جوشکاری

تاریخچه جوشکاری

چون احتیاجات بشر ، اتصال و جوش در همه موارد را خواستار بوده است، لذا مثلاً از رومی‌های قدیم ، فردی به نام "پلینی" از لحیم به نام آرژانتاریم وترناریم 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:

تاریخچه جوشکاری

چون احتیاجات بشر ، اتصال و جوش در همه موارد را خواستار بوده است، لذا مثلاً از رومی‌های قدیم ، فردی به نام "پلینی" از لحیم به نام آرژانتاریم وترناریم 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.br>

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 سرمایه‌گذاری‌های 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.

گروههای مختلف جوشکاری

1. لحیم کاری
2. جوشکاری فشاری و پرسی
3. جوشکاری ذوبی
4. جوشکاری زرد

چون مواد و فلزات تشکیل‌دهنده و جوش‌دهنده و گیرنده از لحاظ متالوژیکی بایستی دارای خصوصیات مناسب باشند، بنابراین جوشکاری از لحاظ متالوژیکی بایستی مورد توجه قرار گیرد که آیا قابلیت متالوژی و فیزیکی جوشکاری دو قطعه مشخص است؟ پس از قابلیت متالوژی ، آیا قطعه ای را که ایجاد می‌کنیم، از لحاظ مکانیکی قابل کاربرد و سالم است؟

آیا می‌توانیم امکانات و وسائل برای نیازها و شرایط مخصوص این جوشکاری ، مثلاً گاز و دستگاه را ایجاد نمائیم و بر فرض ، ایجاد نیرو در درجه حرارت بالا یا ضربه زدن در درجه حرارت پایین ممکن باشد؟ زیرا استانداردهای مکانیکی و مهندسی و صنعتی جوشکاری باید در تمام این موارد رعایت شود تا جوش بدون شکستگی و تخلخل و یا نفوذ سرباره و غیره انجام گیرد.

تکرار می‌شود در جوشکاری تخصصی و اصولاً تمام انواع جوش ، قابلیت جوش خوردن فلزات را باید دقیقاً دانست. در مورد مواد واسطه و الکترود و پودر جوش ، باید دقت کافی نمود. محیط لازم قبل و در حین جوشکاری و پس از جوشکاری را مثلاً در مورد چدن ، باید بوجود آورد.

گازهای دستگاههای مناسب و انتخاب فلزات مناسب از لحاظ ذوب در کوره ذوب آهن و بعد در حین جوشکاری از لحاظ جلوگیری از صدمه گاز - آتش و مشعل و برق و هوای محیط و وضعیت جسمانی و زندگی جوشکار ، خود نکات اساسی دیگر هستند که مشکلات جوشکاری می‌باشند.

مشکلات و گرفتاریهای صنعت جوشکاری

جوشکاری در حقیقت ایجاد کارخانه ذوب آهن و فلزات در مساحتی حداکثر 2×2 متر و نقطه حساس جوشکاری چند سانتیمتر است، زیرا همان درجه حرارت کارخانه ذوب آهن در محل جوشکاری در یک نقطه ایجاد می‌گردد. مسلم است که چنین کار عظیمی احتیاج به ابتکار و تخصص و مواد و متخصص و وسائل مدرن دارد تا بتوان از این ذوب آهن چند سانتیمتری استفاده صحیح نمود.

شاید اضافه گوئی نباشد که در هیچیک از رشته‌های فنی تا این اندازه احتیاج به سرمایه‌گذاری و رعایت جوانب فنی و غیر فنی ضروری و لازم نباشد.

عوارض و سوانح ناشی از عوامل فیزیکی مربوط به جوشکاری

در موقع جوشکاری ، از عوامل فیزیکی مورد تاثیر یا حاصل از عمل جوشکاری ممکن است خطراتی متوجه جوشکار شود که در:

• دسته اول: برق گرفتگی
• دسته دوم: سوختگی
• دسته سوم: ورود اجسام خارجی به داخل چشم

را می‌توان نام برد.

برق گرفتگی و عوارض حاصل از تاثیرات جریان برق

مسلم است اگر نقصی در سیم‌کشی وسائل برقی که برای جوشکاری با برق بکار می‌روند، وجود داشته باشد یا جوشکار نکات ایمنی لازم مربوط به برق را مراعات ننماید، خطر برق‌گرفتگی برای او وجود خواهد داشت و چنانچه جوشکار در ارتفاع مشغول جوشکاری باشد، مخاطرات حاصله از سقوط و در نتیجه شوک - ضربه الکتریکی نیز بر ضایعات حاصل از برق‌گرفتگی افزوده خواهد شد.

نشانه‌های حاد و فوری برق‌گرفتگی از مور مور شدن و یا شوک خفیف تا شوک شدید و قطع تنفس و متزلزل شدن ضربان قلب و عاقبت به مرگ منجر می‌شود. هنگامی که برق‌گرفتگی ، ایجاد شوک نماید و شخص در ارتفاع مشغول کار است، خطر سقوط و افتادن از ارتفاع روی زمین و روی وسایل و ماشین و غیره ، باعث پیدا شدن جراحات شدید شده ، وضع مصدوم را وخیم خواهد ساخت. بنابراین پیشنهاد می‌شود حتی‌المقدور جوشکاری را در سطح پایین انجام داد.

شدت ضایعات و مخاطرات حاصل از برق‌گرفتگی ، بستگی به عوامل زیر دارند:

• نوع جریان برق: اصولاً در هر ولتاژی ، جریان برق متناوب AC ، خطرناکتر از جریان برق DC مستقیم می‌باشد و یا به عبارت دیگر ، خطر شوک الکتریکی در جریان متناوب بیشتر است. در حالیکه خطر سوختگی در جریان مستقیم نیز بیشتر است.
• تاثیر ولتاژ: شدت شوک الکتریکی حاصل از برق گرفتگی ، بستگی به میزان ولتاژ برق مربوط به آن دارد و هرچه ولتاژ بیشتر باشد، شدت شوک حاصله بیشتر خواهد بود. در هر صورت ولتاژ بین 200 تا 250 ولت که ولتاژ معمولی برق شهر است، خطرناک بوده ، اغلب ضایعات شدید بوجود آورده ، ممکن است سبب مرگ شود.
• شدت جریان: شدت جریان 15 تا 20 میلی‌آمپر با فرکانس HZ 50 ولتاژ بالا ممکن است باعث چسبیدن دست مصدوم به سیم برق شده ، مانع رهائی وی گردد. این امر ممکن است تا موقع رسیدن نجات‌دهنده ادامه یابد. در این جریان ممکن است ضایعات کشنده ای ایجاد شود.
• فرکانس: در تواتر بین HZ 50 تا HZ 80 هرتز شوک یا ضربه الکتریکی ممکن است بوجود آید. ولی در فرکانس‌های بالا بین 30000 تا 100000 هرتز ، خطر کمتری وجود دارد، زیرا بوسیله پرتاب ، شخص را از منبع خطر دور می‌کند.
• مقاومت بدن انسان: مقاومت بدن انسان بین 500 تا 50 متغیر است ( اهم ). هر چه مقاومت در سر راه تماس منبع الکتریک با بدن ( پوست خشک – ضخامت کف پا ) بیشتر باشد، خطر شوک وارده کمتر است و یا بالعکس.
• مدت تماس: تماس برق با بدن در مدت زمان بین 1 تا 3 ثانیه ممکن است توقف قلب و فوت مصدوم را همراه داشته باشد. در هر صورت چنانچه شخصی دچار برق گرفتگی شود، از ضایعات و عوارض ذکر شده در بالا جان سالم بدر برد. معمولاً بهبود کامل می‌یابد و عوارض ، نادر می‌باشد.

مسائل مهم جوشکاری

تربیت متخصص و کاردان و کارشناس

جوشکاری ، یکی از رشته‌های پرهزینه در صنعت و آموزش ابتدائی و عالی است. انتخاب افراد و جوانان در هر سن و مدارج تحصیلی و کارخانه‌ای ، با داشتن قدرت تحمل کار با آتش ، قدرت تحمل خطرات و آموزش تخصصی به این جوانان بسیار مشکل است. زیرا سرمایه‌های عظیم آموزشی احتیاج دارد تا یک متخصص به تمام معنی یا یک مهندس جوشکار واقعی تربیت شود.

تهیه ماشین‌آلات مخصوص

تهیه ماشین‌آلات مدرن و مفصل جوشکاری احتیاج به بودجه‌های عظیم دارد تا بتوان از انواع ماشین‌آلات مدرن بهره‌گیری نمود، مخصوصاً در آموزش که باید همه جانبه باشد. بعضی اوقات تمام وسایل کارخانجات شهر و مراکز آموزشی ، کافی برای ارائه کل تخصص نمی‌باشن. و اشکال‌تراشی و نبودن بودجه و خرید و کمک به ساخت نیز گرفتاری دیگری است.

رعایت نکات ایمنی

رعایت نکات ایمنی و تخصصی ایمنی ، خود یکی دیگر از مشکلات عظیم جوشکاری است، بطوری‌که فرضاً انفجار یک کپسول مانند یک بمب می‌تواند جان صدها نفر را به خطر اندازد، در حالیکه مثلاً در کارگاه تراش و ریخته گری ،خطرها تا این حد بالا نیستند و کوچکترین بوی گاز ناشی از عدم اتصالات صحیح و اصولی ، ممکن است جان عده ای را به خطر اندازد. همان طوریکه تربیت متخصص ، احتیاج به بودجه‌های عظیم آموزشی برای خرید وسائل و کتب بطور همزمان دارد، هزینه های دیگر جوشکاری جهت جلوگیری از هر نوع انفجار و احتراق در کارگاهها و صدمه به بدن و چشم جوشکار و افراد حاضر در کارگاه می‌باشد.

بدین جهت جوشکاری را رشته ای پر خرج نام نهاده‌اند. مسلم است که این مخارج عظیم در استفاده از اتصالات جوش حذف خواهند شد. یعنی اینکه اتصالات پر خرج و مفصل پیچ و پرچ وقتی با جوشکاری جایگزین شوند، مخارج عظیم تشکیلات را در مدت کوتاهی تامین خواهند کرد.

هدف جوشکاری و برشکاری

بریدن قطعات ماشینی به ضخامتهای زیاد ، یکی از وظایف مهم برشکاری است. بطور کلی ، اتصال قطعات مختلف از یک نوع فلز یا انواع فلزات و آلیآژها و بالا بردن استحکام و سرعت عملیات و کاهش هزینه‌ها از مهمترین اهداف جوشکاری است.

بررسی تاثير عناصر آلياژی بر خواص فولاد 

اغلب در حین بررسی نتایج آزمایش آنالیز فولادها به وجود عناصری برمی خوریم که اطلاع از چگونگی تاثیر عناصر فوق ساختار فولادها از جمله الزامات دانش فنی مهندسین می باشد لذا با استفاده ازمقدمه کتاب کلید فولاد(نویسنده:C.W.Wegst) سعی در معرفی ابتدایی برخی عناصر موجود در ساختار فولادها شده است.

کربن

کربن مهمترین و موثرترین عنصر آلیاژی در فولادها می باشد و بالاترین تاثیر را در ساختار آن دارد.هر فولاد آلیاژ شده علاوه بر کربن عناصر آلیاژی دیگری نظیر سیلیسیم – منگنز-فسفر و گوگرد را به همراه خواهد داشت بطوریکه این عناصر به شکلی ناخواسته به هنگام فرایند تولید در فولاد باقی خواهند ماند.اضافه کردن عناصر آلیاژی برای بدست آوردن نتایج مشخص و منحصر بفرد و افزایش کنترل شده منگنز و سیلیسیم در فولاد , فولاد آلیاژی را بوجود خواهد آورد. با افزایش میزان کربن استحکام . سختی پذیری فولاد فولاد بیشتر میشود اما چکش خواری و قابلیت جوشکاری و ماشینکاری (با استفاده از ماشینهای برش) کاهش

 می یابد.این عنصر عملا هیچ تاثیری بر مقاومت خوردگی در آب, اسید و گازهای گرم ندارد.

کلسیم

در ترکیب با سیلیسیم به شکل سیلیسیم –کلسیم در رکسیژن زدایی فولادها به کار می رود.کلسیم, مقاومت در برابر پوسته شدن مواد هادی حرارت را افزایش می دهد.

سدیم

این عنصر یک اکسیژن زدای مسلم و نیرومند است و گوگرد زدایی را نیز سرعت و شتاب می دهد.به همین دلیل یک عنصر پالایشی در فولادها محسوب می گردد. وجود این عنصر در فولادهای پرآلیاژ باعث گستردگی دامنه فرآیند شکل گیری گرم می شود.همچنین مقاومت فولادهای نسوز را در برابر پوسته شدن بهبود می بخشد.آلیاژهای آهن-سدیم با مقادیر تقریبی 70% سدیم دارای خواص آتش دهندگی(مانند سنگ چخماق) هستند و در تولید چدنهایی با گرافیت کروی مورد استفاذه قرار می گیرد.  

کبالت

کبالت هیچ کاربیدی را تشکیل نمی دهد. در دمای بالا از رشد دانه ها جلوگیری می کند.مقاومت در برابر تنشهای ناشی از بازپخت را افزایش می دهد و موجب بهبود استحکام مکانیکی فولاد در برابر دمای بالا می شود.لذا به عنوان یک عنصر آلیاژی در فولادهای ابزاری گرم کار,فولادهای مقاوم در برابر خزش و فولادهای دیرگداز به کار می رود.وجود کبالت شکل گیری گرافیت کروی را تسریع می کند.در کمیتها و مقادیر بالا, پایداری مغناطیسی,نیروی مغناطیس زدایی و هدایت حرارتی را افزایش می دهد.لذا به عنوان یک عنصر پایه در آلیاژها و فولادهای مغناطیسی دایم مرغوب به کار می  رود. این عنصر تحت تاثیر تابش نوترونی, رادیوایزوتوپ 60 کبالت را شکل می دهد. به همین دلیل برای فولادهایی که در راکتورهای اتمی بکار برده میشوند مناسب نمی باشد.

کرم

وجود عنصر فوق باعث سختی پذیری فولاد در هوا و روغن می باشد. کرم با کاهش سرعت خنک سازی بحرانی, به وسیله شکل دادن ساختار مارتنزیتی, قابلیت سخت کاری را افزایش می دهد.بنابراین سبب بهبود حساسیتهای سخت  کاری و بازپخت می شود.اما در هر صورت چقرمگی کاهش می یابد.و از انعطاف پذیری یا شکل پذیری فولاد به مقدار کمی کاسته می گردد با افزایش کرم در فولادهای ساده کرم دارجوش پذیری کاهش می یابد.با اضافه نمودن هر واحد  1% کرم به عنوان یک عنصر کاربید سازاستحکام کششی فولاد به میزان 100_80نیوتن بر میلیمتر مربع افزایش می یابد.کرم به عنوان یک عنصر کاربید ساز بکار برده می شود.کاربیدهای این عنصر کیفین نگهداری لبه ها و مقاومت سایشی را افزایش می دهد. کرم موجب مقاومت فولاد در دماهای بالا می شود و در برابر هیدروژن تحت فشارخواص مواد را افزایش می دهد.با افزایش کرم مقاومت در برابر پوسته شدن فولادها نیز بهبود می یابد.به طور تقریب حداقل 13% کرم مورد نیاز است تا مقاومت خوردگی فولادها نیز بهبود یابد.این مقدار کرم باید در قابل فلزی حل شود.این عنصر موجب محدودین دامنه فاز گاما می شود و باالعکس ئامنه فاز فریتی را افزایش می دهد.همچنین باعث پایداری آستنیت در فولادهای آستنیتی کرم-منگنزیا کرم-نیکل شده و سبب کاهش هدایت الکتریکی و حرارتی می شود و انبساط حرارتی را نیز کاهش می دهد.(آلیاژهایی برای آببندی شیشه)با افزایش همزمان میزان کربن و کرم تا میزان 3% پایداری مغناطیسی و شدت نیروهای پسماند زدا افزایش می یابد.

مس

مس بعنوان یک فلز آلیاژی به تعداد بسیار کمی از فولادها اضافه می شود.زیرا این فلز به زیرلایه های  سطحی فولاد تمرکز یافته و در فرآیند شکل دهی گرم با نفوذبه مرز دانه ها ,حساسیت سطحی را در فولادها بوجود می آورد.لذا به عنوان یک فلز مخرب در فولادها محسوب می گردد.به واسطه حضور مس نقطه تسلیم و نسبت نقطه تسلیم به استحکام نهایی افزایش می یابد.این عنصر در مقادیر بالای 30%موجب سختی رسوبی میشود و بدین ترتیب سختی پذیری نیزبهبود می یابد.اما قابلیت جوشکاری به واسطه حضور مس تغییری نمی کند.در فولادهای آلیاژی ساده و پرآلیاژ مقاومت جوی به میزان کافی بهبود می یابد.مقادیر بالاتر از 1% مس موجب بهبود مقاومت در برابر واکنشهای اسید کلریدریک و اسید سولفوریک می شود.

هیدروژن

هیدروژن یک عنصر مخرب در فولاد تلقی می گردد. زیرا بدون آنکه نقطه تسلیم و استخکام کششی فولاد را افزایش دهد,موجب تردی و شکنندگی فولاد می گردد.انعطاف پذیری را کم کرده و باعث کاهش سطح مقطع می باشد. هیدروژن  سبب پوسته شدن ناخواسته سطح فولاد میگردد و ایجاد خطوط رنگین ناشی از ترکیبات را شتاب می دهد.هیدروژن اتمی ایجاد شده ,در خلال فرایند اکسیژن زدایی در فولاد نفوذ کرده و حفره هایی را تشکیل می دهد(مک)که  در فرآیند جوشکاری(پروزیتی) نام دارد.هیدروژن مرطوب در دمای بالا باعث کربن زدایی فولاد می باشد.

منیزیم

این عنصر موجب تشکیل گرافیت کروی در چدن می باشد.

منگنز

منگنز یک اکسیژن زداست.این عنصر با گوگرد ترکیب شده و تشکیل سولفید منگنز می دهد.بر همین اساس اثرات نامطلوب اکسید آهن را از بین می برد.وجود این عنصر در فولادهای خوش تراش بسیار مهم است.زیرا خط قرمز شکنندگی را کاهش می دهد.منگنز سرعت خنک شدن بخرانی را نیز به شدت کم می کند به همین دلیل سختی پذیری و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را افزایش می دهد.با اضافه نمودن منگنز تاثیرات مطلوبی در قابلیتهای آهنگری و جوشکاری فولاد بوجود می آید و بطور قابل ملاحظه ای عمق سختی فولادها را بیشتر می کند.اگر سطح این نوع فولادها در معرض تنشهای ضربه ای قرار گیرد به مقدار بسیار زیادی کارسخت حواهد شد در حالیکه مغز فولاد چقرمگی اولیه خود را حفظ میکند لذا این گروه از فولادها تحت تاثیر نیروهای ضربه ای(کارسختی) مقاومت سایشی مطلوبی از خود نشان می دهند.با افزایش منگنز ضریب انبساط حرارتی افزایش یافته در حالیکه هدایت الکتریکی کاهش می یابد. منگنز باعث افزایش خاصیت فنری می شود.

مولیبدن

این عنصر به طور معمول با عناصر دیگر آلیاژ می شود.در فولاد کرم-نیکل دار و فولاد منگنز دار سبب ریز دانه سازی می شود.و باعث بهبود قابلین جوشکاری می شود و نقطه تسلیم و استحکام نهایی را بالا می برد. با ازدیاد درصد مولیبدن جوش پذیری کاهش می یابد.و سازنده مسلم فاز کاربید است و در فولادهای تند بر خواص برشکاری را بهبود می بخشد.مقاومت خوردگی را بالا می برد.

نیتروژن

این عنصر به دو صورت ظهور می کند

1-بصورت یک عنصر مخرب که به دلیل کاهش چقرمگی  در خلال فرآیند ته نشینی رسوبی است  که موجب ایجاد حساسیت در برابر پیری و شکنندگی آبی(تغییر شکا در درجه خرارت آبی300-350  درجه سانتیگراد)  می شود و امکان ایجاد تنش در ترکهای درون بلوری فولادهای غیرآلیاژی و کم آلیاژ را فراهم می سازد.

2-بصورت عنصری آلیاژی دامنه فاز گاما را افزایش می دهد و ساختار آستنیتی را استحکام می بخشد در فولادهای آستنیتی استحکام را افزایش می دهد و باعث افزایش نقطه تسلیم و خواص مکانیکی در گرما می شود.

آلومینیوم

یکی از قویترین اکسیژن زداها  و نیتروژن زداهاست.و بر اساس نتیج بدست آمده تاثیر بسیار زیادی برای مقابله با کرنشهای ناشی از پیری دارد.در ترکیب با نیتروژن تشکیل نیترور سخت می دهد که باعث  افزایش مقاومت در برابر پوسته ای شدن می شود به همین دلیل به عنوان عنصری آلیاژس برای مقاومت حرارتی فولادها بکار می رود.

ارسنیک

دامنه فاز گاما را محدود میکند لذا عنصری مخرب شناخته می شود زیرا مانند فسفر میل شدیدی به جداسازی ریزدانه های عناصر مختلف دارد. شکنندگی ناشی از بازپخت را افزایش داده و باعث کاهش شدید چقرمگی و قابلیت جوشکاری میگردد.