اصول فرایند جوشكاری قوس الكتریكی دستی
امروزه جوشكاری قوس الكتریكی دستی SWAM، بیشترین موارد مصرف را در میان سایر فرایندهای جوشكاری قوسی دارد. در این فرایند از گرمای قوس برای ذوب فلز پایه و الكترود روپوش‌دار استفاده میشود. فرایند SMAW شامل نیرو، كابل‌های جوشكاری، انبر الكترودگیر و انبر اتصال و الكترود است. از دو كابلی كه به دستگاه متصل شده، یكی به انبر اتصال و دیگری به انبر الكترودگیر متصل میشود. با برقراری قوس الكتریكی بین نوک الكترود و سطح كار، جوشكاری شروع شده و حرارت شدید قوس الكتریكی، نوک الكترود و سطح كار را كه در مجاورت قوس قرار دارد، ذوب می‌نماید.
به محض برقراری قوس، نوک الكترود ذوب شده و قطرات مذاب به سمت حوضچه جوش منتقل می‌شوند. از آنجا كه قوس الكتریكی یكی از منابع حرارتی قوی است (حرارت قوس بین ۵۵۰۰ – ۴۵۰۰ درجه سانتیگراد) فلز پایه خیلی سریع ذوب میشود. انرژی الكتریكی باید به اندازه كافی زیاد بوده تا بتواند فلز پایه و الكترود 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 الكترود صورت می‌گیرد.
قابلیت‌ها و محدودیت‌های فرایند SMAW
قوس الكتریكی دستی یكی از كاربردی‌ترین فرایندهای جوشكاری به ویژه جهت استفاده در تولید، كارهای 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 الكترود، مانع از اكسید شدن فلز جوش و حوضچه در طول جوشكاری میشود.
- به فلاكس و گازهای محافظ كمكی، نیازی نیست.
- در مناطقی كه دسترسی به آن مشكل است به راحتی این فرایند كاربرد دارد.
- این فرایند برای جوشكاری اغلب فلزات و آلیاژها مناسب است.
- از الكترودهای SMAW می‌توان برای جوشكاری فولاد كربنی، فولاد كم آلیاژ، فولادهای آلیاژی و ضد زنگ، چدن، مس، نیكل و آلیاژهای آنها و برخی آلیاژهای آلومینیومی استفاده كرد.
- از آنجا كه حرارت قوس در این فرایند بسیار بالا است، لذا استفاده از این فرایند برای جوشكاری فلزات زود ذوب مانند سرب، قلع، روی و آلیاژهای آنها مناسب نیست.
- آمپر بیش از حد مجاز سبب بیش از حد گرم شدن الكترود و شكسته شدن پوشش الكترود میشود.
انواع جریان مصرفی در جوشكاری قوس الكتریكی دستی
از دو جریان متناوب AC و جریان مستقیم DC می‌توان استفاده نمود. انتخاب نوع جریان مصرفی بستگی به روپوش الكترود مصرفی دارد.
جریان مستقیم DC
جریان مستقیم بطور گسترده‌ای در این فرایند مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مزایای جریان مستقیم
- امكان جوشكاری با آمپرهای كم وجود دارد.
- همه نوع الكترودی با آن قابل جوشكاری است.
- امكان تغییر قطب وجود دارد.
- برقراری قوس راحتتر است.
معایب جریان مستقیم
- امكان 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
اگر انبر الكترود به قطب منفی و انبر اتصال به قطب مثبت دستگاه وصل شود به این حالت قطب مستقیم یا DCSP گفته می شود. حركت الكترون ها از سمت نوك الكترود به سمت قطعه كار است.
قطب معكوس
اگر انبر الكترود به قطب مثبت و انبر اتصال به قطب منفی دستگاه وصل شود به این حالت قطب معكوس یا DCRP گفته میشود. حركت الكترون‌ها از سمت سطح كار به طرف نوك است. انتخاب نوع قطبیت در جوشكاری قوس الكتریكی فقط بستگی به نوع روپوش الكترود مصرفی دارد.
مقایسه قطب مستقیم و معکوس
در قطب معكوس سرعت ذوب الكترود سریعتر، نفوذ كمتر و عرض حوضچه جوش بیشتر است. در قطب مستقیم سرعت ذوب الكترود كمتر، نفوذ بیشتر و عرض حوضچه جوش كمتر بوده، ولی در عمل این تئوری برعكس است. یعنی در قطب معكوس سرعت ذوب الكترود كمتر و نفوذ بیشتر بوده ولی در قطب مستقیم سرعت ذوب الكترود بیشتر و نفوذ كمتر است.
این مسئله بخاطر مواد روپوش است. بعنوان مثال وقتی از الكترود سلولزی با قطب معكوس استفاده میشود یك شعله هیدروژنی قوی در نوك الكترود شكل می‌گیرد كه باعث ذوب سریع قطعه كار میشود. ولی وقتی الكترود سلولزی را با قطب مستقیم بكار می‌برید شعله هیدروژنی تشكیل نشده و ذوب بخوبی انجام نمی‌شود.
جریان متناوب AC
در جریان متناوب جهت حركت الكترون‌ها بصورت مداوم عوض میشود یعنی جای قطب مثبت و منفی جابجا میشود. بنابراین امكان تغییر قطب مانند جریان مستقیم وجود ندارد. در جریان متناوب در یك ثانیه ۵۰ مرتبه قطب مستقیم و ۵۰ مرتبه قطب معكوس شكل می‌گیرد. بنابراین شكل جوش و مقدار نفوذ و سرعت ذوب الكترود، مابین قطب معكوس و قطب مستقیم در جریان DC است. الكترودهایی با جریان AC قابل استفاده هستند، دارای مواد پایدار كننده قوس نظیر پتاسیم در روپوش خود هستند. الكترودی كه 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 الكتریكی میشود.
معایب جریان متناوب
- برقراری قوس مشكل‌تر است.
- همه نوع الكترودی با آن قابل جوشكاری نیست.
- امكان تغییر قطب وجود ندارد.
- خطر برق گرفتگی در جریان AC بیشتر است.
مزیت جریان متناوب
- دستگاه‌های جریان AC ارزانتر و هزینه نگهداری آنها كمتر است.
- امكان ایجاد قوس وجود ندارد.
متغیر‌های جوشكاری قوس الكتریكی دستی
آمپر
الكترودهای روپوش‌دار در یك 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 می‌كند. در بین الكترودهای موجود، الكترودهای سلولزی نیاز به آمپر كمتری داشته و الكترودهای قلیایی نیاز به آمپر بیشتری دارند. در یك آمپر مشخص الكترودهای پودر آهن دار دارای نرخ رسوب بیشتری هستند.
انتخاب جریان در یك نوع الكترود به فاكتورهای زیادی از جمله موقعیت جوشكاری و نوع اتصال بستگی دارد. جریان باید به حدی باشد كه در عین اینكه باعث كنترل مناسب بر روی حوضچه مذاب میشود، باعث ذوب دیواره اتصال و نفوذ مناسب شود. برای جوشكاری در حالت سربالا و سقفی، جریان مناسب باید در كمترین حد مجاز تنظیم شود. در صورت استفاده از جریان‌های بالاتر، گرمای ایجاد شده بیشتر شده و باعث ایجاد پاشش جرقه زیاد، انحراف قوس خوردگی كنار جوش و گاهی ترك در فلز جوش میشود.
طول قوس
طول قوس فاصله بین نوك الكترود تا سطح مذاب است. طول قوس مناسب جهت ایجاد اتصال بی‌نقص، دارای اهمیت است. چنانچه در جوشكاری 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 الكترود است. طول قوس صحیح با توجه به طبقه بندی الكترود، قطر و تركیب روكش الكترود و جریان و موقعیت جوشكاری تغییر می‌كند. با افزایش جریان و قطر الكترود، طول قوس نیز افزایش می‌یابد. طبق یك قاعده كلی، طول قوس نباید از قطر مغزی الكترود بیشتر باشد.
سرعت حركت
سرعت حركت، نسبت حركت الكترود در طول اتصال است. سرعتی مناسب است كه در آن درز جوش با طرح و ظاهری مناسب ایجاد شود. سرعت حركت تحت تاثیر فاكتورهای زیادی قرار دارد. موارد زیر از آن جمله‌اند.
- قطبیت جریان جوشكاری
- موقعیت جوشكاری
- نرخ ذوب الكترود
- ضخامت مواد
- وضعیت سطح فلز پایه
- نوع اتصال مهارت در بكارگیری الكترود
هنگام جوشكاری، سرعت جوشكاری باید به گونه‌ای تنظیم شود كه قوس به آرامی حوضچه جوش مذاب را هدایت نماید. تا رسیدن به یك نقطه خاص، افزایش سرعت حركت، درز جوش را باریكتر نموده و نفوذ را افزایش می‌دهد. بالاتر شدن سرعت جوشكاری باعث كاهش نفوذ، بی‌نظمی سطح پهنای جوش، ایجاد برش كناره جوش، مشكل شدن جداسازی سرباره و ایجاد تخلخل در فلز جوش میشود. سرعت حركت كم سبب ایجاد درز جوش پهن و مقعر با نفوذی كم عمق میشود. نفوذ كم، بعلت توقف قوس روی حوضچه مذاب به جای هدایت و تمركز آن روی فلز پایه ایجاد میشود. سرعت حركت روی حرارت ورودی نیز تاثیر می‌گذارد و باعث افزایش حرارت ورودی شده و منطقه HAZ افزایش می‌یابد.
