پودرهای جوش زیر پودری در مقایسه با مواد بکار رفته در پوشش الکترودهای جوشکاری الکترود دستی چند تفاوت عمده دارند. فلاکس های جوش الکترود دستی حاوی ترکیباتی مانند سلولز برای ایجاد گاز محافظ است. همچنین ترکیباتی با تابع کاری پایین مانند اکسید سدیم و اکسید پتاسیم برای کمک به شروع قوس و پایداری آن و مواد دیگری برای تقویت نفوذ، نرخ ذوب و استفاده از قطب های مختلف جریان به پوشش الکترود اضافه شوند.
پودرهای جوش زیر پودری غالبا به این ترکیبات نیازی ندارند چرا که وجود دانه های کروی پودر و سرباره مذاب از قوس محفاظت می‌کنند و دیگر به گاز محافظ نیاز نیست. وجود ترکیبات سیلیس و فلوراید عموما پایداری مطلوب قوس را تضمین می‌نماید و به منظور بهبود سیالیست فلاکس مذاب به سیلیکات های فلزی پودر، حداقل 10 درصد فلوراید کلسیم اضافه می‌گردد.
به این دلیل که پوشش‌های الکترودهای جوش قوس الکترود دستی، قابل اکسترود باشد و سایر ملزومات تولید فرمول پیچیده ای دارند و برعکس آن، پودرهای جوش زیر پودری از ترکیبات معدنی ساده و از میان سیستم های دوتایی، سه تایی و یا چهار تایی انتخاب می‌شوند. رایج ترین فلاکس‌ها از سیستم MnO – SiO2 و یا CaO - SiO2 تشکیل شده که می‌توانند با اکسیدهای منیزیم، آلومینیم، زیرکونیوم و تیتانیوم ترکیب شده و فلاکس‌های کاربردهای خاص را ایجاد نمایند.
دسته بندی فلاکس‌های جوش زیر پودری و فلاکس‌های الکترودهای پوشش به روش های متفاوتی صورت می‌گیرد. استاندارد AWS A5.1-6 الکترودها را برحسب نوع مواد پوشش فلاکس دسته بندی می‌نماید. طبیعت شیمیایی فلاکس تاثیر زیادی بر استاندارد A 5.1 7-69 برای دسته بندی پودر جوش ندارد. زیر پودری به فقط به خواص مکانیکی رسوب جوش که با الکترود مخصوص به وجود می‌آید مربوط است. در عمل بیشتر الکترود و فلاکس جوش زیر پودری از روی ظاهر جوش، تا در نظر گرفتن جنبه‌های فنی انتخاب می‌شوند.
![]()
نرخ ذوب پودرهای جوش نقطه ذوب
یک پودر جوش موثر در دمای بالا می‌تواند سیال شود و لایه روان و محافظ بر روی فلز جوش ایجاد می‌کند که آن را از اکسید شدن محافظت می‌کند. یکی از عیوب جوش زیر پودری ترد شدن آن در دمای اتاق است و به طوری که به آسانی از روی جوش جدا می‌گردد. نقطه ذوب و چگالی فلاکس نیز باید کمتر از فلز جوش باشد که گازهای تولید شده بین فلز و سرباره بتوانند وارد سرباره گردند. به منظور تکمیل وظیفه سرباره سازی، باید پس از تکمیل فلاکس انجماد فلز جوش منجمد شود. از این رو نقطه ذوبِ پودر جوش زیر پودری حدود 1300 درجه سلسیوس می‌باشد. مقدار فلاکس ذوب شده در هر دقیقه به ولتاژ و جریان جوش بستگی دارد و در جریان ثابت مقدار پودر ذوب شده در هر دقیقه با افزایش ولتاژ جوش افزایش پیدا می‌کند. عموما وزن فلاکس ذوب شده و وزن الکترود ذوب شده با یکدیگر برابر می‌باشند.
واکنش فلز جوش در مقابل فلاکس
یکی از عیوب جوش زیر پودری اینکه در زمان جوشکاری زیر پودری، واکنش‌های بین پودر جوش ذوب شده و فلز جوش مذاب است که به واکنش بین مذاب و سرباره در فولاد سازی شباهت دارد و از این رو مسئولیت سرباره مذاب کاهش ناخالصی‌های فلز جوش و تامین عناصری هم چون منگنز و سیلیکون برای فلز جوش می‌باشد.
با افزایش MnO در سرباره تا حدود 10 درصد مقدار منگنز فلز جوش افزایش می‌یابد که به تدریج مقدار این افزایش کم می‌شود. لذا بسیاری از فلاکس‌ها حاوی حدود %10 اکسید منگنز است. رابطه مقدار Si فلز جوش و مقدار SiO2 موجود در فلاکس متفاوت می‌باشد و تا زمانی که SiO2 موجود در سرباره حدود 40 درصد باشد، سیلیسم اندکی جذب نمی‌شود. بنابراین فلاکس‌های تجاری و مخصوصا فلاکس‌هایی که برای جوش‌های با چند پاس تولید می‌شوند، دارای %40، SiO2 می‌باشند.
برخی فلاکس‌ها می‌توانند فروآلیاژها را برای جوش تامین نمایند. اکسیدهای فلزی موجود در پودر مانند MnO3، NiO، Cr2O3 موجب جابجایی عناصر فلزی از سرباره به فلز جوش می‌شوند. ترکیب الکترود، مقدار Cr2O3 فلاکس و ترکیب فلز پایه‌ای که بر روی آن فلز جوش رسوب می‌کند، بر مقدار سیلیسم باقی مانده در فلز جوش تاثیرگذار است.
همه عواملی که زمان واکنش فلز ـ سرباره یا متوسط دمای حوضچه جوش را دچار تغییر می‌کند، بر توزیع عناصر آلیاژی باقی مانده در فلز جوش نیز تاثیرگذار می‌باشد. در شرایط طبیعی جوشکاری، سرعت حرکت به عنوان یک عامل مهم در رسوب عناصر آلیاژی می‌باشد. افزایش ولتاژ موجب افزایش عناصر فلزی منتقل شده به فلز جوش می‌شود.
گرانروی و هدایت سرباره ها
برای افزایش مقاومت فلاکس در برابر نفوذ گازهای اتمسفری، باید گرانروی آن در منطقه جوش به اندازه کافی بالا باشد تا بتواند از سرریز شدن فلز مذاب و حرکت آن به سمت جلوی قوس که ممکن است موجب حبس سرباره در زیر فلز جوش مذاب شود، جلوگیری نماید. هم چنین باید به اندازه کافی سیال باشد تا حل شدن سریع اجزاء غیر فلزی مانند اکسیدها و خارج شدن گازها از فلز مذاب را امکان پذیر کند.دانه‌های پودر جوش در دمای اتاق عایق الکتریکی می باشند و مقاومت آنها با افزایش دما تنزل پیدا می کند. سرباره های مذاب در دمای حوضچه جوش هادی هستند و ویسکوزیته فلاکس مذاب در دمای 1400 oC در حدود 2 تا 7 poises می‌باشد.
روابط الکتریکی منطقه جوش
نوع فلاکس و روش جوشکاری تعیین کننده روابط الکتریکی منطقه جوش می‌باشند. بررسی‌های نوسان نگاری، اسپکتوگرافیک و رادیو گرافیک، قوس طبیعی را در هنگام جوشکاری زیر پودری نشان می‌دهند. ثبت ولتاژ در بررسی‌های نوسان نگاری به منظور محاسبه روابط الکتریکی، نقش مهمی را ایفا می‌کند.
شرایط جوش
در سیم الکترود جوش زیر پودری، دانسیته جریان الکتریسته نسبت به مقدار آن در جوش الکترود دستی، چندین برابر بزرگتر و نرخ ذوب و سرعت جوشکاری نیز بیشتر می‌باشد. در ولتاژ جوشکاری و مجموع و پتانسیل آند و کاتد با افزایش جریان جوشکاری افزایش پیدا می‌کند. با کاهش ولتاژ و یا مجموع پتانسیل در هر جریانی، کاتد و آند مقدار پودر ذوب شده کاهش می‌یابد و به صفر نزدیک می‌گردد. خطی نبودن کاهش پتانسل کاتد و آند بیانگر وجود هدایت الکترولیتی می‌باشد. با جریان جوشکاری، حداکثر سرعت جوشکاری قابل استفاده برای جوشکاری بدون عیب و رفتار پایدار تغییر می‌کند. زمانی که Undercut رخ می‌دهد که جوشکاری در سمت راست خط مورب صورت بگیرد. برای مثال می‌توان جوش تک پاس را در ورق‌های به ضخامت 1 اینچ را با 1500 آمپر و با سرعت 10 اینچ در دقیقه جوش داد.
فاصله نازل
فاصله بین نوک لوله تماس (نازل) و سطح فلز پایه در گرمای وارده به جوش و لذا نرخ ذوب اثرگذار است به این دلیل که گرمای مقاومت الکتریکی (I2R) در طول الکترودی که از نازل خارج شده است، انتهای الکترود بسته به طرح اتصال و طول قوس، ممکن است بالاتر، هم سطح یا زیر سطح بالایی فلز پایه قرار بگیرد. نرخ ذوب ناشی از گرمای مقاومتی I2R در الکترود تابع نمایی از طول الکترود بین نازل و قطعه کار، جریان و قطر الکترود می‌باشد. افزایش مقدار ذوب به شدت جریان و طول الکترود خارج از نازل بستگی دارد که هر دو تابعی از قطر الکترود هستند.
نفوذ
نفوذ، عمق تشکیل رسوب جوش در شیار یا سطح فلز پایه می‌باشد که فاصله زیر سطح اصلی می‌باشد و فلز آن ذوب شده است. ولتاژ کم اهمیت‌ترین و جریان جوشکاری مهم‌ترین عامل در محاسبه نفوذ و سرعت جوشکاری می‌باشد. تاثیر متقابل ولتاژ، جریان و سرعت حرکت جوش بر مقدار نفوذ که از چندین آزمایش زیر پودری بدست آمده است.
برای سایر فرایندهای جوش قوس، GMAW و SMAW نیز رابطه خطی مشابهی دارند. در فرایندهای مختلف، شیب این خط مورب متفاوت می‌باشد و بیشترین مقدار آن مربوط به فرایندهایی است که از گازهای محافظ هلیم یا CO2 استفاده می‌نمایند. برای محاسبات گرمای ورودی و سرعت سردشدن، ظرفیت حرارتی فلز جوش مذاب اهمیت زیادی دارد و با مقطع عرضی گرده جوش که بیانگر مقدار فلز است و برای ذوب شدن گرم می شود، مناسب می‌باشد. برای هر روش جوشکاری، بازده تولید به اندازه گیری این ناحیه مربوط می‌شود. ارتفاع گرده جوش با افزایش جریان جوشکاری و کاهش سرعت حرکت جوشکاری افزایش می‌یابد و تاثیر ولتاژ برگرده جوش ناچیز است.
رقت فلز جوش
فلز پایه نسبت به رسوب فلز جوش عامل مهمی در کنترل خواص مکانیکی فلز جوش به شمار می‌رود. از روی نسبت حجم گرده (سطح مقطع عرضی درطول گرده) بر فلز پایه می‌توان رقت فلز جوش از فلز پایه را محاسبه نمود. با افزایش نسبت جریان به سرعت جوشکار، رقت فلز جوش از فلز پایه افزایش پیدا می‌کند. با افزایش ولتاژ نرخ ذوب الکترود اندکی کمتر شده و از این رو موجب افزایش رقت می‌گردد.
بازیسیته پودر جوش
معیار دیگری برای طبقه بندی پودرهای جوش، اندیس بازی پودر جوش (BI) می‌باشد که مقدار اسیدی بودن روش تولید فلاکس را و فعال، خنثی یا آلیاژی بودن فلاکس را تعیین می‌نماید. اندیس بازی مجموع اکسیدهای فلزی با پیوند سخت نسبت به مجموع اکسیدهای فلزی، پیوند سستی دارد. اندیس بازی حاصل مقداری اکسیژن فلز جوش است و از این رو می‌تواند برای بیان خواص فلز جوش مورد استفاده قرار بگیرد.
پودرهای جوش با بازیسیته بیشتر، برای داشتن اکسیژن کمتر و استحکام بالاتر در فلز جوش تمایل زیادی از خود نشان می‌دهند. پودرهای جوش اسیدی، جوشی با اکسیژن بیشتر و ریز ساختار درشت‌تر و با مقاومت کمتر، تورق تولید می‌نمایند. پودرهای جوشی با اندیس بازی بیشتر از 5/1 پودر جوش بازی و با اندیس بازی کمتر از یک، پودر جوش اسیدی شناخته می‌شوند. پودرهای جوش اسیدی برای جوش‌های تک پاس مناسبند و رفتار جوش مناسب و در گرده جوش خاصیت ترکنندگی خوب دارند.
هم چنین پودرهای جوش اسیدی در مقایسه با پودرهای جوش بازی در مقابل ایجاد تخلخل ناشی از آلودگی‌هایی از قبیل روغن، زنگ و پوسته‌های نوردی در ورق مقاومت بیشتری دارند. پودرهای جوش بازی نسبت به پودرهای جوش اسیدی مقاومت به ضربه بهتری از خود نشان می‌دهند. این مزیت در جوش چند پاس، قابل مشاهده است. پودرهای جوش با بازیسیته زیاد در جوش‌های بزرگ با چند پاس خواص ضربه خیلی خوب و در جوش تک پاس خواص ضعیف‌تری را در مقایسه با پودرهای جوش اسیدی نشان می‌دهند. بنابراین مصرف پودرهای جوش بازی باید به جوش‌های بزرگ چند پاس که نیازمند استحکام ضربه فلز جوش، محدود شود.
منابع عیوب جوش زیر پودری
جوش زیرپودری پروسه ای با گرمای بسیار بالا که در زیر لایه محافظ فلاکس صورت می‌گیرد و از این رو امکان بروز عیوب جوش زیر پودری در این روش کمتر از سایر روش‌ها می‌باشد. عیوبی که بعضا در جوش زیرپودری اتفاق می‌افتد عبارت است از:
- تخلخل
- ذوب ناقص
- ترک انقباضی
- ترک هیدروژنی
- سرباره باقیمانده درون جوش
![]()
ذوب ناقص و سرباره باقیمانده درون جوش
ذوب ناقص و سرباره باقیمانده درون جوش به عنوان یکی از عیوب جوش زیر پودری، از قرار گرفتن صحیح گرده جوش بر روی درز جوش ناشی می‌شود. انحراف گرده جوش از محل خود، چرخش و تلاطم فلز مذاب و اکسیژن تکه‌هایی از سرباره به درون فلز جوش را ایجاد می‌شود. در صورتی که گرده جوش دور از لب های اتصال باشند، موجب عدم نفوذ کافی جوش در فلز پایه می‌گردد. گرده جوش تاجی شکل که بر اثر پایین بودن ولتاژ ایجاد می‌شود که احتمال بروز نفوذ ناقص و محبوس شدن سرباره را به علت مختل شدن حرکت یکنواخت مذاب، تشدید می‌نماید.
ترک انقباضی
در وسط طول گرده جوش زیر پودری، ترک انقباضی صورت می‌گیرد به این علت که ممکن است شکل گرده جوش و یا طرح اتصال مناسب نباشد و یا مواد جوش غلط انتخاب شده باشند. هنگامی که ترک انقباضی در جوش با گرده جوش محدب نسبت پهنا به ارتفاع آن بیشتر از یک باشد، شکل گرده ماهی است. زمانی که عمق نفوذ جوش زیاد گردد، تنش‌های انقباضی سبب ترک طولی در وسط جوش می‌شود که این امر می‌تواند بر اثر طرح اتصال نامناسب تشدید شود. به دلیل تنش در جوش، مواد مستحکم بیشتر در معرض ترک قرار دارند، بنابراین هنگام استفاده از این مواد باید در انتخاب مواد جوش، آماده سازی طرح اتصال، دمای پیش گرمایش و دمای بین پاس ها دقت زیادی گردد.
ترک هیدروژنی
ترک هیدروژنی یک فرایند کند و یکی از عیوب جوش زیر پودری می باشد و برخلاف ترک انقباضی که پس از جوش رخ می‌دهد، تا مدت‌ها پس از جوش ایجاد می‌شود. به منظور کاهش خطر ترک هیدروژنی باید همه منابع هیدروژن از قبیل، روغن، آب و آلودگی‌های موجود در فلاکس الکترود و سطوح اتصال از بین بروند. همچنین ورق فلاکس و الکترود باید کاملا تمیز و خشک باشند. فلاکس و الکترود را باید در محل‌های خشک و بدور از رطوبت نگهداری کرد و در صورتی که در معرض رطوبت قرار بگیرد، باید طبق دستور سازنده مجددا خشک شوند.
انتخاب مواد جوش مناسب برای فولادهای مستحکم، مقاومت جوش را در برابر ترک هیدروژنی افزایش می‌دهد. مواد جوش ویژه مستجکم در برابر ترک هیدروژنی ساخته می‌شوند که قابلیت نفوذ هیدروژن در جوش را تقلیل می‌دهند. پیش گرمایش قطعه کار، خطر ترک هیدروژنی را باز هم کاهش می‌دهد. قطعات ضخیم گرمای پیش گرم را تا ساعت ها پس از جوشکاری در قطعه محافظت می‌کند. از این رو خطر ترک هیدروژنی در این قطعات به حداقل می‌رسد. دمای پیش گرم مناسب بیشتر از 100 oC می‌باشد چرا که در این دما هیدروژن درون فولاد بصورت متحرک است و به خروج بیشتر هیدروژن از فولاد کمک می‌کند.
تخلخل
در جوش زیر پودری سرباره، تخلیل حفاظت خوبی از مذاب انجام می‌دهد. در جوش زیر پودری منشاء تخلخل ممکن است از درون مذاب و یا فشردگی‌هایی در سطح گرده جوش باشد. به منظور کاهش تخلخل در جوش زیر پودری، باید پوشش فلاکس به حد کافی باشد و ورق، الکترود و فلاکس از همه آلودگی‌ها از جمله رطوبت روغن و غیره پاک باشند. در جوشکاری با سرعت‌های بیش از حد، حباب‌های گاز فرصت خارج شدن از مذاب را پیدا نمی‌کنند که در صورت وجود حباب‌ها درست در زیر سرباره، برای کنترل آن باید سرعت پیش روی جوشکاری را اندکی کاهش داد.