جوشکاری زیر پودری
به فرایند جوش قوس الکتریکی که در آن گرمای لازم برای جوشکاری توسط یک یا چند قوس بین یک فلز پوشش نشده و یک یا چند الکترود مصرفی و یک قطعه کار تامین می‌شود که در آن قوس قابل مشاهده نیست، جوش زیر پودری گفته می‌شود. در این روش نوک الکترود داخل پودری از مواد معدنی ویژه است و قوس در زیر این پودر در امتداد مسیر جوشکاری تشکیل می‌شود.
در این روش در سیستم زیرپودری سیم بدون روکش کاربرد دارد به گونه‌ای که سیم به طور متوالی از قرقره مخصوص رها می‌شود و در حین تشکیل قوس، به عنوان واسطه اتصال عمل می‌کند. قوس توسط لایه ای از فلاکس پودری قابل ذوب شدن می‌باشد که فلز جوش مذاب و فلز پایه نزدیک اتصال را می‌پوشاند و فلز جوش مذاب را از آلودگی‌های اتمسفر محافظت می‌کند.
- اصول عملیات جوش زیر پودری
در جوش خودکار زیر پودری، جریان الکتریکی از قوس و حوضچه مذاب جوش (که ترکیبی از فلاکس مذاب و فلزجوش مذاب است) عبور می‌کند. فلاکس مذاب معمولا، هادی مناسبی برای جریان برق می‌باشد اما فلاکس سرد، هادی محسوب نمی‌شود. پودر جوش می‌تواند ناخالصی زداها و اکسیدزداهایی که با فلز جوش واکنش شیمیایی می‌دهند را نیز ایجاد نماید. هم چنین می‌تواند یک لایه محافظ را نیز ایجاد نماید.
فلاکس‌های جوش زیر پودری فولادهای آلیاژی حاوی عناصر آلیاژی هستند که برای بهبود ترکیب شیمیایی فلز جوش مناسب هستند. جریان برق از یک ژنراتور (ترانسفورماتور یا رکتی فایر) ایجاد می‌شود و از اتصالات عبور می‌کند تا قوسی را بین الکترود و فلز پایه بر قرار نماید و سپس آن را ذوب کند. در این هنگام حوضچه مذاب را برای پرکردن اتصال ایجاد می‌کند.
در تمامی تجهیزات، غلطک‌های هدایت با نیروی مکانیکی بطور پیوسته سیم الکترود مصرفی فلزی را از میان لوله تماس (نازل) و توده فلاکس به اتصالی که باید جوش گردد، هدایت می‌کند. سیم الکترود از یک فولاد کم کربن با ترکیب شیمیایی دقیق که در یک قرقره یا بشکه پیچیده تشکیل شده که در منطقه جوش ذوب شده و در طول اتصال رسوب می‌کند. فلاکس دانه‌ای در جلوی قوس ریخته شده که فلاکس ذوب نشده پس از انجماد فلز جوش، بوسیله سیستم مکش جمع کننده برای استفاده مجدد، جمع اوری می‌گردد.
بازیابی فلاکس در جوش خودکار مجموعه‌ای از تجهیزات و یک لوله بازیابی فلاکس که درست پس از لوله تماس قرار گرفته است، می‌باشد. جوش زیر پودری به هر دو روش خودکار و نیمه خودکار قابل انجام بوده و روش خودکار به خاطر مزایا بیشتر، بیشتر کاربرد دارد. در روش جوش کاملا خودکار دستگاه بصورت خودکار الکترود و فلاکس را در طول مسیر جوش تغذیه و هدایت کرده و نرخ رسوب را کنترل می‌کند.
در کاربردهای خاصی جوش خودکار زیر پودری دو یا چند الکترود بصورت متوالی در یک اتصال تغذیه می‌شوند. الکترودها در کنار یکدیگر بوده و ممکن است از سوی یک حوضچه تغذیه می‌شوند یا این که از یکدیگر فاصله دارند و پس از انجماد یکی حوضچه دیگری تشکیل شود و به شکل مستقل منجمد می‌شوند.
روش جدیدتر جوش خودکار زیر پودری، قوس های پشت سرهم است که جوش چند پاس در یک شیار اتصال را برای افزایش سرعت حرکت و نرخ رسوب جوشکاری تامین می‌کند. جوشکار در نیمه خودکار، به شکل دستی یک تفنگ جوشکاری، فلاکس و الکترود را به محل اتصال تغذیه هدایت می‌کند و خودش سرعت حرکت را کنترل می‌نماید.
- مزایا و محدودیت ها جوش زیر پودری
روش جوش خودکار زیر پودری در مقایسه با سایر روش‌های دیگر جوشکاری مزایا و معایب زیر را دارند که عبارتند از:
- اتصالات را می‌توان با شیار کم عمق ایجاد کرد که موجب مصرف کمتر فلز پرکننده می‌شود. لازم به ذکر است که در برخی موارد، به شیار اتصالات بین ورق‌های با ضخامت کمتر از 4/1 نیاز نیست.
- اگر چه حفاظت چشمان اپراتور بخاطر احتمال پرتاب جرقه جوش توصیه می‌شود، اما برای حفاظت اپراتور از قوس به پوشش نیاز نیست.
- جوش را می‌توان با نرخ رسوب بالا، بر روی سطح صاف یا استوانه‌ای یا لوله، سرعت حرکت متفاوت و از نظر تئوری با هر اندازه و ضخامتی انجام داد. این روش برای سخت کردن سطحی نیز مناسب می‌باشد.
- فلاکس به عنوان آخال زدا و اکسیدزدا برای خارج کردن ترکیبات ناخواسته از حوضچه جوش موثر است که جوش سالم و باخواص مکانیکی را ایجاد می‌نماید.
- سیم‌های الکترود با قیمت مناسب برای جوش فولادهای غیرآلیاژی و کم کربن کاربرد دارند. معمولا سیم‌های فولادی کم کربن بدون پوشش یا با پوشش نازک مسی به منظور هدایت بهتر و جلوگیری از خوردگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- ذرات فلاکس حفاظت بهتری نسبت به پوشش الکترود در روش جوشکاری الکترود دستی انجام می‌دهند. جوش زیر پودری را می‌توان در زیر وزش بادهای نسبتا شدید جوشکاری نمود.
- محدودیت‌های جوش زیر پودری که برخی در روش‌های دیگر جوشکاری نیز وجود دارند بصورت زیر می‌باشد:
- پودر جوش ممکن است به آلودگی‌هایی آغشته شود که موجب تخلخل جوش گردد.
- به منظور ایجاد یک جوش خودکار زیر پودری مناسب، فلز پایه باید یک نواخت بدون پوسته اکسیدی، زنگ، غبار و روغن و سایر آلودگی‌ها باشد.
- جداشدن سرباره از جوش در برخی موارد به سختی انجام می‌شود. در جوش‌های چند پاس پس از هر عبور باید سرباره جوش برداشته شود تا از باقی ماندنش درون فلز جوش پیشگیری به عمل آید.
- جوش خودکار زیر پودری برای جوش فلزات با ضخامت کمتر از 3/16، به علت Burn Through روش مطلوبی نیست. مگر در موارد خاص که به مسطح بودن وضعیت جوشکاری بستگی، زیرا مسطح بودن و افقی بودن وضعیت برای جلوگیری از ریختن فلاکس ضروری است.
- آلیاژهای مناسب جوش زیر پودری
همه فلزات و آلیاژها نمی‌توانند از جوش خودکار زیر پودری استفاده کنند. برای سهولت فلزات و آلیاژها را می‌توان با توجه به مناسب بودن آن‌ها برای جوش زیر پودری در سه دسته بیان نمود که عبارتند از:
- فلزات بسیار مناسب
- فلزات اندکی مناسب
- فلزات غیر مناسب
فلزات بسیار مناسب
جوش زیر پودری در جوش فولادهای غیرآلیاژی فولاد ساده کم کربن بیشترین استفاده را دارد. فلزهایی که محدوده تنش تسلیم آن‌ها حدود 45000 تا 85000 Psi است و معمولا با فلاکس و الکترود AWS 15.17 – 69 (مشخصات فنی فلاکس‌ها و الکترودهای فولادهای آرام ساده برای جوش قوس زیر پودری) جوش می‌شوند، از جمله آن‌ها می‌باشند. اغلب فلزها و آلیاژها به پیش گرم، پس گرم و استفاده از فلاکس و سیم الکترودهای ویژه نیاز دارند. فولادهای کربن متوسط و کم آلیاژ ساختمانی در رده فولادهای مناسب جوش زیر پودری قرار دارند. فولاد کربنی آلیاژی قابل سخت شدن، فولاد ضد زنگ و فولاد ساختمانی مقاوم نیز با روش جوش زیر پودری قابلیت جوشکاری دارند. جوش زیر پودری همچنین برای ایجاد پوشش‌های مقاوم به سایش برای موقعیت‌هایی که تحت سایش هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برخی فلزات و آلیاژهایی با جوش زیرپودری را بیشتر با روش‌هایی که منطقه حرارت داده شده باریک تر باشد، جوش می‌دهند. فولادهای ساختمانی کم کربن و مقاوم در ذیل این گروه به شمار می‌روند چرا که مقاومت و استحکام ضربه و کشش مورد نیاز در روش جوش زیر پودری به سختی ایجاد می‌شود. فولادهای مار تنزیتی، فولادهای پرکربن، و مس و آلیاژهای مس در این ردیف قرار می‌گیرند.
فلزات نامناسب
آلیاژهای منیزیوم و آلیاژهای آلومینیوم را نمی‌توان به روش زیر پودری جوش داد به این دلیل که فلاکس مناسب برای آن پیدا نمی‌شود. فلز چدن قابلیت جوش با روش زیر پودری را ندارد چرا که نمی‌تواند تنش‌های حرارتی ناشی از گرمای ورودی را متحمل شود. مسائلی که در جوش فولاد آستنیته منگنزی و فولاد ابزار پرکربن اتفاق می‌افتد، جوشکاری آن‌ها را با هر روش معمولی سخت می‌کند. همچنین فلزات سرب و روی بخاطر نقطه ذوب پایین، برای جوش با روش زیرپودری مناسب نیستند. تیتانیوم در کاربردهای آزمایشگاهی به روش زیر پودری جوشکاری شده اما فلاکس مناسب برای جوش آن تاکنون ساخته نشده است.
جوش زیر پودری در جریان‌های بالا سه ویژگی عمده دارد که عبارت اند از:
- مقدار زیاد سرباره تولید شده در عملیات
- گرمای ورودی زیاد که ریز ساختار را تحت تاثیر قرار می‌دهد
- درصد بالای فلز پایه در جوش هنگامی که قطب معکوس است جریان مستقیم استفاده می‌شود.
زمانی که میزان فلز پایه در رسوب فلز جوش بالا باشد، کاهش ناخالصی های مضر از قبیل فسفر و گوگرد اهمیت زیادی دارد. مقدار زیاد سرباره منبعی از سیلیسیم یا منگنز می‌باشد که ممکن است مقداری از آن به رسوب فلز جوش انتقال یابد. از این رو هنگام استفاده از فلاکس‌های پرسیلیسیم، به منظور جلوگیری از جذب سیلیسیم اضافی توسط فلز جوش از سیم الکترود کم سیلیسیم (حداکثر 0.05% سیلیسیم) استفاده می‌شود.
علاوه بر این، سیم الکترود کم منگنز حاوی کمتر از 0.5% منگنز معمولا با فلاکس‌های پر منگنز کاربرد دارد. سیم الکترود پر منگنز حاوی 2 درصد منگنز عموما با فلاکس‌های کم منگنز استفاده می‌شوند. گرمای ورودی در جوشکاری حاصل جریان می باشد که تا حدود 1500 آمپر نیز می رسد و در سرعت های حرکت پایین باعث تغییر ساختار در منطقه متاثر از حرارت شده و استحکام ضربه را کاهش و استحکام کششی و دمای تبدیل تردی به نرمی را افزایش می دهد.
افزایش تغییرات ساختار فلز پایه به عوامل زیر وابسته است:
- زمان آن دما
- ترکیب شیمیایی فلز پایه
- حداکثر دمایی که فلز در آن قرارداده می‌شود
سرعت سرد شدن ساختار فلز جوش به شکل ستونی می‌باشد چرا که از مرز جامد شروع شده و تنها در یک سو امکان رشد دارد. در فولاد کربنی که قابلیت سخت شدن دارد، نزدیک به قسمت جوش و در ناحیه فلز پایه می‌باشد که بخاطر رسیدن به دمای حدود 2800 تا 2200 فارنهایت، امکان درشت شدن ساختار وجود دارد. فلزی که در دمای 1700 تا 2200 فارنهایت گرم شده دارای نواری از دانه‌های نازک‌تر است و اگر چه این قسمت بواسطه دمای دگرگونی فاز گرم شده، اما زمان باقی ماندن در این دما، برای درشت ساختار شدن کافی نیست.
قسمت بعدی منطقه‌ای است با دمای 1700 تا 1400 فارنهایت که فولاد باز پخت شده و به مقدار قابل توجهی نرم تر از منطقه مجاور جوش می‌باشد. فلز پایه دورتر از این منطقه نیز تغییر نمی‌کند و به همان صورت قبلی باقی می‌ماند که ممکن است مقداری کاربید کروی شده به علت باقی ماندن در حدود 1330 فارنهایت، ایجاد گردد.
- اصول پیش گرم و پس گرم کردن
اصول پیش گرم و پس گرم کردن برای جوش زیر پودری شبیه به دیگر روش‌های جوشکاری می‌باشد. پیش گرم و پس گرم کردنِ فولادهای سختی پذیر، بویژه فولادهایی که کربن آن‌ها از حدود 3/0 درصد و ضخامت آن‌ها بیشتر از 4/3 می‌باشد، قابل استفاده است. کاهش سرعت سردشدن که در اثر پیش گرم اتفاق می‌افتد، زمان ماندگاری در دمای بالاتر از شروع تغییر حالت مارتنزیتی را افزایش پیدا می‌کند و بنابراین به جای مارتنزیت سخت، تغییر حالت آستنیت به پرلیت ظریف‌تر را افزایش می‌دهد. احتمال کمتری وجود دارد که در قسمت جوشی که پیش گرم شده، نسبت به قسمت جوش پیش گرم نشده فاز سخت تشکیل شود. علاوه بر این، به علت سرعت سرد شدن کمتر در فولادهای پیش گرم شده، خطر ترکیدگی جوش و تنش های حرارتی کاهش می‌یابد. پس گرم کردن زمان نیاز به تنش زدایی حرارتی، بازپخت، نرمالایز کردن یا تمپرکردن بکار می‌رود.