بخشی از مقاله
تاريخچه ي مختصراز جوشکاري دستي قوس برقي(S.M.A.W)
قوس برقي در سال 1807توسط سرهمفري ديوي کشف شد ولي استفاده از آن در جوشکاري فلزات به يکديگر هشتاد سال بعد از ين کشف ، يعني در سال 1881 اتفاق افتاد. فردي به نام آگوست ديمري تنز در ين سال توانست با استفاده از قوس برقي و الکترود ذغالي صفحات نگهدارنده انباره باطري را به هم متصل نميد.بعد از آن يک روسي به نام نيکولاس دي بارنادوس با يک ميله کربني که دسته ي عيق داشت توانست قطعاتي را به هم جوش دهد. وي در سال 1887 اختراع خود را در انگلستان به ثبت رساند.ين قديمي ترين اختراع به ثبت رسيده در عرصه جوشکاري دستي قوسي برقي مي باشد.فريند جوشکاري با الکترود کربني در سالهي 1880و1890در اروپا و آمريکا رواج داشت ولي استفاده از ولت زياد (100 تا 300ولت)و آمپر زياد (600تا 1000آمپر)در ين فريند و فلز جوش حاصله که به علت ناخالصيهي کربني شکننده بود همه باعث مي شد ين فريند با اقبال صنعت مواجه نشود.
جهش از ين مرحله به مرحله فريند جوشکاري با الکترود فلزي در سال 1889 صورت گرفت.در ين سال يک محقق روس به نام اسلاويانوف و يک آمريکيي به نام چارلز کافين(بنيانگذار شرکت جنرال الکتريک)هرکدام جداگانه توانستند روش استفاده از الکترود فلزي در جوشکاري با قوس برقي را ابداع نميند.
در آغاز قرن بيستم جوشکاري دستي با قوس برقي مورد قبول صنعت واقع شد. عليرغم يرادهي فراوان(استفاده از مفتول لخت و بدون روکش)مورد استفاده قرار گرفت.در آمريکااز مفتول لخت که داري روکش نازکي از اکسيد آهن که ماحصل زنگ خوردگي طبيعي و يا بخاطر پاشيدن عمدي آب بر روي کلافهي مفتول قبل از کشيده شدن نهيي بود استفاده مي شد و گاهي ين مفتول لخت با آب آهک آغشته مي شد تا در هر دو وضعيت بتواند ثبات قوس برقي را بهتر فراهم آورد.آقي اسکار کجل برگ سوئدي را بيد پدر الکترودهي روکش دار مدرن شناخت وي نخستين شخصي بود که مخلوطي از مواد معدني و آلي را به منظور کنترل قوس برقي و خصوصيات مورد نظر از فلز جوش حاصله با موفقيت به کار برد.وي اختراع خود را در سال 1907 به ثبت رساند.ماشينهي جوشکاري با فعاليت هي فوق الذکر به روند تکاملي خود ادامه مي دادند.در سالهي 1880 مجموعه ي از باطري پر شده به عنوان منبع نيرو در ماشين هي جوشکاري به کار گرفته شد.تا ينکه در سال 1907 نخستين دستگاه Generator جوشکاري به بازار آمريکا عرضه شد.
جوشکاري با گاز يا شعله
جوشکاري با گاز يا شعله يکي ازاولين روشهي جوشکاري معمول در قطعات آلومينيومي بوده و هنوز هم در کارگاههي کوچک در صنيع ظروف آشپزخانه و دکوراسيون و تعميرات بکارميرود. در ين روش فلاکس يا روانساز يا تنه کار بري برطرف کردن ليه اکسيدي بکار ميرود.
مزيا:سادگي فريند و ارزاني و قابل حمل و نقل بودن وسيل
محدوده کاربرد:ورقهي نازک 8/0تا 5/1ميليمتر
محدوديتها:باقي ماندن روانساز لابلي درزها و تسريع خوردگي - سرعت کم – منطقه H.A.Zوسيع است .
قطعات بالاتر از 5/2ميليمتر را به دليل عدم تمرکز شعله و افت حرارت بين روش جوش نميدهند.
حرارت لازم در ين روش از واکنش شيمييي گاز با اکسيژن بوجود مي يد.
حرارت توسط جابجيي و تشعشع به كار منتقل مي شود. قدرت جابجيي به فشار گاز و قدرت تشعشع به توان چهارم درجه حرارت شعله بستگي دارد. لذا تغيير اندکي در درجه حرارت شعله مي تواند ميزان حرارت تشعشعي و شدت آنرا بمقدار زيادي تغيير دهد.درجه حرارت شعله به حرارت ناشي از احتراق و حجم اکسيژن لازم بري احتراق و گرمي ويژه و حجم محصول احتراق(گازهي توليد شده) بستگي دارد. اگر از هوا بري احتراق استفاده شود مقدار ازتي که وارد واکنش سوختن نمي شود قسمتي از حرارت احتراق راجذب کرده و باعث کاهش درجه حرارت شعله مي شود.بنابرين تنظيم کامل گاز سوختني و اکسيژن لازمه يجاد شعله بادرجه حرارت بالاست. گازهي سوختني نظير استيلن يا پروپان يا هيدروژن و گاز طبيعي نيز قابل استفاده است که مقدار حرارت احتراق و در نتيجه درجه حرارت شعله نيز متفاوت خواهد بود. در عين حال معمولترين گاز سوختني گاز استيلن است.
تجهيزات و وسيل اوليه ين روش شامل سيلندر گاز اکسيژن و سيلندر گاز استيلن يا مولد گاز استيلن و رگولاتور تنظيم فشار بري گاز و لوله لاستيکي انتقال دهنده گاز به مشعل و مشعل جوشکاري است.
استيلن با فرمول C2H2 و بوي بد در فشار بالا ناپيدار و قابل انفجار است و نگهداري و حمل و نقل آن نيازبه رعيت و مراقبت بالا دارد.فشار گاز در سيلندر حدود psi 2200است و رگولاتورها ين فشار را تا زير psi 15 پيين مي آورند.و به سمت مشعل هديت مي شود.(در فشارهي بالا يمني کافي وجود ندارد).توجه به ين نکته نيز ضروري است که اگر بيش از 5 مترمکعب در ساعت ازاستيلن استفاده شود از سيلندر استن بيرون خواند زد که خطرناک است.
بعضي اوقات از مولدهي استيلن بري توليد گاز استفاده مي شود. بر اساس ترکيب سنگ کاربيد با آب گاز استيلن توليد ميشود.
CaC2 + 2 H2O = C2H2 + Ca(OH)2
روش توليد گاز با سنگ کاربيد به دو نوع کلي تفسيم ميشود.
1-روشي که آب بر روي کاربيد ريخته ميشود.
2-روشي که کاربيد با سطح آب تماس حاصل ميکند و باکم و زياد شده فشار گاز سطح آب در مخزن تغييرمي کند.
رگولاتورها(تنظيم کننده هي فشار) هم داري انواع گوناگوني هستند و بري فشارهي مختلف ورودي و خروجي مختلف طراحي شده اند.رگولاتورها داري دو فشارسنج هستند که يکي فشار داخل مخزن و ديگري فشار گاز خروجي را نشان ميدهند. رگولاتورها در دو نوع کلي يک مرحله ي و دو مرحله ي تقسيم ميشوند که ين تقسيم بندي همان مکانيزم تقليل فشار است. ذکر جزييات دقيق رگولاتورها در ينجا ميسر نيست اما اطلاع از فريند تنظيم فشار بري هر مهندسي لازم است(حتما پيگير باشيد).
کار مشعل آوردن حجم مناسبي از گاز سوختني و اکسيژن سپس مخلوط کردن آنها و هديتشان به سوي نازل است تا شعله مورد نظر را يجاد کند.
اجزا مشعل:
الف-شيرهي تنظيم گاز سوختني و اکسيژن
ب-دسته مشعل
ج-لوله اختلاط
د-نازل
قابل ذکر ينکه طرحهي مختلفي درقسمت ورودي گاز به لوله اختلاط مشعل وجود دارد تا ماکزيمم حرکت اغتشاشي به مخلوط گازها داده شود و سپس حرکت گاز در ادامه مسير در ادامه مشعل کندتر شده تا شعله ي آرام بوجود يد.
در انتها يادآور مي شود مطالب بسيار زيادي در ين خصوص وجود داشت که بدليل عدم امکان نميش تصاوير که عمدتا اسکن هم نشده اند بيش از ين به شرح و توضيح آنها نپرداختم.از جمله ين مطالب شناسيي نوع شعله(از لحاظ قدرت و کاربرد) بود.يا نشان دادن چند نوع رگولاتور از نمي شماتيک و ... .
پيچيدگي((Distortion
پيچيدگي و تغيير ابعاد يکي ازمشکلاتي است که در اثر اشتباه طراحي و تکنيک عمليات جوشکاري ناشي ميشود. با فرض اجتناب از ورود به مباحث تئوريک تنها به ين مورد اشاره ميکنيم که حين عمليات جوشکاري به دليل عدم فرصت کافي بري توزيع يکنواخت بار حرارتي داده شده به موضع جوش و سرد شدن سريع محل جوش انقباضي که ميبيست در تمام قطعه پخش ميشد به ناچار در همان محدوده خلاصه ميشود و ين انقباض اگر در محلي باشد که از نظر هندسي قطعه زاويه دار باشد منجر به اعوجاج زاويه ي(Angular distortion) ميشود.در نظر بگيريد تغيير زاويه ي هرچند کوچک در قطعات بزرگ و طويل چه يراد اساسي در قطعه نهيي يجاد مي کند.
حال اگر خط جوش در راستي طولي و يا عرضي قطعه باشد اعوجاج طولي و عرضي(Longitudinal shrinkage or Transverse shrinkage) نميان ميشود. اعوجاج طولي و عرضي همان کاهش طول قطعه نهيي ميباشد. ين موارد هم بسيار حساس و مهم هستند.
نوع ديگري از اعوجاج تاول زدن يا طبله کردن و يا قپه Bowing)) ميباشد.
ذکر يکي از تجربيات در ين زمينه شيد مفيد باشد. قطعه ي به طول 20 متر آماده ارسال بري نصب بود که بنا به خواسته ناظرميبيست چند پاس ديگر در تمام طول قطعه جوش داده ميشد.تا ساق جوش 2-3ميليمتر بيشتر شود.بعد از انجام ينکارکاهش 27ميليمتري در قطعه بوجود آمد. وين يعني فاجعه .چون اصلاح کاهش طول معمولا امکان پذير نيست و اگر هم با روشهي کارگاهي کلکي سوار کنيم تنها هندسه شکل رااصلاح کرده يم و چه بسا حين استفاده از قطعه آن وصله کاري توان تحمل بارهي وارده را نداشته باشد ويرادات بعدي نميان شود.
بهترين راه بري رفع ين يراد جلوگيري ازبروز Distortion است. و(طراح يا سرپرست جوشکاري خوب) کسي که بتواند پيچيدگي قطعه را قبل ازجوش حدس بزند و راه جلوگيري از آن راهم پيشنهاد بدهد.
بعضي راهکارهي مقابله با اعوجاج:
1- اندازه ابعاد را کمي بزرگتر انتخاب کرده ...بگذاريم هر چقدر که ميخواهد در ضمن عمليات تغيير ابعاد و پيچيدگي در آن يجاد شود.پس از خاتمه جوشکاري عمليات خاص نظير ماشين کاري...حرارت دادن موضعي و يا پرسکاري بري برطرف کردن تاب برداشتن و تصحيح ابعاد انجام ميگيرد.
2- حين طراحي و ساخت قطعه با تدابير خاصي اعوجاج را خنثي کنيم.
3- از تعداد جوش کمتر با اندازه کوچکتر بري بدست آوردن استحکام مورد نياز استفاده شود.
4-تشديد حرارت و تمرکز آن بر حوزه جوش در ينصورت نفوذ بهتري داريم و نيازي به جوش اضافه نيست.
5- ازدياد سرعت جوشکاري که باعث کمتر حرارت ديدن قطعه ميشود.
6- در صورت امکان بالا بردن ضخامت چراکه در قطعات با ضخامت کم اعوجاج بيشتر نمود دارد.
7- تا حد امکان انجام جوش در دوطرف کار حول محور خنثي
8- طرح مناسب لبه مورد اتصال که اگر صحيح طراحي شده باشد ميتواند فرضاً مصالح جوش را در اطراف محور خنثي پخش کند و تاحد زيادي از ميزان اعوجاج بکاهد.
9- بکار بردن گيره و بست و نگهدارنده باري مهار کردن انبساط و انقباض ناخواسته درقطعه
عوامل مهم بوجود آمدن اعوجاج :
1- حرارت داده شده موضعي , طبيعت و شدت منبع حرارتي و روشي که ين حرارت به کار رفته و همچنين نحوه سرد شدن
2- درجه آزادي يا ممانعت بکار رفته بري جلوگيري از تغييرات انبساطي و انقباظي. ين ممانعت ممکن است در طرح قطعه وجود داشته باشد و يا از طريق مکانيکي (گيره يا بست يا نگهدارنده و خالجوش)اعمال شود.
3- تنش هي پسماند قبلي در قطعات و اجزا مورد جوش گاهي اوقات موجب تشديد تنش هي ناشي از جوشکاري شده و در مواردي مقداري از ين تنش ها را خنثي ميکند.
4- خواص فلز قطعه کار واضح است که در شريط مساوي طرح اتصال(هندسه جوش) و جوشکاري مواردي مانند ميزان حرارت جذب شده در منطقه جوش و چگونگي نرخ انتقال حرارت و ضريب انبساط حرارتي و قابليت تغيير فرم پذيري و استحکام و بعضي خواص ديگر فلز مورد جوش تاثير قابل توجهي در ميزان تاب برداشتن دارد. مثلا در قطعات فولاد آستنيتي زنگ نزن مشکل پيچيدگي به مراتب بيشتر از فولاد کم کربن معمولي ميباشد.
توضيحاتي پيرامون WPS & PQR
در نظر بگيريد در کارخانه ي بزرگ که تعداد زيادي پروژه در دست انجام است مسوول کنترل کيفي و يا ناظر هستيم. و با انواع و اقسام حالات جوشکاري برخورد ميکنيم ....انواع الکترودها، ورقها با ضخامتهاي متفاوت، ماشينهي مختلف که تحت شريط خاصي تنظيم شده است ،جوشكاران كه اغلب به روش سنتي(بدون رعايت اصول علمي)جوشكاري ميكنند را در نظر بگيريد. بهترين کار چک کردن کار با کتابچه ي است که به عنوان WPS (Welding Procedure spcification)معروف است. هر چند کاربرد اصلي ين دفترچه بري پرسنل توليد است اما در واقع زبان مشترک توليد کننده و بازرس و ناظر ميباشد که در بعضي مواقع کارفرماهي بزرگ خودشان WPSمورد قبول خود را به سازنده اريه ميکنند و بني بازرسي ها را بر اساس آن قرار ميدهند. فکر ميکنم تا حدودي مفهوم را ساده کرده باشم.
استاندارد مرجعAWSَ حدود 170 نوع اتصال را با پوزيشنهي متفاوت معرفي کرده و انواع پارامترهي جوشکاري را بري تمامي انواع فريندها(SMAW-MIG/MAG-TIG-SAW-…)معرفي کرده ين متغيرها شامل محدوده ضخامت مجاز بري نوع اتصال –دامنه تغييرات مجاز بري آمپر- ولتاژ-قطر الکترود-نوع پودر-زاويه کونيک کردن-روش پيشگرم و پسگرم-و ... ميباشد. که بخشي از وظيفه QC_MAN کنترل ميزان تطابق روش جاري جوشکاري با روش مشخص شده در WPS است. در بعضي از موارد خاص که استاندارد روش خاصي اريه نداده اغلب يک طراح جوش بنا به تجربيات خود پروسيجري اريه ميدهد. در بعضي شرکتهي بزرگ بري هر پروژه ي يک دفترچه WPS موجود است اما از آنجا که روشها و امکانات موجود هر کارخانه اغلب ثابت است لذا بنظر ميرسد که نيازي به -WPS هاي متفاوت نباشد. و تجربه نشان داده که بري کارهي مشخص و ثابت بهتر است يک WPS تهيه شود و از تعدد يجاد مدارک و مستندات دست و پا گير جلوگيري شود. يک WPS معمولي ميتوانيد در حدود 200-250 صفحه باشد.يعني به همين تعداد اتصالات مختلف را نشان داده و روش جوشکاري مربوطه را توضيح داده است.
PQR (Procedure Qualification Record)
ابتدا توضيح کوتاهي در مورد خود PQR لازم است که بيد گفت PQR نتيج آزميشات مخرب و غير مخرب در مورد يک نوع مشخص جوش است.که از طرف آزميشگاههي معتبر بيد اريه شود.
حال به ين سوال ميرسيم که از کجا اعتبار يک WPS را بفهميم؟ و مديران خط توليد يا تضمين کيفيت و يا ناظران و کنترل کيفيت چطور از اعتبار WPS اطمينان حاصل ميکنند؟
قطعا آن قسمت از WPSکه از متن استاندارد استخراج شده نياز به ينکار ندارد چراکه تمامي موارد پيشنهادي استاندارد هم حاصل تجربيات گروه زيادي از متخصصان بوده است و فلسفه استفاده از استاندارد کوتاه کردن مسير تجربه است تا زودتر به نتيجه دلخواه برسيم.ولي جدا از نحوه برداشت ما از استاندارد در ستاندارد AWS مشخصا به ين موضوع اشاره شده که بري موارد پيشنهادي استاندارد نيازي به PQR نيست.
اما بري آن مواردي که از استاندارد استخراج نشده و پيشنهاد واحد طراحي و يا مشاور طرح بوده بيد حتما PQR تهيه شود.
روش تهيه PQR:
فرض کنيم نياز داريم بري 70 نوع از انواع اتصالات PQR تهيه کنيم.يا بيد 70نمونه تهيه کنيم؟ و يا ين کار عاقلانه است؟ مسلما خير.
بنابر جداول مربوط به تهيه نمونه بري PQR ميتوان تعداد بسيار کمتري بري تييديه روش جوشکاري (PQR) تهيه کرد به ين ترتيب که در جداول مربوطه بنا بر تغييرات ضخامت قطعات در اتصالات شبيه به هم تعداد نمونه و نوع و تعداد آزميشات بري آن نمونه معرفي شده. که پس از فرستادن قطعات به ازميشگاههي ذيصلاح و گرفتن جواب مثبت ميتوان به آن WPS اعتماد کرد و جوشکاري را آغاز کرد.
مثال:
فرض کنيد دفترچه WPS را براي تهيه PQR در اختيار داريد.مراحل زير بري تهيه PQRپيشنهاد ميشود.
1-اتصالاتي که در استاندارد وجود دارد را تنها با متن استاندارد مطابقت دهيد تا چيزي از قلم نيفتاده باشد و تلرانسها دقيقا استخراج شده باشد و نظير ين...
2-در مورد اتصالات شبيه به هم با مراجع به استاندارد يکي از پرکاربردترين ضخامتها را انتخاب کنيد.بري کارهي سازه ي و اتصال نوع Grooveفرض كنيد که 45 نوع ضخامت مختلف به شما معرفي شده .بهترين کار ين است که با مراجعه به جداول استاندارد بهترين نمونه بري تهيه PQR انتخاب كنيم كه اين بهترين انتخاب اغلب پرکاربردترين يا حساسترين اتصال است.مثلا Grooveبا ضخامت 30-30که بنابر جدول استاندارد ميبينيم که ين نوع اتصال محدوده ضخامتيmm 3 تاmm 60 را با اعتبار ميبخشد يعني بري ضخامت 2 تا 60 ديگر نيازي به تهيه PQR نداريم و ين از مزيي استفاده از استاندارد است.
3-حال که نمونه مورد نظر را انتخاب کرديم بيد در ابعاد مشخص(طول و عرض) که باز هم در استاندارد آمده است آنرا تهيه کنيم و توسط يک جوشکار که داري کارت صلاحيت جوشکاري در حالت مربوطه(1G-2G-1F-2F و غيره) است جوشکاري انجام شود.
4-قطعه مور نظر را به آزميشگاههي معتبر ارسال ميکنيم تا تحت تستهي مختلف قرار گيرد. ين تستها اغلب خمش کناره-راديوگرافي-ماکرواچ-شکست و ... است.
5-پس از اعلام نتيجه مثبت آزميشگاه ميتوان جوشکاري را آغاز نمود.
نکاتي در مورد جوشکاري فولادهي ضدزنگ و ضدخوردگي
خصلت اصلي فولادهي استنلس(ضد زنگ) مقاومت در برابر زنگ خوردگي است (داشتن کرم بيش از 12% مويد همين مطلب است).نيکل موجود در ين فولادها حتي به مقدار زياد هم نميتواند به تنهيي مقاومت در برابر خوردگي را زياد کند.ولي با حضور کرم ميتواند تا حد زيادي ين وظيفه را بخوبي انجام دهد.مزيت اصلي نيکل تسهيل يجاد فاز آستنيت و بهبود خاصيت مقاوم به ضربه فولادهي کرم نيکل دار است. موليبدن شرائط خنثي سازي ين فولاد را تثبيت مي کند و عموما عامل افزيش مقاومت به خوردگي موضعي(Pitting) است.
به منظور اطمينان از تشکيل کاربيدهي پيدار که باعث افزيش مقاومت به خوردگي بين دانه ي ميشود افزودن Ti و Nb به انواع معيني از فولادهي کرم-نيکل دار ضروري است.
1-فولادهي ضد زنگ
کرم و کربن عناصر اصلي ينگونه از فولادها را تشکيل ميدهد. هر چند که مقدار کربن کمتر از 04/0درصد است تاثير کرم بر استحکام کششي حتي در مقادير 13 و 17و 20درصد بسيار ناچيز است. در حاليکه در مقادير زيادتر کربن با عمليات حرارتي مناسب امکان دستيابي به استحکام کششي مناسب و عمليات مکانيکي مورد نظر فراهم ميشود.
با توجه به ريزساختار فولادهي کرم دار را به شرح زير ميتوان دسته بندي کرد:
الف-فولادهي کرم دار-فريتي(12 تا 18 درصد کرم -1/0درصد کربن)
ب- فولادهي کرم دار-نيمه فريتي(12 تا 14 درصد کرم -08/0 تا 12/0 درصد کربن)
ج-فولادهي کرم دار-مارتنزيتي(12 تا 18 درصد کرم و بيش از 3/0 درصد کربن)
د- فولادهي کرم دار-قابل عمليات حرارتي(12 تا 18 درصد کرم -15/0 تا 20/0 درصد کربن)
ين دسته بندي را در مورد جوش پذيري نيز ميتوان تکرار کرد.
تحت شريط حرارتي نامناسب فولادهي فريتي(گروه الف) تميل به تشکيل دانه هي درشت نشان ميدهند. انرژي حرارتي ناشي از جوشکاري منجر به رشد دانه بندي ميشود که نميتوان آنرا با پس گرميش برطرف نمود.در نتيجه کاربيد رسوب ميکند و در مرز دانه هي فريت باعث شکنندگي و کاهش شديد مقاومت به ضربه فلز جوش ميشود.بري غلبه بر ين حالت بيد از الکترود آستنيتي تثبيت شده با 19 درصد کرم و 9 درصد نيکل استفاده نمود.فلز جوشي که بدين ترتيب حاصل ميشود داري خاصيت آستنيتي و مقاومت به ضربه بالا است.فلز جوشي که بدين طريق حاصل ميشود از نظر مقاومت به خوردگي مطابق فولددهي ضدزنگ فريتي ميباشد اما از نظر ظاهر با فلز مبنا تفاوت رنگ دارد.در صورتيکه اجبار در يکرنگي باشد بيد از فيلر متال مشابه( مثلا 18 درصد کرم به همراه کمي Ti)استفاده شود.Tiدر مقادير جزيي نقش موثر در ريز دانه کردن فلز جوش دارد.
بعلت رابطه گريز ناپذير بين رشد دانه ها با از دست رفتن استحکام ضربه ي چاره ي جز کاستن از تنش هي حرارتي ناشي از عمليات جوشکاري وجود ندارد و بري نيل به ين منظور تمهيداتي نظير الکترود با قطر کم و سرعت جوشکاري بيشتر و پيش گرميش 200تا 300 درجه سانتيگراد بيد به کار رود.
پس گرميش در حدود 700 تا 800 درجه سانتيگراد خاصيت استحکام به ضربه فلز جوش را بهبود ميدهد.
