جوشکاری ذوبی

جوشکاری از 3000 سال قبل از میلاد مسیح شناخته شده است. در عصر آهن، مصر تکنیک‌های جوشکاری خود را توسعه داد و مصریان دو قطعه فلز را با حرارت دادن و سپس با چکش زدن آن‌ها را به هم متصل می‌کردند. اما در سال 1881، نیکولای بناردوس، اهل روسیه، جوشکاری قوس کربنی را توسعه داد.
فناوری در طول سال‌های اخیر پیشرفت کرده است و تکنیک‌های جوشکاری در حال حاضر از روش‌های ساده‌تری استفاده می‌کنند. در حال حاضر بیش از 90 نوع مختلف جوشکاری وجود دارد و صنایع هسته ای، ساختمان سازی و حمل و نقل همچنان به این فرایندها با تحلیل های پیچیده تر ادامه می‌دهند.

جوشکاری ذوبی چیست؟

جوشکاری قوسی ذوبی اصطلاحی است که بارها شنیده شده اما افراد کمی با آن آشنا هستند. جوشکاری ذوبی چیست؟ در جوشکاری ذوبی، دو یا چند قطعه با گرم‌شدن تا نقطه ذوب به هم متصل می‌شوند. بسته به نوع کاری که انجام می‌شود، ممکن است از مواد پرکننده در جوشکاری ذوبی استفاده شود. هنگام اتصال قطعات، جوشکاران از فشار خارجی استفاده نمی‌کنند.
جوشکاری غیر ذوبی با جوشکاری ذوبی از چند نظر متفاوت است. در جوشکاری غیر ذوبی از حرارت کم استفاده می‌شود و فلز پایه در هیچ مرحله‌ای از این فرایند ذوب نمی‌شود. در جوشکاری غیر ذوبی، جوشکاران از مواد پرکننده استفاده نمی‌کنند. لحیم کاری، فشار و جوشکاری برنجی برخی از بهترین نمونه‌های جوشکاری غیر ذوبی هستند.

جوشکاری چیست؟

درک مفهوم جوشکاری ذوبی مستلزم تعریف اولیه جوشکاری است. امروزه صنعت ساختمان‌سازی وابستگی زیادی به جوشکاری دارد. بر اساس تحقیقات اخیر انجمن جوشکاری آمریکا، جوشکاری بر 50 درصد از تولید ناخالص داخلی ایالات متحده تأثیرگذار است. جوشکاری یک فرایند ساخت است که در آن از گرما برای اتصال دو یا چند قطعه مشابه یا غیرمشابه استفاده می‌شود. بسته به نوع کار، ممکن است از ماده پرکننده در این فرآیند استفاده شود یا خیر.
دو روش اصلی برای جوشکاری وجود دارد:
• جوشکاری ذوبی
• جوشکاری حالت جامد

جوشکاری ذوبی چگونه کار می‌کند؟

تعریف اولیه جوشکاری ذوبی به اتصال حرارتی دو لبه از مواد مشابه یا متفاوت اشاره می‌کند و حرارت باعث ذوب‌شدن دو قطعه‌ای می‌شود که هنگام سردشدن به هم می‌پیوندند. درصورتی‌که فضای بین دو قطعه زیاد باشد، گاهی اوقات می‌توان از فلز پرکننده استفاده کرد.
هنگامی که اجزای مذاب پایه و فلز پرکننده مذاب مخلوط می‌شوند، جوشکاری ذوبی رخ می‌دهد. این فرایند شامل استفاده از گرما برای ایجاد اتصال خارجی در محل جوش یا ذوب کردن مواد در منطقه اتصال است.

انواع جوشکاری ذوبی

درک انواع مختلف جوشکاری ذوبی پس از فهمیدن تعریف کامل این اصطلاح، ضروری است. این تکنیک‌ها بر اساس منبع حرارتی به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. در اینجا به چند مورد از سبک‌های رایج جوشکاری ذوبی اشاره می‌کنیم:

جوشکاری قوسی آلیاژی (ACR)

جوشکاری قوسی آلیاژی محبوب‌ترین روش جوشکاری ذوبی به شمار می‌رود و این فرایند الکتریکی، قطعات فلزی را با ایجاد قوس الکتریکی به هم متصل می‌کند. با استفاده از تجهیزاتی مانند دستگاه جوشکاری اینورتر IGBT با قابلیت MIG, MAG و 270TD، قوس الکتریکی می‌تواند به دماهای بالایی بیش از 6000 درجه فارنهایت (حدود 3315 درجه سانتیگراد) برسد. به دلیل همین ویژگی، جوشکاری قوسی آلیاژی در اتصال مواد سخت بسیار موفق عمل می کند. جوشکاران همچنین قادر هستند با استفاده از این روش، زیر آب عملیات جوشکاری را انجام دهند.

انواع متداول جوشکاری قوسی عبارت‌اند از:

• جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روپوش‌دار (SMAW): فرایند جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روپوش‌دار که با نام‌های جوشکاری با الکترود دستی (MMA) یا جوشکاری قوس الکتریکی با روپوش فلاکس نیز شناخته می‌شود، برای اتصال قطعات فلزی و غیرفلزی در شرایط مختلف کاربرد دارد. در این روش، از الکترود مصرفی پوشیده شده با فلاکس (روپوش) استفاده می‌شود. روپوش هنگام جوشکاری ذوب شده و گاز محافظ ایجاد می‌کند تا از آلودگی و اکسیداسیون فلز جوش جلوگیری شود. همچنین، روپوش باعث بهبود پایداری قوس و گهگاه واردکردن عناصر آلیاژی به‌منظور ارتقای کیفیت جوش می‌شود.
• جوشکاری قوس تنگستن با گاز خنثی (TIG): در جوشکاری قوس تنگستن با گاز خنثی (TIG) از الکترود تنگستن غیرمصرفی برای ایجاد قوس بین الکترود و قطعه کار استفاده می‌شود. برای جلوگیری از آلودگی و اکسیداسیون، به‌ویژه در جوشکاری آلومینیوم با روش TIG، از گاز محافظ بی‌اثر استفاده می‌گردد.

• جوشکاری قوس الکتریکی با گاز محافظ (MIG): در جوشکاری قوس الکتریکی با گاز محافظ (MIG) از طریق قوسی که بین سیم جوش (الکترود سیمی) و قطعه کار ایجاد می‌شود، اتصال برقرار می‌شود. برای جلوگیری از آلودگی از گاز محافظ استفاده می‌شود.
• جوشکاری زیر پودری (SAW): جوشکاری زیر پودری روشی است که در آن از فلاکس و الکترود مصرفی استفاده می‌شود. فلاکس در حالت مذاب جریان الکتریکی را هدایت کرده و از ایجاد جرقه و پاشش جلوگیری می‌کند.
• جوشکاری قوس پلاسما (PAW): در جوشکاری قوس پلاسما، قوس الکتریکی بین الکترود و نازل ایجاد می‌شود. گاز آرگون موجود در محفظه توسط قوس الکتریکی یونیزه شده و به پلاسما تبدیل می‌گردد.
• جوشکاری قوس با مغز پرکننده (FCAW): جوشکاری قوس با مغز پرکننده می‌تواند جایگزینی برای جوشکاری قوس الکتریکی با الکترود روپوش‌دار باشد. از جوشکاری قوس با مغز پرکننده برای جوشکاری فلزات ضخیم استفاده می‌شود که در آن الکترود مصرفی حاوی مغز پرکننده در تمام طول فرایند تغذیه می‌شود.

جوشکاری گازی

برخی ممکن است آن را “جوشکاری اکسی سوختی” یا “جوشکاری اکسی استیلن” بنامند. این فرایند شامل ترکیب اکسیژن و گاز استیلن با یک مشعل دستی برای ایجاد شعله است. این نوعی جوشکاری همجوشی بر پایه حلال است که با ذوب‌شدن سطوح با شعله، آنها را به هم متصل می‌کند. منبع اصلی سوخت برای شعله، اکسیژن است.
اصل اساسی این نوع جوشکاری این است که آتش برای مشتعل شدن به اکسیژن نیاز دارد. به لطف اکسیژن، این فرایند می‌تواند به دمایی بیش از 4500 درجه فارنهایت (حدود 2500 درجه سانتیگراد) برسد.

جوشکاری پر انرژی

جوشکاری پر انرژی نوعی جوشکاری ذوبی است که از تابش نور برای ایجاد گرما استفاده می‌کند. به این صورت که جوشکاران با تاباندن پرتو به سطح مواد، آن‌ها را تا دمای ذوب گرم می‌کنند و پس از سرد شدن، این دو قطعه به هم متصل می‌شوند.

دو نوع اصلی جوشکاری ذوبی پر انرژی وجود دارد:

1. جوشکاری با پرتو الکترونی (Electron Beam Welding)
در این روش جوشکاری پر انرژی، از الکترون‌های با سرعت بالا برای اتصال دو ماده مختلف استفاده می‌شود. این فرایند در فشار اتمسفر استاندارد اتفاق می‌افتد و با برخورد الکترون‌ها به مواد، آن‌ها را داغ می‌کند. اکثر جوش‌های ایجاد شده با این روش عمیق و باریک هستند.

2. جوشکاری لیزری (Laser Beam Welding)
در جوشکاری لیزری، از پرتو لیزر به‌عنوان منبع اصلی گرما استفاده می‌شود. برای اتصال قطعات مختلف فلزی و پلاستیکی، از پرتو لیزر به‌عنوان منبعی با تمرکز بسیار بالا بر روی انرژی استفاده می‌گردد. این روش با استفاده از انرژی نورانی گرما ایجاد می‌کند.

جوشکاری مقاومتی

جوشکاری مقاومتی یکی از سریع‌ترین فرایندهای جوشکاری ذوبی است. به دلیل سرعت بالا، بهترین عملکرد را در صنعت خودرو دارد.

دو نوع اصلی جوشکاری مقاومتی وجود دارد:

1. جوشکاری مقاومتی درز: در این نوع جوشکاری مقاومتی از جوش‌های نقطه‌ای متناوب برای ایجاد یک اتصال مداوم استفاده می‌شود. در حین انجام فرایند، دیسک‌های متحرک نقش الکترودهای جوشکاری نقطه‌ای معمولی را برعهده می‌گیرند.
2. جوشکاری مقاومتی نقطه‌ای: این نوع اتصال، گرما را بین دو الکترود ایجاد می‌کند و به ویژگی‌های ماده و ضخامت قطعه کار بستگی دارد. جوشکاران چندین قطعه کار را به طور هم‌زمان با تمرکز ولتاژ در ناحیه خاصی، به هم متصل می‌کنند.

جوشکاری اصطکاکی (Friction Welding)

جوشکاری اصطکاکی روشی است که از اصطکاک مکانیکی برای اتصال دو قطعه مجزا استفاده می‌کند. این اصطکاک را می‌توان به روش‌های مختلفی روی چوب، آلومینیوم و فولاد ایجاد کرد. با وجود سختی فرایند، گرمای ایجاد شده برای نرم‌شدن و اتصال دو قطعه مجزا در هنگام سردشدن کافی است.
جوشکاری اصطکاکی به طور معمول با روش‌های متعددی ازجمله موارد زیر مورداستفاده قرار می‌گیرد:
• جوشکاری اصطکاکی دورانی (Rotary Friction Welding)
• جوشکاری اصطکاکی نقطه‌ای (Spot Friction Welding)
• جوشکاری اصطکاکی خطی (Linear Friction Welding)
• جوشکاری اغتشاشی اصطکاکی (Stir Friction Welding)
برخلاف برخی از روش‌های جوشکاری، در جوشکاری اصطکاکی نیازی به فلاکس، پرکننده یا گاز محافظ نیست. این فرایند برای اتصال مواد سبک و غیر قابل جوشکاری مانند آلیاژهای آلومینیوم بسیار مناسب است.

کاربردهای جوشکاری ذوبی

جوشکاری ذوبی در بسیاری از فرایندها مورداستفاده قرار می‌گیرد. این تکنیکی است که توسط مهندسین سازه برای ساخت سازه‌های بزرگ مانند:
• هواپیما
• پل‌ها
• کشتی‌ها
• مخازن تحت‌فشار
• لوله‌های جوش داده شده
از آنجایی که جوشکاری ذوبی قادر به ایجاد حرارت بسیار بالا است، می‌تواند انواع مختلفی از مواد را بدون توجه به ضخامت آنها به هم متصل کند. از جمله رایج‌ترین کاربردهای آن عبارت‌اند از:

• اتصال فلزات

جوشکاری ذوبی (فیوژن) روشی است که در آن از گرمای شدید برای اتصال دو یا چند قطعه مجزا استفاده می‌شود. جوشکاری ذوبی برخلاف لحیم کاری، فلز پایه را ذوب می‌کند و ممکن است برای ایجاد اتصال نیاز به ماده پرکننده داشته باشد. هنگام قرارگرفتن در معرض حرارت بالا، قطعه فلزی مذاب می‌شود. با سرد شدن، این اجزا با هم متحد شده و یک حوضچه جوش (گرده جوش) را تشکیل می‌دهند.
برای ایجاد جوشکاری با استفاده از منبع حرارت، ممکن است در حین اتصال فلزات نیاز به اعمال فشار باشد. گاز محافظ به جلوگیری از آلودگی یا اکسیداسیون ماده پرکننده یا محل اتصال هنگام اتصال دو فلز کمک می‌کند.

• اتصال پلاستیک

برای اتصال پلیمرها می‌توان از جوشکاری ذوبی استفاده کرد. جوشکاری حلال بر خلاف روش حرارتی، از چسب استفاده می‌کند. در جوشکاری ذوبی برای اتصال پلاستیک‌ها سه مرحله وجود دارد:
• آماده‌سازی سطوح: شستن و خشک‌کردن سطوح برای آماده‌سازی آنها
• اعمال فشار و حرارت: اعمال فشار و حرارت بر روی قسمت مذاب
• سردکردن: برای برقراری اتصال محکم بین دو پلیمر، اجزای مذاب را باید سرد کرد. در این فرایند ممکن است به اتاق خنک‌کننده نیاز باشد. بااین‌حال، باتوجه‌به سرعت بالای این فرایند، این مرحله ممکن است ضروری نباشد.

• اتصال مواد چوبی

برخلاف روش‌های سنتی اتصال چوب با میخ یا چسب، روشی نوین برای جوشکاری قطعات چوبی وجود دارد که بر پایه ایجاد گرما از طریق اصطکاک مکانیکی عمل می‌کند. در این روش، جوشکار قطعات را تحت‌فشار زیاد قرار می‌دهد و سپس با اعمال نیروی اصطکاک خطی، گرمای لازم برای ذوب‌شدن و اتصال دو قطعه چوب به یکدیگر را ایجاد می‌کند.
این فرایند ساده بوده و نیازی به استفاده از میخ یا چسب ندارد. همچنین، با حفظ طرح اولیه قطعه، محصول نهایی از استحکام بالاتری برخوردار خواهد بود.

مزایا و معایب جوشکاری ذوبی

جوشکاری ذوبی همانند هر فرایند دیگری، مزایا و معایبی دارد. اولین نکته این است که زمانی که فضای زیادی بین دو قطعه وجود داشته باشد، استفاده از فیلر (جنس الحاقی) ساده است. به دلیل عدم نیاز به فشار خارجی، فرآیند ذوب، شکل اولیه قطعات را تغییر نمی دهد. همچنین، آماده سازی لبه یا طراحی خاص، که بر نفوذ حرارتی تأثیر می گذارد، نیازی نیست. جوشکاری ذوبی همچنین منجر به ایجاد یک اتصال مستحکم بین مواد اصلی (پایه) می شود. از آنجا که این فرآیند سریع است، برای اکثر عملیات صنعتی قابل استفاده است.
اتصال دو ماده غیرمشابه، به‌ویژه زمانی که نقاط ذوب متفاوتی داشته باشند، می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. به دلیل نیاز به ذوب و انجماد، جوشکاری ذوبی سطوح مختلفی از افت کیفیت را تجربه می‌کند و تنش‌های پسماند (استرس داخلی) ایجاد می‌کند. علاوه بر این، ساختار مواد اصلی در طول فرایند گرمایش تغییر می‌کند. در نهایت، ناحیه اتصال یافته، منطقه آسیب‌دیده تحت حرارت (HAZ) را ایجاد می‌کند که به‌طورکلی به‌عنوان ضعیف‌ترین نقطه در سازه در نظر گرفته می‌شود.

مزایای جوشکاری ذوبی

• امکان استفاده از فلز پرکننده برای اتصال قطعات پهن.
• عدم نیاز به فشار که باعث انعطاف‌پذیری در اتصال قطعات با شکل‌های اولیه متفاوت می‌شود.
• نیاز به آماده‌سازی و طراحی لبه اتصال وجود ندارد که می‌تواند بر نفوذ حرارتی تأثیر بگذارد.
• اتصالات جوشکاری شده، از دوام بالاتری برخوردار هستند.
• باتوجه‌به سرعت و سهولت اجرا، برای اکثر فرایندهای صنعتی مناسب است.

معایب جوشکاری ذوبی

• اتصال قطعات با نقاط ذوب متفاوت، چالش‌برانگیز است.
• نیاز به ذوب و انجماد، منجر به ایجاد تنش و آسیب در قطعه جوشکاری شده می‌شود.
• این فرایند ساختار اصلیِ متریال اولیه را تغییر می‌دهد.
• ناحیه اطراف جوش (HAZ) به‌عنوان ضعیف‌ترین نقطه کل سازه، در محل اتصال قطعات شکل می‌گیرد.

جمع‌بندی

جوشکاری ذوبی یکی از تکنیک‌های پرکاربرد در بسیاری از فرایندهای صنعتی و ساختمانی است. این فرایند ممکن است به فلز پرکننده نیاز داشته باشد و از حرارت برای ذوب و اتصال قطعات مختلف استفاده می‌کند. همان‌طور که قبلاً گفته شد، این روش باعث ایجاد پیوندی محکم بین قطعات اتصال داده شده می‌شود. اندازه، شکل و موقعیت نسبی حوضچه مذاب، فشار تماسی اعمال شده بر سطح قطعه کار و تکنیک‌های خنک‌سازی مورداستفاده، همگی می‌توانند بر کیفیت اتصال جوشی تأثیر بگذارند.
از مزایای این روش می‌توان به قابلیت اجرا با هزینه مناسب اشاره کرد که آن را به انتخابی مطمئن برای بسیاری از بخش‌ها تبدیل می‌کند. بااین‌حال، جوشکاری ذوبی در زمینه جوش‌پذیری فلزات، کیفیت جوش و ظاهر جوش دارای معایبی است.