جوش و اتصال اجسام و قطعات به یکدیگر همواره یکی از احتیاجات بشر بوده است. برای اولین بار در رم فردی به نام “پلینی” از نوعی لحیم استفاده کرد که دارای مقدار مساوی قلع و سرب بود . در صنعت طلاسازی نیز از قدیم الایام با استفاده از مخلوط نمک و مس و صمغ آلی آلیاژ طلا درست می کردند و ذرات طلا را به هم جوش می دادند. در جنگ جهانی اول و دوم جوشکاری پیشرفت زیادی کرد و به تدریج احتیاجات بشر به اتصالات محکم و مقاوم افزایش یافت تا به امروز که به صورت “علم جوشکاری” شناحته می شود.
جوشکاری (Welding) فرآیندی است که هدف آن اتصال دائمی موادی چون فلزات، سرامیک، پلیمر و کامپوزیت به یکدیگر است.
جوشکاری یکی از شاخه های پرهزینه در صنعت است که علاوه بر احتیاج به ماشین آلات جوشکاری نیاز به متخصص با مهارت بالا دارد و همچنین رعایت نکات ایمنی در این حوزه نیز از اهمیت بالایی برخوردار است.
جوشکاری گازی
جوشکاری با گاز (gas welding) یکی از روش های قدیمی جوشکاری است که در آن بر اثر احتراق یک سوخت گازی و اکسیژن ، شعله ای در مشعل جوشکاری ایجاد می شود که حرارت لازم را برای ذوب فلز پایه و فلز پرکننده فراهم می کند. لبه های ذوب شده ی قطعات پس از انجماد، اتصال جوش ایجاد می کنند. برای افزایش دمای شعله به جای هوا از اکسیژن خالص استفاده می شود، زیرا نیتروژن موجود در هوا حرارت را جذب کرده و منجر به کاهش گرمای ایجاد شده می گردد.
گازهایی که در فرآیند جوشکاری گازی مورد استفاده قرار می گیرند باید دارای ویژگی هایی باشند :
بالا بودن دمای شعله
بالا بودن انرژی حرارتی تولید شده
بالا بودن سرعت احتراق
کم ترین اثر مخرب روی جوش
تهیه آسان و سریع
استیلن، در بین گازهای موجود همه ی این ویژگی ها را دارا می باشد. بیشترین دمای تولیدی از احتراق استیلن با اکسیژن در حدود ۳۰۸۷ درجه سانتیگراد است که از آن می توان برای جوشکاری اکثر فلزات استفاده کرد.چنانچه از گاز استیلن به عنوان سوخت استفاده شود فرآیند جوشکاری اکسی استیلن نامیده می شود(Oxy Acetylene Welding : OAW) استیلن مورد استفاده در جوشکاری را می توان از افزودن آب به کاربید کلسیم به دست آورد.
Cac2 + ۲H2o → C2H2 + Ca (oH)2
سنگ کاربید + آب ← استیلن + آب آهکی + حرارت
گازهایی مانند پروپان، متیل استیلن، گاز طبیعی و پروپادین دمای بالایی ایجاد می کنند ولی سرعت احتراق آن ها پایین است، به همین دلیل از این گازها بیشتر برای برش کاری و لحیم کاری استفاده می شود.
انواع شعله در جوشکاری گازی
دمای شعله بستگی به نوع گاز سوختنی و مقدار اکسیژن موجود در احتراق بستگی دارد. اگر نسبت گازهای موجود در احتراق بر اساس نسبت استوکیومتری آن ها باشد از نظر شیمیایی، شعله خنثی (natural) نامیده می شود. اگر مقدار اکسیژن بیشتر باشد، شعله اکسیدکننده (oxidizing) و اگر مقدار سوخت بیشتر باشد، شعله (carburizing) نامیده می شود.
از شعله خنثی می توان برای جوشکاری اکثر فلزات استفاده کرد و همچنین برای برشکاری نیز استفاده می شود. دو بخش داخلی این شعله شامل مخروط داخلی آبی روشن و مخروط خارجی آبی تیره تر تا بی رنگ می باشد.
شعله احیاکننده، کربونیزه کننده یا کاهنده با سه محدوده مشخص می شود : مخروط داغ درونی، لایه استیلنی سفید، مخروط آبی رنگ بیرونی. در این شعله مقداری کربن و هیدروژن نسوخته وجود دارد که کربن نسوخته شعله را ایزوله می کند و دما را به حدود ۲۸۰۰ درجه کاهش می دهد، که این شعله معمولا برای سخت کاری سطحی (hardfacing) و جوشکاری لوله استفاده می شود.
شعله اکسیدکننده (oxidizing flame) زمانی ایجاد می شود که مقدار اکسیژن بیش از حد لازم باشد. در ساختار آن یک مخروط داخلی با رنگ ملایم مایل به ارغوانی وجود دارد. این شعله داغ تر از دو شعله دیگر است و همچنین اکسیدهای نامطلوبی بر روی فلزات ایجاد می کند. از شعله اکسیدکننده قوی برای جوشکاری برنج و آلیاژهای روی و از شعله ضعیف تر برای جوشکاری فلزاتی با روکش روی استفاده می شود.
مشعل های جوشکاری
اختلاط و هدایت مخلوط سوخت و اکسیژن توسط مشعل انجام می شود. بر روی مشعل ها دو عدد شیر مستقل از یکدیگر برای تنظیم جریان گازها وجود دارد.
مزایای جوشکاری گازی :
تجهیزات ساده، قابل حمل و ارزان
نیاز به تامین برق ندارد
برای جوشکاری ورقه ها و لوله های جدار نازک مناسب است.
معایب جوشکاری گازی :
سرعت جوشکاری پایین است.
حرارت ورودی به قطعه بالاست.
دمای شعله کمتر از جوشکاری قوسی است.
برخی از فلزات (فلزات فعال و نسوز) ذوب نمی شوند.
گران بودن جوشکاری ورقه های ضخیم
امکان انفجار
نیاز به نیروی انسانی با مهارت بالا
جوشکاری گازی
جوشکاری گازی (Gas Welding) فرآیندی است که در اثر احتراق سوخت گازی و گاهی بنزین با اکسیژن، شعله ای در نوک مشعلجوشکاری ایجاد شده و با استفاده از حرارت ناشی از آن، فلز پایه و فلز پرکننده ذوب می شوند. شعله در این فرآیند از دو بخش مخروط داخلی و پوشش حفاظتی تشکیل می شود. چنانچه از گاز استیلن به عنوان سوخت گازی استفاده شود، فرآیند جوشکاری اکسی استیلن (Oxy Acetylene Welding : OAW) نامیده می شود.
ممکن است از فلاکس برای اکسیدزدایی و تمیز کردن سطوح فلزاتی که قرار است بهم جوش داده شوند، استفاده شود. فلزاتی که معمولاً از این طریق جوشکاری می شوند، فولاد های ساده کربنی و فولادهای کم آلیاژی هستند. این فرآیند بسیار ساده بوده و حفاظت ناحیه جوش از طریق گاز صورت می گیرد که البته چندان هم موثر نیست.
احتراق در جوشکاری گازی
واکنش احتراق در شعله در دو مرحله صورت می گیرد که گرمای ناشی از آن تأمین کننده حرارت مورد نیاز برای جوشکاری گازی است.
ویژگی های فرآیند جوشکاری گازی
- درجه حرارت شعله: با توجه به سوخت گازی تعیین می شود.
- گاز استیلن بیشترین درجه حرارت شعله (3087 درجه سانتیگراد) را ایجاد می کند.
- سوختن گاز هیدروژن منجر به افزایش درجه حرارت شعله تا 2660 درجه سانتیگراد می گردد.
- گرمای محتوی واکنش: شامل گرمای ناشی از احتراق مرحله اول و دوم.
- حداقل واکنش شعله با فلز پایه و فلز پرکننده: در صورت استفاده از شعله خنثی.
- معمولاً از هوا برای انجام واکنش استفاده نمی شود. زیرا نیتروژن موجود درآن حرارت را جذب کرده و منجر به کاهش گرمای محتوی فرآیند می گردد.
انواع شعله در جوشکاری گازی
نسبت مولی یا نسبت حجمی گاز C2H2 به گاز O2، احیایی، خنثی یا اکسید کننده بودن شعله را تعیین می کند.
- C2H2 / O2 = 1 : شعله خنثی
مخروط داخلی منطقه ای است که احتراق اولیه و واکنش شیمیایی بین اکسیژن و استیلن در آنجا اتفاق می افتد.
گرمای این مرحله، در حدود دو سوم گرمای کل فرآیند را تأمین می کند. بنابراین گرمای ناشی از مرحله دوم احتراق، یک سوم کل گرمای تولیدی است. ناحیه ای که احتراق ثانویه یا همان مرحله دوم در آن رخ می دهد، حلقه خارجی یا پوشش حفاظتی نامیده می شود. می توان از شعله خنثی برای جوشکاری گازی اکثر فلزات استفاده کرد.
- C2H2 / O2 ˃ 1 : شعله احیایی یا کربوره کننده
به دلیل کم بودن مقدار اکسیژن در برابر استیلن، احتراق استیلن به طور کامل انجام نمی شود. بنابراین، یک شعله مایل به سبز، بین ناحیه مخروطی داخلی و پوشش حفاظتی ایجاد می شود که مشخص کننده احیایی بودن شعله می باشد. این شعله برای جوشکاریآلیاژهای آلومینیوم مناسب است، زیرا آلومینیوم به راحتی اکسید می شود. همچنین بمنظور جوشکاری گازی فولادهای پر کربن، از شعله احیایی استفاده می شود. این امر به دلیل آن است که در صورت زیاد بودن مقدار اکسیژن، کربن موجود در فولاد اکسید شده و گازCO تولید می شود. گاز CO منجر به تولید تخلخل در فلز جوشکاری شده می گردد.
- C2H2 / O2 ˂ 1 : شعله اکسید کننده
مشخصه اصلی در تشخیص اکسید کننده بودن شعله، مخروط داخلی کوتاه و سفید رنگ است. از این شعله برای جوشکاری برنجاستفاده می گردد. زیرا اکسید مس ایجاد شده، سطح حوضچه جوش را پوشش داده و مانع از تبخیر فلز روی می گردد. عموماً این نوع شعله با صدا همراه بوده و از آن برای جوشکاری استفاده نمی شود. بلکه بیشتر برای برش ورق های با ضخامت کم کاربرد دارد.
مزایا و محدودیت های جوشکاری گازی
مزایا:
- تجهیزات ساده، قابل حمل و ارزان قیمت
معایب و محدودیت ها:
- به دلیل محدودیت در توان این فرآیند، سرعت جوشکاری پایین است.
- گرمای کل ورودی به واحد طول فلز، بالاست. بنابراین ناحیه متأثر از حرارت بزرگی ایجاد می شود.
- اعوجاج در فلز جوش شده به دلیل بزرگ بودن ناحیه متأثر از حرارت شدید است.
- این روش برای جوشکاری فلزات فعالی همچون تیتانیوم و زیرکونیوم به دلیل محدودیت در توان فرآیند، استفاده نمی شود.
منابع و پیوندها
گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن
ASM Handbook Volume 06: Welding, Brazing, and Soldering
Sindo Kou, Welding Metallurgy, A John Wiley & Sons Inc Publication, Ed 2
برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است
اگر قبلا در بیان ثبت نام کرده اید لطفا ابتدا وارد شوید، در غیر این صورت می توانید ثبت نام کنید.