نقش ایمنی در صنعت

آموزش و ایمنی در جوشکاری (قسمت هفتم)
نویسنده : محمد میلاد ناظران - ساعت ٥:۱۳ ‎ب.ظ روز پنجشنبه ٢٢ اسفند ۱۳۸٧
 

تاریخچه جوشکاری   

                                                                         

احتیاجات بشر ، اتصال و جوش را در همه موارد خواستار بوده است ، مثلاً از رومی‌های قدیم ، فردی به نام"پلینی"  از لحیم به نام آرژانتاریم و ترناریم استفاده می‌کرد که دارای مقداری مساوی قلع  و سرب  بود و ترنایم دارای دو قسمت سرب و یک قسمت قلع بود که هنوز هم با پرکنندگی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دقت و ترکیبات شیمیایی و دستگاههای متداول طلاسازی از  قدیم‌الایام در جواهرات  با چسباندن ذرات ریز طلا بر روی سطح آن با استفاده از مخلوط نمک و مس و صمغ آلی که با حرارت ، صمغ  را کربونیزه نموده ، نمک مس را به مس احیاء می‌کنند و با درست کردن آلیاژ طلا ، ذرات ریز طلا را جوش می‌دهند و تاریخچه ای به شرح زیر دارند:

·         "برناندوز"  روسی در 1886 ، قوس جوشکاری را مورد استفاده قرار داد.

·         "موسیان"  در 1881 قوس کربنی را برای ذوب فلزات مورد استفاده قرار داد.

·         "اسلاویانوف"  الکترودهای قابل مصرف را در جوشکاری بکار گرفت.

·         "ژول" در 1856 به فکر جوشکاری مقاومتی افتاد.

·         "لوشاتلیه" در 1895 لوله اکسی‌استیلن را کشف و معرفی کرد.

·         "الیهو تامسون"  آمریکائی از جوشکاری مقاومتی در سال 7-1876 استفاده کرد.   

 

چون علم جوشکاری همراه با گنج تخصصی بود ، یعنی هر جوشکار ماهر در طی تاریخ درآمد زیادی داشت  ، سبب شد که اسرار خود را از یکدیگر مخفی نمایند  . مثلاً هنوز هم در مورد لحیم آلومینیوم و آلیاژ ، آن را  از یکدیگر مخفی نگه می‌دارند . در جریان جنگهای جهانی اول و دوم جوشکاری پیشرفت زیادی کرد .

احتیاجات بشر به اتصالات مدرن ، سبک ، محکم  و مقاوم در سالهای اخیر و مخصوصاً بیست سال اخیر ، سبب توسعه سریع این  فن گردید و سرمایه‌گذاری ‌های عظیم چه  از طرف دولتها  و چه صنایع نظامی و تخصصی در این مورد اعمال گردید و مخصوصاً رقابت‌های انسانها در علوم هسته‌ای ( که فقط برای صلح باید باشد ) ، یکی دیگر از علل پیشرفت فوق سریع این فن در چند ده سال اخیر شد که به علم جوشکاری تبدیل گردید.

                                                                                

 

    جوشکاری  SMAW

 

                                                                

 

این عبارت مخفف Stick Metal Arc Welding   میباشد . این روش جوشکاری که معمول ترین و شایع ترین  نوع جوشکاری در ایران می باشد ، توسط  الکترود کوتاه و روپوش دار انجام می شود که به آن الکترود قلمی یا قدی یا شاخه ای گفته میشود  .  طول این گونه الکترود ها عموما 15 الی 45 سانتیمتر بوده اما جهت مصارف خاص طولهای بلند تر نیز تولید میگردد . قطر الکترود نیز تابع نیاز مصرف است ، که از 5/1 میلیمتر تا 6 میلیمتر مصرف عمومی دارد و گاهاً برای مصارف خاص قطرهای دیگری نیز تولید میشود . این الکترودها از دو قسمت متمایز تشکیل میشوند . یکی مغزی الکترود که از نوعی فلز به شکل ROD است و دوم پوشش الکترود که مخلوطی از مواد شیمیایی  و معدنی است .

 روش جوشکاری در این نوع سیستم اکثرا دستی ( Manual ) است و گاهی نیز سیستم را تا حدی ماشینی میکنند و به دلیل اینکه الکترود مداوم میبایستی تعویض گردد ماشینی کردن این سیستم بطور کامل عملی نخواهد بود . در این نوع سیستم جوشکاری ، الکترود ( بسته به نوع آن و نیز نوع دستگاه جوش مورد مصرف و جنس فلز پایه ) ، به یکی از قطبهای مثبت  و یا منفی دستگاه جوش وصل شده و قطب دیگر نیز به قطعه وصل می شود و قوس الکتریکی میان الکترود و قطعه کار توسط مالش الکترود به قطعه کار ایجاد گشته ، عمل جوشکاری انجام می گردد .  

 

 

 

 جوشکاری TIG

                                                        

 

جوشکاری TIG مخفف Tungsten Inert Gas است .

 این روش به ( Gas Tungsten Arc Welding ) GTAWنیز مشهور میباشد . درکشورهای آلمانی زبان ، بجای کلمه تنگستن از کلمه ولفرام Wolfram استفاده میشود و لذا جوش را WIG می نامند .

در این روش جوشکاری یک قطب جریان ، به قطعه کار وصل گردیده و قطب دیگر جریان به یک الکترود مصرف نشدنی که همان تنگستن است ، متصل میباشد . تنگستن یا ولفرام یک فلز سخت با دمای ذوب حدود 3800 درجه سانتیگراد میباشد . لذا الکترود تنگستن بسیار دیر ذوب میگردد .

قوس الکتریکی مابین الکترود تنگستن و قطعه کار برقرار میشود و فضای قوس و الکترود سرخ شده و حوضچه مذاب فلز پایه ، بوسیله Inert Gas یا گاز خنثی در مقابل عوامل اتمسفریک خصوصا ترکیب با اکسیژن محافظت میشوند . چرا که گاز خنثی با هیچیک از عناصر میل ترکیبی ندارد و به محض جاری شدن ، اکسیژن و هوای موجود در منطقه جوش را به کنار می راند . چون این گاز از اطراف الکترود تنگستن و از داخل تورچ عبور میکند ، تا حدی نیز در خنک کردن تنگستن  و تورچ موثر است .

گاز خنثی اکثرا آرگون است ولی گازهای هلیوم و نیتروژن نیز در بعضی موارد بسته به نوع کار مورد مصرف قرار میگیرند . در صورت نیاز به فلز پرکننده و یا Filer metal میتوان سیم یاWire   Soildفلزی را توسط دست و یا ماشین به حوضچه مذاب هدایت کرد بدون اینکه جریان برق از سیم عبور کند . در صورتیکهSolid Wire  در طولهای کوتاه و مستقیم ، مثلا یک متری بریده شود به آن Filer Rod گفته میشودکه معمولا در جوشکاریهای  Manualیا دستی با سیستم TIG یا اکسی استیلن استفاده گردیده و یا بعنوان مغزی کاربرد دارد .  این روش جوشکاری به شکل دستی ، ماشینی و یا اتوماتیک قابل اجرا است .

 

 

        جوشکاری MIG

                                                          

 

 

این عبارت مخفف Gas Metal Inert  است .

 این روش بهGMAW (Gas Metal Arc Welding ) نیز شهرت دارد . در این روش جوشکاری یک قطب جریان به قطعه کار وصل گردیده و قطب دیگر یک سیم ذوب شونده است که آلیاژی نزدیک به آلیاژ فلز پایه دارد .  Solid Wire یا سیم جوش فلزی توپر است که به شکل ممتد و بدون پوشش پودری تولید میشود . این نوع سیم جوش به شکل قرقره ، کویل ،Reel  و یا Drum ، بسته بندی شده و در سیستمهای جوشکاریMIG  ، MAG ، SAW و نیز در برخی موارد در جوشکاری ماشینی ، بصورتTIG  و پلاسما مورد استفاده قرار میگیرد . در تولید بسیاری از این سیم جوشها ، از پوشش مس جهت هدایت بهتر جریان الکتریسته و نیز جلوگیری از زنگ زدگی سریع استفاده میگردد .

 این نوع جوشکاری بصورت دستی( Manual ) ، نیمه اتوماتیک ، ماشینی و اتوماتیک انجام میشود . حرکت سیم الکترود بطرف قطعه کار و حوضچه جوش توسط دستگاه وایر فیدر انجام میشود که سیم را با سرعت مشخص توسط دو قرقره یا چهار قرقره بطرف حوضچه جوش و قطعه کار هدایت میکند .

کلمه Metal در نام MIG به دلیل وجود این سیم ذوب شونده بوده که در واقع الکترود جوش محسوب میگردد . Inert Gas یا گاز خنثی و غیر فعال ، نقش حفاظت از حوضچه و قوس را همانند جوشTIG به عهده دارد . در این روش جوشکاری گاهی اوقات نیز از ترکیب گازهای خنثی با گازهای CO2 و O2 ( با درصد کم ) جهت جوشکاری استفاده میشود.

 

      

      جوشکاری MAG

 

                                                     

 

 

این عبارت مخفف Metal Active Gasاست . MAG دقیقا همان دستگاه و همان روش قبلیMIG  است ، با این تفاوت که بجایInert Gas یا گاز خنثی ازActive Gas  یا گاز فعال استفاده شده است و لذا به نام MAG تبدیل شده است . گاز فعال گازی است که در واکنش حوضچه مذاب شرکت خواهد کرد . گاز جوشکاریMAG همان گاز CO2 است که غالبا جهت جوشکاری فولاد ساده یا کم آلیاژ مورد استفاده     قرار میگیرد .

 

گازCO2  در قوس الکتریکی به گازهایCO  وO2 تجزیه شده که گازCO گاز خنثی و بی اثر بوده و نقش حفاظت از حوضچه جوش را به عهده میگیرد وO2  با عناصر اکسید شونده قو ی مانندMn  وSi که در سیم جوش پایه قرار دارند ترکیب شده و بصورت سرباره ای بسیار نازک روی سطح جوش قرار میگیرد .

 

در صنایع جوشکاری فعلی در سطح جهان ، ترکیب گازهای خنثی و فعال بیشتر مورد استفاده واقع میشود .یکی از دیگر خواص گاز CO2 آن است که در مسیر حرکت خود شدیدا حرارت را جذب نمود ه و محیط را سرد مینماید . لذا گان و یا تورچ در جوشکاری MAG حتی تا 400 آمپر به شکل سیستم خنک کننده با هوا مورد استفاده قرار میگیرد .

 

 

 

        

          جوشکاری PAW

                                                           

 

 

این عبارت مخفف Plasma Arc Welding  است که در زبان فارسی جوشکاری پلاسما نامیده می شود . این روش بسیار شبیه به جوشکاری TIG است  و در واقع نوع خاصی از جوشTIG میباشد . اگر در جوش TIG گاز یونیزه شده داخل قوس الکتریکی را که همان پلاسما نامیده میشود بصورت متمرکز شده استفاده کنیم  ،  جوش  TIG به جوش پلاسما تبدیل خواهد شد . در این روش توسط یک نازل جوشکاری مخصوص پلاسما ، که میتوان آنرا به یک عدسی تشبیه نمود ، گازهای یونیزه شده را از داخل یک سوراخ و یا نازل بنحوی عبور داده که تمرکز انرژی بسیار بالا رود . درست همانطور که یک عدسی نورهای پراکنده را در کانون خود متراکم میسازد .

لذا دستگاههای جوشTIG قابل استفاده در جوشکاری پلاسما هستند و صرفاً به یک کنسول مخصوص جهت تنظیم گاز و یک تورچ مخصوص پلاسما ، نیازمند میباشند .

جوش پلاسما بر روی ورقهای بسیار نازک  و نیز ورقهای بسیار ضخیم حتی تا یک اینچ و بدون پخ زدن     لبه ها ، خصوصا درجوشکاری آلومینیم کاربردهای فراوانی دارد .

 

 

 

            جوشکاریSAW

 

                                                          

  

  

 این عبارت مخفف  Submerged Arc Welding است .

 این جوشکاری که بنام جوش زیر پودری در ایران شهرت دارد ، یکی از مرسوم ترین روش های جوشکاری ماشینی در ایران می باشد .

این روش به لحاظ سیستم کار ، شبیه به جوشکاری  MAGاست با این تفاوت که بجای گاز محافظ از یک نوع پودر مخصوص جوشکاری و یا Flux استفاده میشود که خواص متعددی را جهت جوشکاری ایجاد مینماید .

 

          جوشکاری FCAW

                                                                  

 

 

 

این عبارت مخففFlux Cored Welding  است  .

 این نوع جوشکاری که با سیم توپودری انجام میشود بسیار شبیه به جوشMAG است با این تفاوت که بجای سیمSolid  و تو پر از نوع خاصی سیم جوش که به شکل لوله توخالی بوده و داخل آن پودرهای خاصی قرار دارد ، استفاده میگردد .

 این نوع سیم بنامهای Tubular wire یا Flux Cored Wire  و یا اسامی مشابه مورد استفاده قرار میگیرد . نوع خاصی  از این سیمها بدون استفاده از گاز محافظ کمکی ، قادر به جوشکاری میباشد که بنام        Inner Shielded Wire و یا گاهی و Self Sheilded wireو یا اسامی مشابه شناخته شده اند . در این نوع از سیم ها در واقع پودر های داخل لوله پس از برقراری قوس جوش ، گازهای مخصوص کنترل اتمسفر را متصاعد میکنند و عمل محافظت حوضچه جوش و قوس الکتریکی را بخوبی انجام میدهند . غیر از این نوع سیمها بقیه انواع آن حتما نیاز به گاز محافظ خنثی و یا اکتیو و یا پودر جوش خواهند داشت .

 

                                                      

       مولد جریان برق جوش قوس الکتریک

 

جریان برق جوش قوسی ، ( ( Arc Welding به روشهای زیر ایجاد میشود :

 

 

1- دینامیک و یا متحرک که به آن دینامو یا  Generatorاطلاق میشود و در اثر چرخش یک مولد برق مورد نیاز جوش تامین میگردد . وسیله چرخش یا یک موتور الکتریکی است که مجموعه این موتور الکتریکی و ژنراتور جوش را بنام Motor Generator یا در ایران بنام دینام جوش می شناسند که در  سالهای اخیر تولید این وسیله به دلایل اقتصادی و مصرف انرژی بالا کاهش یافته است . دومین وسیله چرخش ژنراتور موتور احتراقی دیزلی ، بنزینی و یا گازی است که به مجموعه این موتور احتراقی و ژنراتور جوش ، موتور جوش گفته میشود . موتور جوشها غالبا در مناطقی که دسترسی به الکتریسته امکانپذیر نباشد یا مشکلاتی در بر داشته باشد ، مورد استفاده قرار میگیرند .

 

2 - استاتیک و یا ثابت که به آن ترانسفور ماتور می گویند .

     ترانسفور ماتور می تواند برق تکفاز  یا سه فاز  شهر  را  به  برق  ولتاژ  پایین  و آمپراژ  بالا که مناسب جهت        

     جوشکاری میباشد ، تبدیل نماید  ،  ولتاژ قوس مورد نیاز جوشکاری معمولا از 10  تا 40 ولت بوده که عموماً      

     در دستگاههای جوشکاری ، جهت تامین این ولتاژ از ،  ولتاژ بی باری  بین  فاصله 50  تا  90  ولت مورد   

     استفاده قرار می گیرد .

 

برق  تولید شده توسط  ترانسفورماتور  صرفاً  برق  AC با  شکل  موج  سینوسی  همانند  برق  شهر می باشد .

برق AC توسط یکسو کننده  ( Rectifier )به برق DC ( Direct Current )تبدیل میشود . جریان برق تولید شده توسط ژنراتور جوش هم میتواند  ACباشد که سپس توسط دیود به DC تبدیل شود و هم میتواند مستقیماًDC  باشد که در این حالت ساختمان ژنراتور جوش تغییر خواهد کرد .

 

  

در سیستمهای INVERTER که اخیرا در تولید دستگاههای جوش بتدریج جای خود را باز کرده است ، نیز از  ترانسفورماتور استفاده میشود لیکن با این تفاوت که با تغییر فرکانس و افزایش زیاد آن میتوان ترانسفور ماتور با حجم کمتری استفاده نمود .

 

 

      ذکر  این  نکته ضروری است که برق  ورودی  دستگاههای جوش  یا  تک فاز ( Single Phase )  و  یا  سه فاز  ( three Phase) می باشد . اصطلاح برق دو فاز که در ایران برای دستگاهها بکار میرود در کارخانه سازنده دستگاهها بکار نمیرود Single Phase . در واقع دو خط برق است که ولتاژ مابین آنها باید مشخص شود . معمولا در دستگاههای Single Phase  کارخانه سازنده مشخص میکند که ولتاژ بین دو خط برق 110، 220 ، 380 ، و یا ... میتواند باشد ، لذا نمیبایست در مرحله اول با مشاهده تکفاز بودن دستکاه صرفاً تصور نمود نمیتوان از دو خط فاز با ولتاژ 380 استفاده نمود بلکه در بسیاری از موارد برای دستگاههای تکفاز ، ولتاژ 380 ولت توسط کارخانه سازنده دستگاه پیش بینی شده است .

 

 

      جریان برق AC  و  DC

 

جریان برقAC  و DCهر کدام محاسن و معایبی در بردارند که در جایگاه خود توجه به نوع کار میتوانند در جوشکاری بسیار مفید باشند .

برقAc یا Alternative current به جریان الکتریسیته ای اطلاق میشود که پلارتیه آن مرتباً مابین مثبت و منفی تغییر کند ولی شکل آن میتواند سینوسی ، مربعی و یا نامشخص باشد .

 

در کشور ما در هر دقیقه 50 بار جهت جریان از مثبت به منفی و بالعکس تغییر میکند ( فرکانس 50 هرتز ) و لذا در جوشکاری با برقAC پلارتیه جوش دائماً بین الکترود و قطعه کار تعویض میشود . پس در طول مدت جوش همواره همواره یک ولت و آمپر ماکزیمم ، صفر و مینمم خواهیم داشت و آمپر اسمی همان آمپر متوسط خواهد بود .

 

زمانی که از برق AC  استفاده می کنیم 50 بار در ثانیه ولتاژ  و آمپراژ  صفر خواهد  بود  و  اتصال  کوتاه       (Short Circuit) در واقع 50 بار در ثانیه انجام خواهد شد و زمینه مساعدی را جهت چسبیدن الکترود به قطعه کار موجب میشود . لذا الکترودهایی با برقAC قابل جوشکاری هستند که مواد پایدار کننده قوس در پوشش آنها زیادتر باشد تا الکترود به کار نچسبد ، در ضمن جوشکار کم تجربه بسختی میتواند با ترانس جوش AC جوشکاری نماید چرا که الکترود ، میل بیشتری جهت چسبیدن قطعه کار دارد . به این دلیل و برخی دلایل دیگر کارخانه های سازنده برای هر نوع الکترود مشخص میکند که آیا با برق AC قابل جوشکاری است یا خیر ؟

 

در جوش MIG / MAG از برق ACاستفاده نمیشود . زیرا در سیستمMetal Transfer  و انتقال ذرات جوش حوضچه مذاب در جوشMIG / MAG  ، مشکل اتصال کوتاه بسیار اساسی خواهد بود . اما در جوشکاریSAW بدلیل وجود پودر محافظ و مواد پایدارکننده قوس ، در پودر جوش در بعضی از موارد میتوان از برقAC  استفاده کرد که در این حالت می بایستی از پودر مخصوص استفاده نمود .

 

مهمترین کاربرد برقAC در جوشکاری فلزاتی مانند آلومینیم و منیزیم بصورت جوشکاریTIG میباشد که کیفیت جوش در این حالت بسیار بالا خواهد بود . اما در این موارد حتما نیاز به های فرکانس              مدل( Continuous High Frequency ) خواهیم داشت تا زمانیکه ولتاژ در هرسیکلAC به صفر میرسد قوس تمایل به قطع شدن دارد ، بتوان مجددا قوس را پایدار نگه داشت . لذا در دستگاههایی که از برقAC در جوشTIG استفاده میشود وجود های فرکانس مداوم الزامی است .

 

جریان برق DC از طرق مختلف میتواند تولید شود . بعنوان مثال یک اکومولاتور یا باطری که مولد برقDC است میتواند با تاسیسات اضافی به یک مولد جوشDC  تبدیل شود . لیکن برق DC دو جهت مصارف جوشکاری از این دو طریق تامین میشود :

 

 

1-                                                                                                                                                                                                                                ژنراتور DCکه سیم پیچی و ساختمان آن بگونه ای است که برقDC تولید میکند . از این نوع برق DC صرفا در موتور جوشها و دینام جوشها استفاده میشود .

 

 

 2 رکتیفایر که عمده ترین کاربرد را در صنعت جوش داراست .

       استفاده از دیود و  ( Silicon Control Rectifier ) SCRتوسط مدار های خاص کار رکتیفایر و یا  

       یکسو کردن جریان را  امکانپذیر می سازد .  برق تکفاز  و  یا سه فاز تولید  شده  توسط  مولد جوش ،

       بوسیله مدار خاص یکسو کننده ای به برق DC  تبدیل میشود  . در این حالت اگر برق سه فاز تبدیل

       به برق  DCشود جریان نرمتر  ( Smooth ) از برق DC  حاصل  از  برق  تکفاز خواهد بود .

 

 

برق  DCدر واقع همیشه کاملاً Flat و یا Dead نیست بلکه میتواند شکلهای متعددی داشته باشد که مهم در تفاوت با AC تغییر نکردن پلاریته آن می باشد بطوریکه آمپر میتواند همواره نوسان داشته باشد . معمولاً در دستگاههای جوش برای جوشهای نرمتر سعی میشود با فیلتر کردن برق  DCاز امواج ثابت تر و آرام تری در جوش استفاده نمود و نیز برای جوشهای Forceful و قوی از میزان کمتری فیلتر در مدار جوش میتوان استفاده کرد .

 

 برق DC تهیه شده جهت جوشکاری به دو صورت DCEP و DCRP وDCEN یا DCSP استفاده میگردد .

 

DCEP  =  Direct Current Electrode Positive

DCRP  =  Direct Current Reverse Polarity

DCEN =  Direct Current Electrode Negative

DCSP  =  Direct Current Straight Polarity

 

 

پلاریته در جوش نقش بسیار مهمی دارد . در جوشکاری DC کلا دو کابل جهت جوش موجود است . یکی مثبت و دیگری منفی . زمانیکه الکترود به قطب مثبت متصل باشد جهت حرکت الکترونها از طرف قطعه کار به الکترود است و لذا الکترود بیشتر از قطعه کار گرم شده و تقریبا  دو سوم حرارت به الکترود و یک سوم به قطعه کار می رسد .

این نوع جوشکاری DCEP یا پلاریته معکوس ( DCRP ) نامیده می شود .

 

 

 اگر الکترود به قطب منفی متصل باشد جهت حرکت الکترونها از الکترود به طرف قطعه کار بوده و لذا  قطعه کار بیشتر از الکترود و به نسبت دو سوم به یک سوم گرم می گردد .

 

 این نوع جوشکاری DCEN  پلاریته مستقیم ( DCSP ) نامیده میشود .

 

 کارخانه های سازنده الکترود همواره مشخص می کنند که هر الکترودی را با کدام پلاریته می بایستی جوشکاری نمود . در جوش TIG عموماٌ الکترود منفی است به دلیل آنکه الکترود تنگستن ذوب نگردد . البته در شرایط خاص و استثنایی از الکترود مثبت هم استفاده می گردد . در جوشMIG  همواره سیم جوشSolid  به قطب مثبت متصل است مگر در شرایط خاص و استثنایی که DCEN استفاده می شود . در جوشFCAW به دلیل استفاده از سیم جوش تو پودری موارد متعددی پیش می آید که از جریان DCEN یا پلاریته مستقیم استفاده می شود . در جریان برق AC  پلاریته بطور مداوم و مساوی بین الکترود و قطعه کار تعویض می شود و لذا حرارت ایجاد شده در الکترود و قطعه کار مساوی است .