جوشکاری فرایندی است خاص که توسط آن دو فلز همجنس یا غیرهمجنس، بوسیله حرارت به یکدیگر جوش می‌خورند و با روش های مختلفی اعم از استفاده از فلز مصرفی، استفاده از روش ذوبی یا غیر ذوبی، با به‌کارگیری یا بدون بکارگیری فشار، با یا بدون استفاده از ماده پرکننده به صورت موضعی در هم آمیخته و به شکل دائم به یکدیگر متصل می شوند.
فرایندهای جوشکاری به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: فرایندهای جوشکاری ذوبی و فرایندهای جوشکاری غیر ذوبی
جوشکاری ذوبی
در این روش لبه های دوقطعه توسط یک منبع حرارتی مثل شعله، قوس الکتریکی، اشعه، لیزر و غیره ذوب می شوند. سپس مواد مذاب حاصل پس از سرد شدن موجب اتصال دو قطعه می شود. هرچقدر بتوان فرایند پیشرفته‌تری را در این روش ابداع کرد، منطقه کوچک‌تری ذوب شده، اتصال سریع‌تر برقرار می‌شود و وضعیت مطلوب‌تری از جوش محسوب می‌شود. این گروه از فرآیندها نه تنها جهت اتصال فلزات بلکه برای پلاستیک ها و سرامیک ها نیز کاربرد داشته و گاه تحت عنوان جوشکاری امتزاجی نیز شناخته می شود. از انواع روش های این فرایند می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- اکسی گاز (احتراق گاز سوختنی عامل تولید حرارت است)
- جوشکاری لیزری(اشعه لیزر عامل تولید حرارت است)
- جوشکاری الکترونی(پرتوی الکترونی با انرژی بالا عامل تولید حرارت است)
- جوشکاری قوسی (قوس الکتریکی عامل تولید حرارت است)
جوشکاری غیر ذوبی
بر خلاف روش قبل، در جوشکاری غیر ذوبی اعمال نیروی فشاری مکانیکی و تغییر شکل، عمل اتصال انجام می‌شود این روش مخصوص فلزات نرم از جمله نقره، مس و آلومینیوم است و در دمای محیط هم این اتصال می‌تواند برقرار شود. اما در مورد بعضی فلزات مثل فولاد شاید در دمای محیط خیلی راحت نتوان به این هدف رسید و باید قطعه را تا 400 یا 500 درجه‌ی سانتی‌گراد گرم کرد و بعد این عمل را روی آن انجام داد. قدیمی‌ترین روش جوشکاری مربوط به فرآیند جوشکاری فورجی، جوشکاری پتکه‌ای یا جوشکاری آهنگری است. از انواع روش های این فرایند می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- مقاومتی
- اصطکاکی
- انفجاری
- فراصوتی
- نفوذی
در ادامه به بررسی هرکدام از روش های فرایندهای بالا می پردازیم:
فرایندهای ذوبی
جوشکاری ذوبی اُکسی گاز (OFW)
جوشکاری اکسی گاز یا اُکسی استیلن، از انواع جوشکاری ذوبی است که از انرژی حرارتی ناشی از سوختن یک گاز سوختنی مانند استیلن برای ذوب کردن درز اتصال و سیم جوش فلزی بدون روپوش استفاده می شود. در جوشکاری اکسی استیلن روی دسته مشعل جوشکاری شیرهای کنترل جریان گاز وجود دارد که مقدار جریان گاز خروجی به طرف سرمشعل را کنترل می کنند.
مشعل های جوشکاری اکسی گاز دارای محفظه ای به منظور مخلوط شدن گازها هستند. سرمشعل نیز همگراست که باعث تمرکز شعله و گرما در سطح کوچکی از محل درز اتصال دو قطعه می شود. این موضوع سبب می شود تا سریع تر به درجه حرارت ذوب برسد.
جوشکاری ذوبی با پرتوی لیزر (LBW)
جوشکاری ذوبی با پرتوی لیزر از انواع جوشکاری پیشرفته و نوین به شمار می رود که جوشی نازک و عمیقی تولید می کند؛ در حالیکه انرژی ورودی به قطعه در مقایسه با روش های دیگر بسیار کمتر است.
در این روش با اعمال اشعه پرانرژی لیزر به سطح قطعه ، گرمای لازم برای تولید حوضچۀ مذاب و ایجاد اتصال فراهم می گردد. این روش تقریبا برای تمامی مواد مهندسی قابل استفاده است و نیازی به فلز پر کننده ندارد. در مقابل افزایش سرعت جوش در LBW ممکن است سبب ایجاد ترک شود.
جوشکاری ذوبی با پرتوی الکترونی (EBW)
جوشکاری EBW پیشرفته تر و گران تر از حالت لیزری است و در میان روش های جوشکاری ذوبی بیشترین حرارت را تولید می کند.
در جوش EBW برخورد الکترون ها به سطح قطعه کار، انرژی جنبشی الکترون ها را تبدیل به گرما می‌کند. بنابراین سطح در کسری از ثانیه به دمایی در حدود ۲۵۰۰۰ درجه سانتی گراد می رسد. نفوذ حرارت در این روش آنقدر عمیق است که بتوان قطعاتی با ضخامت بسیار زیاد از هر جنسی را به هم وصل نمود. این روش کمترین میزان اعوجاج و انحراف قطعه کار را دارد؛ اما گران بودن آن از معایب اصلی اش به شمار می رود.
جوشکاری قوسی (AW)
در جوشکاری قوسی، از قوس الکتریکی اعمال شده میان الکترود و قطعه، برای تولید مذاب و ایجاد اتصال استفاده می شود. با کمک تماس دو قطب جریان به هم (نوک زدن)، استفاده از ولتاژ و فرکانس بالا، دور کردن تورچ (مشعل) از قطعه و با استفاده از واسطۀ بین الکترود و قطعه کار می توان قوس الکتریکی ایجاد کرد.
روش های جوشکاری قوسی خود به 7 دسته قابل تقسیم می باشند که وجه اشتراک آن ها استفاده از انرژی الکتریکی است،:
- جوشکاری قوسی با الکترود روکش دار(الکترود دستی) (SMAW)
- جوشکاری قوسی زیرپودری (SAW)
- جوشکاری قوسی تو پودری (FCAW)
- جوشکاری قوسی کربنی (CAW)
- جوشکاری قوسی با الکترود تنگستنی (GTAW/TIG)
- جوشکاری قوسی با الکترود فلزی تحت پوشش گاز محافظ (GMAW / MIG – MAG)
- جوشکاری فلزی تحت گاز محافظ فعال (Metal Active Gas/MAG)
- جوشکاری قوسی پلاسما (PAW)
جوشکاری قوسی با الکترود روکش دار(الکترود دستی) (SMAW)
جوشکاری قوسی با الکترود دستی(Shielded Metal Arc Welding) که در اصطلاح عامیانه به آن جوش برق هم می‌گویند قدیمی ترین و پرکاربردترین نوع جوشکاری قوسی است. در این روش قوس الکتریکی ایجاد شده بین الکترود روکش دار و قطعه حرارت کافی برای ذوب کردن منطقه کوچکی از سطح فلز پایه و الکترود را تأمین می کند. با دور شدن قوس از محل حوضچۀ مذاب، مخلوط فلز مذاب ناشی از الکترود و فلز پایه شروع به سرد شدن و انجماد می نمایند و اتصال کامل می شود.
جوشکاری SWAM به دلیل قدرت و مقاومت بالایی که دارد اغلب برای کارهای ساخت و ساز استفاده می‌شود. از این روش برای جوشکاری فلزات خیلی سخت و ضخیم همانند چدن استفاده می‌شود. این روش ارزان، آسان و با تجهیزاتی قابل حمل است، اما برای جوشکاری فلزات غیرآهنی مناسب نیست. همچنین فلز جوش تولید شده با این روش ممکن است نیاز به عملیات حرارتی مختلفی مانند آنیل (بازپخت) داشته باشد.
جوشکاری قوسی زیرپودری (SAW)
در جوشکاری قوسی زیر پودری، اتصال فلزات توسط گرمای حاصل از قوس الکتریکی بین الکترود فلزی بدون روکش و قطعه کار انجام می‌گیرد. اتصال دو فلز به یکدیگر بدون اعمال فشار بوده وماده پرکننده از ذوب الکترود، سیم جوش ویا پودر فلزی تامین می‌شود .حرارت لازم برای جوشکاری توسط قوس ایجاد شده بین قطعه کار و سیم جوشی که به صورت پیوسته تغذیه می گردد، تامین می شود. قوس الکتریکی در این فرایند در زیر تودۀ پودر محافظ ایجاد می شود.
لازم به ذکر است بخشی از تودۀ پودری حین فرایند ذوب می شود و باعث تشکیل سرباره روی فلز مذاب جوش می گردد. از جوشکاری زیر پودری بیشتر برای جوشکاری قطعات ضخیم و خط جوش های طویل لوله ها استفاده می شود. این روش به دلیل لزوم وجود پودر محدود به حالت سطحی یا افقی است. جوشکاری زیرپودری می‌تواند به 3 روش نیمه خودکار، خودکار و ماشینی انجام گیرد که تفاوت آنها در به کارگیری دستگاه های جوشکاری است. از فرآیند جوشکاری قوس زیرپودری بیشتر برای جوشکاری قطعات ضخیم، خط جوشهای طویل مثل صنایع لوله‌سازی، کشتی‌سازی، جوشکاری اسکلت‌های فلزی و ساخت مخازن استفاده می‌شود.
جوشکاری قوسی تو پودری (FCAW)
در این فرایند قوس الکتریکی بین قطعه کار و سیم جوش حاوی پودر ایجاد می شود و حرارت حاصل از آن موجب ذوب و ایجاد اتصال می شود. الکترودهای مورد استفاده در جوشکاری پودر درون آن وجود دارد.
در این روش می توان با دود حاصل از اکسید پودر یا گاز خارجی از حوضچه ذوب محافظت کرد. این روش نیازی توقف فرایند جوشکاری و تعویض الکترود ندارد و سرعت بیشتری نسبت به دو روش قبل دارد. در مقابل نیاز به تجهیزات پیچیده و گران تری دارد.
جوشکاری قوسی کربنی (CAW)
در این نوع از جوشکاری از الکترودهای کربنی استفاده می‌شود. برخی اوقات و در فرآیندهای خاص نیز از مس در این نوع جوش استفاده می‌شود.
این فرآیند همانند جوش SMAW ، حرارت به وسیله قوس الکتریکی میان قطعه کار و الکترود کربنی (عمدتا گرافیتی) به وجود می آید.
لازم به ذکر است جوش CAW امروزه به نام فرایند Twin Carbon Arc Welding نیز در صنایع استفاده می شود. در این حالت از قوسی که میان دو الکترود کربنی مقابل هم به وجود می آید، حرارت تولید شده و با تنظیم فاصلۀ الکترود ها می توان میزان حرارت را کنترل کرد.
جوشکاری قوسی با الکترود تنگستنی با حفاظت گاز خنثی (GTAW/TIG)
از انواع جوشکاری بسیار پرکاربرد است که با نام مخفف جوشکاری TIG نیز شناخته می شود. در جوش GTAW، قوس بین الکترود غیرمصرفی دیر ذوب مانند تنگستن و قطعه کار برقرار می گردد و باعث ذوب فلز پایه و ایجاد حوضچه مذاب روی قطعه کار می شود. جوشکاری آرگون یکی از انواع متداول جوشکاری با محافظت گاز است.
در فرایند جوش GTAW گاز محافظ خنثی از کپسول توسط رگلاتور و شلنگ های مخصوص به طرف تورچ جوشکاری هدایت می شود. در میان روش های جوشکاری قوسی این روش ظاهر بسیار خوبی را برای فلز جوش به ارمغان می آورد؛ اما نرخ رسوب و سرعت کمتری دارد و گران تر است.
جوشکاری قوسی با الکترود فلزی تحت پوشش گاز محافظ (GMAW / MIG )
در جوش GMAW، به جای الکترود روکش دار از الکترود بدون روکش استفاده می شود. برای جلوگیری از آسیب رسیدن به مذاب فلز جوش (به دلیل اثرات سوء اتمسفر مانند اکسیژن و ازت)، یک گاز بی اثر یا فعال در فضای قوس و اطراف حوضچه مذاب جایگزین اتمسفر می گردد.
جوشکاری فلزی تحت گاز محافظ فعال (Metal Active Gas/MAG)
اگر گاز استفاده شده بی اثر باشد، به آن جوشکاری میگ MIG و اگر از گاز محافظ فعال استفاده شود، به آن جوشکاری مگ (MAG) گفته می شود. اگر گاز محافظ فعال یا با اثر باشد به آن (MAG) گفته می شود. معمولا در این روش گاز محافظ از طریق کپسول و لوله های انتقال به آرامی به اطراف قوس هدایت شده و حفاظت مناسب را ایجاد می کند.
جوشکاری قوس پلاسماPAW
این جوشکاری شبیه به جوش تنگستن است. گاز یونیزه شده در فرایند قوس الکتریکی اصطلاحاً پلاسما نامیده می‌شود. و سطوحی بسیار با کیفیت تولید می‌کند. کاربرد عمده جوش قوس پلاسما در صنایع لوله سازی و ابزارسازی است.
در جوشکاری PAW، یک نازل جوشکاری خاص پلاسما (که مانند یک عدسی است) گازهای یونیزه شده را از درون نازل به شکلی عبور می دهد که تمرکز انرژی حرارتی بسیار زیادتر شود. به دلیل انرژی پایدارتر و بالاتر و همچنین قوس متمرکزتر جوش پلاسما، استفاده از این فرایند برای اتصال ورق های نازک تا ضخیم، به خصوص برای جوشکاری آلومینیوم کاربرد فراوانی دارد.
فرایندهای غیر ذوبی
جوشکاری اصطکاکی (FRW)
جوشکاری اصطکاکی، از روش های مهم در جوشکاری حالت جامد است. در این روش ابتدا یکی از قطعات توسط نیروی مکانیکی در جهت خاصی به گردش در می آید؛ در حالی که قطعۀ دیگر توسط یک گیره محکم نگه داشته می شود و حرکتی ندارد. سپس در اثر تماس فصل مشترک دو قطعه با یکدیگر و وجود ضریب اصطکاک بین سطوح تماس، حرارت تولید می شود. این گرمای تولید شده توسط اصطکاک، سطوح تماس را به حالت خمیری درآورده و در نهایت، اعمال فشار همراه با قطع گردش دورانی موجب اتصال دو قطعه به هم می شود. از انواع روش های جوشکاری اصطکاکی می توان به خطی، دورانی و داخلی اشاره کرد.
از مزیت های اصلی این روش امکان استفاده جهت جوشکاری فلزات غیر همجنس است.
جوشکاری انفجاری (EXW)
جوشکاری انفجاری از روش های جوشکاری حالت جامد است که کاربرد نسبتا کمتری در صنایع عادی دارد.در این روش برای جوشکاری بین دو ورق فلزی یک انفجار کنترل شده در ورق بالایی اتفاق می افتد. سپس در نتیجۀ این انفجار، برخورد سریعی که ورق بالایی به پایینی دارد، و براثر فشار حاصل از انفجار یک پیوند متالورژیکی در فصل مشترک برخورد ایجاد می شود.
این فرایند معمولاً برای پوشش دهی ورق‌های فولاد کربنی با یک‌لایه‌نازک از مواد مقاوم به خوردگی مانند تیتانیوم و نیکل به کار گرفته می‌شود و برای ساخت قطعاتی با هندسه ساده مانند ورق‌ها ولوله‌ها مناسب است.
جوشکاری فراصوتی (UW)
در جوشکاری فراصوتی، از ارتعاشات التراسونیک با فرکانس بالا ( ۲۰ تا 4۰ کیلوهرتز) برای ایجاد اتصال دو فلز استفاده می شود. به این صورت که در نقطۀ تماس، نوسان هایی با فرکانس بالا ایجاد می شود. این نوسان ها باعث اعوجاج اتم ها و مولکول های فلزی می شوند و به کمک فشار، یک اتصال مکانیکی به وجود می آید.
جوشکاری نفوذی DFW
برای جوش دادن ورق‌های نازک، سیم‌ها یا رشته‌های باریک فولادی و برای اتصال فلزات با جنس مشابه و غیرمشابه، از این روش استفاده می‌شود. برای ایجاد اتصال، از اعمال فشار با دمایی حدود 50 تا 70 درصد دمای ذوب فلز پایه و فرایند نفوذ سطوح جامد فلزی باگذشت زمان، استفاده می‌گردد. در برخی موارد از فلز پرکننده مابین سطوح اتصال استفاده می‌شود.
جوشکاری مقاومتی
در جوشکاری مقاومتی از فشار و حرارت استفاده می‌شود. گرمای لازم از طریق عبور جریان برق از قطعات به‌دست می‌آید. یعنی گرما به‌دلیل مقاومت الکتریکی قطعات کار و تماس آنها در فصل مشترک به‌وجود می‌آید. پس از رسیدن قطعه به‌دمای ذوب و خمیری فشار برای آمیخته دو قطعه به‌کار می‌رود. در این روش فلز پایه، کاملاً ذوب نمی‌شود. اجرای جوشکاری مقاومتی از سرعت بالایی برخوردار است و در این فرآیند از ماده مصرفی مثل سیم جوش یا الکترود مصرفی استفاده نمی‌شود. همچنین فرآیند جوشکاری مقاومتی از قابلیت اتوماسیون بالایی برخوردار می‌باشد. برای جوشکاری ورق‌های بسیار نازک و متوسط و در صنایع خودروسازی، کابینت‌سازی و لوازم خانگی کاربرد وسیعی دارد.
روشهای جوشکاری مقاومتی عبارت‌اند از:
- جوش نقطه‌ایRSW
- درز جوشیRSEW
- جوش تکمه‌ای یا زائده ای RPW
- جوشکاری مقاومتی فشاری سر به سر (PBW)
- جوشکاری مقاومتی جرقه ای سر به سر (FBW)
- جوش مقاومتی از نوع پینی
- جوش مقاومتی به کمک ورقه نازک فلزی
- جوش مقاومتی با بافت فلزی
- جوش مقاومتی تصادمی یا ضربه‌ای
- جوش مقاومتی با فرکانس بالا
جوشکاری مقاومتی نقطه ای (RSW)
در جوشکاری RSW ، محل تماس قطعات کار بین دو فک الکترودها ثابت نگه‌داشته شده و حرارت تولیدی به علت مقاومت الکتریکی ورق ها و تماسشان در نقطه اتصال به وجود می آید. پس از اینکه فصل مشترک به دمای ذوب رسید و قطعات کار خمیری شدند، فشار اعمال می شود و در هم تنیدگی ساختاری پدید می آید. این نوع جوشکاری نقطه ای به دسته های زیر تقسیم می شود:
- ساده
- هفت تیری
- برجسته
- لحظه ای
- خازنی
جوشکاری مقاومتی درز جوش (RSEW/Seam welding)
در روش جوشکاری RSEW با مکانیزمی مشابه جوش نقطه ای، برای تولید مفصل های فلزی به کار می رود. یعنی در این روش دستگاه‌ها قادر به ایجاد خط جوش پیوسته و منقطع می‌باشند. که با اتصال دو بخش از یک سازه، و اعمال فشار عبور جریان الکتریکی در نهایت اتصال ایجاد می گردد.
درز جوش منقطع بیشتر برای اتصال فلزات حساس به حرارت کاربرد دارد. از درز جوش لب‌به‌لب، برای جوشکاری درز طولی لوله‌های جدار نازک استفاده می‌شود.
جوشکاری مقاومتی زائده ای (RPW)
این روش از روش های کمتر متداول در میان روشهای جوشکاری است. این روش مشابه روش های قبل است با این تفاوت که باید در نقطۀ دلخواه یک زائده یا برآمدگی ایجاد کرد. با برقراری جریان الکتریکی این زائده حالت خمیری پیدا کرده و جوش اتفاق می افتد.
