جوشکاری ذوبی
جوشکاری ذوبی یا جوشکاری حالت مایع یکی از روش‌های جوشکاری است که بر طبق تعریف AWS به هر فرایند جوشکاری که از ذوب‌کردن فلز پایه به منظور ایجاد جوش استفاده کند، گفته می‌شود. در جوشکاری ذوبی برای اتصال دو فلز به یکدیگر، نقاط اتصال را ذوب کرده و به یکدیگر می‌چسبانند تا هنگام سرد شدن در اثر انجماد، اتصال برقرار شود. در عین حال ممکن است یک فلز دیگر (معمولاً در الکترود) نیز برای کنترل ضخامت محل اتصال مورد استفاده قرار بگیرد.
جوشکاری یکی از فرایندهای اتصال دائمی قطعات (فلزی یا غیرفلزی)، به روش ذوبی یا غیر ذوبی، با بکارگیری یا بدون بکارگیری فشار، با استفاده یا بدون استفاده از ماده پرکننده است. فرایندهای جوشکاری به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند.
- فرایندهای جوشکاری ذوبی
- فرایندهای جوشکاری غیر ذوبی
روش‌های جوشکاری ذوبی
جوشکاری با گاز اکسیژن و سوخت
- در این روش برای ذوب کردن فلز از گاز اکسیژن و سوختی که همراه آن می‌سوزد استفاده می‌شود.
جوشکاری با قوس الکتریکی
- در این روش برای ذوب کردن فلز از قوس الکتریکی استفاده می‌شود.
جوشکاری مقاومتی
- در این روش برای ایجاد گرمای ذوب از مقاومت الکتریکی استفاده می‌شود، در حالی که دو فلز در کنار یکدیگر زیر فشار قرار دارند.
جوشکاری حالت مذاب
اتصال بین دو قطعه فلزی با ذوب کردن لبه‌ها یا سطح اتصال با یا بدون افزودن فلز پرکننده با یا بدون اعمال فشار را جوشکاری ذوبی یا حالت مذاب می‌نامند. این نوع فرآیند برای پلاستیک‌ها و سرامیک‌ها نیز کاربرد دارد و تحت عنوان جوشکاری امتزاجی شناخته می‌شود. مزایای ویژه این فرآیند سبب استفاده گسترده از آن در صنعت شده است. به گونه‌ای که گفته می‌شود پس از معرفی این روش به عنوان فرآیند تولیدی جهت اتصال دهی آلیاژهای سبک از جمله آلیاژهای آلومینیم، نسبت تقاضا به عرضه محصو‌لات پایه همانند ورق و شمش به شدت افزایش یافته و منجر به افزایش قیمت آلومینیوم شده است.
یکی از د‌لایل این امر مشکلات جوشکاری ذوبی آلیاژهای آلومینیم است. روش‌های GIM و GIM فرآیندهایی هستند که در صنعت اغلب برای اتصال آلیاژهای آلومینیم عملیات حرارتی پذیر مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما در آنها عیوبی نظیر تخلخل، ذوب ناقص (به علت لایه‌های اکسیدی)، نفوذ ناقص، ترک و ناخالصی وجود دارد. حساسیت به ترک گرم در این نوع آلیاژها به علت دامنه‌ی وسیع دمای انجماد با توجه به حضور عناصر آلیاژی بیشتر است. به علت تمایل زیاد آلومینیم مذاب به ترکیب با اکسیژن، در حین فرآیندهای جوش ذوبی، اکسید آلومینیم به سرعت تشکیل می‌شود و به دلیل دمای ذوب با‌لاتر نسبت به فلز خالص، سبب ذوب ناقص در جوش می‌شود. اگر این اکسیدها ضخامت قابل توجهی پیدا کنند، چون عایق الکتریکی هستند، توانایی جلوگیری از تشکیل قوس را در هنگام شروع جوشکاری دارند. از طرفی ضریب انبساط حرارتی آلیاژهای آلومینیم زیاد و حدود دو برابر فو‌لاداست، لذا اتصالات جوش آلومینیم، در حین سرد شدن سریع از دمای ذوب دارای تمرکز تنش پسماند قابل ملاحظه‌ای می‌شوند. حتی با استفاده از گازهای محافظ خنثی یا فالکس‌های خاص در برخی آلیاژها به راحتی نمی‌توان اتصال مطلوبی را به دست آورد.
امروزه ضرورت بررسی و پژوهش روش‌های نوین جوشکاری حالت جامد برای غلبه بر مشکلات مذکور، افزایش کیفیت و حتی سرعت فرآیند جوشکاری احساس می‌شود. دشواری در ایجاد جوش‌های با استحکام بالا و مقاوم در برابر خستگی و شکست در آلیاژهای هوافضای آلومینیم پرآلیاژ توسط روش‌های جوشکاری ذوبی محدوده استفاده از این آلیاژها را کوچکتر کرده است. این آلیاژهای آلومینیم به خاطر ایجاد ریزساختار انجمادی و ناخالصی در ناحیه جوش عموماً به عنوان آلیاژهای جوش‌ناپذیر طبقه‌بندی می‌شود. همچنین کاهش خواص مکانیکی جوش در مقایسه با فلزات پایه در این نوع آلیاژها قابل توجه هستند. وجود این مسایل باعث شده که اتصال این آلیاژها از طریق روش‌های جوشکاری مرسوم غیرقابل قبول باشد. از جوش مقاومتی می‌توان برای جوشکاری بعضی از آلیاژهای آلومینیم استفاده کرد، اما آماده‌سازی سطح آنها هزینه زیادی را دربر دارد و اکسیدهای سطحی ایجاد شده یک مشکل بزرگ در استفاده از این روش اتصال است.
مزایای اقتصادی جوشکاری
- مصرف انرژی پایین و بازدهی بالا.
- عدم نیاز به ماده مصرفی همانند فلز پر کننده و گاز محافظ
- عدم نیاز به پخ سازی
- قابلیت اتوماسیون بالای فرآیند به دلیل کنترل پذیر بودن سیستم و سهولت مانتیتورینگ.
- سرعت بالای فرآیند به ویژه در حالت‌هایی که مسیر مستقیم و ضخامت قطعه کار زیاد است.
- عدم آلودگی محیطی از نظر تولید گازهای سمی، ترکیبات مضر، سرباره، تشعشع و…
- عدم نیاز به پرسنل ماهر جوشکاری
مزایای کیفی جوش ایجاد شده
- ایجاد فلز جوش بدون عیب
- قابلیت اتصال دهی آلیاژ‌هایی که به روش‌های معمولی قابلیت جوشکاری ندارند همانند کامپوزیت‌ها یا آلیاژهای رسوب سختی شده.
- اتصال دهی آلیاژهای ناهمجنس که توسط روش‌های معمول امکان پذیر نیست همانند اتصال آلومینیوم به مس یا به فولاد.
- عدم تضعیف نواحی اطراف فلز جوش از نظر خواص متالورژیکی و مکانیکی
- کاهش عیوب ابعادی همانند اعوجاج و تنش‌های پسماند
- استحکام خستگی بالا (تا سه برابر استحکام اتصالات جوشی ایجاد شده توسط فرآیندهای ذوبی)
- عدم ایجاد بخار، جرقه و پاشش.
محدودیت‌های فرآیند
- عدم استاندارد سازی فرآیند به دلیل جدید و نو پا بودن آن.
- محدودیت وضعیت یا Position جوشکاری در پاره‌ای از موارد.
- کارگاهی بودن فرآیند و دشواری تهیه تجهیزات قابل حمل.
- نیاز به تثبیت قطعه کار توسط قید و بست‌های مقاوم.
- نیاز به صفحه پشت بند جهت اتصال یک طرفه.
- باقی ماندن حفره یا سوراخ هم اندازه پین ابزار در انتهای خط جوش.
مروری بر عيوب رايج در جوشكاری ذوبی و روش‌های رفع آن عيوب
امروزه استفاده از آلیاژهای آلومینیوم در صنایع مختلف از جمله هوافضا، دریایی و ساخت مخازن تحت فشار افزایش پیدا كرده كه ناشی از ویژگی‌های این آلیاژها از جمله نسبت استحكام به وزن بالا، مقاومت به خوردگی مناسب، جوش‌پذیری خوب هستند. به علت خصوصیات مكانیكی نسبتاً خوب كاربرد بسیاری پیدا كرده‌اند.
آلومینیوم و آلیاژهای آن اغلب با بیشتر فرایندهای جوشكاری ذوبی قابل جوشكاری هستند اما در برخی از آلیاژهای آلومینیوم به علت حساسیت به ترك انجمادی، ناشی از استحكام بالا، در بعضی موارد جوشكاری با مشكلاتی همراه می‌شوند. همچنین تخلخل نیز در بعضی شرایط می‌تواند به عنوان مشكل در جوشكاری این آلیاژها به شمار رود.
آلیاژهای آلومینیوم دارای خصوصیات ویژه حرارتی و متالورژیكی هستند كه تاثیر بسازی بر روی رفتار جوش‌پذیری این آلیاژها می‌گذارد. از جمله خصوصیات مهم آلیاژهای آلومینیومی هدایت حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی بالا و دمای ذوب پایین بوده كه بسیاری از خصوصیات جوش‌پذیری آلیاژهای آلومینیوم از این ویژگی‌های خاص تاثیر می‌پذیرد.
مشكلات اصلی در جوشكاری ذوبی آلومینیوم و آلیاژهای آن، بسیاری از مشكلات جوشكاری ذوبی آلیاژهای آلومینیومی از خصوصیات فیزیكی، حرارتی و متالورژیكی این آلیاژها ناشی می‌شوند كه در زیر اشاره به هر یك از این خواص و تاثیر آنها بر روی جوش‌پذیری آلیاژهای آلومینیوم می‌شود.
هدایت حرارتی بالای آلیاژهای آلومینیوم
هدایت حرارتی آلومینیوم و آلیاژهای آن حدوداً ۳ تا ۶ برابر آهن و آلیاژهای آن است و این باعث می‌شود كه انتقال حرارت در زمان جوشكاری به اطراف جوش بسیار سریع تر و بیشتر از فولادها باشد. بنابراین نیاز به منبع حرارت به اندازه كافی قوی بوده تا حرارت ایجاد شده قادر به ذوب نمودن فلز پایه و جوشكاری باشد. بنابراین نیاز به جوشكاری با سرعت بالا و تمركز بالا است.
ضریب انبساط و انقباظ بالای آلیاژهای آلومینیوم
انبساط و انقباض آلومینیوم و آلیاژهای آن، در اثر جوشكاری و سرمایش پس از آن، تقریباً دو برابر فولاد بوده كه منجر به تمركز تنش‌های داخلی می‌شود كه باعث پیچیدگی، تاب برداشتن و تغییر ابعادی و تركیدگی خواهد شد. برای رفع این نقیصه می‌توان از فیكسچر و نگه دارنده مناسب استفاده كرد.
نرم شدگی مجاور خط جوش
آلیاژهای آلومینیوم كه در اثر عملیات حرارتی، سختی بالاتری پیدا كرده‌اند، در اثر حرارت ناشی از جوشكاری در مناطق مجاور خط جوش نرم می‌شوند.
حلالیت هیدروژن در آلومینیوم مذاب
هیدروژن در آلومینیوم مذاب كاملاً قابل حل است كه از طرق مختلف می‌تواند وارد حوضچه جوش شود چه از طریق هوا در حین جوشكاری و چربی و آلودگی‌ها می‌تواند به سهولت وارد حوضچه مذاب جوشكاری شود اما با كاهش درجه حرارت، قابلیت انحلال هیدروژن در آلومینیوم كم شده و به صورت حباب در امتداد مزر دانه‌ها پس زده می‌شوند. درحقیقت به دلیل انتقال حرارت بالای آلومینیوم، لایه سطحی در گرده جوش به سرعت منجمد شده و امكان خروج حباب‌های گاز هیدروژن وجود نخواهد داشت.حباب‌های هیدروژن در داخل مذاب، به هم وصل شده كه پس از سرد شدن منجر به كاهش استحكام جوش و افزایش تجمع تنش و در نهایت شكست را در پی خواهد داشت.
سوختگی یا بریدگی كنار جوش
شیاری را كه در فلز پایه مجاور ریشه جوش دیده می‌شود، سوختگی یا بریدگی می‌گویند. این عیب موجب تمركز یا تشدید تنش می‌شود و غالباً مربوط به جریان زیاد است سایر عوامل موثر در بروز این عیب به شرح زیر است.
- طول قوس بسیار زیاد
- شدت جریان بسیار زیاد
- سرعت جوشكاری كم
- نامناسب بودن زاویه دست جوشكار نسبت به قطعه كار
روش‌های رفع عیبوب احتمالی در جوشكاری ذوبی آلیاژهای آلومینیوم
- حرارت دهی با تمركز بالا یا پیش‌گرم نمودن قطعه تا دماهای ۱۲۰ درجه سانتیگراد جهت كاهش اتلاف حرارت ناشی از هدایت حرارتی بالای آلیاژهای آلومینیوم.
- استفاده از نگهدارنده برای جلوگیری از اعوجاج و تابیدگی قطعات پس از جوشكاری
- حصول اطمینان از تمیزی قطعه تحت جوشكاری قبل از انجام جوشكاری و استفاده از گاز محافظ خنثی جهت جلوگیری از تشكیل حفره، تخلخل و آخال در فلز جوش.
- از بین بردن لایه اكسیدی مقاوم تشكیل شده در محل جوشكاری جهت ایجاد اتصالی مناسب
- انتخاب پارامترهای مناسب جوشكاری از جمله شدت جریان، ولتاژ و سرعت مناسب جوشكاری
عیوبی كه بیشتر در فلز جوش آلیاژهای آلومینیوم مشاهده می‌شود شامل خلل و فرج و حفرات در فلز جوش، كشیدگی و جمع شدگی فلز جوش، ترك‌های انجمادی در فلز جوش و سوختگی كناره فلز جوش هستند كه از جمله پارامترهای مهم جهت رفع این عیوب تمیزی قطع كار قبل از جوشكاری، پیش‌گرم نمودن قطعه و انتخاب پارامترهای مناسب جوشكاری است.
