خانه / جوشکاری

جوشکاری

جوشکاری چیست؟

جوشکاری در معنای وسیع آن، فرآیندی است که در آن، قطعات از جنسهای با گونه یکسان، به هم پیوسته و یک تکه واحد را تشکیل می دهند. این اتصال از طریق تشکیل پیوندهای شیمیایی اولیه (و گاهی ثانویه) و تحت تاثیر دما یا فشار بالا (ویا هردو) به وجود می آید. البته برای جوشکاری تعریف های گوناگونی ارایه شده است اما همگی آنها در نکات اصلی زیر مشترک هستند:

  1. اولین و مهمترین نکته، این است که اجزای گوناگون در این فرایند با برقرار شدن پیوستگی، به یک تکه واحد تبدیل می شوند. منظور از پیوستگی در اینجا عدم وجود گسستگی فیزیکی در ابعاد اتمی است. یعنی اینکه هیچ فاصله ای در محل اتصال باقی نمی ماند. (برعکس روش های اتصال مکانیکی که در آنها یک فضای آزاد-هرچند تنگ و باریک- باقی می ماند) پیوستگی در اینجا به معنای همگنی ترکیب شیمیایی در موضع اتصال یا نواحی مجاور آن نیست بلکه به معنی پیوستگی در ساختار اتمی است. یک جوش می تواند همگن باشد مانند موقعی که دو قطعه از جنس فولاد زنگ نزن توسط یک فلز پرکننده از همان جنس اتصال می یابند ویا می تواند ناهمگن باشد مثل وقتی که دو قطعه از جنس چدن خاکستری با یک فلزپرکننده برنزی به هم جوش داده می شوند.

  2. نکته دوم، این است که لزومی ندارد که مواد مورد نظر حتما فلز باشند. این مواد می توانند پلیمر، سرامیک های اکسیدی و غیر اکسیدی، شیشه ها، و ترکیبات بین فلزی هم باشند.

  3. نکته سوم اینکه جوش، حاصل ترکیب طیف وسیعی از دماها و فشارهای مختلف است. در برخی فرآیندها (مثل جوشکاری الکترود دستی) اساسا فشاری اعمال نمی شود و دمای کار به قدر کافی برای ذوب و به هم پیوستن دوقطعه بالاست. و در سوی دیگر طیف ممکن است فشار آنقدر بالا باشد که باعث تغییر فرم مومسان و اتصال بدون حضور گرما شود.

  4. نکته چهارم اینکه فلزپرکننده (از گونه مشابه با مواد پایه – و البته نه لزوما همان ترکیب شیمیایی)، ممکن است به کاربرده شود ویا به کار برده نشود.

  5. نکته پنجم و آخر این است که جوشکاری برای اتصال قطعات به کار برده می شود هرچند این مواد هستند که به هم متصل می شوند. این هدف، اغلب محدودیت هایی را در سر راه این فرآیند قرار می دهد. ایجاد جوش بین دو ماده نیازمند تشکیل پیوندهای شیمیایی بین آنهاست که این پیوند به واسطه اعمال فشار و گرما حاصل می شود. اینکه برای تشکیل این پیوند به چه میزان دما و فشار نیاز است، در درجه اول توسط طبیعت مواد تشکیل دهنده اتصال تعیین می شود. اما این همه ماجرا نیست چراکه میزان دما و فشار به طبیعت خود قطعات هم بستگی دارد. پس علاوه بر موارد دیگر، باید به شکل قطعه، ابعاد حساس قطعه، و خواص مجموعه و قطعه هم توجه شود تا از پیچیدگی، تنش های پسماند،  ویا گسستگی در ترکیب شیمیایی و ساختار اجتناب شود. نکته کلیدی این است که جوشکاری یک فرآیند تولید ثانویه برای ساخت یک مجموعه یا سازه از قطعات یا اجزای سازه ای است.

welding-isnt-ir02تاریخچه جوشکاری

جوشکاری یک هنر باستانی است. نمونه هایی از النگوهایی از دوره ماقبل تاریخ یافت شده اند که برای ساخت آنها، ابتدا با چکش کاری، تکه های طلا یا نقره را به شکل میله هایی درآورده اند و سپس این میله ها را گرد کرده و دو سرشان را به یکدیگر فورج کرده اند تا یک حلقه پیوسته به دست آید. این فرآیند ابتدایی جوشکاری به نام جوشکاری پتکه ای شناخته می شود. چالش این فرآیند در اینجا بوده است که برای ساخت جوش های بهتر و بزرگ تر، به منبع گرمای متمرکزتری نیاز بوده است. بعدتر در اواخر عصر برنز، با شناخته شدن فرآیند ریخته گری، جوشکاری پتکه ای اهمیت خود را به خصوص برای قطعات بزرگ تر و پیچیده تر از دست داد. ضربه مهلک بعدی بر پیکر جوشکاری در عصر ماشین رخ داد، هنگامی که تلرانس های ابعادی برای تولید با تیراژ بالا اهمیت خاصی پیدا کرد.اما در نیمه دوم قرن نوزدهم میلادی، یک اکتشاف کلیدی باعث شد که جوشکاری به عنوان یک فرآیند ساخت قابل اعتنا در نظر گرفته شود. در سال 1881 Miossan از فرانسه، استفاده از قوس کربنی را برای ذوب فلزات پایه گذاری کرد. شش سال بعد، Bernandos روسی از این فرایند برای جوش فلزات استفاده نمود و اندکی بعد Slavianoff اکترودهای مصرف شدنی را در جوشکاری قوس الکتریکی معرفی نمود.

همزمان با جوشکاری قوس الکتریکی، جوشکاری به کمک گاز سوختی هم در حال طی کردن دوره تکامل خود بود. با اختراع مشعل اکسی استیلن توسط لوشاتلیه در سال 1895،  سیستم های جوشکاری با شعله مدرن پا به عرصه دنیای صنعت گذاشت. جوش های ایجاد شده توسط این فرآیند دارای کیفیت بسیار بالاتری نسبت به جوشکاری با الکترود بدون پوشش یا الکترود کربنی بودند و در نتیجه تا سال 1914 جوشکاری قوسی در سایه جوشکاری با شعله قرار داشت. در این سال، مهندس سوئدی Kjellberg محافظت قوس را هم برای الکترودهای کربنی و هم برای الکترودهای مصرف شدنی معرفی کرد.

جوشکاری مقاومتی ابتدا در سال 1865 هنگامی که ژول برای اولین بار با گرم کردن مقاومتی دو سیم و سپس چکش کاری این سیم ها در حالت داغ، اولین جوش مقاومتی را ساخت، پایه گذاری شد. مهندس امریکایی Elihu Thomson اولین کسی بود که از مقاومت الکتریکی به عنوان منبع گرمای جوشکاری استفاده نمود (1877).  جوشکاری مقاومتی نقطه ای با اصلاحات مهندسی روش این مهندس امریکایی پدید آمده است.

اما آنچه که می توان آن را دوره مدرن جوشکاری نامید، با شناخته شدن منابع حرارتی متمرکزتر که قادر بودند آلیاژهای با نقطه ذوب بالاتر و قطعات بزرگ تر را ذوب کنند و سرعت جوشکاری را بالاتر ببرند، آغاز شد. منابعی همچون قوس های متمرکز، قوس پلاسما و پرتوهای الکترونی و لیزری دامنه جوشکاری را بیش از پیش گسترش دادند. در این دوران، کم کم سوالات طراحان از «آیا می توان از جوشکاری در تولید استفاده کرد؟» به «چگونه از جوشکاری در تولید استفاده کنیم؟» تغییر پیدا کرد.

تاریخچه جوشکاری در یک نگاه:

1836

1856

1881

1855

1889-1890

1900

گاز استیلن کشف شد

اصول جوشکاری مقاومتی توسط ژول کشف گردید

اخراع  ماشین های جوشکاری با قوس کربنی اولیه

اولین پتنت درباره جوشکاری مقاومتی / توسعه جوشکاری قوس کربنی

اولین جوش قوسی با الکترود بدون پوشش

کشف واکنش های آلومینو ترمیک

1926

1920

1912

1909

1907-1910

1900

اولین پتنت درباره الکترود توپودری

الکترود توپودری برای سخت کاری سطحی استفاده شد

اولین بدنه اتوموبیل جوشکاری شده با RSW

اختراع سیستم قوس پلاسما

پیدایش الکترودهای پوشش دار

ساخت اولین مشعل های اکسی استیلن

1926

1926

1930

1935

1941

1950

پوشش اکسترود شده جامد برای الکترودهای SMAW

جوشکاری قوس با گاز محافظ هلیوم

جوشکاری  هیدروژن اتمی

جوشکاری زیرپودری

اختراع جوشکاری تیگ

معرفی جوشکاری الکترواسلگ

1957

1956

1955

1954

1953

1950

اولین کاربرد گاز CO2 با GMAW

اختراع جوشکاری اصطکاکی

معرفی قوس متمرکز (قوس پلاسما)

معرفی FCAW خودمحافظ

اختراع قوس پلاسما متمرکز (constricted)

اولین پتنت درباره انتقال اسپری در جوشکاری گازی

1960

1960

1961

1962

1964

1964

اولین لیزر با بلور یاقوت

GMAW پالسی معرفی شد

اولین نمایش عمومی EBW

معرفی جوشکاری الکتروگاز

معرفی فرآیندهای جوشکاری سیم داغ

معرفی one knob برای GTAW

1991

1990s

1980s

1980s

1970s

1969

معرفی جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی

غلبه تکنولوژی اینورتر در منابع تغذیه

معرفی لحیم کاری سیلان مجدد فاز گازی

الکترودهای حالت جامد در کنترل استفاده شدند

اینورتر کنترل شده با ترانزیستور

معرفی پوششدهی سیم داغ قوس پلاسما

مزایا و معایب جوشکاری

همانند هر فرآیند دیگری، جوشکاری هم مزایا و معایب خاص خود را دارد. بزرگترین مزیت جوشکاری بی تردید، درهم آمیختگی ساختاری بی مانندی است که این فرایند به وجود می آورد که موجب بهره وری بالای اتصال می شود. به آسانی می توان جوشهایی با استحکام معادل و یا حتی بیشتر از فلزپایه به دست آورد. مورد اخیر هنگامی قابل دسترسی است که یا سطح مقطع ناحیه جوش را بزرگتر از نواحی اطراف بگیریم و یا اینکه با کمک ماده پرکننده که دارای عناصر آلیاژی استحکام بخش باشد، استحکام ماده تشکیل دهنده منطقه اتصال را بالاتر ببریم. مزیت دیگر جوشکاری، دامنه وسیع فرآیندهایی است که می توان انتخاب نمود که نتیجه آن گوناگونی فراوان موادی است که قابل جوش دادن هستند. تقریبا همه فلزات و آلیاژها، بسیاری از پلیمرها (ترموپلاستیک)، تقریبا همه شیشه ها، و برخی سرامیک ها را می توان – با یا بدون فیلر- جوش داد.

مزیت دیگر جوشکاری این است که هم می توان آن را به صورت دستی انجام داد و هم امکان خودکار یا نیمه خودکار بودن آن هم وجود دارد. مورد دیگر، امکان پرتابل بودن تجهیزات برای استفاده در مناطق دوردست و در سازه های بزرگ است. به علاوه جوشکاری می تواند اتصال بدون درز بوجود آورد و این قابلیت آن را برای مقاصدی چون مخازن تحت فشار و مخازن ذخیره مایعات مناسب می سازد. ویژگی دیگر جوشکاری این است که بیشتر از سایر فرایندهای اتصال قابلیت به کارگیری در مناطق دشوار (مثل زیر دریا، در فضا، مناطق خطرناک از نظر پرتوهای زیان آور) را با کمک ربات ها دارد. دست آخر مزیت دیگری که می توان برای جوشکاری برشمرد، این است که هزینه انجام آن در بسیاری موارد قابل توجیه است.

بزرگترین عیب جوشکاری این است که اتصالی دائمی ایجاد می کند به این معنی که جداکردن اتصال کار آسانی نیست. اگرچه اساسا از جوشکاری به این دلیل استفاده می شود که یک اتصال دائم بوجود می آورد، بااین وجود، در طراحی، ملاحظاتی درباره چگونگی دفع قطعات و مجموعه ها در پایان عمر کاری آنها وجود دارد. به عنوان نمونه، هنگامی که مهندسان آلمانی می خواستند نیروگاه اتمی موجود دربخش شرقی کشور خود را – که دارای طرحی مشابه نیروگاه فاجعه بار چرنوبیل روسیه بود، از رده خارج کنند، جداکردن اتصالاتی که با جوشکاری ایجاد شده بودند، دردسر ساز شده بود.

دومین عیب بزرگ جوشکاری این است که – در مواردی که گرما به کار می رود، این گرما تخریب ریزساختار فلز پایه را درپی دارد. که نتیجه آن افت خواص قطعه است. همچنین ورود نامتوازن گرما به قطعه باعث به وجود آمدن عیوبی همچون پیچیدگی و تنشهای پسماند در قطعه می شود. 

سومین عیب جوشکاری را می توان  نیازمند بودن آن به نیروی کار ماهر ویا به دستگاههای پیشرفته (برای خودکار سازی) دانست که این موضوع بالارفتن هزینه تولید را درپی دارد.

مزایا و معایب فرآیند جوشکاری به صورت خلاصه در جدول زیر آمده است:

مزیت های فرآیند جوشکاری

عیب های فرآیند جوشکاری

درهم آمیختگی ساختار و بهره وری بی مانند اتصال – اتصال به صورت تصادفی شل ویا از هم باز نمی شود.

امکان جداکردن قطعات بدون ازبین رفتن قسمتی از قطعات وجود ندارد.

گوناگونی زیاد فرآیندهای قابل اجرا

گرمای جوش ماده را تخریب می کند.

برای بسیاری از مواد در یک گونه، قابل کاربرد است.

ورود گرمای نامتوازن باعث پیچیدگی و تنشهای پسماند می شود.

هم مکان دستی بودن و هم امکان خودکار بودن فرآیند وجود دارد.

به اپراتور با مهارت بالا نیاز دارد.

می تواند برای مقاصد درون کارگاهی و برون کارگاهی، پرتابل باشد.

ممکن است گران باشد (مثلا در مقاطع ضخیم)

امکان اتصال بدون درز و نشتی

ممکن است به سرمایه گذاری اولیه بالایی نیاز داشته باشد (مثلا تفنگ پرتو الکترونی یا محفظه های خلا)

در بیشتر موارد، هزینه فرآیند منطقی است