علاوه بر عوامل فرآیندی، سایر عوامل فرآیند جوشکاری، مانند اندازه شیار و اندازه شکاف، زاویه شیب الکترود و قطعه کار و موقعیت مکانی اتصال، نیز میتوانند بر تشکیل جوش و اندازه جوش تأثیر بگذارند.
تأثیر جریان جوشکاری بر تشکیل جوش
تحت شرایط خاص، با افزایش جریان جوشکاری قوسی، عمق نفوذ و تقویت درز جوش افزایش مییابد و عرض جوش نیز اندکی افزایش مییابد. دلایل آن به شرح زیر است:
۱) با افزایش جریان جوشکاری قوسی، نیروی قوس وارد بر قطعه جوش افزایش مییابد، گرمای ورودی قوس به قطعه جوش افزایش مییابد و موقعیت منبع گرما به سمت پایین حرکت میکند که این امر منجر به هدایت گرما در جهت عمق حوضچه مذاب شده و عمق نفوذ را افزایش میدهد. عمق نفوذ تقریباً متناسب با جریان جوشکاری است. عمق نفوذ جوش H تقریباً برابر با Km × I است. در فرمول، Km ضریب نفوذ (تعداد میلیمترهایی که عمق نفوذ جوش با افزایش جریان جوشکاری به میزان ۱۰۰ آمپر افزایش مییابد) است که همانطور که در جدول ۱-۱ نشان داده شده است، به روش جوشکاری قوسی، قطر سیم، نوع جریان و غیره مربوط میشود.
| روشهای جوشکاری قوسی | قطر الکترود/میلیمتر | جریان جوشکاری/A | ولتاژ/ولت | سرعت جوشکاری بر متر ساعت-1 | ضریب نفوذ بر متر مکعب - 100 آمپر |
جوشکاری قوسی تنگستن-آرگون | ۳.۲ | ۱۰۰ تا ۳۵۰ | ۱۰ تا ۱۶ | ۶ تا ۱۸ | 0.8 ~ 1.8 |
| | دیافراگم نازل ۱.۶ | ۵۰ تا ۱۰۰ | ۲۰ تا ۲۶ | ۱۰ تا ۶۰ | ۱.۲ تا ۲ |
| دیافراگم نازل ۳.۴ | ۲۲۰ تا ۳۰۰ | ۲۸ تا ۳۶ | ۱۸ تا ۳۰ | ۱.۵ تا ۲.۴ |
| | 2 | ۲۰۰ تا ۷۰۰ | ۳۲ تا ۴۰ | ۱۵ تا ۱۰۰ | ۱.۰ تا ۱.۷ |
| 5 | ۴۵۰ تا ۱۲۰۰ | ۳۴~۴۴ | 30 تا 60 | ۰.۷ تا ۱.۳ |
جوشکاری قوس آرگون با الکترود ذوبی | ۱.۲ تا ۲.۴ | ۲۱۰ تا ۵۵۰ | ۲۴ تا ۴۲ | 40 تا 120 | ۱.۵ تا ۱.۸ |
| جوشکاری CO2 | ۰.۸ تا ۱.۶ | ۷۰ تا ۳۰۰ | ۱۶ تا ۲۳ | 30 تا 150 | ۰.۸ تا ۱.۲ |
| ۲ تا ۴ | ۵۰۰ تا ۹۰۰ | ۳۵ تا ۴۵ | ۴۰ تا ۸۰ | |
جدول 1-1 ضریب عمق ذوب Km برای روشها و پارامترهای مختلف جوشکاری قوسی (فولاد جوشکاری)
۲) سرعت ذوب هسته جوش یا سیم جوش در جوشکاری قوسی متناسب با جریان جوشکاری است.از آنجایی که افزایش جریان جوشکاری در جوشکاری قوسی منجر به افزایش سرعت ذوب سیم جوش می شود، مقدار سیم جوش ذوب شده تقریباً به همان نسبت افزایش می یابد، در حالی که پهنای جوش کمتر افزایش می یابد، بنابراین تقویت جوش افزایش می یابد.
۳) پس از افزایش جریان جوشکاری، قطر ستون قوس افزایش مییابد. با این حال، عمق نفوذ قوس به داخل قطعه کار افزایش مییابد و محدوده حرکت لکه قوس محدود میشود. بنابراین، افزایش عرض جوش نسبتاً کم است.
در جوشکاری گاز خنثی با محافظ گاز (MIG)، وقتی جریان جوشکاری افزایش مییابد، عمق نفوذ جوش افزایش مییابد. اگر جریان جوشکاری خیلی زیاد و چگالی جریان خیلی زیاد باشد، احتمال نفوذ انگشت مانند، به خصوص هنگام جوشکاری آلومینیوم، وجود دارد.
تأثیر ولتاژ قوس بر تشکیل جوش
تحت شرایط خاص، وقتی ولتاژ قوس افزایش مییابد، توان قوس افزایش مییابد و گرمای ورودی به قطعه جوش نیز افزایش مییابد. با این حال، افزایش ولتاژ قوس با افزایش طول قوس حاصل میشود. افزایش طول قوس منجر به افزایش شعاع منبع حرارت قوس و افزایش اتلاف حرارت قوس میشود. در نتیجه، چگالی انرژی ورودی به قطعه جوش کاهش مییابد، بنابراین عمق نفوذ کمی کاهش مییابد در حالی که عرض جوش افزایش مییابد. در عین حال، از آنجایی که جریان جوشکاری بدون تغییر باقی میماند و میزان ذوب سیم جوش بدون تغییر است، تقویت جوش کاهش مییابد.
برای روشهای مختلف جوشکاری قوسی، برای دستیابی به شکلگیری جوش مناسب، یعنی حفظ ضریب شکلگیری جوش مناسب φ، باید ضمن افزایش جریان جوشکاری، ولتاژ قوس نیز به طور مناسب افزایش یابد. لازم است که ولتاژ قوس و جریان جوشکاری رابطه تطبیقی مناسبی داشته باشند. این امر بیشتر در جوشکاری قوسی با الکترود مصرفی رایج است.
تأثیر سرعت جوشکاری بر تشکیل جوش
تحت شرایط خاص، افزایش سرعت جوشکاری منجر به کاهش گرمای ورودی جوشکاری و در نتیجه کاهش عرض و نفوذ جوش میشود. از آنجایی که مقدار فلز سیم رسوب شده در واحد طول جوش با سرعت جوشکاری نسبت معکوس دارد، منجر به کاهش تقویت جوش نیز میشود.
سرعت جوشکاری شاخص مهمی برای ارزیابی بهرهوری جوشکاری است. برای بهبود بهرهوری جوشکاری، سرعت جوشکاری باید افزایش یابد. با این حال، برای اطمینان از اندازه جوش مورد نیاز در طراحی سازه، ضمن افزایش سرعت جوشکاری، جریان جوشکاری و ولتاژ قوس نیز باید متناسب با آن افزایش یابد. این سه کمیت به هم مرتبط هستند. در عین حال، باید در نظر داشت که هنگام افزایش جریان جوشکاری، ولتاژ قوس و سرعت جوشکاری (یعنی استفاده از قوس جوشکاری با توان بالا و جوشکاری با سرعت جوشکاری بالا)، عیوب جوشکاری مانند بریدگی زیرین و ترک ممکن است در طول تشکیل حوضچه مذاب و فرآیند انجماد حوضچه مذاب رخ دهد. بنابراین، افزایش سرعت جوشکاری محدود است.
تأثیر نوع جریان جوشکاری و قطبیت و اندازه الکترود بر تشکیل جوش
۱. انواع و قطبیتهای جریان جوشکاری
انواع جریان جوشکاری به جریان مستقیم و جریان متناوب تقسیم میشوند. در میان آنها، جوشکاری قوسی جریان مستقیم بر اساس وجود پالس در جریان، به جریان مستقیم ثابت و جریان مستقیم پالسی تقسیم میشود؛ بر اساس قطبیت به اتصال مثبت جریان مستقیم (قطعه جوش به مثبت متصل است) و اتصال معکوس جریان مستقیم (قطعه جوش به منفی متصل است) تقسیم میشود. جوشکاری قوسی جریان متناوب نیز بر اساس شکل موجهای مختلف جریان به جریان متناوب سینوسی و جریان متناوب مربعی تقسیم میشود. نوع و قطبیت جریان جوشکاری میتواند بر میزان گرمای ورودی از قوس به قطعه جوش تأثیر بگذارد، بنابراین میتواند بر تشکیل جوش تأثیر بگذارد. در عین حال، میتواند بر فرآیند انتقال قطرات و حذف لایه اکسید روی سطح فلز پایه نیز تأثیر بگذارد.
وقتی از جوشکاری قوسی با گاز بیاثر تنگستن برای جوشکاری مواد فلزی مانند فولاد و تیتانیوم استفاده میشود، نفوذ جوش زمانی عمیقتر است که جریان مستقیم در جهت مثبت متصل شود، نفوذ زمانی کمعمقتر است که جریان مستقیم در جهت معکوس متصل شود و جریان متناوب بین این دو باشد. از آنجایی که نفوذ جوش زمانی عمیقتر است که جریان مستقیم در جهت مثبت متصل شود و الکترود تنگستن کمترین تلفات سوختگی را داشته باشد، هنگام استفاده از جوشکاری قوسی با گاز بیاثر تنگستن برای جوشکاری مواد فلزی مانند فولاد و تیتانیوم، باید از اتصال مثبت جریان مستقیم استفاده شود. وقتی از جوشکاری جریان مستقیم پالسی در جوشکاری قوسی با گاز بیاثر تنگستن استفاده میشود، از آنجایی که پارامترهای پالس قابل تنظیم هستند، اندازه تشکیل جوش را میتوان در صورت نیاز کنترل کرد. وقتی از جوشکاری قوسی با گاز بیاثر تنگستن برای جوشکاری آلومینیوم، منیزیم و آلیاژهای آنها استفاده میشود، لازم است از اثر تمیزکننده کاتد قوس برای تمیز کردن لایه اکسید روی سطح فلز پایه استفاده شود. جریان متناوب بهتر است. از آنجایی که پارامترهای شکل موج جریان متناوب موج مربعی قابل تنظیم هستند، اثر جوشکاری بهتر است.
در جوشکاری قوسی فلزی گازی، وقتی جریان مستقیم به صورت معکوس متصل میشود، نفوذ جوش و عرض جوش هر دو بیشتر از حالت اتصال مثبت جریان مستقیم است. نفوذ و عرض جوشکاری جریان متناوب بین این دو است. بنابراین، در جوشکاری قوسی زیرپودری، اتصال معکوس جریان مستقیم معمولاً برای دستیابی به نفوذ بیشتر استفاده میشود؛ در حالی که در جوشکاری سطحی قوسی زیرپودری، اتصال مثبت جریان مستقیم برای کاهش نفوذ استفاده میشود. در جوشکاری قوسی فلزی گازی با گاز محافظ، از آنجایی که اتصال جریان مستقیم معکوس نه تنها عمق نفوذ زیادی دارد، بلکه قوس جوشکاری و فرآیند انتقال قطرات نیز پایدارتر از اتصال مثبت جریان مستقیم و جریان متناوب است و اثر تمیزکنندگی کاتد را دارد، به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد. اتصال مثبت جریان مستقیم و جریان متناوب معمولاً استفاده نمیشوند.
۲. تأثیر شکل نوک الکترود تنگستن، قطر سیم جوش و طول سیم رابط
زاویه و شکل انتهای جلویی الکترود tun, gsten تأثیر بیشتری بر تمرکز قوس و فشار قوس دارد. آنها باید با توجه به جریان جوشکاری و ضخامت قطعه کار انتخاب شوند. به طور کلی، هرچه قوس متمرکزتر و فشار قوس بیشتر باشد، عمق نفوذ تشکیل شده بیشتر است، در حالی که عرض جوش به طور متناظر کاهش مییابد.
در جوشکاری قوسی با گاز محافظ، وقتی جریان جوشکاری ثابت است، هرچه سیم جوش نازکتر باشد، گرمایش قوس متمرکزتر، عمق نفوذ افزایش و عرض جوش کاهش مییابد. با این حال، هنگام انتخاب قطر سیم جوش در پروژههای جوشکاری واقعی، باید بزرگی جریان و مورفولوژی حوضچه جوش نیز در نظر گرفته شود تا از تشکیل جوش ضعیف جلوگیری شود.
وقتی طول امتداد سیم در جوشکاری قوسی فلزی گازی افزایش مییابد، گرمای مقاومتی تولید شده توسط جریان جوشکاری که از قسمت امتداد یافته سیم عبور میکند، افزایش مییابد که باعث افزایش سرعت ذوب سیم میشود. بنابراین، تقویت جوش افزایش مییابد، در حالی که عمق نفوذ تا حدودی کاهش مییابد. با توجه به مقاومت نسبتاً زیاد سیمهای جوشکاری فولادی، تأثیر طول امتداد سیم بر تشکیل جوش در جوشکاری با سیمهای فولادی و ظریف نسبتاً آشکار است. مقاومت سیمهای جوشکاری آلومینیومی نسبتاً کم است، بنابراین تأثیر آن قابل توجه نیست. اگرچه افزایش طول امتداد سیم میتواند ضریب ذوب سیم را بهبود بخشد، اما با در نظر گرفتن جنبههای جامع پایداری ذوب سیم و تشکیل جوش، یک محدوده تغییرات مجاز برای طول امتداد سیم وجود دارد.
تأثیر سایر عوامل فرآیندی بر عوامل تشکیل جوش
علاوه بر عوامل فرآیندی فوق، سایر عوامل فرآیند جوشکاری، مانند اندازه شیار و اندازه شکاف، زاویه شیب الکترود و قطعه کار و موقعیت مکانی اتصال، نیز میتوانند بر شکلگیری جوش و اندازه جوش تأثیر بگذارند.
۱. شیار و شکاف
هنگام جوشکاری اتصالات لب به لب با جوشکاری قوس الکتریکی، معمولاً تعیین میشود که آیا شکافی ایجاد شود یا خیر، اندازه شکاف و شکل شیار باز شده بر اساس ضخامت صفحه جوش تعیین میشود. در شرایط خاص دیگر، هرچه اندازه شیار یا شکاف بزرگتر باشد، تقویت جوش جوش داده شده کمتر است که معادل افت موقعیت جوش است. در این زمان، نسبت ذوب کاهش مییابد. بنابراین، میتوان از ایجاد شکاف یا باز کردن شیار برای کنترل اندازه تقویت و تنظیم نسبت ذوب استفاده کرد. در مقایسه با ایجاد شکاف و عدم ایجاد شکاف و باز کردن شیار، شرایط اتلاف حرارت این دو تا حدودی متفاوت است. به طور کلی، شرایط تبلور باز کردن شیار مطلوبتر است.
۲. شیب الکترود (سیم جوش)
در جوشکاری قوسی، با توجه به رابطه بین جهت شیب الکترود و جهت جوشکاری، به دو نوع تقسیم میشود: شیب الکترود به جلو و شیب الکترود به عقب. وقتی سیم جوش شیبدار است، محور قوس نیز به همین ترتیب شیبدار میشود. وقتی سیم جوش به جلو شیبدار است، تأثیر نیروی قوس بر تخلیه فلز حوضچه مذاب به عقب ضعیف میشود. لایه فلز مایع در پایین حوضچه مذاب ضخیمتر میشود، عمق نفوذ کاهش مییابد، عمق نفوذ قوس در جوش کاهش مییابد، دامنه حرکت نقطه قوس گسترش مییابد، عرض جوش افزایش مییابد و تقویت کاهش مییابد. هرچه زاویه شیب رو به جلوی سیم جوش (α) کوچکتر باشد، این تأثیر آشکارتر است. وقتی سیم جوش به عقب شیبدار است، وضعیت برعکس است. در جوشکاری قوسی با فلز محافظ، روش شیب رو به عقب الکترود بیشتر اتخاذ میشود و زاویه شیب α بین 65 تا 80 درجه نسبتاً مناسب است.
۳. شیب قطعه جوشکاری
شیب جوش اغلب در تولید واقعی مشاهده میشود و میتوان آن را به جوشکاری سربالایی و جوشکاری سراشیبی تقسیم کرد. در این زمان، تحت تأثیر نیروی جاذبه، فلز مذاب حوضچه تمایل به جریان یافتن به سمت پایین در امتداد شیب دارد. در جوشکاری سربالایی، نیروی جاذبه به تخلیه فلز مذاب حوضچه به انتهای حوضچه مذاب کمک میکند، بنابراین نفوذ عمیق، عرض جوش باریک و آرماتور زیاد است. وقتی زاویه سربالایی α بین ۶ تا ۱۲ درجه باشد، آرماتور خیلی بزرگ است و بریدگیهای زیرین به راحتی در هر دو طرف ایجاد میشوند. در جوشکاری سراشیبی، این اثر مانع از تخلیه فلز مذاب حوضچه به انتهای حوضچه مذاب میشود. قوس نمیتواند فلز را در پایین حوضچه مذاب به طور عمیق گرم کند، نفوذ کاهش مییابد، محدوده حرکتی نقطه قوس گسترش مییابد، عرض جوش افزایش مییابد و آرماتور کاهش مییابد. اگر زاویه شیب جوش خیلی بزرگ باشد، منجر به نفوذ ناکافی و سرریز فلز مایع حوضچه مذاب میشود.
۴. جنس و ضخامت جوشکاری
نفوذ جوش به جریان جوشکاری و همچنین به رسانایی حرارتی و ظرفیت حرارتی حجمی ماده مربوط میشود. هرچه رسانایی حرارتی ماده بهتر و ظرفیت حرارتی حجمی آن بیشتر باشد، برای ذوب کردن واحد حجم فلز و افزایش دما به همان میزان، به گرمای بیشتری نیاز است. بنابراین، تحت شرایط خاص دیگری مانند جریان جوشکاری، عمق نفوذ و عرض جوش کاهش مییابد. هرچه چگالی یا ویسکوزیته مایع ماده بیشتر باشد، جابجایی فلز مذاب مذاب توسط قوس دشوارتر و نفوذ جوش کمتر میشود. ضخامت قطعه جوش داده شده بر هدایت حرارتی داخل قطعه جوش داده شده تأثیر میگذارد. در شرایط یکسان، با افزایش ضخامت قطعه جوش داده شده، اتلاف حرارت افزایش مییابد و هم عرض جوش و هم عمق نفوذ کاهش مییابد.
۵. شار، پوشش الکترود و گاز محافظ
ترکیبات مختلف روانسازها یا پوششهای الکترود منجر به افت ولتاژهای مختلف در نواحی الکترود قوس و گرادیانهای پتانسیل مختلف ستون قوس میشود که به ناچار بر تشکیل جوش تأثیر میگذارد. وقتی روانساز چگالی کم، اندازه ذرات بزرگ یا ارتفاع انباشتگی کمی داشته باشد، فشار اطراف قوس کم است، ستون قوس منبسط میشود و نقطه قوس دامنه حرکتی زیادی دارد. بنابراین، نفوذ کم، عرض جوش زیاد و تقویتکننده کوچک است. هنگامی که از جوشکاری قوسی با قدرت بالا برای جوشکاری قطعات ضخیم استفاده میشود، استفاده از روانساز پوکهمانند میتواند فشار قوس را کاهش دهد، نفوذ را کم و عرض جوش را افزایش دهد. علاوه بر این، سرباره جوشکاری باید ویسکوزیته و دمای ذوب مناسبی داشته باشد. اگر ویسکوزیته خیلی زیاد باشد یا دمای ذوب نسبتاً بالا باشد، سرباره تهویه ضعیفی خواهد داشت و به راحتی میتوان فرورفتگیهای زیادی روی سطح جوش ایجاد کرد که منجر به تشکیل سطح جوش ضعیف میشود.
ترکیب گازهای محافظ برای جوشکاری قوس الکتریکی (مانند Ar، He، N2، CO2) متفاوت است و خواص فیزیکی آنها مانند رسانایی حرارتی نیز متفاوت است. این امر باعث میشود افت ولتاژ ناحیه قطبی قوس و گرادیان پتانسیل ستون قوس، سطح مقطع رسانای ستون قوس، نیروی جریان پلاسما و توزیع شار حرارتی ویژه متفاوت باشد. همه این عوامل بر تشکیل درزهای جوش تأثیر میگذارند.
خلاصه اینکه، عوامل زیادی بر تشکیل جوش تأثیر میگذارند. برای دستیابی به تشکیل جوش خوب، لازم است روشهای جوشکاری و شرایط جوشکاری مناسب برای جوشکاری با توجه به جنس و ضخامت قطعه جوش داده شده، موقعیت مکانی جوش، شکل اتصال، شرایط کاری، الزامات عملکرد اتصال و اندازه جوش انتخاب شود. در عین حال، مهمترین چیز نگرش جوشکار نسبت به جوشکاری است! در غیر این صورت، تشکیل جوش و عملکرد آن ممکن است الزامات را برآورده نکند و حتی ممکن است عیوب مختلف جوشکاری ظاهر شود.
