اصول فرایند جوشکاری قوس الکتریکی دستی
امروزه جوشکاری قوس الکتریکی دستی SWAM، بیشترین موارد مصرف را در میان سایر فرایندهای جوشکاری قوسی دارد. در این فرایند از گرمای قوس برای ذوب فلز پایه و الکترود روپوشدار استفاده میشود. فرایند SMAW شامل نیرو، کابلهای جوشکاری، انبر الکترودگیر و انبر اتصال و الکترود است. از دو کابلی که به دستگاه متصل شده، یکی به انبر اتصال و دیگری به انبر الکترودگیر متصل میشود. با برقراری قوس الکتریکی بین نوک الکترود و سطح کار، جوشکاری شروع شده و حرارت شدید قوس الکتریکی، نوک الکترود و سطح کار را که در مجاورت قوس قرار دارد، ذوب مینماید.
به محض برقراری قوس، نوک الکترود ذوب شده و قطرات مذاب به سمت حوضچه جوش منتقل میشوند. از آنجا که قوس الکتریکی یکی از منابع حرارتی قوی است (حرارت قوس بین ۵۵۰۰ – ۴۵۰۰ درجه سانتیگراد) فلز پایه خیلی سریع ذوب میشود. انرژی الکتریکی باید به اندازه کافی زیاد بوده تا بتواند فلز پایه و الکترود را ذوب نماید. طول قوس مناسب برای پایداری قوس و انتقال مناسب قطرات مذاب به حوضچه جوش ضروری است. عمل محافظت حوضچه جوش، قوس و منطقه حرارت دیده اطراف حوضچه جوش توسط گاز حاصل از سوختن روپوش الکترود صورت میگیرد.
قابلیتها و محدودیتهای فرایند SMAW
قوس الکتریکی دستی یکی از کاربردیترین فرایندهای جوشکاری به ویژه جهت استفاده در تولید، کارهای تعمیر و نگهداری و در زمینه ساخت و ساز است.
مهمترین مزایای این فرایند
- تجهیزات این فرایند معمولاً ساده، ارزان و قابل حمل است.
- روپوش الکترود، مانع از اکسید شدن فلز جوش و حوضچه در طول جوشکاری میشود.
- به فلاکس و گازهای محافظ کمکی، نیازی نیست.
- در مناطقی که دسترسی به آن مشکل است به راحتی این فرایند کاربرد دارد.
- این فرایند برای جوشکاری اغلب فلزات و آلیاژها مناسب است.
- از الکترودهای SMAW میتوان برای جوشکاری فولاد کربنی، فولاد کم آلیاژ، فولادهای آلیاژی و ضد زنگ، چدن، مس، نیکل و آلیاژهای آنها و برخی آلیاژهای آلومینیومی استفاده کرد.
- از آنجا که حرارت قوس در این فرایند بسیار بالا است، لذا استفاده از این فرایند برای جوشکاری فلزات زود ذوب مانند سرب، قلع، روی و آلیاژهای آنها مناسب نیست.
- آمپر بیش از حد مجاز سبب بیش از حد گرم شدن الکترود و شکسته شدن پوشش الکترود میشود.
انواع جریان مصرفی در جوشکاری قوس الکتریکی دستی
از دو جریان متناوب AC و جریان مستقیم DC میتوان استفاده نمود. انتخاب نوع جریان مصرفی بستگی به روپوش الکترود مصرفی دارد.
جریان مستقیم DC
جریان مستقیم بطور گستردهای در این فرایند مورد استفاده قرار میگیرد.
مزایای جریان مستقیم
- امکان جوشکاری با آمپرهای کم وجود دارد.
- همه نوع الکترودی با آن قابل جوشکاری است.
- امکان تغییر قطب وجود دارد.
- برقراری قوس راحتتر است.
معایب جریان مستقیم
- امکان ایجاد وزش قوس وجود دارد.
- دستگاههای جریان مستقیم گرانتر و هزینه نگهداری و تعمیرات آن بیشتر است.
تغییر قطب در جریان مستقیم
از دو نوع قطبیت در جریان مستقیم میتوان استفاده نمود.
- قطب مستقیم
- قطب معکوس
قطب مستقیم
اگر انبر الکترود به قطب منفی و انبر اتصال به قطب مثبت دستگاه وصل شود به این حالت قطب مستقیم یا DCSP گفته می شود. حرکت الکترون ها از سمت نوک الکترود به سمت قطعه کار است.
قطب معکوس
اگر انبر الکترود به قطب مثبت و انبر اتصال به قطب منفی دستگاه وصل شود به این حالت قطب معکوس یا DCRP گفته میشود. حرکت الکترونها از سمت سطح کار به طرف نوک است. انتخاب نوع قطبیت در جوشکاری قوس الکتریکی فقط بستگی به نوع روپوش الکترود مصرفی دارد.
مقایسه قطب مستقیم و معکوس
در قطب معکوس سرعت ذوب الکترود سریعتر، نفوذ کمتر و عرض حوضچه جوش بیشتر است. در قطب مستقیم سرعت ذوب الکترود کمتر، نفوذ بیشتر و عرض حوضچه جوش کمتر بوده، ولی در عمل این تئوری برعکس است. یعنی در قطب معکوس سرعت ذوب الکترود کمتر و نفوذ بیشتر بوده ولی در قطب مستقیم سرعت ذوب الکترود بیشتر و نفوذ کمتر است.
این مسئله بخاطر مواد روپوش است. بعنوان مثال وقتی از الکترود سلولزی با قطب معکوس استفاده میشود یک شعله هیدروژنی قوی در نوک الکترود شکل میگیرد که باعث ذوب سریع قطعه کار میشود. ولی وقتی الکترود سلولزی را با قطب مستقیم بکار میبرید شعله هیدروژنی تشکیل نشده و ذوب بخوبی انجام نمیشود.
جریان متناوب AC
در جریان متناوب جهت حرکت الکترونها بصورت مداوم عوض میشود یعنی جای قطب مثبت و منفی جابجا میشود. بنابراین امکان تغییر قطب مانند جریان مستقیم وجود ندارد. در جریان متناوب در یک ثانیه ۵۰ مرتبه قطب مستقیم و ۵۰ مرتبه قطب معکوس شکل میگیرد. بنابراین شکل جوش و مقدار نفوذ و سرعت ذوب الکترود، مابین قطب معکوس و قطب مستقیم در جریان DC است. الکترودهایی با جریان AC قابل استفاده هستند، دارای مواد پایدار کننده قوس نظیر پتاسیم در روپوش خود هستند. الکترودی که فاقد این ماده باشد، در جریان AC دارای قوس پایدار نیست. چون جریان AC در هر ثانیه چندین مرتبه به صفر میرسد و این مسئله باعث قطع شدن قوس الکتریکی میشود.
معایب جریان متناوب
- برقراری قوس مشکلتر است.
- همه نوع الکترودی با آن قابل جوشکاری نیست.
- امکان تغییر قطب وجود ندارد.
- خطر برق گرفتگی در جریان AC بیشتر است.
مزیت جریان متناوب
- دستگاههای جریان AC ارزانتر و هزینه نگهداری آنها کمتر است.
- امکان ایجاد قوس وجود ندارد.
متغیرهای جوشکاری قوس الکتریکی دستی
آمپر
الکترودهای روپوشدار در یک قطر مشخص ولی با جنس روپوش متفاوت در محدوده مختلفی از جریان مورد استفاده قرار میگیرند. این محدوده تا حد زیادی با ضخامت و جنس روپوش تغییر میکند. در بین الکترودهای موجود، الکترودهای سلولزی نیاز به آمپر کمتری داشته و الکترودهای قلیایی نیاز به آمپر بیشتری دارند. در یک آمپر مشخص الکترودهای پودر آهن دار دارای نرخ رسوب بیشتری هستند.
انتخاب جریان در یک نوع الکترود به فاکتورهای زیادی از جمله موقعیت جوشکاری و نوع اتصال بستگی دارد. جریان باید به حدی باشد که در عین اینکه باعث کنترل مناسب بر روی حوضچه مذاب میشود، باعث ذوب دیواره اتصال و نفوذ مناسب شود. برای جوشکاری در حالت سربالا و سقفی، جریان مناسب باید در کمترین حد مجاز تنظیم شود. در صورت استفاده از جریانهای بالاتر، گرمای ایجاد شده بیشتر شده و باعث ایجاد پاشش جرقه زیاد، انحراف قوس خوردگی کنار جوش و گاهی ترک در فلز جوش میشود.
طول قوس
طول قوس فاصله بین نوک الکترود تا سطح مذاب است. طول قوس مناسب جهت ایجاد اتصال بینقص، دارای اهمیت است. چنانچه در جوشکاری از جریان طول قوس مناسب استفاده شود، هر گونه تغییر در ولتاژ قوس به حداقل خواهد رسید. ایجاد این حالت وابسته به تغذیه ثابت و منظم الکترود است. طول قوس صحیح با توجه به طبقه بندی الکترود، قطر و ترکیب روکش الکترود و جریان و موقعیت جوشکاری تغییر میکند. با افزایش جریان و قطر الکترود، طول قوس نیز افزایش مییابد. طبق یک قاعده کلی، طول قوس نباید از قطر مغزی الکترود بیشتر باشد.
سرعت حرکت
سرعت حرکت، نسبت حرکت الکترود در طول اتصال است. سرعتی مناسب است که در آن درز جوش با طرح و ظاهری مناسب ایجاد شود. سرعت حرکت تحت تاثیر فاکتورهای زیادی قرار دارد. موارد زیر از آن جملهاند.
- قطبیت جریان جوشکاری
- موقعیت جوشکاری
- نرخ ذوب الکترود
- ضخامت مواد
- وضعیت سطح فلز پایه
- نوع اتصال مهارت در بکارگیری الکترود
هنگام جوشکاری، سرعت جوشکاری باید به گونهای تنظیم شود که قوس به آرامی حوضچه جوش مذاب را هدایت نماید. تا رسیدن به یک نقطه خاص، افزایش سرعت حرکت، درز جوش را باریکتر نموده و نفوذ را افزایش میدهد. بالاتر شدن سرعت جوشکاری باعث کاهش نفوذ، بینظمی سطح پهنای جوش، ایجاد برش کناره جوش، مشکل شدن جداسازی سرباره و ایجاد تخلخل در فلز جوش میشود. سرعت حرکت کم سبب ایجاد درز جوش پهن و مقعر با نفوذی کم عمق میشود. نفوذ کم، بعلت توقف قوس روی حوضچه مذاب به جای هدایت و تمرکز آن روی فلز پایه ایجاد میشود. سرعت حرکت روی حرارت ورودی نیز تاثیر میگذارد و باعث افزایش حرارت ورودی شده و منطقه HAZ افزایش مییابد.