دانلود تحقیق مباحثی در جوشکاری

تاریخچه ی جوشکاری                              

آثار باقیمانده از گذشته های بسیار دور نشانگر این واقعیت است که انسان های اولیه با استفاده از اصول فیزیکی که امروزه اساس جوشکاری مدرن را تشکیل می دهد قطعات فلزی را به یکدیگر متصل می کردند. تجزیه و تحلیل ابزارهای کشف شده از قرون اولیه نشان می دهد که برای اتصال دو قطعه فلزی به یکدیگر ، لبه های گداخته شده این قطعات را روی یکدیگر قرار داده و با ضربات چکش بهم متصل می کردند.

مهمترین اصول فیزیکی که سنگ زیربنای متدهای معمولی جوشکاری در قرن حاضر را تشکیل می دهد در اواخر قرن نوزدهم کشف و ابداع شده و به تدریج در صنعت مورد استفاده قرار گرفت. در سال 1887 یکی از دانشمندان روسی بنام Bernadas  اختراع متدی را به ثبت رساند که به وسیله آن قادر بود تا یک قطعه فلزی را با الکترود ذغالی به صورت موضعی با ایجاد قوس الکتریکی بین قطعه و الکترود ذوب نماید.

در این زمان نامبرده دو قطعه فلزی را در فاصله معینی از یکدیگر قرار داده و با استفاده از پدیده فوق الذکر و حرکت الکترود ذغالی در طول شکاف بین دو قطعه و وارد نمودن همزمان میله ای فلزی از جنس قطعه در داخل قوس الکتریکی ، حمام مذابی به وجود آورد که بعد از منجمد شدن شکاف موجود را پر نموده و باعث به هم پیوستن این قطعات گردید.

چند سال بعد یعنی در سال 1891 دانشمند دیگر روسی بنام Slavjaniv  روش الکترود ذوب شونده را اختراع نمود. در این روش به جای الکترود ذغالی از یک الکترود فلزی استفاده شده که همزمان وظیفه فلز پرکننده را نیز به عهده داشت.

در روش الکترود ذوب شونده ذوب حاصل از الکترود فلزی در فاصله بین نوک الکترود و شکاف دو قطعه در معرض هوا قرار می گرفت که این امر باعث اکسیده شدن مذاب و در نتیجه در جوش ایجاد اشکال می کرد. از طرف دیگر قوس الکتریکی نیز ناپایدار بود که خود به خود غیر یکنواختی جوش را به دنبال داشت.

برای برطرف نمودن این عیوب در سال 1905 یک صنعتگر سوئدی بنامOscar  Kjellberg   الکترود فلزی پوشش دار را اختراع نمود. پوشش این الکترود را مخلوطی از مواد معدنی مختلف تشکیل می داد که قادر بود با تولید گاز و ایجاد سرباره ، مذاب حاصل از ذوب الکترود را در مقابل آثار نامطلوب تماس با هوا محافظت نماید. علاوه بر این ، پوشش الکترود باعث پایداری قوس الکتریکی و یکنواخت شدن جوش می گردید.

با اختراع الکترود پوشش دار ، صنعت این امکان را یافت تا جوش هایی با استحکام معادل فلز پایه بوجود آورد. اولین قایق ده متری تعمیراتی که تمام اتصالات آن توسط جوشکاری انجام شده بود در سال 1918 به آب انداخته شد. از اواخر دهه 1930 که احداث پل ها و خطوط راه آهن و نیز ساخت کشتی های اقیانوس پیما و غیره با روش جوش دادن قطعات به یکدیگر با سرعت آغاز گردید تا بهامروز که انسان به ساختن فضا پیما ، آسمان خراش ، نیروگاه هسته ای ، میکروپروسسور و غیره مشغولاست هنوز جوشکاری از روش های بسیار مهم اتصال محسوب می شود. فرآیندهای جوشکاری نه تنهابرای اتصال فلزات همجنس بلکه در موارد خاص با رعایت نکات تکنیکی و متالورژیکی ویژه برای اتصالفلزات غیر همجنس (مس-آلومینیوم) ، فلز به غیر فلز (سرامیک به فلز) و حتی غیر فلز به غیر فلز  (سرامیک به سرامیک) نیز استفاده می شود. علاوه بر کاربرد جوشکاری در اتصالات دائم کاربردهای دیگری نیز در صنعت معمول است (نظیر بازسازی عیوب قطعات ریختگی یا ماشین کاری شده ، بازسازی قطعات فرسوده و مستهلک شده و ایجاد موضوع جوش با خواص ویژه در فرآیند ساخت بعضی از قطعات صنعتی) که هر کدام جایگاه ویژه ای داشته و ضمن اینکه اهمیت آنها کمتر از کاربرد اصلی اتصال آن نیست. 

تاکنون فرایندهای مختلف جوشکاری در دنیا ابداع شده که هر کدام کاربرد ویژه و نقاط ضعف و قوت خود را دارند. بعنوان مثال فرایند جوشکاری پتکی یا آهنگری (Forge Welding ) هنگامی که انسان اولیه با آتش و فلز آشنا شد متوجه شد که می توان دو قطعه فلزی بصورت سرد یا گداخته روی هم قرار داده و در اثر کوبیدن موجب اتصال آنها شود یا فرایند جوشکاری اصطکاکی تلاطمی ( Stir Friction Welding) که عمر کوتاهی دارد و هنوز مراحل ابتدایی کاربردی آن مطرح است و یا فرایندهای پیشرفته دیگری که مراحل آزمایشگاهی را طی می کند و نیز فرایند جوشکاری ابداع شده که ورق به ضخامت 600 میلیمتر را با یک پاس بدون پخ سازی جوش می دهد و در مقابل فرایندی که عملیات جوشکاری را باید در زیر میکروسکوپ انجام داد و محل جوش را نمی توان با چشم غیر مسلح دید. یکی از تلاشهای متخصصین ابداع فرایندهای جوشکاری با کمترین هزینه و بیشترین سرعت و خواص کاملا" مشابه قطعه اصلی است.

فرآیندهای جوشکاری                         2

1-2 فرآیندهای جوشکاری با قوس الکتریکی

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

چنانچه شکاف هوا به اندازه ی کافی باریک بوده و اختلاف پتانسیل و شدت جریان بالا ٬ گاز میان شکاف یونیزه شده و قوس الکتریکی برقرار می شود.

این نوع جوشکاری از انرژی الکتریکی استفاده می نماید. در جوش برق، از یک مفتول که همجنس با قطعات است برای اتصال و پر کردن فضای میان قطعات استفاده می شود این مفتول الکترود نامیده می شود. میان الکترود و قطعاتی که قرار است به یکدیگر متصل شوند اختلاف پتانسیل و جریان الکتریکی مناسب ایجاد می گردد. این اختلاف پتانسیل معمولا از دو طریق فراهم می گردد. یکی از این روش ها بکار گیری ترانسفورماتور است که می تواند با استفاده از برق شهر و یا برق صنعتی اختلاف پتانسیل و جریان الکتریکی مورد نیاز جوشکاری را تامین نماید. روش دیگر تامین اختلاف پتانسیل و جریان الکتریکی مورد نیاز استفاده از ژنراتورها است. ژنراتور با استفاده از انرژی سوختی انرژی الکتریکی لازم را فراهم می کند.

برای انجام عمل جوشکاری یکی از قطب های الکتریکی به قطعات و قطب دیگر به الکترود وصل می شود. با نزدیک کردن الکترود به قطعات، هوای میان الکترود و قطعات یونیزه شده و پدیده قوس الکتریکی (جهش الکترون ها میان دو قطب) صورت می گیرد. از آنجاییکه این پدیده به شدت گرما زا است، دمای قطعات و الکترود بسیار بالا می رود. این گرما دمای قطعات و الکترود را تا نقطه ذوب بالا می برد و موجب ذوب شدن محل اتصال قطعات و الکترود می شود. در حالت مذاب امکان امتزاج میان مذاب های قطعات به وجود می آید و الکترود ذوب شده نیز به امتزاج و پر شدن فضای میان قطعات کمک می کند. پس از سرد شدن مذاب، محل اتصال یکپارچه و محکم شده و جوش شکل می گیرد.

در قوس الکتریکی گرما و انرژی نورانی در مکانهای مختلف یکسان نبوده بطوریکه تقریباً 43% از حرارت درآند و تقریباً 36% در کاتد و 21% بقیه بصورت قوس ظاهر می شود. دمای حاصله از قوس الکتریکی بنوع الکترودهای آن نیز وابسته است بطوریکه در قوس الکتریکی با الکترودهای ذغالی تا 3200 درجه سانتیگراد در کاتد و تا 3900 در آند حرارت وجود دارد. دمای حاصله در آندو کاتد برای الکترودهای فلزی حدوداً 2400 درجه سانتیگراد تا 2600 درجه تخمین زده شده است.
در این شرایط درجه حرارت در مرکز شعله بین 6000 تا 7000 درجه سانتیگراد می باشد از انرژی گرمائی حاصله در حالت فوق فقط 70% تا 60% در قوس الکتریک مشاهده گردیده که صرف ذوب کردن و عمل جوشکاری شده و بقیه آن یعنی 30% تا 40% بصورت تلفات گرمائی به محیط اطراف منتشرمی گردد.
طول قوس شعله Arc length بین 8/0 تا 6/0 قطر الکترود می باشد و تقریباً 90% از قطرات مذاب جدا شده از الکترود به حوضچه مذاب وارد می گردد و 10% باطراف پراکنده می گردد. برای ایجاد قوس الکتریکی با ولتاژ کم بین 40 تا 50 ولت در جریان مستقیم و 60 تا 50 ولت در جریان متناوب احتیاج می باشد ولی در هر دو حالت شدت جریان باید بالا باشد نه ولتاژ.

از قوس الکتریکی به عنوان منبع حرارتی در جوشکاری استفاده می‌شود. روشهای جوشکاری با قوس الکتریکی عبارت‌اند از:

1-1-2. جوشکاری با الکترود دستی پوشش دار  SMAW

2-1-2. جوشکاری زیر پودری SAW

در دهه 1930 تلاشهای زیادی جهت مکانیزه کردن فرآیند جوشکاری قوسی انجام گردید. با توجه به محدودیتهای زیر استفاده از الکترود های پوشش دار نا ممکن تشخیص داده شد:

با توجه به نارسانا بودن پوشش محافظ، تماس الکتریکی بین منبع تغذیه الکتریکی و الکترود غیر ممکن است.

رول کردن الکترود موجب جدا شدن پوشش آن میگردد.

تماس پوشش الکترود با قرقره های تغذیه کننده الکترود باعث خرد شدن پوشش می شود.

در سال 1932 در ایالات متحده آمریکا با مدفون ساختن قوس الکتریکی و الکترود کربنی در زیر پوششی ضخیم از پودر محافظ روش جوشکاری زیر پودری اختراع گردید. و در میانه دهه 1930 به روشی اقتصادی جهت جوشکاری بدل گردید.

در روش امروزین جوشکاری زیر پودری، اتصال فلزات توسط گرمای حاصل از قوس الکتریکی بین الکترود فلزی بدون روکش و قطعه کار انجام می گیرد.

اتصال دو فلز به یکدیگر بدون اعمال فشار بوده وماده پرکننده از ذوب الکترود، سیم جوش ویا پودر فلزی تامین می شود.

  روش های جوشکاری زیر پودری

جوشکاری زیرپودری می تواند به 3 روش نیمه خودکار، خودکار و ماشینی انجام گیرد.

روش نیمه خودکار : در این روش جوشکاری با استفاده از تفنگ جوشکاری دستی که وظیفه انتقال الکترود و پودر محافظ را دارد، انجام میشود. تغذیه سیم جوش به صورت خودکار بوده و پودر محافظ تحت اثر نیروی گرانش از مخزن با ته مخروطی و یا تحت فشار هوا توسط شیلنگ به محل اتصال، انتقال می یابد.

کاربرد این روش در سرعتهای متوسط و برای الکترودهای با قطر کم می باشد.

روش خودکار: جوشکاری به روش خودکار توسط دستگاه و کنترل کننده های خودکار، بدون دخالت کاربر انجام میگیرد.

روش ماشینی : جوشکاری توسط ماشین انجام گرفته ولی شروع، پایان، نظارت بر جوشکاری، کنترل سرعت و تنظیم متغیرهای جوشکاری توسط کاربر انجام می گیرد.

مزایای این نوع جوشکاری عبارتست از: جوشکاری بدون دود و تشعشع ٬ کیفیت بالای جوش ٬جوش با سطح هموار و بدون پاشش قطرات مذاب ٬ رسوب الکترود با بازدهی بالا ٬ جوشکاری با سرعت بالا و بی نیازی از جوشکار ماهر...

کاربرد های جوشکاری زیر پودری: جوشکاری مخازن تحت فشار٬ خطوط لوله٬ سازه های سنگین٬ کشتی سازی٬ ساخت واگن های راه آهن و ...

3-1-2. جوشکاری با گاز محافظ یا GMAW یا MIG/MAG

اساس روش جوشکاری قوسی با گاز محافظ)   Gas metal arc welding به اختصار         (GMAW بر برقراری قوس الکتریکی میان الکترود) سیم جوش( مصرف شدنی و قطعه کار می‌باشد و قوس و حوضچه جوش توسط گاز بی اثر محافظت می‌‌گردد. این روش به دو صورت اتوماتیک و نیمه اتوماتیک قابل انجام می‌‌باشد.تمام فلزات و آلیاژهای مهم صنعتی مانند فولادهای کربنی، فولادهای کم آلیاژ، فولادهای زنگ نزن، آلیاژهای آلومینیم، مس، نیکل، در تمام وضعیتها با ازاین روش قابل جوشکاری می‌‌باشند.

تجهیزات: منبع نیرو ٬ مشعل جوشکاری و سیستم تغذیه کننده (wire-feed system)

فن آوری فرآیند GMAW: اصول اجرایی در فرآیند فرآیند GMAW ، فرآیندی است قوسی، به این معنا که یک قوس الکتریکی، فلز کار و مواد پرکننده را ذوب می‌کند تا جوش نهایی ایجاد شود.

اجزای فرآیند GMAW: قوس  بین قطعه کار و سیم‌جوش  ایجاد می‌شود. سیم‌جوش فلزی نقش الکترود و مواد پرکننده را برعهده دارد که روی قرقره یا درام  قرار دارد و توسط غلتک‌های متحرک  در مشعل تغذیه می‌شود. این غلتک‌ها از طریق یک مجرای سیم قابل انعطاف  سیم‌جوش را از درون مجموعه شیلنگ خاصی  به سمت مشعل هدایت می‌کنند. انرژی الکتریکی قوس، توسط منبع تغذیه  تهیه می‌شود. جریان الکتریکی از طریق مجرای اتصال  در مشعل، به الکترود می‌رسد. معمولاً مجرای اتصال به قطب مثبت منبع تغذیه و قطعه کار به قطب منفی آن متصل می‌شود. با ایجاد قوس، مدار کامل می شود. گاز محافظ  که وظیفه اولیه آن حفاظت از الکترود ، و حوضچه جوش  در مقابل هوای اطراف است، از طریق نازل گاز محافظ  که مجرای اتصال را در برگرفته است، جاری می‌شود. این گاز محافظ ممکن است گاز خنثی یا فعال باشد. جوشکاری MAG/MIG  نیز نام خود را از نوع گاز مصرفی اقتباس کرده است: فرآیند جوشکاری قوسی با گاز خنثی فرآیند جوشکاری قوسی با گاز فعال.

مزایای این نوع جوشکاری عبارتند از:

- سرعت جوشکاری در این روش بالاست.

- نرخ رسوب بالاتر از روش زیر پودری SMAW است.

- امکان نفوذ بیشتر از روش زیرپودری فراهم است که در این صورت امکان ایجاد گرده کوچک‌تر با استحکام مشابه فراهم است.

- استفاده از سیم جوش امکان جوشکاری طویل و بدون توقف را فراهم می‌‌سازد.

این روش محدودیت های زیر را دارد:

- تجهیزات این روش به نسبت گران و حمل و نفل آن مشکل تر از SMAW است

- استفاده ار این روش برای مقاطعی که دسترسی به آنها مشکل است با محدودیت در زمینه محافظت گاز مواجه است.

- استفاده از این روش در فضای باز به دلیل امکان وزش باد و اخلال در محافظت گاز با محدودیت مواجه است.

- به دلیل عدم وجود گل جوش وبه تبع آن عدم کاهش نرخ انجماد در فولاد های سختی‌پذیر امکان ترک خوردن در فلز جوش وجود دارد.