود در سرباره نیز وارد حوضچه شده و به حجم مذاب اضافه می شود ، از این رو پدیده افزایش بازدهی اتفاق می افتد. یک مقایسه بین الکترودهای قلیایی و قلیایی با پودر آهن ، افزایش حدود 15 تا 30 درصد راندمان را نشان می دهد.
الکترودهای E7018 ، E7028 ، E7048 ، E8018 ، E9018 ، E11018 و غیره در استاندارد AWS از این جمله اند.
ترکیب رتیل با مقدار زیادی پودر آهن نیز ، کلاس الکترودهای رتیلی پودر آهن دار را طبقه بندی می کند که دارای انعطاف پذیری بسیار بالایی بویژه در زوایای تنگ و محدود در مکان و حرکت می باشند.
مقایسه نسبی انواع اصلی الکترودها از جهات مختلف
نوع الکترود
خاصیت موجود در آن
سلولزی
روتیلی
قلیایی ( کم هیدروژن )
نرمی و ازدیاد طول
2
3
1
نفوذ جوش
1
3
2
عدم بریدگی کناره جوش
3
1
2
عدم پاشش – جرقه و راندمان رسوب
3
1
2
بدون عیب بودن جوش
3
2
1
راحتی استفاده
3
1
2
راحتی روشن کردن قوس
2
1
3
مقاومت در برابر ترک خوردن جوش
3
2
1
سرعت ایجاد فلز جوش
3
1
2
چقرمگی جوش
2
3
1
شماره یک = خوب شماره دو = متوسط شماره سه = بد

مهمترین عملکردهای مواد اولیه تشکیل دهنده روکش الکترودها
ماده اولیه
عملکرد اصلی
عملکرد فرعی
سلولز
ایجاد گاز محافظ
سرباره سازی
کربنات کلسیم
ایجاد گاز محافظ
تصفیه فلز جوش
فلورین
سرباره سازی
تصفیه فلز جوش
دولومیت
ایجاد گاز محافظ
تصفیه فلز جوش
رتیل
سرباره سازی
پایدار نمودن قوس الکتریکی
تیتانات پتاسیم
پایدار نمودن قوس الکتریکی
سرباره سازی
فلدسپات
سرباره سازی
پایدار نمودن قوس الکتریکی
میکا
تسهیل عمل روکش کردن الکترود
پایدار نمودن قوس الکتریکی
خاک رس
تسهیل عمل روکش کردن الکترود
سرباره سازی
سیلیس
سرباره سازی
سیال نمودن مذاب
آزبست
سرباره سازی
تسهیل عمل روکش کردن الکترود و ایجاد گاز محافظ
اکسید منگنز
سرباره سازی
آلیاژ سازی
اکسید آهن
سرباره سازی
افزایش راندمان
پودر آهن
افزایش راندمان
پایدار نمودن قوس الکتریکی
فرو سیلیسیوم
احیاء کنندگی
سرباره سازی
فرو منگنز
آلیاژ سازی
احیاء کنندگی
سیلیکات سدیم
چسب
روان ساز
سیلیکات پتاسیم
پایدار نمودن قوس الکتریکی
چسب

دسته بندی وظایف روپوش الکترود
وظایف اجزاء روپوش سرباره
چسبانندگی
مقاومت روپوش
تثبیت کنندگی قوسی
سرباره سازی
تشکیل دهنده گاز
عامل احیاء کنندگی
عامل اسید کنندگی
اسیدی بودن سرباره
قلیایی بودن سرباره
سیالیت سرباره
درصد آلیاژی
نرخ جایگزینی
کمی
هیدروژن
سلولز
B
B

A
B

روتیل

A
A

B

A

B
سیلیکات سدیم
A

B

B

آزبست
B
A
B
A

B

B
خاک رس
B
B
B
A

B

B
کربنات کلسیم

A
B
A

B

B

A
فلورید کلسیم

A
A

سیلیکات آلومینیوم

B
A

سیلیکات منگنز

B
A

سیلیکات آهن

A
B
A

سیلیکات پتاسیم
A

A
A

B
اکسید آهن

B

A

A
A

فرو منگنز

A

A

B

B

پودرهای آلیاژی

B

A

پودر آهن

B

A

A = وظیفه اولیه B = وظیفه ثانویه

انتخاب الکترود بر اساس نوع روکش ، با توجه به انتظارات مصرف کننده
انتظارات مصرف کننده
سلولزی
رتیلی
اسیدی
اکسیدی
قلیایی
پودر آهن
سیالیت مذاب
خوب
متوسط
خوب
خوب
متوسط
خوب
نفوذ بالا
خوب
متوسط
ضعیف
ضعیف
متوسط
خوب
عدم وجود سوختگی کناره جوش
ضعیف
خوب
متوسط
متوسط
خوب
خوب
عدم پاشش
ضعیف
متوسط
ضعیف
متوسط
خوب
خوب
راندمان ذوب بالا
ضعیف
خوب
متوسط
متوسط
متوسط
خوب
پایداری قوس الکتریکی
خوب
متوسط
متوسط
متوسط
خوب
خوب
سهولت برقراری مجدد قوس
خوب
خوب
متوسط
متوسط
خوب
خوب
عدم وجود ترک
متوسط
متوسط
متوسط
متوسط
خوب
خوب
جدایش آسان سرباره
خوب
خوب
خوب
متوسط
متوسط
متوسط
شروع قوس آسان
خوب
خوب
خوب
ضعیف
متوسط
خوب
امکان استفاده
در وضعیت ها
خوب
خوب
خوب
متوسط
خوب
متوسط
ظاهر جوش مناسب
ضعیف
خوب
خوب
متوسط
متوسط
خوب
عدم باقی ماندن سرباره در جوش
متوسط
متوسط
خوب
ضعیف
متوسط
متوسط
نگه داری آسان
خوب
متوسط
خوب
متوسط
ضعیف
متوسط

ضریب ذوب ( Fusion Coefficient ) :
ضریب ذوب الکترود ، مقدار فلزی است ( بر حسب گرم ) که در مدت یک ساعت به ازای یک آمپر از شدت جریان جوشکاری ذوب می شود. به همین دلیل ، واحد اندازه گیری ذوب عبارت است از : گرم بر آمپر ساعت.
عوامل موثر بر ضریب ذوب ، عبارتند از :
1. ترکیب شیمیایی مغزی الکترود
2. ترکیب شیمیایی روکش الکترود
3. ضخامت روکش الکترود
4. مقدار جریان مصرفی برق و نوع جریان و پلاریتی
5. فرآیند جوشکاری مورد استفاده
6. قطر الکترود مصرفی
تجربه ثابت کرده است که بالا بودن ضریب ذوب یک الکترود ، سرعت جوشکاری با آن را افزایش می دهد. به همین علت ، هنگام طراحی با تدوین WPS ، در مواردی که به سرعت جوشکاری بالا نیاز می باشد ، باید الکترودی را انتخاب نمود که ضریب ذوب بالاتری را داراست.
نرخ ذوب ( Melting Rate ) :
طول قطر الکترود ذوب شده در یک دقیقه را نرخ ذوب آن الکترود می نامند. نرخ ذوب به عوامل زیر بستگی دارد :
1. مقدار یا شدت جریان مصرفی
2. فرآیند جوشکاری
3. قطر الکترود مصرفی
4. ضخامت روکش الکترود
5. ترکیب شیمیایی روکش الکترود
6. ترکیب شیمیایی مغزی الکترود
7. فاصله نوک الکترود تا حوضچه جوش
به عنوان مثال ، نرخ ذوب یک الکترود مشابه در مورد ژنراتورهای جوشکاری ، بیشتر از رکتیفایرها و در رکتیفایرها بیشتر از ترانسفورماتورها است. برای منابع قدرت مشابه ، نرخ ذوب با افزایش شدت جریان افزایش می یابد ، اما شدت افزایش نرخ ذوب در الکترودهای ضخیم تر کمتر از الکترودهای باریک تر است. همچنین توجه به این نکته ضروری است ، که در شدت جریان های خیلی زیاد ، به دلیل پدیده هایی مثل وزش قوس ( Arc Blow ) و جرقه ( Spatter ) و نیز حرارت مقاومتی زیاد در الکترود ، نرخ ذوب تا حدود اندکی کاهش می یابد.
نرخ رسوب ( Deposition Rate ) :
نرخ رسوب عبارت است از وزن فلز رسوب داده شده در واحد زمان ، به عبارت دیگر فلز پرکننده ای که در جریان جوشکاری از سیم یا الکترود ذوب و روی درز اتصال یا قطعه کار رسوب داده می شود و جزئی از جوش و اتصال را تشکیل می دهد ، فلز رسوب یا رسوب جوش نامیده می شود. نرخ رسوب را اغلب با واحد کیلوگرم بر دقیقه نشان می دهند. نرخ رسوب در شرایط مشابه با موتورهای بنزینی بیش از رکتیفایرها و در رکتیفایرها بیش از ترانسفورماتورها است. نرخ رسوب اغلب کمتر از نرخ ذوب است ، زیرا مقداری از فلز ذوب شده ، به صورت پاشش ، جرقه ، اکسید و بخار ، در حین انتقال از الکترود به حوضچه جوش از بین می رود.
ضریب رسوب ( Deposition coefficient ) :
ضریب رسوب ، در حقیقت جرم فلز جوش رسوب شده ، تحت شرایط خاص در آمپر دقیقه برای یک الکترود معین بوده و با ضریب ذوب ، قابل مقایسه می باشد. ضریب رسوب نیز همواره اندکی از ضریب ذوب کمتر است ، زیرا همیشه مقداری از الکترود ذوب شده در اثر پاشش ، اکسایش و تبخیر ، هدر می رود.
راندمان یا بازدهی ( Deposition Efficiency ) :
همانطور که قبلاً گفته شد ، به دلیل تلفات مذاب در جریان جوشکاری مثل پاشش ، جرقه ، اکسایش ، تبخیر و غیره ، همواره نرخ و ضریب رسوب الکترودها ، کمتر از نرخ و ضریب ذوب الکترودها هستند. نسبت وزن فلز رسوب داده شده بر وزن خالص الکترود مصرفی بدون در نظر گرفتن وزن ته مانده های الکترود ( Electrode Stub ) که به صورت درصد بیان می شود ، راندمان یا بازدهی رسوب نامیده می شود. راندمان یا بازدهی رسوب از رابطه زیر بدست می آید :
100 * R = (WD / W)
R = راندمان یا بازدهی رسوب ( درصد )
WD = وزن فلز رسوب داده شده ( کیلوگرم )
W = وزن خالص الکترود بدون در نظر گرفتن وزن ته مانده الکترود ( کیلوگرم )
در شدت جریان های بالا ، به علت وزش قوس ، جرقه ، اکسایش و تبخیر ، بازدهی الکترود کاهش می یابد ، در نتیجه باید در هنگام جوشکاری ، در صورت امکان حداقل شدت جریان ممکن را بکار برد.
وجود پودر آهن یا سایر عناصر آلیاژی در روپوش برخی الکترودهای جوشکاری ، بازدهی آنها را تا حد قابل توجهی افزایش داده و گاهی نیز از صددرصد متجاوز می سازد ، زیرا مقداری از پودر آهن و سایر عناصر آلیاژی موجود در پوشش نیز به وزن رسوب اضافه و صورت کسر از مخرج آن بزرگتر می شود.
الکترودهایی با روکش قلیایی زیرکونیوم دار ، دارای بیشترین راندمان بوده و تا 240 الی 260 درصد بازدهی دارند. بازدهی الکترودها با روپوش روتیل – قلیایی ، گاهی تا 215 درصد هم می رسد ، اما اغلب در حدود 150تا 160 درصد می باشد و بالاخره ، بازدهی الکترودهای قلیایی محتوی پودر آهن و نیز الکترودهای اسیدی در حدود 120 الی 125 درصد ، دیده شده است. بازدهی سایر الکترودها ، به طور معمولی ، کمتر از صددرصد است.
در بعضی استانداردها ، بازدهی الکترود را با اصطلاح ، بهره دهی الکترود ( Electrode Yield ) معرفی می نمایند.
طبقه بندی الکترودها بر اساس استانداردهای جوشکاری
طبقه بندی الکترودهای روپوش دار بر اساس استاندارد AWS :
این انجمن قواعدی را در مورد شناسایی و طبقه بندی الکترودها وضع کرده که مورد تایید اغلب انجمن های مهندسی و فنی آمریکا و دیگر کشورهای صنعتی جهان نیز قرار گرفته است.
در سال 1935 میلادی ، AWS و Astm ، کمیته مشترکی برای تهیه استانداردهای مشترک و طبقه بندی شده ، برای مواد مصرفی جوشکاری تشکیل دادند. در سال 1969 ، این دو انجمن بزرگ در توافق نامه ای ، کمیته مشترک را منحل نموده و فعالیت آن را متوقف ساختند و سپس به AWS اجازه دادند تا کلیه مسئولیت های مربوط به آن کمیته مشترک را بویژه در خصوص مواد مصرفی به عهده گیرد.
در طبقه بندی AWS ، هر الکترود با یک حرف ( E ) و یک عدد چهار یا پنج رقمی مشخص می شود : E XXXX یا E XXXXX
A. حرف سمت چپ ( E ) معرف الکترود روکش دار است.
B. دو رقم سمت چپ از عددهای چهار رقمی ( یا سه رقم سمت چپ از عددهای پنج رقمی ) معرف حداقل استحکام کششی فلز جوش بر حسب هزار پوند بر اینچ مربع یا KSI است. به طور مثال ، الکترود E6010 که دو رقم سمت چپ آن 60 است ، دارای 60KSI یا 60000PSI استحکام کششی است.
C. دومین رقم از سمت راست ، وضعیت جوشکاری ( Position ) را نشان می دهد.
EXX1X : برای تمامی وضعیت ها
EXX2X : وضعیت های تخت و افقی
EXX3X : تخت
EXX4X : تخت ، سقفی ، افقی ، عمودی سرازیر
D. رقم اول از سمت راست نشان دهنده نوع جریان ، پلاریته ، نوع روکش و مقدار نفوذ قوس الکتریکی است :
نوع روپوش
شماره الکترود
عناصر موجود در آن
نوع جریان
سلولزی
EXXX0
پوشش سلولزی سدیم دار
DCEP

EXXX1
پوشش سلولزی پتاسیم دار
AC – DCEP

رتیلی
EXXX2
پوشش اکسید تیتانیم ، سدیم دار
AC – DCEN

EXXX3
پوشش اکسید تیتانیم ، پتاسیم دار
AC – DCEN – DCEP

EXXX4
پوشش اکسید تیتانیم ، محتوی پودر آهن
AC – DCEN – DCEP
قلیایی
EXXX5
پوشش کم هیدروژن ، سدیم دار
DCEP

EXXX6
پوشش کم هیدروژن ، پتاسیم دار
AC – DCEP
اسیدی
EXXX7
پوشش اکسید آهن محتوی پودر آهن
AC – DCEP – DCEN
قلیایی همراه پودر آهن
EXXX8
پوشش کم هیدروژن محتوی پودر آهن
AC – DCEP

چند نمونه الکترود بر اساس استاندارد AWS با ذکر شرایط استفاده و کاربرد
نوع ماده
کدAWS
نوع جریان
وضعیت جوشکاری

فولادهای معمولی
E6010
DCR
F – V – OH – H

E6011
DCR – AC
F – V – OH – H

E6012
DCS – AC
F – V – OH – H

E6014
DCS – AC
F – V – OH – H

E6015
DER – DCS – AC
F – V – OH – H

E6020
DCR – DCS – AC
F – H

E6024
DCR – DCS – AC
F – H

E6027
DCR – DCS – AC
F – H

E7014
DCR – DCS – AC
F – V – OH – H

E7024
DCR – DCS – AC
F – H

کم هیدروژن
E6015
DCR
F – V – OH – H

E6016
DCR – AC
F – V – OH – H

E6018
DCR – AC
F – V – OH – H

E7016
DCR – AC
F – V – OH – H

E7018
DCR – AC
F – V – OH – H

E7028
DCR – AC
F – H

فولادهای زنگ نزن
E308-15,16
DC – AC
F – V – OH – H

E389-15,16
DC – AC
F – V – OH – H

E310-15,16
DC – AC
F – V – OH – H

E316-15-16
DC – AC
F – V – OH – H

E347-16-16
DC – AC
F – V – OH – H

فولادهای کم آلیاژی

E7011-Al
DCR – AC
F – V – OH – H

E7020-Al
DCR – DCS – AC
F

E8018-C3
DCR – AC
F – V – OH – H

E10013-G
DCS – AC
F – V – OH – H

DCR = جریان یکنواخت قطب معکوس
DCS = جریان یکنواخت قطب مستقیم
AC = جریان متناوب
F = تخت VG = قائم OH = بالای سر یا سقفی R = افقی

یک لیست کامل از عناصر آلیاژی موجود در الکترود بر حسب استاندارد AWS
وانادیوم
منگنز
کروم
نیکل
مولیبدن
علامت پسوند

0.5
A1

0.5

0.5
B1

1.25

0.5
B2

2.25

1.0
B3

2.0

0.5
B4

2.5

C1

3.5

C2

1.0

C3

1.8

0.3
D1

1.75

0.3
D2
0.1
1.0
0.3
0.5
0.2
G

M

اطلاعات مورد نیاز در مورد آنالیز شیمیایی :
آنالیز شیمیایی فلز جوش ممکن است قسمتی از اطلاعاتی باشد که سازندگان الکترود در اختیار می گذارند ، فقط دانستن اینکه چه مقدار عناصر آلیاژی در الکترود موجود است مهم نیست ، مهم این است که بدانیم تغییر در مقدار عناصر آلیاژی چه تاثیری در جوش دارد. ترکیبات شیمیایی یک الکترود با الکترود دیگر را می توان به آسانی با این روش مقایسه کرد.
کربن ( C ) : با افزایش کربن مقدار استحکام کششی و سختی افزایش ، مقدار چقرمگی (Toughness) کاهش می یابد.
گوگرد ( S ) : گوگرد یک ناخالصی طبیعی است و تا آنجایی که ممکن است باید مقدار آن را کم نگه داشت.( کمتر از 0.04 % ) در صورت افزایش گوگرد ، گوگرد می تواند باعث شکنندگی گرم و مک گردد.
فسفر ( P ) : فسفر یک ناخالصی طبیعی است و تا آنجایی که ممکن است باید آنرا کم نگه داشت ، چون با افزایش مقدار فسفر تردی جوش افزایش ، مقاومت به شوک کاهش و میل به ترک بالا می رود.
منگنز ( Mn ) : با افزایش منگنز استحکام کششی ، سختی ، مقاومت به سایش و میل به شکنندگی گرم کاهش می یابد.
سیلیسیم ( Si ) : با افزایش سیلیسیم ، استحکام کششی افزایش می یابد ولی ممکن است میل به ترک خوردن هم افزایش یابد.
کروم ( Cr ) : با افزایش کروم استحکام کششی ، سختی و مقاومت به خوردگی افزایش می یابد ، البته همراه با مقداری کاهش در چقرمگی.
نیکل ( Ni ) : با افزایش نیکل استحکام کششی ، چقرمگی و مقاومت به خوردگی افزایش می یابد.
مولیبدن ( Mo ) : با افزایش مولیبدن استحکام کششی در حرارت بالا و مقاومت به خوردگی افزایش می یابد.
تاثیر رطوبت بر روکش الکترودها
وجود رطوبت بیش از حد در روپوش الکترود ، معایب بسیاری را در جوش بدست آمده بوجود می آورد ، به همین دلیل باید در خشک نگه داشتن الکترودها کوشش بسیاری به عمل آورد.
به طور کلی ، الکترودها پس از ساخت و خروج از کارخانه سازنده ، آماده جذب رطوبت از اتمسفر می باشند. اگر میزان رطوبت نسبی هوا ، بیش از 80 درصد باشد ، روپوش الکترود ، جذب رطوبت را با شدت آغاز می کند و اگر این میزان از 90 درصد بیشتر شود ، جذب رطوبت شدت بسیار زیادی پیدا خواهد کرد. الکترودهای قلیایی به طور معمول در شرایطی که فقط 24 ساعت در معرض رطوبت قرار بگیرند ، کاملاً مرطوب شده و غیر قابل استفاده می باشند. و در صورتی که درصد رطوبت از 80 درصد کمتر باشد ، مدت زمان لازم برای تخریب روکش الکترودهای قلیایی ، یک هفته در معرض هوا قرار داشتن است. فقط در صورتی که رطوبت نسبی هوا کمتر از 40 درصد باشد ، الکترودها هیچگونه آسیبی نخواهند دید.
حداکثر شدت جریان مجاز ( Permissibly Maximum Current ) :
هر چه شدت جریان جوشکاری بیشتر باشد ، مقدار فلز ذوب و رسوب بیشتر و در نتیجه راندمان ذوب یا رسوب افزایش پیدا می کند. اما اگر شدت جریان از حد تعیین شده برای هر الکترود تجاوز نماید ، افزایش پاشش ، جرقه ، اکسایش و حتی تبخیر مذاب را در پی داشته و علاوه بر کاهش بازدهی ، کیفیت سطح و ظاهر نامناسبی در سطح و کناره های خط جوش را پدید می آورد. همچنین به دلیل افزایش بیش از حد درجه حرارت در مغزی الکترود ( به دلیل وجود مقاومت الکتریکی ) ، طول زیادی از الکترود ذوب نشده ، سرخ شده و حتی ممکن است به جدایش و ترک برداشتن روکش الکترود از سطح مغزی آن منجر شود که این به نوبه خود ، سبب ریزش روکش جامد به درون حوضچه جوش و باقی ماندن سرباره در جوش و نیز کاهش ظرفیت های حفاظتی از حوضچه جوش و در نتیجه ورود گازهای اتمسفری به درون حوضچه خواهد شد. از این رو باید در زمان انتخاب شدت جریان جوشکاری و با در منظر گرفتن کلیه پارامترهای مرتبط مثل جنس الکترود ، جنس روکش ، ضخامت روکش ، قطر الکترود ، طول الکترود و غیره ، همواره حداقل شدت جریان مورد نیاز را به کار بست.
انواع جریان در جوشکاری :
در جوشکاری با قوس الکتریکی از دو نوع جریان جهت تشکیل قوس می توان استفاده کرد که عبارتند از :
1. جریان متناوب ( Alter Native Current ) : جریان الکتریکی که مقدار و جهت آن به طور مداوم و با یک تناوب خاص تغییر می کند و معمولاً این تناوب به شکل سینوسی است. این جریان با علامت اختصاری " AC " نشان داده می شود.
محاسن و معایب جریان متناوب ( AC ) :
از جریان های متناوب در جوشکاری به طور گسترده استفاده می شود و دارای مزایا و معایبی به شرح زیر می باشد :
* ترانسفورماتورهای جوشکاری ( AC ) به مراتب از دینام های جوشکاری و رکتیفایرها ( DC ) ارزانتر هستند.
* هزینه نگهداری و تعمیر ترانسفورماتور جوشکاری کمتر است.
* ضریب بهره الکتریکی جریان متناوب در جوشکاری بیشتر است.
* وزش قوس وجود ندارد.
* حرارت در قطعه کار و الکترود به طور مساوی توزیع می شود.
o امکان تغییر قطب وجود ندارد.
o بعضی از الکترودها را نمی توان با این جریان جوشکاری کرد.
o جریان متناوب برای جوشکاری بعضی از فلزات مناسب نیست.
o قوس در جریان AC ناآرام می باشد.
2. جریان مستقیم ( DC ) : جریان الکتریکی که فقط در یک جهت جریان می یابد.
محاسن و معایب جریان مستقیم ( DC ) :
* خطر شوک الکتریکی کمتر است.
* قوس راحت تر تشکیل می شود و پایدارتر است.
* قوس آرامتر بوده و پاشش ذرات کم است.
* استفاده از انواع الکترودها امکان پذیر است.
* جوشکاری با حداقل آمپر امکان پذیر است.
* امکان تمیز کاری قوس در جریان DCRP وجود دارد.
* امکان تغییر قطب وجود دارد.
o گاهی در جوشکاری با جریان مستقیم پدیده ای به نام وزش قوس یا دمش قوس ( انحراف قوس ) وجود دارد که در زیر به شرح این پدیده می پردازیم :
وزش قوس ( Arc Blow ) :
عبور جریان الکتریکی در الکترود و قطعه کار در کابل اتصال ، حوزه مغناطیسی بوجود می آورد که به صورت دایره های متوالی عمود بر مسیر عبور جریان برق است. هنگامی که این حوزه مغناطیسی نامتعادل باشد ، قوس به طرفی که تمرکز حوزه مغناطیسی بیشتر است ، منحرف می شود. این انحراف را وزش قوس گویند. در جوشکاری با جریان مستقیم که حوزه مغناطیس تشکیل شده جهت ثابتی دارد ، وزش قوس بیشتری اتفاق می افتد.
در شکل زیر وزش قوس و جهت های آن مشخص شده است.

معمولاً انحراف قوس در جهت حرکت پیشروی به طرف جلو یا عقب اتفاق می افتد و هنگام جوشکاری گوشه ها و نزدیک محل اتصال کابل به قطعه کار ، انحراف قوس زیاد خواهد بود. در مواقعی که وزش قوس زیاد باشد کنترل مذاب مشکل است و جوش بوجود آمده نامتعادل است.
راه های جلوگیری از وزش قوس و کاهش آن :
* تغییر دادن محل اتصال کابل به قطعه کار ( هر چند ممکن است دورتر از محل جوشکاری )
* در صورت امکان پیچیدن کابل اتصال به اطراف کار ، تا حوزه مغناطیس جدیدی ایجاد کند و این حوزه ، اثر حوزه مغناطیس قبلی را خنثی نماید.
* استفاده از جریان متناوب به جای جریان مستقیم.
قطبیت الکترود :
در جریان جوشکاری با قوس الکتریکی ، می توان از جریان متناوب ( AC ) ، جریان مستقیم با الکترود منفی و قطعه کار مثبت ( DCEN ) و یا جریان مستقیم با الکترود مثبت و قطعه کار منفی ( DCEP ) استفاده کرد. انتخاب نوع جریان به روش جوشکاری ، نوع الکترود و همچنین نوع فلزی که جوشکاری می شود ، بستگی دارد.
اگر در جوشکاری از جریان مستقیم با الکترود منفی و قطعه کار مثبت ( DCEN ) استفاده کنیم به آن جوشکاری با قطب مستقیم می گویند که علامت اختصاری آن DCSP است. در این روش جوشکاری الکترون ها از الکترود به سوی کار پرتاب می شوند و با سرعت زیاد به آن برخورد می کنند. به علت بمباران شدن سطح کار بوسیله الکترون ها ، شدت گرما در محل ذوب بیشتر است. در این حالت جوشکاری 3/2 گرما در محل ذوب و 3/1 در الکترود توزیع می شود و به همین علت نفوذ جوش بیشتر است.
در زیر یک مدار الکتریکی DCSP را مشاهده می نمایید.

اگر در جوشکاری از جریان مستقیم با الکترود مثبت و قطعه کار منفی ( DCEP ) استفاده کنیم به آن جوشکاری با قطب معکوس می گوییم که علامت اختصاری آن DCRP است. برای جوشکاری هایی که سرعت جوشکاری در اولویت است و همچنین الکترودهایی که دارای روکش دیر ذوب هستند ، از قطب معکوس استفاده می کنیم. در این حالت ، فلز مغز الکترود و نیز گازهای محافظ کاملاً گرم هستند ، لذا سرعت انتقال مذاب از الکترود به کار یکنواخت تر و بهتر انجام می شود. در این جریان جوشکاری 3/2 حرارت تولید شده در الکترود و 3/1 حرارت تولید شده در قطعه کار تقسیم می شود.
در زیر یک مدار الکتریکی DCRP را مشاهده می کنید.

Arc Cleaning : یکی دیگر از ویژگی های قطب معکوس عمل تمیز کاری است. به دلیل حرکت الکترون ها از کار و برخورد یون های مثبت از الکترود به قطعه کار در محل تشکیل قوس ، که باعث شکستن لایه اکسیدی می شود. از این ویژگی در جوشکاری فلزاتی که لایه اکسیدی دارند مانند آلومینیوم به نحو مطلوبی استفاده می شود.
در زیر پدیده تمیز کاری قوس الکتریکی با جریان معکوس نشان داده شده است.

در جوشکاری با برق با جریان متناوب ( AC ) به علت تغییر جهت جریان الکترود ، به تناوب نیم سیکل منفی و نیم سیکل بعد مثبت است. پس می توان گفت 2/1 حرارت در کار و 2/1 حرارت در الکترود توزیع شده و عمل تمیز کاری قوس در نیم سیکلی که الکترود مثبت است صورت می گیرد.
در زیر مداری از جریان متناوب ( AC ) را مشاهده می کنید.

منبع قدرت یا مولد نیرو ( Power Source ) :
مولد قدرت ، دستگاهی برای تامین جریان و ولتاژ مناسب برای جوشکاری ، برشکاری حرارتی ، یا پاشش حرارتی است. از جمله این دستگاه ها می توان به ترانسفورماتور ، ترانسفورماتور بعلاوه یکسو ساز ، دینام و ژنراتور را نام برد.
1. ترانسفورماتور :
این دستگاه از برق شهر تغذیه کرده و معمولاً برق را با همان فرکانس متناوب ، جهت جوشکاری پس می دهد. تنها کار این دستگاه ( ترانسفورمیون ) یعنی تغییر اختلاف سطح و شدت جریان می باشد که وظیفه اصلی دستگاه محسوب می شود. به این معنی که دستگاه هنگام شروع به کار ولتاژ را تقلیل داده و شدت جریان را افزایش می دهد. ترانسفورماتور از یک هسته مرکزی و دو سیم پیچ تشکیل شده است.
هسته شامل ورق های ترانسفورماتوری ( یک طرف هادی و یک طرف عایق ) است و بنام سیم پیچ اولیه و ثانویه خوانده می شود. در بعضی دستگاه ها در ترانسفورماتور وسیله ای بنام سلف ( چوک ) وجود دارد که کار تغییر شدت جریان را انجام می دهد.
در زیر شمایی از سیم پیچ ها و هسته ترانسفورماتور نشان داده شده است.

همانطور که ذکر شد این دستگاه دارای دو سیم پیچ می باشد. سیم پیچ اولیه با دور زیاد است که از سیم با قطر کم تهیه می شود و به شبکه برق شهر وصل می باشد. با عبور جریان متناوب از این سیم پیچ ، خطوط قوا تشکیل می گردد و با همان فرکانس ( 50HZ ) برق شهر را تغییر می دهد. خطوط قوا به وسیله هسته آهنی جذب و فوراً به طرف سیم پیچ ثانویه که جریان را برای جوشکاری تنظیم می نماید می رود. این سیم پیچ می تواند با سیم با قطرهای مختلف تهیه گردد و وظیفه آن تنظیم شدت جریان می باشد و مقدار آن بستگی به تعداد دور سیم پیچ ، قطر سیم و فاصله هوایی سیم پیچ دارد و می توان با تغییر میدان قطر ( میدان مغناطیسی ) شدت جریان مورد نظر را بدست آورد. در بعضی از دستگاه ها بجای چوک از کلید سلکتوری به منظور تغییر شدت جریان استفاده شده است. در این روش تغییر شدت جریان در فاصله کم مقدور نیست و تغییرات یک سیکل ثابت دارد. بطور مثال 25 آمپر در هر جابجایی تغییر شدت جریان وجود دارد.
در زیر یک دستگاه ترانسفورماتور نشان داده شده است.

2. رکتیفایر یا یکسو کننده :
ماشین های یکسو کننده دارای طرح های متعدد برای مقاصد مختلف می باشند. انعطاف پذیری یکی از دلایل پذیرش گسترده این دستگاه در صنعت جوشکاری می باشند. این ماشین ها قادر به تحویل جریان با قطب مستقیم یا معکوس می باشند و نیز ممکن است برای جوشکاری دستی و یا جوشکاری با گاز محافظت و یا زیرپودری مورد استفاده قرار گیرد و امکان سرویس دهی چندین کاربر را دارا باشند. همه این ماشین ها دارای دو قسمت اصلی اند که عبارتند از :
* مبدل ( ترانسفورماتور ) جهت تنظیم جریان متناوب ورودی به ماشین
* یکسو کننده که جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کند.
در زیر یکسو کردن جریان بوسیله رکتیفایر نشان داده شده است.

این دستگاه ها دارای یک الکتروموتور و فن دمنده است که باعث خنک کردن یکسو کننده در حین کار و در نتیجه بالا رفتن راندمان دستگاه می گردد. کنترل جریان پیوسته در یک دامنه وسیع امکان پذیر است.
در زیر یک دستگاه رکتیفایر جوشکاری نشان داده شده است.

ماشین های جوشکاری مبدل با یکسو کننده AC – DC :
این ماشین ها به کاربر اجازه می دهند که جریان را به صورت مستقیم یا معکوس انتخاب کند. این ماشین ها در اصل یک یکسو کننده جریان AC هستند و نصب یک کلید بر روی دستگاه به ما اجازه می دهد تا فقط از قسمت مبدل برای جریان متناوب استفاده کنیم. و با زدن یک کلید دیگر یا چرخاندن یک صفحه جریان خروجی به جریان مستقیم جوشکاری تبدیل گردد. مدار یکسو کننده این ماشین هم مشابه سایر دستگاه های رکتیفایر ، از یک پل و تستون ( پل دیود – تریستور ) تشکیل شده است. دستگاه های با تشکیل قوس با فرکانس بالا ، هدایت جریان آب و گاز در حین جوشکاری – فیلترهای عملکرد جریان متناوب و سایر تنظیم کننده ها نظیر ریموت کنترل در این دستگاه ها پیش بینی شده است.
ماشین های جوشکاری جریان متناوب :
خاصیت جریان متناوب این است که در هر 120/1 تا 10/1 ثانیه جهت آن عکس می شود. این تغییر فاز مداوم جریان ، باعث کاهش میدان مغناطیسی جریان شده و در نتیجه از انحراف قوس می کاهد. انحراف قوس باعث ترشح شده و در ترکیب جوش ایجاد تخلخل می کند. هر چند که تشکیل قوس با جریان متناوب نسبت به حالت استفاده از جریان یکسو تا اندازه ای مشکل است ، لیکن عدم وجود انحراف قوس و ولتاژ زیاد باعث تداوم و پایداری قوس می گردد. و این موضوع اجازه استفاده از الکترودهای بزرگ را داده و باعث افزایش سرعت کار در جوشکاری فلزات سنگین و ضخیم می گردد. از دیگر مزایای ماشین های جریان متناوب ، قیمت پایین مصرف انرژی ، بازده تولید جریان زیاد ، عملکرد پیچیده و کاهش نیاز و مراقبت و نگهداری نسبت به انواع دیگر ماشین ها می باشد.
3. دینام :
اگر فرکانس یا تناوب برق را از بین ببریم ، یک جریان مستقیم حاصل خواهد شد. به این منظور از دستگاه ها دینام استفاده می شود که بطور کلی به دو بخش محرک و متحرک تقسیم می شود. بخش محرک بایستی انرژی لازم را جهت تولید الکتریسیته تامین نماید که اصولاً یک موتور برقی متناوب یا یک موتور احتراقی ( بنزینی ) این نقش را ایفا می نماید. این موتور توسط یک قیح به دستگاه دینام کوپله می گردد تا دینام ( بخش متحرک ) را بدور آن به حرکت درآورد. بخش متحرک جریان DC با ولتاژ و آمپراژ لازم جهت جوشکاری را تولید می نماید. واحدهای مختلف دستگاه بر روی یک شاسی نصب شده اند که در زیر آن چرخ و لاستیک جهت انتقال و حرکت ، نصب شده است. این دستگاه دارای ویژگی های زیر می باشد :
* دارای قوس نفوذی و قوی می باشد.
* دارای دوام و عمر طولانی می باشد.
* تنوع کار زیاد داشته و می تواند برای کلیه فلزات قابل جوشکاری با قوس الکتریکی بکار رود. مولدهای جریان مستقیم در صورتی که به طور صحیح نگهداری شوند بسیار با دوام بوده و عمر آنها طولانی می گردد. بیشتر نقاط گردننده در این دستگاه ها دچار فرسودگی می گردند مانند جاروبک ذغالی ( بخشی که روی کلکتور قرار دارد ). Commutation ( عایق سطح یکسو کننده ) دستگاه استارت ، یاتاقان ها ، بلبرینگ ها و رئوستائی کنترل که چنانچه این قسمت ها سرویس ماهیانه و بازدید گردند ، دستگاه دارای راندمان بالایی خواهد بود.
* در دستگاه های DC می توان از تغییر قطب در جوشکاری استفاده نمود. همانطور که می دانیم 3/2 حرارت در قطب مثبت و 3/1 در قطب منفی می باشد. و با توجه به آن می توان قطب مناسب را برای جوشکاری انتخاب نمود. در صورتیکه در جریان AC قطب مثبت و منفی در هر سیکل عوض شود. مسیر جریان الکتریکی از انتهای منفی منبع به سمت فلز پایه ، قوس ، الکترود و سپس سمت قطب مثبت می باشد. در بعضی از دستگاه های دینام با نصب یک کلید بدون اینکه جای کابل ها را عوض کنیم تغییر قطب انجام می گیرد.
در زیر یک دستگاه جوشکاری دینام نشان داده شده است.

تنظیم جریان در مولدهای DC :
تنظیم مناسب ولتاژ و شدت جریان در پروسه جوشکاری نقش بسزایی دارد و یکی از فاکتورهای تعیین کننده در طراحی جوش است. به همین جهت هر چه دستگاه پیشرفته تر و دارای کارآیی بیشتری باشد لاجرم باید دارای سیستم کنترل و تنظیم ولت و آمپر باشد. زیرا اگر ولتاژ زیاد باشد قوس خیلی تند ( Harsh ) بوده و ممکن است موجب انحراف قوس ( Arcblau ) گردد و اگر میزان ولتاژ کم باشد برقراری قوس مشکل است. مولدهای جوشکاری به کمک عقربه تنظیم دامنه عرضی را برای انتخاب جریان جوشکاری فراهم می کنند تا امکان تاسیس حرارت مناسب و دقیق ایجاد گردد. زیرا شیب خروجی دستگاه می تواند به میزان دلخواه تنظیم نمود. یک پیچ یا اهرم به جوشکار اجازه می دهد تا جریان را در یک نرخ معین قرار دهد. به هر حال چند روش مهم و پر کاربرد تنظیم جریان در مولدها وجود دارد که عبارتند از :
A. تنظیم جریان پلکانی یا غیر پیوسته ( Copped Step Cornet ) :
در این روش ، یک سر سیم پیچ ثانویه به ترمینال اتصال و سر دیگر آن پس از چند دور گردش به دور هسته فرعی ( راکتور ) به ترمینال های متوالی یک پس از دیگری وصل می شود. بدین معنی که اولین ترمینال قبل از گردش سیم به دور راکتور در مدار جوشکاری قرار دارد و بیشترین آمپر را دارا است. پس از چند دور گردش سیم به دور هسته فرعی ترمینال دوم قرار گرفته است و همین طور ترمینال سوم ، پس از چند دور دیگر گردش سیم به دور هسته فرعی و آخرین ترمینال درانتهای این سیم پیچ قرار دارد که دارای کمترین آمپر می باشد. به عبارت دیگر برای کاهش شدت جریان از تاثیر متقابل هسته ( راکتور ) بر روی جریان استفاده می کنیم و چون شدت جریان زیاد است ، این تاثیر قابل توجه بوده و ترمینال ها یکی پس از دیگری آمپر کمتری خواهند داشت و به همین دلیل ، اولین ترمینال بیشترین آمپر و آخرین ترمینال کمترین آمپر دستگاه را دارند و جوشکار می تواند به صورت پله ای با استفاده از ترمینال های دستگاه ، آمپر را افزایش یا کاهش دهد.
در زیر مدار جریان جوشکاری به صورت پله ای را نشان می دهد.

B. تنظیم جریان به صورت پیوسته یا لحظه ای ( Continual Variable Cornet ) :
در این روش تغییر آمپر بوسیله قرار دادن یک هسته فرعی در درون هسته اصلی است که سبب می شود خطوط مغناطیسی کمتری از وسط سیم پیچ ثانویه عبور کند و شدت جریان کمتری در آن سیم پیچ القا شود.
هسته فرعی بوسیله یک پیچ بلند به دسته تغییر آمپر دستگاه متصل است. بیشترین آمپر زمانی است که با گردش دسته ، هسته فرعی کاملاً از درون هسته اصلی خارج می شود. چنانچه دسته را در جهت عکس حالت قبل بچرخانیم تا هسته فرعی کاملاً درون هسته اصلی قرار گیرد ، کمترین آمپر را خواهیم داشت. در این حالت خطوط مغناطیسی از مسیر هسته فرعی عبور می کند و سیم پیچ ثانویه در حوزه مغناطیسی با شدت کمتر قرار خواهد داشت ، در نتیجه شدت جریان القایی کمتر خواهد شد.
پس با کم و زیاد کردن شدت حوزه مغناطیسی که از وسط سیم پیچ ثانویه عبور می کند ، آمپر کم و زیاد می شود. میزان آمپر به میزان تماس هسته فرعی ( هسته متحرک ) با هسته اصلی بستگی دارد. چنانچه دسته تغییر آمپر روی دستگاه را یک دور بچرخانیم ، هسته فرعی به اندازه یک گام پیچی که به آن متصل است ، جا به جا می شود و به همین نسبت آمپر تغییر می کند. لذا می توان با توجه به مقدار و جهت گردش دسته ، آمپرهای متفاوت را با دقت زیاد تنظیم کرد.
در زیر مدار جوشکاری به صورت پیوسته را می بینید.

C. تنظیم آمپر بوسیله هسته دو قسمتی :
تنظیم آمپر به وسیله هسته دو قسمتی که با دور کردن دو قسمت هسته ، آمپر کم و با نزدیک کردن دو هسته آمپر زیاد می شود.
تغییر آمپر بوسیله هسته دو قسمتی

D. تنظیم آمپر بوسیله دور و نزدیک کردن سیم پیچ ثانویه :
با دور و نزدیک کردن سیم پیچ ثانویه از حوزه مغناطیسی سیم پیچ اولیه می توان آمپرهای کم یا زیاد بدست آورد.
تغییر آمپر بوسیله دور و نزدیک کردن سیم پیچ ثانویه

تنظیم از راه دور ( Remote Control ) : بعضی از ماشین های جوشکاری مجهز به این دستگاه هستند. ممکن است دستگاه جوشکاری در مکانی دور از محل کار نصب و راه اندازی گردد و در ضمن امکان ترک جوشکار از محل کار نباشد ، در این حالت سیستم کنترل از راه دور کارآیی داشته و موجب صرفه جویی در وقت خواهد شد.
4. موتور ژنراتور :
موتور ژنراتور یکی دیگر از انواع مولد یا دینام می باشد و فرق آن با دستگاه دینام در نوع برق خروجی آن است که جریان خروجی این دستگاه AC می باشد. کاربرد این دستگاه بیشتر در ساخت سازه های عمرانی و اسکلت های فلزی است ، زیرا همانطور که می دانید جریان DC دارای پایداری کمی است و به همین منظور اگر در سر راه خروجی دینام که دارای جریان DC است ، دستگاه اسیلانپور ( نوسان ساز ) نصب گردد این ماشین را ژنراتور می نامند.
در زیر شمایی از یک ژنراتور معمولی نشان داده شده است.

ایمنی در جوشکاری ( Safety In Welding ) :
یکی از مسائل مهمی که جوشکار و بویژه مسئولین یک کارگاه باید دقیقاً به آن توجه کنند نکات ایمنی می باشد که حائز اهمیت است. آسیب بر کارگران با خسارات جانی ، نقص عضو و عواقب آنها بر شخص و خانواده او را نمی توان با معیارهای مادی و مالی سنجید ، ولی اغلب ضرر و زیان های ناشی از حوادث خسارات جانی و گاه مالی غیر قابل جبرانی به بار می آورند. نکات ایمنی معمولاً در دو دسته ایمنی فردی و ایمنی گروهی مطالعه می شود که در گروه دوم علاوه بر مسئولیت هر شخص نسبت به خودش باید به اطرافیان و حتی کل جامعه هم توجه داشته باشد. چه بسا سهل انگاری و عدم رعایت بعضی نکات ایمنی یک فرد ، موجب خسارات جانی و مالی گروهی شود.
بطور کلی حوادث و وقایع ناگواری که در حین جوشکاری یا برشکاری اتفاق می افتد ، دو دلیل عمده دارند که عبارتند از :
1. عدم آشنایی و دانش شخص به نکات ایمنی و بهداشتی
2. سهل انگاری و بی توجهی به رعایت نکات ایمنی.
بنابر این آموزش جوشکار و مسئولین در هر برنامه آموزشی تکنولوژی جوشکاری اعم از نوآموزی یا بازآموزی الزامی بوده و ارشادهای لازم برای دقت در اجرای آنها نیز ضروری است.
o مهمترین توصیه در تمام موارد این است که ، با وسیله ای که روش کار آن را نمی دانید و آموزش ندیده اید کار نکنید.
بعضی از نکات می باشند که باید در همه فرآیندهای جوش و برش رعایت شوند و در بعضی از فرآیندها باید علاوه بر نکات عمومی به نکات دیگری نیز اهمیت داد که ما در این مبحث نکات ایمنی عمومی و نکات ایمنی مربوط به فرآیند جوش برق را بیان می کنیم.
نکات ایمنی عمومی :
* تهویه و سیستم گردش هوا :
همه عملیات جوش و برش باید در فضایی که سیستم تهویه خوب دارد انجام شود. جابجایی کافی هوا برای جلوگیری از انبوه شدن دودها و گازهای مسموم کننده و احتمالاً کاهش اکسیژن الزامی است.
هنگامی که دودهای سمی ناشی از مواد پوشش داده شده با سرب ، روی ، برنز ، برنج ، کادمیم و برلیم باشد حساسیت و خطرات ناشی از عدم رعایت تهویه کافی و مناسب به مراتب شدیدتر می شود.
* لباس محافظ ( Protective Clothing ) :
دستکش ساق بلند و پیش بند مقاوم در برابر آتش باید برای بیشتر عملیات جوش و برش استفاده شود. لباس های پشمی نسبت به لباس پنبه ای و نایلونی برای محافظت بدن در حین جوشکاری ترجیح داده می شوند زیرا مقاوم تر از همه در برابر آتش سوزی می باشد.
از پوشیدن لباس هایی که دارای لبه های برگردان در سرآستین یا پاچه شلوار و جیب هستند ، خودداری شود چون احتمال حبس ذرات گداخته جرقه در آنها وجود دارد که منجر به سوختن لباس و پوست خواهد شد.
بهتر است از کفش های مناسب استفاده کرد تا اولاً ، قسمتی از ضربه ناشی از سقوط احتمالی قطعات بر روی پا را بگیرد ، ثانیاً پا را در مقابل جرقه و ذرات گداخته شده که بر روی زمین می ریزند محافظت کند.
در زیر لباس و دستکش مناسب برای جوشکاری نشان داده شده است.

* محافظت از چشم ( Eye Protection ) :
در تمام موارد جوشکاری و برشکاری لازم است از عینک با شیشه مناسب ( شیشه تار با درجه تاریکی مناسب ) استفاده کند. درجه تاریکی شیشه عینک به روش جوشکاری و شدت جریان بکار گرفته شده بستگی دارد. در بعضی موارد نظیر کار با شعله اکسی استیلن عینک های دودی معمولی هم می توان مورد استفاده قرار بگیرد. در جوشکاری با قوس الکتریکی علاوه بر محافظت از چشم باید از ماسک هایی که صورت را نیز می پوشاند استفاده شود. در بیشتر موارد عینک و ماسک با هم همراه می باشند.
باید توجه داشت که اشعه های ماوراء بنفش و مادون قرمز در قوس الکتریکی علاوه بر اثر بسیار خطرناک بر روی چشم ، بر روی پوست نیز اثر سوء دارد.
چشم بدون عینک نباید از فاصله ای کمتر از 15 متر به قوس نگاه کند ، بنابراین باید در اطراف محل جوشکاری با قوس الکتریکی از پرده های مخصوص استفاده کرد تا محیط کارگاه و سایر کارگران را از اثرات اشعه محافظت نماید.
در زیر شمایی از عینک و ماسک های جوشکاری و برشکاری نشان داده شده است.

* محافظت از گوش ( Ear Protection ) :
قوانین کار و ایمنی در کشورها حد معینی از صدا را برای 8 ساعت کار تعیین کرده اند. در صورتی که میزان سروصدا از این حد بگذرد استفاده از محافظ گوش ضروری است. این محافظ علاوه بر جلوگیری از فرسودگی حس شنوایی و اعصاب می تواند گوش را از ذرات جرقه و گرد و غبار محافظت نماید.
* محافظت از سوختگی و آتش سوزی :
در عملیات جوشکاری و برشکاری هرگز نباید قطعه کار را بر روی کف بتنی قرار داد چون حرارتی که به بتن می رسد می تواند آن را منفجر کرده و قطعه پراکنده شده با نیروی زیادی که دارند احتمالاً موجب جراحاتی در جوشکار یا افراد اطرافش می شوند.
قطعات جوشکاری و برشکاری که گرم می باشند با علامتی که نشان دهنده گرم بودن آن است مشخص شود تا موجب سوختگی افرادی که قصد لمس کردن یا جا به جا کردن آن را دارند ، نشود.
باید همیشه وسایل خاموش کردن حریق و کمک های اولیه بازرسی شده و در نزدیکترین محل مناسب قرار داشته باشد.
در شکل زیر فردی را که دارای وسایل ایمنی کاملی می باشد را می بینید.

* شناخت و آشنایی با تجهیزات :
همانطور که قبلاً اشاره شد عمل کننده یا متصدی هرگز نباید با وسیله یا دستگاه جوشکاری کار کند مگر آنکه دستور کار دستگاه را کاملاً خوانده ، فهمیده و اجرا کند.
در صورت مشاهده نواقص یا عیوبی در ماشین آلات یا ابزار کار قبل از آنکه خود به رفع عیب بپردازد بهتر است با مسئول تعمیرات که دوره های مربوطه را دیده است تماس گرفته و احتمالاً زیر نظر او به رفع عیب بپردازد.
نکات ایمنی در جوشکاری با برق :
فرآیندهای جوشکاری با قوس الکتریکی و مقاومت الکتریکی دارای تنوع وسیع و ردیف گسترده قدرت عملیاتی می باشند و بر حسب میزان آمپر و ولتاژ آنها ممکن است نیاز به رعایت توجهات بیشتر باشند. اما آنچه بطور کلی و عمومی می تواند مورد بحث قرار گیرد در زیر مختصراً آورده شده است. البته باید توجه داشت که این نکات ایمنی در جوشکاری برق باید همراه با راهنمایی های سازنده های هر وسیله و دستگاه رعایت شود.
o نصب و برقراری ماشین آلات جوشکاری باید با رعایت استانداردهای مربوطه به تجهیزات و تاسیسات برقی باشد.
o ماشین جوشکاری باید از طریق کلید یا سویچ قطع نیرو ( برق ) چنان وصل باشد که دست یابی به کلید در لحظات بحرانی و خطر در اسرع وقت و به سهولت امکان پذیر باشد.
o تعمیرات تجهیزات و وسایل جوشکاری را نباید به هیچ وجه قبل از قطع جریان برق انجام داد.
o ماشین جوشکاری باید کاملاً اتصال زمین شده باشد. جریان استری ( Stray Current ) می تواند سبب شوک شدید به هنگام تماس و لمس کردن قطعات اتصال زمین نشده شود.
o کلید تغییر قطب را هرگز نباید هنگام روشن بودن ماشین تغییر داد. در این مواقع سعی شود ماشین و مدار باز باشد. در غیر این صورت سطح اتصالی کلید ممکن است بسوزد و قوس ناشی از آن می تواند موجب صدماتی شود.
o از کابل های جوشکاری نباید بار اضافی عبور کند ، یا ماشین با اتصالات ضعیف کار کند. کار کردن با شدت جریان مافوق ظرفیت کابل ، سبب گرم شدن زیاد آن می شود ، همین طور اتصالات ضعیف نیز می تواند موجب ایجاد قوس های ناخواسته در بین کابل و فلز متصل شده به اتصال زمین در مدار الکتریکی جوشکاری شود.
o باید از خیس کردن زمین ، لباس کار یا کار کردن با دست و یا دستکش خیس خودداری کرد. در این شرایط ممکن است شوک الکتریکی یا بعضی ناراحتی های دیگر حاصل شود.
o انواع فرآیندهای جوشکاری که همراه با فشار و له کردن است نظیر جوش مقاومتی نقطه ای یا بعضی فرآیندهای جوشکاری حالت جامد ، باید شبکه ها و توری های محافظ در اطراف محل فک ها وجود داشته باشد.
o کارگر و جوشکاری که با دستگاه جوش مقاومتی کار می کند نباید به سبب این که قوسی وجود ندارد از محافظت چشم و صورت سهل انگاری کند. بهتر است از ماسک های شفاف یا عینک استفاده کند.
o از لمس کردن و تماس حاصل نمودن قسمت غیر عایق شده نگهدارنده الکترود با اتصال زمین ، هنگامی که جریان الکتریکی وصل است اجتناب شود چون این کار موجب جرقه زدن و آسیب رساندن به کار یا نگهدارنده الکترود می شود.
o کابل جوشکاری از رطوبت ، چربی ، گریس و جرقه دور نگاه داشته شود.
o هرگز کابل جوشکاری که در آن جریان الکتریکی عبور می کند برای حمل و نقل به اطراف پا نپیچد.
o فرا گرفتن اصول کمک های اولیه در مورد سوختگی ، برق گرفتگی ، خفگی ، شکستگی و غیره و در دست قرار دادن کلیه وسایل مربوطه الزامی می باشد.
طرح اتصال ( Joint Design ) :
طرح های زیادی برای اتصال در جوشکاری وجود دارد که ما در اینجا مهمترین آنها را مطرح می کنیم.

بخش ضمیمه :
ما در این بخش چگونگی حرکت و زاویه الکترود را در طرح اتصالات مختلف نشان داده شده است.